Pokretni I Nepokretni Dijelovi Motora

UVOD O tome koliki značaj danas ima tehnologija, koja je svakim danom sve naprednija i naprednija, mislim da ne treba ni objašnjavati. Svjedoci smo svakodnevnih dostignuća u tehnici, u svim sferama života. Koliko su velike promjene koje nastaju, mislim da možemo pokazati na samom vozilu. Ako bi samo uzeli vremenski period od nekih stotinjak godina, vidjeli bi drastične promjene, kako u vanjskom izgledu vozila, tako i promjene pogona, unutar vozila. Pod pojmom „vozilo“ podrazumijeva se veoma složena mašina ili mašinski sistem, sposoban da se kreće samostalno („motorno vozilo“) ili uz pomoć neke druge mašine („priključno vozilo“).1 Konstrukcija vozila može biti različita, u zavisnosti od niza uticajnih parametara. Ali svima njima, bar onima koja se kreću po kopnu (ne na šinama), zajedničko je to da su pokretana od strane motora, odnosno da imaju svoj izvor energije, a da nisu zavisna od spoljnih energetskih izvora. U ovom seminarskom radu mi smo pokušale objasniti, koji su to glavni dijelovi motora, koji omogućavaju bezbijedan rad vozila, te koja je uloga tih dijelova motora. Nastanak motornih vozila vezan je za mehanizaciju ljudske i animalne energije neophodne za savladavanje otpora pri kretanju i prevozu ljudi i tereta. Razmišljanja da se sagradi vozilo koje bi se pokretalo snagom motora, javlja se već onda kada je izumljena parna mašina (1765. God.), iz ovoga vidimo još koje se godine pošlo raditi na stvaranju vozila s motorom. Ja neću o nastanku i promjenama detaljno govoriti, jer to nije tema našeg seminarskog rada, nego ću pokušati da se usredoćim samo na motor. Stroj koji preobražava bilo koji vid energije u mehaničku energiju naziva se motor.2 Da bi motor bio upotrebljiv, mora postojati pretvaranje energije iz jednog vida u drugi, automatski, pouzdano i ekonomično. Zavisno od vida polazne energije, motori mogu biti: toplotni, električni, hidraulični, i dr. Motori sa unutrašnjim sagorijevanjem spadaju u grupu toplotnih motora, jer se, toplotna energija, sadržana u gorivu, posredstvom sagorijevanja pretvara u potencijalnu energiju, radnog fluida, a zatim putem ekspanzije radnog fluida u korisnu mehaničku energiju. Osim motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, postoje i motori sa spoljašnjim sagorijevanjem, također u grupi toplotnih motora. Ali u ovom seminarskom radu mi ćemo govoriti o glavnim pokretnim i nepokretnim dijelovima motora sa unutrašnjim sagorijevanjem.

GLAVNI DIJELOVI MOTORA 1 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.1. 2 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str. 11.

Glavni dijelovi motora sa unutrašnjim sagorijevanjem, koji neposredno i posredno učestvuju u formiranju radnog prostora, dijele se na : ➢ Pokretne i ➢ Nepokretne. U pokretne dijelove motora spadaju: 1. Klipna grupa, gdje spadaju klipni prstenovi, osigurač i osovinica; 2. Klipnjača, sa velikom pesnicom i kliznim ležajevima u velikoj i maloj pesnici klipnjače; 3. Koljenasto vratilo ( radilica ) sa kontrategovima, zamajcem sa zupčastim vijencem i zupčanikom, za pogon razvodnog mehanizma. U nepokretne dijelove motora spadaju: 1. 2. 3. 4. 5.

Poklopac cilindarske glave; Cilindarska glava sa zavrtnjevima za njeno pričvršćivanje na blok; Blok motora; Zaptivka bloka motora; Donja polutka gnijezda glavnog rukavca koljenastog vratila; 6. Korito motora.3

POKRETNI DIJELOVI MOTORA Kao što je već pomenuto u pokretne dijelove motora spadaju: 1. Klipna grupa, gdje spadaju klipni prstenovi, osigurač i osovinica; 3 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str. 23.

2. Klipnjača, sa velikom pesnicom i kliznim ležajevima u velikoj i maloj pesnici klipnjače; 3. Koljenasto vratilo ( radilica ) sa kontrategovima, zamajcem sa zupčastim vijencem i zupčanikom, za pogon razvodnog mehanizma.

Slika 1. Pokretni dijelovi motora U nastavku slijedi nešto više o svim ovim dijelovima ponaosob. KLIPNA GRUPA Klip Klip je element koji preuzima silu uzrokovanu pritiskom plinova u cilindru i prenosi je dalje na klipni mehanizam. Maximalne visine pritiska u cilindru su vrlo velike i iznose i do 14 MPa u dizel motoru s prenabijanjem.4

Osnovni zadaci klipa su: – Da prenosi sile gasova na radilicu motora, – Da učestvuje u kružnom procesu motora, a kod dvotaktnih motora da učestvuje i u izmjeni radne materije, – Da istovremeno prihvata velike promjene pritiska i temperature, – Da pomaže u zaptivanju kompresionog prostora, 4

– Kod manjih i srednjih motora da ima ulogu ukrsne glave, – Da prima inercione sile od karika, – Da vrši odvođenje određene količine toplote da se ne bi prekoračila najveća dozvoljena temperatura, – Da ima habanje u razumnim granicama i – Da se pomoću njega utiče na smanjenje specifične potrošnje goriva i smanjenje emisije škodljivih komponenti u produktima sagorijevanja.5 Da bi se klip bolje prilagodio uvjetima rada i pri najtežim uvjetima, njegovom se obliku posvećuje vlika pažnja. Na slici 2. prikazan je primjer izvedbe klipa s bačvastom i ovalnom vodećom površinom.

Slika 2. Klip sa bačvastom i ovalnom vodećom površinom Linija „a“ prikazuje profil klipa u ravni simetrale osovinice klipa, a linija „b“ profil klipa u ravnini okomitoj na simetralu osovinice klipa. Označene linije uz „a“ i „b“ ukazuju na međuprostore izmežu cilindra i klipa za profile navedene pod „a“ i „b“. U gradnji motora primjenjuju se različite izvedbe klipa. Jače dimenzioniranje sijenke osigurava bolje uvijete hlađenja i veću otpornost prema elastičnim deformacijama. Povećana otpornost prema trošenju postiže se izborom nedeutektičnih Al – Si – legura, a utor za prstenove može se ojačati umetanjem Fe – prstena, što je prikazano na slici 3.

5 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.23.

Slika 3. Fe - prsten Tokom rada ti su klipovi bučni, jer im je potreban veći zazor u cilindru. Prema navedenim osobinama, klipovi se primjenjuju najčešće u motorima traktora i teretnih vozila. Klipovi sa izvedenim prorezom prikazani su na sljedećoj slici.

Slika 4. Klipovi s prorezom Zaz

or između klipa i cilindra je u ovom slučaju manji pa je i rad motora tiši. vrsta klipa se često upotrebljava u

Ova motorima za osobne automobile. Zbog velike razlike u toplinskim koeficijentima toplinskog širenja cilindara, prve izvedbe su imale umetke iz posebnog materijala invara, a danas se često upotrebljava čelik. Umeci su tako smješteni da smanjuju deformacije klipa u smjeru okomitom na smjer osovinice klipa. Zbog toga se u ovom slučaju zahtjeva ovalna izvedba klipa. Konstrukcija ove izvedbe klipa prikazana je na slici 5.

Slika 5. Klipovi sa umecima Slični efekti postižu se, u novije vrijeme, na sljedeće načine: – Izvedbom otvora raznih oblika na vodećem dijelu klipa ili – Ulijevanjem čeličnog prstena ( slika 6. ) između utora za prsten i provrta za osovinicu klipa.

Slika 6. Uliveni čelični prsten Klip se zatvara s donje strane prostora cilindra u kome se provodi proces izgaranja u motoru, pa se dno klipa mora posebno oblikovati, a najjednostavniji su klipovi sa ravnim dnom. Na slici 7. Prikazane su najčešće izvedbe dna klipa kod Otto motora.6

6

Slika 7. Najčešće izvedbe dna klipa kod Otto motora Klipovi se najčešće izrađuju od legura aluminija: – – – – – – –

Al Si 25 Cu Ni Mg za normalnu primjenu Al Si 21 Cu Ni Mg Al Si 18 Cu Ni Mg Al Si 12 Cu Ni Mg Al Si 10 Cu Ni Mg za posebne svrhe Al Si 12 Ni Mg Al Cu 4 Ni Mg

Ali, pored ovih legura, koristi se i sivo liveno gvožđe i nodularni sivi liv. Materijali koji se upotrebljavaju za izradu klipova brzohodnih motora moraju posjedovati sljedeće osobine: – – – – – –

Malu gustoću Veliku statističku i dinamičku čvrstoću pri visokim temperaturama Mali koeficijent temperaturnog rastezanja Dobru toplinsku vodljivost Dobra klizna svojstva Visoku otpornost prema trošenju.

Postojeći materijali nemaju sve navedene kvalitete, pa će tako svaki materijali za izradu klipa imati i izvjesne nedostatke. Materijal od kojeg se izrađuje klip treba da bude otporan na naprezanje, a to naprezanje se računa po sljedećoj formuli:

б=FA

gdje je: F- sila A- površina Osnovne prednosti legura Al su: – male inercione sile i – dobar prenos toplote. Nedostaci legura Al su: – veliki koeficijent toplotnog širenja i – opadanje mehaničkih osobina sa porastom temperature. Zbog ovih prednosti, ali više zbog nabrojanih nedostataka, potrebno je poznavati raspored temperatura po konturi klipa. Pa je iz tog razloga data slika rasporeda temperatura na klipu, gdje s desne strane imamo prikaz klipa Otto motora, a na lijevoj prikaz klipa od dizel motora.

Slika 8. raspored temperatura na klipovima Otto i dizel motora

Pored važnosti temperatura klipa za mehaničke osobine materijala, one su važne i zbog: – termičkog naprezanja – zazora u sklopu klip-karika-košuljica – koksovanja ulja.

Da bi se održavala određena temperatura na klipu, potrebno je klip hladiti, jer usred ekspanzije, dolazi do povišenja temperature. Pa se zato uvodi dodatno hlađenje klipa prskanjem ulja, što je prikazano na sljedećoj slici, tačnije, prikazano je dodatno hlađenje klipa prskanjem ulja s unutrašnje strane čela klipa. Na drugoj slici je prikazano prskanje klipa uljem sa njegovim zadržavanjem na klipu. 7

Slika 9. Dodatno hlađenje klipa Pored ovih rješenja, rade se i klipovi kao dvodijelni, što je prikazano na slici, gdje je na prve dvije slike gornji dio klipa od vatrootpornog čelika, a donji dio od legure Al, a na trećoj, termički, najopterećenioji dio klipa je obložen keramikom, koja služi kao odličan izolator.

Slika 10. Dvodijelni klip Osovinica klipa Osnovni zadatak osovinice klipa je da ostvari vezu klipa sa klipnjačom.

7 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.24.

Najčešće se koriste tzv. „plivajuće“ osovinice, koje slobodno plivaju u maloj pesnici klipnjače, i ušicama klipa. Postoje i druge konstruktivne izvedbe osovinica, koji su dalje prikazani na slici.

Slika 11. Konstruktivni oblici osovinice Pa tako imamo: a) i c) otvorene osovinice b) , d) i e) zatvorene osovinice klipa. Na ovoj slici su dati oblici koji se najčešće susreću na motoru, pa tako recimo osovinicu pod b) najčešće koriste dvotaktni motori. Zbog smanjenja težine, a zadržavanja krutosti, koriste se osovinice oblika, date pod c) i d). Na slici pod e) je prikazana osovinica koja se pričvršćuje za klipnjaču. Na sljedećoj slici možemo vidjeti izgled bočnih osigurača osovinice.

Slika 12. Izgled bočnih osigurača osovinice Osovinicu klipa potrebno je osigurati od aksijalnog pomicanja. Na slici su prikazani razni načini osiguranja sa žičanim osiguračem ( DIN 73123 ), prstenastim osiguračem ( DIN 472 ) i čepom izrađenim od Al – legura. 8

8 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.26.

Slika 13. Razni načini osiguranja osovi Rjeđe se osovinica klipa učvršćuje u klipnjači sa steznim spojem ili stezanjem pomoću vijka, kao na slici.

Slika 14. osovinica klipa sa klipnjačom sa steznim spojem Osovinice se prave od čelika za cementaciju i to: – Za Otto motore Č 1220 i Č 1221 – Za dizel motore (visokolegirani čelici) Č 4120; Č4320 i Č 4720 Vanjska površina osovinice treba da ima veliku tvrdoću, koja se propisuje u iznosu od 62±2 HRc. Zbog vrlo malih tolerancija između osovinica – ušica u klipu i male pesnice klipnjače, a istovremeno velikog opterećenja ovog sklopa, u novije vrijeme se pojavljuju tzv. Profilisane osovinice, što se može vidjeti ispod na slici.

Slika 15. Profilisana osovinica klipa Uvođenjem profilisanja osovinice značajno se smanjuju naponi na mjestu kraj ušica osovinice. Na istoj slici, detalj pod A, pokazan je žljeb prve kompresione karike izrađene od nirezista (legura Cu – Ni – sivi liv), koji je daleko otporniji na habanje od Al.9 Klipni prstenovi ( karike ) Osnovni zadaci karika su: – Zaptivanje prostora sagorijevanja – Sudjelovanje u odvodu toplote od klipa na cilindarsku košuljicu – Regulacija uljnog filma za mazanje.10 Da bi se ispunili ti zadaci, klipni prstenovi naliježu po obdu na sijenke cilindra, a s drugom su stranom u utoru klipa ( slika 16. )

9 10

Slika 16. Nalijeganje klipnih prstenova Ove zadatke klipni prstenovi obavljaju nalijeganjem spoljnom (radnom) površinom na zid cilindra određenim pritiskom i udarnim nalijeganjem na bočne površine žlijeba uslijed aksijalnog ubrzanja pod dejstvom sila gasova, sila trenja i sopstvene inercione sile. Klipne karike se dijele na: 1. Kompresione ( kojima je osnovni zadatak brtvljenje plinova, pa su smještenina gornjem dijelu klipa ) i 2. Uljne ( zadatak im je da spriječe pretjerani protok ulja za podmazivanje iz kućišta motora u kompresijski prostor ). Iz samog naziva karika možemo zaključiti, da kompresione karike služe za zaptivanje prostora cilindra, dok uljne karike služe za razvođenje ulja po klipu. Konstruktivni oblici kompresionih karika dati su na slici:

Slika 17. Konstruktivni oblici kompresionih klipnih prstenova Gdje vidimo: a) b) c) d) e) f) g) h)

Pravougaona karika Minutna karika (30´ do 50´ nagib) Jednostrano trapezna karika Dvostrano trapezna karika Karika sa odsječenim gornjim rubom Reverzivno – torziona karika Normalna balična karika Asimetrično balična karika i i) Asimetrično balična karika rasterećena po pritisku.11 Od ovih nabrojanih karika, svojim izgledom najbolje zadovoljava normalana balična karika. Kod koje se vanjski dio najčešće izrađuje od Cr ili Mo. Uljne karike najčešćeg su oblika prikazanog na slici koja slijedi: 11 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.27.

Slika 18. Konstruktivni oblici uljnih karika Tu vidimo: a) b) c) d) e) f)

Uljna karika sa nosom Uljna karika a kanalom Uljna karika sa torozionim djelovanjem Uljna karika sa forsiranim struganjem ulja U – fleks uljna karika Barflex uljna karika.

U cilju obezbjeđivanja osnovne uloge – zaptivanja karika sa cilindarskom košuljicom, u karikama je prilikom izrade uveden prednapon po obimu, koji proizvodi pritisak karike na košuljicu, kako je prikazano na slici:

Slika 19. Uobičajne forme raspodijele pritisaka u karikama

Na slici je pod a) prikazan raspored pritisaka u karikama, koje se koriste kod četverotaktnih motora (tzv. „kruškasti“ dijagram), gdje je najveći pritisak na spoju karika. Na slici pod b) dat je raspored pritisaka po karikama, koje se koriste kod dvotaktnih motora (dijagram pritiska oblika „jabuke“), gdje je važno da je na spoju karika pritisak minimalan, da ne bi dolazilo do zapinjanja u kanalima u košuljici. Pravilnim prednaponom u karikama, optimalnim brojem karika i odgovarajućim zazorima karika u žljebovima, dobija se i odgovarajuće preporučeno produvavanje gasova u karter. Produvavanje je, naravno, povezano i sa deformacijama same cilindarske košuljice. Tok pritiska gasova iz cilindra prema karteru, dat je na sljedećoj slici.

Slika 20. Promjena pritiska Zahvaljujući današnjem razvoju, najčešće se na klipu nalaze po 2÷3 kompresiona klipna prstena i 1 uljni prsten. Uobičajne kombinacije ovih prstenova date su na slici:

Slika 21. Uobičajni setovi karika po jednom klipu Zbog nepovoljnih uslova u kojima rade, klipni prstenovi se rade od materijala koji treba da ispuni sljedeće uslove:

– Da ima dovoljnu mehaničku čvrstoću na povišenim temperaturama – Da bude otporan na habanje pri povišenim temperaturama – Da ima mali koeficijent trenja i pri povišenim temperaturama i pri nedovoljnom podmazivanju Ove uslove najbolje ispunjava sivo liveno gvožđe sljedeće strukture: – – – –

Ravnomjeran raspon grafita ASTM tip 5 – 6 Osnovna struktura perlit – sorbit Prisutnost ferita 5% Fosfidna mreža fino raspoređena

Kod visoko napregnutih klipnih prstenova koristi se sivo liveno gvožđe, legirano sa: Mn, Cr, V, Cu, i Ni. Zbog obezbijeđenja boljih uslova klizanja, radna površina klipnih prstenova se najčešće presvlači sa mrežastim slojem hroma (Cr) ili molibdena (Mo).12 KOLJENASTO VRATILO ( radilica ) Koljenasto vratilo ( radilica ) vrši prenos obrtnog momenta i spada u najodgovornije, najsloženije, najnapregnutije i najskuplje dijelove motora. Za pravilno funkcionisanje radilice moraju biti ispunjeni sljedeći zahtjevi: – Mora postojati dovoljna sigurnost da ne dođe do zamornog loma materijala u cijelom radnom području – Ne smiju postojati velike amplitude torzionih, savojnih i aksijalnih oscilacija – Inerciono opterećenje se mora dovesti na razumnu mjeru – Deformacije radilice se moraju dovesti na minimalno razumnu mjeru.13 Na sljedećoj slici je dat izgled radilice, sa svim elementima koji dolaze na nju.

12 13 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.29.

Slika 22. Koljenasto vratilo Pa tako vidimo da su osnovni dijelovi radilice: glavni rukavci (4), ramena (5), leteći rukavci (8), kanali za ulje (6). Sa radilicom obično dolaze: prigušivač torzionih oscilacija (1), remenica za pogon pumpe i ventilatora (2), zupčanik za pogon bregastog vratila (3), protutegovi (7), prirubnica (9), startni zupčanik (10), zamajac(11), frikciona površina (12), otvor za centriranje (13) i mjesta za zaptivanje krajeva (14) i (15). S tim da je radilica najskuplji dio motora pravi se tako da je moguće dorađivati ponešto na njoj, naravno, greške je moguće ispraviti samo ukoliko radilica nije pukla, te ako deformacije nisu prevelike. Pošto je radilica puno opterećena, ona treba da se izrađuje od materijala s velikom krutošću, koju možemo izračunati po formuli: C=Ff

Gdje je: F – sila f – savijanje Krutost ustvari predstavlja mjeru koliko se nešto može deformisati pod dejstvom sile. S obzirom na spomenuto, radilica se najčešće radi kovanjem, a u novije vrijeme sve češće livenjem za male motore.

Slika 23. kovano koljenasto vratilo Radilice se izrađuju od čelika za poboljšanje. Najčešći materijali su: – – – –

Za male i malo opterećene motore Č 1531 i Č 1731 Za vozilske manje opterećene Otto i dizel motore Č3130 i Č 3230 Za više opterećene dizel motore Č 3830 i Č 4732 Za najopterećenije dizel motore Č 5430

Ovi čelici su pogodni za površinsko kaljenje rukavaca (koristi se tzv. „indukciono“ kalenje), a rjeđe se koristi nitriranje radilice. U svakom slučaju termičkom obradom treba obezbijediti tvrdoću rukavca radilice 60±2 HRc. Obzirom na vrlo različite konstruktivne forme koljenastog vratila, od oblika ramena, do do toga da rukavci mogu biti puni ili šuplji, potrebno je obezbijediti razvođenjeulja za podmazivanje rukavaca na radilici. Na slici dolje je dato nekoliko konstruktivnih izvedbi kanala za ulje.14

14 Prof. Dr. Ivan Filipović: “ Cestovna vozila „ Sarajevo, 2002. Str.30.

Slika 24.Konstruktivne izvedbe kanala za ulje kod punih i šupljih rukavaca radilice

KLIPNJAČA Klipnjača je element koji povezuje klip i radilicu motora i vrši pretvaranje pravolinijskog u kružno kretanje. Sastoji se od male pesnice, tijela i velike pšesnice klipnjače sa poklopcem velike pesnice. U maloj pesnici nalazi se jednodijelni klizni ležaj, a u velikoj pesnici dvodijelni klizni ležaj. Izgled klipnjače sa ravno razrezanom i koso razrezanom pesnicom dat je na sljedećoj slici.

Slika 25. Konstruktivni oblici klipnjače Prednost se daje klipnjačama sa koso razrezanom velikom pesnicom , zbog mogućnosti lakše demontaže klipa i klipnjače (bez vađenja radilice sa motora). Zbog velike odgovornosti klipnjače u radu motora, mora se obezbijediti visoka krutost uz minimalnu težinu iste. Zbog toga se tijelo klipnjače pravi sa vrlo različitim formama presijeka, što se može vidjeti na slici.

Slika 26. Razni oblici presjeka tijela klipnjače

Na slici je dato nekoliko konstruktivnih rješenja formi male pesnice, gdje su rješenja V i VI, sa čvrstom vezom klipnjače sa osovinicom, a kod ostalih izvedbi je tzv. „plivajuća osovinica“.

Slika 27. Razni oblici male pesnice klipnjače Klipnjače se rade uglavnom kovanjem, od visokolegiranih čelika za poboljšanje. Uglavnom su to hrom – molibden čelici (Č 4730 – Č 4733).