1

การศกษาระบบกลไกและวเคราะหโครงสรางของตนแบบ

เครองยนตอากาศอดความดน

Prototype mechanical parametric and strength analysis for a

compressed air engine

นายพลวฒน ไพรไพศาลกจ เลขประจ าตว 50050277

นายประชา แสนสข เลขประจ าตว 50050558

นายเทพฤทธ โพธทองคนอง เลขประจ าตว 50054584

โครงงานนเปนสวนหนงของ การศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรบณฑต

สาขาวศวกรรมการบนและอวกาศ

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร

ปการศกษา 2553

2

การศกษาระบบกลไกและวเคราะหโครงสรางของตนแบบ

เครองยนตอากาศอดความดน

Prototype mechanical parametric and strength analysis for a

compressed air engine

นายพลวฒน ไพรไพศาลกจ เลขประจ าตว 50050277

นายประชา แสนสข เลขประจ าตว 50050558

นายเทพฤทธ โพธทองคนอง เลขประจ าตว 50054584

เสนอ

ภาควชาวศวกรรมการบนและอวกาศ

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร

เพอความสมบรณแหงปรญญาวศวกรรมศาสตรบณฑต

สาขาวชา วศวกรรมการบนและอวกาศ

ปการศกษา 2553

I

ชอโครงงาน : การศกษาระบบกลไกและวเคราะหโครงสรางของตนแบบเครองยนตอากาศอดความดน

โดย : นายพลวฒน ไพรไพศาลกจ เลขประจ าตวนสต 50050277

นายประชา แสนสข เลขประจ าตวนสต 50050558

นายเทพฤทธ โพธทองคนอง เลขประจ าตวนสต 50054584

ชอปรญญา : วศวกรรมศาสตรบณฑต

สาขาวชา : วศวกรรมการบนและอวกาศ

ปการศกษา : 2553

อาจารยทปรกษา : รศ.ดร.ปองวทย ศรโพธ

อาจารยทปรกษารวม : อ.อาครม ดาลลาลาห

อาจารยทปรกษารวม : ผศ.ดร.พชราภรณ บณยวานชกล

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร อนมตใหโครงงานนเปนสวนหนงของการศกษาตาม

หลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรบณฑต โดยไดพจารณาเหนชอบโดย

__________________________________อาจารยทปรกษา

( รศ.ดร.ปองวทย ศรโพธ )

_______________________________อาจารยทปรกษารวม

( อ.อาครม ดาลลาลาห )

_______________________________อาจารยทปรกษารวม

( ผศ.ดร.พชราภรณ บณยวานชกล )

_________________________________

( รศ.ดร.ศานต วรยะวทย )

หวหนาภาควชาวศวกรรมการบนและอวกาศ

อนมตเมอวนท ____ เดอน ____________พ.ศ. ______

I

ชอโครงงาน : การศกษาระบบกลไกและวเคราะหโครงสรางของตนแบบเครองยนตอากาศอดความดน

โดย : นายพลวฒน ไพรไพศาลกจ

นายประชา แสนสข นายเทพฤทธ โพธทองคนอง

ชอปรญญา : วศวกรรมศาสตรบณฑต

สาขาวชา : วศวกรรมการบนและอวกาศ

ปการศกษา : 2553

อาจารยทปรกษา : รศ.ดร.ปองวทย ศรโพธ อาจารยทปรกษารวม : อ.อาครม ดาลลาลาห อาจารยทปรกษารวม : ผศ.ดร.พชราภรณ บณยวานชกล

บทคดยอ โครงงานนศกษาตวแปรทางกลส าหรบการออกแบบเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ โดยก าหนดชนด

ของเครองยนตทท าการศกษาเปนประเภทเครองยนตลกสบแบบเคลอนทกลบไปกลบมาทมลกสบเรยงตวเขาส

ศนยกลางจ านวน 3 สบ ซงเครองยนตนใชอากาศความดนสงมาใหก าลงเพอใหเครองยนตท างาน แทนทการจดระเบด

โครงงานนแบงเปน 3 สวน โดยสวนแรกเปนการศกษากลไกของเครองยนตโดยใชสมการระบบปด ซงจะ

ศกษาผลของอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชกตอแรงบดและแรงสนสะเทอน และศกษามมเพลาขอ

เหวยงทเหมาะสมในการใสแรง ผลลพธจากการศกษาอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชกในชวง 1.5-2.5

พบวาทอตราสวน 2.5 ใหประสทธภาพสงทสดและมแรงสนสะเทอนนอยทสด และใสแรงทมมเพลาขอเหวยง 90 องศา

จะท าใหเครองยนตมแรงบดสงสด สวนทสองเปนศกษาการไหลของอากาศความดนสงเขาสกระบอกสบผานวาลว

ทางเขาและวาลวทางออกของอากาศดวยวธพลศาสตรของไหลเชงค านวณ โดยการวเคราะหจะใชโปรแกรม FLUENT

และ GAMBITS ในการสรางโมเดลและท าการค านวณ ผลการศกษาพบวารปแบบทใชวาลวทางออกของอากาศ 2

วาลว โดยมระยะเปดวาลวสงสด 4.5 มลลเมตร ท าใหอากาศไหลออกจากกระบอกสบไดอยางเหมาะสม และต าแหนงท

ใชในการเปดและปดวาลวทางเขาของอากาศท 0 และ 164 องศาของมมเพลาขอเหวยงตามล าดบท าใหเครองยนต

ไดรบก าลง/ปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบสงสด สวนสดทายศกษาความแขงแรงของชนสวน 4 ชน ไดแกเพลา

ขอเหวยง กานสบ กานสบหลก และลกสบ โดยก าหนดรปแบบของชนสวนเรมตนส าหรบเครองยนตขนาดเสนผาน

ศนยกลางลกสบ 3 เซนตเมตร จากนนวเคราะหคาความเคนทเกดในชนสวนเพอหาจดทชนสวนเกดความเคนสงและ

ต า เพอปรบปรงรปแบบใหเหมาะส าหรบการรบแรงในจดทความเคนสงและลดมวลในจดทมความเคนต า ซงผลทได

จากการปรบปรงรปแบบคอ มมวลโดยรวมลดลง 11.05% และความเคนสงทสดทเกดบนกานสบลดลง 37.22% บน

กานสบหลกลดลง 159.08% บนเพลาขอเหวยงลดลง 111.81% และบนลกสบเพมขน 40.15% โดยยงมคาความ

ปลอดภยอย 3.53 ท าใหชนสวนยงสามารถท างานได

ค าส าคญ : เครองยนตอากาศอดความดน, เครองยนตแบบลกสบทมการเคลอนทกลบไปกลบมา, การออกแบบระบบกลไก, การวเคราะหโครงสราง

II

Project Title : Prototype mechanical parametric and strength analysis for a compressed air engine By : Mr. Ponlawat Pripaisankij Mr. Pracha Saensuk Mr. Theparit Photongkanong Degree : Bachelor of Engineering (B.Eng.) Major : Aerospace Engineering Academic Year : 2010 Advisor : Assoc.Prof.Pongwit Siribodhi Co-advisor : Mr.Akram Dallalah Co-advisor : Asst.Prof.Phacharaporn Bunyawanichakul

Abstract This project focuses on the study of mechanical parameters for the design of a prototype

compressed air engine with a reciprocating three cylinder radial configuration. Compressed air is used as the

source of energy to power the engine rather than combustion heat.

The study was subdivided into three sections. In the first section the effect of varying the ratio of

connecting rod length to stroke (l/s ratio) and the resulting shaking force and torque where studied using

close form equations. The results obtained were in the expected range of l/s ratio of 1.5 – 2.5. It was found

that a 2.5 l/s ratio gave the lowest shaking force. Also the optimal crank angle degree for introducing the

compressed air to the cylinders was studied and a 90 CAD (Crank Angle Degree) was found to be the

optimal time to introduce the compressed air resulting in the highest achievable efficiency.

In the second section the flow of compressed air into the cylinders was studied using computational

fluid dynamics. The analysis of the flow through the intake and exhaust valves was modeled in Gambit and

Fluent CFD codes. A 1.5 mm intake valve lift was specified and the optimal configuration and number of

exhaust valves was determined from the CFD analysis. The results obtained showed that a two exhaust

valve with 4.5 mm lifts placed in line with the intake valve gave in the best flow pattern and exhaust air

removal efficiency. Next the optimal crank angle degree to open and close the intake valves was determined

and it was found that 0 and 164 CAD resulted in the maximum power/air consumption ratio per revolution.

In the last section stress analysis for the four main engine components: crank shaft, connecting

rods, main rod and piston was undertaken with the main objective being to optimize the weight, identify the

weakest (highly stressed) sections of each component and strengthen them. A total weight reduction of

11.05% was achieved and the maximum stress exerted on the connecting rods, the main rod, and the

crankshaft was reduced by 37.22%, 159.08% and 111.8% consecutively. The maximum stress on the piston

was increased by 40.15% as a result of a weight reduction of 56.15%. However, an adequate safety factor of

3.53 was still achievable and it was thus deemed safe for operation.

Keywords: Compressed Air Engine, Reciprocating Engine, Mechanical Design, Strength Analysis

III

กตตกรรมประกาศ

คณะผจดท าขอกราบขอบพระคณบคคลผใหความชวยเหลอและค าชแนะมา ณ ทน รศ.ดร.ปองวทย ศรโพธ, อ.อาครม ดาลลาลาห, ผศ.ดร.พชราภรณ บณยวานชกล อาจารยท

ปรกษาและทปรกษารวมของโครงงาน ผทคอยใหค าปรกษาและขอเสนอแนะในการจดท าโครงงานตลอดจนแนวทางการแกไขปญหาทเกดขน ท าใหการจดท าโครงงานด าเนนไปอยางมระบบขนตอน

ดร.ไชยวฒน กล าพล, ดร.มนตชย สระรตนชย และดร.ปวเรศ ชมเดช คณะกรรมการ ผซงชวยชแนะแนวทางการด าเนนงานทเหมาะสม ใหค าปรกษาในการท างาน และชใหเหนถงแนวทางการแกไขขอบกพรองของโครงงาน ท าใหส าเรจไปไดดวยด บรษท โซลด ซสเตม จ ากด ส าหรบการสนบสนนลขสทธโปรแกรม Solidworks ส าหรบท า

โครงงาน และการจดอบรมการใชโปรแกรม

ภาควชาวศวกรรมการบนและอวกาศ มหาวทยาลยเกษตรศาสตร ส าหรบสถานทในการท าโครงงาน

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเกษตรศาสตร ส าหรบทนสนบสนนในการท าโครงงาน สดทายนคณะผจดท าขอกราบขอบพระคณบดา มารดา และขอบคณเพอนๆ ในภาควชา

วศวกรรมการบนและอวกาศทกๆคนทคอยเปนก าลงใจ และใหความชวยเหลอในทกๆดานแกคณะผจดท าตลอดมา

คณะผจดท า

มนาคม 2554

IV

สารบญ เนอหา หนา

บทคดยอ…………………………………………………….……………………………………………..…I

Abstract…………………………………………………………………………………………………..….II

กตตกรรมประกาศ……………………………………………………………………………………......... III

สารบญตาราง………………………………………………………………………………………………………….VII

สารบญรปภาพ .……………………………...……………………………………………………….……………..VIII

ค าอธบายค ายอและสญลกษณ.………………………………………………………………………………….…XIII

บทท 1 บทน า

1.1 ทมาและความส าคญของโครงงาน ......................................................................................... 1

1.2 วตถประสงค .......................................................................................................................... 1

1.3 ขอบเขตของโครงงาน ............................................................................................................ 1

1.4 ผลทคาดวาจะไดรบ ............................................................................................................... 2

บทท 2 ทฤษฎพนฐานและการตรวจเอกสาร3

2.1 เครองยนตอากาศอดความดน ............................................................................................... 3

2.2 การออกแบบเครองยนตและปจจยก าหนดการท างานของเครองยนต .................................... 6

2.2.1 คณลกษณะทางกายภาพของเครองยนต...................................................................... 6

2.2.2 พลศาสตรของเครองยนต............................................................................................. 7

2.2.3 .................................................... 11

2.3 .............................................................................................. 11

2.3.1 ............................................................................................ 11

2.3.2 ........................................................... 12

2.3.3 ........................................................................................................... 14

2.3.4 Ram theory .............................................................................................................. 14

2.4 ....................................................................................... 15

V

2.4.1 .................................................................................................. 15

2.4.2 ....................................................................................... 15

2.4.3 (Von Mises Stress) ............................................................... 15

บทท 3 วธการด าเนนงาน

3.1 วธการ ................................................................................................................................. 17

3.2 ขนตอนการด าเนนงาน ........................................................................................................ 17

3.2.1 ...................................... 18

3.2.2 ......................................................... 18

3.2.2.1 สรางโมเดล 2 มต และก าหนดเงอนไขขอบเขตโดยโปรแกรม GAMBIT…….18

3.2.2.2 พลศาสตรของไหลเชงค านวณของโมเดล 2 มตโดยโปรแกรม FLUENT…....20

3.2.3 SolidWorks ............................ 22

3.2.3.1 การวเคราะหความแขงแรงของชนสวน…………………………………..……22

3.2.3.2 การวเคราะหผลจากการใชวาลวแบบมสปรงและไมมสปรง.………….………23

3.2.4 ............................................... 24

3.3 เครองมอและอปกรณทใช .................................................................................................... 24

3.4 สถานท ................................................................................................................................ 24

3.5 งบประมาณ ......................................................................................................................... 24

3.6 .......................... 25

บทท 4 ผลและวจารณ

4.1

................................................................................................................. 26

4.1.1 สบ

......................................................................... 26

4.1.2 ........ 27

4.1.3

............................................................................. 28

VI

4.1.4 ของ

................................................................................................................ 29

4.2

...................................................................... 30

4.2.1 .................... 30

4.2.2 Mesh ............................ 31

4.2.3

.................................................................................................... 32

4.2.4

...................................................................... 33

4.3 ........................... 37

4.3.1 ........................................ 37

4.3.2 ..................................... 38

4.3.3 ผลการศกษาการรบแรงบนชนสวนเมอเครองยนตท างานในสภาวะคงท .................... 40

4.3.4 ผลการศกษาการโกงเดาะบนชนสวนกานสบ ............................................................. 43

4.4 รปแบบโมเดลเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ ........................................................... 43

บทท 5 บทสรป

5.1 สรปผลการทดลอง .............................................................................................................. 47

5.2 ปญหาและอปสรรค ............................................................................................................. 47

5.3 ขอเสนอแนะเพอการด าเนนงานตอในอนาคต ...................................................................... 48

เอกสารอางอง………………………………………………………………………………………………49

ภาคผนวก

ภาคผนวก ก. SolidWorks ......................................................................... 52

ภาคผนวก . ภาคผนวก ข การวเคราะหและการค านวณทางสมการ ........................................ 62

ภาคผนวก . (CFD) FLUENT ........................... 80

ภาคผนวก ง. แบบชนสวนทผานการปรบปรง .......................................................................... 103

ประวตผจดท า………………………………………………………………………………………….....108

VII

สารบญตาราง

ตารางท หนา

2.1 เปรยบเทยบขอดและขอเสยระหวาง Reciprocating Air Engine และ Rotary Air Engine 3

2.2 ตวอยางเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบหมนรอบจดศนยกลางทมในปจจบน 4

2.3 ตวอยางเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบเคลอนกลบไปมาทมในปจจบน 5

3.1 รายละเอยดของคณลกษณะตางๆ ทใชในการสรางโมเดล 18

3.2 การตงคาโปรแกรม Solidworks ส าหรบจ าลองการท างาน 23

3.3 ขนตอนการด าเนนงานโครงงาน 25

4.1 เปอรเซนตความแตกตางของการเพมขนาดของ grid ทต าแหนงคาสงสดและคาเฉลย 31

4.2 ก าลงสมบรณจากการเคลอนทครบรอบ โดยการก าหนดมมเปดวาลวทางเขาของ

อากาศคงทและเปลยนแปลงมมปดวาลวทางเขาของอากาศ 34

4.3 ก าลงสมบรณจากการเคลอนทครบรอบ โดยการก าหนดมมปดวาลวทางเขาของ

อากาศคงทและเปลยนแปลงมมเปดวาลวทางเขาของอากาศ 36

4.4 เปรยบเทยบมวลของชนสวนเรมตนและชนสวนทผานการปรบปรงแลว 38

4.5 เปรยบเทยบคาความเคนมากทสดและคาความปลอดภยนอยทสดทเกดบน

ชนสวนเรมตนและชนสวนทผานการปรบปรงรปราง เมอเครองยนตเรมตน

ท างานทเพลาขอเหวยงมมตางๆกน 38

4.6 เปรยบเทยบความเคนสงสดทเกดในการท างานในสภาวะคงทของชนสวนรปแบบเดม

และชนสวนทผานการปรบปรงแลว 41

5.1 สรปประสทธภาพของเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ 47

ข.1 ผลการสอบเทยบคาระหวางคาจาก [4] และโปรแกรม Matlab 71

ค.1 การเปรยบเทยบผลเพอใชในการสอบเทยบคาพลศาสตรของไหลเชงค านวณ 82

ค.2 เปอรเซนตความแตกตางของการเพมขนาดของ grid ทต าแหนงคาสงสดและคาเฉลย 93

VIII

สารบญรปภาพ

รปท หนา

2.1 โมเดลในการเคลอนทของลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง 6

2.2 (ก) การวเคราะหแรงทางกายภาพของระบบกลไกลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง

รวมถงการคดแรงเสยดทาน (ข) แผนผงวตถอสระ 8

2.3 (ก )ระบบกลไกลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง (ข) แผนผงวตถอสระส าหรบใช

ค านวณผลทางการวเคราะหโดยคดผลจากแรงเสยดทาน 9

2.4 โมเดลทางพลศาสตรของมวลทคดเปนกอนของลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง 10

2.5 สมประสทธการไหลของของไหล (Discharge coefficient) ของวาลวทางเขา

ของอากาศทมรปแบบมาตรฐาน (พนทการไหลยงผล, AE/พนของการไหล

ของอากาศผานวาลว,AC ) ในฟงกชนของระยะเปดวาลวสงสด

แตละสวนแบงตามแตละระยะการเปดวาลว 12

2.6 คอ คาเฉลยความเรวแนวรศม และ คอ คา rms ของการกวดแกวง

ของความเรว ณ บรเวณทางออก และ คอคาเฉลยความเรวในแนวแกน

และ คอ คา rms ของการกวดแกวงของความเรวบรเวณกระบอกสบท

มม 360 ของมมเพลาขอเหวยง โดยโมเดลของเครองยนตทเคลอนทดวย

ความเรว 200 รอบตอนาท มระยะเปดวาลวสงสด 6 มลลเมตร

ความเรวนนปรบใหเปนมาตรฐานโดยคาความเรวของลกสบ 13

2.7 รปแบบการหมนของการไหลในสเกลขนาดใหญ ทตดตงภายในกระบอกสบ

เพอศกษาการไหลแบบเจทของทางเขา รปถายแสดงเสนทางการไหลทใช

น าเปนของไหลของโมเดลเครองยนตทมวาลวตดตงอยต าแหนงศนยกลาง 14

3.1 โมเดลแรกสรางโดยโปรแกรม GAMBIT เรยกวา “2D-A” 19

3.2 โมเดลทสองสรางโดยโปรแกรม GAMBIT เรยกวา “2D-B” 19

3.3 โมเดลทสามสรางโดยโปรแกรม GAMBIT เรยกวา “2D-C” 20

3.4 แบบกานสบเดม 22

3.5 แบบกานสบหลกเดม 22

3.6 แบบเพลาขอเหวยงเดม 22

3.7 แบบลกสบเดม 22

IX

3.8 ลกเบยวแบบใชสปรง 24

3.9 ลกเบยวแบบไมใชสปรง 24

4.1 แรงบดสน ณ มมเพลาขอเหวยง 0-360 องศาในเครองยนตลกสบจ านวน 4 สบ ในแตละ

อตราสวนความยาวกานชกตอความยาวชวงชก ( /S) 26

4.2 แรงบดทเกดจากความดนของอากาศอดความดนทมมเพลาขอเหวยง 0 ถง 180 ทงมความ

เสยดทาน และไมมความเสยดทาน 27

4.3 แรงสนทกระท าตอเพลาขบทงแกน x และ แกน y 28

4.4 ประสทธภาพ ณ ขณะหนง ทมมเพลาขอเหวยงตางๆ ในแตละอตราสวน

ความยาวกานสบตอความยาวชวงชก 29

4.5 กราฟเปรยบเทยบก าลงทใชในการขบเครองยนตเมอใชวาลวแบบมสปรงและไมมสปรง 30

4.6 ความดนทกระท าบนลกสบจากการท า Grid independence โดยขนาด mesh 4 ขนาด 31

4.7 ความดนทกระท าบนลกสบจากการเปลยนโมเดลและระยะเปดสงสดของวาลวทางออก

ของอากาศ 32

4.8 ความดนทกระท าบนลกสบจากการก าหนดมมเปดวาลวทางเขาของอากาศคงท

10 องศาของมมเพลาขอเหวยงและเปลยนแปลงมมปดวาลวทางเขาของอากาศ 33

4.9 ความดนทกระท าบนลกสบจากการก าหนดมมเปดวาลวทางเขาของอากาศคงท

10 องศาของมมเพลาขอเหวยงและเพมความละเอยดในการเปลยนแปลงมม

ปดวาลวทางเขาของอากาศ 34

4.10 ความดนทกระท าบนลกสบจากการก าหนดมมปดวาลวทางเขาของอากาศคงท

164 องศาของมมเพลาขอเหวยง 35

4.11 กานสบทผานการปรบปรงแลว 37

4.12 กานสบหลกทผานการปรบปรงแลว 37

4.13 เพลาขอเหวยงทผานการปรบปรงแลว 37

4.14 ลกสบทผานการปรบปรงแลว 37

4.15 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนสงสดทเกดบนชนสวนเรมตนและชนสวนทผาน

การปรบปรงรปราง ทมมเพลาขอเหวยงตงแต 30 องศาถง 60 องศา 40

4.16 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนสงสดทเกดบนชนสวนเรมตนและชนสวนทผาน

การปรบปรงรปราง ทมมเพลาขอเหวยงตงแต 150 องศาถง 180 องศา 40

4.17 (ก),(ข),(ค),(ง) คาความเคนทเกดบนลกสบ เพลาขอเหวยง กานสบ และกานสบหลก

ตามล าดบเมอชนสวนตองรบภาระในการท างานมากทสด โดยลกศรแสดงถงจดทชนสวน

รบความเคนสงสด 41

X

4.18 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนลกสบเมอเครองยนตท างาน

ใน 1 รอบในสภาวะคงท 42

4.19 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนกานสบหลกเมอเครองยนต

ท างานใน 1 รอบในสภาวะคงท 42

4.20 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนกานสบเมอเครองยนตท างาน

ใน 1 รอบในสภาวะคงท 42

4.21 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนเพลาขอเหวยงเมอเครองยนต

ท างานใน 1 รอบในสภาวะคงท 42

4.22 การโกงเดาะทเกดบนชนสวนกานสบ 43

4.23 เครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ 44

4.24 การประกอบเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ 44

4.25 การประกอบลกเบยว 45

4.26 การประกอบกานสบและลกสบกบตวเครองยนต 45

4.27 การประกอบฝาสบกบกระบอกสบโดยเปนวาลวแบบไมมสปรง 46

ก.1 เลอกผวส าหรบประกอบPistonและCrankcase 52

ก.2 การเลอกผวเพอเชอมตอจด 52

ก.3 แถบค าสง Analysis 52

ก.4 เลอกผวส าหรบประกอบ CrankShaft และ Crankcase 53

ก.5 เลอกผวส าหรบประกอบ CrankShaft และ MainRod 53

ก.6 เลอกผวส าหรบประกอบ CrankShaft และ Catch 54

ก.7 เลอกPlaneส าหรบประกอบ CrankShaft และ Catch 54

ก.8 ขอมลส าหรบสราง Catch 54

ก.9 Catch ทสรางเพมขนมา 54

ก.10 เลอกผวส าหรบตด Sensor 55

ก.11 เลอก Plane ส าหรบตด Sensor 55

ก.12 เลอกผวของ Sensor และชนงานทตรวจจบ 56

ก.13 ต าแหนงใสขอมลส าหรบ Sensor 56

ก.14 เลอกผวและทศทางทแรงกระท าบนลกสบ 56

ก.15 การปดแรง 57

ก.16 การก าหนดคาSensor 57

ก.17 การเลอกระยะเวลาทวเคราะห 57

XI

ก.18 ตงคาการค านวณการเคลอนท 58

ก.19 ตงคาการแสดงผลความเรวเชงมม 58

ก.20 เลอกผวทจะแสดงผลลพธ 58

ก.21 บนทกเวลาทแรงกระท าบนลกสบครงแรก 59

ก.22 บนทกเวลาทแรงกระท าบนลกสบหลงจากเครองยนตท างานครบ 1 รอบ 59

ก.23 การเลอกขอมลเพอน าเขาแรง 59

ก.24 แถบวเคราะหความแขงแรงทไดจากการน าเขาแรง 60

ก.25 ขอมลแรงทน าเขามาจากการจ าลองการเคลอนท 60

ก.26 วธแสดงกราฟคาความเคน Von Mises มากทสด 60

ก.27 เลอกผวส าหรบยดชนสวน 61

ก.28 เลอกผวส าหรบใสแรง 61

ข.1 โมเดลในการเคลอนทของลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง 63

ข.2 ความเสยดทานแหงทเกดบรเวณขอตอ แรงลพธ R กระท าตงฉากกบวงกลมของแรงเสยดทาน

รวมถงแรง F ทกระท าตานการเคลอนท และ แรง N กระท าตงฉากกบจดสมผส 66

ค.1 (ก) โมเดลแรกเปนการไหลผานชองแคบ, (ข) โมเดลทสองเปนการไหล

ผานชองทมลกษณะเปนวงแหวน 80

ค.2 เฉดสแสดงผลความดนสถตยกอนและหลงการไหลผานชองแคบของกรณท 1 81

ค.3 เฉดสแสดงผลความดนสถตยกอนและหลงการไหลผานชองลกษณะ

วงแหวนของกรณท 2 81

ค.4 เฉดสแสดงผลความดนสถตยกอนและหลงการไหลผานชองลกษณะ

วงแหวนของกรณท 3 81

ค.5 โมเดล 2 มตทสรางโดยโปรแกรม GAMBIT และการก าหนดเงอนไขขอบเขต (1) 82

ค.6 โมเดล 2 มตทสรางโดยโปรแกรม GAMBIT และการก าหนดเงอนไขขอบเขต (2) 83

ค.7 โมเดล 2 มตท าการ mesh โดยโปรแกรม GAMBIT และแสดงต าแหนงของ

ลกสบส าหรบเกบคาความดน 83

ค.8 รปแบบการเคลอนทของวาลว 84

ค.9 โซนของโมเดลทใชในการก าหนดของไหล 85

ค.10 เลอกรปแบบทใชในการค านวณ 86

ค.11 อานไฟลทท าการสรางจากโปรแกรม GAMBIT 86

ค.12 การสเกลขนาดของโมเดล 87

ค.13 แสดงผลของ Grid ทท าการสราง 87

XII

ค.14 Grid ทท าการสรางจากการก าหนดโซนตางๆกน 88

ค.15 หนาตางก าหนดตวแกคา 88

ค.16 หนาตางก าหนดแบบจ าลองความหนด 89

ค.17 หนาตางสมการพลงงาน 89

ค.18 หนาตางเลอกชนดวสด 90

ค.19 หนาตางก าหนดเงอนไขใชงาน 90

ค.20 หนาตางก าหนดเงอนไขขอบเขต 91

ค.21 หนาตางก าหนดความดนทางเขา 91

ค.22 หนาตางการสราง Mesh Interfaces 92

ค.23 หนาตางก าหนดคาตวแปรของแถบ smoothing 93

ค.24 หนาตางก าหนดคาตวแปรของแถบ Remeshing 93

ค.25 หนาตางก าหนดคาตวแปรของแถบ In-cylinder 94

ค.26 รปแบบทใชในการเคลอนทของวาลว 95

ค.27 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของกระบอกสบ 95

ค.28 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของบาวาลว 96

ค.29 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของวาลว 97

ค.30 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของลกสบ 98

ค.31 หนาตางก าหนดการแสดงผลการเคลอนทของ mesh 99

ค.32 หนาตางแสดงการควบคมผลการค านวณ 99

ค.33 หนาตางแสดงการก าหนดคาเรมตนการค านวณ 100

ค.34 หนาตาง Residual Monitors 100

ค.35 หนาตางก าหนดการแสดงผลของความดนทกระท าบนลกสบ 101

ค.36 หนาตางการ Iterate 101

XIII

ค าอธบายค ายอและสญลกษณ

สญลกษณ ค าอธบาย หนวย

การวเคราะหทางโครงสราง

1 ความเคนตงฉากในแนวแกน x (MPa)

2 ความเคนตงฉากในแนวแกน y (MPa)

3 ความเคนตงฉากในแนวแกน z (MPa)

xy ความเคนเฉอนในระนาบ xy (MPa)

xz ความเคนเฉอนในระนาบ yz (MPa)

yz ความเคนเฉอนในระนาบ yz (MPa)

การวเคราะหการเคลอนท

ความยาวกานสบ (m)

(ระยะระหวางสลกลกสบจนถงสลกเพลาขอเหวยง)

รศมเพลาขอเหวยง (m)

(ระยะระหวางสลกเพลาขอเหวยง จนถง เพลาขบ)

ชวงชก (ระยะระหวาง TDC ถงBDC) (m)

มมเพลาขอเหวยง (มมระหวางเพลาขอเหวยง กบ (deg)

เสนกงกลางกระบอกสบ โดยมทศตามเขมนาฬกา)

ต าแหนงของลกสบ (m)

ความเรวของลกสบ (m/s)

ความเรงของลกสบ (m/s2)

ความเรวเชงมม (rad/s)

ขนาดเสนผานศนยกลางของลกสบ (m)

Top dead center หรอ ศนยตายบน -

(ต าแหนงทลกสบเคลอนทสงสด)

Bottom dead center หรอ -

(ศนยตายลาง ต าแหนงทลกสบเคลอนทต าสด)

มมของเพลาขอเหวยง (deg)

1

บทท 1 บทน า

1.1 ทมาและความส าคญของโครงงาน

ในสถานการณโลกปจจบนมการรณรงคในเรองการลดสภาวะโลกรอนอยอยางตอเนองซงสภาวะ

ดงกลาวไดสงผลกระทบอยางมากตอสภาพแวดลอมและตอมนษย จากสถานการณนท าใหมการแสวงหา

แหลงพลงงานใหมทมความสะอาดมากกวามาทดแทนน ามนซงสรางมลภาวะและมปรมาณลดนอยลงทก

ขณะ ไดแก พลงงานแสงอาทตย พลงงานลม พลงงานไฟฟา เปนตน ซงพลงงานทกลาวมาขางตนน

จะน ามาเปลยนเปนพลงงานไฟฟาเพอความสะดวกในการใชงาน โดยเราสามารถพบเหนไดทวไปวาเรม

มการน ายานพาหนะทใชไฟฟา เชน รถยนต รถไฟ จกรยาน มาใชงานกนอยางแพรหลาย แตพลงงาน

ไฟฟาเองกมขอเสย เชน แบตเตอรทมน าหนกมากและการประจพลงงานใหมใชระยะเวลานาน ทาง

ทมงานจงมความสนใจพลงงานรปแบบอน นนกคอพลงงานอากาศอดความดนมาเปนอกทางเลอกหนง

ซงสามารถทดแทนขอเสยของพลงงานไฟฟาดงทกลาวมาได

1.2 วตถประสงค 1. ศกษาการออกแบบระบบกลไกของเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบเพอใหการท างานของ

เครองยนตมสมรรถนะทเหมาะสม 2. ศกษาการออกแบบลกษณะวาลวและต าแหนงการเปดและปดวาลวส าหรบทางเขาออกของ

อากาศของเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ 3. วเคราะหโครงสรางเพอหาความแขงแรงของชนสวนหลก 3 ชน ไดแก ลกสบ เพลาขอเหวยง

และกานสบ ของเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ

1.3 ขอบเขตของโครงงาน

1. ศกษาระบบกลไกการเคลอนท ของเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบทมการเคลอนทกลบไปกลบมา แบบลกสบแนวรศม 3 สบ โดยทางสมการและการจ าลองในโปรแกรมคอมพวเตอร โดยท าการวเคราะหผลของการเปลยนแปลงอตราสวนความยาวกานสบตอชวงชก เพอใหเครองยนตท างานโดยมสมรรถนะทเหมาะสม

2. ศกษาการไหลของอากาศความดนสงผานเขาและออกจากวาลวสกระบอกสบใน 2 มต แบบกระบอกสบเดยว เพอหาต าแหนงการเปดและปดวาลวส าหรบทางเขาออกของอากาศทท าใหเกดก าลงตอปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบการเคลอนทสงสด

3. ศกษาการรบแรงบนชนสวน 3 ชนสวนของเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบทมการเคลอนทกลบไปกลบมา แบบลกสบแนวรศม 3 สบ และปรบปรงรปรางชนสวนเพอใหสามารถท างานได

2

1.4 ผลทคาดวาจะไดรบ 1. สามารถสรางโมเดลทเปนตนแบบทผานการวเคราะหทางดานวศวกรรม ใหเครองยนตสามารถ

ท างานไดจรง เพอทจะน าไปผลตเปนเครองยนตจรงตอไปในอนาคต 2. เปนการสรางองคความรเพมเตม เพอเสรมสรางความสนใจในการผลตเครองยนตโดยการใช

พลงงานทดแทน 3. เปนการสงเสรมใหนสตมความสามารถในการน าความรในภาคทฤษฎมาประยกตใชเพอ

สรางสรรคใหเกดสงใหม และสรางความตนตวในดานการใชพลงงานทดแทน

3

บทท 2 ทฤษฎพนฐานและการตรวจเอกสาร

2.1 เครองยนตอากาศอดความดน

เครองยนตอากาศอดความดน เปนเครองยนตทน าอากาศจากแหลงทมความดนสง มาท าการ

เปลยนรปพลงงานเปนก าลงทางกล แบงเปน 2 แบบ ไดแกเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบทม

การเคลอนทกลบไปกลบมา (Reciprocating Air Engine) ดงตารางท 2.3 และ เครองยนตอากาศอด

ความดนแบบลกสบหมนรอบจดศนยกลาง (Rotary Air Engine) ดงตารางท 2.2

การท างานของเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบทมการเคลอนทกลบไปกลบมา จะ

คลายคลงกบการท างานของเครองยนตสนดาปภายในแบบ 2 จงหวะ แตแตกตางกนทจะไมมการจด

ระเบด โดยจงหวะแรกอากาศทมความดนสงจะไหลเขาสกระบอกสบท าหนาทดนลกสบใหเกดการ

เคลอนทลง จงหวะตอมาอากาศทถกใชงานแลวจะถกปลอยออกขณะทลกสบเคลอนทขน

เครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบหมนรอบจดศนยกลาง จะมรปแบบยอยๆอกหลาย

รปแบบ โดยในทนจะกลาวถงการท างานของเครองยนตแบบ [1] ดงรปสดทายในตารางท 2.2 การ

ท างานจะมชนสวนหนง ลกษณะเปนทรงกระบอกกลวงท าหนาทเปนเพลาหมนเคลอนทรอบจด

ศนยกลาง และจะมกานทท าหนาทแบงหองของอากาศ โดยอากาศความดนสงจะเขาสแตละหองในเวลา

ตางๆกน ตามการแบงของตวก าหนดเวลา ท าใหเกดการหมนของเพลาหมนไปการหมนเพลาขบอกตอ

หนง ซงเครองยนตทง 2 แบบนนมขอแตกตางกนดงตารางท 2.1

ตารางท 2.1 เปรยบเทยบขอดและขอเสยระหวาง Reciprocating Air Engine และ Rotary Air Engine [8]

Reciprocating Air Engine Rotary Air Engine

กระบวนการผลตท าไดงายกวา กระบวนการผลตท าไดยากกวา

อตราสวนก าลงขบตอน าหนกเครองนอยกวา อตราสวนก าลงขบตอน าหนกเครองมากกวา

มประสทธภาพต ากวา มประสทธภาพสงกวา

จ านวนชนสวนในเครองยนตมากกวา จ านวนชนสวนในเครองยนตนอยกวา

มการสกหรอยากกวาเนองจากมจดสมผส

นอยกวา

มการสกหรองายกวาเนองจากมจดสมผส

มากกวา

4

ตารางท 2.2 ตวอยางเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบหมนรอบจดศนยกลางทมในปจจบน

รปภาพ ขนาด แรงบด ก าลง ความเรวรอบ ความดนใชงาน การน าไปใช

[11]

ขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก

400 มลลเมตร สงสด 250 N-m 12 kW 500 rpm 4 bar รถยนต

[11]

ขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก

200 มลลเมตร สงสด 30 N-m 1.5 kW 500 rpm 4 bar เลอย

[12]

ขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก

165 มลลเมตร

เรมตน 25 N-m และตอเนอง 12 N-m

160 W 160 rpm 8 bar อตสาหกรรม

อาหาร

[1]

ขนาดเสนผานศนยกลางภายนอก

150 มลลเมตร

อตราสวนแรงบด/ก าลง 0.005 s

5-7 kW

สงสด 2000 rpm

6.5-9.3 bar รถยนต

5

ตารางท 2.3 ตวอยางเครองยนตอากาศอดความดนแบบลกสบเคลอนกลบไปมาทมในปจจบน

รปภาพ ขนาด แรงบด ก าลง ความเรวรอบ ความดนใชงาน การน าไปใช

[13]

3 กระบอกสบ, เสนผานศนยกลาง 50 มลลเมตร, ชวงชก 65 มลลเมตร

สงสด 400 Nm 5 kW 120 rpm 7 bar -

[14]

8 กระบอกสบ, เสนผานศนยกลาง 10 มลลเมตร, ชวงชก 25 มลลเมตร

- - 1500 rpm 4 bar รถยนตบงคบ

[10]

4 กระบอกสบ, ความจ 800 ลกบาศกเซนตเมตร

- 18.64 kW - 113.76 bar รถยนต

[15]

3 กระบอกสบ, เสนผานศนยกลาง 6.35 มลลเมตร

- - - 0.7 bar -

6

2.2 การออกแบบเครองยนตและปจจยก าหนดการท างานของเครองยนต

2.2.1 คณลกษณะทางกายภาพของเครองยนต [18]

รปท 2.1 โมเดลในการเคลอนทของลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง

คอ ความยาวกานสบ (ระยะระหวางสลกลกสบจนถงสลกเพลาขอเหวยง)

คอ รศมเพลาขอเหวยง (ระยะระหวางสลกเพลาขอเหวยง จนถง เพลาขบ)

คอ มมเพลาขอเหวยง (มมระหวางเพลาขอเหวยง กบ เสนกงกลางกระบอกสบ โดยมทศตาม

เขมนาฬกา)

คอ มมกานชก (มมระหวางกานชก กบ เสนกงกลางกระบอกสบ โดยมทศทวนเขมนาฬกา)

คอ ชวงชก (ระยะระหวาง TDC ถง BDC)

คอ ความเรวเชงมม (rad/s)

คอ ขนาดเสนผานศนยกลางของลกสบ

คอ ต าแหนงของลกสบ

* (

) + (2.1)

คอ ปรมาตรในกระบอกสบ ณ ต าแหนงของมมเพลาขอเหวยงตางๆ

(2.2)

7

คอ ความเรวของลกสบ

* (

) +

(2.3)

คอ ความเรงของลกสบ

(2.4)

คอ Top dead center หรอ ศนยตายบน (ต าแหนงทลกสบเคลอนทสงสด)

คอ Bottom dead center หรอ ศนยตายลาง (ต าแหนงทลกสบเคลอนทต าสด)

อตราสวนของเสนผานศนยกลางของกระบอกสบตอชวงชก (b/S Ratio) [12]

อตราสวนของเสนผานศนยกลางของกระบอกสบตอชวงชก (b/S Ratio) โดยอตราสวนนจะอย

ในชวง 0.8-1.2 เนองจากอตราสวนนจะใชส าหรบปรบเปลยนลกษณะเครองยนต เพอใหเหมาะสมกบ

การใชงาน เชน ถาเพมอตราสวนนใหมากกวา 1 จะไดแรงบดเพมขน แตถาอตราสวนต ากวา 1 จะ

ไดความเรวรอบเพมขน

อตราสวนความยาวกานสบตอชวงชก ( /S Ratio) [11]

อตราสวนความยาวกานสบตอชวงชก ( /S Ratio) โดยทวไปจะอยในชวงระหวาง 1.5-2.5 ซงคา

นจะมผลกบขนาดของเครองยนตโดยหากอตราสวนนมาก ขนาดเครองยนตกจะใหญขน ความสามารถ

ในการรบแรงของชนสวน การสกกรอนของเครองยนต ความสนสะเทอนในเครองยนต ความเรวและ

ความเรงของลกสบ

2.2.2 พลศาสตรของเครองยนต

แรงและแรงบดทเกดจากอากาศอดความดนโดยมแรงเสยดทาน [4]

การค านวณแรงและแรงบดทเกดจากอากาศอดความดนสามารถท าไดโดยวธทางสถตศาสตร

เมอความเรวรอบคงท ซงแสดงในรปท 2.2 และสมการท 2.5

(2.5)

8

คอ แรงทเกดขนบนกระบอกสบซงเกดจากอากาศอดความดน

คอ ความดบของอากาศอดความดนทกระท าบนลกสบ

คอ พนทหนาตดของลกสบ

รปท 2.2 (ก) การวเคราะหแรงทางกายภาพของระบบกลไกลกสบ,กานสบและ เพลาขอเหวยง รวมถงการคด

แรงเสยดทาน (ข) แผนผงวตถอสระ [4]

สมการของแรงบดสามารถเขยนไดดงในรปท 2.3 และสมการท 2.6

(2.6)

(

)

(2.7)

(

)

(2.8)

คอ แรงบดทเกดขนจากอากาศอดความดนกระท าทแขนโมเมนตรอบแกนเพลาขบ ซงเปน

แรงบดทท าใหเกดก าลงในการใชงานเครองยนต

คอ โมเมนตทเกดจากแรงเสยดทาน

(ก)

(ข)

9

คอ รศมแรงเสยดทานซงประมาณเทากบ รศมของขอตอทจด B

คอ รศมแรงเสยดทานซงประมาณเทากบ รศมของขอตอทจด O1

คอ สมประสทธแรงเสยดทานซงประมาณเทากบ รศมของขอตอทจด B

คอ สมประสทธแรงเสยดทานซงประมาณเทากบ รศมของขอตอทจด O1

รปท 2.3 (ก )ระบบกลไกลกสบ,กานสบและ เพลาขอเหวยง (ข) แผนผงวตถอสระส าหรบใชค านวณผลทางการ

วเคราะหโดยคดผลจากแรงเสยดทาน [4]

การสนและความเฉอยของแรงบด [18]

การสนและความเฉอยของแรงบด เปนผลทใชบงบอกถงการสนทเกดขนในชนสวนทเกดจาก

ความเฉอย หากผลนมคามากจะสงผลใหเครองยนตมแรงบดทไมคงทมากตามไปดวย โดยสามารถสราง

สมการไดจากรปท 2.4 ไดดงสมการท 2.9

(

) (2.9)

(ก)

(ข)

10

คอ แรงบดทเกดขนจากแรงเฉอยกระท าทแขนโมเมนตรอบจด O1 ซงเฉลยแลวไมท าใหเกด

ก าลง แตท าใหแรงบดลพธทออกมาไมคงทซงสงผลเสยตอการใชงาน

รปท 2.4 โมเดลทางพลศาสตรของมวลทคดเปนกอนของลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง [17]

[ * (

)+] (2.10)

(2.11)

แรงเฉอย และ ทกระท าตอเพลาขบท าใหเครองยนตเกดอาการสนสะเทอน และท าให

เพลาขบรบภาวะมากกวาปกต

(2.12) คอ แรงบดลพธซงเกดจากการรวม แรงบดเฉอย และ แรงบดทเกดจากอากาศอดความ

ดนเขาดวยกน

(ข) แผนผงวตถอสระ

(ก) โมเดลทางพลศาสตร

11

(2.13)

ประสทธภาพเชงกลหาไดจากการหาอตราสวนของ แรงบดในเครองยนตทมแรงเสยดทาน ตอ

แรงบดในเครองยนตทไมมแรงเสยดทาน

2.2.3 รปแบบการเคลอนทของวาลวแบบฟงกชนพหนาม [18]

รปแบบนจะถอเปนรปแบบทมความเอนกประสงคมากทสด ทใชส าหรบการออกแบบลกเบยว

เพอก าหนดการเคลอนทของวาลว สามารถเขาไดกบการออกแบบแทบจะทกชนด และสามารถปรบ

ใชไดกบทกการท างาน โดยจะมรปแบบสมการพนฐานดงสมการท 2.14

(2.14)

คอ การกระจดของตวตามการเคลอนท, คอ ตวแปรอสระซงในกรณนจะแทนทดวย

( คอ มมของลกเบยวทเคลอนท ณ ต าแหนงใดๆ และ คอ ชวงของมมของลกเบยวทออกแบบใหท า

การเคลอนท) หรอเวลา t และ คอ สมประสทธทเปนคาคงทซงจะขนอยกบแตละการออกแบบ

2.3 การไหลผานวาลวของอากาศ

2.3.1 วาลวทางเขาของอากาศ [12]

จากรปท 2.5 แสดงผลการศกษาการไหลทสภาวะคงตวผานวาลวทเปนรปแบบมาตรฐาน ทม

บาวาลว(Valve Seat) เปนลกษณะตดตรง สมประสทธการไหลออกของอากาศทขนอยกบพนทหนาตด

การไหล จะมลกษณะเปนฟงกชนไมตอเนอง ตามการเปลยนแปลงของอตราสวนระยะเปดวาลวสงสด

ตอเสนผานศนยกลางของหนาวาลว(Valve Face) โดยชวงแรกการไหลสวนใหญจะเกดตดกบตววาลว

และบาวาลว ท าใหคาสมประสทธนมคามาก ซงในชวงกลางของการเปดวาลว การไหลจะเกดการ

แยกตวออกจากการตดกบตววาลวและบาวาลว ท าใหสมประสทธลดลงอยางรวดเรวทจดน ตอมาคาจะ

เพมขนอกครงตามการเพมขนของระยะเปดวาลวสงสด เนองจากสวนทเกดการแยกไหลเ รมคงท

ขณะเดยวกนทพนทการไหลของเพมขน จะสงผลใหคาสมประสทธนลดลงในชวงทาย ซงชวงทมคา

ระยะเปดวาลวสงสดมาก จะเกดการแยกไหลของอากาศจากขอบดานในของบาวาลวไดอกดวย

12

รปท 2.5 สมประสทธการไหลของของไหล (Discharge coefficient) ของวาลวทางเขาของอากาศทมรปแบบมาตรฐาน

(พนทการไหลยงผล, AE/พนของการไหลของอากาศผานวาลว,AC ) ในฟงกชนของระยะเปดวาลวสงสด

แตละสวนแบงตาม แตละระยะการเปดวาลว [12]

2.3.2 การไหลแบบเจทผานวาลวทางเขาของอากาศ [12]

ในการไหลผานวาลวทางเขาของอากาศ จะเกดการไหลผานบรเวณทมพนทหนาตดนอย ท า

ใหความเรวของของไหลทไหลผานนนมคาสงมาก ของไหลจะไหลผานวาลวโดยมลกษณะเปนเจทแบบ

ทรงกรวย โดยมความเรวทงในแนวแกนและแนวรศมประมาณ 10 เทาของคาเฉลยความเรวของลกสบ

จากรปท 2.6 แสดงถงความเรวทงในแนวแกนและแนวรศมทตรงบรเวณทางออกของวาลว ซงท าการ

วดในชวงดด จากเครองยนตทหมนโดยมอเตอรทมผนงโปรงใส มวาลวทางเขาของอากาศ 1 วาลว วด

โดยวธ LDA (Laser Doppler Anemometry) แสดงถงการไหลทเกดการแยกตวจากจากบาวาลวและตว

วาลว ท าใหเกดชนของการเฉอน (shear layers) ของเกรเดยนของความเรว เปนผลใหเกดการไหลแบบ

ปนปวน การแยกของการไหลแบบเจทนท าใหเกดสวนของการไหลหมนวน ใตบรเวณของหนาวาลว

และบรเวณผนงของกระบอกสบ

Valve Seat

Valve Face

13

รปท 2.6 คอ คาเฉลยความเรวแนวรศม และ คอ คา rms ของการกวดแกวงของความเรว ณ บรเวณทางออก

และ คอคาเฉลยความเรวในแนวแกนและ คอ คา rms ของการกวดแกวงของความเรว บรเวณกระบอกสบทมม

36o ของมมเพลาขอเหวยง โดยโมเดลของเครองยนตทเคลอนทดวยความเรว 200 รอบตอนาท มระยะเปดวาลวสงสด

6 มลลเมตร ความเรวนนปรบใหเปนมาตรฐานโดยคาความเรวของลกสบ [12]

การไหลแบบเจทของทางเขาของอากาศมการกระท าทเกดระหวางผนงของกระบอกสบ ซง

แสดงถงรปแบบการหมนในสเกลขนาดใหญ ซงเปนการสงเกตโมเดลของเครองยนตทใชน าเปนของ

ไหล ซงมองเหนไดโดยผนงโปรงใสของลกสบและกระบอกสบ โดยวาลวตงอยตรงต าแหนงกงกลาง ซง

ไดค านวณใหอยในรปของตวแปรไรหนวย จากรปท 2.7 แสดงคณลกษณะทเหนไดชดของการไหลท

เกดบรเวณของวาลวทางเขา โดยขณะทลกสบเคลอนทลงจะเหนลกษณะของการไหลหมนวนขนาด

ใหญทระยะหางอยทกงกลางระหวางวาลวและลกสบ ซงบรเวณมมดานบนแสดงการไหลหมนวนขนาด

เลกทหมนในทางกลบดานกน ซงการไหลหมนวนเหลานจะหายไปหลงจากชวงดด เนองจากการขาด

เสถยรภาพ

14

รปท 2.7 รปแบบการหมนของการไหลในสเกลขนาดใหญ ทเกดภายในกระบอกสบ จากการตดตงเพอศกษาการไหล

แบบเจทของทางเขา รปถายแสดงเสนทางการไหลของน าจากอนภาคของโมเดลเครองยนตทมวาลวตดตงอยต าแหนง

ศนยกลาง [12]

2.3.3 กาซในอดมคต [20]

กาซในอดมคต เปนกาซทไมมอยจรง นกวทยาศาสตรก าหนดขนเพออธบายสมบตตาง ๆ ทเกยวกบกาซ โดยใหมพฤตกรรมเปนไปตามกฎของกาซไมวาทอณหภมหรอความดนใด หรอเปนกาซสมบรณทไมมแรงยดเหนยวระหวางโมเลกล

ความสมพนธของกาซในอดมคต เปนไปตามสมการท 2.15

(2.15)

คอ ความดน (Pa), คอ ปรมาตร (m3), คอ คาคงทของแกส (J/mol-k) และ คอ อณหภม (K)

2.3.4 Ram theory [5]

จากการสงเกตการไหลของอากาศจากทางเขาสกระบอกสบ ผานวาลวทางเขาของอากาศ ในชวงดดของเครองยนต การไหลนนจะเปนไปโดยราบรนจนกระทงชวงทวาลวถกปด ซงกฎของความเฉอยจะถกน ามาใชอธบาย เนองจากเมออนภาคของอากาศมการเคลอนท โดยพฤตภาพอนภาคนจะพยายามเคลอนทตอไป แตหลงจากวาลวถกปดแลวท าใหอนภาคอากาศไมสามารถเคลอนทไดอกตอไป ท าใหเกดเปนการสะสมตวของอนภาคทบซอนกนตานกบวาลว จนท าใหเกดการอดตวขน โดยอากาศทถกอดตวจะเกดการเคลอนทกลบสทางเขาของอากาศในรปของคลนความดน (pressure wave)

15

2.4 ทฤษฎการวเคราะหทางโครงสราง

2.4.1 ทฤษฎความเสยหาย [1] ความเคน (stress) หมายถง แรงตานทานภายในเนอวสดทมตอแรงภายนอกทมากระท า

ตอหนงหนวยพนทเขยนเปนสมการไดดงนคอ

(2.16)

เมอ = ความเคน (MPa), = แรงภายนอกทมากระท า (N) และ = พนทภาคตดขวางทแรงกระท า (mm2) โดยทวไปความเคนสามารถแบงออกไดเปน 3 ชนด ตามลกษณะของแรงทมากระท า

1. ความเคนแรงดง (Tensile Stress) เกดขนเมอมแรงดงมากระท าตงฉากกบพนท ภาคตดขวาง

2. ความเคนแรงอด (Compressive Stress) เกดขนเมอมแรงกดมากระท าตงฉากกบพนท ภาคตดขวาง

3. ความเคนแรงเฉอน (Shear Stress) เกดขนเมอมแรงมากระท าใหทศทางขนานกบ พนทภาคตดขวาง

2.4.2 ทฤษฎทางไฟไนตเอลเมนต [1] ในการวเคราะหชนสวนโครงสรางทไมมความซบซอนหรอเปนรปรางเชงเรขาคณตสามารถหา

ผลลพธไดทางสมการเชงอนพนธ ซงผลทไดจะเรยกวาผลเฉลยแมตรง (exact solution) แตในกรณทชนงานมรปรางซบซอนจ าเปนตองใชวธการประมาณผลลพธโดยการแกสมการเชงพชคณตแทน ซงวธดงกลาวเรยกวาวธไฟไนตเอลเมนต คอการแบงชนงานทศกษาออกเปนสวนยอยๆอยางตอเนอง โดยชนสวนทแบงยอยนเรยกวาเอลเมนต และผลเฉลยทไดคอผลเฉลยทจดตอ(node)ของแตละเอลเมนต จากนนน าคาทวเคราะหไดแตละจดมารวมเขาดวยกนเปนผลเฉลยของระบบ โดยถามเอลเมนตมากหรอมจดตอมาก จะท าใหการวเคราะหมความถกตองมากขน แตกท าใหสมการในการวเคราะหมความซบซอนซงตองใชเวลาในการวเคราะหมากขน

2.4.3 ความเคนฟอนมสเซส (Von Mises Stress) [7] เปนความเคนทเปนผลลพธชนดหนงของวธการค านวณทางไฟไนตอลเมนต ซงเกดจากผลรวม

ของความเคน 6 ชนดคอ คาความเคนตงฉาก (Normal Stress) 3 แกน และ คาความเคนเฉอน (Shear

Stress) ทง 3 แกน ส าหรบคา Von Mises Stress จะใชสมการดงตอไปน

√ [

]

(2.17)

16

จากสมการจะเหนวาคา Von Mises Stress ไมมคาตดลบ ซงจะใชเปนคาชความปลอดภยของชนงาน

ดงสมการคาความปลอดภย (Safety Factor, S.F.) ดงตอไปน

(S.F.) =

(2.18)

17

บทท 3 วธการด าเนนงาน

3.1 วธการ

การวเคราะหจะแบงเปน 4 สวน ดงน

1. การวเคราะหระบบกลไกลกสบของเครองยนตเพอหาคาแรงบด ความสนของแรงบดและ แรง

เฉอยทกระท าทเพลาขบ รวมถงประสทธภาพของเครองยนต โดยการค านวณทางสมการ

2. การวเคราะหกลไกวาลวทใชสปรงกบไมใชสปรงของเครองยนตจากโปรแกรม SolidWorks และ

หาต าแหนงเปดและปดวาลวทท าใหเครองยนตไดรบก าลงตอปรมาณการบรโภคอากาศใน 1

รอบสงสด โดยการวเคราะหจะใชโปรแกรม GAMBIT และFLUENT ในการสรางแบบและ

จ าลองการเขาออกของอากาศความดนสงผานวาลวและกระบอกสบ โดยท าการเกบคาจาก

แรงดนบนลกสบและอตราการไหลของอากาศเขาสกระบอกสบเปนเกณฑในการหาต าแหนงเปด

และปดวาลว

3. การวเคราะหความแขงแรงของชนสวนเครองยนต 3 ชน ไดแก ลกสบ กานสบ และเพลาขอ

เหวยง โดยใชวธการค านวณแบบไฟไนตอลเมนตดวยโปรแกรม SolidWorks ซงการศกษาจะด

จากคา Von Mises Stress ทเกดบนชนสวน และปรบปรงรปรางใหคาSafety Factorมากกวา

1 เพอใหชนสวนสามารถรบแรงในการท างานไดโดยไมเกดความเสยหาย

สมมตฐานส าหรบการวเคราะห

- บรเวณจดหมนมแบรงท าใหแรงเสยดทานมคานอยมาก สามารถละทงได

- บรเวณผวลกสบกบผนงกระบอกสบมคาสมประสทธแรงเสยดทานเทากบ 0.2 ซงเปนคา

สมประสทธระหวางวสดอลมเนยมทไดจากโปรแกรม SolidWorks

- เครองยนตลกสบแบบรศมมแรงสนสะเทอนนอย สามารถละทงผลของแรงสนสะเทอนท

กระท าตอเครองยนตได

4. การสรางโมเดลเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบโดยในผลทไดจากการวเคราะหมาท าการ

สราง และประกอบ

3.2 ขนตอนการด าเนนงาน

ในขนตอนการด าเนนงานจะท าการแบงตามการท างานของโปรแกรมดงทกลาวไวแลว ในหวขอ

ท 3.1 ซงมรายละเอยด ดงตอไปน

18

3.2.1 การวเคราะหเชงกลไกและการเคลอนทของกลไกแบบลกสบ

1. ก าหนดคาความยาวกานสบ รศมเพลาขอเหวยง แรงทเกดจากอากาศทต าแหนงของมม

เพลาขอเหวยงใดๆ, น าหนก, ต าแหนงจดศนยกลางมวลของความยาวกานสบ, เพลาขอ

เหวยง และลกสบ รวมถงสมประสทธแรงเสยด และขนาดของขอตอ

2. ก าหนดจ านวนลกสบ การวางตวของลกสบ

3. ค านวณแรงบด ก าลง และ แรงทเกดขนในชนสวนตางๆ ทเกดจากแรงเฉอย

4. ค านวณแรงบด ก าลง และ แรงทเกดขนในชนสวนตางๆ ทเกดจากอากาศอดความดน

5. ค านวณหาก าลงทใชในการเปดปดวาลว ทางเขาและทางออกของอากาศ โดยใชผลจาก

การวเคราะหพลศาสตรของไหลเชงค านวณมาประกอบ เพอใชหาประสทธภาพตอไป

6. ค านวณคาแรงบด และ แรงทเกดขนในชนสวนตางๆ โดยน าคาท เกดจากการรวมกนใน

การค านวณผลจากแรงเฉอย และอากาศอดความดน ในสวนของก าลงสามารถหาไดจาก

ก าลงทเครองยนตทไมมกลไกการ เปด/ปดวาลว และหกออกดวยก าลงทใชในการ เปด/ปด

วาลว แลวค านวณหาคาประสทธภาพของเครองยนต ทงในสวนทสญเสยในสวนของกลไก

และ ในสวนของการไหล

7. ท าซ าขอแรก โดยเปลยนอตราสวนรศมเพลาขอเหวยงตอความยาวชวงชก ( /S Ratio)

3.2.2 การวเคราะหทางพลศาสตรของไหลเชงค านวณ

3.2.2.1 สรางโมเดล 2 มต และก าหนดเงอนไขขอบเขตโดยโปรแกรม GAMBIT

การสรางโมเดล 2 มตนนจะท าการก าหนดขนาดตางๆ ตามขนาดของเครองยนตทมการผลต

โดยทวไปในทองตลาดซงมรายละเอยด ดงตารางท 3.1

ตารางท 3.1 รายละเอยดของคณลกษณะตางๆ ทใชในการสรางโมเดล

ชนสวน เสนผานศนยกลาง ชวงชก กานสบ กระบอกสบ 30 มลลเมตร 30 มลลเมตร 60 มลลเมตร

มมเปดวาลวเรมตน มมปดวาลวเรมตน

ระยะเปดวาลวสงสด

เสนผานศนยกลาง

รปแบบการ เปดวาลว

วาลวทางเขาของอากาศ

10 องศา 90 องศา 1.5 มลลเมตร

10 มลลเมตร มม 45 องศา

ฟงกชนพหนาม 3-4-5[17]

วาลวทางออกของอากาศ

90 องศา 370 องศา 1.5 และ 4.5มลลเมตร

8 มลลเมตร มม 45 องศา

ฟงกชนพหนาม 3-4-5[17]

เสนผานศนยกลาง ทางเขาของอากาศ 15 มลลเมตร

19

ในการวเคราะหวาลว สวนของโมเดลจะมขอบเขตตางๆ ประกอบดวย ทางเขาของอากาศ ,

วาลวทางเขาของอากาศ 1 วาลว, กระบอกสบ และลกสบ ซงจะก าหนดชองวางทยอมรบได

ระหวาง วาลวทางเขาของอากาศ และ บาวาลว เปนระยะ 0.2 มลลเมตร ซงจะเรยกโมเดลนวา

“2D-A” ดงแสดงในรปท 3.1

รปท 3.1 โมเดลแรกสรางโดยโปรแกรม GAMBIT เรยกวา “2D-A”

โมเดลทสองจะมลกษณะเหมอนโมเดลแรก แตจะท าการเพมวาลวทางออกของอากาศ 1

วาลว เรยกโมเดลนวา “2D-B” ดงแสดงในรปท 3.2

รปท 3.2 โมเดลทสองสรางโดยโปรแกรม GAMBIT เรยกวา “2D-B”

วาลวทางออก

ทางเขาของอากาศ

บาวาลว

20

โมเดลทสามจะมลกษณะเหมอนโมเดลทสอง แตจะท าการเพมวาลวทางออกของอากาศเปน

2 วาลว เรยกโมเดลนวา “2D-C” ดงแสดงในรปท 3.3

รปท 3.3 โมเดลมสามสรางโดยโปรแกรม GAMBIT เรยกวา “2D-C”

3.2.2.2 พลศาสตรของไหลเชงค านวณของโมเดล 2 มตโดยโปรแกรม FLUENT

1. น าเขาไฟลทท าการสราง mesh และก าหนดเงอนไขขอบเขตแลวจากโปรแกรม GAMBIT

เขาสโปรแกรม FLUENT

2. ใชโปรแกรม FLUENT ส าหรบพลศาสตรของไหลเชงค านวณ เพอค านวณผลของวาลว

ทางออกของอากาศ และผลของมมเพลาขอเหวยงทใชในการเปดและปดวาลว โดยใชการ

วเคราะหแบบ Dynamic Mesh โดยเกบคาความดนทกระท าบนลกสบ และอตราการไหล

ของอากาศเขาสกระบอกสบ(ดจากภาคผนวก ค.3)

3. สมมตฐานในการค านวณ :

อากาศเปนกาซในอดมคต และเปนของไหลทอดตวได[5]

ความดนเกจสมบรณ ( P) ททางเขาและทางออกเปนคาคงทเทากบ 101,325 Pa

และ 0 Pa ตามล าดบ

4. เครองยนตมความเรวรอบการหมนคงทท 6,000 รอบตอนาท ก าหนดจากโปรแกรม Solid

Works

21

5. ใชตวแกคาเปน Unsteady time และใชโมเดลความหนดเปน k-epsilon เนองจากเปนการ

ไหลแบบปนปวน

6. ใชโมเดล 2D-A ในการตรวจสอบผลของ Grid Independent โดยใชขนาด grid 4 ขนาด

(21,140 เซลล, 36,190 เซลล, 74,822 เซลล, 167,027 เซลล), ใช Time Step ท 2CAD

(Crank Angle Degree) (ดในภาคผนวก ค.1) และใชมมเปดและปดวาลวส าหรบอากาศ

เขาเปน 10 และ 90 องศาของมมเพลาขอเหวยง ตามล าดบ ในการค านวณ

7. ใชขนาดของ Mesh ทไดจากขอ 6) ในการวเคราะหเปรยบเทยบผลระหวางโมเดล 2D-B

กบโมเดล 2D-C

8. ใชผลทไดจากขอ 7) เพอหาต าแหนงเปดและปดวาลว ทท าใหเครองยนตไดรบก าลง /

ปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบสงสด ซงเรมตนจากการก าหนดมมเปดวาลวคงทท 10

องศาของมมเพลาขอเหวยง และเปลยนมมปดวาลวท 90, 130, 150 และ 170 องศาของ

มมเพลาขอเหวยง ตามล าดบ

9. ท าการหาก าลงสมบรณทไดจากการเคลอนทครบรอบของเครองยนต จากพนทใตกราฟ

ของความดนทกระท าบนลกสบตอปรมาตรในกระบอกสบ ณ ต าแหนงของมมเพลาขอ

เหวยงตางๆ หารดวยเวลาทใชในการเคลอนทครบรอบของเครองยนต โดยค านวณจาก

พนทใตกราฟตงแต 0-180 องศาของมมเพลาขอเหวยง หกลางกบพนทใตกราฟตงแต

180-360 องศาของมมเพลาขอเหวยง ซงปรมาตรในกระบอกสบ ณ ต าแหนงของมมเพลา

ขอเหวยงตางๆ สามารถค านวณไดจากสมการท (2.2)

10. ท าการหาปรมาณการใชอากาศใน 1 รอบ จากพนทใตกราฟของอตราการไหลของอากาศ

เขาสกระบอกสบตอเวลาทใชในการเคลอนทครบ 1 รอบ

11. ท าการวเคราะหหาชวงของมมปดวาลวทใหก าลง /ปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบ

สงสด เพอท าการเพมความละเอยดในการค านวณมมปดวาลวในชวงนน แลวจงสรปผล

ส าหรบมมปดวาลวทางเขาของอากาศ ทท าใหเครองยนตไดรบก าลง/ปรมาณการบรโภค

อากาศใน 1 รอบสงสด

12. น ามมปดวาลวทไดจากขอ 9) มาก าหนดใหคงทและเปลยนมมเปดวาลวท 0, 6, 10 และ

50 องศาของมมเพลาขอเหวยง เพอหาต าแหนงของมมเปดวาลวทางเขาของอากาศ ทท า

ใหเครองยนตไดรบก าลง/ปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบสงสด

22

3.2.3 การวเคราะหทางการจ าลองการท างานโดยโปรแกรม Solidworks

3.2.3.1 การวเคราะหความแขงแรงของชนสวน

1. เขยนแบบของชนสวนตางๆ โดยชนสวนนก าหนดใหเปนรปแบบเดมกอนการปรบปรง

และคาอตราสวนความยาวของกานสบตอชวงชกไดจากการค านวณทางสมการกลไกการ

เคลอนท โดยรปแบบเบองตนจะมลกษณะดงตอไปน

รปท 3.4 แบบกานสบเดม รปท 3.5 แบบกานสบหลกเดม

รปท 3.6 แบบเพลาขอเหวยงเดม รปท 3.7 แบบลกสบเดม

23

2. ประกอบชนสวนเขาดวยกน(ดจากภาคผนวก ก.1) โดยก าหนดใหมคาสมประสทธแรง

เสยดทานระหวางผนงกระบอกสบและลกสบเทากบ 0.2 (จากสมมตฐาน)

3. จ าลองการท างานโดยก าหนดคาตางๆดงตารางท 3.2

ตารางท 3.2 การตงคาโปรแกรม Solidworks ส าหรบจ าลองการท างาน

แรงกระท าบนลกสบแตละสบ 430 N (ความดน 6 bar)

มมของเพลาขอเหวยงทเรมใสแรงบนลกสบ ไดจากผลของการค านวณ

ทางพลศาสตรเชงของไหล

มมของเพลาขอเหวยงทหยดใสแรงบนลกสบ ไดจากผลของการค านวณ

ทางพลศาสตรเชงของไหล

Frame Rate ในการค านวณ 1000 Frame/s

วธการค านวณ SI2_GSTIFF

ระยะเวลาในการค านวณ 1 s วสดของชนงาน Aluminium Alloy 2024T3

4. บนทกกราฟของความเรวเพลาขอเหวยงเทยบกบเวลา

5. น าเขาแรงทกระท าบนชนสวนตางๆ

6. วเคราะห Von Mises Stress ทเกดบนชนสวนใน 1 รอบการท างานทสภาวะคงท(ดจาก

ภาคผนวก ก.3) หาต าแหนงของเครองยนตทท าใหชนสวนแตละชนตองรบภาระมากทสด

7. วเคราะหการเกดความเสยหายจากการโกงเดาะทกานสบ(ดจากภาคผนวก ก.4)

8. ปรบปรงรปรางชนสวนโดยพจารณาผลทไดจากขอ 6 และ 7 โดยก าหนดใหชนสวนมคา

ความปลอดภยมากกวา 1

9. บนทกผลการศกษา

3.2.3.2 การวเคราะหผลจากการใชวาลวแบบมสปรงและไมมสปรง

วาลวโดยทวไปจะใชสปรงเปนตวดนในจงหวะปดวาลว โดยมลกเบยวท าหนาทเฉพาะ

จงหวะเปดวาลวซงแรงของเครองยนตจะสญเสยไปเพอออกแรงตานสปรง สวนวาลวทไมใช

สปรงจะมลกเบยวทมรองเพอควบคมวาลวใหเปดปดตามรองทออกแบบ จงท าการวเคราะหการ

ใชวาลวแบบมสปรงดงรปท 3.8 และไมมสปรงดงรปท 3.9 เพอเปรยบเทยบผลการสญเสยก าลง

โดยใชการวเคราะหโดยโปรแกรม SolidWorks ดงขนตอนตอไปน

1. สรางลกเบยวแบบทใชแรงสปรงดนวาลว ดงรปท 3.8

24

รปท 3.8 ลกเบยวแบบใชสปรง รปท 3.9 ลกเบยวแบบไมใชสปรง

2. บรเวณวาลวของเครองยนตทมสปรงก าหนดใหมสปรงออกแรงกดวาลว

3. จ าลองการท างานของเครองยนตโดยใชมอเตอรหมนเครองยนตแทนการใสแรงทลกสบ

4. บนทกผลก าลงของมอเตอรทใชในการหมนเครองยนต

5. ท าการทดลองอกครงโดยเปลยนลกเบยวเปนแบบไมมสปรงดนวาลวดงรปท 3.9และเอา

สปรงทกดวาลวเดมออก แลวจ าลองการท างานอกครงและบนทกผลก าลงของมอเตอรทใช

6. เปรยบเทยบคาก าลงของมอเตอรทใชหมนเครองยนตแบบมสปรงและไมมสปรง

3.2.4 การสรางโมเดลเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ

น าผลทไดจากการวเคราะห ทงในสวนของกลไกการเคลอนท พลศาสตรของไหลเชงค านวณ

และการวเคราะหความแขงแรง มาท าการสรางโมเดลเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ โดยท าการ

ออกแบบสวนของการยดจบและถอดประกอบ และกลไกการเปดและปดวาลว

3.3 เครองมอและอปกรณทใช

- คอมพวเตอร 6 เครอง

- โปรแกรมSolidworks , Ansys , Matlab

3.4 สถานท

ชน 13 อาคารชชาต ก าภ

3.5 งบประมาณ

1. การเดนทางเพอศกษาโปรแกรม Solidworks 7,000 บาท 2. เอกสารการศกษาและรายงาน 3,000 บาท

รวม 10,000 บาท

25

3.6 แผนการด าเนนงานตงแตเรมตนจนโครงงานส าเรจลลวงตามวตถประสงค

ตารางท 3.3 ขนตอนการด าเนนงานโครงงาน

26

บทท 4 ผลและวจารณ

4.1 ผลการศกษากลไกการเคลอนทของเครองยนตเพอหารปแบบเครองยนตทเหมาะสมส าหรบ

การน าไปใชงาน

4.1.1 ผลการศกษาผลกระทบทเกดจากการปรบเปลยนอตราสวนความยาวกานสบตอชวง ชกทมตอแรงบดทเกดจากความเฉอย

รปท 4.1 แรงบดสน ณ มมเพลาขอเหวยง 0-360 องศาในเครองยนตลกสบจ านวน 4 สบ ในแตละอตราสวน ความยาวกานสบตอความยาวชวงชก (l/s)

จากรปท 4.1 แสดงคาแรงบดสนจากเครองยนต 4 สบซงแสดงใหเหนวาแรงบดสนทเปนแบบ

ฟงกชนไซนซงมคาบ 90 องศาไมไดใหก าลงแกเครองยนตเพม เพราะเมอน าคาแรงบดสนมาเฉลยแลว

จะไมมคา ในการออกแบบเครองยนตจะตองพยายามท าใหแรงบดทเกดจากแรงเฉอยใหมคาทนอยทสด

แตแรงบดทเกดจากแรงเฉอยจะท าใหแรงบดทไดมคาไมคงท ซงท าใหการใชงานไมสะดวกตอ ซง

สามารถแกไดโดยใส ลอชวยแรง ซงจะมขนาดใหญขนตามขนาดของแรงบดทเกดจากแรงเฉอยทเกดขน

จากการวเคราะหผลพบวาในกรณทม แรงเฉอย แปรผนตาม อตราสวนของความยาวกานสบตอความ

ยาวชวงชก แตจะท าใหแรงเฉอยทไดมค าเปนเขาใกลเปนคาแบบฟงชนไซน ซงเมอน ามาสราง

เครองยนตหลายสบและมจ านวนสบเปนเลขค จะท าใหแรงเฉอยทเกดจากสบทมเฟสการท างานตางกน

หกลางกนได ท าใหแรงเฉอยแปรผกผนกบอตราสวนความยาวกานสบตอชวงชกในกรณเปนหลายสบ

และมจ านวนสบเปนเลขค

27

4.1.2 ผลการศกษาผลกระทบทเกดจากการแรงเสยดในเครองยนตอากาศอดความดน

รปท 4.2 แรงบดทเกดจากความดนของอากาศอดความดนทมมเพลาขอเหวยง 0 ถง 180 ทงมความเสยดทาน และไมม

ความเสยดทาน

จากรป 4.2 แสดงแรงบดทจากการใสความแรงบนลกสบแบบคงท 40 นวตนโดยเพลาขอเหวยง

มความยาว 30 มลลเมตร และความยาวกานสบ 75 มลลเมตร โดยมคาสงสดทประมาณมมเพลาขอ

เหวยง 76.34 องศา โดยจากการวเคราะหพบวาการใสแรงแตละชวงมมเพลาขอเหวยงใดชวงหนง ไมม

ผลกระทบตอแรงบดในมมเพลาขอเหวยงอนๆ ในการออกแบบจะตองท าใหเครองยนตมแรงบดทสง และ

ใชอากาศอดความดนในปรมาณทนอย จากการศกษาพบวาเรองเสยดทานจะท าใหแรงบดทไดจาก

อากาศอดความดนนอยลง โดยเมอหาประสทธภาพทมมเพลาขอเหวยงใดๆแลว โดยชวงกอนจดสงสดม

การทนอยกวาชวงหลงจดสงสดไปแลวเนองจากชวงกอนจดสงสดแรงทเกดขนในขอตอนอยกวาชวงหลง

จดสงสดแลว เนองจากแรงเสยดทานทเกดขนแรผนตามแรงทเกดขนในขอตอ จะมการสญเสยพลงงานท

เกดจากแรงเสยดทานทไมเทากนโดยต าแหนงมมเพลาขอเหวยงทมการสญเสยพลงงานทมากทสด

เทยบกบตอนทไมมแรงเสยดทาน แตทมมนถาใสแรงจะให แรงบดสงสด ซงท าใหมมเพลาขอเหวยงนยง

เปนมมทเหมาะสมในการใสแรงถงแมวาจะมการสญเสยพลงงานมากทสด แตถาคดเปนอตราสวนจะการ

เสยเปนอตราสวนนอยกวาจดอนๆ

28

4.1.3 ผลการศกษาผลกระทบทเกดจากการปรบเปลยนอตราสวนความยาวกานสบตอชวง

ชกทมตอแรงสนทเกดขนบนเพลา

รปท 4.3 แรงสนทกระท าตอเพลาขบทงแกน x และ แกน y (l/s)

จากรปท 4.3 แสดงใหเหนถงแรงเฉอยทสงผานสเพลาขบทงในแนวการเคลอนทของลกสบ แกน

x และ แนวตงฉากกบแกน x บนระนาบแกนหมนของเพลาขบ โดยแรงทกระท าขนในเพลาขบมแรงมาก

สดในแนวแกนการเคลอนทของลกสบในทกกรณเนองจากเพลาขอเหวยงมจดศนยกลางมวลอยทแกน

หมนของเพลาขบท าใหมแรงในแนวแกน y ทนอยมากเมอเทยบกบแกน x แรงทเกดขนกเกดจากแรง

เฉอยของลกสบเทานน โดยทคาอตราสวน l/s เทากบ 1.5 มแรงในแกน x สงสด 115.5 นวตน และ

อตราสวน l/s เทากบ 2.5 มแรงในแกน x สงสด 104 นวตน ในการออกแบบจะตองพยายามท าใหแรงสน

ทเกดขนทเพลาขบใหมคาทนอยทสดเนองจาก จะท าใหเพลาขอเหวยงรบภาระกรรมนอยลง เปนผลท า

ใหขนาดและน าหนกของเพลาขอเหวยงนอยลง และ ลดอาการสนสะเทอนทเกดขนกบเครองยนต ผล

ของอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชกพบวาทอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวง

ชกสงขนท าใหคาแรงสนสะเทอนสงสดลดลง ซงจะท าใหเพลาขบรบภาระกรรมทนอยลง

29

4.1.4 ผลการศกษาผลกระทบของการใสแรงต าแหนงใด ทมผลกบประสทธภาพของเครองยนต

รปท 4.4 ประสทธภาพ ณ ขณะหนง ทมมเพลาขอเหวยงตางๆ ในแตละอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชก

จากรปท 4.4 แสดงประสทธภาพเชงกล ซงหาจากการหาอตราสวนแรงบดทเกดจากอากาศอด

ความดนในกรณทไมมแรงเสยดทาน ตอกรณไมมแรงบดทเกดจากอากาศอดความดนในกรณทแรงเสยด

ทาน โดยทมมเพลาขอเหวยงใกล 0 และ 180 มคาประสทธภาพเปนศนย และคาสงสดทมมเพลาขอ

เหวยงประมาณ 90 องศา โดยในชวงกอน 90 องศาจะพบวาความแตกตางระหวางประสทธภาพทางกล

ในแตละ l/s มนอย เนองจากแรงในขอตอมคานอย จงท าใหแรงเสยดทานมคานอย แตในชวงมากวา 90

องศาแรงในขอตอมคาแปรผกผนตาม l/s จงท าใหประสทธภาพเชงกลแตกตางมากกวาในชวงมมเพลา

ขอเหวยงต ากวา 90 องศา และในกรณทประสทธทภาพเปนศนยหมายความวาแรงทใสไปบนลกสบไม

พอทจะท าใหลกสบเคลอนทได พบวาการใสแรงกระท าบนลกสบทเหมาะสมจะอยในชวงทมมองศาเพลา

ขอเหวยงเขาใกล 90 องศาเนองจากท าใหมการสญเสยพลงงานนอยสดเทยบเปนอตราสวนเทยบกบ

ตอนทไมมแรงเสยดทาน

30

4.2 การศกษากลไกวาลวของเครองยนตเพอหารปแบบและต าแหนงทใชในการเปดและปด

วาลวทางเขาและทางออกของอากาศ

4.2.1 ผลการศกษาผลกระทบทเกดจากการใชวาลวแบบมสปรงและไมมสปรง ผลจากการศกษาวาลวทมสปรงและไมมสปรงทเกดจากการจ าลองการท างานของเครองยนต โดยดผลจากก าลงทมอเตอรใชในการใหเครองยนตท างาน แสดงผลไดดงรปท 4.5

รปท 4.5 กราฟเปรยบเทยบก าลงทใชในการขบเครองยนตเมอใชวาลวแบบมสปรงและไมมสปรง

จากรปท 4.5 พบวาเมอเครองยนตท างานทเวลาผานไป รปแบบกราฟจะมลกษณะทซ าๆกน

แตจะแตกตางกนทแอมพลจด แตเมอหาคาเฉลยแลวก าลงทมอเตอรใชส าหรบวาลวทไมมสปรงจะมคา

นอยกวาวาลวทตดสปรง เนองจากก าลงทใชในการเปดปดวาลว น ามาจากก าลงทไดมาจากอากาศอด

ความดน ดงนนการทจะใหเครองผลตก าลงออกมามากทสด และเนองจากก าลงทเกดอากาศอดความม

คานอยมากเมอเทยบกบ เครองยนตสนดาปภายในทไดก าลงจากการจดระเบดของเชอเพลง จงตอง

เปลยนระบบวาลวเปนแบบไมมสปรง เพอทจะลดก าลงทใชในการเปดปดวาลวลง

31

4.2.2 ผลการศกษาผลกระทบทเกดจากการปรบเปลยนขนาดของ Mesh

รปท 4.6 ความดนทกระท าบนลกสบจากการท า Grid independence โดยขนาด mesh 4 ขนาด

ตารางท 4.1 เปอรเซนตความแตกตางของการเพมขนาดของ grid ทต าแหนงคาสงสดและคาเฉลย

เปอรเซนตความแตกตาง คาสงสด คาเฉลย 36190cells กบ 21140 cells 0.037252% 55.2971% 74822cells กบ 36190cells 0.423519% 27.04113% 167207cells กบ 74822cells 0.125158% 2.86475%

จากรปท 4.6 และตารางท 4.1 พบวาเปอรเซนตความแตกตางของคาสงสดและคาเฉลยจะ

เรมมคานอยทขนาด grid เปน 74,822cells ทงนเวลาทใชในการค านวณทขนาด grid เปนจ านวน

167,207cells จะมากกวาทขนาด grid เปน 74,822cells ถง 3 เทา ดงนนตลอดการศกษาจะใชขนาด

grid เปน 74,822cells

32

4.2.3 ผลการศกษาผลกระทบทเกดจากการปรบเปลยนรปแบบของวาลวทางออก

ของอากาศ

ผลทไดจากการศกษาผลกระทบทเกดจากการปรบเปลยนรปแบบของวาลวทางออกของอากาศ

จะเกดจากการเปลยนแปลงระยะเปดสงสดของวาลวทางออกของอากาศ และการเปลยนแปลงโมเดล

ของวาลว (2D-B และ 2D-C) โดยเรมจากโมเดล 2D-B ซงมระยะเปดวาลวทางออกของอากาศสงสดเปน

1.5 มลลเมตร (2D-B Lift1.5) ไดผลการศกษาดงรปท 4.7

รปท 4.7 ความดนทกระท าบนลกสบจากการเปลยนโมเดลและระยะเปดสงสดของวาลวทางออกของอากาศ

จากรปท 4.7 จะเหนไดวาเมอวาลวทางออกของอากาศเรมเปดทมม 90 องศา ความดนทกระท า

บนลกสบจะลดลงเรอยๆ จนกระทงตดลบ นนคอเปรยบเสมอนเปนแรงดดกระท า ท าใหเครองยนต

สญเสยก าลงในชวงน และความดนจะคอยๆ เพมขนจนเปนบวกอกครงหลงจากลกสบเคลอนทผาน

ต าแหนงของมมเพลาขอเหวยง 180 องศา (BDC) ซงถอวาความดนนเปนแรงตานการเคลอนทขนของ

ลกสบ ซงโดยแทจรงแลว หลงจากต าแหนงนความดนทกระท าบนลกสบควรมคาเปนศนย แตจากผลท

ไดท าใหสรปไดวาโมเดล 2D-B ซงมระยะเปดวาลวทางออกของอากาศสงสดเปน 1.5 มลลเมตร ไม

สามารถน าอากาศออกจากกระบอกสบไดทนเวลา จงท าการเพมระยะเปดวาลวทางออกของอากาศ

สงสดเปน 4.5 มลลเมตร (2D-B Lift4.5) ซงผลทไดพบวา ความดนทกระท าบนลกสบหลงเคลอนทผาน

ต าแหนงของมมเพลาขอเหวยง 180 องศา มคาลดลงกวาโมเดลแรก แตคาความดนนยงถอวาม

นยส าคญอย ดงนนจงท าการเพมวาลวทางออกของอากาศเปน 2 วาลว และก าหนดระยะเปดวาลว

ทางออกของอากาศสงสดเปน 4.5 มลลเมตร (2D-C Lift4.5) ซงผลทไดพบวา ความดนทกระท าบน

33

ลกสบหลงเคลอนทผานต าแหนงของมมเพลาขอเหวยง 180 องศา มคาลดลงคอนขางมาก เมอ

เปรยบเทยบกบสองโมเดลแรก โดยจะมคาเฉลยของความดนทกระท าบนลกสบหลงจากผานต าแหนงน

เปน 2552.871 Pa ซงถอวาเปนคาทยอมรบได และจงใชโมเดลนในการศกษาเพอหาต าแหนงเปดและ

ปดวาลวทท าใหเครองยนตไดรบก าลงจากอากาศความดนสงอยางเหมาะสมตอไป

4.2.4 ผลการศกษาต าแหนงเปดและปดวาลวทางเขาของอากาศทท าใหเครองยนตไดรบ

ก าลงจากอากาศความดนสงอยางเหมาะสม

จากผลการศกษาในหวขอท 4.2.1 น าโมเดล 2D-C ทมระยะเปดวาลวทางออกของอากาศสงสด

เปน 4.5 มลลเมตร มาใชในการวเคราะหตอส าหรบการหาต าแหนงเปดและปดวาลวทางเขาของอากาศ

ซงผลจากการก าหนดใหต าแหนงของมมเปดวาลวทางเขาของอากาศคงท และปรบเปลยนต าแหนงปด

วาลวทางเขาของอากาศ แสดงดงรปท 4.8

รปท 4.8 ความดนทกระท าบนลกสบจากการก าหนดมมเปดวาลวทางเขาของอากาศคงท 10 องศาของมม

เพลาขอเหวยง และเปลยนแปลงมมปดวาลวทางเขาของอากาศ

34

รปท 4.9 ความดนทกระท าบนลกสบจากการก าหนดมมเปดวาลวทางเขาของอากาศคงท 10 องศาของมม

เพลาขอเหวยง และเพมความละเอยดในการเปลยนแปลงมมปดวาลวทางเขาของอากาศ

ตารางท 4.2 ก าลงสมบรณและปรมาณอากาศทใชจากการเคลอนทครบรอบ โดยการก าหนดมมเปดวาลวทางเขาของ

อากาศคงทและเปลยนแปลงมมปดวาลวทางเขาของอากาศ

มมเปดวาลวทางเขาของอากาศ (องศา)

มมปดวาลวทางเขาของ

อากาศ (องศา)

ก าลง (Watt)

ปรมาณอากาศทใชใน 1 รอบ (Kg/รอบ)

ก าลง/ปรมาณอากาศทใชใน 1

รอบ (W/(kg/รอบ)) 10 90 87.4481 0.0016614 52,635.19 10 130 138.8401 0.0021791 63,714.42

10 150 157.8617 0.002423 65,151.34

10 160 163.8659 0.0025148 65,160.61

10 162 163.5563 0.0025228 64,831.26

10 164 164.8655 0.002530 65,164.63

10 166 163.8449 0.0025447 64,386.73

10 168 164.0350 0.0025532 64,246.83

10 170 163.3902 0.0025615 63,786.92 10 175 162.7704 0.0025735 63,248.65

35

จากรปท 4.8 จะเหนไดวาความดนทกระท าบนลกสบ จะเพมขนตามต าแหนงของมมการปด

วาลวทางเขาของอากาศทเพมขน เนองจากการเพมของมมนนเปรยบเสมอนการเพมระยะเวลาทจะให

อากาศเขาสกระบอกสบไดมากขน โดยจากตารางท 4.2 ชวงของมมปดวาลวทใหก าลง/ปรมาณการ

บรโภคอากาศใน 1 รอบสงสด อยในชวง 150 – 170 องศาของมมเพลาขอเหวยง ดงนนจงท าการเพม

ต าแหนงของมมปดวาลวทใชในการค านวณท 160 และ 175 องศาของมมเพลาขอเหวยง เพอด

แนวโนม ซงผลจากตารางท 4.2 แสดงใหเหนวาก าลง/ปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบ ทมมปด

วาลว 160 องศา เพมขนจากทมมปดวาลว 150 องศา มาก แตก าลงทมมปดวาลว 175 องศาของมม

เพลาขอเหวยงลดลงจากทมมปดวาลว 170 องศา จงท าการเพมความละเอยดของต าแหนงของมมปด

วาลวในชวง 160 – 170 องศาของมมเพลาขอเหวยง ไดแก 162, 164, 166 และ 168 องศาของมม

เพลาขอเหวยง ซงผลทไดคอทต าแหนงของมมปดวาลวทางเขา 164 องศาของมมเพลาขอเหวยง

ใหก าลง/ปรมาณการบรโภคอากาศใน 1 รอบทไดสงสด จงเลอกมมนเพอใชเปนตวก าหนดในการหา

ต าแหนงการเปดวาลวทางเขาของอากาศตอไป

จากรปท 4.9 จะเหนไดวาหลงจากลกสบเคลอนทผานต าแหนงของมมเพลาขอเหวยง 180

องศาแลว จะมต าแหนงของมมปดวาลว ทใหความดนทกระท าบนลกสบเปนบวกอยหลายต าแหนง

(160-170 องศาของมมเพลาขอเหวยง) ซงตางกเปนต าแหนงทใหก าลงคอนขางมาก แสดงใหเหนวา

หลงจากการหกลางกนของพนทใตกราฟแลว ผลทไดจากก าลงทผลตมผลมากกวาผลทไดจากก าลงท

สญเสยไปอยางมนยส าคญ

รปท 4.10 ความดนทกระท าบนลกสบจากการก าหนดมมปดวาลวทางเขาของอากาศคงท 164 องศาของมมเพลาขอเหวยง

และเปลยนแปลงมมเปดวาลวทางเขาของอากาศ

36

ตารางท 4.3 ก าลงสมบรณและปรมาณอากาศทใชจากการเคลอนทครบรอบ โดยการก าหนดมมปดวาลวทางเขาของ

อากาศคงทและเปลยนแปลงมมเปดวาลวทางเขาของอากาศ

มมเปดวาลวทางเขาของ

อากาศ (องศา)

มมปดวาลวทางเขาของ

อากาศ (องศา)

ก าลง (Watt)

ปรมาณอากาศทใชใน 1 รอบ (Kg/รอบ)

ก าลง/ปรมาณอากาศทใชใน 1

รอบ (W/(kg/รอบ)) 0 164 169.3475 0.0025378 66,730.04 6 164 167.0657 0.0025342 65,924.43

10 164 164.8655 0.002530 65,164.23

50 164 76.4982 0.0023946 31,946.13

จากรปท 4.10 จะเหนไดวาความดนทกระท าบนลกสบ จะลดลงตามต าแหนงของมมการเปด

วาลวทางเขาของอากาศทเพมขน เนองมาจากเปนการลดระยะเวลาทจะใหอากาศเขาสกระบอกสบ

โดยทต าแหนงของมมการเปดวาลวทางเขาของอากาศ เปน 0, 6 และ 10 องศาของมมเพลาขอเหวยง

กราฟจะมพฤตกรรมทใกลเคยงกน คอจะคอยๆ เพมขนอยางคงทจากทความดนเปนศนย จนถงคาความ

ดนคาหนง แตทต าแหนงของมมการเปดวาลวทางเขาของอากาศเปน 50 องศาของมมเพลาขอเหวยง

กราฟความดนจะเพมขนและเรมตกลงอยางรวดเรวหลงจากต าแหนงท 10 องศาของมมเพลาขอเหวยง

ทงนสามารถวเคราะหไดวา ลกสบทเคลอนทลงนนจะท าใหปรมาตรของกระบอกสบเพมขน เมอไมม

ความดนจากภายนอกเขามาในระบบ จากคณสมบตของกาซในอดมคต เปนผลใหความดนในกระบอก

สบลดลง[19] โดยความดนนจะเพมขนอกครงหลงจากผานต าแหนง 50 องศาของมมเพลาขอเหวยง ซง

กคอต าแหนงทใชในการเปดวาลว โดยจากตารางท 4.3 พบวาต าแหนงของมมทใชในการเปดวาลว

ทางเขาของอากาศ 0 องศาของมมเพลาขอเหวยง เปนต าแหนงของมมทใหก าลง /ปรมาณการบรโภค

อากาศใน 1 รอบสงสด และจะลดลงมาตามล าดบของมมเปดวาลวทเพมขน ดงนนจงเลอกมม 0 องศา

เปนต าแหนงทใชในการเปดวาลวทางเขาของอากาศ

37

4.3 ผลการศกษาการรบแรงบนชนสวนของเครองยนตและวธการกระจายแรง

4.3.1 ชนสวนและขนาดเครองยนตทผานการปรบปรงรปรางแลว

จากการวเคราะหกลไกการเคลอนทของเครองยนต โดยวธทางสมการ ยงอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชกมคาเพมขน จะสงผลถงสมรรถนะทดขน แตจาก [4] อตราสวนนไมควรมคาเกน 2.5 ดงนนส าหรบเครองยนตตนแบบทจะท าการวเคราะหตอไป จะใชอตราสวนนทมคาเปน 2 เนองจากมขนาดทเหมาะสมโดยมแนวโนมทจะผลตไดจรง

จากการวเคราะหความแขงแรงของชนสวน ท าใหสามารถแสดงผลของรปรางทผานการปรบปรงแลวได ดงรปท 4.11, 4.12, 4.13 และ 4.14 (ขนาดของชนสวนตางๆ ดไดจากภาคผนวก ง)

รปท 4.11 กานสบทผานการปรบปรงแลว รปท 4.12 กานสบหลกทผานการปรบปรงแลว

รปท 4.13 เพลาขอเหวยงทผานการปรบปรงแลว รปท 4.14 ลกสบทผานการปรบปรงแลว

38

ตารางท 4.4 เปรยบเทยบมวลของชนสวนเรมตนและชนสวนทผานการปรบปรงแลว

ชนสวน รปแบบเดม (g) รปแบบใหม (g) %ความแตกตาง ลกสบ 33.36 14.63 -56.15 % กานสบหลก 12.95 12.01 -7.26 % กานสบ 5.52 3.97 -28.08 % เพลาขอเหวยง 18.64 32.07 +72.05 % ผลรวม 70.47 62.68 -11.05 %

4.3.2 ผลการศกษาการรบแรงบนชนสวนเมอเครองยนตเรมท างาน

ตารางท 4.5 เปรยบเทยบคาความเคนมากทสดและคาความปลอดภยนอยทสดทเกดบนชนสวนเรมตนและชนสวนทผานการปรบปรงรปราง เมอเครองยนตเรมตนท างานทเพลาขอเหวยงมมตางๆกน

รปแบบเดม รปแบบใหม

ชนสวน มม Max Von (MPa) Min S.F. Max Von (MPa) Min S.F.

ลกสบ

30 15.61 22.1 36.43 9.47

40 15.57 22.15 36.36 9.49

50 15.62 22.08 36.29 9.51

60 15.67 22.02 36.24 9.52

150 15.66 22.03 36.46 9.46

160 15.53 22.22 36.37 9.49

170 15.58 22.14 36.28 9.51

180 15.66 22.03 36.21 9.53

กานสบหลก

30 44.21 7.8 41.65 8.28

40 44.26 7.79 41.79 8.26

50 44.35 7.78 41.96 8.22

60 44.46 7.76 42.13 8.19

150 61.66 5.59 63.33 5.44

160 60.52 5.7 63.65 5.42

170 60.69 5.68 63.55 5.43

180 60.57 5.7 63.14 5.46

39

กานสบ

30 0.44 760.3 0.20 1,730.7

40 0.57 601.75 0.26 1,332.28

50 0.66 519.6 0.30 1,147.42

60 0.70 492.87 0.32 1,085.55

150 37.23 9.27 35.72 9.66

160 37.25 9.26 35.83 9.63

170 37.33 9.24 35.98 9.59

180 37.46 9.21 36.17 9.54

เพลาขอเหวยง

30 44.85 7.69 19.22 17.95

40 39.39 8.76 17.68 19.52

50 34.43 10.02 15.85 21.77

60 30.40 11.35 13.92 24.79

150 45.29 7.62 19.24 17.93

160 39.88 8.65 17.92 19.25

170 34.99 9.86 16.22 21.27

180 31.01 11.13 14.34 24.06

จากตารางท4.5 สงเกตไดวาคาความเคนบนกานสบทมมเพลาขอเหวยง 30-60 องศามคานอย

มากเนองจากแรงเรมกระท าทลกสบบนท าใหแรงสวนใหญเกดบนกานสบหลกแตทมมเพลาขอเหวยง

150-180 จะเหนวากานสบมคาความเคนมากขน อยางไรกตามคาความปลอดภยในชนสวนทกชนยงม

คาสงคอนขางมากเนองจากการวเคราะหความแขงแรงตองพจารณาทเครองยนตท างานทสถาวะคงท

ซงมแรงเฉอยเขามาเกยวของและเปนสภาวะการท างานทชนสวนตองรบภาระมากขน จงจ าเปนตองให

คาความปลอดภยอยในคาสง

40

รปท 4.15 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนสงสดทเกดบนชนสวนเรมตนและชนสวนทผานการปรบปรงรปราง ทมม

เพลาขอเหวยงตงแต 30 องศาถง 60 องศา

รปท 4.16 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนสงสดทเกดบนชนสวนเรมตนและชนสวนทผานการปรบปรงรปราง ทมม

เพลาขอเหวยงตงแต 150องศาถง 180 องศา

จากรปท 4.15 และรปท 41.6 คาความเคนทเกดบนชนสวนรปแบบเดมมคามากกวาชนสวน

รปแบบใหม ยกเวนลกสบทมคาความเคนมากขนเนองจากการรปแบบเดมมคาความปลอดภยสงมาก

แตน าหนกของชนสวนกมากตามซงสงผลเสยตอเครองยนตทมการเคลอนทแบบกลบไปมาเพราะแรง

จากความเฉอยจะมคาสง ดงนนจงตองลดมวลลงโดยยงใหคาความปลอดภยมคามากกวา 1 เพอให

ชนสวนไมเกดความเสยหาย

4.3.3 ผลการศกษาการรบแรงบนชนสวนเมอเครองยนตท างานในสภาวะคงท

ผลการศกษานสามารถแสดงไดในรปของเฉดสของความเคนทเกดทต าแหนงตางๆของชนสวน

ทผานการปรบปรงแลว ดงรปท 4.17 และสามารถท าการเปรยบเทยบระหวางรปรางเดมและหลงการ

ปรบปรงรปราง ดงตารางท 4.6 และรปท 4.18, 4.19, 4.20 และ 4.21

41

ตารางท 4.6 เปรยบเทยบความเคนสงสดทเกดในการท างานในสภาวะคงทของชนสวนรปแบบเดมและชนสวนทผานการปรบปรงแลว

ชนสวน ความเคนสงสด (MPa)

%ความแตกตาง รปแบบเดม รปแบบใหม

ลกสบ 65.313 98.123 +40.15% กานสบหลก 2221.4 253.13 -159.08% กานสบ 172.13 118.12 -37.22% เพลาขอเหวยง 701.23 178.32 -118.9%

(ก) (ข)

(ค) (ง)

รปท 4.17 (ก),(ข),(ค),(ง) คาความเคนทเกดบนลกสบ เพลาขอเหวยง กานสบ และกานสบหลก ตามล าดบ

เมอชนสวนตองรบภาระในการท างานมากทสด โดยลกศรแสดงถงจดทชนสวนรบความเคนสงสด

42

รปท 4.18 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนลกสบเมอเครองยนตท างานใน 1 รอบ ในสภาวะคงท

รปท 4.19 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนกานสบหลกเมอเครองยนตท างานใน 1 รอบ ในสภาวะ

คงท

รปท 4.20 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนกานสบเมอเครองยนตท างานใน 1 รอบ ในสภาวะคงท

รปท 4.21 กราฟเปรยบเทยบคาความเคนมากทสดทเกดบนเพลาขอเหวยงเมอเครองยนตท างานใน 1 รอบ ในสภาวะ

คงท

43

เมอเครองยนตท างานจะมแรงเนองจากความเฉอยเกดขนท าใหชนสวนตองรบภาระเพม และ

ในการท างานในแตละรอบจะมชวงทชนสวนตองรบแรงมากทสด ซงจดทรบแรงอาจเกดความเสยหาย

ไดดงรปท 4.21 เพลาขอเหวยงจะเกดความเสยหายได 2 จด ซงหลงจากปรบปรงรปรางในจดทเกด

ความเสยหาย ท าใหแรงทไดรบถกกระจายออก นอกจากนชนสวนอนไดแกลกสบ กานสบหลก และ

กานสบ มการตดสวนทไมชวยในการรบแรง ท าใหชนสวนเบาลงซงชวยลดแรงเนองจากความเฉอยได

4.3.4 ผลการศกษาการโกงเดาะบนชนสวนกานสบ

รปท 4.22 การโกงเดาะทเกดบนชนสวนกานสบ

ความเสยหายทเกดบนชนสวนนอกจากพจารณาจากคา Von Mises Stress แลวยงอาจเกด

ความเสยหายจากการโกงเดาะ ซงความเสยหายนจะเกดทกานสบเพราะเปนชนสวนทมความยาวและ

พนทหนาดดขนาดเลก จากการวเคราะหโดยใชแรง 430 N จะเกดการโกงเดาะดงรปและมคาความ

ปลอดภยจากการโกงเดาะ 1.59

4.4 รปแบบโมเดลเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ

การท างานของเครองยนตอากาศอดความดนน เปนเครองยนตแบบลกสบแบบเคลอนทกลบไป

กลบมา โดยลกสบ 3 สบวางเรยงตวในแนวรศม ใชวธการเปดปดวาลวโดยลกเบยวแบบรอง(FaceCam)

โดยจะมกานกระทง(Push Rod) เคลอนทขนลงไดตามลกษณะของรองของลกเบยว ดงรปท 4.23

44

รปท 4.23 เครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ

รปท 4.24 การประกอบเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ

45

การใชลกเบยวแบบรอง(Face Cam) จะท าใหวาลวถกเปด-ปด โดยก าหนดโดยรปแบบของรอง

ของลกเบยว ท าใหวาลวสามารถเคลอนทไดโดยไมจ าเปนตองใชสปรงเปนตวดนวาลว โดยรอง

ดานหนาท าหนาทก าหนดการเคลอนทของวาลวทางเขา สวนรองดานหลงท าหนาทก าหนดการเคลอนท

ของวาลวทางออก ดงรปท 4.25

รปท 4.25 การประกอบลกเบยว

รปท 4.26 การประกอบกานสบและลกสบกบตวเครองยนต

46

การสงผานแรงทท าใหเกดการเคลอนทจากกานกระทง จะถกสงไปยงวาลวผานตวกระเดอง

(rocker arm) และจะมกานทท าหนาทถายทอดการเคลอนทและเปลยนแนวการเคลอนท ระหวางกาน

กระทงกบกระเดอง และกระเดองกบวาลว ดงรปท 4.27

การไหลของอากาศจะเขามาจากทอทางดานหลงของฝาสบ ไหลเขามาอยในหองของทางเขา

ของอากาศ เพอไหลเขาสกระบอกสบตามจงหวะของการเปด/ปด วาลวทางเขาของอากาศ และการไหล

ออกของอากาศจะผานทางทอทอยดานหนาของฝาสบ ดงรปท 4.27

รปท 4.27 การประกอบฝาสบกบกระบอกสบโดยเปนวาลวแบบไมมสปรง

47

บทท 5 บทสรป

5.1 สรปผลการศกษา

- อตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชกมคาเปน 2 จะมความเหมาะสมทงในดาน ประสทธภาพทางกล, แรงสนทกระท าตอเพลาขบ และ โมเมนตทเกดขนตอเพลาขบ มากกวาทอตราสวนมคาเปน 1.5 และมากกวาทมคาเปน 1 ตามล าดบ แตทงนการออกแบบเครองยนตทมอตราสวนความยาวกานสบตอความยาวชวงชก จะมขอจ ากดอยทขนาดของเครองยนตทใชงาน และ ความแขงแรงของวสดทน ามาใช

- โมเดล 2D-C ทมระยะเปดวาลวทางออกของอากาศสงสดเปน 4.5 มลลเมตร ใหคาความดนทกระท าบนลกสบหลงเคลอนทผานต าแหนงของมมเพลาขอเหวยง 180 องศา ไดเหมาะสมทสดเมอเปรยบเทยบกบโมเดลอนๆ ทใชในการศกษา

- ต าแหนงของมม 0 และ 164 องศาของมมเพลาขอเหวยงเปนต าแหนงทใชในการเปดและปดวาลวทางเขาของอากาศ ทใหก าลง/ปรมาณการบรโภคอากาศจากการเคลอนทครบรอบสงทสด

- ชนสวนทผานการปรบปรงรปรางจากการวเคราะหความแขงแรงแลวสามารถท างานไดโดยมคาความปลอดภยมากกวา 1

ตารางท 5.1 สรปประสทธภาพของเครองยนตอากาศอดความดนตนแบบ

ขนาดกระบอกสบ (cm)

แรงบด (Nm)

ความดนใชงาน (bar)

ปรมาณอากาศทใชใน 1 รอบ (g/รอบ)

3 0.5 - 1 1 - 6 2.54

5.2 ปญหาและอปสรรค

- ในการใชพลศาสตรของไหลเชงค านวณโดยโปรแกรม GAMBIT และ FLUENT เปนการ

วเคราะหแบบ dynamic mesh ซงมการเคลอนทของ mesh ทอาจท าใหเกดการทบซอนกน ท า

ใหไมสามารถท าการค านวณได จงตองแกไขคาตวแปรตางๆ เพอใหเหมาะกบแตละการ mesh

- การใชโปรแกรม Solidworks มขอจ ากดในการค านวณเมอเครองยนตหมนดวยความเรวสงเกน

10,000 RPM ท าใหเกดความผดพลาดในการค านวณของตวโปรแกรม จงตองก าหนดคาแรง

เสยดทานเพม ซงชวยใหความเรวของเครองยนตลดลง อกทงถอวาแรงเสยดทานทมากระท า

บนชนสวนท าใหชนสวนรบภาระมากขน ซงชวยในการรบรองวาเมอสรางชนสวนขนมาจรงจะ

ท าใหชนสวนสามารถรบภาระในการท างานได

- การตงคาจดเชอมตอในโปรแกรมไมสามารถก าหนดโดยตรงได เชน การก าหนดจดเชอมตอท

เปนจดหมนจะใชวธประกอบแบบConcentricไมได จงจ าเปนตองก าหนดการเชอมตอตามท

แสดงในภาคผนวก ก.1

48

- แรงทกระท าบนลกสบจากสมมตฐานทวาอากาศเขาลกสบไดทนท ท าใหคาความเคนทไดจาก

การค านวณทางโปรแกรมมากกวาความเปนจรง แตแบบของชนสวนทไดจะสามารถรบภาระ

จากการท างานไดแนนอน เพราะภาระทเกดขนจากการท างานจรงจะนอยวาการค านวณ

- ในการสรางเครองยนตตนแบบ บรเวณผวของลกสบทตดกบผนงกระบอกสบตองมการใชโลหะ

อนรองรบเชน เหลก เปนตน เนองจากเปนบรเวณทมการขดสกน ซงกอใหเกดความรอนสง

และวสดอลมเนยมไมทนตอการขดส

5.3 ขอเสนอแนะเพอการด าเนนงานตอในอนาคต

- น าโมเดลทไดจากโปรแกรมมาสรางจรง และทดสอบหาความเรวรอบ ก าลงของเครองยนต

และแรงทกระท าบนชนสวน เนองจากการวเคราะหในโปรแกรมมการตงสมมตฐานเพอความ

สะดวกในการค านวณ

- ออกแบบถงเกบความดนส าหรบเกบอากาศ และระบบควบคมเพอน าอากาศมาใชในความดนท

ตองการ

- สรางและทดสอบระบบวาลวในดานความสามารถน าอากาศเขาออกการท างานของกานกดวาลว

49

เอกสารอางอง

[1] มงคลชย ค าปากด, การวเคราะหความเคนในกระดกหวสะโพกตายจากการขาดเลอดดวยวธไฟ

ไนตเอลเมนต, ปรญญานพนธ สาขาวชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลย

ศรนครนทรวโรฒ ปการศกษา 2553, 11,21,27-28.

[2] Angelo D. P. 2005. Rotary Engine [Online]. Engine Air Home Page. Available:

http://www.engineair.com.au [Accessed 18th June 2010].

[3] Camm F. J. 2006. Model Engine News [Online]. Model Engine News Home Page.

Available: http://modelenginenews.org/ed.2006.04.html [Accessed 18th June 2010].

[4] Charles, E. W., and Peter, J. S. 1993. Kinematics and Dynamics of Machinery. (2nd ed.).

HarperCollins College. New York. 617-628.

[5] Chrysler 300 club international. 2008. Ram Theory [Online]. Chrysler 300 club Home

Page. Available: http://www.chrysler300club.com/uniq/allaboutrams/ramtheory.htm

[Accessed 24th March 2011].

[6] County College of Morris Randolph. 2008. 3 Sisters Engine [Online]. Tripod Home Page.

Available: http://npmccabe.tripod.com/3sisters.htm [Accessed 20th June 2010].

[7] Dassault Systemes SolidWorks Corporation. 2010. SolidWorks Simulation. Dassault

Systemes SolidWorks Corporation. Massachusetts. 17-18.

[8] Direct Industry. March 2010. Plastic piston air motor [Online]. Direct Industry Home Page.

Available: http://www.directindustry.com/prod/globe/plastic-piston-air-motor-23399-

203049.html [Accessed 20th June 2010].

[9] Glenn P. & Eric C. 2005. CFD Pressure Drop Study for AP Dynamics [Online]. AP Dynamics Inc. Home Page. Available: http://www.ap-dynamics.ab.ca/index.php?page= News [Accessed 29th December 2010].

[10] Hamilton, H. M., & Charles F. R., 1987. Mechanisms and Dynamics of Machinery. (4th ed.).John Wiley & Sons. USA. 35-37,71-110,395-478.

50

[11] Hernandez, B. 2005. Rod/Stroke Ratio - What's Your Angle?. Honda Tuning. 7

(June, 2005), 26.

[12] John, B. H. 1988. Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill Book Co.

Singapore. 43-45,226-228,326-329.

[13] Lotus Group. 2010. Engine Simulation [Online]. Lotus Engineering Software Home Page.

Available: http://www.lesoft.co.uk/index1.html. [Accessed 25th November 2010].

[14] Motor Development International. 2008. Compressed Air Technology [Online]. Air Car

Compressed Air Technology Home Page. Available:

http://www.aircarcompressedairtechnology.com/engine-eng.php[Accessed 20th June 2010].

[15] Nick, P. 2009. Rotary vs. Piston Engines [Online]. UNC Home Page. Available:

http://www.unc.edu/~perza/rotaryenginephysproject4.html [Accessed 20th June 2010].

[16] Pavilcu Edyson. 2010. AxyCam-Compressed Air Engine [Online]. Bitraptor Home Page. Available: http://www.bitraptor.com/en_axycam_air_engine.html[Accessed 20th June 2010].

[17] Quasiturbine. 2010. Quasiturbine QT5LSC Pneumatic [Online]. Quasiturbine Home Page.

Available: http://quasiturbine.promci.qc.ca/EProductQT600SCPneumatic.htm [Accessed

20th June 2010].

[18] Robert L. N., 1992. Design of Machinery. McGraw-Hill Book Co. Singapore. 331,522-608.

[19] Vsejasno. 2008. Pushrod V8 engine [Online]. LPE Power Home Page. Available:

http://www.lpepower.com/content/pushrod-v8-engine [Accessed 20th June 2010].

[20] Yunus, A. C., and Michael, A. B. (2007). Thermodynamics. (6th ed.). McGraw-Hill Book

Co. Singapore. 137-138.

51

ภาคผนวก

52

ภาคผนวก ก การตงคาโปรแกรม SolidWorks

ภาคผนวก ก.1 วธประกอบชนสวนและตงคาการเคลอนท

1. เลอก File >> New >> Assembly >> OK

2. เลอก >> Browse >> เลอกชนงาน Crankcase >> OK

3. ท าเชนเดยวกบขอ2 โดยเลอกชนสวน Piston มา >> เลอก Mate >> เลอกผวของPistonและ

Crankcaseดงรปท >> เลอก ท าเชนนทง 3 ลกสบ

รปท ก.1 เลอกผวส าหรบประกอบPistonและCrankcase

4. เลอกชนสวน MainRod >> เลอก Mate >> เลอกจดเชอมตอดงรปท ก.2 >> เลอกแถบ Analysis >>

ชอง Mate Location เลอกจดเชอมตอทเลอกไวตอนแรกมาหนงจด >> ชอง Load Bearing Face

เลอกผวทอยระหวางจดเชอมตอทเลอก >> เลอก (ท าเชนนทจดเชอมตอทกจด)

รปท ก.2 การเลอกผวเพอเชอมตอจด รปท ก.3 แถบค าสง Analysis

53

5. เลอก CrankShaft >> เลอก Mate >> เลอกผวดงรปท ก.4 >> เลอก (ท าเชนนกบอกดานของ

CrankShaft ดวย)

6. ก าหนดพนผวทใชในการประกอบ

รปท ก.4 เลอกผวส าหรบประกอบCrankShaftและCrankcase

7. เลอก Mate >> เลอกAdvance Mate >> Hinge >> เลอกผวดงรปท ก.5 >> เลอก

รปท ก.5 เลอกผวส าหรบประกอบCrankShaftและMainRod

54

8. เลอก Catch >> เลอก Advance Mate >> Hinge >> เลอกผวดงรปท ก.6 >> เลอก

รปท ก.6 เลอกผวส าหรบประกอบCrankShaftและCatch

9. เลอกMate >> เลอก Plane ของ Catch และ CrankShaft ดงรปท ก.7 >> เลอก

รปท ก.7 เลอกPlaneส าหรบประกอบCrankShaftและCatch

10. เลอก Assembly >> Circular Component Pattern >> เลอกขอมลดงรปท ก.8 >> เลอก

รปท ก.8 ขอมลส าหรบสรางCatch รปท ก.9 Catchทสรางเพมขนมา

55

11. เลอก Sensor >> เลอกAdvance Mate >> Hinge >> เลอกผวดงรปท ก.10 >> เลอก

รปท ก.10 เลอกผวส าหรบตดSensor

12. เลอกMate >> เลอก Angle ใหเปนมมเปดวาลวซงไดคามาจากการวเคราะหวาลว >> เลอก

Plane ของ Sensor และ AirEngine ดงรปท ก.11 >> เลอก ท าเชนนกบอกSensorโดย

เปลยนเปนมมปดวาลว

รปท ก.11 เลอกPlaneส าหรบตดSensor

13. ก าหนดคา Sensor ส าหรบเปดปดแรงกระท าบนลกสบ

- คลกขวาท Sensor >> เลอก Add Sensor

- เลอก Sensor Type เปน Proximity >> เลอกผวของ Sensor <1> ดงรปท ก.12 >> เลอกระยะ

ตรวจจบเปน 24 mm >> เลอกชนงานทถกตรวจจบเปน Catch <1> >> เลอก

56

รปท ก.12 เลอกผวของSensorและชนงานทตรวจจบ รปท ก.13 ต าแหนงใสขอมลส าหรบSensor

- ท าเชนเดยวกบดานบนโดยเลอกชนงานทถกตรวจจบเปน Catch <2> และ Catch <3> ตามล าดบ

- ท าตาม 2 ขอบน โดยเลอกผวของ Sensor <2> แทน

ภาคผนวก ก.2 วธการจ าลองการเคลอนทและการแสดงผล

1. เลอกแถบ Motion Study 1

2. เปลยนรปแบบการวเคราะหเปน Motion Analysis

3. เลอกค าสง Force >> เลอกผวบนของลกสบ >> เลอก (ก าหนดใหใสแรงเปนเสนตรง)

>> เลอก (ก าหนดใหใสแรงกระท าโดยไมคดแรงตาน) >> เลอก (ก าหนดทศทางของแรง

ใหกดบนลกสบ) >> ใสแรง 430 N (ประมาณ 6 bars) >> เลอก ท าเชนนทง 3 ลกสบ โดย

เรยงจากลกสบบนสดไปในทศทางทวนเขมนาฬกา (ทศทางเดยวกบการหมนของเครองยนต)

รปท ก.14 เลอกผวและทศทางทแรงกระท าบนลกสบ

57

4. เมอใสแรงครบ ใหเลอก Force2(แรงกระท าบนลกสบลางซาย)และForce3(แรงกระท าบนลกสบลาง

ขวา) เปน off

รปท ก.15 การปดแรง

5. เลอก เพอก าหนด Sensor ส าหรบเปดปดแรงกระท าบนลกสบ และก าหนดคาดงรปท ก.16

จากนนเลอก เพอกลบมาทหนาส าหรบจ าลองการเคลอนท

รปท ก.16 การก าหนดคาSensor

6. เลอนแถบ Key Properties(ก าหนดเวลาทจ าลองการท างานของเครองยนต) มาท 1 วนาท

รปท ก.17 การเลอกระยะเวลาทวเคราะห

7. เลอก >> ก าหนด Frame Rate เปน 1000 >> เลอก Advance Option >> เลอก Integrator

Type เปน SI2_GSTIFF >> เลอก OK >> เลอก

58

รปท ก.18 ตงคาการค านวณการเคลอนท

8. เลอก เพอจ าลองการท างาน

9. ท าการแสดงผลลพธ

- ยกตวอยางการแสดงความเรวเชงมมทเพลาขอเหวยง

- เลอก >> เลอก Result ดงภาพ >> เลอก

รปท ก.19 ตงคาการแสดงผลความเรวเชงมม รปท ก.20 เลอกผวทจะแสดงผลลพธ

ภาคผนวก ก.3 วธการน าเขาแรงและวเคราะหความแขงแรงของชนสวนตางๆ

1. หลงจากจ าลองการเคลอนทแลว ณ ชวงทเครองยนตท างานคงท บนทกชวงเวลาเมอแรงบน

ลกสบหนงถงเวลาทเครองยนตท างานมาครบ 1 รอบดงรปท ก.21 และ ก.22

59

รปท ก.21 บนทกเวลาทแรงกระท าบนลกสบครงแรก

รปท ก.22 บนทกเวลาทแรงกระท าบนลกสบหลงจากเครองยนตท างานครบ 1 รอบ

2. เลอก Simulation >> เลอก Import Motion Loads >> เลอกขอมลในรปท ก.23 ดงน

รปท ก.23 การเลอกขอมลเพอน าเขาแรง

60

1 เลอกงานจ าลองการเคลอนททตองการน าเขาแรง

2 เลอกชนสวนทตองการน าเขาแรง

3 แสดงชนสวนทจะน าเขาแรง

4 เลอกFrameทตองการจะน าเขาแรงเลอกจากขอท 5

5 เวลาของFrameทจะค านวณโดยเทยบจากเวลาทไดจากขอ1 ชวงเวลาทเลอกตอง

ครอบคลมเวลาทบนทกไว

3. เปดชนสวนทน าเขาแรง สงเกตแถบดานลางจะปรากฏแถบส าหรบวเคราะหความแขงแรง

รปท ก.24 แถบวเคราะหความแขงแรงทไดจากการน าเขาแรง

4. เลอกแถบทมรป จะเหนตารางขอมลดงรป จากนนกด Run

รปท ก.25 ขอมลแรงทน าเขามาจากการจ าลองการเคลอนท

5. แสดงผลของการวเคราะหโดยคลกเมาสขวาทResult and Graphs >> เลอก Define Design

History Graph >> เลอกขอมลดงรปท เพอแสดงผลของคาความเคน Von Mises มากทสดท

เกดบนชนสวนเมอเครองยนตท างานทต าแหนงตางๆใน 1 รอบการท างาน

รปท ก.26 วธแสดงกราฟคาความเคน Von Mises มากทสด

61

ภาคผนวก ก.4 วธการก าหนดคาเพอวเคราะหการโกงเดาะและการแสดงผล

1. เลอกแถบค าสง Simulation >> เลอก New Study >> เลอก Buckling >> เลอก

2. เลอก Fix Geometry >> เลอกผวทจดเชอมตอของกานสบดานลางดงรปท ก.27 >> เลอก

รปท ก.27 เลอกผวส าหรบยดชนสวน

3. เลอก Force >> เลอกผวทจดเชอมตอของกานสบดานบนดงรปท ก.28 >> ใสแรง 430 N ในทศ

ลงดานลาง >> เลอก

รปท ก.28 เลอกผวส าหรบใสแรง

4. กด Run

5. กดเมาสขวาทResult >> เลอก List Buckling Load Factors จะไดคาความปลอดภยจากการ

เกดการโกงเดาะทชนสวนกานสบ

62

ภาคผนวก ข การวเคราะหและการค านวณทางสมการ

ภาคผนวก ข.1 การวเคราะหทางระบบกลไกในสภาวะคงท

การวเคราะหการท างานทางระบบกลไกในภาคผนวกน จะท าการวเคราะหชนสวนหลกๆ 3

ชนสวน ไดแก ลกสบ, กานสบ และเพลาขอเหวยง ซงเมอค านวณ ทงสองอยางออกมาเรยบรอยแลว จะ

ท าคาทไดมาจาก 2 ชดมารวมกน จะไดเปนผลลพธ

(ข.1-1) สมการการเคลอนทของลกสบ

จากความสมพนธแบบตรโกณมตได

2

cos 1 sinr

x r t l tl

[

√ ( )

]

{ [ ]

[ ]

}

∑ (

)

โดยท

√ (

)

[ (

)

]

(

)

จะไดวา

[ (

)

]

(

) (

) (

)

จะไดสมการใหมวา

* (

) +

63

โดยท

(

)

หาอนพนธจะไดวา

(

)

สมการแรงทเกดจากความดนของอากาศอดความดน

คอ แรงทเกดขนบนกระบอกสบ

คอ ความดบของอากาศอดความดนทกระท าตอกระบอกสบ

คอ พนทของกระบอกสบ

(ข.1-2) สมการแรงเฉอยทเกดขนในระบบ

การหามวลเทยบเทาของระบบเพอใชในการค านวณ

รปท ข.1 การท าโมเดลทางพลศาสตรของมวลทเปนกอนของกานสบและเพลาขอเหวยง[18]

64

รปท ข.1 การท าโมเดลทางพลศาสตรของมวลทเปนกอนของกานสบและเพลาขอเหวยง[18]

คอ มวลของลกสบ

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

65

(

)

หาแรงเฉอยทไดจากการเคลอนทขอชนตางๆในลกสบ

* * (

)++

* ( (

) )+

* (

)+

*

(

)+ *

(

) +

(

)

66

(ข.1-3) สมการการหาแรงในชนสวนประกอบของลกสบแบบมแรงเสยดทาน

สมการแรงเสยดทานในขอตอ

รปท ข.2 ความเสยดทานแหงทเกดบรเวณขอตอ แรงลพธ R กระท าตงฉากกบวงกลมของแรงเสยดทาน รวมถงแรง F

ทกระท าตานการเคลอนท และ แรง N กระท าตงฉากกบจดสมผส [4]

| | ( ) (

) ( )

= -1 ( )

( ) = 0 ( )

= +1 ( )

การวเคราะหแรงในแตละชนสวน

(

)

(

)

| |

√

67

(

)

,

| |

| |

| |

(

)

(

)

68

ภาคผนวก ข.2 การแกสมการและการสงงานดวยชดค าสงทางโปรแกรม

(ข.2-1) โคดทใชในการค านวณทางสมการโดยโปรแกรม Matlab

ส าหรบการค านวณสมการการเคลอนทและแรงในลกสบทงสบเดยวและหลายสบ สามารถแปลง

จากรปสมการใหอยในรปของโคดของโปแกรม Matlab เพอใชในการหาคาแรงบดทงทเกดจาก อากาศ

อดความดน และแรงเฉอยของวตถ และคาแรงทกระท าตอภายนอกทเกดจากเรองเฉอยของวตถ โดยม

คาเรมตน ดงตอไปน

1) ความเรวรอบของเครองยนต ในตวแปร rpm หนวย รอบตอนาท

2) รศมเพลาขอเหวยง ความยาวกานสบ หนวย เมตร

3) ความดนทกระท าบนลกสบ ณ มมเพลาขอเหวยงตางๆ

โปรแกรมจะใหคาผลลพธออกมา ดงน

1) แรงบดทเกดจากแรงเฉอย

2) แรงบดทเกดความดนของอากาศดนของอากาศอดความดน

3) แรงสนทเกดจากแรงเฉอยของมวล

โคดทใชในการค านวณมดงตอไปน

rpm = 8000; r = 30/1000; l = 70/1000; openAngle = 0; closeAngle = 360; Fgmax = 40; mew = 0.1; m3 = 20/1000; m2 = 50/1000; rG2 = 0; m4 = 20/1000; lb = .5*l; res = 20000; rCrankShaftJoint = 10/1000; rPistonJoint = 10/1000; rConnectingRodJoint = 10/1000; mewCrankShaftJoint = 0.1; mewPistonJoint = 0.1; mewConnectingRodJoint = 0.1; phase = [0 120 240]; pistonAngle = [0 120 240]; inLinePos = [1 2 3];

69

%res = 1; w = rpm/60*2*pi; t = 0:2*pi/w/res:2*pi/w-2*pi/w/res; la = (l-lb); wt = w*t; %w = rad/s Fg = zeros(1,length(t)); Fg(floor(openAngle/360*length(t))+1:floor(closeAngle/360*length(t))) = Fgmax; thetaCorrect(floor(openAngle/360*length(t))+1:floor(closeAngle/360*length(t))) = 180; coswt = cos(wt); sinwt = sin(wt); trm1 = sqrt(1-(r/l.*sinwt).*(r/l.*sinwt)); trm2 = -r*w*w; x = r*coswt+l.*trm1; v = -r*w.*(sinwt+r/2/l*sin(2.*wt)./trm1); a = trm2.*(coswt-r*(l*l.*(1-2.*coswt.*coswt)-r*r.*sinwt.*sinwt.*sinwt.*sinwt)./sqrt(l*l-(r.*sinwt).*(r.*sinwt))./sqrt(l*l-(r.*sinwt).*(r.*sinwt))./sqrt(l*l-(r.*sinwt).*(r.*sinwt))); signC(mod(wt,2*pi)<pi) = 1; signC(mod(wt,2*pi)>pi) = -1; signK(mod(wt,2*pi)>3*pi/2) = -1; signK(mod(wt,2*pi)<3*pi/2) = 1; signK(mod(wt,2*pi)<pi/2) = -1; tanPhi = r.*sinwt/l./trm1; phi = atand(tanPhi); correctK = mewConnectingRodJoint*rConnectingRodJoint*signK + mewPistonJoint*rPistonJoint*signK; theta = thetaCorrect - asind(-1.*correctK./l)-phi; F14 = Fg.*tanPhi./(1+mew*tanPhi); F14nf = Fg.*tanPhi; F34 = -Fg./(cosd(theta)+mew.*abs(sind(theta)).*signC); F43 = F34; C34 = F34*mewCrankShaftJoint*rCrankShaftJoint.*signC; C43 = F43*mewConnectingRodJoint*rConnectingRodJoint.*signC; Tg21 = F34.*cosd(theta).*sinwt.*r-F34.*sind(theta).*coswt.*r-C34-C43; Tg21nf = r*coswt.*F14nf+r*sinwt.*Fg; m3a = m3*lb*(la+lb); m3b = m3*la*(la+lb); m2a = m2*rG2/r; %%r = crnkshaft radius; mA = m2a+m3a;%%m3x = connecting Rod Mass, m2 = crank Shaft Mass mB = m3b+m4;%%m4 = mass piston Fi14 = -mB.*a.*tanPhi.*x; Fsx = mA*(trm2.*coswt)-mB.*a; Fsy = mA*(trm2.*sinwt); Ts = Fi14.*x; eff = Tg21./Tg21nf*100; efficency = trapz(Tg21)./trapz(Tg21nf)*100; Tst = zeros(length(phase),length(t)); Tg21t = zeros(length(phase),length(t)); Fsxp = zeros(length(phase),length(t));

70

Fsyp = zeros(length(phase),length(t)); Fsxt = zeros(length(pistonAngle),length(t)); Fsyt = zeros(length(pistonAngle),length(t)); totalTs = zeros(1,length(t)); totalTg21 = zeros(1,length(t)); totalFsx = zeros(1,length(t)); totalFsy = zeros(1,length(t)); totalMy = zeros(1,length(t)); totalMx = zeros(1,length(t)); %plot(Fsx,Fsy); for i=1:length(phase) %%Shaking Torque of each piston about Z Axis Tst(i,:) = circshift(Ts',round(phase(i)/360*res)); %%Compressed Air Torque of each piston about Z Axis Tg21t(i,:) = circshift(Tg21',round(phase(i)/360*res)); %%Shaking Force of each piston in piston's X Axis Fsxp(i,:) = circshift(Fsx',round(phase(i)/360*res)); %%Shaking Force of each piston in piston's Y Axis Fsyp(i,:) = circshift(Fsy',round(phase(i)/360*res)); end for i=1:length(pistonAngle) %% Array of Shaking Force in Global x Axis of Each Piston Fsxt(i,:) = Fsxp(i,:).*cosd(pistonAngle(i))-Fsyp(i,:).*sind(pistonAngle(i)); %% Array of Shaking Force in Global y Axis Each Piston Fsyt(i,:) = Fsxp(i,:).*sind(pistonAngle(i))+Fsyp(i,:).*cosd(pistonAngle(i)); %% Array of Moment about Global x Axis Each Piston Mxt(i,:) = Fsyt(i,:)*inLinePos(i); %% Array of Moment about Global y Axis Each Piston Myt(i,:) = Fsxt(i,:)*inLinePos(i); end sizeTst = size(Tst); for i = 1:sizeTst(1) totalTs = totalTs+Tst(i,:); totalTg21 = totalTg21+Tg21t(i,:); end sizeTst = size(Fsxt); for i = 1:sizeTst(1) totalFsx = totalFsx+Fsxt(i,:); totalFsy = totalFsy+Fsyt(i,:); totalMy = totalMy + Myt(i,:); totalMx = totalMx + Mxt(i,:); end totalTorque = totalTs+totalTg21; plot(wt*180/pi,theta); plot(wt*180/pi,-Tg21); hold on plot(wt*180/pi,Tg21nf); plot(wt*180/pi,totalTs); plot(wt*180/pi,totalTorque); plot(wt*180/pi,totalFsx); plot(wt*180/pi,totalFsy); plot(wt*180/pi,totalFsx); plot(wt*180/pi,totalFsy);

71

การสอบเทยบคาโดยให รศมเพลาขอเหวยงเปน 30 มลลเมตร กานสบเปน 70 มลลเมตร โดยม

แรงกระท าบนกระบอกสบ 40 นวตน โดยมรศมความเสยดทาน 10 มลลเมตร สมประสทธแรงเสยดทาน

เปน 0.1 ทกขอตอ ทมมเพลาขอเหวยงเทากบ 45 องศา ไดผลดงตารางท ข.1

ตารางท ข.1 ผลการสอบเทยบคาระหวางคาจาก [4] และโปรแกรม Matlab

แรงบด % ความคลาดเคลอน คาจาก[4] -1273 N*m

0% คาจากโปรแกรม Matlab -1273 N*m

ผลจากโปรแกรม Matlab สามารถใชในการค านวณไดโดยไมมความคลาดเคลอนจากการเขยน

ชดค าสงในโปรแกรม

(ข.2-2) การสงงานโดยชดค าสง API ในโปรแกรม Solidworks

โปรแกรม API ทใชในการสงงานจะเปนรปแบบของชดค าสงทอยในฟงกชน Motion Study ของ

โปรแกรม Solidworks ซงสามารถท าการดดแปลงและแกไข เพอท าการเปลยนแปลงรปรางตางๆ รวม

ไปถงการสงการจ าลองการท างานอตโนมต ซงจะมตวแปรเบองตนทตองท าการใสคา ดงตอไปน

1. ชวงของความยาวกานสบทตองการค านวณ และ ความถในการค านวณ

2. ชวงของความยาวเพลาขอเหวยง และ ความถในการค านวณ

3. ชวงของน าหนกของเพลาขอเหวยง และ ความถในการค านวณ

4. ชวงของน าหนกของลกสบ และ ความถในการค านวณ

5. ชวงของน าหนกของกานสบ และ ความถในการค านวณ

6. ชวงของต าแหนงศนยกลางมวลของลกสบ

7. ชวงของต าแหนงศนยกลางมวลของเพลาขอเหวยง

โปรแกรมจะท าการบนทกคาความเรวรอบและบนทกไฟลทใชในการค านวณลงบนทกลง

ฮารดดสก พรอมบนทกคาความเรวรอบ ณ วนาททไดลงฮารดดสกเชนเดยวกน

โดยมชดค าสงการท างาน ดงตอไปน

72

using SolidWorks.Interop.sldworks;

using SolidWorks.Interop.swconst;

using SolidWorks.Interop.swmotionstudy;

using System.IO;

using System;

//using SwMotionStudy;

using System.Diagnostics;

namespace pistonSetup.csproj

{

public partial class SolidWorksMacro

{

public void Main()

{

ModelDoc2 swDoc = null;

PartDoc swPart = null;

DrawingDoc swDrawing = null;

AssemblyDoc swAssembly = null;

MotionStudyResults myMotionResult = null;

CosmosMotionStudyResults myCosmosResult = null;

CosmosMotionStudyProperties myCosmosProps = null;

MotionStudyProperties myMotionProps = null;

Component2 comp = null;

bool boolstatus = false;

int longstatus = 0;

int longwarnings = 0;

swDoc = ((ModelDoc2)(swApp.ActiveDoc));

airEngine myForm = new airEngine();

myForm.ShowDialog();

double connectingRodCMyMax = myForm.connectingRodCMyMax / 1000;

double connectingRodCMyStep = myForm.connectingRodCMyStep / 1000;

double connectingRodCMyMin = myForm.connectingRodCMyMin / 1000;

73

double connectingRodMassMax = myForm.connectingRodMassMax / 1000;

double connectingRodMassStep = myForm.connectingRodMassStep / 1000;

double connectingRodMassMin = myForm.connectingRodMassMin / 1000;

double connectingRodLengthMax = myForm.connectingRodLengthMax / 1000;

double connectingRodLengthStep = myForm.connectingRodLengthStep / 1000;

double connectingRodLengthMin = myForm.connectingRodLengthMin / 1000;

double crankShaftCMyMax = myForm.crankShaftCMyMax / 1000;

double crankShaftCMyStep = myForm.crankShaftCMyStep / 1000;

double crankShaftCMyMin = myForm.crankShaftCMyMin / 1000;

double crankShaftMassMax = myForm.crankShaftMassMax / 1000;

double crankShaftMassStep = myForm.crankShaftMassStep / 1000;

double crankShaftMassMin = myForm.crankShaftMassMin / 1000;

double crankShaftLengthMax = myForm.crankShaftLengthMax / 1000;

double crankShaftLengthStep = myForm.crankShaftLengthStep / 1000;

double crankShaftLengthMin = myForm.crankShaftLengthMin / 1000;

double openValveAngleMax = myForm.openValveAngleMax * Math.PI / 180;

double openValveAngleStep = myForm.openValveAngleStep * Math.PI / 180;

double openValveAngleMin = myForm.openValveAngleMin * Math.PI / 180;

double closeValveAngleMax = myForm.closeValveAngleMax * Math.PI / 180;

double closeValveAngleStep = myForm.closeValveAngleStep * Math.PI / 180;

double closeValveAngleMin = myForm.closeValveAngleMin * Math.PI / 180;

double connectingRodLength;

double connectingRodCMy;

double connectingRodMass;

double crankShaftLength;

double crankShaftCMy;

74

double crankShaftMass;

double openValveAngle;

double closeValveAngle;

myForm.Dispose();

swDoc = ((ModelDoc2)(swApp.OpenDoc6("I:\\AeroProjectSeason2\\Assem1.SLDASM", 2, 0, "", ref longstatus, ref

longwarnings)));

swApp.ActivateDoc2("Assem1.SLDASM", false, ref longstatus);

swDoc = ((ModelDoc2)(swApp.ActiveDoc));

int fileCount = 2;

int count = 1;

for (connectingRodLength = connectingRodLengthMin; connectingRodLength <= connectingRodLengthMax;

connectingRodLength += connectingRodLengthStep)

{

for (connectingRodCMy = connectingRodCMyMin; connectingRodCMy <= connectingRodCMyMax;

connectingRodCMy += connectingRodCMyStep)

{

for (connectingRodMass = connectingRodMassMin; connectingRodMass <= connectingRodMassMax;

connectingRodMass += connectingRodMassStep)

{

for (crankShaftLength = crankShaftLengthMin; crankShaftLength <= crankShaftLengthMax;

crankShaftLength += crankShaftLengthStep)

{

for (crankShaftCMy = crankShaftCMyMin; crankShaftCMy <= crankShaftCMyMax; crankShaftCMy +=

crankShaftCMyStep)

{

for (crankShaftMass = crankShaftMassMin; crankShaftMass <= crankShaftMassMax; crankShaftMass

+= crankShaftMassStep)

{

for (openValveAngle = openValveAngleMin; openValveAngle <= openValveAngleMax;

openValveAngle += openValveAngleStep)

75

{

for (closeValveAngle = closeValveAngleMin; closeValveAngle <= closeValveAngleMax;

closeValveAngle += closeValveAngleStep)

{

MotionStudyManager motionStudyMgr = null;

motionStudyMgr=((MotionStudyManager)(swDoc.Extension.GetMotionStudyManager()));

boolstatus = motionStudyMgr.ActivateMotionStudy("Prototype");

swDoc.ClearSelection2(true);

motionStudyMgr=((MotionStudyManager)(swDoc.Extension.GetMotionStudyManager()));

MotionStudy myMotionStudy = null;

myMotionStudy = ((MotionStudy)(motionStudyMgr.GetMotionStudy("Prototype")));

boolstatus = myMotionStudy.SetTime(0);

motionStudyMgr=((MotionStudyManager)(swDoc.Extension.GetMotionStudyManager()));

myMotionStudy = ((MotionStudy)(motionStudyMgr.GetMotionStudy("Prototype")));

myMotionStudy.Duplicate();

motionStudyMgr = ((MotionStudyManager)(swDoc.Extension.GetMotionStudyManager()));

boolstatus = motionStudyMgr.ActivateMotionStudy("Motion Study " + count);

swDoc.ClearSelection2(true);

motionStudyMg=((MotionStudyManager)(swDoc.Extension.GetMotionStudyManager()));

myMotionStudy = ((MotionStudy)(motionStudyMgr.GetMotionStudy("Motion Study " + count)));

boolstatus = myMotionStudy.SetTime(0);

motionStudyMgr= MotionStudyManager)(swDoc.Extension.GetMotionStudyManager()));

myMotionStudy = ((MotionStudy)(motionStudyMgr.GetMotionStudy("Motion Study " + count)));

myMotionProps = myMotionStudy.GetProperties(myMotionStudy.StudyType);

//myCosmosProps.

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Sketch1@ConnectingRod-1@Assem1",

"SKETCH", 0, 0, 0, false, 0, null, 0);

76

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Sketch1@ConnectingRod-1@Assem1",

"SKETCH", 0, 0, 0, false, 0, null, 0);

swDoc.EditSketch();

swDoc.ClearSelection2(true);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("D3@Sketch1@ConnectingRod-1@Assem1",

"DIMENSION", 0.004566647272856, 0.06128955778616, 0.072117260731, false, 0, null, 0);

Dimension myDimension = null;

myDimension=((Dimension)(swDoc.Parameter("D3@Sketch1@ConnectingRod.Part")));

myDimension.SystemValue = connectingRodLength;

swDoc.ClearSelection2(true);

swDoc.SketchManager.InsertSketch(true);

swAssembly = ((AssemblyDoc)(swDoc));

swAssembly.EditAssembly();

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("ConnectingRod-1@Assem1", "COMPONENT", 0,

0, 0, false, 0, null, 0);

swAssembly.EditPart();

MassProperty myMassProp = null;

myMassProp = ((MassProperty)(swDoc.Extension.CreateMassProperty()));

boolstatus = myMassProp.SetAssignedMassProp(connectingRodMass, 0, connectingRodCMy, 0, 1, null);

swAssembly.EditAssembly();

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Sketch2@CrankShaft-1@Assem1", "SKETCH", 0,

0, 0, false, 0, null, 0);

swDoc.EditSketch();

swDoc.ClearSelection2(true);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("D2@Sketch2@CrankShaft-1@Assem1",

"DIMENSION", 0.004566647272856, 0.0376942654041, -0.004877903884161, false, 0, null, 0);

myDimension = ((Dimension)(swDoc.Parameter("D2@Sketch2@CrankShaft.Part")));

myDimension.SystemValue = crankShaftLength;

77

swDoc.ClearSelection2(true);

swDoc.SketchManager.InsertSketch(true);

swAssembly = ((AssemblyDoc)(swDoc));

swAssembly.EditAssembly();

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("CrankShaft-1@Assem1", "COMPONENT", 0, 0, 0,

false, 0, null, 0);

swAssembly.EditPart();

myMassProp = ((MassProperty)(swDoc.Extension.CreateMassProperty()));

boolstatus = myMassProp.SetAssignedMassProp(crankShaftMass, 0, crankShaftCMy, 0, 1, null);

swAssembly.EditAssembly();

swDoc = ((ModelDoc2)(swApp.ActiveDoc));

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Angle5", "MATE", 0, 0, 0, false, 0, null, 0);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Top", "PLANE", 0, 0, 0, true, 1, null, 0);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Front@StartSensor-2@Assem1", "PLANE", 0.04,

0.005908846518073, 0.011458110934, true, 1, null, 0);

swAssembly = ((AssemblyDoc)(swDoc));

swAssembly.EditMate2(6, 0, false, 0, 0, 0, 0.001, 0.001, openValveAngle, openValveAngle,

openValveAngle, out longstatus);

swDoc.ClearSelection2(true);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Angle7", "MATE", 0, 0, 0, false, 0, null, 0);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Top", "PLANE", 0, 0, 0, true, 1, null, 0);

boolstatus = swDoc.Extension.SelectByID2("Front@StartSensor-1@Assem1", "PLANE", 0.04, -

0.003, 0.007303847577293, true, 1, null, 0);

swAssembly = ((AssemblyDoc)(swDoc));

swAssembly.EditMate2(6, 0, true, 0, 0, 0, 0.001, 0.001, closeValveAngle, closeValveAngle,

closeValveAngle, out longstatus);

boolstatus = swDoc.EditRebuild3();

swDoc.ClearSelection2(true);

78

boolstatus = myMotionStudy.Calculate();

myMotionResult=(MotionStudyResults)myMotionStudy.GetResults(myMotionStudy.StudyType);

myMotionResult.IsOutOfDate();

myCosmosResult = (CosmosMotionStudyResults)myMotionResult;

//swAssembly = ((AssemblyDoc)(swDoc));

string fileName = "I:\\AeroProjectSeason2\\PS21data\\" + (fileCount - 2) + (count - 1) + ".csv"

//myMotionStudy.g

boolstatus=myCosmosResult.ExportCSVFile(myCosmosResult.IGetPlotFeatures(1), fileName);

//myCosmosResult.GetPlotCount();

count++;

if (count == 3)

{

longstatus = swDoc.SaveAs3("I:\\AeroProjectSeason2\\Assems" + fileCount + ".SLDASM", 0, 2);

swApp.CloseDoc("Assem" + fileCount + ".SLDASM");

swDoc= ((ModelDoc2)(swApp.OpenDoc6("I:\\AeroProjectSeason2\\Assem1.SLDASM", 2, 0, "", ref

longstatus, ref longwarnings)));

swApp.ActivateDoc2("Assem1.SLDASM", false, ref longstatus);

swDoc = ((ModelDoc2)(swApp.ActiveDoc));

fileCount++;

count = 1; }

//myMotionStudy.

//motionStudyMgr.DeleteMotionStudy("Motion Study 2");

myMotionStudy = null;

motionStudyMgr = null;

myMotionResult = null;

//myMotionResult.IsOutOfDate();

79

myCosmosResult = null;

//sw.WriteLine(count+","+connectingRodLength+","+crankShaftLength+","+openValveAngle+","+closeValveAngle+","+c

onnectingRodMass+","+connectingRodCMy+","+crankShaftMass+","+crankShaftCMy);

}

}

}

}

}

}

}

}

}

/// <summary>

/// The SldWorks swApp variable is pre-assigned for you.

/// </summary>

public SldWorks swApp;

}

}

80

ภาคผนวก ค พลศาสตรของไหลเชงค านวณ (CFD) โดยโปรแกรม FLUENT ภาคผนวก ค.1 การสอบเทยบคาพลศาสตรของไหลเชงค านวณ (CFD Validation)

เนองจากการใชพลศาสตรของไหลเชงค านวณ ทท าในโครงงานน เปนลกษณะของการไหลของ

อากาศผานวาลว ทมลกษณะเหมอนกบการไหลผานชองแคบ(Orifice) ดงนน การสอบเทยบคาเพอ

ตรวจสอบความถกตองนน จะท าโดยการอางองจาก[8] ซงเปนการศกความดนตกครอม (Pressure

Drop) ของของการไหลผานชองแคบ

ในการสอบเทยบคาจะท า 3 กรณ จาก 2 โมเดล ดงแสดงในรปท ค.1 กรณแรกสามารถท าการ

ค านวณผลจากสมการเพอเปรยบเทยบผลกบพลศาสตรของไหลเชงค านวณ กรณทสองเปนการ

เปรยบเทยบผลระหวางพลศาสตรของไหลเชงค านวณจาก[8] และจากผท าโครงงาน กรณทสามจะ

เหมอนกบกรณทสองแตจะดผลหลงจากการท า dynamic mesh ของผนงกนชอง(poppet)

รปท ค.1 (ก) โมเดลแรกเปนการไหลผานชองแคบ, (ข) โมเดลทสองเปนการไหลผานชองทมลกษณะเปนวงแหวน

สมมตฐานในการโมเดลพลศาสตรของไหลเชงค านวณ

1. ของไหลทใชเปน กาซมเทน (CH4) ไหลดวยอตรา 8.212 kg/s

2. ของไหลเปนแบบไมอดตว มความหนาแนน 66.06 kg/m3 และความหนด 1.5x10-5

kg/(m/s)

3. การไหลเปนแบบคงทใชตวแกคา k-epsilon, realizable, non-equilibrium wall function

(ก) (ข)

poppet

81

รปท ค.2 เฉดสแสดงผลความดนสถตยกอนและหลงการไหลผานชองแคบของกรณท 1

รปท ค.3 เฉดสแสดงผลความดนสถตยกอนและหลงการไหลผานชองลกษณะวงแหวนของกรณท 2

รปท ค.4 เฉดสแสดงผลความดนสถตยกอนและหลงการไหลผานชองลกษณะวงแหวนของกรณท 3

82

ตารางท ค.1 การเปรยบเทยบผลเพอใชในการสอบเทยบคาพลศาสตรของไหลเชงค านวณ

ความดนตกครอม, P (kPa)

ผลจากสมการทางทฤษฎ

ผล CFD จาก [9]

ผล CFD จากโครงงาน

% ความคลาดเคลอน % ความแตกตาง

จาก[9] จากโครงงาน

กรณท 1 12.290 12.596 11.902 2.49% -3.15% 5.66% กรณท 2 10.552 10.219 3.21% กรณท 3 10.552 10.112 4.26%

จากตารางท ค.1 ในกรณท 1 เปอรเซนตความคลาดเคลอนของผล CFD โดยโครงงานนจะม

คาต ากวาคาทางทฤษฎอย 3.15% โดยจะแตกตางกบคาของ CFD จาก [9] อย 5.66% ทงนเนองมาจาก

รปแบบของ mesh ทแตกตางกนท าใหคาเกดความคลาดเคลอนขน ในกรณท 2 เปอรเซนตความ

แตกตางลดลงเนองจากรปแบบทเปลยนไปท าใหผลของ mesh ตางกนดวย และในกรณท 3 หลงจาก

การท า dynamic mesh เปอรเซนตความแตกตางเพมขน เนองจากเกดการจดเรยงตวของ mesh ใหม

ท าใหเกดความคลาดเคลอนขนในการค านวณ

ผลจากการสอบเทยบคาพบวาการตงคา และการท าโมเดล dynamic mesh ส าหรบ CFD

สามารถใชยนยนผลการค านวณได

ภาคผนวก ค.1 การตรวจสอบผลของ Grid Independent

เปนการตรวจสอบผลของการสราง mesh เพอท าใหมนใจวาขนาดของ mesh ไมมผลตอการ

ค านวณ โดยเรมจากการสรางโมเดล 2 มตในโปรแกรม Gambit โดยใชโมเดลทไมท าการคดผลจาก

วาลวทางออกของอากาศ โดยก าหนดขอบเขตตางๆ ดงรป ค.5

รปท ค.5 โมเดล 2 มตทสรางโดยโปรแกรม GAMBIT และการก าหนดเงอนไขขอบเขต (1)

wall

wall

wall

Pressure inlet

interior

(7.5,15) (-7.5,15)

(-15,0) (15,0) (-7.5,2) (7.5,2)

(-15,- (15,-2)

83

interface

interface

wall

interior interface

wall

interface

wall

(-3,1.8) (3,1.8)

(5,-0.2) (-5,-0.2)

รปท ค.6 โมเดล 2 มตทสรางโดยโปรแกรม GAMBIT และการก าหนดเงอนไขขอบเขต (2)

สราง mesh โดยขนาดตางกน 4 ขนาด (21,140 เซลล, 36,190 เซลล, 74,822 เซลล, 167,027

เซลล) ดงรปท

รปท ค.7 โมเดล 2 มตท าการ mesh โดยโปรแกรม GAMBIT และแสดงต าแหนงของลกสบส าหรบเกบคาความดน

Piston

Mass flow rate monitor

84

จากนนท าการน าเขาไฟล .mesh จากโปรแกรม GAMBIT เขาสโปแกรม FLUENT โดยท าการตงคาดงน

- ก าหนดตวแกคาเปน Pressure based และ Transient time

- ก าหนดโมเดลความหนดเปน k- epsilon เนองจากเปนการไหลแบบปนปวน

- คณสมบตของอากาศ :

ความหนาแนน = อากาศแบบอดมคต, Cp=1,006.43 J/kg-K

คาสมประสทธการน าความรอน =0.0242 W/m-K, คาความหนด =1.7894x10-5 kg/m-s

- เงอนไขขอบเขตทางเขา : ความดนเกจสมบรณ ( P) 101325 Pa, อณหภมสมบรณ 300 k

- เงอนไขขอบเขตทางออก : ความดนเกจสมบรณ 0 Pa, อณหภมสมบรณทางออก 300 k

- วาลวเคลอนทดวยรปแบบ Polynomial ทมมเปดและปดวาลวทางเขาของอากาศ 10 และ 90

องศาของมมเพลาขอเหวยง ตามล าดบ

- ก าหนดคา Time step ท 2CAD

- ท าการเกบคาความดนทกระท าบนลกสบเพอดผลของการเปนอสระจากขนาดของ mesh (Grid

independent)

รปท ค.8 รปแบบการเคลอนทของวาลว

85

ภาคผนวก ค.3 การตงคาโมเดล In-cylinder ในโปรแกรม FLUENT

ในภาคผนวกนจะกลาวถงการตงคาของโมเดล In-cylinder โดยในโปรแกรม FLUENT ผใช

สามารถตงคาตวแปรตางๆ ทส าคญส าหรบการจ าลองการท างานของเครองยนตแบบลกสบแบบมการ

เคลอนทกลบไปกลบมา ซงในโครงงานนจะท าการจ าลองการท างานโดยใชโมเดลแบบ 2 มต ทท าการ

สรางและก าหนดเงอนไขตางๆ จากโปรแกรม GAMBIT และจะท าการประมวลผลการท างานของโมเดล

โดยท าการตงคาในโปรแกรม FLUENT โดยใชการค านวณในรปแบบของ Dynamic Mesh

(ค.3-1) การสรางโมเดลในโปรแกรม GAMBIT

ส าหรบโมเดลทท าการสรางนจะจ าลองการท างานของเครองยนตแบบลกสบแบบมการเคลอนท

กลบไปกลบมา แบบ 2 จงหวะ ซงจะท าการสรางในสวนของ ทางเขาของอากาศ, วาลวทางเขาของ

อากาศ และสวนของกระบอกสบ ซงจะไมรวมวาลวทางออกของอากาศ

การก าหนดเงอนไขขอบเขตจะท าการก าหนดดงทแสดงไวแลวในรปท จากนนจะท าการก าหนด

โซนของอากาศซงจะแบงไดเปน 3 โซน คอ Inlet, Valve layer, Cylinder และ Piston layer ดงรปท ค.9

รปท ค.9 โซนของโมเดลทใชในการก าหนดของไหล

(ค.3-2) การค านวณในโปรแกรม FLUENT

หลงจากน าเขาไฟล .mesh เขาสโปรแกรม FLUENT จะท าการตงคาและค านวณแบบ Dynamic

mesh ซงจะมขนตอนดงน

Inlet

Cylinder

Valve layer

Piston layer

86

เปดโปรแกรม FLUENT

ขนตอนท 1 : Grid

1. เปดโปรแกรม เลอก 2D และ Double Precision

รปท ค.10 เลอกรปแบบทใชในการค านวณ

2. ส าหรบเลอกไฟล .mesh จากโปรแกรม GAMBIT

รปท ค.11 อานไฟลทท าการสรางจากโปรแกรม GAMBIT

3. เมอท าการน าโมเดลเขาสโปรแกรม FLUENT สเกลของโมเดลอาจคลาดเคลอน จงตองท า

การเปลยน โดยไปท

87

รปท ค.12 การสเกลขนาดของโมเดล

4. ท าการตรวจสอบ grid. Grid > Check

5. ท าการแสดงผลของ Grid

รปท ค.13 แสดงผลของ Grid ทท าการสราง

88

รปท ค.14 Grid ทท าการสรางจากการก าหนดโซนตางๆกน

ขนตอนท 2 : โมเดล

1. เลอก Pressure based , Transient

รปท ค.15 หนาตางก าหนดตวแกคา

89

2. เลอก Viscous Model เปน k-epsilon

รปท ค.16 หนาตางก าหนดแบบจ าลองความหนด

3. เลอก Energy Equation

รปท ค.17 หนาตางสมการพลงงาน

90

ขนตอนท 3 : การตงคาสารทใชในการค านวณ

รปท ค.18 หนาตางเลอกชนดวสด

ก. เลอก Density : ideal-gas (คาCp = 1006.43 เนองจากวเคราะหเปนอากาศแหง)

ข. คาทเหลอใหคงไวเหมอนเดม

ขนตอนท 4 : การตงคาเงอนไขในการใชงานและเงอนไขขอบเขต

Define Operating Conditions ตงคา Operating Pressure = 101,325 Pa

รปท ค.19 หนาตางก าหนดเงอนไขใชงาน

91

ตงคาเงอนไขขอบเขตททางเขา

รปท ค.20 หนาตางก าหนดเงอนไขขอบเขต

p-in : ตงคา Gauge Total Pressure เปน 101325 pascal ดงรปท ค.20

รปท ค.21 หนาตางก าหนดความดนทางเขา

92

ขนตอนท 5 : การตงคา Grid Interface

รปท ค.22 หนาตางการสราง Mesh Interfaces

ก. เลอก interface_ib ในชอง Interface Zone 1

ข. เลอก interface_ob ในชอง Interface Zone 2

ค. ใสชอ in-ib ในชอง Grid Interface

ง. คลก Create

จ. ท าการเลอกทเหลอคลายกบขางตนโดยเปลยนชอเปน in-inter

ขนตอนท 6 : การตงคาเพอก าหนดการเคลอนทของ Mesh

1. เลอก dynamic mesh model และ ก าหนดตวแปรทเกยวของ

ก. เลอก Dynamic mesh

ข. เลอก Smoothing, Layering และ Remeshing ในชอง Mesh Methods

ค. เลอก In-cylinder ในชอง Options

ง. คลก Settings ในชอง Mesh Methods แลวก าหนดคา ดงรป ค.23

93

รปท ค.23 หนาตางก าหนดคาตวแปรของแถบ smoothing

จ. คลกแถบ Layering และก าหนดคาตวแปรดงน

ตารางท ค.2 ก าหนดคาตวแปรของแถบ layering

ฉ. คลกแถบ Remeshing โดยก าหนดตวแปร ดงรป ค.23

รปท ค.24 หนาตางก าหนดคาตวแปรของแถบ Remeshing

94

ช. คลก Settings ในชอง Options ก าหนดคาตวแปรในแถบ In-cylinder Settings

รปท ค.25 หนาตางก าหนดคาตวแปรของแถบ In-cylinder

โมเดล In-Cylinder ใชเฉพาะเครองยนตแบบลกสบแบบมการเคลอนทกลบไปกลบมา ซงใชใน

การโมเดลการเคลอนทแบบ dynamic mesh ของวาลว ในเทอมของมมเพลาขอเหวยง ความเรวรอบ

ของเพลาขอเหวยง, ชวงชกและความยาวของกานสบ ต าแหนงของลกสบทศนยตายบน (TDC) ถก

ก าหนดโดยมม 0,360,720,… ของเพลาขอเหวยง ขณะทต าแหนงของลกสบทศนยตายลาง (BDC) ถก

ก าหนดโดยมม 180,540,900,… ของเพลาขอเหวยง

2. ท าการอาน Profile เพอใชในการเคลอนทของวาลว

ก. ท าการแสดงรปแบบการเคลอนทของวาลวโดยใชค าสงโดยขอความตอไปน

<ENTER> <ENTER>

<ENTER> <ENTER>

<ENTER>

95

รปท ค.26 รปแบบทใชในการเคลอนทของวาลว

ข. ก าหนดโซนในการเคลอนทของ mesh ดงตอไปน

รปท ค.27 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของกระบอกสบ

ข.1 ก าหนดการเคลอนทและตวแปรอนๆของโซน cylinder-tri - เลอก cylinder-tri จาก Zone Names

- เลอก Deforming จาก Type - คลกแถบ Meshing Options

96

เลอก Smoothing และ Remeshing

ใสคา 0.00005 ส าหรบ Minimum Length Scale, 0.00009 ส าหรบ Maximum Length Scale และ 0.6 ส าหรบ Maximum Skewness ในชอง Zone Parameters

- คลก Create

รปท ค.28 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของบาวาลว

ข.2 ก าหนดการเคลอนทและตวแปรอนๆของโซน seat-ib - เลอก seat-ib จาก Zone Names

- เลอก Deforming จาก Type - คลกแถบ Geometry Definition เลอก Cylinder จากชอง Definition ใสคา 0.05 ส าหรบ Cylinder Radius ใสคา 0 ส าหรบคา X และ Y ในชอง Cylinder Origin ใสคา X=0 และ Y=1 ในชอง Cylinder Axis

- คลกแถบ Meshing Options เลอก Smoothing และ Remeshing

97

ใสคา 0.00005 ส าหรบ Minimum Length Scale, 0.00009 ส าหรบ Maximum Length Scale และ 0.5 ส าหรบ Maximum Skewness ในชอง Zone Parameters

- คลก Create

รปท ค.29 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของวาลว

ข.3 ก าหนดการเคลอนทโซน valve - เลอก valve จาก Zone Names

- เลอก Rigid Body จาก Type - คลกแถบ Motion Attributes เลอก in-valve จากชอง Motion UDF/Profile ใสคา X=0 และ Y=1 ในชอง Valve/Piston Axis

- คลกแถบ Meshing Options ใสคา 0.00005 ในชอง Cell Height

- คลก Create

98

รปท ค.30 หนาตางก าหนดโซนการเคลอนทของ mesh ในสวนของลกสบ

ข.4 ก าหนดการเคลอนทโซน Piston - เลอก piston จาก Zone Names

- เลอก Rigid Body จาก Type - คลกแถบ Motion Attributes เลอก **piston-full** จากชอง Motion UDF/Profile ใสคา X=0 และ Y=1 ในชอง Valve/Piston Axis

- คลกแถบ Meshing Options ใสคา 0.0001 ในชอง Cell Height

- คลก Create

ขนตอนท 7 : การตงคาแสดงผลการเคลอนทของ Mesh

กอนทจะเรมการค านวณของโปรแกรม จะตองตรวจสอบการเคลอนทของ mesh เพอใหแนใจ

วาจะไมเกดขอผดพลาดระหวางการค านวณ

1. ท าการบนทกไฟล .cas

2. ท าการแสดง Grid

3. ตงการแสดงผลการเคลอนทของ mesh

99

รปท ค.31 หนาตางก าหนดการแสดงผลการเคลอนทของ mesh

ใสคา 90 ส าหรบ Number of Time Steps จากนนคลก Preview

ขนตอนท 8 : การตงคาตวแกคา

1. ไปท

รปท ค.32 หนาตางแสดงการควบคมผลการค านวณ

เลอก Second Order Upwind ในชอง Discretization

2. ก าหนดคาเรมตนในการค านวณ

100

รปท ค.33 หนาตางแสดงการก าหนดคาเรมตนการค านวณ

ก าหนดคา Gauge Pressure = 0 pascal

ก. ใสคา 0 m/s ส าหรบ X Velocity และ Y Velocity.

ข. ใสคา 0.01 m2/s2 ส าหรบ Turbulent Kinetic Energy.

ค. ใสคา 0.01 m2/s3 ส าหรบ Turbulent Dissipation Rate.

ง. ใสคา 300 K ส าหรบ Temperature.

จ. คลก Initialize

3. ตงคาการแสดงผลของเศษเหลอระหวางการค านวณ

รปท ค.34 หนาตาง Residual Monitors

101

4. ตงคาการแสดงผลของความดน

รปท ค.35 หนาตางก าหนดการแสดงผลของความดนทกระท าบนลกสบ

ก. ใสชอ Pressure ในชอง Name

ข. เลอก Flow time ในชอง X Axis และเลอก Time step ในชอง Get Data Every

ค. เลอก Area-Weighted Average ในชอง Report Type

ง. เลอก Pressure ในชอง Field Variable และเลอก Static Pressure ในชองลาง

จ. เลอก piston ในชอง Surfaces

ขนตอนท 9 : การค านวณและผลการค านวณ

1. การค านวณผล

Solve Iterate

รปท ค.36 หนาตางการ Iterate

102

ก. ใสคา 90 ในชอง Number of Time Steps

ข. ใสคา 150 ในชอง Max Iterations per Time Step

ค. คงคาเดมไวส าหรบสวนทเหลอ

ง. คลก Iterate เพอเรมการค านวณ

103

ภาคผนวก ง แบบชนสวนทผานการปรบปรง

104

Part Name Connecting Rod Material Aluminium Alloy 2024T3 Units mm

105

Part Name Crank Shaft Material Aluminium Alloy 2024T3 Units mm

106

Part Name Main Connecting Rod Material Aluminium Alloy 2024T3 Units mm

107

Part Name Piston Material Aluminium Alloy 2024T3 Units mm

108

ประวตผจดท า

1) ชอ – สกล : นายพลวฒน ไพรไพศาลกจ

วน เดอน ปเกด : 5 กรกฎาคม พ.ศ. 2532

สถานทเกด : จงหวดกรงเทพมหานคร

ประวตการศกษา : พ.ศ. 2546 จบการศกษาระดบมธยมศกษาตอนตนจากโรงเรยนสามเสน

วทยาลย

พ.ศ. 2549 จบการศกษาระดบมธยมศกษาตอนปลายจากโรงเรยนสาม-

เสนวทยาลย

ทอยปจจบน : 155 ซอยทรงสะอาด แขวงจอมพล เขตจตจกร กรงเทพฯ 10900

อเมล : ponpri52@hotmail.com

2) ชอ – สกล : นายประชา แสนสข

วน เดอน ปเกด : 21 เมษายน 2532

สถานทเกด : จงหวดชลบร

ประวตการศกษา : พ.ศ. 2546 จบการศกษาระดบมธยมศกษาตอนตนจากโรงเรยนอสสมชญ

ศรราชา

พ.ศ. 2549 จบการศกษาระดบมธยมศกษาตอนปลายจากโรงเรยนอสสมชญ

ศรราชา

ทอยปจจบน : 101/41 หม 6 ต าบลบางพระ อ าเภอศรราชา จงหวดชลบร 20110

อเมล : prch.snsk@gmail.com

3) ชอ – สกล : นายเทพฤทธ โพธทองคนอง

วน เดอน ปเกด : 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2531

สถานทเกด : จงหวดภเกต

ประวตการศกษา : พ.ศ. 2546 จบการศกษาระดบมธยมศกษาตอนตนจากโรงเรยนภเกต

วทยาลย

พ.ศ. 2549 จบการศกษาระดบมธยมศกษาตอนปลายจากโรงเรยนภเกต

วทยาลย

ทอยปจจบน : 42/10 ถนนเทพกระษตร ต าบลเทพกระษตร อ าเภอถลาง จงหวดภเกต

83110

อเมล : thpr.ph@gmail.com