Глава 4

ЦИЛИНДРОВАЯ ГРУППА И КАРТЕРЫ

Корпус двигателя является базовым элементом, на котором монтируются его основные механизмы и системы и с помощью которого обеспечивается установка ДВС на транспортном средстве. Корпус формируется совокупностью следующих элементов: цилинд­ров или блока цилиндров и картера, обычно состоящего из двух разъемных частей: верхней и нижней. Последняя в двигателях с мок- рым картером является емкостью для масла и называется масля* ным поддоном.

В большинстве конструкций современных автотракторных ДВС внутрицилиндровые пространства герметизируются головкой ци­линдров, которая с помощью анкерных связей в виде шпилек или болтов фиксируется на блоке цилиндров, а стык между ними уплот­няется прокладкой.

В автотракторных двигателях указанные элементы могут иметь различную конструкцию и компоновку, образуя многообразие кон- тгруюивных схем. Так, в зависимости от компоновки цилиндров различают следующие автомобильные ДВС: линейные (однорядные) и двухрядные (V-образные). На конструкцию корпуса большое вли­яние оказывает тип системы охлаждения (воздушная или жидкост­ная). Так, для двигателей с жидкостным охлаждением характерно объединение цилиндров в единый узел, называемый блоком цилинд­ров, что позволяет существенно повысить жесткость корпуса ДВС. В двигателях воздушного охлаждения цилиндры обычно изготовля­ют индивидуально, что связано с технологическими сложностями отливки блока с наружным оребрением. В ряде случаев цилиндры блока выполняют в виде автономного элемента и называют гиль­зами. В автотракторных двигателях с жидкостным охлаждением с количеством цилиндров в раду менее шести блок цилиндров и верхнюю половину картера обычйо выполняют в воде единой отливки, называемой блок-картером. Это наиболее предпочтитель­ная конструкция корпуса двигателя, обеспечивающая его наиболь­шую жесткость.

В процессе эксплуатации элементы корпуса двигателя подвер­жены воздействию ряда факторов, решающим образом влияющих на их конструкцию и определяющих условия работы корпуса ДВС.

69

ф высокие, циклически изменяющиеся силовые нагрузки от дей­ствия газовых и инерционных сил;

• высокие температура и давление рабочего тела, движущегося с высокой скоростью во внутрицилиндровом пространстве и содер­жащего коррозионно-активные элементы;

• высокие относительные скор ост л перемещения движущихся сопряженных элементов цилиндропоршневой группы и в ряде слу­чаев деталей подшипниковых узлов при больших удельных давле­ниях между ними;

0 большие градиенты температур по объему элементов при высокой степени их нагрева;

0 коррозионное и эрозионное воздействие на наружные элемен­ты корпуса.

Функциональное назначение и условия работы корпуса двига­теля и отдельных его элементов формируют ряд фундаментальных требований к его конструкции, таких, как:

• максимальная жесткость конструкции самого корпуса и эле­ментов для установки и крепления двигателя на автомобиле, что необходимо для ограничения деформаций, которые могли бы при­вести к изменению взаимного расположения сопряженных подви­жных элементов с частичной (повышенный износ) или полной (за­клинивание или поломка) потерей их работоспособности;

• минимально возможная масса.

Удовлетворение этих двух в значительной мере взаимоисключа­ющих требований является ключевой проблемой конструирования корпуса двигателя, суть которой сводится к поиску таких конструк­тивных решений, которые позволили бы обеспечить наибольшую жесткость корпуса без увеличения его материалоемкости.

В современных автотракторных двигателях масса корпуса со­ставляет 25...35% от массы всего двигателя.

Относительно меньшую массу по сравнению с линейными имеет корпус V-образных двигателей.

1. КОРПУСНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ЖИДКОСТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

А Блоки я картеры. Блок цилиндров состоит из следующих элементов: боковых и торцевых стенок, межцилиндровых перемы­чек* и верхней горизонтальной плиты, объединенных термином «водяная рубашка», а также цилиндров. Если в цилиндры, отлитые совместно с водяной рубашкой, устанавливают тонкостенные гиль­зы, то гильзы называют сухими. Если цилиндры съемные и омыва­ются охлаждающей жидкостью, то их называют мокрыми гильзами.

Картер состоит из перегородок коренных опор, боковых стенок, верхней горизонтальной опорной плиты и нижней привалочной

•В некоторых конструкциях блоков данный элемент может отсутствовать.

70

плоскости, на которой фиксируется масляный поддон. Последний может быть выполнен как в виде тонкостенной конструкции, об­разующей емкость для сбора н размещения масла, так и в виде монолитного несущего элемента, что способствует повышению же­сткости корпуса.

По тому, как элементы корпуса двигателей с жидкостным охла­ждением воспринимают нагрузку от газовых сил, различают следу­ющие их силовые схемы.

1. С несущим блоком цилиндров (рис. 4.1, а), когда силы давле­ния газов воспринимаются головкой, силовыми болтами (шпиль­ками), опорами коренных подшипников и нагружают растягива­ющими усилиями стенки блока цилиндров. Разновидностью данной силовой схемы при мокрых гильзах называют схему «с несущей рубашкой» (рис. 4.1, б). При этом газовые силы нагружают (рас­тягивают) только стенки водяной рубашки.

2. С несущими силовыми шпильками (рис. 4.1, в). Силы газов, действуя на головку, воспринимаются длинными шпильками, кото­рые крепятся в верхней части картера. При этом рубашка охлажде­ния и мокрые гильзы, имеющие опорный бурт в нижней части, в результате предварительной затяжки шпилек находятся в сжатом состоянии и газовые силы разгружают их. Блок-картеры, выполнен­ные по данной схеме, могут отливаться из алюминиевого сплава в силу их меньшей нагруженности.

Практика двигателестроення выработала ряд типовых конструк­тивных мероприятий, позволяющих повысить жесткость корпусов ДВС без существенного увеличения их металлоемкости, основными из которых являются:

^ выполнение корпуса двигателя в виде единой отливки блока

Рис. 4.1. Силовые схемы ДВС с жидкостным охлаждени­ем:

а — с несущим блоком цилиндров, 6 — с несущей рубашкой,« — с весуидамн свловимя ишвльжамв

71

цилиндров и картера (блок-каргер), что, обеспечивая высокую жест*- кость корпуса ДВС, одновременно способствует уменьшению его массы вследствие возможности уменьшения количества элементов конструкции;

ф использование полноопорных коленчатых валов. При этом из-за большего количества перегородок конструкция блок-картера получается более жесткой (рис. 4.2, о);

Ф оребренне перегородок коренных опор, а также усиление боковых стенок системой ребер и введение ребер между приливами для силовых болтов/шпилек и опорами коренных подшипников (рис. 4.2, б);

Ф выполнение плоскости крепления нижней половины картера ниже плоскости разъема коренных опор, вследствие чего силы и мо­менты, передаваемые на корпусные элементы, воспринимаются большим объемом металла (рис. 4.2, в);

0 использование туннельного картера, не имеющего разъема по коренным опорам (рис. 4.2, г);

ф введение специальной горизонтальной плиты в виде рамы или детали коробчатой формы, связывающей между собой крышки коренных опор (рис. 4.2, с>).

При проектировании блок-картера силовые болты (шпильки) для крепления головки цилиндров целесообразно располагать на минимальном одинаковом расстоянии от оси цилиндров. Они раз-

№. 4.2. Основные конструктивные мероприятия по повышению жесткости блок-

картера:

а — переход от неполноолорвого g поляооаорному коленчатому валу, 6 — оребренне оерегоро- дож конечных опор я боковых стенок, в — яовихевае плоскости разъема картера, г — туннель­ные картер, д — рамная штата или коробчатая конструкция масляного поддона, объединенная

с крышками коренных опор

72

мешаются в специальных, приливах, выполненных в местах сое дин ния стенок водяной рубашки с поперечными перегородками в (ил: верхней опорной плоскостью блока. Желательно, чтобы оси скл< вых болтов (шпилек) совпадали с осями элементов креплеш крышек коренных опор. Это позволяет избежать аоявлет дополнительных моментов, нагружающих элементы блок-ка] тера.

А Цилиндры. Изготовление негильзованного блока цнлиндро в котором отдельные цилиндры располагаются в единой отлив! совместно с элементами водяной рубашки, обеспечивает высоку] прочность и жесткость блок-картера. Такая конструкция cuocof ствует уменьшению габаритов, массы и сокращению объема мех; нической обработки.

Однако при этом технологически сложно получить качествениу] отливку со стабильными геометрическими параметрами, что обе печивало бы высокую износостойкость и долговечность цилиндр Кроме того, при выходе из строя одного из цилиндров требуеп замена всего блока.

Блоки цилиндров с мокрыми вставными и сухими гильзам в большей или меньшей степени лишены указанных недостатко При этом упрощается технология отливки блок-картеров, для ни становится возможным использование менее дорогостоящих мат< риалов и только для гильз — более качественных, уменьшаете неравномерность нагрева, а следовательно, и термическое коробл ние гильз и блоков, уменьшаются затраты на ремонт.

Сухие гильзы изготовляют двух видов: с верхним опорным бу| том и без него (рис. 4.3, а, б). Толщина стенок таких гильз цилиш ров составляет 2...4 мм. Гильзы второго типа спрессовывают блок с некоторым натягом с целью фиксации их для окончательно обработки после установки в блок и при работе двигателя. Гилъз с опорными буртами по завершении механической обработки 3!

Рве. 4.3. Основные типы гильз цилиндров: а — сухая б» опорного бурта, 6 — сухая с верхним опорным буртом, < — мокрая с мрхэтм опорным фланцем, г — мокрая с вихним опорным флаяцем, д — мокрая оо средним опорным фланцем

ирессовывают в блок или устанавливают в нем по скользящей посадке с зазором 0,01...0,04 мм. Сухие гильзы также могут выпол- няться в виде вставки в верхней зоне цилиндра, подверженной наибольшему износу.

Особое внимание при монтаже сухих гильз уделяют обеспече- нию хорошего контакта с блоком. В противном случае ухудшаются условия теплоотвода от гильзы в охлаждающую жидкость, а ради- альная эпюра распределения температур становится более нерав- номерной, что вызывает ее нежелательную дополнительную дефор- мацию в цилиндре.

Мокрая вставная гильза имеет опорный фланец, который рас- полагается в верхней, средней или нижней части гильзы в кольцевых приливах блока (рис. 4.3, в, г, д). Жесткость фланца должна быть достаточной для обеспечения допустимой деформации гильзы при затяжке силовых болтов (шпилек).

Более низкое расположение опорного фланца способствует улуч- шению охлаждения наиболее термически нагруженных верхней ча- сти гильзы и поршневых колец. Это уменьшает термические дефор- мации верхнего пояса гильзы, что позволяет снизить износ и ис- ключить задиры поверхностей трения элементов цилиндропорш- невой группы, а также уменьшить расход масла.

Для сохранения геометрической формы во время работы гильзу фиксируют в двух опорных направляющих поясах, расположенных в верхней и нижней частях гильзы.

Для герметизации водяной рубашки в кольцевых канавках ниж- него направляющего пояса гильзы устанавливают уплотнительные кольца из фторкаучука, фторугольно-водородного каучука, фторо- силиконового каучука или резины.

Верхний досадснми пояс гильзы располага- ют таким образом, чтобы уплотняющая зона по- ршня при его положении в ВМТ находилась на уровне жидкости в рубашке охлаждения.

Вследствие высокочастотной вибрации мок- рой гильзы, вызываемой перекладкой поршня, на ее поверхности, омываемой охлаждающей жид- костью, происходят кавитационные процессы, приводящие к частичному или полному разру- шению гильзы. Для уменьшения их интенсив- ности применяют комплекс конструктивных ме- роприятий, способствующих снижению энергии перекладки, таких, как дезаксаж, уменьшение за- зора, бочкообразность юбки поршня и т. д. Ана- логичный эффект дают повышение жесткости ги- льзы, более плотная ее посадка в направляющие пояса, установка специального демпфирующего кольца в месте нижнего стыка гильзы и блока (рис. 4.4).

Торец гильзы должен выступать над опорной плоскостью бло* на 0,05...0,15 мм, с тем чтобы сила затяжки шпилек обеспечивал надежность газового стыка.

Толщину стенок цилиндра назначают минимально достаточно для ограничения до уровня допустимой деформации его при сбор» двигателя и реализации рабочего процесса (для стенок мокры чугунных гильз — 5...8 мм). У моноблочной конструкции выбо толщины стенки цилиндра производят с учетом возможности ег растачивания при ремонте.

Длину цилиндра устанавливают из условия обеспечения возмоя носги свободного движения противовесов и шатуна. При это допускается выход нижней кромки юбки поршня за пределы цилш дра при его положении в НМТ до величины 0,2/).

Повышение долговечности гильз цилиндров достигается ка совокупностью конструктивных мероприятий, связанных с раци< нальным подбором материалов гильзы, поршня и поршневых к< лец, так и технологией их изготовления (микрогеометрией и тверд< стью поверхности гильзы и колец), стабильностью теплового сост< яния цилиндра вне зависимости от режимов работы двигател: характеристик и качества очистки топлива, масла и воздуха.

Гильзы цилиндров изготовляют из серых и малолегированны чугунов перлитной структуры со среднепластинчатым неориент! рованным графитом, с добавками хрома, молибдена, фосфор; меди, ванадия для повышения износостойкости поверхности цилш дра.

Снижению расхода масла на угар и повышению износocTOi кости поверхности цилиндра способствует создание на рабоче поверхности цилиндра маслоудерживающего рельефа различно формы поперечного сечения (полукруглой, трапециевидной, тр угольной, дугообразной) путем накатки или хонинговаиия.

д Коренные подшипника являются одними из наиболее нагр; женных элементов двигателя (рис. 4,5). Для обеспечения гарантир< ванного жидкостного трения в подшипниках коленчатого вала вал но ограничить деформации элементов данного узла, а также обе< печить соосность опор вдоль двигателя.

При разъемных коренных подшипниках верхняя опорная ча<п их расположена в перегородке картера, а нижняя выполнена в вил крышки и фиксируется болтами или шпильками. Для уменьшени момента, изгибающего крышку, расстояние от оси шпилек д оси коленчатого вала принимается минимально возможным. П< садка крышки по торцевым плоскостям, выфрезерованным в npi ливах картера, обеспечивает большую жесткость всему подии пникову узлу, что особенно актуально для V-образных двигателе] Для повышения жесткости и прочности картера полезно увеш чнвать высоту опорных боковых плоскостей крышек и исполъзоват горизонтальные стяжные болты, связывающие крышки со стенкам картера в единую систему. От возможных боковых смещени

Рис. 4.5. Крепление крыш» коренных подшипников коленчатого вала:

0. — основная соловая шпилька, 2 — сгяжвая сквозная шпилька, 3 — стяжвой боиг, 4 — фи- ■свруюшяя поверхность, 5 — првзоеза* «тулка, б —- фиксирующие выступы крышки, 7 —

прязовный штвфт

крышки фиксируют в ряде случаев специальными установочными штифтами или призонными втулками (рис. 4.S).

В алюминиевых картерах для фиксации анкерных шпилек приме­няют бронзовые втулки с внутренней резьбой, заливаемые в тело блок-картера.

В автотракторных двигателях обычно используют подшипники скольжения, основным элементом которых являются тонкостенные вкладыши, состоящие из стальной основы н нанесенного на нее антифрикционного слоя. Вкладыши устанавливают в опорах с натя­гом (ббльшим в случае картеров из алюминиевых сплавов).

От проворачивания и осевых перемещений вкладыши фиксиру­ют штифтами, запрессованными в картер и крышку, или отгибными «усшсами», упирающимися в плоскости стыка верхней и нижней частей опоры.

Масло к подшипникам коленчатого вала поступает под давлени­ем по каналам диаметром 3...5 мм от главной масляной магист­рали диаметром 10... 14 мм.

А Головки дашвдро*. Головка цилиндров является одним из наиболее нагруженных элементов двигателя. Она нагружается при монтаже силами предварительной затяжки, воспринимает и переда­ет на силовые болты (шпильки) усилия от давления газов. Характер­ной особенностью нагружения головки цилиндров являются значи­тельные тепловые нагрузки вследствие высокого уровня нагрева и больших градиентов температур между отдельными ее элемен­тами. В некоторых случаях, особенно в двигателях с высокофор- 76

сированным рабочим процессом, термические напряжения в головке могут намного превышать механические напряжения. В результате этого, особенно при неудачно организованном охлаждении, в пере­мычках между клапанаЬш могут образовываться трещины вплоть до появления прогаров. При больших термических деформациях головки может наблюдаться разгерметизация клапанов и газового стыка.

В соответствии с функциональным назначением конструкция головки цилиндров должна: • создавать объем камеры сгорания в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ее форме спосо­бом организации рабочего процесса; ф обеспечивать оптимальную конструкцию впускных и выпускных каналов; • создавать надеж­ное уплотнение газового стыка; # осуществлять режим циркуляции охлаждающей жидкости, обеспечивающий наименьшую тепловую напряженность элементов головки, на всех режимах работы; ф обеспечивать рациональное размещение необходимых деталей двигателя (свеч/форсуиок, опор распределительного вала и т. д.), монтируемых на головке цилиндров.

На конструкцию головки оказывают влияние форма камеры сгорания (плоская, клиновая, шатровая, сферическая, вихревая, предкамера), расположение свечи или форсунки (центральное, сме­щенное относительно оси цилиндра), их ориентация относительно оси цилиндра (параллельно, наклонно), количество и расположение клапанов (продольное, поперечное), форма (тангенциальная или винтовая) и расположение каналов для подвода и отвода газов (одностороннее, двустороннее).

Головки цилиндров выполняют в виде единой отливки для щного ряда цилиндров шга индивидуально для каждого цилиндра.

Индивидуальные головки позволяют повысить эксплуатацион­ную надежность: обеспечить более надежный газовый стык, облег­чить монтажно-демонтажные работы при производстве, ремонте и эксплуатации двигателя. Головки данного типа обычно использу­ют в двигателях, форсированных наддувом.

Ввиду высоких газовых и термических нагрузок для обеспечения необходимой жесткости головки ее нижнюю опорную стенку со стороны привалочной плоскости делают достаточно массивной. При этом снижается вероятность коробления седел клапанов и по­вышается надежность газового стыка. Опорная стенка в голорках из алюминиевого сплава имеет большую толщину, чем из чугуна.

В головках из алюминиевого сплава свечи зажигания ввертыва­ют в бобышки головки, которые со всех сторон омываются охла­ждающей жидкостью. В форсированных ДВС при высоких средних и максимальных температурах цикла обычно используют свечи малого диаметра с малой поверхностью нагрева.

В дизелях с разделенными камерами сгорания вихревые камеры и предкамеры располагают в головке и выполняют составными. Верхнюю часть вихревой камеры располагают в теле головки,

77

а нижнюю (с горловиной) изготовляют из жаростойкой стали и мо­нтируют с внутренней стороны головкн заподлицо с прнвалочной плоскостью. Предкамеры устанавливают в специальную полость головки с наружной ее стороны.

При жидкостном охлаждении для снижения теплонапряженно- сгги головкн (уменьшения температуры и градиентов температур в отдельных высоконагретых зонах конструкции) в ней создают системы каналов и полостей для циркуляции охлаждающей жид­кости. Жидкость поступает в головку из блока к наиболее нагретым зонам головки: к форсунке или свече, к седлу н приливам направ­ляющей втулки выпускного клапана, к перемычкам между клапана­ми, к выпускным патрубкам, к вихревой камере или предкамере. Для интенсификации теплообмена в системе охлаждения головки организуют направленное движение жидкости с помощью специаль­ных запрессованных распределительных трубок, направляющих ре­бер и т. п.

В головках из чугуна температура поверхности камеры сгорания достигает 350°С, перепады температур между отдельными точками доходят до 150^РС, а градиенты температур составляют 6... 10 К/мм.

В головках из алюминиевых сплавов, обладающих хорошей теплопроводностью, максимальные температуры несколько ниже, перепады температур достигают 60°С, а градиенты температур

5. .2 К/мм. Более благоприятное тепловое состояние обеспечива­ют головки из алюминиевых сплавов в двигателях, форсированных наддувом.

д Уплотнение газового стыка (рис. 4.6). Для предупреждения прорыва газов и просачивания охлаждающей жидкости между го­ловкой цилиндра и гильзой используют прокладки. Их конструкция должна соответствовать следующим требованиям: # сохранять ра­ботоспособность в течение длительного периода эксплуатации при воздействии на них высоких температур, а также коррозионяо-

Рис. 4.6. Уплотнение газового стыка: а — с уплотняющей прокладкой и плосхнм торцом гальэы, 6 — с прокладкой в выступа­ющим буртиком верхнего торца гильзы, в — с прокладкой н уолотеяющнм кольцом, г — с уплотняющим кольцом; 1 — ооорваа плоскость, 2 — дентрнрующий пояс, 3 — прокладка, 4 — уплотняющее кольцо, 5 —резиновое кольцо уплотнения жидкостного стыка

78

активных элементов; ф обладать достаточной пластичностью для заполнения неровностей на опорных поверхностях головки и блока цилиндров; • иметь необходимую упругость для обеспечения нера- скрытия газового стыка при реализации в цилиндре рабочего про­цесса, а также высокую усталостную прочность.

Упругость и толщину прокладки определяют величинами неров­ностей стыкуемых поверхностей, жесткостями стягиваемых деталей, упругомеханическими свойствами материала прокладки.

В автотракторных двигателях в основном используют проклад­ки следующих конструкций:

ф цельнометаллические в виде листа из стали либо более подат­ливые из меди или алюминия;

ф металлические, состоящие из набора (пакета) нескольких тон* ких листов;

• прокладки с основой в виде сетки или перфорированного листа из стали или алюминия с наполнителем из листов графитизировав- ного термостойкого картона. Для повышения прочности асбестовые волокна пропитывают резиной или специальными связующими жа­ростойкими материалами.

Металлическая окантовка отверстия прокладки в зоне камеры сгорания позволяет защитить ее от действия газов, повысить ее упругие свойства, прочность и надежность. Для создания больших удельных давлений по контуру прокладки в зоне окантовки тол­щину прокладки несколько увеличивают, что обеспечивает ее пере­менную жесткость.

В ряде случаев на каждом цилиндре устанавливают уплотня­ющие кольца из красной меди или алюминия, вдавливая их в коль­цевые канавки торца гильзы с помощью выступов на привалоч­ной плоскости головки. В высокофорсированных двигателях ана­логичным образом могут использоваться прокладки из мягкой стали.

Иногда прокладку защищают от действия газов кольцом из калиброванной проволоки.

Для уплотнения водопроводящих каналов в прокладке устанав­ливают резиновые кольца.

д Нижняя половина картера в автомобильных двигателях выпо­лняет роль резервуара для масла и изготовляется либо штамповкой из листовой стали толщиной 1... 1,5 мм, либо отливается из алюми­ниевого сплава. Для повышения жесткости на его поверхностях делают выштамповки или приваривают ребра, а по стыку с верхней половиной картера приваривают пластину из листовой стали. Для герметизации и снижения шумоизлучения поддона его изолируют от верхней части картера с помощью специальных прокладок.

У литых поддонов наружную поверхность иногда выполняют оребренной для интенсификации охлаждения масла.

79

2. ЦИЛИНДРЫ И КАРТЕРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Корпуса двигателей с воздушным охлаждением обычно состоят из картера с установленными на нем отдельными цилиндрами. По способу фиксации цилиндров на картере различают следующие силовые схемы (рис. 4.7).

1. Корпус с несущими цилиндрами, в котором силы давления газов воспринимаются стенками цилиндра. Прн этом головка ци­линдра, а также цилиндр и опорный фланец картера соединяются между собой короткими шпильками.

2. Схемы с несущими силовыми шпильками, когда головка ци­линдра и цилиндр фиксируются на картере с помощью длинных шпилек. При этом головка и цилиндр на неработающем двигателе в результате предварительной затяжки шпилек находятся в сжатом состоянии.

Оребренные цилиндры ДВС воздушного охлаждения изготовляют отливкой из чугуна или алюминиевых сплавов. В ряде случаев используют биметаллические цилиндры, представляющие собой чу­гунную гильзу с напрессованной на нее алюминиевой оребренной частью. Лучшие результаты могут быть получены при заливке в алюминиевый оребренный цилиндр стальной или чугунной гильзы (рис. 4.8). В последнем случае создаются более благоприятные условия работы системы охлаждения вследствие лучшей теплопере­дачи ери более качественном контакте металла гильзы и элементов оребрения цилиндра.

В цилиндрах из алюминиевых сплавов на внутреннюю рабочую поверхность наносят специальное антикоррозионное покрытие.

В целях интенсификации отвода теплоты от деталей, формиру-

Рис. 4.7. Силовые схемы ДВС с воз­душным охлаждением: а — с несущими цилиндрами, 6 — с весу-

Рис. 4.8. Цилиндры ДВС с воздушным охлаждением: а — монометаллическое, 6 — 6н- мстоллпесжве

80

ющих камеру сгорания, наружную поверхность цилиндра и головки цилиндра оребряют. Величина оребренной наружной поверхности охлаждения этих деталей зависит от геометрических параметров двигателя, его компоновочного решения и от степени его фор- сированности. Обычно коэффициент оребрения — отношение пло­щадей наружной к внутренней поверхности — составляет в автотра­кторных ДВС 15...23.

Доля теплоты, отводимой через систему охлаждения, приходя­щаяся на головку цилиндра, составляет для дизелей 45...60% и для ДсИЗ 60...75%. В таком же соотношении находятся и площади оребрения головки и цилиндра.

Оребренная часть цилиндра, составляющая 45...55% всей его длины, начинается непосредственно от стыка с головкой и доходит до зоны расположения колец при положении поршня в НМТ.

Величина площади поверхности охлаждения цилиндра определя­ется количеством и геометрическими параметрами ребер. Наиболее рациональной формой поперечного сечения ребра является трапеци­евидная. Стенки цилиндра с ребрами соединяют плавными перехо­дами в виде дуг окружностей. На интенсивность теплоотвода от ребер существенно влияет шаг между ребрами. Около 1/3 шага приходится на толщину ребра. Если шаг недостаточен, то у основа­ния в промежутке между длинными ребрами образуются «мертвые» зоны и эффективная поверхность охлаждения уменьшается. Вели­чина шага определяется технологическими возможностями при от­ливке и колеблется от 8 до 3,5 мм.

Высота ребер цилиндров обычно не превышает 14... 18 мм. Она Зависит от теплопроводности материала цилиндра. При формиро­вании оребрения для обеспечения одинаковых радиальных дефор­маций цилиндра желательно иметь равномерную жесткость по окружности конструкции. Так как при компоновке ребро не всегда возможно сделать одинаковой высоты по всему периметру, то в ряде случаев высокие ребра делают разрезными. При применении высоких ребер с целью снижения их вибрации и шумоизлучения между ними устанавливают специальные демпфирующие элементы.

Температура подогрева воздуха при прохождении между реб­рами может достигать 60...70°С, а его скорость между ребрами доходит до 50 м/с.

Головка цилиндра в двигателях с воздушным охлаждением яв­ляется одним из наиболее теплонагруженных элементов. Вследст­вие этого ее, как правило, изготовляют из алюминиевых сплавов, обладающих хорошей теплопроводностью, отливкой в металли­ческие формы. Предельная температура из условий прочности и на­дежности работы в наиболее нагретых точках в зоне межклапан- ной перемычки должна ограничиваться 215...230°С и лишь крат­ковременно может доходить до 260°С. При конструировании голов­ки большое внимание уделяют обеспечению равномерности тем­пературного поля с целью уменьшения термических деформаций

8!

н нарушения геометрических форм головки и верхней части цилия дра.

При литье высота ребер охлаждения головки не превышав

50. .60 мм.

В головках при изготовлении ребер фрезерованием удается о бес печнть толщину ребра до 1,5 мм при шаге 3,5...4,0 мм.

Герметизация газового стыка при применении головок из алю миниевого сплава обеспечивается без применения прокладок за chci деформации элементов стыка алюминиевой головки и чугунной: цилиндра при затяжке силовых шпилек.

На конструкцию корпуса ДВС воздушного охлаждения сущест венное влияние оказывает расположение вентилятора. Обычно в од норядном двигателе вентилятор смещают относительно продоль ной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, а в V образном располагают непосредственно в развале, между рядам! цилиндров. Организация направленного движения воздушного по тока осуществляется капотом и системой дефлекторов, при помоцд которых производится распределение потока по отдельным цилинд рам и к наиболее нагретым зонам (выпускному каналу, камер* сгорания).

3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОВОГО СТЫКА

При определении работоспособности элементов газового стык: двигателя проводят оценку его герметичности при реализации рабо чего процесса и напряженного состояния шпильки или болта, стяги вающего головку, прокладку и блок.

Основными расчетными нагрузками ia газовый стык являются {ряс. 4.9, а): # сила предварительной за гяжки; # нагрузка от газо вой силы; • термическая сила, образующаяся при прогреве двига теля вследствие различных коэффициентов линейного расширении стягиваемых деталей.

Связь между силой Р. упругой деформацией X элемента постояв ного сечения F, длиной / и модулем упругости Е описываете) законом Гука

Это выражение можно представить в следующем виде:

где С — жесткость элемента: С—EFjl, Н/м; К — податливость эле мента: K=\j{EF)=\jC, м/Н.

Деформация деталей газового стыка под действием силы пред­варительной затяжки шпяльки/болта Р^ приводит к сжатию голов

82

Ряс. 4.9. К оценке аадежвости элементов сшювой схе­мы двигателя: а — расчетная схема, б деформации сало вой схемы при за- твжже, « — диаграмма сила — деформация, г, д — варианты соотношения «есггеостей деталей силовой схемы

ки, прокладки и рабочей части блока при одновременном растяже­ния шпильки (рис. 4.9, 6).

При реализации рабочего процесса газовая сила сжимает голов­ку и растягивает шпильку, а деформации прокладки и блока уме­ньшаются — происходит разгрузха газового стыка. Естественно, если нет разгерметизации стыка, то приращение деформаций

83

Q

Pap¹ const, Py* const, Cap+gj-’censt

Pp -csnstt f&=coast, Pi « conit

Рас. 4.9. Продолжение

шпильки и головки А (Ащп+Атод) равно приращению деформаций прокладка и блока А (Лф+Лы)- Для наглядности выводов обратим­ся к диаграмме сила—деформация в виде, показанном на рис. 4.9, в.

Сапа иа стыке при газообмене будет равна силе предваритель­ной затяжка или минимальной силе, растягивающей шпильку:

Если предположить, что газовая сила, нагружающая головку, равномерно воспринимается шпильками, относящимися к данному цилиндру, то максимальное ее значение, приходящееся на одну шпильку, определяется как P_s=PJi, где Р. — максимальная сила давления газов действительного цикла на расчетном режиме; i — число шпилек.

В результате действия газовой силы на детали силовой схемы двигателя:

• сила иа стыке уменьшается на величину АР н равна

• деформации прокладки и блока уменьшатся на величину

А + Xsa)>

• шпилька и головка дополнительно будут нагружены силой Р,—\Р и максимальная сила, растягивающая шпильку, будет равна Рр^Ря+Р'^Рч-ЬР+Р,;

• деформации шпильки и головки увеличатся на величину А ^ТОл)*

С учетом того, что А (А_ч,+^_6л)=А (Лпи+Л™) и ).=РК, получим АР (K*_v+Къ_л)=(Р_:~ АР) tfU+AU.

После преобразований окончательно получим

р —р —р ,

^J сг¹ ap ^J рта*

АР=Р_:

84

Сила, дополнительно нагружающая шпильку,

где х — коэффициент дополнительной нагрузки резьбового соеди­нения: Х = (Кмр + Кба)/2УС'

Максимальная сила, растягивающая шпильку,

-Рр™.=Лф+Л

Значения х для ДВС с короткими силовыми шпильками находят­ся в пределах 0,03...0,04, с относительно удлиненными шпилька­ми — 0,06...0,07 (например, для КамАЗ-740). Для двигателей воз­душного охлаждения с длинными силовыми связями 0,11...0,13.

Меньшие значения характерны для стягиваемых деталей из чугуна, а большие — для деталей из алюминиевого сплава.

Условие нераскрытая газового стыка записывается в виде Р'„^0 или ^ст=Рпр—(1— х) Отсюда минимальная сила затяжки

Р_Иршя = (1 — Z) Pf Для достижения требуемой надежности стыка си­лу затяжки увеличивают на коэффициент запаса т: P_VB^—m (1 —

• х) Рг- Значение его изменяется от 1,3...1,5 до 2...3. Меньшие значения т относятся к ДсИЗ, большие — выбирают для высокофо­рсированных дизелей с наддувом.

При нагревании .двигателя его детали удлиняются. Из-за того что коэффициенты линейного расширения стягиваемых деталей раз­ные, в результате в системе возникает дополнительная термическая сила Р,.

Наиболее существенно влияние силы Р, на элементы газового стыка при изготовлении головки нз алюминиевого сплава из-за того, что отношение коэффициентов линейного расширения алюми­ниевого сплава и стали больше двух (Ост— 11 ■ 10" ⁶ 1/К).

Удлинение i-й детали определяется как АЛ/=а«/Д//, где ос< — коэффициент линейного расширения материала, 1/К; I, — длина детали, м; А/, — нагрев детали, К.

Используя закон Гука, разность удлинений стягиваемых деталей и шпильки можно представить в виде

®год^П)Л^т14“ / врА (др “Ь Ctfifl / бя^бл ®иш ^ щп А/щи "

— КголРг + Кщ, Pt + ^ЧблЛ + KanPf

Откуда

JJ —(Хщд/щп Д^шп

ZK *

где * — гол — головка; лр — прокладка; бл — блок, шп — шпиль­ка.

Тогда P_vvia-P^+P_t; Р^=Р_Щ!+Р,+хК; Рп=Рп+Рг-(1~х) ^р\-

85

По известным параметрам цикла нагружения шпильки опреде­ляют напряжения в резьбовой части, соответствующие ее мини­мальному диаметру F„_р:

Рртях Рцр~^ Pt ~b~ j *«р+Л

Стах — ~j ^mia

^ор ^ор •*' ор

Запас прочности шпильки по пределу усталости (tr_i) лежит в пределах 2,5...4, а по пределу текучести (<г_т) — 1,3...2.

Коэффициент концентрации напряжения А^/(б_яе*) для шпилек из углеродистых сталей 3...4, из легированных — 4...5,5.

Из рассмотренного механизма нагружения силовой схемы следу­ет, что шпильку/болт необходимо рассчитывать при прогретом двигателе на режиме максимального крутящего момента, когда имеет место наибольшая величина давления газов в цилиндре. Расчет потребной силы предварительной затяжки элементов газово­го стыка производят на том же режиме для непрогретого двигателя, когда Р'„ будет минимальна, что особенно важно для ДВС, у кото­рого головка изготовлена из алюминиевого сплава, а блок-кар- тер — из чугуна.

Проанализируем влияние на элементы силовой схемы ДВС соот­ношения жесткостей ее деталей.

При постоянных величинах Р. и Р„р уменьшение жесткости шпильки и головки (на рис. 4.9, г пунктирные линии) приводит к уменьшению дополнительной нагрузки на шпильку, но при этом уменьшается Р’„ и, следовательно, надежность газового стыка.

При постоянных величинах Р$, Р_г и Р[, увеличение жесткости прокладки и блока (на рис. 4.9, д пунктирные линии) приводит к уменьшению дополнительной нагрузки на шпильку, но при этом требуется увеличить сипу предварительной затяжки Р^.

Важным при монтаже является достижение требуемой силы предварительной затяжки, устанавливаемой инструкцией завода- изготовителя и проверяемой с помощью динамометрического клю­ча. Последовательность затяжки шпилек/болтов строго определен­ная для обеспечения одинаковой деформации элементов по всему объему головки цилиндров.

Полученные зависимости позволяют прогнозировать поведение силовой схемы в различных условиях эксплуатации. Прн перегреве двигателя в результате нарушения сгорания или из-за нарушения работы системы охлаждения происходит рост силы Р, и, как следст­вие, шпилька воспринимает дополнительные нагрузки. При пере­ходных режимах работы двигателя возрастает вероятность «забро­са» Р., что делает вероятным увеличение нагрузки на шпильку и уменьшение сил на стыке Р^. В условиях Крайнего Севера из-за пропуска сгорания в одном цикле в следующем возможно сгорание двойной дозы топлива с «забросом» Р_г и увеличением iP ..