28 Расчетные режимы двигателя

§ 1. Основные принципы расчета и расчетные режимы

Расчету деталей двигателя на прочность пред­шествуют расчеты рабочего процесса и динамический, в про­цессе которых определяются основные параметры двигателя и действующие в нем силы. В зависимости от назначения дви­гателя и заданной мощности принимают: диаметр D_ц (м) и ход S(м) поршня, длину L_ш (м) шатуна, радиус R (м) кри­вошипа и другие данные, которые рассчитать невозможно.

Для расчета деталей на прочность необходимо определить все силы и моменты, которыми нагружаются те или иные дета­ли. Так как силы и моменты, нагружающие детали, переменны как по значению, так и по направлению, то при расчетах дета­лей на прочность принимают во внимание самые неблагоприят­ные условия.

В качестве основных расчетных принимают следующие три режима работы двигателя, при которых детали работают в наиболее тяжелых условиях.

1. Режим максимального вращающего момента M_g.max при соответствующей частоте вращения , когда давление газов в конце процесса сгорания (при расчетах принимают в ВМТ) достигает наибольшего значения Р_{z max.} Действием инерционных нагрузок пренебрегают, создавая тем самым условную перегрузку. Такая временная перегрузка возможна при пуске двигателя.

2. Режим максимальной мощности N_eн и номинальной частоты n_н вращения коленчатого вала, при котором учитывается действие сил от давления газов и инерции. Этот режим наиболее часто принимают как расчетный (особенно для высокообо­ротных дизелей с камерой сгорания в поршне, работающих с наддувом). Кроме этого, его используют при расчете деталей на усталостную прочность и для определения среднего давления при расчете трущихся деталей.

3. Режим максимальной частоты вращения n_х.mах коленчато­го вала при работе двигателя на холостом ходу. При этом режиме силы инерции достигают максимальных значений, а дав­ление газов незначительно и им пренебрегают. Для дизе­лей n_х.mах =(1,04…1,07) n_н .

Выбор расчетных режимов еще не гарантирует точного оп­ределения нагрузок, напряжений и деформаций, возникающих в деталях. Переменные нагрузки часто приводят к разрушению деталей, несмотря на то, что они удовлетворяют требованиям расчета на прочность для статических нагрузок. В данном слу­чае детали разрушаются из-за недостаточной усталостной проч­ности металла.

В расчетах трудно назначить допускаемые напряжения, на значения которых влияет конструктивная форма детали, состоя­ние поверхности, технология изготовления, термообработка, вид посадки, зазоры, натяги и др. Несмотря на это, существующие расчеты на прочность позволяют с достаточной точностью оп­ределять напряжения и деформации, которые в дальнейшем сравнивают с расчетными значениями напряжений в деталях, успешно работающих в эксплуатации.

Большинство основных деталей двигателя рассчитывают на статическую прочность от действия постоянной максимальной нагрузки. За предельные напряжения принимают пределы: проч­ности и — для деталей из хрупких материалов; текучести и — для деталей из пластических материалов.

При действии циклических нагрузок детали рассчитывают на усталостную прочность. При этом возникающие напряжения изменяются по симметричному и асимметричному циклам. В ка­честве основных характеристик циклов приняты максималь­ное , минимальное , среднее и амплитудное на­пряжения.

При расчете на усталостную прочность за предельные харак­теристики прочности принимают пределы выносливости (уста­лости), которые для симметричного цикла обозначают через при деформации изгиба, при растяжении — сжатии и при кручении, а для асимметричного цикла — через и . В этом расчете используют также характеристики предела те­кучести и . материала детали.

Запас прочности деталей рассчитывают с учетом всех факто­ров по известным формулам курса «Сопротивление материа­лов».

В процессе расчетов часто определяют не геометрические размеры деталей, а напряжения, возникающие в деталях от действия нагрузок. Поэтому, прежде чем приступить к расчету деталей на прочность, необходимо конструктивно отработать двигатель. Только после этого можно найти напряжения в дета­лях и сравнить их с допускаемыми, полученными на основе ста­тистического материала, или выяснить запас прочности и срав­нить его с запасом прочности аналогичной работоспособной де­тали двигателя-прототипа.