اصول محاسبات طراحي مهندسي

تحليل و محاسبات مهندسي يک موتور احتراق داخلي مجموعه‌ي از قطعات مكانيكي است كه در كنار يكديگر مكانيزمي مختلفي را تشكيل داده و انرژي حاصل از احتراق را به انرژي حركتي ميل‌لنگ تبديل می‌كنند. بري تعيين ابعاد قطعات تشكيل دهنده موتور از قطر سيلندر گرفته تا طول شاتون محاسباتي نياز است كه به آن محاسبات مهندسي يا طراحي گفته می‌شود.

براي پيداكردن پاسخ يك مسئله مهندسي دو راه حل وجود دارد:

۱. راه حل مبتني بر تحليلي و محاسبه

۲. راه حل مبتني بر قياسي

راه‌ حل تحليلي يعني استفاده ازجمع و ضرب و تقسيم ،مشتق و انتگرال و حل معادلات ديفرانسيل. بري طراحي يك شفت از نوشتن معادلات ديناميك آغاز كرده و نيروي وارد بر آن محاسبه می‌شود. سپس با نوشتن معادلات مقاومت مصالح قطر و ماده‌تشكيل‌دهنده بدست می‌آيد. اما اگر شكل شفت كمي پيچيده باشد بايد تمركز تنش را هم درنظر گرفت و در محاسبات دخالت داد.

روش ديگر اين استكه نمونه‌هي مختلف را مورد مقايسه قرار داده و از كنارهم قرار دادن فرضيات مسئله و طراحيهي مختلف بهترين شفت را انتخاب و آنرا بكار برد. به اين روش راه حل قياسي گفته می‌شود. به عبارتي اگر:

if: X(1)=1 ; X(k)=k ; X(k+1)=k+1

then: X(n) = ?

يعني كافيست نمونه‌هايي را جمع آوري كرده و با قياس صحيح آنها از جهات گوناگون قانون حاكم بر طراحي يا عملكرد آنها را شناسايي و مورد استفاده قرار داد.

در قرن بيست و يكم طراحي موتور احتراق داخلي چهار زمانه يك طرح توسعه‌ي محسوب می‌شود. به اين معني كه قرار نيست اختراع خاصي درباره آن انجام شود. سالهاست كه طرحهي ابتكاري بيشماري درباره موتورهي چهارزمانه وجود دارد كه بنا به نياز، يك به يك در طرحهي جديد مورد استفاده قرار می‌گيرند. زمانبندي متغير سوپاپها يا ساير طرحها اختراع جديدي نيست كه امروزه بكار گرفته می‌شود.

شركت AVL اطريش با برخورداري از نرم‌افزارهي كامپيوتري گوناگون مانند Fire و غيره كه از پيچيدگي زيادي برخوردارند انجام می‌دهد. اعضي گروه طراحي موتور با استفاده از كامپيوتر موتور موردنظر مشتري را در محيط مجازي طراحي كرده و شبيه‌سازي می‌نمايند تا ايتكه به جواب مورد نظر خود و مشتري برسند. پس از آن نقشه‌ قطعات بري ساخت قابل ارائه است. اين روش مبتني بر تحليل بوده و در واقع كامپيوتر محاسبات بسيار پيچيده‌ي را انجام می‌دهد تا طراحي انجام شود. شبيه‌سازي و تحليل موتور مبتني بر تئوريها و معادلات بسيار پيچيده‌ي است كه حل آنها را كامپيوترهي بسيار قوي قادرند انجام دهند. اين روش مبتني بر تحليل و محاسبه می‌باشد.

روش ديگر مبتني بر قياس بوده و طراح با بررسي طرحهي گوناگون، نكات طراحي بكار رفته در آنها را شناسايي و در طرح خود استفاده می‌نمايد. مثلا نسبت قطر سيلندر به كورس پيستون چه اندازه بايدباشد؟ قبلا توضيح داده شد كه اين عدد مطلق نبوده و در محدوده معيني قرار دارد. بايد بررسي شود که در انواع مختلف موتورها اين عدد چه مقداري است و بر اساس کاربرد موتور چقدر تغيير می‌كند. اين كار در نتيجه بررسي تجربي و مقايسه نتايج بدست می‌آيد. طراحي تمام قطعات يك موتور احتراقي را با استفاده از اين روش می‌توان به راحتي انجام داد بدون آنكه نياز به تحليل يا حتي آزمايش باشد. ديگر كسي بري موتورهي معمولي محفظه احتراق اختراع نمی‌كند بلكه از انواع بكار گرفته شده در موتورهي قبلي بهره‌مند می‌شود.

از ميان طرحهي گوناگوني كه بري اجزاء مختلف موتور وجود دارد كدام يك بهترين است؟ پاسخ به اين سؤال همان چيزيست كه به دنبال آن هستيم. تشخيص طرح مناسب نتيجه قياس است. قياس بايد علمي، همه جانبه و صحيح انجام شود.

در روش طراحي مبتني بر قياس ابتدا لازم است تعداد انبوهي از موتورهي احتراقي مورد بررسي و ارزيابي علمي قرار گيرد. اين ارزيابي از تمام جهات صورت خواهد گرفت. از وزن قطعات گرفته تا ابعاد و اندازه‌ها. مواد بكار گرفته شده در قطعات نيز داري اهميت است. مشخصات عملكردي تمامي اجزاء و مجموعه‌ها بايد به خوبي ارزيابي شوند. سينماتيك و ديناميك مكانيزم ميل‌لنگ و ميل‌بادامك و نيروي وارد برقطعات بري انبوهي از موتورها كاملا استخراج شده باشد. بدين ترتيب می‌توان با كنارهم قراردادن نتايج به رابطه منطقي ميان پارامترها دست يافت. مقايسه نتايج با يكديگر ما را رهنمون می‌سازد تا مناسبترين طرحها را انتخاب و اعمال كنيم. بايد بدانيم يك نكته طراحي در يك موتور چه اثري بر عملكرد آن دارد. طول شاتون در موتورهي مختلف چه نسبتي با كورس پيستون دارد و اثر آن بر پارامترهي مؤثر بر كاركرد موتور چيست؟ آيا اين متغير می‌تواند اثري بر احتراق داشته باشد يا خير؟ و دهها مورد مختلف كه بايد مورد ارزيابي علمي قرار گيرد.

البته اين روش بر اصول علمي محكمي استوار است. اما بايد بدانيم كه يك موتور احتراقي از صفر طراحي نمی‌شود بلكه نتيجه همگرايي طرحهي گذشته می‌باشد.