DIMENZIONIRANJE NOSILCA IZPUŠNEGA · 2017. 11. 28. · DIMENSIONING OF BRACKET FOR MOTORBIKE EXHAUST SYSTEM Key words: exhaust system, construction, finite element method, modal

Univerza v Mariboru – Fakulteta za strojništvo Diplomsko delo

- I -

Fakulteta za strojništvo

DIMENZIONIRANJE NOSILCA IZPUŠNEGA

SISTEMA MOTORNEGA KOLESA

Diplomsko delo

Študent(ka): Gregor REŠEK

Študijski program: UN STROJNIŠTVO

Smer: Konstrukterstvo

Mentor: red. prof. dr. Srečko GLODEŽ

Somentor: doc. dr. Janez KRAMBERGER

Maribor, maj 2013


- II -

Vložen original sklepa o potrjeni temi

diplomskega dela


- III -

I Z J A V A

Podpisani Gregor REŠEK izjavljam, da:

je bilo predloženo diplomsko delo opravljeno samostojno pod mentorstvom red. prof.

dr. Srečka GLODEŽA in somentorstvom doc. dr. Janeza KRAMBERGERJA;

predloženo diplomsko delo v celoti ali v delih ni bilo predloženo za pridobitev

kakršne koli izobrazbe na drugi fakulteti ali univerzi;

soglašam z javno dostopnostjo diplomskega dela v Knjižnici tehniških fakultet

Univerze v Mariboru.

Maribor, __________________ Podpis: ___________________________


- IV -

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Srečku

GLODEŽU in somentorju doc. dr. Janezu

KRAMBERGERJU za pomoč in vodenje pri

opravljanju diplomskega dela.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi omogočili

študij.


- V -

DIMENZIONIRANJE NOSILCA IZPUŠNEGA SISTEMA MOTORNEGA

KOLESA

Ključne besede: izpušni sistem, konstruiranje, metoda končnih elementov, modalna analiza

UDK: 621.43.065-047.82(043.2)

POVZETEK

V diplomskem delu je opisana analiza izpušnega sistema po metodi končnih elementov v

programskem paketu Abaqus CAE 6.10-1. Na kratko so opisane vse vrste obremenitev, ki

delujejo na izpušni sistem, vendar so pri analizi upoštevane samo obremenitve zaradi lastne

teže izpušnega sistema in obremenitve zaradi pospeškov in pojemkov, ki se pojavijo pri vožnji.

Narejena pa je tudi modalna analiza izpušnega sistema.


- VI -

DIMENSIONING OF BRACKET FOR MOTORBIKE EXHAUST

SYSTEM

Key words: exhaust system, construction, finite element method, modal analysis

UDK: 621.43.065-047.82(043.2)

ABSTRACT

In this undergraduate thesis the analysis of exhaust system under the finite element method in

the software package Abaqus CAE 6.10-1 has been described. All types of load have been

briefly described that affect the exhaust system. However, in the analysis only the load due to

the own weight of the exhaust system have been taken into account as well as the load due to

acceleration and deceleration that appear while driving. The modal analysis of the exhaust

system has also carried out.


- VII -

KAZALO VSEBINE

UVOD ............................................................................................................................ 1 1

1.1 PREDSTAVITEV PROBLEMA ........................................................................................ 1

1.2 CILJI DIPLOMSKEGA DELA ......................................................................................... 1

OSNOVE KONSTRUIRANJA IZPUŠNIH SISTEMOV ............................................ 2 2

2.1 OBREMENITEV ZARADI LASTNE TEŽE ......................................................................... 2

2.2 OBREMENITVE ZARADI POSPEŠKOV IN POJEMKOV ...................................................... 3

2.3 DINAMIČNE OBREMENITVE ........................................................................................ 3

2.4 TOPLOTNA OBREMENITEV ......................................................................................... 4

IZDELAVA 3D MODELA IZPUŠNEGA SISTEMA ZA SUZUKI GSX 600 ............ 6 3

NUMERIČNA ANALIZA NOSILCA IZPUŠNEGA SISTEMA .............................. 12 4

4.1 MREŽENJE MODELA ................................................................................................ 15

4.2 ROBNI POGOJI ......................................................................................................... 18

4.3 DOLOČITEV NAPETOSTNEGA POLJA.......................................................................... 22

4.4 MODALNA ANALIZA ................................................................................................ 25

ZAKLJUČEK ............................................................................................................. 29 5

5.1 DOSEŽENI CILJI ....................................................................................................... 29

5.2 PREDLOGI ZA NADALJNJE DELO ............................................................................... 30

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV ....................................................................... 31 6


- VIII -

KAZALO SLIK

Slika 3.1: Središčna linija ....................................................................................................... 6

Slika 3.2: Profil razpotegnjen po središčni liniji ..................................................................... 7

Slika 3.3: Zaključek izpušnega sistema .................................................................................. 8

Slika 3.4: Končna slika zgornjega dela izpušnega sistema ...................................................... 8

Slika 3.5: Središčna linija cevi izpušnega sistema ................................................................... 9

Slika 3.6: Cev izpušnega sistema............................................................................................ 9

Slika 3.7: Željen presek nosilca ............................................................................................ 10

Slika 3.8: Končna podoba nosilca......................................................................................... 11

Slika 3.9: Končni izgled izpušnega sistema z nosilcem ......................................................... 11

Slika 4.1: Uvoz .step datoteke .............................................................................................. 12

Slika 4.2: Mehanske lastnosti titanove zlitine ....................................................................... 13

Slika 4.3: Mehanske lastnosti nerjavnega jekla ..................................................................... 14

Slika 4.4: Mreža zgornjega dela izpušnega sistema .............................................................. 15

Slika 4.5: Mreža cevi izpušnega sistema ............................................................................... 16

Slika 4.6: Mreža nosilca izpušnega sistema .......................................................................... 17

Slika 4.7: Mreža celotnega izpušnega sistema ...................................................................... 17

Slika 4.8: Robni pogoji vpetja cevi izpušnega sistema .......................................................... 18

Slika 4.9: Robni pogoji vpetja nosilca izpušnega sistema ..................................................... 19

Slika 4.10: Robni pogoji obremenitve izpušnega sistema ..................................................... 20

Slika 4.11: Določitev povezave med zgornjim delom izpušnega sistema in cevjo izpušnega

sistema ......................................................................................................................... 21

Slika 4.12: Določitev povezave med zgornjim delom izpušnega sistema in nosilcem izpušnega

sistema ......................................................................................................................... 21

Slika 4.13: Rezultati primerjalne napetosti po Mises za model iz titanove zlitine .................. 22

Slika 4.14: Rezultati primerjalne napetosti po Mises na nosilcu iz titanove zlitine ................ 23


- IX -

Slika 4.15: Rezultati primerjalne napetosti po Mises za model iz nerjavnega jekla ............... 23

Slika 4.16: Rezultati primerjalne napetosti po Mises na nosilcu iz nerjavnega jekla .............. 24

Slika 4.17: Pomiki pri modelu iz titanove zlitine .................................................................. 24

Slika 4.18: Pomiki pri modelu iz nerjavnega jekla ................................................................ 25

Slika 4.19: Korak za preračun lastnih frekvenc ..................................................................... 26

Slika 4.20: Vnos podatkov za izračun lastnih frekvenc ......................................................... 27

KAZALO PREGLEDNIC

Preglednica 4.1: Materialni podatki za titanovo zlitino [2] .................................................... 13

Preglednica 4.2: Materialni podatki za nerjavno jeklo [2] ..................................................... 14

Preglednica 4.3: Lastne frekvence izpušnega sistema iz titanove zlitine ............................... 27

Preglednica 4.4: Lastne frekvence izpušnega sistema iz nerjavnega jekla ............................. 28


- X -

UPORABLJENI SIMBOLI

E - modul elastičnosti

Fg - sila teže

m - masa

Fvzt - sila vztrajnosti

g - težnostni pospešek

ρ - gostota materiala

V - volumen

a - pospešek

- temperaturna napetost

α - temperaturni razteznostni koeficient

- temperaturna razlika

i - število cilindrov motorja

n - število obratov motorja

τ - število taktov motorja


- XI -

UPORABLJENE KRATICE

MKE - Metoda končnih elementov


- 1 -

UVOD 1

1.1 Predstavitev problema

Izpušni sistem je standardni del vsakega motorja z notranjim zgorevanjem. Potreben je za

odvajanje izpušnih plinov iz valja motorja. Izpušni sistemi imajo vgrajen tudi dušilec zvoka,

saj je po evropski zakonodaji predpisana največja dovoljena glasnost izpušnega sistema.

Avtomobili in tovornjaki imajo v izpušnem sistemu vgrajene tudi katalizatorje in filtre trdih

delcev, ki skrbijo za čistejši izpuh izpušnih plinov.

Izpušni sistem je na ohišje avta ali motocikla pritrjen z nosilcem. Nosilec je v večini

primerov na izpušni sistem pritrjen z varom, v nekaterih primerih pa tudi z vijakom. Spoj

mora biti tako dimenzioniran, da prenese vse obremenitve, ki delujejo na spoj. Eden izmed

slovenskih proizvajalcev izpušnih sistemov ima probleme z dimenzioniranjem nosilca, saj

spoj med nosilcem in izpušnim sistemom ne prenese vseh obremenitev in pride do razpok na

varih, ki povezujejo nosilec in izpušnim sistem.

Namen diplomskega dela je določiti napetostno polje v nosilcu izpušnega sistema pri

različnih načinih pritrditve nosilca na izpušni sistem.

1.2 Cilji diplomskega dela

Namen diplomskega dela je analizirati razmere pri spoju nosilca izpušnega sistema in razmere

na samem nosilcu. Cilj je razvoj numeričnega modela izpušnega sistema, s katerim se bodo

preučevale različne variante pritrditve nosilca na izpušni sistem in obnašanje različnih

materialov nosilca in izpušnega sistema.


- 2 -

OSNOVE KONSTRUIRANJA IZPUŠNIH SISTEMOV 2

Pri konstruiranju izpušnih sistemov moramo najprej ugotoviti, katere obremenitve sploh

delujejo na izpušni sistem. Na nekatere obremenitve moramo biti bolj pazljivi, saj imajo večji

vpliv kot druge. Predvidevamo, da imajo največji vpliv frekvenčne obremenitve, ki jih

povzročajo vibracije motorja. Obremenitve zaradi lastne teže in obremenitve zaradi

pospeškov in pojemkov ne morejo imeti tako velikega vpliva, saj masa izpušnega sistema ni

velika. Prav tako pa na izpušni sistem delujejo tudi toplotne obremenitve.

Pri konstruiranju izpušnega sistema moramo dati poudarek tudi na vizualni izgled

samega izpušnega sistema, saj je tudi ta vidik pomemben. Kadar pa gre za izpušni sistem

športnega, ali še bolj, kadar gre za izpušni sistem dirkalnega motocikla, pa je pomembno, da

je izpušni sistem čim lažji in čim bolj aerodinamične oblike.

2.1 Obremenitev zaradi lastne teže

Na obremenitev vpliva tudi lastna teža izpušnega sistema. Lastna teža je odvisna od volumna

materiala, iz katerega je izdelan izpušni sistem in njegove gostote. Pri športnih motociklih

strmimo k čim manjši teži celotnega motocikla, zato želimo, da je tudi izpušni sistem čim

lažji. To dosežemo z uporabo materialov, ki imajo majhno gostoto in visoko natezno trdnost.

Najboljši izpušni sistemi so izdelani iz titanovih zlitin in ogljikovih vlaken, ki imajo visoko

natezno trdnost in so izredno lahki [4].

Sila teže je:

(2.1)

Masa je:

(2.2)


- 3 -

[ kg ] - masa

[ m/s2 ] - težnostni pospešek

[ ] - volumen

[ kg/ ] - gostota materiala

Ko pri vožnji naletimo na grbino ali luknjo na cesti, takrat z motornim vozilom

zanihamo v vertikalni smeri. Pri tem dejanju deluje najprej pospešek navzgor in nato še

navzdol. Predpostavimo, da je ta pospešek 2 g.

2.2 Obremenitve zaradi pospeškov in pojemkov

Pri vožnji je potrebno upoštevati tudi vztrajnostne sile, ki nastanejo pri pospeševanju in

zaviranju motornega kolesa. Vztrajnostna sila je v našem primeru odvisna od sposobnosti

motornega kolesa in od načina vožnje. Pod sposobnosti motornega kolesa štejemo, kako

močen pogonski motor ima oziroma, kakšne pospeške je z njim mogoče doseči. Podobno je

tudi s pojemki. Učinkovitejši kot je zavorni sistem, večji so pojemki. Od načina vožnje pa je

odvisno, ali bomo res tako naglo pospeševali in zavirali. Pri umirjeni vožnji so ti pospeški in

pojemki namreč bistveno manjši kot pri vožnji športnih motociklov na dirkah. Posledično

večji kot so pospeški ali pojemki, večja je tudi sila vztrajnosti. Vendar morajo vsi deli na

motornem kolesu zdržati tudi največje pospeške in pojemke. Vztrajnostno silo izračunamo po

enačbi:

(2.3)

[ kg ] - masa

[m/s2] - pospešek;

2.3 Dinamične obremenitve

Utrujanje materiala povzročijo napetosti zaradi dinamičnih obremenitev, ki so vzrok za 90 %

vseh porušitev, ki nastanejo zaradi mehanskih vplivov. Materiali se pri dinamičnih

obremenitvah porušijo pri napetostih, ki so mnogo manjše od natezne trdnosti.


- 4 -

Kadar ugotavljamo trajno dinamično trdnost materiala, ga obremenjujemo s konstantno

srednjo napetostjo, okrog katere amplitudna napetost niha po sinusni krivulji. Pri utrujanju se

material poruši pri manjši napetosti kot pri konstantni obremenitvi. Čim manjša je amplitudna

napetost, tem večje število nihajev zdrži material [5].

Podatki o trdnostnih lastnostih gradiv pri dinamičnih obremenitvah, ki jih najdemo v

strokovni literaturi, se v glavnem nanašajo na sobno temperaturo (20 °C). Ker je izpušni

sistem izpostavljen temperaturni obremenitvi, je treba v tem primeru upoštevati vpliv

temperature na trajno dinamično trdnost izpušnega sistema. V splošnem se trajna dinamična

trdnost s povečanjem temperature zmanjšuje. Še posebej je izrazito upadanje trdnostnih

lastnosti pri temperaturah nad temperaturo rekristalizacije, ki je pri lahkih kovinah in njihovih

zlitinah občutno nižja kot pri jeklih [3].

Do utrujenostnih poškodb pa lahko pride tudi izključno zaradi temperaturnih sprememb

brez delovanja kakršnih koli mehanskih obremenitev. Če se temperaturne spremembe in

posledično temperaturne napetosti ciklično ponavljajo, imajo značaj dinamičnih obremenitev

in jih imenujemo termično utrujanje [3].

Trajna dinamična trdnost materiala se zmanjšuje tudi zaradi vpliva korozije. Korozija

nastane zaradi kemičnih ali elektrokemičnih reakcij materiala z okoliškim medijem, zaradi

česar se struktura gradiva spreminja. V splošnem korozija povzroča nastanek majhnih jamic

na površini materiala, ki delujejo kot razpoke in zmanjšujejo dinamično trdnost strojnega

dela. Kako velik vpliv ima korozija na dinamično trdnost strojnega dela, je odvisno predvsem

od materiala strojnega dela in od okoliškega medija. Bolj dolgo, kot je strojni del izpostavljen

koroziji, tem večji je njen negativni učinek na dinamično trdnost [3].

2.4 Toplotna obremenitev

Izpušni sistem je tudi zelo toplotno obremenjen. Izpušni plini imajo zelo visoko temperaturo,

ki se nato prenaša na izpušni sistem. Najbolj je toplotno obremenjen del, ki je najbližje

motorju. Bolj kot smo oddaljeni od motorja, manjša je toplotna obremenitev. Nosilec

izpušnega sistema, katerega preučujemo v diplomskem delu, je od motorja že dokaj oddaljen

in zato na tistem delu več ni tako velikih toplotnih obremenitev.

Temperatura ima velik vpliv na mehanske lastnosti jekla. Konstrukcijsko jeklo pri

temperaturi okoli 200 °C običajno izgubi približno 30 % meje elastičnosti, pri temperaturi

okrog 600 °C pa tako jeklo meje elastičnosti več nima. Z večanjem temperature se znižuje


- 5 -

modul elastičnosti, zato za izdelavo izpušnih sistemov uporabljamo jekla in druge zlitine, ki

so odporne na visoke temperaturne obremenitve. Na temperaturne obremenitve so dobro

odporne titanove zlitine, ki so posledično zelo primerne za izdelavo izpušnih sistemov [6].

Če je pri povišanju temperature preprečeno raztezanje strojnega dela, nastopijo v njem

temperaturne napetosti, ki jih lahko za enostavne primere določimo po enačbi [3]:

(2.4)

[ N/mm2 ] - temperaturna napetost

[ K-1

] - temperaturni razteznostni koeficient

[ N/mm2 ] - modul elastičnosti gradiva strojnega dela

[ K ] - temperaturna razlika


- 6 -

IZDELAVA 3D MODELA IZPUŠNEGA SISTEMA ZA 3

SUZUKI GSX 600

Izpušni sistem smo zmodelirali v programskem paketu SolidWorks 2010. Programski paket

SolidWorks je zelo razširjen za računalniško podprto konstruiranje in enostavnejše inženirske

analize ter simulacije [5].

Izpušni sistem smo naredili tako, da smo v 3D modelirniku najprej zmodelirali

posamezne dele izpušnega sistema in jih nato v modulu za sestavljanje sestavili v celoto.

Celotni izpušni sistem smo sestavili iz dveh delov, tretji del pa predstavlja nosilec, ki pa je

prav tako del izpušnega sistema, saj je privarjen na njega.

Najprej smo se lotili zgornjega dela izpušnega sistema, ki je tudi največji in najbolj

kompliciran za zmodelirat. V okolju »Sketch« smo v ravnini xy najprej narisali središčno

linijo izpušnega sistema. Mere smo izbirali poljubno, vendar tako, da je izpušni sistem

dimenzij, katere ustrezajo motornemu kolesu Suzuki GSX 600. Debelina stene izpušnega

sistema je 2 mm.

Slika 3.1: Središčna linija


- 7 -

Nato smo na začetku in na koncu ter vmes v dveh točkah, kjer se bo premer izpušnega

sistema spremenil, ustvarili novo ravnino, ki je pravokotna na središčno linijo. Zgornji in

spodnji del sta konusna, na vmesnem delu pa se premer ne spreminja. Na nove ravnine

narišemo krožnice z ustreznimi premeri in nato ta profil razpotegnemo po središčni liniji do

naslednje ravnine. Tako naredimo za oba konusna dela in tudi za srednji del, kjer se premer ne

spreminja. Sedaj imamo zmodeliran model, kot je prikazan na sliki 3.2.

Slika 3.2: Profil razpotegnjen po središčni liniji

Sedaj moramo narediti še zaključek na obeh straneh, saj so sedanje odprtine prevelike.

Na zgornji strani se izpušni sistem s tem delom konča in od tukaj gredo izpušni plini v okolje.

Postavimo se v ravnino xy in narišemo presek zaključka, kakršnega pač želimo imeti. Nato z

ukazom »Revolved Boss/Base« zavrtimo ta presek okoli središčne linije in dobimo zaključek,

kot je prikazan na sliki 3.3.


- 8 -

Slika 3.3: Zaključek izpušnega sistema

Podobno kot smo naredili zaključek na zgornji strani, ga še naredimo na spodnji strani.

Na spodnji strani naredimo zaključek, na katerega bomo nato pritrdili cev, po kateri bodo

izpušni plini prišli iz valja motorja. Na obeh koncih še naredimo zaokrožitve, da ni ostrih

robov. To smo naredili z ukazom »Fillet«, za radij zaokrožitve pa smo določili 1 mm. Na sliki

3.4 je prikazana končna slika tega dela izpušnega sistema.

Slika 3.4: Končna slika zgornjega dela izpušnega sistema


- 9 -

Drugega dela izpušnega sistema smo se lotili podobno kot prvega. Najprej smo v

ravnini xz narisali središčno linijo želenega modela. Nato smo na začetku središčne linije

ustvarili novo ravnino, katera je pravokotna na središčnico. Na to ravnino smo narisali dva

kroga, katera predstavljata zunanjo in notranjo steno cevi. Debelino stene bomo imeli 2 mm,

enako kot pri prejšnjem delu. To sedaj vidimo na sliki 3.5.

Slika 3.5: Središčna linija cevi izpušnega sistema

Ta profil sedaj z ukazom »Swept Boss/Base« raztegnemo po središčni liniji in dobimo

želeno cev. Na sliki 3.6 vidimo končani model tega dela izpušnega sistema.

Slika 3.6: Cev izpušnega sistema


- 10 -

Preostalo nam je še samo, da zmodeliramo nosilec izpušnega sistema, ki bo pritrjen na

zgornjem delu in bo povezoval izpušni sistem z okvirjem motornega kolesa.

Modeliranje nosilca se lotimo v modulu »Sheet Metal«, da bo nosilec mogoče izdelati z

upogibanjem. V modulu »Sheet Metal« najprej v ravnini yz narišemo želeni presek nosilca,

kot ga vidimo na sliki 3.7.

Slika 3.7: Željen presek nosilca

Po končanem risanju preseka pa z ukazom »Base Flange« ta prerez raztegnemo v smeri

x za 60 mm in debelino materiala predpišemo 2 mm. Zgornji del nosilca še malo obrežemo,

da odstranimo odvečni material in s tem pridobimo nekaj na teži in tudi izgledu nosilca. Sedaj

še naredimo samo izvrtino za vijak, s katerim se bo nosilec pritrdil na ohišje motornega kolesa

in tako je nosilec končan.


- 11 -

Slika 3.8: Končna podoba nosilca

Sedaj, ko imamo vse tri sestavne dele zmodelirane, nam preostane samo še, da jih

sestavimo skupaj. To storimo v modulu za sestavljanje »Assembly«. Najprej uvozimo del, ki

smo ga najprej zmodelirali, saj je to osnovni del, na katerega bomo pritrdili ostala dva dela.

Nato na spodnji strani tega dela dodamo cev in na koncu še nosilec. S tem je celotni izpušni

sistem končan.

Slika 3.9: Končni izgled izpušnega sistema z nosilcem


- 12 -

NUMERIČNA ANALIZA NOSILCA IZPUŠNEGA SISTEMA 4

Numerično analizo izpušnega sistema smo izvajali v programskem paketu Abaqus/CAE 6.10-

1. Ugotavljali smo, kako različna mesta pritrditve in različni materiali vplivajo na napetostno

polje na nosilcu in na samem izpušnem sistemu. To smo preučevali s pomočjo metode

končnih elementov (MKE). MKE je numerična metoda, ki temelji na razdelitvi

obravnavanega telesa na večje število medsebojno povezanih poddomen, ki jih imenujemo

končni element. Končni elementi so med seboj povezani v karakterističnih točkah, v katerih

vrednotimo končno število računsko določenih spremenljivk. Čim večje je število končnih

elementov, natančnejša je numerična rešitev [1].

Izpušni sistem, ki smo ga zmodelirali v programskem paketu SolidWorks, sedaj

uvozimo v programski paket Abaqus. To storimo tako, da v programu SolidWorks model

shranimo kot .step in ga uvozimo v Abaqus. Za preračun bomo uporabili lupinski model, zato

izberemo »Shell«, kar pomeni, da gre za lupinski model. Lupinski model smo izbrali zaradi

poenostavitve numerične analize. Razlika med lupinskim modelom in prostorskim modelom

je v tem, da se pri lupinskem modelu napetosti skozi debelino ne spreminjajo.

Slika 4.1: Uvoz .step datoteke


- 13 -

Numerični preračun smo opravili za dva različna materiala. Prvi material je titanova

zlitina, ki se uporablja za izdelavo izpušnih sistemov višjega cenovnega razreda. Materialni

podatki za titanovo zlitino so prikazani v preglednici 4.1. Cenejši izpušni sistemi pa so

narejeni iz nerjavnega jekla in zato smo naredili numerični preračun tudi za ta material,

katerega podatki so prikazani v preglednici 4.2.

Preglednica 4.1: Materialni podatki za titanovo zlitino [2]

Označba Modul Napetost tečenja Natezna trdnost Razteznost

elastičnosti E %

N/mm2 N/mm

2 N/mm

2

TiAl 6 V 4-F89 111 000 820 890 10

Poleg teh pa za titanovo zlitino potrebujemo še naslednje podatke:

Gostota materiala: 4450 kg/m3

Poissonovo število: 0,32

Slika 4.2: Mehanske lastnosti titanove zlitine


- 14 -

Preglednica 4.2: Materialni podatki za nerjavno jeklo [2]

Označba Modul Napetost tečenja Natezna trdnost Razteznost

elastičnosti E %

N/mm2 N/mm

2 N/mm

2

X6CrMo17-1 200 000 280 460 … 660 18

Poleg teh pa za nerjavno jeklo potrebujemo še naslednje podatke:

Gostota materiala: 7850 kg/m3

Poissonovo število: 0,285

Slika 4.3: Mehanske lastnosti nerjavnega jekla


- 15 -

4.1 Mreženje modela

Ker je naš izpušni sistem sestavljen iz treh delov, smo morali vsak model zamrežiti posebej.

To smo storili v modulu »Mesh«.

Najprej smo zamrežili zgornji del izpušnega sistema. Za mreženje nismo uporabili

samodejnega mreženja, saj smo želeli mrežo zgostiti na delu, kjer bo pritrjen nosilec

izpušnega sistema. Na delu, kjer je nosilec, je velikost končnega elementa 1 mm in se

povečuje proti obema koncema izpušnega sistema. Na zgornjem koncu končni elementi

dosežejo velikost 7 mm, na spodnjem koncu pa narastejo do velikosti 5 mm. Prav tako pa se

velikost končnega elementa povečuje proti spodnjemu delu izpušnega sistema in dosežejo

velikost 5 mm. To mrežo vidimo na sliki 4.4.

Slika 4.4: Mreža zgornjega dela izpušnega sistema

Za mreženje smo uporabili linearne ploskovne elemente. Ta del je zamrežen iz 110378

vozlišč in 111744 končnih elementov. Od tega jih je 109012 štirikotnih ploskovnih

elementov z oznako S4R in 2732 trikotnih ploskovnih elementov z oznako S3.


- 16 -

Za cev, ki je pritrjena na spodnji del izpušnega sistema, smo uporabili samodejno

generiranje mreže, saj ni potrebe, da bi bila mreža na kakšnem koncu bolj zgoščena.

Določimo, da naj bo globalna velikost elementa 5 mm, saj ta del za naš preračun ni tako

pomemben in zato ne rabimo tako goste mreže. Mrežo, ki se je generirala, vidimo na sliki 4.5.

Tudi pri cevi smo za mreženje uporabili linearne ploskovne elemente. Generiralo se je

1828 vozlišč in 1849 končnih elementov. Od tega jih je 1807 štirikotnih ploskovnih


Slika 4.5: Mreža cevi izpušnega sistema

Sedaj moramo zamrežiti še nosilec izpušnega sistema. Tako za nosilec, kot tudi za

zgornji del izpušnega sistema, nismo uporabili samodejnega generiranja mreže, saj smo želeli

zgostitev mreže na določenih delih. Mreža je zgoščena na vseh stranicah spodnjega dela, kjer

je velikost končnega elementa 0,5 mm. Gostota mreže se nato zmanjšuje proti notranjosti

spodnjega dela nosilca, kjer velikost končnih elementov naraste na 3 mm. Prav tako je mreža

manj gosta na vrhu nosilca, kjer končni elementi dosežejo velikost 2 mm, saj tam ni

pričakovati obremenitev in zato ni nobene potrebe po gosti mreži.

Tudi pri nosilcu smo za mreženje uporabili linearne ploskovne elemente. Generiralo se

je 16050 vozlišč in 16195 končnih elementov. Od tega jih je 15905 štirikotnih ploskovnih



- 17 -

Slika 4.6: Mreža nosilca izpušnega sistema

Na sliki 4.7 je prikazana mreža celotnega modela. Na celotnem modelu se je generiralo

128256 vozlišč in 129788 končnih elementov. Od tega jih je 126724 štirikotnih ploskovnih


Slika 4.7: Mreža celotnega izpušnega sistema


- 18 -

4.2 Robni pogoji

Cev izpušnega sistema na mestu, kjer je pritrjena na izpušni lonec, togo vpnemo v smereh x, y

in z. To pomeni, da ne dovolimo pomikov v x,y in z smeri. Za površino, ki je vpeta, smo

določili celotni presek cevi, saj je ta cev privarjena na izpušni lonec. Togo vpetje smo določili

z ukazom v Step/Intital/BCs, tako kot je prikazano na sliki 4.8.

Slika 4.8: Robni pogoji vpetja cevi izpušnega sistema

Drugo vpetje numeričnega modela pa določimo na nosilcu izpušnega sistema, kjer se

nosilec z vijakom pritrdi na okvir motornega kolesa. Tudi tukaj, podobno kot pri vpetju cevi,

nosilec togo vpnemo v smereh x, y in z, vendar dopustimo rotacijo. To prikazuje slika 4.9.


- 19 -

Slika 4.9: Robni pogoji vpetja nosilca izpušnega sistema

Pri obremenitvah na izpušni sistem se bomo omejili zgolj na obremenitve, ki nastanejo

zaradi lastne teže izpušnega sistema in pospeškov, ki nastanejo zaradi zaviranja in neravnin na

cestišču. Čeprav vemo, da v realnosti na izpušni sistem delujejo tudi toplotne obremenitve in

obremenitve, ki jih povzročajo vibracije motorja, bomo v tem preračunu te obremenitve

izpustili.

Obremenitev na model določimo tako, da deluje kot gravitacija. Torej je obremenitev

odvisna od volumna materiala, gostote izbranega materiala in od pospeška. V smeri y

vnesemo pospešek 2 g in v smeri x prav tako 2 g. To smo določili z ukazom

Load/Mechanical/Gravity, kot je prikazano na sliki 4.10.


- 20 -

Slika 4.10: Robni pogoji obremenitve izpušnega sistema

Naš izpušni sistem je sestavljen iz treh posameznih modelov, zato moramo te tri modele

med seboj povezati in določiti povezave med njimi. Ker so ti deli na izpušnem sistemu med

seboj povezani z varom, bomo določili, da jih povezuje var. Določiti moramo povezavo med

zgornjim delom izpušnega sistema in cevjo, ki je pritrjena na njega. Prav tako pa moramo

določiti tudi povezavo med izpušnim sistemom in nosilcem. Te povezave določimo v modulu

»interaction«.

Najprej določimo povezavo med zgornjim delom izpušnega sistema in cevjo, ki je

pritrjena na spodnjem delu. To določimo z ukazom »Create Constrain« in izberemo funkcijo

»Tie«. Nato moramo določiti »Master surface« (glavno površino) in »Slave surface«

(podrejeno površino). Kot vidimo na sliki 4.11, smo za »Master surface« izbrali zgornji del

izpušnega sistema, za »Slave surface« pa cev.


- 21 -

Slika 4.11: Določitev povezave med zgornjim delom izpušnega sistema in cevjo izpušnega

sistema

Nato določimo še povezavo med zgornjim delom izpušnega sistema in nosilcem. To

naredimo podobno, kot smo naredili za prejšnji primer. Za »Master surface« določimo

površino na zgornjem delu izpušnega sistema. Na nosilcu pa ne bomo določili površine,

ampak samo rob nosilca, ki predstavlja »Slave Node Region«. To vidimo na sliki 4.12.

Slika 4.12: Določitev povezave med zgornjim delom izpušnega sistema in nosilcem izpušnega

sistema


- 22 -

4.3 Določitev napetostnega polja

Preračun smo naredili za dva različna materiala, za nerjavno jeklo in za titanovo zlitino. Po

uspešno opravljenem preračunu sedaj vidimo rezultate za vsak material posebej.

Vidimo, da se največje primerjalne napetosti pojavijo na nosilcu izpušnega sistema tam,

kjer je izvrtina za pritrditev nosilca na ohišje motornega kolesa. Prav tako je numerična

analiza pokazala, da se večje primerjalne napetosti pojavijo tudi na delu, kjer je nosilec spojen

z izpušnim sistemom. Vseeno pa so še te primerjalne napetosti zelo daleč pod mejo dopustnih

napetosti in zaradi obremenitve z lastno težo in pospeškom 2 g, nikakor ne bo prišlo do

porušitve materiala.

Na sliki 4.13 in sliki 4.14 vidimo, da na modelu, ki je iz titanove zlitine, največje

primerjalne napetosti po Mises okrog izvrtine na nosilcu dosežejo vrednosti do 3 MPa. Na

delu, kjer pa je nosilec pritrjen na izpušni sistem, pa primerjalne napetosti dosežejo vrednost

1,5 MPa.

Slika 4.13: Rezultati primerjalne napetosti po Mises za model iz titanove zlitine


- 23 -

Slika 4.14: Rezultati primerjalne napetosti po Mises na nosilcu iz titanove zlitine

Na sliki 4.15 in sliki 4.16 vidimo, da na modelu, ki je iz nerjavnega jekla, največje

primerjalne napetosti okrog izvrtine na nosilcu dosežejo vrednosti do 5,5 MPa. Na delu, kjer

pa je nosilec pritrjen na izpušni sistem, pa primerjalne napetosti dosežejo vrednost 3 MPa.

Slika 4.15: Rezultati primerjalne napetosti po Mises za model iz nerjavnega jekla


- 24 -

Slika 4.16: Rezultati primerjalne napetosti po Mises na nosilcu iz nerjavnega jekla

Pomiki so, prav tako kot primerjalne napetosti, zelo majhni. Največji pomiki, tako pri modelu

iz titanove zlitine, kot pri modelu iz nerjavnega jekla, dosežejo vrednost 0,003 mm. Pomike

pri modelu iz titanove zlitine vidimo na sliki 4.17, pomike pri modelu iz nerjavnega jekla pa

na sliki 4.18.

Slika 4.17: Pomiki pri modelu iz titanove zlitine


- 25 -

Slika 4.18: Pomiki pri modelu iz nerjavnega jekla

4.4 Modalna analiza

Na nosilec izpušnega sistema imajo zelo velik vpliv vibracije. Paziti moramo, da se izognemo

resonanci. Zato je pri konstruiranju nosilca pomembno poznati lastne frekvence izpušnega

sistema. V našem primeru bomo lastne frekvence izpušnega sistema določili z numerično

analizo. Vibracije, ki jih povzroča delovanje motorja, pa so v našem primeru vsiljene

frekvence. Da se izognemo resonanci, mora biti vsiljena frekvenca nižja od lastne frekvence

izpušnega sistema. Frekvenco, katero oddaja motor, lahko izračunamo po enačbi:

(4.1)

[ / ] - število cilindrov motorja

[ ] - število obratov motorja

[ / ] - število taktov motorja


- 26 -

Podatki za naš primer:

Lastno frekvenco izpušnega sistema bomo v našem primeru določili z numerično

analizo v programu Abaqus/CAE 6.10-1. Za preračun lastnih frekvenc uporabimo model, ki

smo ga naredili za preračun napetosti in pomikov. Uporabimo isto mrežo modela in enake

robne pogoje. Dodamo samo novi korak, kot je prikazano na sliki 4.19. In vpišemo, da nas

zanima izračun prvih petih lastnih frekvenc modela. To prikazuje slika 4.20.

Slika 4.19: Korak za preračun lastnih frekvenc


- 27 -

Slika 4.20: Vnos podatkov za izračun lastnih frekvenc

V tabeli 4.3 so prikazane lastne frekvence izpušnega sistema, izdelanega iz titanove

zlitine, v tabeli 4.4 pa lastne frekvence izpušnega sistema, izdelanega iz nerjavnega jekla in

opis, kaj se pri teh frekvencah dogaja z izpušnim sistemom. Te rezultate smo dobili z

numerično analizo.

Preglednica 4.3: Lastne frekvence izpušnega sistema iz titanove zlitine

Stopnja Frekvenca [Hz] Opis

1 170,6 Horizontalno gibanje

2 342,4 Vertikalno gibanje

3 694,3 Upogib okoli vzdolžne osi


5 975,9 Vertikalno gibanje in sploščitev


- 28 -

Preglednica 4.4: Lastne frekvence izpušnega sistema iz nerjavnega jekla

Stopnja Frekvenca [Hz] Opis

1 172,2 Horizontalno gibanje

2 345,2 Vertikalno gibanje



5 988,1 Vertikalno gibanje in sploščitev

Vidimo, da so vse lastne frekvence izpušnega sistema večje od vsiljene frekvence, ki jo

oddaja pogonski motor motornega kolesa in tako ni nevarnosti, da bi prišlo do resonance. V

kolikor bi izračun pokazal, da je vsiljena frekvenca višja od lastne frekvence, bi morali

spremeniti geometrijo izpušnega sistema, tako da bi dobili drugačne lastne frekvence.


- 29 -

ZAKLJUČEK 5

Cilj diplomskega dela je bil numerični preračun nosilca izpušnega sistema. Najprej smo

morali izdelati 3D model izpušnega sistema. Izdelali smo poenostavljen model, kjer smo

lahko preučevali vpliv obremenitev na nosilec izpušnega sistema in pri modeliranju nismo

upoštevali, kako izpušni sistem vpliva na karakteristike motorja. Nato smo predpostavili,

katere obremenitve delujejo na izpušni sistem in vsako tudi na kratko opisali. Sledil je

numerični preračun izpušnega sistema, kjer pa smo se pri obremenitvah omejili zgolj na

lastno težo izpušnega sistema in vztrajnostno silo, ki nastane pri zaviranju in pri vožnji po

neravninah. Preračun je pokazal, da obremenitve zaradi lastne teže in sile vztrajnosti

povzročijo zelo male napetosti v materialu, zaradi katerih ne pride do porušitve.

V diplomskem delu smo začeli z obravnavanjem te problematike, v nadaljnjih analizah

pa bi lahko še preučili vpliv drugih obremenitev na nosilnost izpušnega sistema. Prav tako bi

lahko v nadaljevanju obravnavanja te problematike bolj natančno določili pospeške na

posameznem delu izpušnega sistema, saj smo sedaj samo v grobem ocenili, da so ti pospeški

enaki 2 g. Po naših predvidevanjih pride do porušitve zaradi seštevka obremenitve lastne teže,

vztrajnostne sile, dinamičnih obremenitev in toplotnih obremenitev, ki delujejo na izpušni

sistem.

Do porušitev nosilcev izpušnega sistema, ki niso pravilno dimenzionirani v praksi

vsekakor prihaja, saj se to dogaja enemu izmed znanih slovenskih proizvajalcev izpušnih

sistemov.

5.1 Doseženi cilji

Cilji, ki smo jih dosegli pri diplomskem delu:

izdelava 3D modela izpušnega sistema;

določitev obremenitev, ki delujejo na izpušni sistem;

numerični preračun izpušnega sistema.


- 30 -

5.2 Predlogi za nadaljnje delo

Predlogi za nadaljnje delo so:

numerična analiza volumskega modela,

upoštevanje frekvenčnih obremenitev,

upoštevanje toplotnih obremenitev,

dinamične analize,

kompleksnejši model izpušnega sistema.


- 31 -

SEZNAM UPORABLJENIH VIROV 6

[1] Z. Ren, M. Ulbin: MKE Praktikum za ABAQUS, Maribor, Fakulteta za strojništvo,

2007.

[2] Kraut Bojan. Krautov strojniški priročnik, 14. slovenska izdaja / izdajo pripravila

Jože Puhar, Jože Stropnik. Ljubljana : Littera picta, 2007.

[3] Srečko Glodež, Jože Flašker: Dimenzioniranje na življensko dobo, Maribor,

Pedagoška fakulteta – Fakulteta za strojništvo, 2006.

[4] Akrapovič d.d. [svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://www.akrapovic.com

[14.3.2013]

[5] Wikipedija [svetovni splet]. Dostopno na WWW: http://sl.wikipedia.org [9.3.2013]

[6] Zapiski s predavanj pri predmetu jeklene konstrukcije

http://www.akrapovic.com/

http://sl.wikipedia.org/

Documents

DIMENZIONIRANJE NOSILCA IZPUŠNEGA · 2017. 11. 28. · DIMENSIONING OF BRACKET FOR MOTORBIKE EXHAUST SYSTEM Key words: exhaust system, construction, finite element method, modal