Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 68
Текст из файла (страница 68)
При увеличении коэффициента теплоотдачи отгазов в цилиндре на 100 Вт/(м2×К)температура в центре тарелки клапана возрастает на 85 °С, на фаскеклапана – на 65 °С, а на хвостовике – всего лишь на 2 °С. Температура седла оказывает наибольшеевлияние на температуру фаски, а натемпературу тарелки пружины истержня клапана – условный коэффициент теплопроводности lусл.Рис. 8.42. Конечноэлементная модель клапанов автомобильного двигателя:а, б – соответственно впускного и выпускного клапановНа рис.
8.42 показаны конечноэлементные модели со значениямиосредненных за рабочий цикл параметров теплообмена для впускного и выпускного клапанов, применительно к автомобильному двигателю с принудительным воспламенением типа ВАЗ2108 были использованы 80 квадратичных восьмиузловых элементов.328ционарной температурыклапана по окружности,что является отличием посравнению с осесимметричным распределениемпараметров теплообменапо боковой поверхностиклапана. Предприниматьрешение объемной задачитеплопроводности для клапана имеет смысл в томслучае, если имеется возможность надежной оценРис.
8.43. Температурные поля клапанов автомобильногодвигателя:а, б – соответственно впускного и выпускного клапановНа рис. 8.43 даны температурные поля, соответствующие номинальному режиму работы двигателя. Головка выпускного клапана изстали 55Х20Г9АН4 имеет наибольшую температуру 735 °С на поверхности в центре головки; головкавпускного клапана из стали 40Х9С2имеет наибольшую температуру595 °С в центре головки.На рис. 8.44 приведены полятемператур двух вариантов клапанадвигателя ЗМЗ53 на режиме полной мощности, полученные расчетом с использованием осесимметричной конечноэлементной модели.
Клапан с полостью, частичнозаполненной натрием, имеет температуру тарелки на 120 °С ниже, атемпературу стержня на 100 °С выше, чем сплошной клапан. При работе на двигателе наблюдается неравномерное распределение стаРис. 8.44. Температурные поля клапанов автомобильногодвигателя:а и б – соответственно неохлаждаемого и охлаждаемого329ки условий теплообмена по поверхности клапана с учетом отличияраспределения этих параметров отосесимметричного. В первую очередь это касается распределениякоэффициента теплоотдачи по поверхности головки клапана, а также по окружности фаски головки.При проведении трехмерного расчета целесообразно создание комплексной трехмерной модели крышки (головки) цилиндров с включением в нее клапанов.8.3.1.2. Определение напряженнодеформированного состояния клапанаПосле расчета температурногополя клапана выполняют расчетдеформаций и напряжений, возникающих в нем под действием неравномерного температурного поля, усилий пружин и сил давлениягазов.
Для определения напряженнодеформированногосостоянияиспользуется осесимметричная конечноэлементная модель, с помощью которой определялось температурное поле. Первоначально расчет выполняют в упругой постановке. При выполнении уточненныхрасчетов следует рассматривать неупругое деформирование материала,в частности, учитывать ползучестьзоны головки клапана, где температура может превосходить 700 °С.Предварительный расчет НДС вупругой постановке целесообразновыполнять раздельно от тепловой имеханической нагрузок (давлениегазов pz на тарелку клапана и усилие пружины, приложенное кстержню).
При этом следует учитывать зависимость физикомеханических свойств материала от температуры. В качестве кинематическихграничных условий принимаютравными нулю радиальные перемещения на оси симметрии и закрепление от перемещения в осевом наРис. 8.45. Схема нагружения клапана механическими усилиямиправлении одного из узлов (обычнона фаске клапана).На рис. 8.45 представлена схема нагружения клапана механическими усилиями. На рис.
8.46 показано распределение окружныхнапряжений в выпускном клапане, температурное поле которогодано на рис. 8.43, б. Наибольшегозначения растягивающие окружныетемпературные напряжения достигают на фаске клапана и составля330Рис. 8.46. Распределение температурных окружных напряжений в выпускном клапанеют 190 МПа, в центре головки клапана температурные сжимающиенапряжения составляют -116 МПа.Напряжения в головке клапана отдавления газов невелики. На фаске клапана при действии давлениягазов 6,9 МПа происходит снижение растягивающих напряженийна 6 МПа.Головка клапанов (в первуюочередь, выпускных) работает вусловиях термических макротеплосмен в сочетании с высокочастотным нагружением силами давления газов.
При этом температурные напряжения существенно превосходят напряжения от сил давления газов и термическая усталостьограничивает срок службы выпускных клапанов, что часто приводитк возникновению термоусталостных трещин по фаске клапана врадиальном направлении. Условиеразрушения достаточно строгоможно определить, используя деформационнокинетический критерий (2.156).
Для приближеннойоценки числа циклов N до разрушения может быть использованаформула Мэнсонаæ1De = çç lnè 1-yö÷÷ø0, 6N -0,6 +3,5 sврEN -0,12 .(8.52)В отличие от формулы (2.153)здесь De относится к полной деформации за цикл, а не пластической De p.Хотя наиболее нагруженнымэлементом клапана является головка, при эксплуатации двигателейразличного типа встречаются ислучаи разрушения стержня.При непосредственном воздействии кулачка на тарелку 3 (см.рис.
8.12) стержень клапана 1 подвергается изгибу. Суммарное напряжение в стержнеs сум =P Pl ¢+,Fс Wс(8.53)где Fc – площадь поперечного сечения стержня; Wc – момент сопротивления изгибу поперечного сечения стержня в наиболее опасномсечении; l¢ – расстояние от осиклапана до линии контактированиякулачка с тарелкой клапана.В случае кулачка, образованногодвумя дугами окружности (см.æ R - rн öрис. 8.33, 8.34), l ¢ = ç÷ d sin j 0 .è R - rг øДля стержней клапанов из углеродистых сталей sсум не должныпревышать 120 МПа, а из легированных сталей – 300 МПа.Усталостные разрушения стержней клапанов имеют место и в случаеприложения усилия Рк, близкого косевому.
При этом разрушения связывают с поперечными изгибнымиколебаниями клапана, возбуждаемыми газодинамическими импульсамипотока отработавших газов, при несимметричном отрывании головкиклапана от седла, а также при последующей посадке. Экспериментальнона работающем двигателе типаЧН26/26 на Коломенском заводе были выявлены высокочастотные изгибные колебания стержня клапана сразмахом Ds 170 МПа.331Для повышения сопротивленияусталости стержня рекомендуетсяувеличение длины его упрочняемой части, а также профилирование рабочей поверхности направляющей втулки для снижения контактных давлений на боковой поверхности стержня.8.3.2.
Расчет клапанных пружинВ поршневых двигателях применяются пружины из круглой проволоки. Круглое сечение хорошо работает на кручение, которому подвергаются витки при сжатии пружины.К основным параметрам цилиндрической пружины относятся: диаметр проволоки d, средний диаметр dcp, индекс пружины c = dcp/d,шаг витков t, угол подъема витковæ t ö÷ , длина рабочейa = arctg çç pdcp ÷èøчасти пружины Lп, число рабочихвитков iп = Lп/t. Четыре из перечисленных параметров принимают какосновные. Обычно индекс пружины с выбирают в зависимости отдиаметра проволоки.пружины можно вести только наPd¢ = п cp .кручение от момента M кр2Наибольшее напряжение кручения возникает на внутренних волокнахt max = 8cdcpPп,pd 3(8.54)где c – коэффициент, учитывающийкривизну витков, c = 1 + 1,45/c.При расчете пружин искомымявляется диаметр проволоки d. Задаваясь в соответствии с выбранноймаркой стали допускаемыми напряжениями [t] и используя зависимость (8.54), определяют d.
Полученное значение d округляют вбольшую сторону до ближайшегостандартного диаметра проволоки иповторяют расчет пружины. Приэтом [t] ориентировочно в зависимости от типа двигателя следующие.Двигатель[t], МПаСтационарный и судовой мало 250–350оборотныйСреднеоборотный, тепловозный 350–430d, ммДо 2,53–56–12с5–124–104–9Изменяя индекс и сохраняя жесткость, можно изменять длину идиаметр пружины.Силовые факторы в поперечныхсечениях клапанной пружины сводятся к моменту M = (Pпdcp)/2 и силе Рп, действующей вдоль оси пружины (см.
рис. 8.41). Момент Мраскладывают на крутящий Мкр =Pп dcp=cosa и изгибающий Мизг =2Pп dcp=sina моменты. Обычно угол2подъема витков 10–12° и расчетАвтомобильный и тракторныйвысокооборотный350–600Форсированный специальногоназначения500–600Осевое упругое сжатие пружиныf =38Pп dcpiпmGd 4,(8.55)где G – модуль сдвига; f = (1,5–3,5)h;m – коэффициент, учитывающийвлияние перерезывающих сил, зависящий от с, который с достаточнойточностью может быть принят равным 0,95–1,00.По результатам расчета строят характеристику пружины и устанавли332Рис. 8.47. Изменение сил инерции исилы пружины по подъему клапанавают значение усилия пружины Рп0при закрытом клапане (рис. 8.47):Pп0 =Pп ( f - h).f(8.56)Сила пружины выпускного клапана должна быть достаточной дляудержания клапана в закрытом состоянии во время впуска с учетомразрежения Dp в цилиндре.В малооборотных двигателяхпри определении Рп0 необходимоучитывать, кроме того, вес клапана Gк:Pп0 ³ Dppd22+G к .4(8.57)У пружин впускного клапанадвигателя с наддувом сила Рп0 должна предотвращать преждевременноеоткрытие клапана, т.е.Pп0p³ (d22 - dc2 ) ( pк - pг ) ,4(8.58)где рк и рг – давление соответственно наддува и минимальное давление в цилиндре при выпуске.Необходимо также рассчитатьпружину на сопротивление усталости с учетом влияния переменнойпо значению силы, нагружающейпружину.Напряжение tmax при полном открытии клапана находят по формуле (8.54); напряжение tmin при закрытом клапане определяют из соотношенияt min =t max ( f - h).fПри расчете пружин из хромованадиевой стали для быстроходных форсированных двигателейпределы выносливости: t-1 == 340 МПа; t0 = 530 МПа.
Значениекоэффициента запаса nt определяется по формуле (2.147) и должнонаходиться в пределах 1,2–2,0.Длина пружины в свободном состоянииL св = (i п + i 0 п )d + f + i п D ,где D – зазор между витками пружины при открытом клапане, зависящий от размеров пружины; D = 0,2–0,3 мм; i0п – число опорных витков;i0п = 2–3.После определения размеровпружины ее проверяют на резонанс.При резонансе перемещение сред333него витка пружины резко возрастает. Обычно определяют число собственных колебаний nс пружины вминуту и отношение числа свободных колебаний к частоте вращенияnp распределительного вала.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
