Конструкция и расчет деталей и систем

Лекция 3

Конструкция и расчет деталей и систем

Введение

Основным свойством нагрузок, действующих на детали двигателя, является их переменность. Известно, что детали, подвергающиеся длительной переменной на­грузке, разрушаются при напряжениях, меньших предела прочности материала при стати­ческом нагружения. В д. в. с. статическая нагрузка является исключением. Нагрузочный и скоростной режимы работы двигателя обусловливают циклическое изменение на­грузки на детали с определенными частотой и амплитудой. При расчете на проч­ность под действием циклических нагрузок за основу берут напряжение, называемое пределом выносливости

Детали двигателя оказываются нагруженными в результате действия сил давления газов, инерции, трения, моментов сил, а также в результате развития колебательных процес­сов в деталях двигателя. Дополнительные напряжения развиваются в деталях двигателя из-за неравномерного их нагревания и использования технологических приемов сборки, связанных с деформациями сопрягаемых деталей.

Напряженное состояние детали в результате действия механических и тепловых нагру­зок оказывается сложным. От возникающих напряжений зависят механическая прочность, надежность, долговечность деталей.

Жесткость конструкции определяется модулем упругости материала, геометриче­скими характеристиками сечения и линейными размерами деформируемого тела, ви­дом нагружения и конструкцией опор. В практике конструирования следует отдавать предпочтение такому материалу, который обладает способностью нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе.

В эксплуатации неизбежно изнашивание всех трущихся деталей двигателя, которое за­висит от конструкции и технологии изготовления, качества применяемых топлив и масел, условий эксплуатации. Под условиями эксплуатации понимаются способы пуска, тепло­вые, скоростные и нагрузочные режимы, а также дорожные и климатические факторы и запыленность воздуха.

Рекомендуемые материалы

1. Общие сведения о качествах конструкций

2. Нагруженность деталей двигателя и расчетные режимы

3. Циклическая прочности

4. Жесткость конструкции

5. Удельное давление и износ деталей

6. Оценка напряженного состояния деталей д. в. с. и прогнозирование запасов прочности.

1.Общие сведения о качествах конструкций

Конструкцию двигателя принято характеризовать прежде всего надежностью и ме­таллоемкостью (материалоемкостью). Наряду с топливной экономичностью качество на­дежности двигателя внутреннего сгорания определяет величину затрат, которые необхо­димо осуществить в эксплуатации для обеспечения нормаль кого выполнения функций машины, на которой двигатель установлен. Принято говорить, что качество надежности двигателя закладывается при его разработке и изготовлении (конструктор задает вполне определенные запасы прочности деталей) и поддерживается в процессе эксплуатации и при ремонтах. Качество надежности двигателя в эксплуатации складывается из сле­дующих признаков: долговечности, безотказности, способности работать длительное время без ухудшения исходных эффективных показателей и способности выдерживать перегрузки, малых объемов и трудоемкости операций по техническому обслуживанию и уходу, ремонтопригодности, моторесурсу и износостойкости, сохраняемости. Под мото­ресурсом понимается наработка двигателя в моточасах или километрах пробега автомобиля до определенного, состояния фактического или заданного технической документацией. Такое многообразие признаков надежности затрудняет выбор единого критерия для характеристики этого качества в эксплуатации. Чаще всего в этих целях используется понятие отказа — любой вынужденной остановки двигателя. На базе этого понятия надежность машин характеризуют: частотой отказов, длительностью работы дви­гателя между_: отказами, закономерностью изменения частоты отказов за период службы двигателя, трудоемкостью работ, необходимых для устранения отказа. В настоящее время в процессе эксплуатации не удается обеспечить конструктивно-технологическими средствами надежность двигателей на должном техническом уровне, поэтому применяют комплекс технических воздействий, называемый системой технического обслуживания и ремонтов.

Для д.в.с. большую важность имеет металлоемкость конструкции. Ее характеризуют значением удельной массы (кг/кВт): т = G/N_e . Кроме конструктивного совершенства этот показатель учитывает степень применения легких сплавов и пластмасс. Обычно стремятся этот показатель уменьшить. Удельная масса поршневых двигателей автотрак­торного типа колеблется в широких пределах в зависимости от области их применения: т = 0,3 -н 10 кг/кВт. Металлоемкость и надежность двигателя определяются прочностью деталей, их жесткостью, износостойкостью, для оценки которых существуют расчетные и экспериментальные методы.

2. Нагруженность деталей двигателя и расчетные режимы

Детали двигателя оказываются нагруженными в результате действия сил давления газов, инерции, трения, моментов сил, а также в результате развития колебательных процес­сов в деталях двигателя. Дополнительные напряжения развиваются в деталях двигателя из-за неравномерного их нагревания и использования технологических приемов сборки, связанных с деформациями сопрягаемых деталей.

Напряженное состояние детали в результате действия механических и тепловых нагру­зок оказывается сложным. От возникающих напряжений зависят механическая прочность, надежность, долговечность деталей д.в.с. затраты металла на его изготовление и при эксплуатации и капитальном ремонте.

Величина и характер изменения основных нагрузок, воздействующих на детали двига­теля, зависят от режима работы двигателя. При этом расчет деталей на прочность произ­водят для установившихся режимов работы, при которых рассчитываемые детали нахо­дятся в наиболее тяжелых условиях. Учитывают также и продолжительность работы дви­гателя на этих режимах, что является важным для установления зависимости между полу­ченными напряжениями, запасами прочности и показателями надежности.

Для двигателей с искровым зажиганием характерными являются следующие расчет­ные режимы:

- максимального крутящего момента М_к при частоте вращения п = (0,4...0,б)гс„, когда

давление газов в цилиндре достигает максимальных значений, а силами инерции можно пренебречь;

- номинальной мощности N_т при частоте вращения п_н в случае необходимости учета

совместного влияния сил давления газов и сил инерции;

- максимальной частоты вращения холостого хода, при которой силы инерции дости­гают наибольших значений, а давление газов незначительно.

Для двигателей с искровым зажиганием без ограничителя частоты вращения принима­ется п_ххтяк = (1,4...1,б)я_н, а с ограничителем частоты вращения п_ххтах = (1,4...1,б)«_н Расчетные режимы для быстроходных дизелей:

- номинальной мощности N_eH при частоте вращения п_н, когда достигаются наиболь­шие давления сгорания;

-максимальной частоты вращения холостого хода п_ххтах =(1,05...1,07)и_н, определяе­мой работой регулятора, при которой максимальные значения имеют силы инерции.

При работе на любом из упомянутых режимов существовать определенная степень на­грева деталей, что приведет к развитию дополнительных тепловых деформаций и соот­ветственно дополнительных напряжений в деталях. Уже из приведенного перечня так на­зываемых расчетных режимов видно, что наиболее четко выраженным свойством всех действующих сил, а отсюда и напряженного состояния всех деталей двигателя, будет их переменность или цикличность действия. Подчеркнем, что в данном случае речь идет о силах и нагрузках, развивающихся при работе на установившемся режиме. Если при­нять во внимание переменность режимов работы при эксплуатации двигателя, то стано­вится понятной известная неопределенность сочетания нагрузок на детали двигателя, на­пряженного состояния деталей, а отсюда и известная условность расчетных оценок проч­ности деталей.

3. Циклическая прочности

Основным свойством нагрузок, действующих на детали двигателя, является их переменность. Известно, что детали, подвергающиеся длительной переменной на­грузке, разрушаются при напряжениях, меньших предела прочности материала при стати­ческом нагружения. В д. в. с. статическая нагрузка является исключением. Нагрузочный и скоростной режимы работы двигателя обусловливают циклическое изменение на­грузки на детали с определенными частотой и амплитудой. При расчете на проч­ность под действием циклических нагрузок за основу берут напряжение, называемое пределом выносливости.

Различают циклы нагружения (рисунок ) симметричный знакопеременный, асиммет­ричный знакопеременный, пульсирующий, сложный. Амплитуда и период цикла служат основными его характеристиками. Обычно выделяют и максимальное и мини­мальное напряжения цикла, а„ и о_Т -амплитудное и среднее значения напряжений цикла. Величину называют коэффициентом асимметрии цикла.

Рис.13. - Диаграмма выносливости (а) и схема циклов нагружения знакопеременного симметрического (б), знакопеременного асимметрического (в), пульсирующего (г), слож­ного (д)

4. Жесткость конструкции

Работоспособность конструкции двигателя внутреннего сгорания и его деталей в зна­чительной степени определяется их жесткостью. Под этим качеством конструкции д. в. с. понимается способность сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Повышенная деформация (без разрушения и без нарушения механической прочности) может привести к выходу из строя двигателя в целом. Количественно жест­кость оценивается коэффициентом, представляющим собой отношение силы, приложен­ной к системе, к максимальной деформации, вызываемой этой силой. Величину, обратную

коэффициенту жесткости, называют коэффициентом упругости. , (Х-"®]^jL_j±,

Жесткость конструкции определяется модулем упругости материала, геометриче­скими характеристиками сечения и линейными размерами деформируемого тела, ви­дом нагружения и конструкцией опор. В практике конструирования следует отдавать предпочтение такому материалу, который обладает способностью нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе.

В д. в. с. нежесткий блок цилиндров может вызвать нарушение регулировок располо­женных на нем механизмов, повышенное трение и износ подшипников скольжения и даже их выкрашивание.

Существует тенденция максимального обеспечения прочности конструкции путем придания ей равнопрочных свойств при использовании сверхпрочных материалов, спо­собных работать без нарушения при достаточно высоких деформациях. Эти факторы уменьшают жесткость конструкций. Нужно иметь в виду также, что ремонтные воздейст­вия на детали д. в. с. (такие, как перешлифовка шеек вала под ремонтные размеры) также приводят к уменьшению жесткости детали, узла. Возможности аналитической оценки способности конструкции д. в. с. к деформациям связаны с использованием метода ко­нечных элементов, вошедшего в практику прочностных расчетов в последние годы благо­даря использованию ЭВМ. Аналогичные оценки классическими методами сопротивления материалов или теории упругости для деталей д. в. с. затруднительны.

5. Удельное давление и износ деталей

Значение удельного давления служит ориентировочным показателем износостойкости сопряжения. К числу сопряжений, в которых оценивают удельное давление, относятся подшипники скольжения, а также сопряжение поршень-гильза цилиндров. Для упрощения оценок предполагают, что нагрузка в сопряжении распределяется равномерно по поверх­ности.

Удельное давление, найденное путем деления действующей силы на проекцию опор­ной поверхности, сравнивают с допустимым, установленным на основании опытных дан­ных. Предполагают, что износ сопряжения прямо пропорционален значению среднего удельного давления.

В эксплуатации неизбежно изнашивание всех трущихся деталей двигателя, которое за­висит от конструкции и технологии изготовления, качества применяемых топлив и масел, условий эксплуатации. Под условиями эксплуатации понимаются способы пуска, тепло­вые, скоростные и нагрузочные режимы, а также дорожные и климатические факторы и запыленность воздуха. Пыль попадает в двигатель вместе с воздухом и вызывает абразив­ный износ его трущихся соединений. На интенсивность абразивного изнашивания влияют твердости абразивных частиц и поверхностей трущихся деталей, размер абразивных час­тиц и их удельная поверхность. При аналитических оценках величин износа в трущихся сопряжениях чаще всего принимают, что износ прямо пропорционален удельному давле­нию в сопряжении, концентрации абразивных частиц на поверхности трущейся пары, об­ратно пропорционален удельной дисперсности пыли, износостойкости материалов тру­щейся пары. Чаще всего именно износ определяет предельное состояние двигателя, т. е. такое состояние, при котором дальнейшая эксплуатация двигателя невозможна из-за ухудшения его технико-экономических показателей.

6. Оценка напряженного состояния деталей д. в. с. и прогнозирование запасов

прочности.

Существует много методов расчета напряженного состояния детали. Простейший из них основывается на предположении статического действия сил и является условным. При этом методе применяется одна из расчетных схем сопротивления материалов, полу­чаемая после упрощения формы детали, допущения об опорных связях, выбора расчетно­го нагрузочного режима. Получаемые при этом напряжения являются условными, сравни­ваются с аналогичными величинами в существующих хорошо зарекомендовавших себя двигателях.

При расчетах на прочность с учетом знакопеременной нагрузки учитываются характер механических нагрузок, особенности их изменения, конструкция и технология изготовле­ния детали. При таком расчете определяется коэффициент запаса прочности, под которым понимается отношение допустимого напряжения для детали к максимальному действую­щему, т. е. или соответственно для нормальных и касательных напряжений. Используя одну из теорий прочности, можно записать выражение коэффициента запаса прочности при сложном напряженном состоянии, например

Полученные при расчетах значения коэффициента запаса прочности сравниваются с допустимыми, на основе чего делается вывод о работоспособности деталей. При выборе допустимых значений коэффициентов запаса прочности или просто допускаемых значе­ний напряжений учитываются назначение и режим работы двигателя, конструкция детали и ее материал, обработка, наличие упрочняющих операций.

Контрольные вопросы:

1. Какими основными факторами характеризуется конструкция ПД?

2. Что понимается под моторесурсом ПД?

Бесплатная лекция: "2.7. Излучение в спектральных линиях атомов и молекул" также доступна.

3. Какой показатель характеризует металлоемкость конструкции?

4. Каковы расчетные режимы для ПД с принудительным зажиганием?

5. Каковы расчетные режимы для ПД с самовоспламенением?

6. Что понимается под жесткостью конструкции и чем она определяется?

7. Как определяется коэффициент запаса прочности?

8. Какие силы нагружают детали КШМ?