Глава 3

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ПРЕДПОСЫЛКИ К РАСЧЕТУ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ

1. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ ДВИГАТЕЛЮ

Проектирование двигателя является сложным процессом, при котором специалистам приходится решать комплекс проблем, свя­занных с удовлетворением требований, определяемых назначением двигателя и условиями его эксплуатации. Для создания высокопро­изводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной тех­ники автотракторные двигатели должны обеспечивать: # высокую надежность в разнообразных эксплуатационных условиях; # необ­ходимую мощность при малой массе и габаритах, наибольшую топливную экономичность на всех режимах работы; # норматив­ные шумность и вибрацию двигателя, а также дымность и токсич­ность отработавших газов; 0 хорошие пусковые качества; # лег­кость управления и автоматизацию работы; # простоту техничес­кого обслуживания и ремонта; # минимум эксплуатационных за­трат труда в материалов.

Одним из главных эксплуатационных требований является обес­печение надежности двигателя, поскольку с надежностью напрямую связаны расходы на поддержание работоспособности двигателя в эксплуатации и расходы, вызванные простоем машины из-за отказов двигателя.

Под надежностью понимают свойство объекта выполнять за­данные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в установленных пределах при заданных условиях его эксплуатации, технического обслуживания и ремонтов в течение требуемого про­межутка времени и (или) требуемой наработки. Заданной функцией для двигателя будет обеспечение энергией той транспортной, до­рожно-строительной или сельскохозяйственной машины, для кото­рой он предназначен.

62

2. ВЫБОР ТИПА ДВИГАТЕЛЯ И ЕГО ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

При проектировании двигателя в большинстве случаев считают­ся заданными его назначение, условия работы, погребная мощность и соответствующая ей частота вращения коленчатого вала.

При выборе на стадии проектирования типа двигателя учитыва­ют как тенденции развития двигателестроеиия и автомобильного транспорта в целом, так и социально-экономические аспекты, в пер­вую очередь связанные с вопросами экономии сырьевых и энер­гетических ресурсов, охраны окружающей среды, безопасности экс­плуатации, надежности и т. д.

С учетом этих факторов основной энергетической установкой для грузовых автомобилей средней и большой грузоподъемности, автобусов, тракторов и дорожно-строительных машин является дизельный двигатель. Двигатели с искровым зажиганием устанав­ливают преимущественно на легковых и грузовых автомобилях малой грузоподъемности (до 2,5 т).

Следующим этапом при проектировании двигателя является выбор его системы охлаждения, ко^орая в значительвой мере опре­деляет конструкцию и эксплуатационные качества двигателя.

После определения типа двигателя и системы охлаждения с уче­том его назначения и условий работы на основе статистических данных для двигателей аналогичного типа устанавливают ориен­тировочные значения литровой мощности и среднего эффектив­ного давления р_в проектируемого двигателя и тем самым оценивают уровень его форсированностй. Значения N_aн р_в впоследствии уточ­няют с помощью плов ого расчета рабочего цикла.

Далее приступают к выбору основных конструктивных тримет­ров: количества и расположения цилиндров, отношения хода по­ршня к диаметру цилиндра (SjD), отношения радиуса кривошипа к длине шатуна (А=г//_Ш).

Количество и расположение цилиндров двигателя определяются местом установки двигателя на транспортном средстве, габарит­ными размерами подкапотного пространства, мощностью двига­теля, размерами цилиндра, уравновешенностью сил инерции враща­ющихся и поступательно движущихся масс и моментов от них, степенью равномерности крутящего момента.

С увеличением количества цилиндров улучшаются уравновешен­ность двигателя и равномерность его хода, облегчается пуск, умень­шается масса маховика. Вместе с тем увеличение количества цилин~ дров приводит к усложнению конструкции двигателя и росту затрат на обслуживание в эксплуатации.

При данном рабочем объеме двигателя количество цилиндров выбирают с учетом диаметра цилиндра, на размеры которого вли­яют организация рабочего процесса, механическая нагруженность и тепловое состояние деталей поршневой группы.

63

Основная масса автотракторных дизелей, выпускаемых промы­шленностью, имеет диаметр цилиндра, находящийся в диапазоне

100. . 140 мм. При меньших диаметрах цилиндра ухудшаются усло­вия смесеобразования и сгорания из-за снижения интенсивности движения воздушного заряда, а при больших возрастают тепловые и механические нагрузки на головку цилиндра и поршень.

В двигателях с искровым зажиганием максимальное значение диаметра цилиндра ограничивается детонацией, вероятность кото­рой повышается с увеличением расстояния от электродов свечи до наиболее удаленных объемов топливовоздушной смеси. Ввиду это­го диаметр цилиндра двигателей с искровым зажиганием не превы­шает 105 мм.

При отмеченных выше диаметрах цилиндров на средних, боль­шегрузных автомобилях и автобусах устанавливают преимущест­венно шести- и восьмшшлиндровые двигатели. Для легковых авто­мобилей в большинстве случаев применяют четырехцилиндровые двигатели.

По расположению цилиндров автомобильное и тракторные дви­гатели разделяют на однорядные и V-образные.

Среди четырех- и шестицилиндровых двигателей преобладают модели с однорядным расположением цилиндров. Двигатели, вы­полненные по подобной схеме, хорошо компонуются как на авто­мобилях с кабиной за двигателем, так и на автомобилях с кабиной над двигателем. Они имеют достаточно простую конструкцию блок-картеров и удобны для обслуживания в процессе эксплуата­ции.

Значительно реже применяют шестицилиндровые двигатели с V- образным расположением цилиндров. Одним из препятствий к при­менению таких двигателей является неравномерность чередования рабочих ходов, которая увеличивает неравномерность крутящего момента, вызывает больший размах цикла напряжений в элементах коленчатого вала, повышает нагрузки на упругие элементы подве­сок, приводят к росту вибраций двигателя, требует установки махо­вика с увеличенным маховым моментом.

Исключение составляют рассматриваемые двигатели со смещен­ными шатунными шейками коленчатого вала для каждой пары шатунов смежных цилиндров. При этом достигается равномерное чередование рабочих процессов отдельных цилиндров, но усложня­ется конструкция коленчатого вала.

В двигателях с количеством цилиндров восемь и более применя­ют V-сбразное расположение цилиндров.

Достоинством V-образных двигателей по сравнению с одноряд­ными той же мощности является уменьшение удельной массы дви­гателя, его габаритных размеров (длины и высоты) и, как следствие, повышение жесткости блок-картера и коленчатого вала.

При конструировании V-образных двигателей особое внимание уделяют выбору угла развала цилиндров у, от значения которого 64

зависят уравновешенность двигателя, равномерность его хода и га­баритные размеры. Наибольшее распространение получили углы развала у = 60, 90, 120, 180°.

Одними из наиболее принципиальных параметров двигателя являются конструктивные соотношения в его КШМ, такие, как коэффициент короткоходности К= (S/D), а также отношение ради­уса кривошипа к длине шатуна X=r{i_m.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК И РЕЖИМОВ

Во время работы двигателя механические нагрузки вызываются силами давления газов, силами инерции поступательно движущихся и вращающихся масс, силами трения, а также упругими колебани­ями, развивающимися в результате переменности и периодичности действующих сил. В элементах двигателя имеют место также тер­мические напряжения, возникающие в том случае, если по объему детали имеется градиент температур.

Величина и характер изменения основных нагрузок, воздейству­ющих на детали двигателя, зависят от режима работы двигателя. При этом расчет деталей на прочность производят для установив­шихся режимов работы, при которых рассчитываемые детали нахо­дятся в наиболее тяжелых условиях. Учитывают также н продол­жительность работы двигателя на этих режимах, что является важ­ным для установления зависимости между полученными напряже­ниями, запасами прочности и показателями надежности.

Для двигателей с искровым зажиганием характерными являются

следующие расчетные режимы:

9 максимального крутящего момента Д/, при частоте вращения и = (0,4...0,6) п_л> когда давление газов в цилиндре достигает мак­симальных значений, а силами инерции можно пренебречь;

• номинальной мощности N_tK при частоте вращения л„ в случае необходимости учета совместного влияния сил давления газов и сил инерции;

ф максимальной частоты вращения холостого хода, при кото­рой силы инерции достигают наибольших значений, а давление газов незначительно.

Для двигателей с искровым зажиганием без ограничителя часто­ты вращения принимается и_тпил=(1,4...1,6) а с ограничителем частоты вращения — и_ИПШ1[ = (1,1...1,15) п..

Расчетные режимы для быстроходных дизелей:

ф номинальной мощности N_e„ при частоте вращения п_И, когда достигаются наибольшие давления сгорания;

• максимальной частоты вращения холостого хода п„„„ = = (1,05... 1,07) «н, определяемой работой регулятора, при которой максимальные значения имеют силы инерции.

3-548

65

4. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ НА ПРОЧНОСТЬ С УЧЕТОМ ПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК

При расчете деталей, находящихся под действием статических нагрузок, напряжения в деталях не должны превышать пределов прочности <7, н т, для хрупких либо пределов текучести <г_т и т_т для пластичных материалов (соответственно для нормальных и каса- тельных напряжений).

Многие детали двигателя, которые работают в условиях пере- менных и знакопеременных нагрузок, разрушаются при напряжени- ях, меньших предела прочности материала. При расчете на про- чность под действием циклически изменяющихся во времени пере- менных нагрузок за основу берут напряжение, называемое пределом выносливости o_t. Предел выносливости определяется как макси- мальное напряжение, которое может выдержать материал детали при заданном числе (обычно 10⁷) циклов нагружения.

Предел выносливости для автотракторных деталей зависит не только от материала и его структуры, но и от таких факторов, как характеристики цикла нагружения, вид напряженного состояния, форма и размеры деталей, форма переходов и сопряжений, состоя- ние поверхностей, способы механической и термической обработки.

Различают симметричный, асимметричный, нулевой и сложный циклы нагружения. Каждый из этих циклов характеризуется макси- мальным «Где и минимальным Отщ напряжениями цикла, средним напряжением <т,=(о-_м, + <г^„)/2. амплитудой цикла c_a=(<r_mtx — <j_mill)/2 и коэффициентом асимметрии цикла г— Максимальное

напряжение цикла а„„ можно представить как сумму а„ (постоян- ной составляющей цикла) и о_а (переменной составляющей цикла).

Наиболее опасным для усталостных разрушений является сим- метричный цикл, у которого амплитуда с_в=а_шл~—с_а^, a„=Q, г*= — 1. Этот цикл по сравнению с другими циклами имеет наиболь-

шую амплитуду при одинаковых значениях С уменьшением амплитуды цикла а_в максималь- ное напряжение, соответствую- щее пределу выносливости, воз- растает.

Влияние коэффициента асим- метрии г на предел выносливос- ти может быть установлено по диаграммам предельных ампли- туд (рис. 3.1), полученных по ре- зультатам экспериментальных испытаний цилиндрических об-

Рис. 3.1. Диаграмма предельных ампля- разцов. Эта диаграмма строится туд в координатах <г_а—а_т и характе-

66

ризует зависимость предельных амплитуд цикла от значения коэф­фициента асимметрии.

На диаграмме предельных амплитуд точка А соответствует пределу выносливости при симметричном цикле ст_,, а точка С — пределу текучести <г_т. Любая точка D с координатами и с„, расположенная на площади под кривой, соответствует определен­ному циклу с коэффициентом асимметрии г, так как тангенс угла наклона луча, проведенного из начала координат О через точку D,

<з_в 1 -г

^tgV = -=—•

О_т 1+»”

Сумма координат этой точки равна максимальному рабочему напряжению цикла

^ 0гши ^{= (}*а+^ат-

Предельная амплитуда для цикла с заданным коэффициентом асимметрии находится на пересечении продолжения луча OD с кри­вой диаграммы (точка В), а предел выносливости <г_г — как сумма координат этой точки:

<^re = cr<ir + «^rmf

При расчетах на прочность с учетом знакопеременной нагрузки для нормальных н касательных напряжений определяют запас про­чности, под которым понимают отношение предельно допустимого напряжения а, (т,) для детали к максимальному действующему

Of

Л#-** j ^

При этом предел выносливости а, (т,), при определенной асим­метрии цикла напряжений может быть равным пределу текучести

<?7 (т_т).

При возникновении в деталях нормальных и касательных напря­жений, удовлетворяющих условию

°а fie — ^ / /г 1 \

• > —— или — > (область 1 на диаграмме),

1-л 1—а

расчет производится по пределу выносливости, где 0, — a-ij^, /?, = = т_]/т_т, а ос, (оц) — коэффициент приведения заданного асиммет­ричного цикла к равноопасному симметричному.

При невыполнении этого условия расчет производят по пределу текучести {с>=сг_т).

Из диаграмм предельных напряжений может быть получено выражение для запаса прочности без учета концентрации напряже­ний, размеров и способов обработки поверхности в виде

67

при расчете по пределу выносливости или

> Hjt

*ш+1щ

□ри расчете по пределу текучести.

Влияние на запас прочности концентраций напряжений, вызыва­емых наличием в деталях резких изменений ее формы, абсолютных размеров н качества обработки поверхности, учитывается соответ­ственно эффективными коэффициентами концентрации напряжений К, и K_t, масштабными факторами е, и е„ технологическими фак­торами в, и г\.

С учетом влияния концентрации напряжений, размера и качества обработки поверхности детали выражение запаса прочности при расчете по пределу выносливости для нормальных напряжений име­ет вид

д ля касательных напряжений

При сложном напряженном состоянии (при совместном дейст­вии касательных и нормальных напряжений) запас прочности вычи­сляют, используя выражение