Δυναμική ανάλυση τάσεων σε στροφαλοφόρο άξονα τετρακύλινδρου βενζινοκίνητου κινητήρα εσωτερικής καύσης
| datacite.contributor.Supervisor | Νικολακόπουλος, Παντελής | |
| dc.contributor.author | Σοφικίτης, Εμμανουήλ | |
| dc.contributor.other | Sofikitis, Emmanouil | |
| dc.date.accessioned | 2026-10-19T06:54:48Z | |
| dc.date.available | 2026-10-19T06:54:48Z | |
| dc.date.issued | 2026-10-16 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Η παρούσα εργασία εστιάζει στην υπολογιστική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς του στροφαλοφόρου άξονα ενός τετρακύλινδρου βενζινοκίνητου κινητήρα εσωτερικής καύσης με χρήση της μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method - FEM) υπό μεταβαλλόμενες συνθήκες φορτίου και ταχύτητας περιστροφής. Το σύστημα κυρίων εδράνων - στροφαλοφόρου άξονα – διωστήρα – εμβόλου αποτελεί τον πυρήνα κάθε κινητήρα εσωτερικής καύσης και υπόκειται σε σημαντικά μηχανικά και θερμικά φορτία τα οποία εκ φύσεως έχουν μεταβαλλόμενο και μη-γραμμικό χαρακτήρα. Ως εκ τούτου, παρατηρείται η εμφάνιση ισχυρών φαινομένων κόπωσης στα μηχανικά μέρη του συστήματος, γεγονός το οποίο ενισχύει την διάδοση ρωγμών και επομένως την πιθανότητα αιφνίδιας θραύσης, ενώ ταυτόχρονα οι ακραίες συνθήκες μικτής-ελαστοϋδροδυναμικής λίπανσης στα έδρανα ολίσθησης του άξονα και των διωστήρων οδηγούν σε ανομοιόμορφη τριβή και φθορά των λιπαινόμενων επιφανειών ή ακόμη και σε υποβάθμιση των ιδιοτήτων του λιπαντικού με την πάροδο του χρόνου. Οι παράγοντες αυτοί δημιουργούν την ανάγκη για την βελτιστοποίηση του μηχανικού και τριβολογικού σχεδιασμού των στροφαλοφόρων αξόνων, ιδιαίτερα την τελευταία δεκαετία όπου οι προδιαγραφές αποδοτικότητας, αξιοπιστίας και βιωσιμότητας των κινητήρων εσωτερικής καύσης γίνονται όλο και πιο αυστηρές υπό το πρίσμα της ελαχιστοποίησης των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου αλλά και των έντονων διακυμάνσεων στις τιμές των ορυκτών καυσίμων. Η παρούσα εργασία επιδιώκει τη συνεισφορά στην σχετική ερευνητική προσπάθεια μέσω της ανάπτυξης ενός υπολογιστικού μοντέλου για την ακριβή πρόβλεψη του εύρους μεταβολής των αναπτυσσόμενων τάσεων σε στροφαλοφόρους άξονες τετρακύλινδρων βενζινοκινητήρων καθώς και των φορτίων που παραλαμβάνουν τα έδρανα στήριξής τους. Για το σκοπό αυτό, αρχικά γίνεται μέτρηση των διαστάσεων και δημιουργία μοντέλου CAD ενός πραγματικού στροφαλοφόρου άξονα με χρήση του λογισμικού CATIA. Ακολουθεί ο υπολογισμός των μεταβαλλόμενων δυνάμεων που εφαρμόζονται στο σύστημα εμβόλων – διωστήρων – στροφαλοφόρου λόγω της πίεσης ανάφλεξης των κυλίνδρων και της αδράνειας των κινούμενων μηχανικών μερών. Τέλος, προσδιορίζονται οι αναπτυσσόμενες μηχανικές τάσεις σε κρίσιμες περιοχές του άξονα καθώς και τα φορτία των εδράνων ολίσθησης μέσω της δημιουργίας ενός δυναμικού μοντέλου Πεπερασμένων Στοιχείων στο λογισμικό ANSYS. Για την αξιολόγηση της επίδρασης των συνθηκών λειτουργίας, πραγματοποιείται σύγκριση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων σε διαφορετικές πιέσεις ανάφλεξης των κυλίνδρων και ταχύτητες περιστροφής. | |
| dc.description.translatedabstract | The present work focuses on the computational study of the mechanical behavior of the crankshaft of a four-cylinder gasoline internal combustion engine with the aid of the Finite Element Method (FEM) under varying load and rotational speed. The main bearing – crankshaft – connecting rod – piston assembly represents the core of every internal combustion engine and is subject to significant mechanical and thermal loads that naturally exhibit time-varying and non-linear behavior. As a result, there is high potential for the development of fatigue effects on the mechanical parts of the system, a phenomenon that amplifies micro - crack propagation and can eventually lead to an unexpected fracture of the material, while the extreme conditions of mixed-elastohydrodynamic lubrication on the crankshaft and connecting rod sliding bearings act as a driving force for uneven friction and wear on the lubricated surfaces or even lubricant degradation after prolonged operation. These factors raise the need for the optimization of the mechanical and tribological design of crankshafts, especially during the last decade as the efficiency, reliability and sustainability specifications of internal combustion engines keep getting stricter in order to curb greenhouse gas emissions and at the same time combat the negative economic effects caused by fluctuating fossil fuel prices. The work presented on this thesis aims to contribute to the relative research effort by developing a robust computational model for the prediction of the transient stress range on four-cylinder gasoline engine crankshafts as well as the loads transferred through the main bearings. To fulfill this goal, initially a comprehensive CAD model of a real crankshaft is constructed within the CATIA mechanical design software through precision measurements. The analysis proceeds with the computation of the transient loads acting on the piston-connecting-rod-crankshaft assembly because of the cylinder gas pressure and the inertia of the mobile mechanical parts. Finally, a transient structural analysis is performed using the ANSYS finite element software to determine the stress values on critical locations of the crankshaft and evaluate the main bearing loads. The influence of operational parameters of the engine on the crankshaft endurance is explored by comparing the respective stress and bearing load results across different cylinder pressure and rotational speed values. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/33210 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | CC0 1.0 Universal | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ | |
| dc.subject | Στροφαλοφόροι άξονες | |
| dc.subject | Κινητήρες εσωτερικής καύσης | |
| dc.subject | Έδρανα ολίσθησης | |
| dc.subject.alternative | Crankshafts | |
| dc.subject.alternative | Internal combustion engines | |
| dc.subject.alternative | Sliding bearings | |
| dc.title | Δυναμική ανάλυση τάσεων σε στροφαλοφόρο άξονα τετρακύλινδρου βενζινοκίνητου κινητήρα εσωτερικής καύσης | |
| dc.title.alternative | Dynamic stress analysis of a 4-cylinder gasoline internal combustion engine crankshaft |