İçten yanmalı motorlarda titreşimlerin incelenmesi
The study of vibration in internal combustion engines
Yazar: ERKAN ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. HALİT KARABULUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Titreşim = Vibration ; İçten yanmalı motorlar = Internal combustion engines

Özet:
Pistonlu taşıt motorlarının titreşimlerinin minimize edilmesi hem taşıtın kalitesi, kullanışlılığı ve ömrü açısından hem de yolcuların veya sürücülerin rahatlık ve güvenliği açısından önem arz etmektedir. Bu çalışmada tek silindirli dört zamanlı bir dizel motorunun dinamik modellemesi yapılarak; motorun hızlanma sürecinde sergilediği davranışlar, motor bloğunun titreşimleri, krank milinin açısal hızının değişimleri, takozlarda oluşan dinamik kuvvetler, sürtünme kuvvetlerinin açısal hız değişimlerine etkileri ile hareketli parçaların kütle atalet kuvvetlerinin krank milinin açısal hız değişimlerine ve motor blok titreşimlerine etkileri incelenmiştir. Dinamik model; piston, biyel, krank mili ve motor bloğu hareket denklemlerinden oluşmaktadır. Model; atalet kuvvetleri ile momentlerini, hidrodinamik ve kuru sürtünme kuvvetleri ile momentlerini, marş momentini, harici yük momentini, gaz basıncı ve takoz kuvvetlerini içermektedir. Bloğun ve diğer dinamik elemanların hareketleri krank eksenine dik bir düzlemde tanımlanmıştır. Motor bloğunun hareketi üç serbestlik derecesine sahiptir ve bunlardan ikisi dikey ve yatay doğrultulardaki öteleme hareketleri, diğeri ise krank ekseni etrafındaki dönme hareketidir. Sunulan çalışmada sayısal çözümleme işlemleri, başlangıç koşulları altında zaman değişkenine göre yapılmıştır. Simülasyonda kullanılan gaz basıncı, tek silindirli dört zamanlı bir dizel motorundan deneysel yöntemle elde edilmiştir.Bloğun dikey titreşimlerinin doğrusal hareketli parçaların ataletinden kaynaklandığı, krank mili ekseni etrafındaki açısal titreşimlerinin çalışma gazı basıncının değişimlerinden kaynaklandığı görülmüştür. Biyel kütlesinin üçte ikisi krank mili ve volandan oluşan dönel parçaların kütlesine, diğer kısmı piston kütlesine katılarak analiz yapıldığında, piston kütlesinin sebep olduğu dikey blok titreşimlerini minimize etmek için piston kütlesi kadar bir balans ağırlığının kullanılması gerekli görülmektedir. Ancak bu durumda bloğun yatay titreşimlerinde artış olmaktadır. Sürtünme kuvvetlerinin daha çok bloğun açısal titreşimlerinde etkili olduğu görülmüştür. Dönel hareketli parçaların kütle atalet momenti artarken krank milinin açısal hız değişimleri azalmaktadır. Ancak krank milinin açısal hızındaki çevrimlik değişimlerin volanın kütle atalet momenti ile lineer olarak azalmadığı görülmüştür. Çevrimlik hız değişimleri belirli bir değerin altına düştükten sonra, volan kütle atalet momentinin daha da arttırılması belirgin bir iyileşme sağlamamaktadır. Farklı sertlik ve sönümleme sabitleri için bağlantı takozlarında oluşan iletim kuvvetlerinin bloğun doğal frekans bölgelerinde aşırı arttığı görülmüştür.

Abstract:
In vehicle engines with pistons, the minimization of vibrations has importance for both the quality, practicability and durability of the vehicle and, comfort and safety of passengers or drivers. In this study by preparing the dynamics model of a single cylinder diesel engine, the behaviours of the engine in speeding up, the block vibration of the engine, the fluctuations of the crankshaft speed, dynamic forces occurring on mounts, effects of frictional forces to angular speed variations, effects of piston masses to the speed variation of crankshaft and the translational vibrations of the engine block were examined. The dynamic models consist of the motion equations of the piston, piston connecting rod, crankshaft and engine block. The model involves the forces and moments caused by inertial effects, hydrodynamics and dry frictions, working gas pressure, mount deformation, external load and start-up moment. The motions of the engine block and the other moving elements were described on a plane perpendicular to the crankshaft axis. The engine block has three degree of freedom; two of them are translational motions on the direction of vertical and horizontal, and the other is angular vibration around the crank axis. Numerical solution was performed on the time domain by means of using initial conditions. The working gas pressure exerting on the piston was experimentally obtained from a four-stroke single cylinder diesel engine.It is observed that the vertical and rotational vibrations of the engine block were caused by piston inertia and variation of working gas pressure respectively. Ones a half of the piston connecting rod mass was included to the mass of crankshaft and other half was included to the piston mass in the analysis, for the minimization of vertical vibrations, a counterweight mass equal to the half of piston mass becomes appropriate. In this case, however, horizontal vibrations of the engine block may increase. Frictional forces found to have effects on rotational vibrations of the engine block. While the inertia moment of rotating components increases, the fluctuation of crankshaft speed decreases. However, it is observed that the cyclic variations of crankshaft speed does not linearly decrease with the flywheel mass-inertia-moment. Below a value of the crankshaft cyclic fluctuation, rather increase of the flywheel mass does not provide a significant improvement. The examinations conducted with different mount stiffness and damping constants indicated that the transmissibility forces occurring on the mounts become larger within the range of natural frequency.