Диссертация (1026217), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Фланцевая схема крепления цилиндра на блоке ДВС с воздушнымохлаждением согласно работе [148]Главным преимуществом известной фланцевой схемы (Рисунок 3.7) посравнению с традиционной схемой крепления типа «несущий цилиндр» (Рисунок3.8) является обеспечиваемое применением фланцевой схемы крепления цилиндра на блоке кардинальное по достигаемым результатам (до 81%) подавление искажений геометрии внутренней поверхности цилиндр от монтажных усилий практически на всей осевой длине последнего (Таблица 3.3). 99 Рисунок 3.8. Традиционная схема типа «несущий цилиндр» крепленияцилиндра на блоке ДВС с воздушным охлаждениемТаблица 3.3.Сравнение искажений исходной геометрии поперечного сечения цилиндра длядвух различных схем крепления цилиндра на блокеПоясСечение(см.(см.Рисунок Рисунок3.12)3.13)Искажение исходной геометрии цилиндра поддействием монтажной нагрузки и боковой силы поршняТрадиционнаяФланцевая схема креплениясхема крепленияЗначение, мкмЗначение, мкмОтносительнаяразница, %-14 -5 64I-I А-А В-В -12 -4 66 С-С +39 +14 64D-D +42 +16 32А-А +26 +6 77В-В +21 +4 81С-С -11 -4 64D-D -12 -4 66А-А +28 +7 78В-В +28 +7 78С-С +21 +5 76D-D +22 +5 77II-II III-III 100 Определенным недостатком известной фланцевой схемы является высокийуровень изгибных напряжений в материале шпилек, что обусловлено спецификойустановки цилиндра на блок по схеме «подвесной фланцевый цилиндр - несущиефланцевые шпильки».
При такой схеме цилиндр в значительной мере освобожденот нагрузок, вызванных затяжкой гаек и действием изгибающего момента от боковой силы поршня во время работы устройства. Однако в данном случае эти нагрузки воспринимают несущие шпильки, что приводит к резкому снижению ихусталостной прочности и возрастанию риска внезапной поломки.В новом техническом решении фланцевой схемы снижение напряжений вматериале несущих шпилек достигается тем, что в средней, заключенной междуразмещенными по концам каждой шпильки опорными поверхностями, части выполнено упрочняющее утолщение, осевой размер которого соизмерим с диаметром шпильки, а диаметральный размер - соизмерим с наружным диаметром опорных поверхностей шпильки (Рисунок 3.9) [149]. Рисунок 3.9.
Общий вид предлагаемого технического решенияОригинальность предлагаемого технического решения состоит в том, что вотличие от известной фланцевой схемы, несущие шпильки не являются одинаковыми по диаметру (равнопрочными) (Рисунок 3.10), а имеют в средней по осевойвысоте части специально выполненное упрочнение, осевой и диаметральный раз 101 меры которого подобраны рациональным образом, позволяющим снизить уровеньмаксимального изгибающего напряжения в наиболее опасном сечении шпильки(переход средней части в нижнюю опорную поверхность, сопряженную с блоккартером) и при этом не препятствовать процедуре монтажа-демонтажа устройства. Рисунок 3.10. Эскиз к назначению основных размеров участка упрочненияпредлагаемой фланцевой шпилькиАнализ известных конструкций крепления цилиндра в ДВС с воздушнымохлаждением показал, что в них отсутствуют цилиндрические (или иной формы)утолщения центральной части несущих шпилек, выполненные для упрочнения(увеличения изгибной жесткости) конструкции, что доказывает новизну предлагаемого технического решения.В выполненных конструкциях ДВС с воздушным охлаждением утолщениецентральной стержня анкерных шпилек, с помощью которых несущий цилиндркрепится на блок-картере, встречаются, однако, во-первых, схема крепления цилиндра в этих конструкциях принципиально отличается от той, что используется в 102 предлагаемой конструкции несущих шпилек, и, во-вторых, влияние указанныхутолщений на заявляемый технический результат в части повышения надежностиработы двигателя и снижения его расхода масла угар в известных конструкцияхне подтверждены.Расчет приложенной к крышке цилиндра осевой сжимающей силы,вызванной действием момента затяжки, осуществляли по общеизвестной формулеработы [150]:FM,0,5d 1 d , P tan( (d , P ) ( f r )) f t Rt ( D, d 0 )где М – крутящий момент на ключе, Н·м; d1(d,P) – средний диаметр резьбы, м;d – номинальный диаметр резьбы, м; P – шаг резьбы, м; β(d, P) – угол подъемавинтовой линии, град; ρ(fr) – угол трения резьбовой пары, град; fr – коэффициенттрения материалов в резьбе сопрягаемых деталей; ft – коэффициент трения материалов по торцу сопрягаемых деталей; Rt(D,d0) – приведенный радиус тренияплоского кольцевого торца, м; D – внешний диаметр опорной поверхности гайки,м; d0 – внутренний диаметр опорной поверхности отверстия в крышке цилиндра,м.Подставляя в вышеприведенное выражение значения рассчитанных вышепараметров и функций, а также значения входных данных из числа d=10мм;d0=11мм; D=16мм; Р=1,5мм; fr=0,21; ft=0,12; M=58,8Н·м, получали итоговое оценочное значение осевой растягивающей силы F=29,1 кH.Далее значение этой силы использовали в качестве известной входной величины - осевой сжимающей нагрузки - при моделировании НДС цилиндра.Расчетное моделирование НДС конструкции применительно к размерностии условиям номинального режима работы дизеля 1Ч 8,5/8,0, выполненное с помощью программного комплекса SOLIDWORKS, показало, что наличие упрочняющих участков рациональных размеров в средней части шпилек привело кснижению максимальных напряжений изгиба в зоне заделки шпилек с 928 до 592МПа (на 36%) – Рисунок 3.11.
При этом материал шпильки, вместо используемой 103 стали 40Х, было предложено выбирать из высоколегированных сплавов, например 30ХРА, 40ХН2МА, 30ХГСН2А.а б в Рисунок 3.11.
Расчетная модель (а) и результаты моделированияНДС элементов схемы крепления цилиндра на блоке под действием монтажныхнагрузок: для известной - б и предлагаемой – вфланцевых схемПредставленный на Рисунке 3.11 характер изменения напряжений в материале шпилек означает уменьшение риска их поломки и однозначно указывает наповышение надежности работы двигателя.
Кроме того, наличие упрочняющих 104 участков шпилек обусловливает подавление искажение исходной геометриивнутренней поверхности цилиндра: вызываемые монтажными деформациями отклонения от исходной геометрии поперечного сечения образующей внутреннейповерхности цилиндра снизились в поперечном сечении на 1...2 мкм (на 20...33%)– Рисунок 3.12, в продольном сечении - на 1...7 мкм (на 20...50%) – Таблица 3.4.Такое существенное снижение искажений исходной геометрии внутреннейповерхности цилиндра с очевидностью приводит к улучшению условий работыпоршня и поршневых колец, уплотнения зазора «поршень-цилиндр» поршневымикольцами и, как следствие из этого, позволяет с высокой степенью уверенностипрогнозировать значимое снижение расхода моторного масла на угар. Рисунок 3.12.
Искажение (в мкм) исходной геометрии поперечного сечениявнутренней поверхности цилиндра при «фланцевой» схеме креплениямонтажными нагрузками и боковой силой поршня в среднем по высотепоясе цилиндра: 0 - исходная геометрия (круг) недеформированного цилиндра;1 - известная фланцевая схема (значения без звездочки); 2 - предлагаемаяфланцевая схема (значения со звездочкой) 105 Таблица 3.4.Сопоставление искажений исходной геометрии цилиндраизвестной и предлагаемой конструкций фланцевого крепления цилиндраПоясСече-Искажение исходной геометрии цилиндра подпо высотениедействием монтажной нагрузки и боковой силы поршняцилиндра(см.Известная(см.Рису-конструкцияРисунокнок3.12)3.13)I-I А-А -5 -340 В-В -4 -40 С-С +14 +750D-D +16 +1038А-А +6 +433В-В +4 +40С-С -4 -40D-D -4 -325А-А +7 +529В-В +7 +529С-С +5 +340D-D +5 +420II-II III-III Значение, мкмПредлагаемая конструкцияЗначение, мкмОтносительнаяразница, % Рисунок 3.13. Схема расположения контрольных сечений на цилиндре 106 Практика применения известной конструкции фланцевых шпилек, неимеющих упрочняющих элементов, показала недостаточную надежность их(шпилек) работы, связанную с усталостными разрушениями материала шпилекиз-за высоких, превышающих предел прочности материала шпильки изгибныхзнакопеременных напряжений в зоне заделки шпилек.
Выполнение рациональноподобранных по размерам участков упрочнения в средней части шпилек приводитк существенному снижению опасных изгибных напряжений в зоне заделки шпилек, повышая тем самым надежность работы конструкции. Определение рациональных размеров - осевой высоты h и толщины H (Рисунок 3.10) - участка упрочнения в средней части каждой шпильки было осуществлено путем последовательного перебора значений этих параметров как входных величин в процессерасчетного исследования НДС элементов устройства. Естественным конструкционным ограничением указанных размеров были полная длина средней части L имаксимальный диаметр D опорных поверхностей шпильки.Результаты моделирования НДС шпилек показали, что наименьшие напряжения изгиба шпильки при прочих равных условиях дали значения осевой высотыh и толщины (диаметра) H, примерно равные (соизмеримые) с диаметром d средней части шпильки и максимальным ее диаметром D, т.е.
h d и H D. Выбор цилиндрической формы для участка упрочнения был обусловлен соображениямиобеспечения простоты изготовления шпильки.Таким образом, скачкообразный переход (минуя промежуточную известнуюфланцевую схему) с серийной несущей на свободную фланцевую схему крепления цилиндра на блоке с дополнительным использованием участков повышеннойжесткости шпилек приводит к значительному (на 86%) снижению деформациивнутренней поверхности цилиндра (Рисунки 3.14 и 3.15). 107 Рисунок 3.14. Искажение (мкм) продольной образующей внутреннейповерхности цилиндра в результате монтажных деформацийдля сравниваемых схем крепления цилиндра на блоке дизеля 1Ч 8,5/8,0Рисунок 3.15.
Искажение (мкм) исходной геометрии поперечного сечениявнутренней поверхности цилиндра под действием монтажных нагрузокв верхнем I-I, среднем II-II и нижнем III-III поясах по осевой высоте цилиндрапри серийной несущей и опытной фланцевой схемах 108 3.3 Расчетная оценка эффективности опытных конструкций поршнейи поршневых колецС помощью расчетных программ PISTON-DHT и RING была проведенараздельная оценка эффективности опытных конструкций поршня с рациональнымпрофилем юбки (Объект №1), антифрикционным покрытием на ее поверхности(Объект №2) и ребрами жесткости (Объект №3), а также опытной конструкцииверхнего компрессионного кольца с рациональным профилем его рабочей поверхности (Объект №4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
