Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 80
Текст из файла (страница 80)
По формуле(2.135) определяют коэффициентзапаса прочности при условном статическом нагружении. Одновременно по формуле (2.147) следует определить коэффициент запаса прочности ns с учетом влияния переменной нагрузки рz. Величину sа в формуле (2.147) определяют по переменной составляющей напряженийизгиба, возникающей от pz. Нижнийпредел ns составляет порядка 1,5.К описанной модели первогоуровня определения НДС втулки поддействием газовой и температурнойнагрузок относится также методикаопределения напряжений, возникающих в верхнем бурте (фланце) втулки, от сил затяжки шпилек Ршп.
Впервом приближении принимают,что усилие затяжки, как и опорная¢ , равномерно расреакция блока Pшппределены соответственно по ок¢ (см.ружностям радиусов rшп и rшприс. 9.37, а). Рассматривая фланецкак кольцо (см. рис. 9.37, б), нагруженное силами затяжки шпилек,выражения изгибающего моментаМ1к и угла поворота jк можно представить в виде¢ - rшп ) - M 1 - 0,5N 1 h]M 1к = [Pшп (rшпjк =M 1к rц2;EJ кwк =-N 1 rц2,EF кrшп;¢rшп(9.19)где rц » rоп – радиус центра тяжести3кольца; Jк = Bh /12 – момент инерции сечения кольца; F = Bh – площадь кольца.Из условий совместимости деформаций фланца и оставшейся384части втулки определяют неизвестную силу N1 и момент M1 в местесопряжения с использованием зависимости для перемещения оболочки w¢ = e-bx(C3cosbx + C4sinbx):N 1 = bM 1 ;¢ - rшп )Pшп (rшпM1 =.¢ (1 - m 2 )h 3 Brшп1 + 0,5hb +2rшп2bt п¢ 3 rопДля рассматриваемого случаяh = 0,023 м; B = 0,016 м; rшп =¢ = 0,074 м; rоп == 0,068 м; rшп= 0,066 м; t п¢ = 0,012 м; b = 42,78 м-1;iPпр 0125, m(1 - c) pz D 2Pшп ==; m = 3;rшп2 prшпc = 0,2.Напряжения изгиба в месте сопряжения фланца и оболочкиs изг = ±6M 1= ±8,3 pz .t п¢ 2Полученное напряжение не должно превышать пределы, рекомендованные для sэкв.
Снизить sизг можно,¢ - rшп ). Однауменьшая разность (rшпко при этом возрастают напряжениясмятия sсм на опорной поверхностифланца (бурта)s см =iPпрF фл,где Fфл – опорная площадь фланца.Для чугунных втулок [sсм] £ 80–100 МПа. При применении уплотняющего кольцапрокладки среднее давление в уплотняющей канавкеpупл =iPпрpD к b,где Dк, b – соответственно диаметри ширина уплотняющей канавки.Допускаемые значения [рупл]для прокладок из стали и медисоответственно составляют 100 и40 МПа.Рассмотренная модель первогоуровня является аналитической идопускает уточнение расчета спомощью увеличения числа участков, на которые по длине разбивается втулка.
Однако приэтом возрастает сложность модели и теряется ее преимуществопо сравнению с моделями, основанными на применении численных методов. Поэтому для проведения уточненных расчетов деформаций и напряжений во втулке (гильзе) цилиндра следует решать задачу теории упругости восесимметричной (модель второго уровня) или трехмерной (модель третьего уровня) постановке.При этом, как правило, используют метод конечных элементов.Неизвестными задачи будут перемещения ui узловых точек конечных элементов, на которые разбивается втулка. Эти перемещения находятся из условия стационарности dП = 0 полной потенциальной энергии П (втулки),определяемой выражением (2.28).Минимизация функционала П поузловым перемещениям ui приводит к системе линейных алгебраических уравнений вида (4.50).На рис.
9.38 представлено распределение окружных температурных напряжений в меридиональном сечении втулки (гильзы) цилиндра из чугуна, вызванных температурным полем, показанном нарис. 9.35. Наибольшие температурные напряжения, возникающие вобласти верхнего бурта гильзы, составляют -50 МПа и связаны сконцентрацией напряжений.На рис.
9.39 дано распределениеокружных напряжений от давления385Рис. 9.38. Распределение температурных напряжений в гильзе цилиндраРис. 9.39. Распределение напряжений от давления газов в гильзе цилиндра автомобильногодизеляРис. 9.40. Объемная конечноэлементная модель, распределение температур и напряжений от силзатяжки шпилек и давления газов pz в верхнем поясе подвесной втулки цилиндра386газов рz = 14 МПа. Наибольшиерастягивающие окружные напряжения составляют 65 МПа и возникают в верхнем бурте гильзы.В случае подвесных втулок наличие во фланце (верхнем бурте) перепускных отверстий для охлаждающейжидкости и резьбовых сверлений подшпильки, прикрепляющие втулку ккрышке цилиндра, нарушают осевуюсимметрию. Для определения напряжений в наиболее нагруженных зонахотверстий в верхнем поясе требуетсяиспользование трехмерной конечноэлементной модели втулки или, покрайней мере, части ее, содержащейверхний бурт.
На рис. 9.40, а и б показаны соответственно объемная конечноэлементная модель, распределение температур и напряжений отсил затяжки шпилек и давления газоврz = 18 МПа в верхнем поясе подвесной втулки цилиндра.Обращение к трехмерным конечноэлементным моделям неизбежнотакже при определении ТНДС втулок цилиндров двухтактных двигателей, имеющих продувочные окна, ав случае двигателей с противоположно движущимися поршнями также ивпускные окна, в перемычках которых возникают высокие напряжения, являющиеся причиной появления термоусталостных трещин.9.6.
Основы конструированияголовок (крышек) цилиндровдвигателей жидкостного ивоздушного охлажденияГоловка (крышка) относится ккорпусным деталям двигателя. Соединенная с корпусом, она, замыкая силовую схему двигателя сверху, образует совместно с днищемпоршня и стенками цилиндра камеру сгорания и воспринимает давление газов, возникающее во времясжатия и сгорания в цилиндре двигателя. В четырехтактных двигателях в головке (крышке) цилиндроврасполагаются впускные, выпускные каналы и соответствующиеклапаны с элементами привода, а вдвухтактных двигателях с клапаннощелевой схемой газообмена –выпускные клапаны.
В двигателяхс принудительным воспламенением в головке цилиндров устанавливают свечи зажигания, а в дизелях – форсунки для впрыскиваниятоплива в камеру сгорания, устройства для пуска, индикаторные краны и др.В зависимости от типа и назначения двигателя число клапанов вцилиндре изменяется от одного вкрупных судовых малооборотныхдвухтактных двигателях до пяти(шести) в быстроходных автомобильных двигателях.
На рис. 9.41 и9.42 представлены схемы расположения клапанов в крышках (головках) цилиндров двух и четырехтактных двигателей.Одноклапанная схема (рис. 9.41, а),применяемая в МОД, обеспечиваетблизкую к осесимметричной конструкцию крышки цилиндра, чтоспособствует снижению напряжений в крышке, а также эффективному использованию кинетическойэнергии отработавших газов.Двухклапанная схема (рис. 9.41, б),характерная для быстроходных двухтактных двигателей (автомобильныхРис.
9.41. Схемы расположения выпускных клапанов в крышках (головках) цилиндров двухтактных двигателей:а , б и в – соответственно одно, двух и четырехклапанные схемы387дизелей), при продольном расположении клапанов обеспечивает удобство их привода. При поперечномрасположении клапанов имеет местоповышение тепловой нагрузки наклапан, расположенный ниже по потоку отработавших газов (ОГ).Четырехклапанная схема (рис.9.41, в) характерна для среднеоборотных, в частности, тепловозныхи судовых двухтактных дизелей ипредусматриваетодностороннийвыпуск ОГ. Распределение выпускана обе стороны крышки цилиндрасущественно усложняет конструкцию двигателя.В четырехтактных двигателяхдвухклапанную схему (рис.
9.42, а) впрошлом широко применяли в быстроходных автомобильных двигателях с принудительным воспламенением и продолжают использовать, вчастности, в тракторных дизелях. Вдальнейшем наметился переход намногоклапанные головки – трехклапанные с двумя впускными и однимвыпускным клапаном (рис. 9.42, б) ичетырехклапанные с двумя впускными и двумя выпускными клапанами(рис. 9.42, в). С повышением числаклапанов на один цилиндр уменьшаются масса клапанов и инерционная нагрузка на элементы механизмагазораспределения. Однако увеличение числа клапанов более четырехможет привести к уменьшению суммарной площади проходных сечений горловин клапанных каналов.Выше были рассмотрены лишь некоторые наиболее распространенные схемы расположения клапанов.Число возможных вариантов расположения клапанов весьма велико.Применительно к различным типамдвигателей наибольшее применениенаходит четырехклапанная схема.В зависимости от размеров цилиндра и особенностей двигателя головку выполняют блочной, общей навсе или ряд цилиндров, или индивидуальной на каждый цилиндр.
Намногоцилиндровых двигателях индивидуальные головки (крышки) применяются при диаметре цилиндрасвыше 120–140 мм. Преимуществоминдивидуальных головок являетсяменьшая сложность изготовления отливки и удобство при эксплуатации,что особенно проявляется с увеличением диаметра цилиндра.В дальнейшем термин "головка"будет использоваться применительно к автомобильным, тракторным и авиационным двигателям, атермин "крышка" – применительнок тепловозным, судовым и стационарным двигателям.Головки и крышки выполняют сжидкостным и воздушным охлаждением. Последнее применяют надвигателях с диаметром цилиндрадо 140–150 мм.Рис.
9.42. Схемы расположения впускных и выпускных клапанов в крышках (головках) цилиндровчетырехтактных двигателей:а, б, в, г – соответственно двух, трех, четырех и пятиклапанная схемы388Тип двигателя во многом определяет конструкцию головки. Так,головки (крышки) двухтактных двигателей с петлевой схемой газообмена достаточно просты по конструкции, так как в них отсутствуютклапаны. Наличие газовоздушныхканалов в головках (крышках) четырехтактных двигателей с верхнимиклапанами усложняет конструкцию.При этом конструкция во многомзависит от числа клапанов, приходящихся на один цилиндр, взаимного расположения газовых и воздушных каналов, каналов для охлаждающей жидкости, формы камерысгорания, расположения форсункиили свечи зажигания, числа отверстий под крепежные шпильки, атакже наличия различных вспомогательных отверстий. Форма наружных стенок во многом определяетсякомпоновочными соображениями,требованиями к прочности и жесткости конструкции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
