Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs_1 / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

Двигателестроение является од ной из наиболее наукоемких и тех нологически сложных отраслей ма шиностроения. Применение двига телей внутреннего сгорания (ДВС) на автомобильном, железнодорож ном, авиационном, речном и мор ском транспорте, а также в сельско хозяйственном и строительном ма шиностроении, добывающей про мышленности, малой энергетике, в вооруженных силах и др. выдвигает особые требования к конструкции. Такие требования связаны с возмож но большими ограничениями вред ных воздействий ДВС на человека и окружающую среду с учетом огром ных затрат конструкционных мате риалов и топлива на создание и экс плуатацию многих миллионов дви гателей различных типов и назначе ний. Уровень требований к технико экономическим показателям двига телей непрерывно возрастает, что имеет объективный характер и дик туется общей экологической и эко номической ситуацией в мировом сообществе. Это необходимо учиты вать при разработке новых и модер низации существующих конструк ций, реализуя в процессе создания двигателей новых поколений дости жения в области расчетного анализа, технологий производства, испыта ний, а также диагностики в ходе экс плуатации. В эпоху рыночных от ношений указанное является необ ходимым условием создания конст рукций двигателей с высокими тех

нико экономическими показателя ми, обладающими конкурентоспо собностью.

В учебнике излагаются основы конструирования и методы расче тов на прочность поршневых ДВС. В нем на современном научном уровне с использованием практики отечественного и зарубежного ма шиностроения представлены ос новные принципы создания совре менных ДВС различных типов и назначений на стадии проектиро вания. Проанализированы пути со вершенствования основных узлов и деталей двигателей с использова нием современных компьютерных технологий.

Учебник рассчитан на подготовку специалистов в области энергома шиностроения по специальности 101200. При этом, наряду с подго товкой бакалавров и инженеров в рамках специальности 101200, пред усматривается и подготовка магист ров. В последнем случае углубленное изучение методов математического моделирования теплового и напря женно деформированного состоя ния, динамики и прочности элемен тов двигателя приобретают особое значение.

Настоящий учебник сохраняет традицию изложения материала, сложившуюся на протяжении мно гих десятилетий на кафедре "Порш невых двигателей" МГТУ им. Н.Э. Баумана и нашедшую отраже ние в учебниках по конструкции и

расчету ДВС, написанных профес сорами кафедры А.С. Орлиным, Д.Н. Вырубовым, М.Г. Кругловым, С.Г. Рогановым, Ф.Ф. Симаковым, М.М. Чурсиным и другими препо давателями. Вместе с этим стреми тельное развитие двигателестрое ния, направленное на существенное повышение важных технико эконо мических показателей поршневых двигателей и тесно связанное с вне дрением новейших технологических процессов, уточненных методов расчетного анализа, выходящего за рамки традиционных поверочных расчетов, применением новых мате риалов и, наконец, трансформаци ей самого процесса проектирования на базе систематического примене ния ЭВМ, потребовали существен ного изменения содержания учеб ника. Поэтому предлагаемое изда ние является новым учебником, в котором, следуя утвердившимся в МГТУ им. Н.Э. Баумана принци пам подготовки специалистов в об ласти двигателестроения с исполь зованием новейших научных дости жений, рассмотрены методы конст руирования и расчета применитель но к основным классам поршневых двигателей, применяемых в настоя щее время.

Учебник состоит из 11 глав. Пер вые две главы посвящены общим вопросам конструирования и расче там на прочность современных дви гателей внутреннего сгорания.

В условиях высокой специализа ции, когда значительная часть базо вых деталей изготавливается специа лизированными предприятиями, по строение типоразмерного ряда, вы бор компоновочной схемы и основ ных конструкционных соотношений,

включая межцилиндровое расстоя ние, относятся к ключевым момен там при создании нового двигателя. При этом процесс сквозного проек тирования с применением компью терных технологий, начиная с твер дотельного моделирования с перехо дом к инженерному анализу конст рукций и технологий изготовления двигателя (цепочки CAD CAE и САМ), является общепринятым пу тем создания наукоемкой продукции, к которой относятся и современные поршневые двигатели.

В третьей главе достаточно пол но излагается расчет перемещений, скорости, ускорений поршня и других элементов кривошипно ша тунного механизма, а также расчет сил и моментов в двигателях, вы полненных по различным компо новочным схемам. Детально рас смотрено уравновешивание двига телей. В отличие от выпущенных ранее учебников в главу включены разделы, посвященные крутиль ным и изгибным колебаниям, виб роактивности поршневых двигате лей и путям ее снижения.

Последующие шесть глав посвя щены конструированию и расчету на прочность базовых деталей дви гателей. Каждая глава построена структурно, по возможности оди наково. После анализа современ ных конструкций детали или узла с учетом их многообразия в двигате лях разных типов и назначений, указания наиболее распространен ных и перспективных материалов, рассматриваются методы повыше ния несущей способности рассмат риваемого элемента. Затем предла гается многоуровневая структура математических моделей для расче та температурных полей, полей де

формаций и напряжений с различ ной степенью глубины проведения расчетов на разных этапах создания нового или модернизации сущест вующего двигателя.

Учитывая важность компьютер ных технологий в процессе созда ния новых двигателей, в учебник включена отдельно 10 я глава, по священная основам автоматизиро ванного проектирования поршне вых двигателей. Завершается учеб ник анализом конструкций и пер спектив развития основных клас сов поршневых двигателей назем ного и водного транспорта, авиа ционных двигателей, а также дви гателей общего назначения, вклю чая малую энергетику.

По мнению авторов, предлагае мое издание будет полезно для ин женеров конструкторов, научных работников, занимающихся созда нием и исследованием поршневых двигателей.

Авторы выражают искреннюю признательность г же И.Ю. Кузне цовой и г ну Е.А. Крылову за большую помощь при подготовке рукописи данного учебника.

Авторы выражают также глу бокую благодарность ОАО "Коло менский завод" (г. Коломна) и ОАО "Автодизель" (г. Ярославль) за ока занную помощь в подготовке иллю стративного материала рукописи.

1.1.Общие предпосылки

кразработке нового двигателя

Необходимость создания нового двигателя определяется условиями рынка, отражающими потребности различных потребителей в двигате лях определенного типа с необходи мыми технико экономическими по казателями, включая рыночную стоимость двигателя. При разработ ке новых конструкций широко ис пользуется принцип типоразмерно го ряда, позволяющий при наличии минимального числа основных раз меров двигателя, в частности, одно го диаметра цилиндров за счет из менения их числа, а также степени форсирования двигателя по пара метрам рабочего процесса обеспе чить значительный диапазон выра батываемых мощностей. При этом появляются большие возможности в отношении унификации отдель ных узлов и деталей, а следователь но, организации их специализиро ванного производства и повышения качества двигателей. Идея мощност ного ряда нашла применение в практике ведущих отечественных и зарубежных фирм производителей (ОАО "Коломенский завод" – дви гатели ряда ЧН26/26, ОАО "Автоди зель" (Ярославский моторный за вод) – двигатели Ч(Н) 13/14; Ч(Н) 14/14, КАМАЗ – двигатели Ч(Н) 12/12, Ч(Н) 12/13 и др.)

Жизненный цикл современного двигателя составляет около 25 лет, на протяжении которых конструк ция двигателя может быть модер низирована в соответствии с появ

ляющимися новыми требованиями к ее технико экономическим и, прежде всего, экологическим пока зателям.

Ускорение процесса создания и сокращение сроков модернизации двигателей возможно на базе ши рокого и систематического приме нения математического моделиро вания в двигателестроении.

Реализация с помощью новей шей вычислительной техники не прерывного процесса разработки исходных вариантов конструкции, их расчетного анализа с выбором оптимального варианта, изготов ления технической документации и производства отдельных деталей с помощью современных обраба тывающих центров стало нормой в практике передовых двигателе строительных фирм.

Сколько бы совершенным не был процесс воплощения последователь ности перечисленных стадий созда ния детали, узла и всего двигателя в целом, успех в большой степени оп ределяется выбором ряда основных параметров и соотношений, вклю чая схемные решения, которые вы полняются разработчиком.

1.2. Компоновочные схемы поршневых двигателей

Под компоновочной схемой порш невого двигателя (в рамках принятой кинематической схемы) понимается прежде всего взаимное расположе ние рабочих цилиндров и их число. Наибольшее распространение в со временных ДВС получил кривошип но шатунный механизм (КШМ) пе