Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

кументации, описание типовых эле ментов документов и методов пред ставления структуры, состава про мышленного изделия и его компо нент на языке SGML, стандарт ISO 8879 – на язык разметки SGML.

Полная реализация возможно стей, предоставляемых PLM техно логиями применительно к отечест венному двигателестроению, требу ет определенного времени, хотя на чало внедрения САПР на таких за водах как ЯМЗ, АвтоВАЗ было по ложено сравнительно давно. Прин цип единого информационного пространства при создании нового двигателя реализуется прежде всего в разработке его трехмерной компь ютерной модели, что позволяет рас параллелить процесс проектирова ния, существенно ускоряя его.

При использовании "тяжелых" систем устраняются трудности, свя занные с обменом данными между подразделениями завода изготовите ля (конструкторами, технологами и др.). Такие системы хорошо вписы ваются в общую систему управления предприятием. Следует отметить, что "тяжелые" системы CAD/CAE/CAM более трудны в освоении и отличают ся повышенной стоимостью.

10.2. Методология применения информационных технологий при проектировании поршневых двигателей

Любая сложная техническая сис тема обладает рядом характерных признаков, из которых могут быть выделены следующие:

•многообразие выполняемых функций;

•сложный и разветвленный ха рактер взаимодействий между эле ментами;

•сложный и разветвленный ха рактер системы управления;

•зависимость характеристик сис темы от взаимодействия с внешней средой;

•наличие тенденции ухудшения характеристик с течением времени.

Двигатель в полной мере удовле творяет этим признакам. С точки зрения физических процессов порш невой двигатель может быть охарак теризован как открытая неоднород ная динамическая стохастическая система. При этом с учетом сложно сти процессов в цилиндре двигателя

иего системах и многообразия требо ваний, предъявляемых к двигателю, последний относится к техническим объектам высокой степени сложно сти. Это создает значительные труд ности при формализации описания как самого двигателя, так и алгорит ма его автоматизированного проек тирования. Все вместе является слож ной, наукоемкой задачей, требующей больших трудовых затрат.

Поршневой двигатель внутрен него сгорания является отдельной частью различных средств назем ного, водного и воздушного транс порта, а также стационарных и пе редвижных средств малой энерге тики, различных исполнительных механизмов и т.д.

Современные математические модели, используемые при проек тировании двигателя, представля ются в виде многоуровневой иерар хической структуры с определенны ми задачами на каждой ступени расчетного анализа. Уровень моде ли характеризует ее качество – сте пень глубины и полноты отражения связей, существующих между пара метрами входа и выхода модели. Кроме этого различают еще и клас сы моделей, например, А – модель всего двигателя, Б – модель цилин дропоршневой группы, В – модель поршня. При необходимости могут быть введены и подклассы для опи

сания отдельных частей системы. При этом важно с самого начала оп ределить место использования мо делей определенного уровня при проектировании деталей, узлов и всего двигателя в целом, что позво лит сберечь время, средства и избе жать ненужной детализации при об следовании вариантов конструкции.

Вобщей методологии проектиро вания сложных технических систем известны два основных метода – нисходящее (внутреннее) и восходя щее (внешнее) проектирование. Ме тод нисходящего проектирования характеризуется последовательным движением от проработки более об щих элементов к конкретным про работкам их составных частей, т.е. разработка системы ведется "сверху вниз". Достоинством данного метода является то, что даже при нечетко сформулированных требованиях к характеристикам всей конструкции, по мере продвижения от элемента к элементу возможно последователь ное их уточнение и развитие. Кроме того, применяя данный метод, мож но по мере продвижения от уровня к уровню уточнять и корректировать первоначальный план конструкции.

Метод восходящего проектиро вания предполагает совершенство вание конструкции в направлении от "частного к общему", т.е. когда из отдельных элементов конструк ции собирается вся система.

Впрактике обычно использует ся как восходящий, так и нисходя щий методы, однако при построе нии САПР ДВС предпочтение от дается методу нисходящего проек тирования. Наиболее четко сущ ность нисходящего проектирова ния проявляется в блочно иерар хическом подходе, который заклю чается в следующем.

Впроцессе разработки конструк ции сложной технической системы,

в частности ДВС, выделяются соот ветствующие иерархические уровни. Каждому из уровней соответствует своя глубина проработки конструк ции в целом или отдельных ее эле ментов (рис. 10.6). Так, на высшем уровне вся система рассматривается как единое целое, без разделения на отдельные элементы. На этом уров не первоначально задаются требова ния по мощностным характеристи кам двигателя, его компоновочной схеме, тактности, предельным мас согабаритным характеристикам и др. Эти требования должны непосредст венно вытекать из технического за дания на двигатель. На следующем, первом уровне выбирают отдельные системы ДВС: уточняется тип каме ры сгорания, ЦПГ, системы топли воподачи и воздухоснабжения. При этом требования к их конструкциям предъявляются с учетом результатов проектирования на предыдущем ну левом уровне. Естественно, что, ис ходя из технического задания на весь двигатель, нельзя изначально пред положить, какие именно свойства потребуются от его отдельных сис тем. Таким образом, конкретизация технических заданий для отдельных элементов при таком методе выпол няется в процессе проектирования, усиливаясь по мере продвижения от высших уровней к низшим. На вто ром уровне на основании данных разработки отдельных систем выби рают их элементы. Этот процесс продолжается до полной разработки конструкции.

Однако может возникнуть ситуа ция, при которой требования техни ческого задания, поставленные на предыдущем уровне, на низших уровнях реализовать для заданной конструкции не удается. Тогда необ ходим возврат на один уровень назад для пересмотра решения, принятого ранее. Так, через разработку после

довательных технических заданий осуществляется связь между уровня ми проектирования. Очевидно, что в этом случае сам процесс разработки технической системы будет носить итерационный характер.

Одним из перспективных направ лений в современном подходе к кон струированию сложных технических систем является широкое использо вание унифицированных узлов и де талей, что позволяет сэкономить вре мя за счет исключения этапов их раз работки. Требуется лишь включение унифицированных узлов в разраба тываемую систему и согласование их характеристик. Этот принцип широ ко применяется в двигателестроении. В частности, высокую степень уни фикации имеют основные навесные системы двигателя – турбокомпрес соры, топливные, масляные и жид костные насосы и др.

Очевидно, что использование широкой унификации означает при менение метода восходящего проек тирования в САПР, который, одна ко, используется в ограниченных пределах – на определенных уров нях, при проектировании отдельных систем. Общее направление проек тирования остается нисходящим.

При решении задач конструиро вания сложных технических систем необходимо разумное сочетание син теза и анализа. Задача синтеза за ключается в генерировании структу ры разрабатываемого объекта, т.е. создании новых вариантов схем, конструкций двигателей и их эле ментов, а также их структуры и па раметров. Синтез конструкции и оп ределяет сущность процесса конст руирования.

Введем классификацию уровней сложности задач синтеза.

Первый уровень сложности – синтез конструкций, структура ко торых заранее предопределена либо на основе непосредственных требо ваний технического задания (ТЗ), либо проведенных ранее исследова тельских работ. На этом уровне сам синтез отсутствует.

Второй уровень сложности – син тез конструкции путем перебора ва риантов из ограниченного набора унифицированных или стандартизи рованных элементов.

Третий уровень – выбор вариан та из ограниченной последователь ности при наложении некоторых ограничительных требований.

Четвертый уровень сложности – синтез с выбором варианта из неог раниченной последовательности ли бо из последовательности с неиз вестными границами. В этом случае путем генерирования системы из заранее неоговоренного списка эле ментов имеется возможность полу чения нестандартной конструкции.

Пятый уровень сложности – за дачи, не имеющие прототипов или аналогов. Синтез конструкции из имеющегося набора невозможен.

Синтез конструкции отдельных узлов и систем ДВС чаще всего от носится ко второму–четвертому уровням сложности. Редко, в основ ном при разработке принципиально новой конструкции, его можно от нести к пятому уровню сложности. Если среди вариантов конструкций и параметров определяют наилуч шие, то такие задачи синтеза назы вают соответственно структурной и параметрической оптимизацией.

При синтезе конструкции после выбора варианта необходим следую щий шаг – оценка работоспособно сти рассматриваемого варианта, его свойств. Она относится к задачам анализа конструкции. На основании анализа свойств конструкции разра

ботчик принимает решение либо о необходимости новой конструкции, либо о пригодности созданного вари анта. Наиболее эффективно такие за дачи решаются методом математиче ского моделирования с использова нием современной вычислительной техники и физического моделирова ния. Очевидно, что, выполняя зада ния по синтезу конструкции, прихо дится анализировать целый ряд воз можных вариантов. Подробное мате матическое моделирование каждого варианта сопряжено с высокими за тратами. Упрощение же этого про цесса может привести к серьезным ошибкам проектирования. Таким об разом, необходим поиск оптималь ного варианта, который позволил бы при приемлемых затратах получить достаточную надежность решения. Для этого синтез конструкции необ ходимо вести на основе максимально полного описания технических ха рактеристик объектов из соответст вующего ряда. При этом технические характеристики закладываются на основании данных математического моделирования объекта, опыта дово дочных работ, серийного выпуска и эксплуатации. Характеристики объ екта должны дать полную картину его возможностей функционирова ния в рамках какой либо системы, возможностей стыковки с другими элементами, необходимых ресурсов и затрат на изготовление и т.п. Подоб ное описание позволит значительно сократить число ошибочных вариан тов уже на стадии синтеза. Анализу будут подвергаться варианты, про шедшие отбор на стадии синтеза.

Блочно иерархический подход к представлению о двигателе в про цессе его проектирования обуслов ливает иерархическую структуру его математических моделей.

При проектировании системы математических моделей к ним

предъявляют такие требования, как точность, гибкость, информацион ная и структурная совместимость, обеспечивающие возможность ис пользования их при решении задач на различных уровнях и в любых сочетаниях.

Каждому уровню проектирова ния соответствует совокупность ма тематических моделей определен ной сложности, которая увеличива ется с переходом на низшие уровни

иподуровни проектирования. Раз нообразие задач, решаемых при проектировании, способствует то му, что на разных уровнях проекти рования одному и тому же объекту соответствует несколько математи ческих моделей, отличающихся друг от друга сложностью, степенью де тализации процессов и, естествен но, точностью воспроизведения ос новных свойств объекта.

Для создания математических моделей используют феноменоло гический и статистический методы. Первый метод состоит в изучении

иописании физических процессов, протекающих в двигателе, система ми дифференциальных, алгебраи ческих уравнений. Статистический метод заключается в представлении двигателя или его систем в виде "черного ящика" и установлении формальных связей между входны ми и выходными параметрами, оп ределяемыми в основном экспери ментально.

Всоответствии с иерархией ма тематические модели могут класси фицироваться как по описываемому объекту, так и по степени детализа ции его описания или функциони рования. К степени детализации от носят, как правило, размерность модели, т.е. уравнений, описываю щих объект или его поведение. В настоящее время широко использу ются модели всех размерностей – от

0 до 4. Последние описывают неста ционарное поведение конструкции

втрехмерном пространстве.

Всвязи с развитием вычисли тельной техники и созданием баз данных по уже имеющимся издели ям все бо' льшее внимание уделяется развитию сложных моделей, позво ляющих описывать поведение объ емного объекта с максимально дета лизованным описанием геометрии в режиме реального времени.

Важным аспектом проектирова ния сложных технических систем является необходимость оптимиза ции конструкции (как отдельных элементов, так и изделия в целом). Когда задача оптимизации сводит ся к улучшению характеристик по одному двум параметрам, как, на пример, при разработке элементов корпуса судна, то решение такой задачи не вызывает затруднений. В случае же проектирования такого сложного объекта, как ДВС, когда одновременно требуется оптимиза ция по экономичности, мощности, срокам службы, прочности, массо габаритным показателям и другим параметрам, задача полной опти мизации неразрешима. Можно бы ло бы идти по пути оптимизации отдельных систем двигателя, если бы не то обстоятельство, когда тре бования к различным системам за частую противоречат одно другому. В результате при оптимизации конструкции ДВС приходится вы бирать наиболее важный параметр и решать задачу при многих огра ничениях по другим параметрам.

При использовании САПР ДВС следует исходить из того, что ЭВМ на любой стадии своего развития останется лишь инструментом, бо лее или менее совершенным, вы полняющим только те функции, которые заложены в него разработ чиком на стадии генерации.

Началом любого процесса конст руирования является выработка тех нического задания на создаваемую систему. Основная цель этого этапа

– определение требований, предъяв ляемых к конструкции двигателя по требителем. Основные параметры, закладываемые в ТЗ:

•эффективная мощность и вра щающий момент двигателя (должны полностью удовлетворять требова ниям потребителя; в конструкцию должна быть заложена возможность форсирования двигателя и обеспече ния его работоспособности при кратковременных перегрузках);

•эксплуатационный диапазон частот вращения коленчатого вала (должен быть согласован с потреби телем);

•масса и габаритные размеры двигателя;

•экономичность по топливу и смазочному материалу;

•срок службы, время до первой переборки;

•токсические характеристики от работавших газов;

•уровень акустического шума двигателя.

Выбор параметров, в значитель ной мере определяющих тип, ком поновочную схему, тактность дви гателя, производит конструктор, поэтому этот этап автоматизации не подлежит. Однако на более низких уровнях проектирования, когда разрабатываются и уточня ются ТЗ на отдельные элементы и системы, предъявляемые к ним требования являются следствием предварительного анализа конст рукции на более высоком уровне. Поскольку этот анализ может вы полняться и с помощью ЭВМ (в системе САПР – только таким об разом), то создаются определен ные предпосылки для автоматиза ции и нулевого этапа.

Следующий этап – выбор прото типа двигателя, наиболее соответст вующего требованиям, сформули рованным в ТЗ. Чаще всего это тре бования повышенной экономично сти, мощности и ресурса по сравне нию с существующими вариантами конструкций, кроме того, в послед нее время выдвигается требование многотопливности двигателя. В та ких случаях, как правило, не возни кает необходимости в принципи ально новых разработках основных узлов и деталей, и прототип выби рают из множества вариантов при наличии ряда ограничений (по га баритным размерам, массе и др.). Поэтому данную задачу можно от нести к задаче параметрического синтеза третьего уровня сложности.

Вто же время в ряде случаев мо жет возникнуть потребность в поис ке принципиально новых или отли чающихся существенной новизной решений. При разработке новых уз лов для двигателей адиабатного ти па не всегда можно воспользоваться опытом конструирования ДВС обычного вида. Так, в ДВС адиабат ного типа отсутствует охлаждение теплонапряженных деталей ЦПГ и необходимо создание принципи ально новых конструкций тепло изолированных поршня и крышки цилиндра. Кроме того, существен ный рост температуры поршневых колец вынуждает отказаться от обыч ной смазочной системы и преду смотреть возможности реализации бессмазочного уплотнения ЦПГ. Подобные задачи относятся к пято му уровню сложности и автоматиза ции не подлежат.

Взависимости от класса сложно сти задач, решаемых на рассматри ваемом этапе разработки конструк ции ДВС, определяют возможную степень автоматизации данного процесса. Задачи синтеза третьего

быть осуществлен как самим кон структором, так и с помощью ЭВМ по соответствующим конструктор ским алгоритмам. Однако второй вариант возможен только в случае, если разрабатывается элемент дос таточно простой конфигурации.

Основной функцией ЭВМ на этой стадии проектирования явля ется анализ предложенной конст рукции с помощью полноразмер ных математических моделей. Имен но это с достаточной степенью дос товерности доказывает правиль ность выбора основных конструк торских решений, выбора размеров, допусков, зазоров и т.п. Современ ные методы расчета ДВС позволяют с высокой степенью точности пред сказать поведение технической сис темы практически любой сложности при любых конструкторских и ре жимных воздействиях на нее. Сле довательно, предварительный рас четный анализ вновь разрабатывае мого двигателя позволяет резко со кратить количество ошибок, неиз бежных даже при самой высокой квалификации конструкторского пер сонала. Это существенно уменьшает удельный вес экспериментально доводочных работ, занимающих большую часть разработки ДВС.

Результатом этапа рабочего про ектирования является рабочая до кументация на двигатель.

Следующий этап – изготовление опытного образца и его доводка. Цель этапа – практическая провер ка правильности принятых на ста дии проектирования конструктор ских решений по обеспечению ра ботоспособности ДВС и требуемых характеристик. Две стадии этого этапа поддаются автоматизации в существенно различной степени.

Первая стадия – изготовление опытного образца. Очевидно, что этот этап может быть автоматизиро

ван только в случае широкого вне дрения полностью безлюдных про изводств, при которых вся техниче ская документация по изготовлению опытных двигателей на стадии рабо чего проектирования будет перево диться на соответствующие алгорит мы для гибких автоматизированных производств (ГАП). Однако пока это дело будущего, наступление которо го зависит лишь в малой степени от развития отрасли двигателестроения.

Цель второй стадии — доводка двигателя, выявление на основе экс периментальных данных "слабых" мест конструкции и их последующее исправление. На этом же этапе вы являются соответствие характери стик разрабатываемого двигателя требованиям ТЗ и доводка его харак теристик до нужного уровня. Оче видно, данный процесс может быть выполнен только итерационным способом, т.е. путем последователь ного приближения характеристик системы к ТЗ, внесением различных изменений в конструкцию. Таким образом, на этапе доводки произво дится последовательный возврат на определенные иерархические уров ни этапов эскизного и рабочего про ектирования двигателя. Количество этих итераций всецело определяется степенью совершенства тех расчет ных методов, которые были исполь зованы при анализе конструкции на стадии ее разработки. При 100 % ной точности этих методов можно было бы ограничиться одной итера цией. Однако любые расчетные ма тематические модели имеют по грешность, следовательно, даже в случае самого подробного анализа конструкции будут иметь место оп ределенные ошибки.

Своеобразной обратной связью между этапами разработки конст рукторской документации и доводки двигателя являются данные экспе

риментального исследования его ха рактеристик. Получение и обработка этих данных могут быть полностью автоматизированы путем внедрения автоматизированных испытательных стендов. В настоящее время такие стенды применяются на большинст ве крупных предприятий. При этом ЭВМ используется и как управляю щее звено, и как средство сбора, об работки и выдачи информации.

С точки зрения организации проектных работ по применению автоматизированных систем разли чают два подхода. Первый – орга низация отдельного временного

подразделения, включающего в свой состав конструкторов, расчетчи ков, технологов и испытателей с подчинением специально назначен ному руководителю проекта (сквоз ное проектирование или верти кальная организация). Второй – выделение работников для выпол нения новой разработки в рамках своих отделов с подчинением сво ему непосредственному начальни ку (горизонтальная структура). Оба подхода примерно равноценны, ис пользуются достаточно широко и имеют свои положительные и от рицательные стороны.

11.1.Автомобильные

итракторные двигатели

Развитие автомобильных и трак торных двигателей, как и двигателе строения в целом, происходит в на правлении улучшения экологиче ских характеристик – снижения токсичности, уровня шума, вибра ции, улучшения эксплуатационной экономичности по топливу и маслу, расширения ассортимента исполь зуемых топлив, повышения моторе сурса и надежности, увеличения удельной и агрегатной мощностей, уменьшения удельной материало емкости и трудовых затрат на тех ническое обслуживание при экс плуатации.

Анализируя конструкции и тен денции развития автомобильных двигателей, следует отдельно рас смотреть двигатели легковых и гру зовых автомобилей и тракторов.

11.1.1.Двигатели легковых автомобилей

Внастоящее время основным ти пом силовой установки легкового автомобиля является двигатель внут реннего сгорания с принудительным воспламенением. Суммарный рабо чий объем двигателей легковых ав томобилей составляет 1–4,5 л; час

тота вращения коленчатого вала дос тигает 7000 мин 1; литровая мощ ность 50–75 кВт/л; удельная масса 1–2,5 кг/кВт; удельный расход топ

лива 235–300 г/(кВт3ч); степень сжа тия 9–10,5. Как правило, это четы рехтактные двигатели с числом ци линдров i = 3–6 и i = 8 соответствен

но с рядным или с V образным рас положением цилиндров. Классиче ским двигателем легкового автомо биля является четырехтактный четы рехцилиндровый двигатель с ряд ным вертикальным или наклонным (до 30 ) расположением цилиндров и с плоским коленчатым валом. Примером является двигатель четы рехтактный, рядный, четырехцилин дровый с рабочим объемом цилинд ров 2,3 л Заволжского моторного за вода (рис. 11.1). Двигатель имеет че тырехклапанную схему газораспре деления с двумя верхними распре делительными валами, центральным расположением свечи зажигания

икомплексной микропроцессорной системой управления впрыском топ лива и зажигания, что обеспечивает высокие технико экономические по казатели. Чугунный блок картер име ет высокую жесткость.

При установке двигателя на авто мобиль ось коленчатого вала распо лагается как вдоль, так и поперек продольной оси автомобиля. На клонное расположение цилиндров применяют для уменьшения высоты двигателя и обеспечения свободного доступа ко всем деталям и вспомога тельным агрегатам, требующим пе риодического технического обслу живания или регулирования. Четы рехцилиндровые рядные двигатели имеют хорошую уравновешенность

иравномерность вращения коленча того вала.

Расположение агрегатов двига теля зависит от способа его разме щения на автомобиле. Систему га зораспределения выполняют как с