Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

показаны металлические и комби нированные прокладки, в том чис ле с экранизирующими кольцами (рис. 9.73, б), запрессованными в окантованное отверстие проклад ки. Комбинированные прокладки (рис. 9.73, в) с упругой окантовкой, имеющие повышенное сопротив ление усталости, применяют на ди зелях с высоким давлением сгора ния. В двигателях с индивидуаль ными крышками применяют про кладки из пластичных материалов (медь, алюминий), а также сталь ные омедненные уплотняющие элементы при повышенных значе ниях рz. Используют также беспро кладочный стык с притертыми со прикасающимися поверхностями головки цилиндра и втулки.

При расчете на изгиб блочных головок в плоскости осей цилинд ров от усилий затяжки шпилек Рпр в первом приближении можно ис пользовать методику, основанную на теории балок на упругом осно вании. Главным элементом упруго го основания является прокладка. Осредненная жесткость головки EJ принимается постоянной по длине головки.

Значения монтажных напряже ний колеблются в широких преде лах. Для большинства существую щих головок по результатам тензо метрирования напряжения в сред нем составляют 30–60 МПа.

Расчет головки, как балки, не позволяет получить распределе ние монтажных напряжений с учетом особенностей конструк ции. Однако имеется возможность вычислить изгибные деформации по длине головки от сил предва рительной затяжки, что способст вует рациональному выбору сил затяжки отдельных шпилек, а так же их числа и места расположе ния. Дифференциальное уравне

ние изгиба блочной головки име ет вид

JEw IV q(x) p(x), (9.39)

где q(x), p(x) – соответственно внешняя нагрузка и реактивное давление, осредненные по ширине прокладки bпр; w, x – соответствен но прогиб и координата по длине головки.

Для жестких прокладок при решении уравнения (9.39) может быть использована гипотеза пря мой пропорциональности между р(х) и прогибом w днища голов ки, т.е. р(х) = k(w (здесь k( – ко эффициент упругости основа ния, пропорциональный модулю упругости материала прокладки; для стальной прокладки k( = = 2,63104 Мпа.

Наличие цилиндров, создаю щих разрыв упругого основания, учитывается приложением ком пенсирующей вертикальной на грузки

где i – число цилиндров; L – длина прокладки.

Решение уравнения, по виду сов падающее с выражением прогиба цилиндрической оболочки, обычно записывается с помощью перегруп пировки членов в виде

w C1 sinΦxshΦx C2 sinΦxchΦx

C3 cosΦxshΦx C4 cosΦxchΦx W * , (9.40)

где W * – частное решение уравне ния (9.39), определяемое внешней нагрузкой; Φ 4k( / (4EJ).

Выражения угла поворота, изги бающего момента и поперечной

силы получаются дифференциро ванием выражения (9.40) по из вестным формулам сопротивления материалов.

Для мягких прокладок распре деление реактивного давления р(х) можно принять в виде поли нома, полученного на основе ре шения для жесткой прямоуголь ной плиты. При отношении L/bпр 4, что соответствует блоч ным четырехцилиндровым го ловкам (рис. 9.74)

(0,843 0,206х 2

р(х) 0197,х 4 0,350х 6 )6Рпр ,

L

(9.41)

где x x0,5L.

Интегрируя соответствующее число раз выражение (9.39) с уче том (9.41), получают выражения для поперечной силы, изгибаю

щего момента, угла поворота и прогиба в функции приведенной длины x.

На рис. 9.74 показано изменение прогиба относительно центра чу гунной головки при Е = 1,23105 МПа и Jср = 8,9310 6 м4 четырехцилиндро вого дизеля 4 Ч10,5/12,0 при уси лии затяжки шпилек Рпр = 73104 Н. Наибольшие расчетные (без уче та концентрации) монтажные на пряжения изгиба в днище достига ют 115 МПа.

9.8. Неподвижные соединения элементов корпуса и элементы крепления корпусных деталей

Поршневой двигатель состоит из многих узлов и деталей, одни из которых неподвижно соедине ны между собой с помощью резь бовых соединений. Применяют также прессовые соединения и

детали (головка, прокладка, блок цилиндров) выполнены из алюми ниевого сплава, имеющего модуль упругости Еал и коэффициент ли нейного расширения т ал, бурт гильзы и шпилька выполнены из

стали, имеющей Ест и т ст.

При упругом деформировании под действием силы Рпр шпилька удлиняется на величину

где 0 = l0/(EстF0) – податливость шпильки; l0 и F0 – соответственно длина и площадь поперечного се чения шпильки.

Если площадь сечения перемен

n

на по длине, то 0 6(l0 j F0 j )Eст

j 1

(здесь n – число участков по длине шпильки, на которых площадь по перечного сечения постоянна).

Стягиваемые детали под дейст вием силы Рпр сожмутся на вели чину

4

,1 , 2 , 3 ,4 Pпр 6 i , (9.43)

i 1

где ,1, ,2, ,3 и ,4 – соответствен но податливости головки, про

кладки, блока цилиндров и бурта гильзы.

При вычислении податливостиi = li/(EiFi) стягиваемой корпусной детали (блока, головки цилиндра) следует вычертить наиболее харак терное сечение детали и опреде лить площадь Fi. На рис. 9.75 в ка честве примера показаны площади средних сечений, соответствующие площади головки цилиндра F1 и площади блока F3.

При действии силы давления га зов Pг стык разгружается на вели чину Р. При этом сила, сжимаю щая блок, прокладку и бурт гильзы

Сила, растягивающая шпильку в момент вспышки,

В этой формуле все усилия от несены к одной шпильке, в частно

сти, Рг = (pzFк.с)/i (здесь Fк.с – про екция площади камеры сгорания

на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра; в простейшем слу

чае Fк.с = ( D2)/4.

При изменении усилия от Рпр до Рр шпилька дополнительно удлиня

ется на ,0, а головка цилиндра до

полнительно сжимается на величи ну ,1.

Деформация шпильки и головки

, 0 ,1 ( 0 1 )(Pг P). (9.46)

Блок цилиндров, прокладка и бурт гильзы расширяются на вели чину

, 2 , 3 ,4 ( 2 3 4 ) P. (9.47)

Из условия совместимости де

i 0

основной нагрузки, изменяющийся в пределах 0,15–0,25.

Минимальная сила предвари тельной затяжки

Pпр min p Pг (1 Λ). (9.50)

При работе двигателя сила Рпр уменьшается вследствие релакса ции напряжений, динамического характера нагрузки и других факто ров, поэтому принимают

где m =2–3.

При различии температур и тепло механических характери стик шпильки и стягиваемых де талей, шпилька может быть до полнительно нагружена темпера

турным усилием Рт, которое оп ределяется из условия совмести мости деформаций стягиваемых деталей и шпильки при тепловом нагружении. Применительно к рассматриваемой схеме

4

6 i

i 0

где Ti – приращение температуры деталей при работе двигателя (час то для всех стягиваемых деталей и шпильки принимают Ti = 70– 80 С).

Максимальная сила Pmax, растя гивающая шпильку, и соответст вующие ей напряжения в шпиль ке определяют соответственно по формулам:

Значения max не должны пре вышать допускаемые напряжения,

зависящие от материала шпильки и составляющие ориентировочно 350–550 МПа для шпилек из ле гированной стали и 100–150 МПа для анкерных связей из углероди стых сталей.

Силовые шпильки работают при переменных нагрузках, а встречающиеся при эксплуатации их поломки носят, как правило, усталостный характер. Поэтому для оценки прочности шпильки следует определить коэффициент запаса прочности по амплитуде

напряжений a 0,5ΛPг ;

F0

где ад + м + n 1p – предел вы k

носливости шпильки; + м – ко эффициент влияния абсолютных размеров шпильки (см. рис. 2.16); + n – коэффициент влияния со стояния поверхностного слоя ма териала, определяемый по фор муле (2.145).

При этом накатка резьбы повы шает сопротивление усталости шпильки (болта), что учитывается коэффициентом технологического упрочнения +упр = 1,2–1,3, в случае нарезанной резьбы +упр = 1,0.

Значения эффективного коэф фициента концентрации напряже

ний k в зависимости от предела прочности при растяжении сле дующие.

Коэффициент запаса прочности na должен находиться в пределах 2,5–4.

Дополнительно по формуле (2.131) определяют коэффициент за паса статической прочности шпиль ки (болта). Значение коэффициента запаса прочности n по максималь ным напряжениям должно быть не менее 1,25.

10.1.Основные понятия

иопределения

Вусловиях усиливающейся кон курентной борьбы за рынки сбыта побеждает то предприятие, которое способно ускорить продвижение своей продукции на рынок благо даря сокращению цикла проекти рования и производства, обеспе чить качество и снизить стоимость продукции. Предприятия, владею щие современными информацион ными технологиями, получают воз можность участвовать в междуна родной кооперации, способны предложить более выгодные усло вия сотрудничества.

Ужесточение конкуренции меж ду производителями двигателей и соответственно требований к двига телям внутреннего сгорания и при водят, с одной стороны, к дальней шему усложнению конструкции двигателей, а с другой стороны, обусловливают необходимость вы пускать новые модели двигателей улучшенного качества при приемле мых временных и финансовых за тратах. Эти обстоятельства требуют интенсификации процесса проек тирования, его автоматизации, ос вобождения инженера от рутинной работы, делая его труд более творче ским. Анализ характера проектных работ показывает, что в общем объ еме доля нетворческой работы (вы полнение стандартных расчетов, со ставление спецификаций, требова ний и т.п.) является существенной и увеличивается по мере усложнения конструкции.

Стремительное развитие вычис лительной техники наряду c вне дрением и развитием информаци онных технологий проектирования

ипроизводства наукоемких маши ностроительных изделий показы вает, что внедрение комплексных автоматизированных систем авто матизированного проектирования (САПР): систем конструирования (CAD), инженерного анализа (CAE)

итехнологической подготовки про изводства (CAM) открывает перед разработчиками принципиально но вые возможности. При этом основ ной задачей при внедрении компь ютерных технологий являются со кращение сроков проектирования

ипостановки двигателя на произ водство, поскольку именно выиг рыш во времени обеспечивает, в первую очередь, достижение эко номического эффекта, даже в срав нении с прямыми способами сни жения издержек при уменьшении затрат на проектирование и произ водство изделия. Например, время проектирования автомобильного двигателя до его постановки на

производство сократилось с 3– 5 лет в середине 80 х гг. до 15– 18 месяцев в настоящее время, а среднеоборотных двигателей – со ответственно с 7–10 до 2–3 лет. Оценки показывают, что прибыль возрастает на 3,5 % при сокраще нии стоимости проектирования из делия на 50 % с длительностью жизненного цикла 5 лет. При со кращении стоимости производства на 9 % рентабельность возрастает на 22 %, тогда как при сокращении

сроков поставки изделия на 6 меся цев рост прибыли будет макси мальным и достигнет 33 %. Допол нительно к изложенному САПР позволяет существенно повысить качество как самого проекта, так и готового изделия, что в условиях постоянно ужесточающейся конку ренции дает серьезные преимуще ства, приводя к снижению издер жек производства и эксплуатации. Поэтому разработка систем авто матизированного проектирования является актуальной задачей двига телестроения.

В настоящее время дальнейшая автоматизация производства науко емких изделий выходит на качест венно новый уровень, который на ходит свое воплощение в концеп ции PLM технологий – Product Life cycle Management (управление жизненным циклом продукта). Практическая реализация этой кон цепции связана с формированием единого информационного про странства, объединяющего все эта пы жизненного цикла изделия (про ектирование, производство, экс плуатация и утилизация). PLM тех нологии являются продолжением развития тех методов, которые были апробированы в CAD/CAM/CAE системах, и эти системы являются составными компонентами PLM технологий.

Современный этап развития двигателестроения предполагает при создании нового двигателя, по мимо разработки конструкторского проекта в его традиционном пони мании, также рассмотрение всех аспектов жизненного цикла вновь создаваемого двигателя, преду смотренного PLM технологиями. Стандарты ИСО 9000 "Управление качеством" и ИСО 14000 "Экологи ческое управление" определяют полный жизненный цикл техниче

ского объекта как совокупность приведенных ниже этапов.

1.Маркетинг.

2.Разработка концепции проек тирования объекта и его компонен тов.

3.Добыча сырья и производство конструкционных и эксплуатаци онных материалов.

4.Разработка технологических процессов производства.

5.Производство объекта и его компонентов.

6.Реализация.

7.Эксплуатация.

8.Утилизация и переработка объекта после окончания эксплуа тации.

На рис. 10.1 приведена схема жизненного цикла продукта, кото рым может являться и поршневой двигатель. Прямоугольники, изо браженные сплошными линиями, представляют два главных процес са, составляющих жизненный цикл продукта: процесс разработки и процесс производства. Процесс разработки начинается с запросов потребителей, которые анализиру ются отделом маркетинга, и закан чивается полным описанием про дукта, обычно выполняемым в форме рисунка. Процесс производ ства начинается с технических тре бований и заканчивается постав кой готовых изделий.

С развитием международной кооперации в единый процесс во влекается множество конструктор ских и технологических бюро, ма шиностроительных предприятий, фирм, занятых продвижением, продажей, наладкой и эксплуата цией изделий. Сетевые инфра структуры (локальные, корпора тивные, региональные и глобаль ные сети) обеспечивают прямую передачу информации от компью тера к машиностроительному обо

Рис. 10.1. Жизненный цикл продукта

рудованию, обмен информацией между удаленными рабочими мес тами и т.д. Все это создает пробле мы управления циклом проектиро вания всего изделия, интеграции программного обеспечения, целост ности данных, межпрограммных интерфейсов и др. Наиболее важ ными из них являются:

•ведение распределенных архи вов конструкторской, технологиче ской, коммерческой информации (геометрические модели, конечно элементные сетки, результаты ин женерного анализа, конструктор ская документация, технологиче ские процессы, программы для станков с ЧПУ, экономические рас четы и т.д.);

•организация быстрого поиска, просмотра и аннотирования доку ментов и моделей различных фор матов (текстовой информации, гра фической, вербальной, анимации и пр.) без загрузки приложений, в ко торых эта информация создавалась;

•управление разработками слож ных изделий (управление структу рой изделия, согласование проце дур и этапов работ, управление вер сиями и документами, история создания и сопровождения);

•организация обмена и пред ставления данных различных CAD/ CAM/CAE систем;

•авторизация пользователей и рабочих групп, назначение прав доступа и защита информации;

•установление последователь ности прохождения документов, контроль выполнения, электрон ная подпись;

•организации информации на физических носителях различного типа, удаленный доступ к инфор мации.

В современных PLM технологи ях эти и другие функции берут на себя программные среды, получив шие наименование PDM – Product Data Management (управление дан ными продукта).

PLM технологии представляют собой набор методов создания еди ного информационного простран ства (ЕИП). Главной целью вне дрения PLM технологий является создание единого информационно го пространства, отражающего все этапы жизненного цикла изделия для всех периодов его существова ния.

ЕИП должно обеспечить:

•целостность данных; возмож ность доступа к данным географи чески удаленных пользователей;

•отсутствие потерь информа ции при переходе с одного этапа на другой; доступность всем участни кам изменения данных;

•возможность использования разных компьютерных систем; ЕИП отличается тем, что вся ин формация представляется в элек тронном виде;

•хранение всех сведений об из делии;

•единственность данных об из делии;

•использование международ ных и государственных стандартов;

•использование программно технических средств, доступных участникам разработки и создания изделия;

•возможность постоянного рас ширения.

Как на стадии проектирования изделия, так и на этапе его произ водства требуются услуги системы управления поставками необходи мых материалов и комплектующих, иногда называемой системой SCM

–Supply Chain Management (управ ление цепочками поставок).

Автоматизация управления дея тельностью как всей корпорации (производственных объединений предприятий), так и его отдельных структурных подразделений вы полняется при помощи автомати

зированных систем управления предприятием. Наиболее развитые системы ERP – Enterprise Resource Planning (планирование и управле ние предприятием) выполняют различные бизнес функции: пла нирование производства, управле ние закупками, сбытом продукции, анализом перспектив маркетинга, управлением финансами, персона лом, складским хозяйством, учетом основных фондов и т.п. Системы MRP 2 – Manufacturing (Material) Requirement Planning (планирова ние производства) ориентированы в основном на бизнес функции, непосредственно связанные с про изводством.

На этапе реализации продукции выполняются функции управления отношениями с заказчиками и по купателями, проводится анализ со стояния рыночной ситуации, опре деляются перспективы спроса на планируемые изделия. Эти функ ции возложены на систему CRM – Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с заказчиками).

На этапе эксплуатации исполь зуют также специализированные автоматизированные системы, за нятые вопросами ремонта, контро ля, диагностики эксплуатируемых систем. С внедрением таких систем, например, обслуживающий персо нал может воспользоваться геомет рическими моделями отдельных де талей или всей сборки изделия, по лученных на этапе проектирования, интерактивными учебными посо биями и техническими руковод ствами. Из общих баз данных мож но организовать выборку информа ции по какому либо признаку. На пример, можно выделить только те узлы изделия, которые в данное время нуждаются в сервисном об служивании.