Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 75
Текст из файла (страница 75)
и более. Эти модели можноотнести к моделям третьего уровня.При их реализации, естественно,следует использовать твердотельноемоделирование с автоматическимпостроением конечноэлементнойсетки. Примером может служитьприведенная выше (параграф 3.6)конечноэлементная модель блоккартера автомобильного дизеля, содержащая 100 тыс. тетраэдальныхквадратичных конечных элементовпри 40 тыс. узлов. Помимо расчетанапряженнодеформированного состояния такую конечноэлементную модель используют и для определения собственных частот колебаний корпуса, его массы, координат центра тяжести, моментовинерции и других характеристик.При расчете составных корпусовследует особое внимание уделятьзонам контакта отдельных неподвижных элементов корпуса.
Особенности решения контактных задач, рассмотренные выше в гл. 4, 5,относятся также к корпусным деталям.Так как отношение толщиныстенок блоккартеров к их габаритным размерам составляет ориентировочно 0,03–0,07, это позволяетиспользовать при создании трехмерных конечноэлементных моделей наряду с тетраэдальными ипризматическими объемными конечными элементами также оболочные конечные элементы.
Адекватность конечноэлементной модели реальному блоккартеру зависит от принимаемых упрощенийгеометрии натурной детали, густоты разбиения, а также локализациизон детали, в которых ожидаютсявысокие значения деформаций инапряжений. На рис. 9.17 показанаконечноэлементная модель блоккартера тракторного дизеля.При расчете столь сложных деталей, как блоккартер, в ряде случаев успешно используют методсуперэлементов с разделениемпроцесса решения на ряд этапов.Погрешность значений напряжений, определяемых с помощью таких моделей, оценивается в 10–15 %.
Сгущение сетки при расчетеотдельно выделенной Vобразнойсекции корпуса позволило уменьРис. 9.17. Конечноэлементная модель блоккартера тракторного дизеля362шить погрешность по напряжениям до 5–10 %. При расчете напряженнодеформированного состояния следует задать нагрузки и условия закрепления блоккартера.Из векторных диаграмм давленийна коренных опорах определяютсяусилия, прикладываемые к узловым точкам коренных опор с распределением по окружности в секторе 120° по закону косинуса.
Силы от давления газов, соответствующие рz = 15 МПа, прикладывают в узловых точках вдоль оси цилиндра. Максимальное напряжение в блоккартере (рис. 9.17) составляет около 77 МПа и относится к верхней части межцилиндровой перегородки (стойки). Максимальные напряжения в районе коренных опор составляют около66 МПа. Следует отметить, чтоприложение усилий от различноговида нагрузок (монтажных, газовых, инерционных) является достаточно сложной задачей.При определении напряженнодеформированногосостоянияблоккартера МКЭ неизвестнымивеличинами являются узловые перемещения, при этом важно правильно задать кинематические граничные условия. В частности, приреализациирасчетнойсхемы(см. рис.
9.17) приняты равныминулю вертикальные перемещениячетырех нижних угловых точек, атакже поперечное перемещениедвух из них и продольное перемещение одной нижней угловой точки. Так как напряжения от сил давления газа и сил инерции переменны во времени, следует выполнитьрасчет на сопротивление усталостии определить коэффициент запасапо формуле (2.152).9.4. Основы конструированиявтулок (гильз) цилиндровдвигателей жидкостногои воздушного охлажденияПоверхность блока цилиндровиспользуется в качестве рабочейтолько при небольшом диаметрецилиндра, в том числе в некоторых автомобильных и тракторныхдвигателях.
Во многих двигателяхразличного типа с жидкостным охлаждением рабочий цилиндр выполняется в виде "мокрой" втулки,омываемой с наружной стороныохлаждающей жидкостью, либо ввиде "сухой" гильзы, устанавливаемой по всей длине цилиндра или вверхней его части, в которой наблюдается максимальное изнашивание (рис. 9.18).Втулка, называемая иногда также гильзой, занимает среди теплонапряженных деталей двигателяособое положение как по выполняемым функциям, так и по предъявляемым к ней требованиям.
ОбесРис. 9.18. Втулки (гильзы) цилиндра:а, б – "мокрые"; в, г – "сухие"363печение одной лишь прочностивтулки, несмотря на всю важностьэтого требования, недостаточно длядлительной и надежной работы двигателя. Сохранение правильнойформы втулки, обеспечение износостойкости ее рабочей поверхности, а также кавитационнокоррозионной стойкости охлаждаемойповерхности при надежном уплотнении газового стыка и стыков полости охлаждения является определяющим условием надежной эксплуатации двигателя в пределах заданного ресурса."Сухие" гильзы толщиной 2–4 мм (рис. 9.18, в, г) запрессовывают или устанавливают с небольшим зазором (0,01–0,04 мм). Небольшая толщина сухих гильзспособствует при их примененииэкономии качественных материалов, однако дополнительное термическое сопротивление контактной поверхности между гильзой иблоком ухудшает теплоотвод отцилиндра в охлаждающую жидкость.
Вследствие этого в форсированных двигателях, как правило, применяют "мокрые" гильзывтулки, которые обеспечиваютлучшую теплопередачу и легкомогут быть заменены при их повреждении. Кроме этого, при ихприменении упрощается отливкаблока цилиндров. Однако жесткость блока уменьшается и дополнительно появляется возможностьдля развития кавитационных явлений в полости охлаждения, чтосвязано с повышенной вибрациеймокрых втулок. Заметим, что кавитационным повреждениям подвержены втулки практически всехтипов двигателей и именно этимиповреждениями зачастую определяется их ресурс.В зависимости от способа установки в блоке цилиндров можновыделить втулки, опирающиесябуртом на верхнюю плиту блока,и так называемые подвесныевтулки, соединенные с крышкойцилиндра относительно тонкимишпильками и образующими с последней комплект, закрепляемыйв корпусе двигателя основнымисиловыми шпильками.Первый вид втулок наиболее распространен и нашел применение вдвигателях практически всех типов.Конструкция втулки должна обеспечить, с одной стороны, невысокийуровень деформаций и напряженийот монтажных усилий и нагрузки отдавления газа, а с другой – умеренный уровень температур и температурных напряжений.Охлаждение является одним изнаиболее важных вопросов, который приходится решать при проектировании втулок, особенно привысоком уровне форсирования посреднему эффективному давлениюре.
В форсированных высокооборотных двигателях специального назначения иногда применяют тонкостенные стальные гильзы. Относительно невысокая жесткость – однаиз причин повышенного изнашивания тонкостенных гильз и их склонности к кавитационным разрушениям. Поэтому ресурс таких втулок(гильз) невелик, но соответствуетзаданному ресурсу двигателей указанного класса.Во всех случаях охлаждению подлежит верхняя часть втулки, соприкасающаяся с горячими газами. Эффективное охлаждение достигается спомощью сверлений, по которымохлаждающая жидкость близко подводится к горячей поверхности втулки без существенного снижения еепрочности. Сверленые втулки нашли применение, прежде всего, вкрупных судовых дизелях при форсировании по среднему эффектив364Рис.
9.19. Втулка с отверстиями для интенсификации охлажденияному давлению (рис. 9.19). В двигателях с небольшим диаметром цилиндра применение системы сверлений с малыми проходными сечениями нерационально.ем разности D2–D1, повышается напряжение изгиба в верхнем поясе.Высота фланца составляет 7–10 %диаметра цилиндра D.Для повышения герметичностигазового стыка на фланце втулки выполняют кольцевой буртик шириной2–5 мм, выступающий над плоскостью блока не более чем до 0,15 мм взависимости от типа уплотняющейпрокладки и диаметра цилиндра.Среднее контактное давление в зонестыка составляет 14,5–20,0 МПа.Однако основное усилие приходитсяна зону выступающего буртика, гдеконтактное давление достигает 145–200 МПа и обычно неравномернораспределено по окружности.
Последнее искажает форму рабочей поверхности цилиндра, отрицательновлияет на работоспособность цилиндропоршневой группы и увеличивает расход смазочного масла.В некоторых двигателях с принудительным воспламенением, в которых усилия, действующие на гильзу,относительно невелики, опорныйфланец иногда располагают значительно смещенным от верхней плоскости блока (рис.
9.20, б, в). При9.4.1. Анализ конструкции втулок(гильз) цилиндров. Материалывтулок (гильз) цилиндровВ зависимости от назначения итипа двигателя конструкции втулокцилиндров имеют ряд особенностей.В автомобильных и тракторныхдвигателях применяют мокрые гильзы с верхним опорным буртом, полученные литьем из чугуна (см. рис.9.18, а, б и 9.20, а).
Опорная площадьфланца, ограниченная диаметрамиD1 и D2, составляет 8–15 % площадипоршня. При этом давление от силзатяжки шпилек, крепящих головкуцилиндра к блоку, по кольцу (D2–D1)не должно превышать 380–420 МПадля чугунных и 140–180 МПа дляалюминиевых блоков. С увеличениРис. 9.20. Способы опирания гильзы цилиндрав блоке:а – верхним опорным поясом; б, в – нижним опорным поясом365этом уменьшается температура верхней части гильзы и соответственнопоршневых колец.Для правильного расположения вблоке и сохранения формы при работе гильзу центрируют по двум направляющим поясам, при этом диаметр верхнего пояса должен бытьнесколько большим по сравнению снижним.
В последнем для обеспечения свободного удлинения гильзыпри работе предусматривается зазор0,05–0,13 мм при свободной посадке. Уплотнение полости охлажденияспециальными резиновыми кольцами выполняют обычно лишь понижнему направляющему поясу.Круглые или прямоугольные в сечении кольца из тепло, масло и водостойкой резины закладываются в канавки на наружной поверхностинижнего пояса.
Обычно устанавливают два (рис. 9.20, б) или три(см. рис. 9.18, а, б) кольца. В последнем случае прямоугольное верхнеекольцо увеличенной высоты, разжимаясь в результате сжатия при монтаже втулки (гильзы) в блоке, препятствует изнашиванию и кавитации в области нижнего уплотняющего пояса.В процессе работы при перекладках поршня возникает высокочастотная вибрация стенок гильзы,интенсифицирующая кавитационные явления на охлаждаемой поверхности. Для уменьшения интенсивности кавитации, приводящей кразрушению стенок цилиндров, необходимо выполнить следующее:уменьшить зазоры между поршнеми гильзой; провести специальноепрофилирование юбки поршня;применить замкнутую систему охлаждения; повысить стойкость поверхностей путем их химикотермической обработки; увеличить проходные сечения охлаждающей полости, а также использовать эмульсионные присадки и, наконец, повысить жесткость гильзы и дополнительно ограничить ее перемещение в поперечном направлении.Жесткость можно увеличить применением упрочняющих ребер на наружной поверхности гильзы, таккак увеличение толщины стенкиповышает тепловую напряженность.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
