Прикладные расчеты автомобильных двигателей

1. Общие сведения

Расчет деталей с целью определения напряжений и деформаций, возника-ющих при работе двигателя, производится по формулам сопротивления мате-риалов и деталей машин. До настоящего времени большинство используемых расчетных выражений дает лишь приближенные значения напряжений.

Несоответствие расчетных и фактических данных объясняется различ-ными причинами, основными из которых являются: отсутствие действи-тельной картины распределения напряжений в материале рассчитывае- мой детали; использование приближенных расчетных схем действия сил и мест их приложения; наличие трудно учитываемых знакопеременных нагрузок и невозможность опреде­ления их действительных значений; трудность определения условий работы многих деталей двигателя и их термических напряжений; влияние не поддающихся точному расчету упругих колебаний; невозможность точного определения влияния состоя-ния поверхности, качества обработки (механической и термической), размеров детали и т. д. на величину возникающих напряжений.

В связи с этим применяемые методы расчета позволяют по­лучить напряжения и деформации, являющиеся лишь условными величинами и характеризующие только сравнительную напряженность рассчитываемой детали. Это положение становится все актуальнее в последние годы в связи с достижениями в области создания новых конструкционных материалов особо высокой прочности. В двигателестроении уже исполь-зуются композиционные материалы, в состав которых входят высоко-прочные полимеры, пластмассы, керамика и т. п. Создаются конструкционные материалы с заранее заданными свойствами.

Основными нагрузками, действующими на детали двигателя, являются силы давления газов в цилиндре и силы инерции поступа­тельно и вращательно движущихся масс, а также усилия от упругих колебаний и тепловых нагрузок.

Нагрузка от давления газов непрерывно изменяется в течение рабочего цикла и имеет максимальное значение лишь на срав­нительно небольшом участке хода поршня. Нагрузка от инерцион­ных сил имеет периодический характер изменения и в быстроход­ных двигателях иногда достигает значений, превышающих нагрузку от давления газов. Указанные нагрузки являются источниками раз­личных упругих колебаний, представляющих опасность при явлени­ях резонанса.

Усилия от температурных нагрузок, возникающие в результате выделения теплоты при сгорании рабочей смеси и трения, снижают механическую прочность материалов и вызывают дополнительные напряжения в сопряженных деталях при их различном нагревании и различном линейном (или объемном) расширении.

2. Расчетные режимы

Величина и характер изменения основных нагрузок, воздейству­ющих на детали двигателя, зависят от эксплуатационного режима работы двигателя. Обычно рассчитывают детали для режимов, на которых они работают в наиболее тяжелых условиях.

Основные расчетные режимы для бензиновых двигателей (рис. 17а):

1. максимального крутящего момента М_e. max при частоте вращения n_M = (0,5…0,6)·n_N, когда давление газов в цилиндре достигает наибольшего значения p_{z. max}, а силы инерции сравнительно малы;

2. номинальной мощности N_eN при частоте вращения n_N, когда все расчеты деталей производятся от совместного действия газовых и инерционных нагрузок;

3. разностной частоты вращения n_разн = (1,15…1,40)·n_N, когда силы инерции достигают наибольших значений, а давление газов незна-чительно или равно нулю.

Для быстроходных дизелей (рис. 17б) принимают расчетные режимы:

1. номинальной мощности N_еN при частоте вращения n_N, когда давление сгорания достигает максимального значения p_z. max, а детали рассчитывают от совместного действия газовых и инерционных нагрузок;

2. максимальной частоты вращения при холостом ходе n_{Х. Х. max} = = (1,04…1,07)·n_N, при котором силы инерции достигают наибольших значений.

Рис. 17. К выбору расчетных режимов работы двигателя: а – бензиновый двигатель, б – дизельный двигатель с наддувом

При расчетах деталей бензиновых двигателей максимальное давле- ние газов p_z. max определяют или по тепловому расчету, проведенному для режима максимального крутящего момента, или приближенно принимают равным расчетному (без учета скругления индикаторной диаграммы) максимальному давлению р_z сгорания, полученному по тепло-вому расчету для режима номинальной мощности. Инерционными силами при расчетах на режиме максимального крутящего момента пренебрегают.

При расчетах на режиме номинальной мощности условно при- нимают, что максимальная газовая сила P_z действует совместно с максимальной инерционной силой в в.м.т. Величину максимальной газовой силы определяют по тепловому расчету для режима номинальной мощности с учетом скругления индикаторной диаграммы.

При расчетах на режиме разностной частоты вращения колен­чатого вала давлением газов пренебрегают.