Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 38
Текст из файла (страница 38)
На рис. 4.А (см. вкладку)представлена твердотельная, а нарис. 4.Б (см. вкладку) с учетом наличия двух плоскостей симметрииконечноэлементнаясетка1/4поршня в сборе. На режиме повышенной форсировки по среднемуэффективному давлению при n == 1000 мин-1 максимальная температура имеет место на кромке камеры сгорания головки поршня(рис. 4.В, см. вкладку) и составляетв среднем 380 °С. Температура врайоне первой кольцевой канавкисоставляет 170 °С, что вполне приемлемо.
При моделировании напряженнодеформированного состояния (как и теплового) расчет температурных напряжений и напряжений от давления газов следует проводить с учетом монтажных усилийзатяжки шпилек, крепящих головкупоршня к его корпусу (тронку).На рис. 4.Г, 4.Д (см.
вкладку)соответственно представлено распределение напряжений от совместного действия тепловой нагрузкии монтажных усилий, а также суммарных напряжений от всех указанных нагрузок и давления газовpz = 18 МПа. Уровень напряженийв головке поршня – умеренный,повышенные напряжения имеютместо на кромках перепускных отверстий для подачи масла из центральной в наружную кольцевуюполость, где температурные напряжения составляют 360 МПа, а размах напряжений от сил давления– 270 МПа.Результаты расчета тепловогои напряженнодеформированного состояния поршня являютсяисходными данными для оценкиего прочности.
По этим результатам можно сделать сравнительную оценку различных вариантовконструкций, сравнивая максимальные значения температуры инапряжений в отдельных вариантах поршней и выбирая болееприемлемый.Традиционная оценка сопротивления усталости с помощью коэффициента запаса наиболее пригодна для зоны бобышек, где температура существенно ниже, чем вголовке, и напряжения определяются механической нагрузкой. Вданном случае для определения коэффициента запаса можно воспользоваться формулой (2.152).Учитывая сложное напряженноесостояние в зоне бобышек, в формуле (2.152) следует использоватьинтенсивность амплитуды напряжений sia в зоне бобышек, полученных с помощью трехмерной конечноэлементной модели.
Приэтом величину предела выносливости материала s–1 следует принимать с учетом ее зависимости оттемпературы. Коэффициент запасадолжен быть не менее 1,5–1,8.Материал в области головкипоршня работает при повышеннойтемпературе. Значительных величин могут достигать как напряжения от сил давления газов, так итемпературы. И те и другие величины переменны во времени.
Но еслинапряжения от сил давления газовменяются с высокой частотой, тосущественные изменения температурных напряжений связаны с глубоким изменением скоростного и179нагрузочного режимов работы двигателя. Высокочастотные температурные напряжения, вызываемыеизменением температуры газов втечение рабочего цикла, в поршняхиз традиционных материалов обычно невелики и распространяютсятолько на поверхностные слои материала головки поршня.Для оценки прочности в условиях двухчастотного нестационарноготермомеханическогонагружениярекомендуют использовать принцип суммирования повреждений,вызываемых высокочастотными механическими и низкочастотнымитермическими нагружениями, связанными с макротеплосменами приработе поршня на двигателе.
Применительно к различным поршневым материалам (алюминиевыесплавы, чугуны) были выполненыэкспериментальные исследованиястатической и циклической прочности на образцах и натурных деталях. В МГТУ им. Н.Э. Баумана иНТУ (г. Харьков) была исследованаползучесть некоторых поршневыхматериалов при растяжении и сжатии (последнее характерно для теплонапряженных деталей поршневыхдвигателей).
На основе результатовэкспериментов на образцах из алюминиевого сплава АЛ25 и серого чугуна СЧ20 в НТУ была предложенаметодика оценки прочности головки поршня.В соответствии с принципомсуммирования повреждений в случае головки поршня, кроме высокочастотной механической нагрузки от давления газов рz и сил инерции, а также высокочастотныхмикротеплосмен в каждом рабочемцикле, следует учесть тепловое нагружение, связанное с низкочастотными макротеплосменами и явлением ползучести.
При этом рассматриваются режимы двигателя,характеризующиесядостаточновысоким уровнем температур головки поршня. По результатам эксплуатации можно применительно кразличным типам двигателей определить совокупность режимов работы, значимых для накопленияповреждений. При этом могут бытьприменены различные методы исключения режимов, не подлежащих учету, например, известный"метод дождя". Применительно кпоршню общее накопленное повреждение к моменту разрушенияопределяется выражениемNiåNi+åkfiтм+åjNjN fjт+Dt k£ 1,t f (s эвкk , T k )(4.51)где Ni, Nj – число соответственновысокочастотных и низкочастотных(макротеплосмен) циклов; Nfiтм –предельная долговечность, соответствующая iму высокочастотномуциклу нагружения давлением газа сучетом микротеплосмен; Nfjт – предельная долговечность, соответствующая jму низкочастотному циклу термоусталостного нагружения;tf (sэквk, Тk) – время до разрушения,найденное по кривым длительнойпрочности материала; sэквk, Тk – соответственно эквивалентное напряжение и температура в момент времени tk в рассматриваемом местепоршня.Для реализации соотношения(4.51) требуется располагать результатами испытаний материала поршня на выносливость при различныхтемпературах, на малоцикловую усталость при термическом нагружении с выдержками по времени в высокотемпературной части нагрузочного цикла, а также результатамииспытаний на длительную проч180Рис.
4.46. Длительная прочность поршневых материалов:а – АЛ25; б – чугуна СЧ20 с легирующими добавками; ¾ – при сжатии; – – – – при растяжении; 1 – 250 °C; 2 – 300 °C; 3 – 330 °C; 4 и 7 – 400 °C; 5 – 450 °C; 6 – 500 °Cность. На рис. 4.46, а, б приведеныграфические зависимости длительной прочности поршневых материалов алюминиевого сплава АЛ25и чугуна СЧ20. В НТУ (г. Харьков)проведена расчетная оценка долговечности работы различных вариантов поршней тракторных и комбайновых дизелей 6 ЧН13/11,5 и 4ЧН12/14 при повышении литровоймощности от 14 до 20 кВт/л. Поршни с камерой типа ЦНИДИ (см.рис.
4.2, в) характеризуются весьмабольшим снижением относительной долговечности кромки камерыпри форсировании двигателя. Поршень с камерой типа ЯМЗ (см.рис. 4.2, б) характеризуется существенно меньшей величиной накопленных повреждений и соответственно значительно большей относительной (отнесенной к ресурсуР = 10 000 ч) долговечностью.также переменных во времени нормальных и касательных напряжений. На рис. 4.47 представлены схемы нагружения пальца.Износостойкость пальца оценивается по величине условной осредненной удельной нагрузки наопорных поверхностях бобышекпоршня kп и втулки шатуна kш, которые определяются из выражений:kп = (Pz + P jп ) 2dп l б ;kш = (Pz + P j¢п ) dп l ш ,где Рz = рzpD /4 – наибольшая сила¢ – соответстдавления газа; Рjп и P jп24.6.4. Расчет на прочностьпоршневого пальцаПри работе двигателя поршневой палец испытывает переменныепо углу поворота коленчатого вала инеравномерно распределенные поповерхности пальца усилия со стороны бобышек поршня и верхнейголовки шатуна.
Эти усилия являются причиной износа пальца, а(4.52)Рис. 4.47. Схемы нагружения пальца181венно сила инерции поршневойгруппы с учетом массы пальца ибез нее; lб – длина опорной поверхности бобышки; lш – длина опорной поверхности шатуна.В качестве расчетного режима вбензиновых двигателях обычно выбирают режим максимального крутящего момента, а в дизелях – режим максимальной мощности.Допустимые значения kп и kш соответственно составляют 30–45 и35–55 МПа в зависимости от материала поршня, наличия или отсутствия опорных втулок в бобышках.В отдельных случаях форсированных двигателей kп ш достигают значений 80–90 МПа и выше. Наиболее распространенные поломкипальцев связаны с появлением трещин в одних случаях в поперечном,а в других случаях в продольномнаправлениях. Поломки поперекпальца чаще наблюдаются в толстостенных пальцах.
Излом начинается обычно в средней части (см.рис. 4.47, точка 1) под упрочненным слоем после химической обработки вследствие излишне высокихнапряжений изгиба. Продольныетрещины появляются в пустотелыхпальцах в средней части часто навнутренней стороне (см. рис. 4.47,точка 2) вследствие касательныхнапряжений от поперечной силы инапряжений от овализации поперечного сечения.Наиболее точно напряженнодеформированное состояние пальцаможет быть определено с помощьютрехмернойконечноэлементноймодели, включающей поршень, палец и верхнюю часть шатуна.Для предварительных расчетовиспользуются упрощенные расчетные схемы (см.
рис. 4.47): наиболееупрощенная и менее точная – схемаа, наиболее соответствующая действительности – схема б, а наиболеечасто используемая в расчетах – схема в. При этом отдельно оцениваютнапряжения от изгиба sи и среза tсрот поперечных сил. У пустотелых,тонкостенных пальцев дополнительно определяют и напряжения от овализации поперечного сечения s0.Максимальные напряжения изгиба возникают на наружной поверхности в среднем по длине сечении пальцаsи = (Pz + Pjп )(lп +2 b -1,5 a ) [1,2 dп3 (1- a 4)],(4.53)где a = dвн/dп – отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.Наибольшая срезающая силадействует в сечениях между бобышками и головкой шатуна.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
