2514

70

Изгибающий момент в плоскости маслоподводящего канала определяется выражением (Нм):

М ’ = Mкcos + MTsin .(12.4)

На основании расчетов МТ в табл. 12.1 находят значения максимальных и минимальных скручивающих моментов для наиболее нагруженной шейки. Угол расположения маслоканала находят при минимальном моменте М из построения полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку (рис. 12.1).

K / берут из табл. П.7, П.8.

Определив n и n , находят общий запас прочности шатунной шейки и сравнивают с допускаемыми [n].

У форсированных современных двигателей [n]=2,0…2,5.

Расчет щек

Щеки подвергаются изгибу в двух плоскостях, растяжению – сжатию и кручению. Наибольшие напряжения возникают в местах перехода шейки в щеку в галтелях (сечение I–I, см. рис. 11.1).

Запас прочности по нормальным напряжениям. Изгибающий момент (Н м, рис.11.7)

Кr mшк mщ 2Rщ 10 6 , МПа.

2

Напряжения изгиба и растяжения (сжатия), МПа, равны:

Запас прочности по касательным напряжениям. Кручение щеки

Т

вызывается моментом (Н м): Мкрщ 2 а.

– коэффициент, зависящий от отношения b/h.

Обычно допустимый [nщ] = 1,5..3,0.

72

Расчет коленчатого вала V – образного двигателя

При определении запаса прочности шатунных шеек по нормальным напряжениям выбран наиболее общий случай, когда кривошип имеет смещенную на угол (рис. 12.3) шатунную шейку. Считаем, что кривошип симметричный b1 = b2 = b и a1 = a2 = a. Реакция на левой опоре в плоскости К1 равна

Здесь K щ – центробежная сила от связующей щеки.

Рис. 12.3. К расчету кривошипа со смещенной шатунной шейкой

73

При определении реакций необходимо учитывать знак положительный, если шатунная шейка правого цилиндра опережает шатунную шейку левого, и отрицательный, если шатунная шейка правого цилиндра отстает.

Изгибающий момент в среднем сечении левой шатунной шейки в плоскости K:

По экстремальным значениям M определяют напряже-

ния max и min и запас прочности n.

В том случае, когда V – образный двигатель имеет обычный кривошип, расчет выполняется по той же методике, полагая =0

и К ш = 0 (рис. 12.4).

Напряжения и запасы прочности щек определяют по методике так же, как в однорядном двигателе с учетом новых реакций

RX1 и RX2.

Рис. 12.4. Схема нагружения кривошипа V – образного двигателя

Методы упрочнения коленчатых валов

Повышение усталостной прочности коленчатых валов достигает-

ся:

а) конструктивными мероприятиями;

74

б) технологическими мероприятиями. К конструктивным относятся:

1.Создание перекрытия шеек валов на - размер.

2.Увеличение радиуса галтели или по кривой с переменным радиусом для снижения концентрации напряжений.

3.Увеличение толщины h и ширины b щеки.

4.Создание бочкообразных полостей в шейках (увеличение толщины под галтелями).

5.Расположение маслоподводящего канала под углом = 90°, по кромке отверстия выполнение радиуса скругления отверстия.

К технологическим относятся:

1.Закалка шеек и галтелей токами ТВЧ при быстровращающемся вале с охлаждением под слоем жидкости с последующим низкотемпературным отпуском.

2.Обкатка роликами галтелей с пластической деформацией поверхностного слоя.

3.Азотирование, при котором прочность увеличивается в 1,5...2,0 раза и более чем на 20 % возрастает износостойкость шеек. Недостаток – ограниченная возможность перешлифовки при ремонте.

4.Статическая и динамическая балансировка.

Лекция 13. Неравномерность вращения коленчатых валов. Маховик

Крутящий момент Мкр периодически меняет свою величину (рис. 13.1) в соответствии с тактами ДВС. Степень неравномерности

есть отношение максимального значения крутящего момента к его среднему значению. С увеличением числа цилиндров K уменьшается приблизительно от 7,74 у одноцилиндрового ДВС до 1,16 у двенадца-

установки фаз газораспределения, зажигания, топливоподачи и др. Иногда в двигателях с воздушным охлаждением маховик используется как вентилятор, для чего ступица маховика соединена лопатками с наружным ободом. Для обеспечения необходимого момента инерции вращения внешний обод маховика делают более массивным. В автомобильных и тракторных двигателях часто на маховик устанавливают муфту трения (сцепления).

Размеры маховика устанавливают в зависимости от необходимого момента инерции, который зависит от степени неравномерности вращения K, и определяют по формуле

где i – число цилиндров; Iмм – приведенный момент инерции моторной массы; IД – приведенный момент агрегатов двигателя; Iп – приведенный момент потребителя мощности; – степень неравномерности вращения; – угловая скорость вращения; 1 и 2 – углы поворота коленвала при максимальной угловой скорости вращения и при минимальной соответственно.

По найденному моменту инерции маховика определяют его размеры из соотношения

где m – масса маховика; D0 – диаметр окружности центра тяжести маховика. Равномерность вращения повышается с увеличением числа цилиндров двигателя. Влияние числа цилиндров и тактности двигателя на момент инерции маховика в процентах от момента инерции маховика IМ одноцилиндрового четырехтактного двигателя при МС = const приведено в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Уменьшение неравномерности вращения в зависимости от числа цилиндров

Кроме того, для тракторных двигателей величину момента инерции маховика корректируют с учетом трогания с места и разгона транспортного средства до определенной скорости. При этом счита-

76

ют, что эти параметры зависят от кинетической энергии маховика WМ, которая определяется как разность кинетических энергий при исходной частоте вращения n и начальной частоте вращения n1, при которой работа двигателя устойчива.

Значение n1 обычно принимают 500…1000 мин-1, а n = (1,5…2,5)n1. Сдругойстороны,приобретеннаятранспортнымсредствомэнергияравна

WТС 0,5mТСVТС2 , (13.5)

где mТС – масса транспортного средства; VТС – скорость транспортного средства. Тогда

где М и ТС – механические КПД двигателя и трансмиссии транспортного средства ( М ТС = 0,75…0,9).

Скорость транспортного средства VТС связана с частотой вращения n1 зависимостью

где DК – диаметр колеса (с учетом деформации шин) или начальный диаметр звездочки гусеничного движителя; i – передаточное число трансмиссии. Тогда

Маховики отливают из серых (СЧ18-СЧ30… СЧ35-СЧ45) и специальных чугунов, желательно перлитной структуры. При окружных скоростях на наружном радиусе, превышающих 100 м/с, применяют штампованные маховики из малоуглеродистой стали.

Расчет на прочность проводится определением нормальных напряжений от центробежных сил инерции при вращении коленвала

где – плотность материала маховика; DМ – наружный диаметр маховика. Учитывая сложную геометрию маховика, расчеты на прочность рекомендуют выполнять МКЭ. Допустимые напряжения [ М]=110 МПа для чугунных и200 МПа для стальных маховиков.

Маховики двигателей массового производства по международным стандартам подвергают выборочно проверке разгонными испытаниями

77

наразрыв причастотевращения nр= (1,8…2,8)nе.

На рис. 13.2, а представлен маховик быстроходного автомобильного двигателя. На обод маховика напрессовывается зубчатый венец, предназначенный для вращения коленчатого вала стартером при пуске двигателя. Коленчатый вал в сборе с маховиком и сцеплением подвергают балансировке. Маховик крепится к фланцу коленчатого вала болтами, при этом одно из крепежных отверстий смещается по окружности, что обеспечивает однозначное положение маховика относительно коленчатого вала. В некоторых случаях болты крепежные ввертываются непосредственно в коленчатый вал, при этом маховик фиксируется относительно коленчатого вала двумя штифтами. Элементы крепления маховика подвергают

термической обработке и шлифованию. На рис. 13.2, б показан маховик двигателя воздушного охлаждения, используемый в качестве вентилятора. Для этого маховик имеет специальные лопатки, нагнетающие при вращении воздух для охлаждения цилиндров и головок цилиндров двигателя.

Лекция 14. Корпусные элементы двигателей внутреннего сгорания

Корпус двигателя состоит из элементов, на которых монтируются его механизмы, а также опоры, с помощью которых ДВС устанавливается на автомобиль или другую машину. Он состоит из цилиндров или блока цилиндров и картера, состоящего из самого картера, на который крепятся блок цилиндров или отдельные цилиндры крышек коренных подшипников и масляного поддона.

Головки цилиндров с помощью болтов устанавливаются на блок, а стык между ними называется газовым стыком и уплотняется про-

78

кладкой.

Некоторые конструкции выполнены с моноблочным корпусом. На конструкцию корпуса влияют:

1.Большие циклические нагрузки от газовых и инерционных сил.

2.Высокая температура,

давление при больших градиентах температур по объему.

3.Значительные скорости движения сопряженных поверхностей цилиндров поршневой группы и подшипниковых узлов при больших удельных давлениях.

4.Коррозионное и эрозионное воздействие от окружающей среды и от рабочего тела во внутрицилиндровом пространстве.

25...30 % от массы всего двигателя.

Корпус ДВС состоит (рис. 14.1) из 1 – блока цилиндров, в котором двигаются поршни, картера 2, в котором на подшипниках расположен коленчатый вал и поддона 3 для сбора масла.

Блок цилиндров

Блок цилиндров может выполняться литым вместе с картером из чугуна или отдельно блоком нескольких цилиндров или (при воздушном охлаждении) в виде отдельных цилиндров, монтируемых на картере с помощью стяжных болтов или несущих шпилек (рис. 14.1, б).

На блоке цилиндров расположен либо блок головок цилиндров, либо отдельные головки (рис. 14.1, а), закрывающие сверху цилиндры. В головках цилиндров обычно расположены клапаны, кулачковые валы и другие элементы механизма газораспределения.

Картер является основной несущей частью корпуса ДВС, обеспечивающей жесткость всей конструкции. В нем на оребренных перегородках расположены подшипники коленчатого вала. Крышки подшип-

79