طراحی شاتون

پیش گفتار
شاتون به عنوان يكي ازمهمترین قطعه متحرك موتور،در نحوه كاركرد وبازده مكانيكي موتور موثر بوده،اصلاح وبهسازي آن مي تواند نقش قابل توجهي در بهبود كاركرد موتور داشته باشد.
در زمينه تحليل تنش در شاتون تحقيقات بسياري انجام گرفته است.ذيلا به نمونه اي از كاربرد روش اجزاي محدود اشاره شده است.
در سال 1989 ميلادي در يك كارخانه ذوب فلزات،شاتون يك موتور 18 سيلندر ديزل دچار شكست شد.موتور مزبور جهت تامين برق كوره هاي الكتريكي به كار گرفته شده با معاينه شاتون آسيب ديده مشخص شد شكست در اثر خستگي وپيدايش ترك در رزوه هاي شاتون رخ داده است.رزوه هاي مزبورجهت بسته شدن پيچ روي شاتون واتصال دو تكه شاتون در سوراخ عبور پيچ ايجاد شده بودند.مدل شاتون تحت بارهاي تنش در پاي رزوه هاي ياد شده بوده اند.براي كاهش اين تنشها، انحناي پاي دندانه ها در مدل كامپيوتري به دو برابر مقدار اوليه افزايش يافته است.با تحليل مدل اصلاح شده، نتايج بيانگر كاهش قابل توجه در مقدار تنش پاي دندانه ها بوده اند.بيشترين مقدار تنش در اين ناحيه از 3200 مگاپاسكال به 1500 مگاپاسكال كاهش يافته است در پاي رزوه هاي شاتون اصلاح فوق الذكر به عمل آمده،جنس شاتون نيز به نوعي فولاد با مقاومت بيشتر در برابر خستگي تغيير يافت وآثار مثبت اين تغييرات در عمل نيز مشاهده گرديد.
در سال 1984 در شركت تويوتا،آزمايشاتي روي شاتونهاي توليد شده به روش متالوژي پودر انجام شده است واستحكام نهايي 850 مگاپاسكال براي نمونه ها ثبت با توجه به بارگذاري ديناميك شاتون تحليل تجربي تنش در اين قطعه در گستره وسيع كاركرد موتور مشكل مي نمايد.با اين حال چنين تحليلهايي نيز انجام گرفته اند.به عنوان نمونه در سال 1996 مدل سه بعدي فتوالاستيك نوعي شاتون تهيه شده،در حالات خاص بارگذاري اندازه تنشها در نقاط خاصي به دست آمده اند.
با توجه به افزايش كاربرد متالوژي پودر براي توليد فولادي با اشكال پيچيده ذيلا به دو نمونه از تحقيقات انجام شده در اين زمينه اشاره مي شود.
گرديده است.
تحقيقات انجام شده در سال 1989 در شركت فدرال موگول بيانگر رسيدن به عدد950 مگاپاسكال براي استحكام نهايي شاتونهاي توليد شده به روش متالوژي پودر مي باشند.فولاد مورد استفاده در اين آزمايشات حاوي 6/0 درصد كربن بوده اند.
در سال 1376 در دانشگاه تربيت مدرس،پايان نامه اي تحت عنوان «بهسازي وطراحي پيستون،شاتون وميل لنگ موتور 1600» در مقطع كارشناسي ارشد،با هدف اصلاح دستگاه حركتي موتور ارائه شده است.اصلاحات پيشنهادي در اين پروژه شامل تغيير شكل شاتون،تغيير نوع اتصال شاتون وپيستون،و تغيير جنس مي باشند.اين  اصلاحات باعث كاهش وزن در حدود 110 گرم وافزايش استحكام در مقاطع مختلف شاتون مي شوند.در اين پايان نامه محاسبات به صورت تقريبي در برخي مقاطع خاص وبدون روش اجزاي محدود،انجام گرفته است.
در سال 1373 در دانشگاه صنعتي اميركبير پايان نامه اي تحت عنوان «بررسي خواص مكانيكي شاتون متالوژي پودر جايگزين شاتون فورج شده» در مقطع كارشناسي ارشد انجام شده است.در اين پايان نامه روش متالوژي پودر به جاي آهنگري براي توليد شاتون پيكان پيشنهاد شده است.فولاد توصيه شده براي اين روش،حاوي مقدار بيشتري كربن،كرم وموليبدن نسبت به فولاد مورد استفاده در شاتون فعلي مي باشد.براي رساندن خواص مكانيكي شاتون متالوژي پودر تا حد خواص مكانيكي شاتون فورج شده،بايد عمليات ساچمه زني پس از فورج پودر انجام گيرد.
يك پايان نامه در دانشگاه تبريز با عنوان «جايگزيني شاتون چدني به جاي شاتون فولادي فورج شده»به صورت عملي براي يك موتور تك سيلندر ديزل،شاتوني چدني را به روش ريخته گري نمونه سازي كرده اند.اين شاتون در مرحله آزمايش روي موتور،نتايج رضايتبخشي از خود نشان داده است.قابل ذكر است كه طرح شاتون فوق كاملا مشابه شاتون اوليه موتور وتاكيد پروژه عمدتا بر جايگزيني جنس وروش توليد جهت كاستن از هزينه ساخت بوده است.
در پايان نامه حاضر ،مراحل تحليل ديناميكي شاتون به روش اجزاي محدود،شرح داده اند.اين روش علاوه بر مسائل سازه اي در مسائل حرارتي،سيالي والكترومغناطيسي نيز كاربرد دارد ونرم افزارهاي متعددي براي اجراي اين روش ابداع شده اند.نرم افزار انسيس در ميان نرم افزارهاي مشابه چون الگور،نيسا،نسترن ولوساس داراي برتريهاي نسبي است كه عبارتند از :امكان انجام تحليل در حالت ديناميك،برخورداري از گستره وسيع المانهاي مختلف وسهولت تهيه در بازار با قيمت مناسب.تحليل ديناميكي شاتون بوسيله نرم افزار انسيس ودر دو سرعت1000 دور بر دقيقه به عنوان دور آرام و5500 دور بر دقيقه،به عنوان حداكثر دور مجاز موتور،در زواياي خاص لنگ انجام گرفته است.اولين تحليل در نقطه مرگ بالا،پايان مرحله تراكم وآغاز مرحله انبساط وتحليل هاي بعدي هم با فواصل   زاويه لنگ انجام شده اند.يعني در طول   كار يك سيكل 36 تحليل 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 جرمهای 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 ومیل لنگ به شاتون
5-فشارهیدرودینامیک 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- تغيير جنس شاتون
3-اصلاح در روش توليد شاتون
 
فصل اول
1-تعریف شاتون
2-عناصر تشکیل دهندۀ شاتون


1-تعریف شاتون
شاتون عضوي است كه حركت رفت وبرگشتي پيستون را به حركت دوراني ميل لنگ تبديل مي كند.شاتون در پمپها وكمپرسورهاي پيستوني نيز به كار مي رود وحركت دوراني را به حركت رفت وبرگشتي پيستون جهت مكش وتراكم سيال تبديل مي نمايد.
شكل ظاهري شاتونها،بسته به محدوده سرعت كاري موتور يا پمپ ونيز قدرت وگشتاور توليدي يا مصرفي متغير است.ولي تمام شاتونها مطابق شكل زیر از سه قسمت شده اند.سر كوچك محل اتصال پيستون با شاتون اصلي سر كوچك،ساق وسر بزرگ تشكيل است ونقطه مركزي آن،حركتي رفت وبرگشتي،مشابه حركت پيستون دارد.


اتصال بين پيستون وشاتون،توسط قطعه اي به نام گژن پين يا پين انگشتي برقرار مي شود.از آنجايي كه حركت پيستون رفت وبرگشتي وحركت شاتون،تركيبي از انتقال ودوران مي باشد،اتصال بين اين دو عضو بايد به صورت لولا باشد،تا شاتون در عين ارتباط با پيستون ،بتواند نسبت به آن دوران كند.
در اتصال تمام شناور،گژن پين نسبت به پيستون ثابت ونسبت به شاتون داراي قابليت چرخش مي باشد.در اين طرح يك بوش برنجي به صورت پرسي در سر كوچك شاتون جا زده،براي كاهش اصطحكاك سطح تماس بين بوش وگژن پين،روغن توسط يك سوراخ در سر كوچك شاتون تامين مي شود.
در اتصال نيمه شناورگژن پين،در شاتون پرس شده،مي تواند نسبت به پيستون دوران نمايد.در چنين طرحي نياز به روغنكاري از شاتون به پيستون منتقل شده،در دو طرف پيستون دو سوراخ براي روغنكاري سطوح اصطحكاكي ايجاد مي شود
ساق دو سر بزرگ وكوچك را به هم ارتباط مي دهد وبراي كاهش وزن،معمولا داراي ضخامت كمتري نسبت به دو سر شاتون است.تاكنون اشكال مختلفي براي سطح مقطع ساق پيشنهاد شده است،از جمله سطح مقطع مدور،بيضوي و«I» شكل.مورد اخير بدليل وزن كمتر واستحكام مطلوب،بيشتر به كار مي رود.با كاهش طول ساق شاتون وثابت ماندن نسبت تراكم موتور ميزان گشتاور ونيروي توليدي آن افزايش مي يابد.همچنين طول ساق در استحكام ونيز ميزان ساييدگي جداره سيلندر در اثر تماس با پيستون موثر است. سر بزرگ محل اتصال شاتون با ميل لنگ ومركز آن،حركتي دوراني مشابه حركت ميل لنگ دارد.براي جلوگيري از سايش شاتون در سر بزرگ دو ياتاقان كه جنس سختي دارند بين شاتون وميل لنگ قرار مي گيرد ودر سطح داخلي سر بزرگ شاتون،دو شيار براي ثابت كردن ياتاقانها ايجاد مي شود.سربزرگ شاتون معمولا به صورت دو تكه توليد مي شود،اين دو قطعه پس از قرار گيري روي ميل لنگ بوسيله دو پيچ به هم بست در شاتونهاي دو تكه قطعه زيرين سر بزرگ را كپه مي ه مي شوند نامند.در كپه وشاتون دو سوراخ براي عبور ايجاد مي شود
جرم شاتون وتوزيع آن نقش مهمي در كاركرد موتور دارند.به اختصار مي توان گفت با افزايش جرم شاتون،اتلاف انرژي در موتور،افزايش وراندمان آن كاهش مي يابد.كنترل ارتعاشات وتعادل موتور نيز به توزيع جرم ومحل مركز شاتون وساير قطعات متحرك بستگي دارد.بايد دقت نمود،تا جرم شاتون ومحل مركز جرم آن از محدوده مشخصي تجاوز ننمايد.در انواع شاتون،دو راه براي تنظيم جرم ومحل مركز جرم وجود دارد در برخي شاتونها وزنه هاي تعادل در دو سر شاتون تعبيه مي شود.پس از اتمام عمليات ماشينكاري،با كاستن از طول وزنه ها،جرم شاتون ومحل مركز جرم آن تنظيم مي شود ودر محدوده خاصي قرار مي گيرد.در عمل هر يك از دو سر شاتون روي يك ترازو قرار مي گيرند وبه جاي جرم كلي ومحل مركز جرم،مقدار جرم نشان داده شده توسط دو ترازو،مورد توجه قرار مي گيرد
در برخي ديگر از شاتون ها،وزنه هاي روي دو ترازو قرار مي گيرند وبراساس جرم سر كوچك وبزرگ دسته بندی می شوند.تعداداين گروههاي وزني در مواردي به 100 گروه نيز مي رسد وتمام شاتونهاي مورد استفاده در يك موتور ،بايد از يك گروه انتخاب شوند.

 
2-عناصر تشکیل دهنده شاتون
مهمترين پارامترها در انتخاب جنس شاتون،عبارتند:
1-استحكام تسليمحد خستگي
2-حساسيت به ترك هاي سطحي
3-جرم حجمي وقيمت
4-فولاد به دليل داشتن استحكام زياد
5-قيمت مناسب