پایان نامه طراحی شاتون

پیش گفتار

شاتون به عنوان یکی ازمهمترین قطعه متحرک موتور،در نحوه کارکرد وبازده مکانیکی موتور موثر بوده،اصلاح وبهسازی آن می تواند نقش قابل توجهی در بهبود کارکرد موتور داشته باشد.

در زمینه تحلیل تنش در شاتون تحقیقات بسیاری انجام گرفته است.ذیلا به نمونه ای از کاربرد روش اجزای محدود اشاره شده است.

در سال 1989 میلادی در یک کارخانه ذوب فلزات،شاتون یک موتور 18 سیلندر دیزل دچار شکست شد.موتور مزبور جهت تامین برق کوره های الکتریکی به کار گرفته شده با معاینه شاتون آسیب دیده مشخص شد شکست در اثر خستگی وپیدایش ترک در رزوه های شاتون رخ داده است.رزوه های مزبورجهت بسته شدن پیچ روی شاتون واتصال دو تکه شاتون در سوراخ عبور پیچ ایجاد شده بودند.مدل شاتون تحت بارهای تنش در پای رزوه های یاد شده بوده اند.برای کاهش این تنشها، انحنای پای دندانه ها در مدل کامپیوتری به دو برابر مقدار اولیه افزایش یافته است.با تحلیل مدل اصلاح شده، نتایج بیانگر کاهش قابل توجه در مقدار تنش پای دندانه ها بوده اند.بیشترین مقدار تنش در این ناحیه از 3200 مگاپاسکال به 1500 مگاپاسکال کاهش یافته است در پای رزوه های شاتون اصلاح فوق الذکر به عمل آمده،جنس شاتون نیز به نوعی فولاد با مقاومت بیشتر در برابر خستگی تغییر یافت وآثار مثبت این تغییرات در عمل نیز مشاهده گردید.

در سال 1984 در شرکت تویوتا،آزمایشاتی روی شاتونهای تولید شده به روش متالوژی پودر انجام شده است واستحکام نهایی 850 مگاپاسکال برای نمونه ها ثبت با توجه به بارگذاری دینامیک شاتون تحلیل تجربی تنش در این قطعه در گستره وسیع کارکرد موتور مشکل می نماید.با این حال چنین تحلیلهایی نیز انجام گرفته اند.به عنوان نمونه در سال 1996 مدل سه بعدی فتوالاستیک نوعی شاتون تهیه شده،در حالات خاص بارگذاری اندازه تنشها در نقاط خاصی به دست آمده اند.

با توجه به افزایش کاربرد متالوژی پودر برای تولید فولادی با اشکال پیچیده ذیلا به دو نمونه از تحقیقات انجام شده در این زمینه اشاره می شود.

گردیده است.

تحقیقات انجام شده در سال 1989 در شرکت فدرال موگول بیانگر رسیدن به عدد950 مگاپاسکال برای استحکام نهایی شاتونهای تولید شده به روش متالوژی پودر می باشند.فولاد مورد استفاده در این آزمایشات حاوی 6/0 درصد کربن بوده اند.

در سال 1376 در دانشگاه تربیت مدرس،پایان نامه ای تحت عنوان «بهسازی وطراحی پیستون،شاتون ومیل لنگ موتور 1600» در مقطع کارشناسی ارشد،با هدف اصلاح دستگاه حرکتی موتور ارائه شده است.اصلاحات پیشنهادی در این پروژه شامل تغییر شکل شاتون،تغییر نوع اتصال شاتون و پیستون،و تغییر جنس می باشند.این  اصلاحات باعث کاهش وزن در حدود 110 گرم وافزایش استحکام در مقاطع مختلف شاتون می شوند.در این پایان نامه محاسبات به صورت تقریبی در برخی مقاطع خاص وبدون روش اجزای محدود،انجام گرفته است.

در سال 1373 در دانشگاه صنعتی امیرکبیر پایان نامه ای تحت عنوان «بررسی خواص مکانیکی شاتون متالوژی پودر جایگزین شاتون فورج شده» در مقطع کارشناسی ارشد انجام شده است.در این پایان نامه روش متالوژی پودر به جای آهنگری برای تولید شاتون پیکان پیشنهاد شده است.فولاد توصیه شده برای این روش،حاوی مقدار بیشتری کربن،کرم ومولیبدن نسبت به فولاد مورد استفاده در شاتون فعلی می باشد.برای رساندن خواص مکانیکی شاتون متالوژی پودر تا حد خواص مکانیکی شاتون فورج شده،باید عملیات ساچمه زنی پس از فورج پودر انجام گیرد.

یک پایان نامه در دانشگاه تبریز با عنوان «جایگزینی شاتون چدنی به جای شاتون فولادی فورج شده»به صورت عملی برای یک موتور تک سیلندر دیزل،شاتونی چدنی را به روش ریخته گری نمونه سازی کرده اند.این شاتون در مرحله آزمایش روی موتور،نتایج رضایتبخشی از خود نشان داده است.قابل ذکر است که طرح شاتون فوق کاملا مشابه شاتون اولیه موتور وتاکید پروژه عمدتا بر جایگزینی جنس وروش تولید جهت کاستن از هزینه ساخت بوده است.

در پایان نامه حاضر ،مراحل تحلیل دینامیکی شاتون به روش اجزای محدود،شرح داده اند.این روش علاوه بر مسائل سازه ای در مسائل حرارتی،سیالی والکترومغناطیسی نیز کاربرد دارد ونرم افزارهای متعددی برای اجرای این روش ابداع شده اند.نرم افزار انسیس در میان نرم افزارهای مشابه چون الگور،نیسا،نسترن ولوساس دارای برتریهای نسبی است که عبارتند از :امکان انجام تحلیل در حالت دینامیک،برخورداری از گستره وسیع المانهای مختلف وسهولت تهیه در بازار با قیمت مناسب.تحلیل دینامیکی شاتون بوسیله نرم افزار انسیس ودر دو سرعت1000 دور بر دقیقه به عنوان دور آرام و5500 دور بر دقیقه،به عنوان حداکثر دور مجاز موتور،در زوایای خاص لنگ انجام گرفته است.اولین تحلیل در نقطه مرگ بالا،پایان مرحله تراکم وآغاز مرحله انبساط وتحلیل های بعدی هم با فواصل  زاویه لنگ انجام شده اند.یعنی در طول  کار یک سیکل 36 تحلیل انجام گرفته است.

فصل اول تعریف شاتون ,عناصر  تشکیل دهنده شاتون

 فصل دوم روشهای ساخت شاتون

 فصل سوم دینامیک  شاتون

1-روابط سینماتیک شاتون

2-محاسبه شتاب مرکز جرم شاتون

3-نیروهای استاتیکی شاتون

4-نیروهای دینامیکی شاتون

5-مرکز جرم و جرم های تعادل در شاتون

فصل چهارم تحلیل شاتون

1-انتخاب جنس و تولیدشاتون قبل از ماشینکاری

2-ترسیم شاتون در کامپیوتر

3-محاسبه نیروی استاتیکی بااستفاده از نرم افزار انسیس

4-محاسبه اعمال نیروی پیستون به شاتون و میل لنگ به شاتون

5- فشار هیدرودینامیک بر شاتون

6-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتو6-محاسبه شتاب عمودی مرکز جرم شاتون

7-بررسی نتایج حاصله

 فصل پنجم

1- اصلاح در طرح ظاهری شاتون

2- تغییر جنس شاتون

3-اصلاح در روش تولید شاتون

فصل اول

1-تعریف شاتون

2-عناصر تشکیل دهندۀ شاتون

1-تعریف شاتون

شاتون عضوی است که حرکت رفت وبرگشتی پیستون را به حرکت دورانی میل لنگ تبدیل می کند.شاتون در پمپها وکمپرسورهای پیستونی نیز به کار می رود وحرکت دورانی را به حرکت رفت وبرگشتی پیستون جهت مکش وتراکم سیال تبدیل می نماید.

شکل ظاهری شاتونها،بسته به محدوده سرعت کاری موتور یا پمپ ونیز قدرت وگشتاور تولیدی یا مصرفی متغیر است.ولی تمام شاتونها مطابق شکل زیر از سه قسمت شده اند.سر کوچک محل اتصال پیستون با شاتون اصلی سر کوچک،ساق وسر بزرگ تشکیل است ونقطه مرکزی آن،حرکتی رفت وبرگشتی،مشابه حرکت پیستون دارد.

 (1-1)نمونه یک شاتون

اتصال بین پیستون وشاتون،توسط قطعه ای به نام گژن پین یا پین انگشتی برقرار می شود.از آنجایی که حرکت پیستون رفت وبرگشتی وحرکت شاتون،ترکیبی از انتقال ودوران می باشد،اتصال بین این دو عضو باید به صورت لولا باشد،تا شاتون در عین ارتباط با پیستون ،بتواند نسبت به آن دوران کند.

در اتصال تمام شناور،گژن پین نسبت به پیستون ثابت ونسبت به شاتون دارای قابلیت چرخش می باشد.در این طرح یک بوش برنجی به صورت پرسی در سر کوچک شاتون جا زده،برای کاهش اصطحکاک سطح تماس بین بوش وگژن پین،روغن توسط یک سوراخ در سر کوچک شاتون تامین می شود.

در اتصال نیمه شناورگژن پین،در شاتون پرس شده،می تواند نسبت به پیستون دوران نماید.در چنین طرحی نیاز به روغنکاری از شاتون به پیستون منتقل شده،در دو طرف پیستون دو سوراخ برای روغنکاری سطوح اصطحکاکی ایجاد می شود

ساق دو سر بزرگ وکوچک را به هم ارتباط می دهد وبرای کاهش وزن،معمولا دارای ضخامت کمتری نسبت به دو سر شاتون است.تاکنون اشکال مختلفی برای سطح مقطع ساق پیشنهاد شده است،از جمله سطح مقطع مدور،بیضوی و«I» شکل.مورد اخیر بدلیل وزن کمتر واستحکام مطلوب،بیشتر به کار می رود.با کاهش طول ساق شاتون وثابت ماندن نسبت تراکم موتور میزان گشتاور ونیروی تولیدی آن افزایش می یابد.همچنین طول ساق در استحکام ونیز میزان ساییدگی جداره سیلندر در اثر تماس با پیستون موثر است. سر بزرگ محل اتصال شاتون با میل لنگ ومرکز آن،حرکتی دورانی مشابه حرکت میل لنگ دارد.برای جلوگیری از سایش شاتون در سر بزرگ دو یاتاقان که جنس سختی دارند بین شاتون ومیل لنگ قرار می گیرد ودر سطح داخلی سر بزرگ شاتون،دو شیار برای ثابت کردن یاتاقانها ایجاد می شود.سربزرگ شاتون معمولا به صورت دو تکه تولید می شود،این دو قطعه پس از قرار گیری روی میل لنگ بوسیله دو پیچ به هم بست در شاتونهای دو تکه قطعه زیرین سر بزرگ را کپه می ه می شوند نامند.در کپه وشاتون دو سوراخ برای عبور ایجاد می شود

جرم شاتون وتوزیع آن نقش مهمی در کارکرد موتور دارند.به اختصار می توان گفت با افزایش جرم شاتون،اتلاف انرژی در موتور،افزایش وراندمان آن کاهش می یابد.کنترل ارتعاشات وتعادل موتور نیز به توزیع جرم ومحل مرکز شاتون وسایر قطعات متحرک بستگی دارد.باید دقت نمود،تا جرم شاتون ومحل مرکز جرم آن از محدوده مشخصی تجاوز ننماید.در انواع شاتون،دو راه برای تنظیم جرم ومحل مرکز جرم وجود دارد در برخی شاتونها وزنه های تعادل در دو سر شاتون تعبیه می شود.پس از اتمام عملیات ماشینکاری،با کاستن از طول وزنه ها،جرم شاتون ومحل مرکز جرم آن تنظیم می شود ودر محدوده خاصی قرار می گیرد.در عمل هر یک از دو سر شاتون روی یک ترازو قرار می گیرند وبه جای جرم کلی ومحل مرکز جرم،مقدار جرم نشان داده شده توسط دو ترازو،مورد توجه قرار می گیرد

در برخی دیگر از شاتون ها،وزنه های روی دو ترازو قرار می گیرند وبراساس جرم سر کوچک وبزرگ دسته بندی می شوند.تعداداین گروههای وزنی در مواردی به 100 گروه نیز می رسد وتمام شاتونهای مورد استفاده در یک موتور ،باید از یک گروه انتخاب شوند.

2-عناصر تشکیل دهنده شاتون

مهمترین پارامترها در انتخاب جنس شاتون،عبارتند:

1-استحکام تسلیمحد خستگی

2-حساسیت به ترک های سطحی

3-جرم حجمی وقیمت

4-فولاد به دلیل داشتن استحکام زیاد

5-قیمت مناسب

ونیز امکان انجام عملیات حرارتی مختلف برای حصول طیف گسترده ای از خواص مکانیکی،معمولترین ماده در تولید شاتون است.عموما از فولادهای کربنی با درصد کربن بین 2/0 تا 4/0 در تولید شاتون استفاده می شود.در مواردی نیز فولادهایی با عناصر آلیاژی کرم،نیکل یا مولیبدن ویا فولادهای کم کربن با زمینه مارتنزیتی ی به کار می روند.

در جدول زیر خواص مکانیکی چند نوع فولاد مشاهده می شود.با توجه به اینکه در این موتورها،مقادیر زیاد گشتاور در دورهای بالا تولید می شود،استحکام شاتون نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است.با توجه به توضیحات فوق،استفاده از آلیاژهای گرانقیمت تیتانیوم در اینگونه موتورها معمول است.آلیاژهای تیتانیوم،با دارا بودن جرم حجمی در حدود نضف فولاد،دارای خواص مکانیکی مشابه با فولاد های آلیاژی مقاوم هستند.در جدول زیر خواص چند نوع از آلیاژهای تیتانیوم ارائه شده است.