Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 30
Текст из файла (страница 30)
рис. 4.9) используется шарнирное соединение головки и юбкичерез поршневой палец (рис. 4.17).Такая конструкция иногда называется поршнем с качающейся юбкой,которая воспринимает боковую нагрузку и в значительной степениизолирована от тепловых потоков,передающихся со стороны камерысгорания. Наличие масляной полости обеспечивает приемлемую температуру стальной головки, включаязону первого поршневого кольца.Следует отметить высокий уровеньпеременных механических напряжений в элементах, соединяющихопоры поршневого пальца с головкой поршня.Рис.
4.17. Составной поршень быстроходного форсированного дизеля с шарнирным соединением головки и юбки:1 – алюминиевая юбка; 2 – стальная головка; 3 – масляная полость;4 – верхняя кольцевая канавка; 5 –стойка опоры пальца141Многое из изложенного о поршнях двигателей с принудительнымвоспламенением относится и кпоршням дизелей. Здесь также стремятся к уменьшению длины и массы поршня, что достигается сокращением длины Н0 жарового поясадо 0,11 и ниже, числа колец (два уплотнительных и одно маслосъемное), что уменьшает длину уплотняющего пояса Н1 до 0,2 и менее.Относительная длина поршня Нпбыстроходных автомобильных дизелей приближается к 1.Однако в сравнении с поршнямидвигателей с принудительным воспламенением поршни автомобильных дизелей имеют б\льшую длинужарового, уплотняющего и направляющего поясов.
Вследствие болеевысокого давления газов в цилиндре высота кольцевых канавок имежкольцевых перемычек дизельных поршней превышает соответствующие размеры поршней двигателей с принудительным воспламенением около 50 %. Бо' льшую толщинуимеет и днище дизельных поршней,что связано с бо' льшим давлениемгазов в дизелях при сгорании. Причем юбки обычно выполняются ввиде замкнутой оболочки, что повышает жесткость, улучшает условия смазывания и теплоотвод отпоршня к гильзе (втулке) цилиндра.Некоторые геометрические соотношения поршней быстроходных дизелей даны на рис.
4.1, 4.7.Поршни современных быстроходных дизелей, как правило, охлаждаются маслом. Интенсивностьохлаждения определяется уровнемфорсирования двигателя по среднему эффективному давлению ре илилитровой мощности. При умеренных значениях ре охлаждение можетосуществляться подачей масла черезнеподвижную форсунку, установленную в картере. Если не удаетсяобеспечить приемлемый уровеньтемператур (в первую очередь накромке камеры и в зоне первогокомпрессионного кольца), переходят на конструкцию поршня с полостным охлаждением (см. рис. 4.5,4.7, а).
В данном случае удаетсяуменьшить температуру у первогокомпрессионного кольца примернона 25–30 °С. У поршней, выполненных из традиционных алюминиевых сплавов, под первое, а иногда ипод два верхних кольца устанавливается вставка (см. рис. 4.1) из износостойкого материала.Теплопроводностьматериалавставки ниже теплопроводностиматериала поршня – алюминиевогосплава. Вставка является тепловымбарьером для теплового потока,идущего к верхнему поршневомукольцу. В составных поршнях головка выполняется из стали или высокопрочного чугуна и вставка неприменяется.Температурное поле поршня приработе двигателя характеризуетсязначительными перепадами температур, в том числе и по образующейопорного пояса длиной Н2. Нормальная работа сопряжения поршень–цилиндр обеспечивается придостаточно стабильной по размеру иположению зоны контакта на юбкепоршня.Рациональная форма боковой поверхности юбки в холодном состоянии должна компенсировать деформации поршня в рабочем (горячем)состоянии, обеспечить благоприятные условия смазывания (образование масляного клина) сопряженияпоршеньцилиндр, уменьшить интенсивность ударных воздействийпоршня на стенку цилиндра при перекладках.У двигателей с невысоким уровнем форсирования (Nл < 10 кВт/л)успешно применялись юбки с не142большим расширением (конусностью) к нижнему торцу поршня.
Впоршнях современных двигателейс высоким уровнем форсированияприменяются более сложные формы поверхности юбки. Часто боковую поверхность юбки выполняютовальнобочкообразной формы (скриволинейной образующей подлине юбки и овальным поперечным сечением). Поршни с бочкообразной формой юбки имеют рядпреимуществ:• увеличивается контактная поверхность (снижается температурапоршня и уменьшается опасностьзадира по его боковой поверхности);• уменьшаются зазоры в направляющем и уплотняющем поясах(сокращается прорыв горячих газови улучшаются условия работы материала в районе кольцевых канавок);кроме того, изза уменьшения зазоров и плавной формы образующейпонижается интенсивность ударовпоршня о стенку цилиндра при перекладках, а также опасность появления кавитации на ее охлаждаемойповерхности;• снижается уровень шума приработе двигателя.При установке чугунных поршней различие теплового расширения юбки и втулки цилиндра существенно меньше, чем при алюминиевых поршнях, поэтому зазоры вхолодном состоянии выбираютсязначительно меньшие.Существуют различные подходыпри определении формы поверхности юбки поршня в холодном состоянии с учетом последующей деформации юбки при работе двигателя.
Поскольку напряженнодеформированное состояние поршнязависит от режима работы двигателя, то рациональная форма поверхности юбки должна быть в некотором отношении компромиссом кэтим режимам и наиболее лучшимобразом соответствовать режиму, накотором двигатель работает наиболее продолжительное время. Причем условия, необходимые для нормальной работы поршня, должныбыть обеспечены во всем возможном диапазоне режимов работы.При упругом деформированиипоршня и гильзы (втулки) цилиндра деформация каждой детали в соответствии с формулой (2.24) является суммой деформаций, вызванных действием напряжений (в частности, температурных) и свободных деформаций.
Последние по величине значительно превосходятпервые. Деформация Dт поршня врадиальном направленииD т = a т DT ,(4.1)где aт – коэффициент линейногорасширения; D – диаметр цилиндра в холодном состоянии; Т – приращение температуры в рассматриваемом сечении по высоте поршняв прогретом состоянии.При определении профиля образующей юбки поршня следуетучесть распределение температурыТ(х) по длине х образующей юбки,сделать невозможным контактверхнего и нижнего торцов поршняс цилиндром при перекладках и поворотах поршня относительнопоршневого пальца. При этомпредполагают, что контакт юбки сцилиндром осуществляется черезтонкий слой масла, а поверхностьюбки в горячем состоянии являетсябочкообразной. Зазоры на краяхюбки и в ее опорном поясе, а такжепо головке поршня подбираютсяэкспериментально и с учетом данных, полученных на аналогах, с последующей корректировкой придоводке проектируемого двигателя.В упрощенной модели, предложенной Б.Я. Гинцбургом, юбка143поршня представляется отрезкомтрубы длиной Н2 (см.
рис. 4.1). Распределение по длине юбки усредненной по ее толщине температурыТ0 описывается при допущенииосевой симметрии выражением типа (2.16), которое для стационарных условий имеет вид:d 2T 0l= м T0 ,2d м tldx(4.2)где lм и dм – соответственно теплопроводность и толщина слоя масла;t – толщина стенки юбки.Вводя в выражение (2.1) вместотемпературы Т0 перепад T 0 = T 0 -T ц(где Тц – средняя температура цилиндра), решение уравнения теплопроводности при краевых услоdTвияхT 0 = T 0 в при х = 0 и 0 = 0 приdxх = Н2 можно записать в видеT0 =chK т (1 - x)T 0в ,chK T(4.3)где x = x/H2; chKт – гиперболичеH2ский косинус; K т =.d M tl l мПри заданных (рис.
4.18) зазорахDвхол и Dнхол в верхнем и нижнемпоясах юбки в холодном состоянииформа (профиль) юбки поршня вхолодном состоянии определяетсяпо формулеa т D(T 0в -T 0н )´2échK т - chK т (1 - x) ù´ê- x ú + y,chK т -1ëûy хол =(4.4)где ухол и у – расстояния по горизонтали (стрелы) соответственнопрофиля юбки в холодном и горячем состоянии до хорды профиля.Рис. 4.18. Профиль юбки поршня:а, б – соответственно в холодном и горячемсостоянииКроме профиля образующей подлине юбки требуется определитьовальность наружной поверхностиюбки в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра.
Особое внимание следует уделить профилю юбкина дуге ±45° от плоскости качанияшатуна, так как на данном участкеповерхности поршня передаетсяосновная часть боковой нагрузкина стенку цилиндра при работедвигателя.Если осями симметрии поперечного сечения юбки поршня являются взаимно перпендикулярные прямые, проходящие через ось цилиндра (в плоскости качания шатуна ипараллельно поршневому пальцу),то форма овала задается на 1/4 контура или на угле 90° (см. рис. 4.13).Отклонение D точек контура приразличных углах j от окружностирадиуса 0,5D представляется в видеD = e 4[(0,5 + Q)+ cos 2 j+ (0,5- Q)cos 4j],(4.5)где е – разность большой и малойосей овала.144Рис. 4.19.
Поршень форсированного автомобильного дизеля с овальнобочкообразной юбкойУ применяемых на практикеовальных профилей поперечных сечений юбок величина Q в формуле(4.5) меняется от 0,200 до 0,833. ПриQ = 0,5 овал превращается в эллипс.В таком случаеD = e 4(1 + cos 2 j).(4.6)Что касается величины овальности поперечных сечений по длинеюбки, то создаются поршни как спостоянной, так и с непрерывноменяющейся овальностью по длинеюбки. В последнем случае технология изготовления поршня усложняется.
На рис. 4.19 представлен поршень форсированного автомобильного дизеля с овальнобочкообразной юбкой при постоянной овальности по длине юбки и переменнойовальностью по длине головкипоршня.Следует отметить, что применение современных численных методов совместного расчета тепловогои напряженнодеформированногосостояний поршня и гильзы (втулки) цилиндра повышает качествопрофилирования боковой поверхности поршня.Поршни тепловозных и судовыхдизелей с частотой вращения коленчатого вала около 750–1100 мин-1 отличаются высокой тепловой и механической напряженностью. Приэтом долговечность поршня, как идругих основных деталей двигателей этого класса, должна быть неменее 50×103 ч и должна обеспечитьработу дизеля вплоть до капитального ремонта.
В настоящее времяздесь преимущественное распространение получили четырехтактные двигатели.В зависимости от уровня форсирования по среднему эффективномудавлению ре поршни четырехтактных тепловозных дизелей выполнялись как цельнометаллическими чугунными, в некоторых случаях изалюминиевого сплава, так и составными с корпусом из чугуна илиалюминиевого сплава и головкой изболее жаростойкого материала (вчастности, хромистых сталей илисталей с бо' льшим числом легирующих элементов). Поршни с тронком из алюминиевых сплавовменьше по массе и применяютсяпри повышенной частоте вращенияколенчатого вала двигателя.
Общейявляется тенденция перехода кпоршням составной конструкциипосле достижения определенногоуровня форсирования по ре (около1,5 МПа). При сочетании составной конструкции с инерционныммасляным охлаждением можнообеспечить существенное понижение температуры поршня в районепервого компрессионного кольца.В качестве примера на рис. 4.20представлен поршень форсированного четырехтактного тепловозного дизеля типа ЧН26/26. Головка 1выполнена из стали 20Х3ВМФ, атронк из алюминиевого сплаваАК4.
Поршень охлаждается маслом, подаваемым через шатун вцентральную часть полости охлаждения, из которой масло перетекаетпо отверстиям а к краю головки, азатем по трубке 11 сливается в кар145Рис. 4.20. Поршень четырехтактного тепловозного дизеля типа ЧН 26/26:1 – головка; 2 – компрессионные кольца; 3 –резиновое кольцо; 4 – маслосъемное кольцо;5 – корпус; 6 – палец; 7 – стопорное кольцо;8 – втулка; 9 – гайка; 10 – шпилька; 11 –трубка для слива масла; 12 – уплотнительныйстакан; 13 – пружина; а – отверстие для подачи маслатер. Поршни тепловозных дизелейимеют от трех до пяти колец.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
