Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

вышения предела выносливости ста ли по сравнению с пределом вынос ливости чугуна. Так, предел вынос ливости при растяжении 1p спо койной стали 20 равен 120– 160 МПа, тогда как серый чугун имеет 1p = 70–90 МПа. Правда, для литых корпусов современных тепло возных дизелей применяют высоко прочный чугун с более высокими механическими свойствами. При стальном картере появилась возмож ность применения подвесного ко ленчатого вала, что позволило отка заться от применения тяжелой фун даментной рамы, хотя и повышаю щей прочность и жесткость корпуса двигателя, но одновременно сущест венно увеличивающей его массу.

В качестве примера на рис. 9.8 показан блок картер современного

Рис. 9.8. Блок картер тепловозного двигателя 16ЧН 26/26:

1 – подвеска; 2 – болт крепления подвески;

3 – горизонтальные болты фиксации под вески; 4 – шпилька

тепловозного дизеля 16 ЧН26/26. Использована схема несущих длин ных шпилек, установленных в пли те картера и разгружающих стенки

иверхнюю плиту блока цилиндров от переменных растягивающих усилий давления газов. Располо женный в развале корпус механиз ма газораспределения (лоток), об разуя ресивер наддувочного возду ха, замыкает силовую схему сверху. Двигатели типа ЧН26/26 имеют подвесные втулки цилиндров с на прессованными рубашками охлаж дения, что делает блок цилиндров сухим и повышает его прочность.

Сварные картеры получили распространение на многих тепло возных и других среднеоборотных двигателях. Это известные отече

ственные двухтактные двигатели ДН23/30, ДН20,7/2;24,5, тепло возные и судовые двигатели фир мы SEMT Пильстик серий РА и РС и др. Отличительной особенно стью двигателей серии РС являет ся применение стального картера

иотдельных цилиндров, крепя щихся вместе с крышками цилин дров к картеру анкерами. Сварно литая конструкция позволила по лучить удельную массу блок кар тера ниже 1,5 кг/кВт на двигателях типа ЧН26/26.

При использовании высоко прочного чугуна в качестве мате риала блок картера оказывается возможным получение достаточно прочной литой конструкции кор пуса при отсутствии фундамент ной рамы с приемлемыми массога баритными показателями. Литые конструкции корпуса получили широкое применение в двигателях ряда европейских фирм.

Так как при отсутствии фунда ментной рамы конструкция корпу са в целом оказывается менее жест кой, значительное внимание долж

но быть уделено форме подвески коленчатого вала и способу ее со единения с картером. Подвески (съемные крышки или бугели) вы полняют достаточно массивными, двутаврового сечения, что обеспе чивает малые деформации вклады шей коренных подшипников ко ленчатого вала. Изложенное ранее применительно к блок картерам и подвескам автомобильных и трак торных двигателей в полной мере относится к подвескам тепловоз ных и среднеоборотных дизелей. При этом в связи с весьма значи тельными усилиями затяжки в резьбовом соединении, достигаю щими 600 кН, предпочтение отда ется болтовым соединениям, что устраняет необходимость нареза ния резьбы в зоне расположения коренных подшипников.

На рис. 9.8 показана подвеска 1 тепловозного дизеля 16 ЧН26/26. Видно, что материал подвески и прилегающей области картера на ходится под действием сжимающих монтажных нагрузок, что должно благоприятно влиять на прочност ную надежность этой напряженной зоны корпуса двигателя. Для уменьшения крутящего момента, нагружающего при затяжке болт, поверхность имеет плоский стык с картером, заменивший применяв шиеся ранее шлицы.

9.1.4. Особенности конструкций элементов остова малооборотных судовых и стационарных двигателей

Остовы крупных крейцкопфных судовых двигателей имеют сущест венные особенности конструкции. Наличие крейцкопфа увеличивает высоту двигателя, а большие диа метры цилиндра D, достигающие 1 м и более, делают отдельные дета ли остова (корпуса) очень громозд

кими. Поэтому в этом случае при менение блок картерной конструк ции нерационально ни в смысле изготовления и транспортировки, ни в смысле сборки и ремонта. Ос товы малооборотных крейцкопф ных двигателей выполняют состав ными, состоящими из следующих основных элементов: фундамент ной рамы со встроенными упорны ми подшипниками и приваренным поддоном, картера (станины ко лонного типа с присоединенными боковыми листами) или картерной коробки и блока цилиндров. Вся система перечисленных деталей скреплена анкерными связями. В остове предусматривается опорный элемент (лапы или нижняя плита фундаментной рамы), которыми двигатель крепится к продольным балкам, непосредственно связан ными с набором корпуса судна (или фундамента). Так как мало оборотные двухтактные крейц копфные двигатели (МОД) выпус каются в рядном исполнении, а число цилиндров может быть дос таточно велико, каждый элемент остова состоит из нескольких сек ций, относящихся к двум–четырем цилиндрам, соединенных болтами и призонными шпильками.

Фундаментная рама. Являясь альтернативным решением несу щему картеру с подвесными опора ми коленчатого вала, она совмест но с картером обеспечивает необ ходимую продольную и попереч ную жесткость всего двигателя. Фундаментную раму применяют повсеместно в МОД, а в ряде слу чаев и в среднеоборотных двигате лях (СОД). В случае выполнения картеров в виде А образных стоек с присоединенными боковыми лис тами (щитами) применяют фунда ментную раму высотой, достаточ ной для обеспечения необходимой

щих дальнейшее повышение жест кости остова двигателя.

Картер (станина). Картеры МОД первоначально выполняли в виде колонной конструкции или в даль нейшем чаще в виде цельной кар терной коробки. В первом случае основными элементами картера яв ляются колонны – стойки А образ ной формы, устанавливаемые в плоскости коренных (рамовых) подшипников. Стойки связывают блок цилиндров с фундаментной рамой. Промежутки между стойка ми закрываются легкими щитами. Стойки, имеющие коробчатое или двутавровое сечение для получения высокой изгибной жесткости, изго тавливают литыми из чугуна или сварными из стали. Для анкерных связей в станинах выполняют ко лодцы. На стойках имеются полки для крепления направляющих пол

зуна крейцкопфа. На рис. 9.10 пред ставлен вариант сварной стойки МОД двухтактного крейцкопфного

Рис. 9.10. Сварная стойка малооборотного крейцкопфного двухтактного дизеля

дизеля с диаметром цилиндра D = = 780 мм. К преимуществам такой конструкции относятся простота и технологичность сварки (или литья) и последующей механической обра ботки. Недостатком является малая продольная жесткость остова, полу чаемая в этом случае в значитель ной степени за счет блока цилинд ров (что маложелательно) и фунда ментной рамы вместе с коленчатым валом. Кроме того, применение длинных анкеров усложняет сборку двигателя.

На рис. 9.11 показаны элементы остова крупного судового крейц копфного двухтактного дизеля, вы полненного в виде соединенных с помощью болтов отдельных секций, фундаментной рамы 1 и картерной коробки 2, представляющих собой сварные конструкции, отличающие ся повышенной жесткостью и сокра щающие в остове двигателя число

Рис. 9.11. Фундаментная рама и картерная ко робка малооборотного крейцкопфного двух тактного дизеля

горизонтальных разъемов. Ориенти ровочные относительные размеры станин приведены в табл. 9.2.

9.2. Относительные размеры станин двигателей

Блок цилиндров. В крупных ма лооборотных крейцкопфных двига телях применяются составные по длине блоки цилиндров, состоящие из отдельных отливок (одного– двух, а иногда и более цилиндров), которые соединяют между собой по вертикальным плоскостям с помо щью болтов под развертку или шпилек. Отливку МОД, как прави ло, не делают более чем на четыре цилиндра, так как при слишком большой длине отливки трудно из бежать дефектов литья, а блок яв ляется наиболее ответственной де талью остова двигателя.

Нижняя часть блока цилиндров образует полость ресивера проду вочного воздуха, в центре на оси цилиндра находится сальник што ка, отделяющий полость цилиндра от картера. В верхней части блока расположены втулки цилиндров. В двухтактных двигателях блок ци линдров, наряду с полостью охлаж дающей жидкости, имеет полости для продувочного воздуха, а в слу чае петлевой продувки и полость для отвода отработавших газов.

Конструкция блока зависит от принятой схемы газообмена, а так же силовой схемы двигателя. При этом важен способ передачи уси лий от шпилек, крепящих крышки цилиндров, к вертикальным стен кам блока. Под шпильки выполня ют конусные выступы, верхнюю полку блока цилиндров соединяют ребрами с вертикальными стенка ми. Ребра рационально располагать под шпильками крепления крышек цилиндров. На рис. 9.12 показана секция блока цилиндров МОД, вы полненная в виде отливки.

Ориентировочные относитель ные размеры блоков цилиндров приведены в табл. 9.3.

9.3. Относительные размеры блоков цилиндров двигателей

9.2. Материалы корпусных деталей

В зависимости от типа и назна чения двигателя для изготовления корпуса применяют различные ма териалы.

Блок картеры автомобильных, тракторных и ряда двигателей спе циального назначения отливают из чугуна, а в некоторых случаях из алюминиевых сплавов. Наряду с се рыми чугунами СЧ21, СЧ25, СЧ30 (перлитные модифицированные чу гуны) применяются также высоко прочные чугуны марок ВЧ35, ВЧ40,

Рис. 9.12. Секция блока цилиндров малообо ротного крейцкопфного двухтактного дизеля

ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60, ВЧ70. Цифры обозначают предел прочности при растяжении вр310 1 МПа. Хорошая жидкотекучесть чугуна позволяет получать качественные отливки сложной формы. Для удовлетвори тельной обрабатываемости твердость ВЧ должна быть не более 230 НВ.

Снижение массы корпуса дости гается применением алюминиевой отливки. Вследствие меньшей жид котекучести алюминиевых сплавов и более низкого их модуля упруго сти по сравнению с качественными чугунами стенки алюминиевых кор пусов выполняют более толстыми по сравнению с чугунными. При этом в местах установки силовых шпилек крепления опор коленчато го вала, а также головки цилиндра часто приходится использовать вставки из более прочного материа ла, устанавливаемые в алюминие

вый блок картер. Тем не менее, с учетом повышения прочности ли тейных алюминиевых сплавов их применение является перспектив ным для корпусов двигателей легко вых автомобилей и двигателей спе циального назначения.

В отечественном двигателестрое нии корпуса, как правило, изготавли вают из сплавов алюминия и крем ния (силуминов): АЛ2, АЛ4, АЛ9. До эвтектические сплавы АЛ4 и АЛ9, ле гированные магнием, получают уп рочнение при термической обработ ке. Для улучшения обрабатываемости алюминиевые сплавы должны иметь твердость 35–100НВ, получаемую за калкой с последующим старением. Алюминиевые блок картеры отлива ют под давлением около 12 МПа в пресс форму, нагретую до 200– 250 С, температура металла – 620– 650 С. Стоимость алюминиевых блок картеров выше стоимости чу гунных.

В табл. 9.4 приведены свойства некоторых материалов, используе

мых для производства картеров, бло ков цилиндров и блок картеров авто мобильных и тракторных двигателей.

Корпуса тепловозных и средне оборотных двигателей выполняются литыми из чугуна или сварно литы ми и сварными из малоуглероди стой стали. Алюминиевые сплавы применяют относительно редко, что связано в первую очередь с высоки ми нагрузками при значительных диаметрах цилиндра и степени фор сирования, требованием высокой жесткости и др. В форсированных тепловозных и судовых среднеобо ротных двигателях при литом кор пусе целесообразно использовать высокопрочный чугун, по прочно стным характеристикам прибли жающийся к конструкционным ста лям и обладающий высокой демп фирующей способностью, что спо собствует улучшению виброакусти ческих характеристик двигателя.

В случае сварно литых и сварных корпусов используется литая сталь, а также спокойные малоуглеродистые

стали Ст3, 20, 25, 30. Кипящие стали не следует применять ввиду большо го количества растворенных газов, что приводит к понижению прочно стных характеристик свариваемых элементов корпуса.

Детали остова малооборотных крейцкопфных двигателей также выполняют литыми из чугуна и сварно литыми (сварными) из ма лоуглеродистой стали. В табл. 9.5 приведены свойства стали, ис пользуемой для деталей корпусов тепловозных и среднеоборотных дизелей, а также элементов осто вов МОД.

9.3. Моделирование напряженно деформированного состояния корпусных деталей

При расчете корпусных деталей важно определить как напряжения, так и деформации, а в ряде случаев расчет на жесткость имеет перво степенное значение.

Определение перемещений, де формаций и напряжений в корпусах поршневых двигателей различных типов и назначений может быть вы полнено с помощью математиче ских моделей различного уровня. В настоящее время наиболее эффек тивные модели базируются на чис ленных методах и, прежде всего, методе конечных элементов.

Первоначально использовались простейшие одномерные модели, базирующиеся на схемах, исполь зуемых в сопротивлении материа лов при расчете стержней на растя жение сжатие, изгиб и кручение.

При этом обычно в угоду примене нию простых готовых решений чрезмерно упрощалась форма рас считываемой детали, не учитыва лись в должной мере действитель ные краевые условия. В результате решалась отличающаяся от исход ной другая задача, часто весьма да лекая от действительности.

Простейшими моделями, кото рые можно отнести к моделям пер вого уровня, являются модели рас чета на изгиб отдельных сечений фундаментной рамы, расчета А об разной стойки картера на растяже ние, сдвиг и изгиб и им подобные.

При расчете поперечной балки фундаментной рамы от действия сил давления газов Рz (см. рис. 9.9) принимают, что изгибающий мо мент Ми в сечении по середине ме жду осями стяжных болтов от сил давления газа Р

где Р – сила давления газов, дейст вующая на рамовый (коренной) подшипник от двух соседних ци линдров, силами инерции пренеб регают.

Напряжения изгиба и опреде ляются по формуле:

где Wи – момент сопротивления изгибу расчетного сечения.

Подобную схему использовали при расчете на изгиб и продольных элементов остова. При этом попе речное сечение продольных балок фундаментной рамы совместно с по

перечным сечением картера и блока цилиндров рассчитывали на изгиб по формуле типа (9.2), в которую подставляли наибольшее значение изгибающего момента относительно оси, перпендикулярной коленчатому валу, а W представлял момент со противления изгибу относительно этой оси поперечного сечения всех деталей остова, соединенных анкер ными связями. Получаемые расчет ные напряжения не должны превы шать 30 МПа для литых конструк ций из чугуна и 50–60 МПа для сварно литых и сварных.

На рис. 9.13 показана расчетная схема А образной стойки картера малооборотного крейцкопфного двигателя. Рассчитывают наиболее нагруженную стойку, расположен ную между смежными цилиндра ми, имеющими наименьший ин

Рис. 9.13. Схема для расчета стоек

тервал по углу поворота коленчато го вала между вспышками. Силы давления газов на стойку переда ются через короткие анкерные свя зи, соединяющие блок цилиндров с верхними полками стоек.

Стойка считается опертой на фундаментную раму. Расчетное сечение, перпендикулярное на клонной стенке, проходит вблизи внутренней угловой точки. Пре небрегая силами инерции, верти кальную Р и боковую N силы, действующие на стойку, опреде

ляют по формулам P Pi Pi 1 , 2

N N i N i 1 , как полусумму сил 2

в смежных i м и (i+1) м цилинд рах. Расстояние l точки приложе ния реакций в опоре Р/2 от сере дины стойки определяется как центр параллельных сил, дейст вующих по осям болтов крепле ния стойки к фундаментной раме.

Растягивающая сила в сече нии 1–1:

Сдвигающая сила в сечении 1–1:

P) P sin N cos , (9.4)

22

где – угол наклона боковых сте нок стойки.

Изгибающий момент в сечении

1–1:

где S, h – соответственно расстоя ния от центра тяжести сечения 1–1 до точки приложения реакции в опоре в горизонтальном и верти кальном направлениях.

Нормальные и касательные на пряжения в сечении 1–1 определя ются по формулам:

экв ( p и )2 4 2 ,

где F, Wи – соответственно пло щадь и момент сопротивления из гибу сечения 1–1.

Эквивалентное напряжение не должно превышать 30–40 МПа для стоек из чугуна и 50–70 МПа для стоек из стали.

К модели первого уровня отно сится и схема расчета несущих блок картеров на изгиб в продоль ной плоскости. В отличие от приня той статически определимой схемы расчета поперечной балки фунда ментной рамы (см. рис. 9.9) при расчете на изгиб корпуса многоци линдрового двигателя, корпус пред ставляют двумя поясами – балками переменного сечения на упругих опорах, которыми являются межци линдровые стойки.

Внешняя нагрузка от давления газов прикладывается по осям шпи лек, крепящих крышки цилиндров к блоку. С помощью уравнения пяти моментов находят неизвестные над опорные моменты и усилия, дейст вующие на упругие опоры–стойки, а затем напряжения в стойках и раз личных сечениях блока. Коэффици ент запаса прочности блока опреде ляется по формуле (2.147) и он дол жен быть не менее 1,8.

Недостатком рассмотренных моделей первого уровня, несмотря на их простоту и наглядность, яв ляется невозможность учета рас пределения напряжений по слож ным поперечным сечениям блока цилиндров (или картера). Кроме того, представление корпуса двига

теля в виде балки (пусть и перемен ного сечения) является слишком условным, учитывая соотношения размеров корпуса, в частности, по длине и высоте.

Более близкими к действитель ности являются расчетные схемы, основанные на двумерном конечно элементном представлении элемен тов корпуса двигателя, в частности, межцилиндровой стойки, которые можно отнести к моделям второго уровня. На рис. 9.14 показана ко нечно элементная модель межци линдровой стойки корпуса V образ ного тепловозного двигателя. Дву мерные конечно элементные моде ли, в которых стойка рассматрива ется как отделенный от блок карте ра элемент, без взаимосвязи с дру гими элементами корпуса двигате ля, можно отнести к моделям вто рого уровня. Эти модели нередко

Рис. 9.14. Конечно элементная модель меж цилиндровой стойки V образного тепловозно го дизеля