7. A forgattyús hajtómű
7.4. A forgattyús hajtóműben fellépő erőhatások és nyomatékok
Az eredő dugattyúerőnek különböző irányú komponensekre való bontását és az ezek által létreho-zott nyomatékokat a 7.11. ábra mutatja. A 7.11. és a 7.13. ábrában és a következő összefüggésekben az eddig használtakon kívül a következő jelöléseket vezettük be:
Fh (N) hajtórúd irányú erő,
Fn (N) a hengerfalra merőleges, „normális” irányú erő,
Ft (N) a forgattyúkarra merőlegesen ható forgató vagy tangenciális erő, Fr (N) a forgattyúkar irányában ható radiális erő,
Fat (N) az alátámasztásokon ható reakcióerő, Mf (Nm) a motor hasznos forgatónyomatéka, Mb (Nm) billentőnyomaték,
Mat (Nm) az alátámasztások reakcióerőinek nyomatéka, Mt (Nm) a külső ellenállás terhelőnyomatéka.
A dugattyúerőt hajtórúd irányú
cos
Fh F és a hengerfalra merőleges normális irányú erőre lehet felbontani Fn F tg. A fenti kifejezésekből a β szöget a 7.2 fejezetben ismertetett összefüggések segítségével kiküszöbölhetjük. Így:
A dugattyúerőt tehet a hajtórúd és a hengerfal veszi fel. Az erők ilyen felbontása persze csak akkor helyes, ha a dugattyú súrlódásától eltekintünk. Az erőjáték további elemzésénél is eltekintünk a súr-lódásoktól.
A dugattyú oldalerejének, a normálerőnek a változását mutatja a löket függvényében a 7.12. ábra ismét egy négyütemű feltöltött dízelmotor esetére. Az ábrából látható, hogy a dugattyú a tömegerők hatására a gázcserefolyamat alatt löketenként kétszer váltja felfekvési helyét a hengerfalon. A gáz-erők hatására a Fhp-ban igen gyorsan váltja felfekvését a dugattyú. Eközben olyan nagyságú ütkö-zőerők lépnek fel, amelyek lényegesen nagyobbak a statikusan számított oldalerőnél.
(7.23) (7.22) (7.21)
7.11. ábra. Erők és nyomatékok a forgattyús mechanizmusban
7.12. ábra. A dugattyú oldalerejének, a normálerőnek a változása a löket függvényében négyütemű, feltöltött dízelmotor esetében
A hajtórúd az Fh erőt a dugattyúcsapszegről a forgattyúcsapra viszi át. Ez az Fh erő a főcsapot terhe-li. Ahhoz, hogy a forgattyúcsapra ható Fh erőt a főcsapba önmagával párhuzamosan eltolhassuk, ugyanott az előzővel azonos nagyságú, de vele ellentétes irányítású Fh' erőt kell alkalmaznunk (7.11. ábra). Az Fh Fh' erőpár kFh nagyságú nyomatékot, a motor hasznos forgatónyomatékát adja, amely a forgattyútengely forgásirányában hat
h
f k F
M (Nm).
A főcsapra ható Fh erőt ismét két komponensre bonthatjuk. A henger tengelyébe esik az eredő du-gattyúerővel azonos nagyságú és irányú F erő. A másik komponens az Fn oldalerővel azonos nagy-ságú, de ellentétes irányítású Fn' erő. Az Fn Fn' erőpár a bFn nagyságú, ún. billentőnyomatékot adja:
n
b b F
M (Nm). (7.25)
(7.24)
7. A FORGATTYÚS HAJTÓMŰ 153
A billenőnyomaték értelme az Mf forgatónyomatékkal ellentétes. A két nyomaték azonos nagyságú
b
f M
M , és ha külső terhelő nyomaték nem hat a forgattyútengelyre, egymással egyensúlyt tart.
Állandó fordulatszám esetén a motor forgattyútengelyére ható külső Mt terhelő nyomaték a motor hasznos, Mf forgatónyomatékával lehet azonos nagyságú, tehát
f
t M
M .
Ekkor azonban az eddig az Mf forgatónyomatékkal lekötött Mb billentőnyomaték felszabadul és a motort forgásértelmével ellentétes irányban igyekszik elfordítani. A motor elfordulását a motor for-gattyúházára erősített alátámasztások akadályozzák meg. Az alátámasztásokon ható Fat reakcióerők is erőpárt alkotnak, az erőpár nyomatéka
at
at u F
M (Nm).
nagyságú és a billentőnyomatékkal tart egyensúlyt
b
at M
M .
Minthogy a motorokat általában rugalmas alátámasztásokra helyezik, amelyek kismértékű elmozdu-lást mindig megengednek, külső terhelőnyomaték alkalmazása esetén a felszabaduló billentőnyomaték a motort függőleges helyzetéből kibillenti. A kibillentés irányát az oldalerő iránya szabja meg, amely a 7.12. ábrán bemutatott módon változik. Minthogy a legnagyobb oldalerők az expanzió kezdetén a motor forgásirányával ellentétes értelemben hatnak, a legszembetűnőbb el-mozdulás is ilyen irányú lesz.
Az égéstérben lévő pg gáznyomás nemcsak a dugattyúra hat, hanem a hengerfejre is. Az Fg gázerő a motor szerkezetének állórészén belül a hengerfej, forgattyúház, főcsapágyfedél láncolaton keresztül kiegyenlítődik és húzásra veszi igénybe a hengerfejet rögzítő és a főcsapágyfedeleket leszorító csa-varokat, valamint a forgattyúházat.
Az eredő dugattyúerőből meghatározott Fh hajtórúderőt a forgattyúcsapon tangenciális és radiális komponensekre is felbonthatjuk (7.13. ábra). A forgattyútengely és az egész forgattyús mechaniz-mus méretezéséhez ezt a felbontási módot szokás felhasználni.
A tangenciális, tehát a forgattyúkarra merőleges komponenst az
összefüggésből nyerjük. A forgattyúkar irányában ható radiális erő
Könnyen belátható, hogy az Ft változó tangenciális erő az állandó r forgattyúsugárral szorozva, a motor hasznos forgatónyomatékát adja. Írható tehát, hogy
h t
f r F k F
M (Nm).
Egyhengeres motor tangenciális erőinek (7.14. ábra) és radiális erőinek (7.15. ábra) változását a forgattyúszög függvényében szokás ábrázolni. Mindkét diagramban feltüntettük a gázerőkből szá-mítható, a tömegerőkből számítható és az eredő tangenciális, illetve radiális erőt. A bemutatott áb-rák négyütemű dízelmotorok alacsony fordulatszámon történő üzemére jellemzőek. Növekvő fordu-latszámoknál a tömegerőből származó komponensek amplitúdója a fordulatszámviszony négyzeté-vel nő. Ismételten megjegyezzük, hogy a 7.15. ábrán bemutatott radiális erő-változás csak az alter-náló tömegerőkből számított radiális erő. Ha a főcsapra ható radiális erők összegét akarjuk
megha-(7.31)
tározni, akkor az állandó nagyságú, a forgó tömegekből számított Fmr centrifugális erőt is figyelem-be kell vennünk. A forgó tömegek tangenciális erőt nem ébresztenek.
7.13. ábra. A hajtórúderő felbontása a forgattyúcsapon tangenciális és radiális komponensekre
A hajtórúd lengőmozgásának a tangenciális erőre gyakorolt hatása oly kicsiny, hogy az a legtöbb esetben elhanyagolható. Az ábrákban pozitívnak vettük a tangenciális erőt, ha az a motor forgásirá-nyával megegyező irányba mutatott és pozitívnak a radiális erőt, ha az a forgattyútengely középvo-nalának irányába mutatott. A tangenciális és a radiális erők diagramját számítógépes program segít-ségével, Δα = 1 Ft° lépésközzel szokták meghatározni
Az erőhatások és nyomatékok vizsgálatát hasonló módon elvégezhetjük külön-külön a gázerőkre és a tömegerőkre is.
Az előzőekben a forgattyús hajtóműben fellépő erőhatásokat és nyomatékokat az egyhengeres mo-tor viszonyain keresztül mutattuk be.
V-, W- és csillagmotorok esetében az egyes forgattyúcsapokhoz két vagy több hajtórúd csatlakozik.
Ennek megfelelően az egy síkban (a forgattyútengelyre merőleges síkban) elhelyezkedő hengerek dugattyúerői a hajtórudak közvetítésével a motor forgásirányától függően a hengersorok közötti szögértékkel eltolva hatnak a forgattyúcsapra. Az egyes hengerek dugattyúinak és hajtórúdjainak igénybevételét csak az illető henger gáz- és tömegerői határozzák meg. A forgattyútengely mérete-zésére azonban az egy síkban ható hajtórúderők mindenkori eredője a mértékadó. Egy négyütemű V-motor hengerpárjának eredő dugattyúerőit mutatja a 7.16. ábra. A hengermotorok hajlásszöge
40
, az egy síkban levő hengerek gyújtási köze 360 400. Értelemszerűen hasonló mó-don kell meghatározni a V-hengerpár eredő tangenciális és radiális erőinek változását.
7. A FORGATTYÚS HAJTÓMŰ 155
7.14. ábra. Egyhengeres motor tangenciális erőinek változása a forgattyúszög függvényében
7.15. ábra. Egyhengeres motor radiális erőinek változása a forgattyúszög függvényében Többhengeres soros vagy V-motorok eredő tangenciális erőit a gyújtási köz figyelembevételével ál-lapítjuk meg.
A 7.14. ábrán láttuk, hogy az egyhengeres motor tangenciális erőinek amplitúdója igen erősen tozik a munkaciklus során. Ennek megfelelően az ilyen motor hasznos forgatónyomatéka is így vál-tozik, amelynek kiegyenlítése érdekében lendkereket alkalmazunk. A tangenciális erőnek és ezzel együtt a motor forgatónyomatékának lényegesen kiegyenlítettebb lefutását mutatják a többhengeres motorok. Fontos szerepe van a motor forgatónyomatékának kiegyenlítésében a lendkeréknek. Ezek-kel a kérdésekEzek-kel a későbbi fejezetekben foglalkozunk.
7.16. ábra. Négyütemű V-motor hengerpárjának eredő dugattyúerői a forgattyúszög függvényében