Chainov_Ivashenko_Konstr_dvs_1 / Чайнов Иващенко - Конструирование ДВС

ввершинах соответствующих много угольников. Однако практического распространения такие схемы не по лучили. Приведенными схемами не исчерпываются возможные компо зиции расположения и числа цилин дров, а также коленчатых валов. Указанные схемы относятся к двига телям простого действия. На основе некоторых из них и прежде всего рядной (схема 1) и V образной (схе ма 2) схем возможно выполнение как четырехтактных, так и двухтакт ных двигателей. Наряду с двигателя ми простого действия возможно вы полнение и двигателей двойного действия, когда поршень осуществ ляет рабочий ход при движении как

водну, так и в другую стороны, что позволяет увеличить мощность в 1,5–1,8 раза.

Принцип двойного действия был в прошлом реализован приме нительно к судовым малооборот ным двухтактным двигателям с большими диаметрами цилиндров. В последнее время новые конст рукции двигателей двойного дейст вия не разрабатывались.

Выбор компоновочной схемы определяется не только одним рас положением цилиндров относи тельно оси коленчатого вала (ва

лов). Важное значение имеет в це лом "архитектурная" форма двигате ля. Большое влияние на нее оказы вает тип газообмена и привод кла панов, система топливоподачи, тур бонаддува, смазочная, охлаждения и др. Выбор "архитектурной" формы и, прежде всего, схемы расположе ния цилиндров является ответст венным моментом при создании нового двигателя, так как от этого зависят многие важнейшие потре бительские свойства двигателя, а изменение схемы в ходе доводки и модернизации двигателя невозмож но и будет означать отказ от приня того разрабатываемого двигателя.

1.3. Основные показатели, характеризующие конструкцию, и выбор исходных данных при проектировании поршневых двигателей

Современный этап развития дви гателестроения характеризуется дос таточно быстрой сменой поколений поршневых двигателей. В машино строительной технике такая смена происходит приблизительно в тече ние 10 лет. Одной из основных тен денций развития поршневых двига телей остается повышение их мощ

ности при существенном улучшении экологических показателей и надеж ности, а также высокой экономич ности. Как показывает статистика, мощность установок с поршневыми двигателями возрастает в среднем в зависимости от назначения установ ки на 60–100 % за десять лет. Мощ ность является основным парамет ром двигателя.

Развитие энергетических устано вок характеризуется также непре рывным ростом удельных показате лей. Все большее внимание уделяет ся снижению расходов, связанных с эксплуатацией двигателя и опреде ляемых его экономичностью, эко логическими показателями, надеж ностью и сроком службы, трудоем костью технического обслуживания и некоторыми другими факторами. Конкурентная способность порш невых двигателей, особенно транс портного назначения, помимо эко номичности, зависит от его массо габаритных показателей. Эти пока затели при заданной мощности не посредственно связаны с числом цилиндров и улучшаются с увеличе нием последнего. Причем если по нижение массы двигателя после не которого уровня часто уже не дает заметного снижения массы всей ус тановки, то уменьшение объема, за нимаемого двигателем, во многих случаях имеет первостепенное зна чение.

При проектировании двигателя конструктор решает комплекс про блем, связанных с компоновкой двигателя и анализом процессов, происходящих в цилиндре и раз личных системах двигателя. При этом должна учитываться возмож ность дальнейшего совершенство вания конструкции в соответствии с требованиями научно техниче ского прогресса.

ДВС выпускаются в целях полу чения требуемого количества рабо ты (энергии), вырабатываемой при заданной мощности в течение за данного срока службы двигателя (ресурса). Кроме того, при разра ботке двигателя приходится зада ваться еще рядом параметров, опре деляющих работу двигателя и ха рактеризующих его конструкцию. Рассматриваются комбинации раз личных параметров, некоторые из них однозначно связаны между со бой. В качестве общих для всех ти пов двигателей показателей, кроме номинальной мощности и срока службы, следует назвать частоту вращения n коленчатого вала (мин 1), среднее эффективное дав ление pе (МПа), рабочий объем iVh цилиндров двигателя, определяе мый рабочим объемом Vh (л) цилин дра и числом i цилиндров, а также отношение хода S поршня к диа метру D цилиндра, т.е. S/D и такт ность двигателя.

Эффективная мощность Nе дви гателя (кВт) определяется по фор муле

По заданной эффективной мощности при выбранном отноше нии S/D можно определить диа метр D (дм) цилиндра:

D 3(120 N e ) i(SD)pe n. (1.2)

Диаметр цилиндра является ос новным геометрическим парамет ром поршневого двигателя, с помо щью которого можно ориентиро вочно оценить большинство гео метрических размеров отдельных деталей двигателя. Многочислен ные статистические данные позво ляют это сделать для различного класса двигателей. В зависимости

от типа и назначения двигателя диаметр цилиндра может состав лять от десятков до тысячи милли метров и даже больше.

Очень часто в качестве одного из основных параметров, особенно применительно к быстроходным транспортным двигателям, в част ности автомобильным, рассматри вается литровая мощность Nл (кВт/л), т.е. вырабатываемая эф фективная мощность, приходящая ся на 1 л рабочего объема цилиндра,

При заданной литровой мощно сти Nл диаметр цилиндра D опреде ляется по формуле

D 34N e N л i(SD). (1.4)

По литровой мощности судят об эффективности использования ра бочего объема и уровня форсирова ния двигателя. В современных бы строходных форсированных двига телях значение Nл достигает 70–80 (кВт/л). Постоянный рост агрегат ных мощностей имел и имеет место в двигателях различных типов и на значений. Однако налицо тенден ция расширения ассортимента дви гателей с небольшими значениями Ne, особенно автотранспортных, а также двигателей общего много функционального назначения, ко торые наиболее приемлемы в усло виях современных мегаполисов как с точки зрения экологии, так и эко номии расхода энергии. Литровая мощность таких двигателей должна быть достаточно высокой. Кроме литровой, рассматривается также поршневая мощность (кВт/дм2)

Nп peCm 10 ,

атакже мощность, отнесенная к диаметру цилиндра D. Указанные

параметры характеризуют уровень форсирования двигателя, в частно сти, тепловую напряженность его поршневой группы.

В число задаваемых параметров часто входит средняя скорость (м/с) поршня, характеризующая уровень быстроходности двигателя

Cm Sn30.

Средняя скорость поршня меня ется у двигателей различных клас сов в существенно меньших преде лах в отличие от частоты вращения n коленчатого вала, которая может различаться до двух порядков у дви гателей разных классов. При разра ботке двигателя в первом прибли жении можно ориентироваться на приведенные в табл. 1.2 основные показатели, характеризующие кон струкцию поршневого двигателя.

В табл. 1.2 включена удельная масса двигателя mN, характеризую щая эффективность использования конструкции двигателя в целом по выработке мощности на его валу. В ряде случаев данный параметр имеет решающее значение, отражая конструкторское и технологическое совершенство двигателя. Особое значение mN имеет применительно к быстроходным транспортным дви гателям: автомобильным, мотоцик летным, авиационным, специаль ного назначения, а также тепловоз ным. Cтремление уменьшить mN не должно приводить к снижению прочностных и жесткостных харак теристик деталей и узлов, сокраще нию срока службы двигателя и по вышению его виброактивности.

Следует остановиться на упомя нутых параметрах: отношении S/D и числе цилиндров i, которые при ходится выбирать при разработке нового, а иногда и модернизации существующего двигателя.

Отношение S/D хода поршня к диаметру цилиндра во многом опре деляет протекание важнейших фи зических процессов в цилиндре, а

также габаритные размеры и массу двигателя. В высокооборотных дви гателях с принудительным воспла менением при уменьшении величи

ны S/D до определенного предела повышаются технико экономиче ские показатели двигателя в связи с понижением средней скорости поршня, повышением механиче ского КПД, снижением высоты двигателя, повышением жесткости его отдельных элементов, упроще нием задачи размещения органов газораспределения в головке ци линдров.

В дизелях ранее имевшее место уменьшение отношения S/D сме нилось тенденцией его роста, что обеспечивает более качественное протекание рабочих процессов в двигателе. Немаловажную функ цию выполняют более удачные со отношения размеров камеры сгора ния, улучшение протекания про цессов газообмена в случае двух тактных двигателей. Именно у та ких двигателей в последнее время отношение S/D достигло рекорд ных значений (4–4,2), что обеспе чило существенный рост эконо мичности.

Рациональные значения S/D че тырехтактных дизелей немного превосходят 1, опускаются ниже лишь в случае жестких габаритных ограничений, например, у некото рых авиационных двигателей.

Число цилиндров i двигателя связано с диаметром цилиндра D, так как вместе они определяют ра бочий объем (литраж) двигателя, который, в свою очередь, влияет на заданную мощность двигателя при принятых уровне форсирования по среднему эффективному давлению и частоте вращения коленчатого вала. Причем с уменьшением диа метра D и увеличением числа ци линдров i можно повышать частоту вращения коленчатого вала без чрезмерного роста инерционных нагрузок, что улучшает массогаба ритные показатели. Последнее осо

бенно существенно для двигателей специального назначения с боль шой агрегатной мощностью. Имен но здесь число цилиндров в выпол ненных конструкциях достигало 42–56 при применении многоряд ных звездообразных схем. В случае V образной схемы число цилинд ров достигает 20. Варьирование числа цилиндров при постоянных значениях D и S является основой при построении мощностных ря дов. С увеличением числа цилинд ров повышается равномерность хо да двигателя, как правило, улучша ется его уравновешенность, облег чается пуск. Вместе с тем усложня ется конструкция двигателя, сни жается надежность, техническое обслуживание становится более до рогостоящим.

1.4. Этапы разработки конструкторского проекта и создания двигателя

Создание нового двигателя включает: обоснование необходи мости его разработки и производ ства в нужном количестве, необхо димые научно технические иссле дования, разработку конструктор ского проекта, изготовление опыт ных образцов и их испытания, до водку с устранением выявленных в ходе испытаний недостатков, ор ганизацию серийного производст ва. При этом в современных усло виях все большее внимание уделя ется технологиям, призванным интегрировать процессы конст руирования, анализа и производ ства в единую многофункциональ ную систему для увеличения эф фективности использования со временных научно технических возможностей на всех этапах соз дания нового двигателя и повыше ния его качества.

Современные развитые системы автоматизированного проектирова ния (САПР) включают модули САЕ (автоматизированный расчет и ана лиз), САD (автоматизированное конструирование), а также САМ (автоматизированная подготовка производства). Управление проек тированием двигателя в целом осу ществляется при наличии про граммной среды PDM (управление данными продукта). Это обеспечи вает процесс сквозного проектиро вания в условиях единого инфор мационного пространства с участи ем различных предприятий в созда нии и производстве двигателей но вых поколений.

Обоснование необходимости создания нового двигателя может быть увязано с разработкой типа жа. Причем используются методы научного прогнозирования с изуче нием потребности рынка и конъ юнктуры в отношении создаваемо го двигателя. Специализация пред приятий по выпуску отдельных де талей и узлов двигателей (порш ней, поршневых колец, вкладышей подшипников, агрегатов наддува, топливной аппаратуры и др.) об легчает заводам изготовителям вы пуск разнообразных моделей дви гателей в зависимости от требова ний заказчика.

После того как вопрос о целесо образности создания двигателя ре шен, проводятся научные исследо вания в области рабочего процесса, экологии, компоновочных схем, материалов и другие, призванные обеспечить прогрессивные техни ко экономические показатели бу дущего двигателя. Техническое за дание является исходным докумен том для разработки двигателя и технической документации, содер жит все исходные данные, необхо димые для разработки проекта, но

не содержит описания конкретных элементов будущей конструкции.

Техническое задание устанавли вает назначение, технические ха рактеристики, показатели качества

итехнико экономические сведения о новом двигателе, стадии его раз работки, состав конструкторской документации, оценку технического уровня двигателя по сравнению с достигнутым уровнем отечествен ного и зарубежного двигателестрое ния, сроки выполнения проекта, се рийность выпуска, а также опреде ляет завод изготовитель.

Техническое задание составляет ся разработчиком (головным разра ботчиком) изделия на базе обосно ванных технико экономических тре бований заказчика. В составлении технического задания участвуют так же конструкторы. На основании со гласованного технического задания между потребителем и заводом изго товителем составляется договор, в котором указывают этапы выполне ния работ. Далее начинается глав ный этап создания нового двига теля – разработка конструкторского проекта, в процессе работы над ко торым создается конструкторская документация. Конструкторская до кументация включает данные об уст ройстве двигателя и все необходи мые материалы для разработки кон струкции, изготовления, контроля, приемки, испытаний, эксплуатации

иремонта. Конструкторская доку ментация представляется, как пра вило, на электронных носителях.

На основании утвержденного технического задания конструкто ры двигателя готовят техническое предложение, отражающее приня тое в проекте техническое направ ление. Оно содержит обоснование

иоценку, в том числе технико эко номическую, возможных вариантов решения задачи с учетом конструк

ционных и эксплуатационных осо бенностей разрабатываемого и су ществующих изделий, проверку ва риантов на патентную чистоту и конкурентоспособность, дается ин формация по объему и срокам эта пов выполнения проекта. Техниче ское предложение после согласова ния и утверждения является осно ванием для проектирования. Со ставляются технические условия на проектирование. Конструкторский проект в ходе разработки проходит постадийное выполнение, включая обычно эскизный, технический и рабочий проекты.

Взависимости от особенностей разрабатываемого двигателя и ус ловий завода изготовителя поря док выполнения конструкторского проекта может быть и иным. На пример, при разработке двигателя на базе существующего при широ ком использовании серийного про изводства эскизный проект может не выполняться.

Эскизный проект должен дать общее представление о назначе нии, устройстве, принципе работы

иосновных параметрах двигателя, включая габаритные размеры. В эс кизном проекте предусматривают, наряду с подробно разработанной схемой конструкции, раскрытие главных особенностей конструк ции основных деталей, механизмов

иузлов двигателя.

Вэскизном проекте выполняют поперечный и продольный разрезы двигателя, разрезы основных узлов

инеобходимые дополнительные ви

ды (разрез по передачам и т.п.). В состав конструкторской докумен тации на стадии эскизного проекта входит также пояснительная запис ка с техническими характеристика ми двигателя, описанием его конст рукции, тепловым и динамическим расчетами, расчетом на прочность,

технико экономическим расчетом, оценкой экологических характери стик, включая виброакустические, проектируемого двигателя.

Вотличие от технического пред ложения, в разработке которого участвует руководитель проекта с несколькими помощниками, эс кизный проект выполняется груп пой в составе ведущих конструкто ров и старших инженеров, рабо тающих под руководством главного конструктора.

После всестороннего обсуждения, защиты и последующего утвержде ния эскизного проекта разрабатыва ется технический проект двигателя. Здесь все технические решения, включая конструкцию узлов и дета лей, разрабатываются окончательно,

асоответствующая конструкторская документация должна давать полное представление о двигателе, необходи мое для разработки рабочей докумен тации. Объем конструкторской доку ментации на стадии технического проекта существенно увеличивается. Добавляются чертежи узлов двигате ля и его систем, перечни комплек тующих изделий, специального инст румента; в пояснительную записку включается обзор существующих конструкций двигателей подобного класса со сравнительной оценкой за ложенных в данном проекте и дос тигнутых показателей, включая дан ные по зарубежным аналогам. Рас сматриваются вопросы технологии изготовления, масштабов производ ства, экономической эффективности, техники безопасности и т.д. Все тех нические расчеты выполняются под робно и в полном объеме.

Вработе над техническим проек том участвует более широкий состав исполнителей. На данной стадии проекта в работе участвуют и техно логи. Обычно параллельно с техниче ским проектом разрабатывается не

обходимая документация и изготов ляются одноцилиндровые установки или V образные отсеки (иногда отсе ки и более сложной конструкции), на которых доводится рабочий процесс двигателя, а также конструкция поршневой группы, кривошипно шатунного механизма, механизма га зораспределения и т.д. Параллельно разрабатываются технические усло вия на поставку двигателя.

После утверждения техническо го проекта с учетом сделанных в ходе обсуждения (часто с рецензи рованием в сторонних организаци ях) замечаний переходят к рабоче му проекту – завершающей стадии конструкторского проекта, преду сматривающей полную детализа цию конструкции двигателя путем разработки чертежей на каждую де таль в объеме, достаточном для из готовления двигателя. В такой объ ем дополнительно включаются чер тежи и спецификация деталей, тех нические условия на изготовление, приемку, хранение и транспорти ровку, ориентировочные данные по расходу материалов, сведения по покупным деталям и узлам, тех нический паспорт и инструкция по эксплуатации и монтажу, проект программы испытаний. Конструк торская документация должна удовлетворять требованиям ЕСКД. В зависимости от типа и размеров двигателя может быть изготовлена опытная партия развернутых дви гателей для доводочных испыта ний, а также последующих испыта ний в реальных условиях эксплуа тации. Разрабатываются техниче ские условия на поставку двигателя с учетом доводочных и эксплуата ционных испытаний. В случае зна чительных изменений, внесенных при выполнении рабочих черте жей, иногда вновь выполняются чертежи поперечного и продольно

го разрезов и уточняются выпол ненные ранее расчеты.

В связи с усложнением современ ных двигателей и повышением их технико экономических показате лей, помимо конструкторов в рабо те над двигателем принимают уча стие специалисты и иных профилей и, прежде всего, инженеры исследо ватели, расчетчики, эксперимента торы, а также специалисты в области экологии, автоматики, дизайнеры и т.д. Вследствие непрерывного рас ширения применения ЭВМ техно логия процесса проектирования по стоянно совершенствуется.

Важное место в процессе созда ния двигателя занимают испытания. Один или несколько опытных образ цов двигателей ставятся на завод ские длительные доводочные испы тания. Остальная часть опытной партии в благоприятном случае мо жет проходить испытания в условиях эксплуатации. После проведения за водских испытаний по согласова нию с потребителем проводятся приемочные, межведомственные или государственные испытания. Они, как правило, идут в стендовых условиях экспериментального цеха и устанавливают соответствие двигате ля техническому заданию, требова ниям стандартов и технической до кументации, а также дают оконча тельную оценку технического уров ня двигателя. По итогам этих испы таний утверждается техническая до кументация для серийного произ водства. Далее организуется серий ный выпуск двигателя.

Однако и после продолжается изучение опыта эксплуатации, до работка технической документации и дальнейшее совершенствование двигателя в целях поддержания его технического уровня в соответствии с уровнем отечественного и миро вого двигателестроения. Данный

процесс продолжается, пока двига тель находится в производстве.

1.5. Компьютерное обеспечение процесса конструирования

и повышения качества поршневых двигателей

В настоящее время повышению качества поршневых двигателей уделяется постоянное внимание, что связано в первую очередь с рос том их конкурентной способности. В создании двигателя принимает участие большое число специали стов и предприятий, поэтому необ ходимо согласование их работы на всех этапах конструкторского про екта, промышленного производст ва, эксплуатации и ремонта. Разу меется, столь сложная задача вы полнима лишь с помощью доста точно совершенной комплексной системы управления качеством про дукции, функционирующей на всех этапах жизненного цикла двигателя.

Качество двигателя характеризу ют те его свойства, которые отно сятся к способности двигателя обес печить показатели, устанавливае мые технической документацией, включая экологические показатели, топливную экономичность, надеж ность, технологичность, конкурен тоспособность и др. Уровень каче ства двигателя включает его техни ческий уровень, характеризующий ся значениями перечисленных вы ше показателей и совершенством изготовления. Кроме того, важное значение имеют вопросы, связан ные с эксплуатацией и ремонтом. Совершенство изготовления опре деляется наличием современного оборудования и инструмента, мет рологического обеспечения, квали фицированного персонала и др.

Вследствие сложных и взаимо связанных проблем обеспечения ка

чества поршневых двигателей необ ходимы комплексные системы управления качеством на стадиях разработки конструкции, промыш ленного производства, эксплуата ции и ремонта. Эти системы при званы ускорить создание новых и модернизацию существующих дви гателей в первую очередь за счет широкого систематического ис пользования ЭВМ на всех этапах жизненного цикла изделия. Разра ботанные и успешно реализованные в странах Западной Европы, США и Японии системы управления каче ством продукции позволили в не сколько раз сократить сроки созда ния новых моделей двигателей.

Согласованность работы много численных исполнителей в процес се конструирования, промышлен ного производства, эксплуатации и ремонта вплоть до утилизации дви гателей в современных условиях осуществляется с помощью компь ютерной поддержки логистических процессов PLM технологий, обес печивающей необходимой инфор мацией всех участников жизненно го цикла двигателя.

В рамках настоящего учебника главное внимание должно быть уде лено конструированию и инженер ному анализу. На стадии конструи рования создается облик будущего двигателя и геометрические образы его узлов и деталей с использовани ем, как правило, объемного модели рования. Существует достаточно развитая система многоуровневого программного обеспечения автома тизированного конструирования, учитывающая специфику решаемых задач с удовлетворением требова ний функциональной полноты.

Современный уровень развития вычислительной техники сделал возможным распространение инже нерного анализа на все стадии раз