Нагруженность деталей двигателя и расчетные режимы

Детали двигателя оказываются нагруженными в результате действия сил давления газов, инерции, трения, моментов сил, а также в результате развития колебательных процес­сов в деталях двигателя. Дополнительные напряжения развиваются в деталях двигателя из-за неравномерного их нагревания и использования технологических приемов сборки, связанных с деформациями сопрягаемых деталей.

Напряженное состояние детали в результате действия механических и тепловых нагру­зок оказывается сложным. От возникающих напряжений зависят механическая прочность, надежность, долговечность деталей д.в.с. затраты металла на его изготовление и при эксплуатации и капитальном ремонте.

Величина и характер изменения основных нагрузок, воздействующих на детали двига­теля, зависят от режима работы двигателя. При этом расчет деталей на прочность произ­водят для установившихся режимов работы, при которых рассчитываемые детали нахо­дятся в наиболее тяжелых условиях. Учитывают также и продолжительность работы дви­гателя на этих режимах, что является важным для установления зависимости между полу­ченными напряжениями, запасами прочности и показателями надежности.

Для двигателей с искровым зажиганием характерными являются следующие расчет­ные режимы:

- максимального крутящего момента М_к при частоте вращения п = (0,4...0,б)гс„, когда

давление газов в цилиндре достигает максимальных значений, а силами инерции можно пренебречь;

- номинальной мощности N_т при частоте вращения п_н в случае необходимости учета

совместного влияния сил давления газов и сил инерции;

- максимальной частоты вращения холостого хода, при которой силы инерции дости­гают наибольших значений, а давление газов незначительно.

Для двигателей с искровым зажиганием без ограничителя частоты вращения принима­ется п_ххтяк = (1,4...1,б)я_н, а с ограничителем частоты вращения п_ххтах = (1,4...1,б)«_н Расчетные режимы для быстроходных дизелей:

- номинальной мощности N_eH при частоте вращения п_н, когда достигаются наиболь­шие давления сгорания;

-максимальной частоты вращения холостого хода п_ххтах =(1,05...1,07)и_н, определяе­мой работой регулятора, при которой максимальные значения имеют силы инерции.

При работе на любом из упомянутых режимов существовать определенная степень на­грева деталей, что приведет к развитию дополнительных тепловых деформаций и соот­ветственно дополнительных напряжений в деталях. Уже из приведенного перечня так на­зываемых расчетных режимов видно, что наиболее четко выраженным свойством всех действующих сил, а отсюда и напряженного состояния всех деталей двигателя, будет их переменность или цикличность действия. Подчеркнем, что в данном случае речь идет о силах и нагрузках, развивающихся при работе на установившемся режиме. Если при­нять во внимание переменность режимов работы при эксплуатации двигателя, то стано­вится понятной известная неопределенность сочетания нагрузок на детали двигателя, на­пряженного состояния деталей, а отсюда и известная условность расчетных оценок проч­ности деталей.

Циклическая прочности

Основным свойством нагрузок, действующих на детали двигателя, является их переменность. Известно, что детали, подвергающиеся длительной переменной на­грузке, разрушаются при напряжениях, меньших предела прочности материала при стати­ческом нагружения. В д. в. с. статическая нагрузка является исключением. Нагрузочный и скоростной режимы работы двигателя обусловливают циклическое изменение на­грузки на детали с определенными частотой и амплитудой. При расчете на проч­ность под действием циклических нагрузок за основу берут напряжение, называемое пределом выносливости.

Различают циклы нагружения (рисунок ) симметричный знакопеременный, асиммет­ричный знакопеременный, пульсирующий, сложный. Амплитуда и период цикла служат основными его характеристиками. Обычно выделяют и максимальное и мини­мальное напряжения цикла, а„ и о_Т -амплитудное и среднее значения напряжений цикла. Величину называют коэффициентом асимметрии цикла.

Рис.13. - Диаграмма выносливости (а) и схема циклов нагружения знакопеременного симметрического (б), знакопеременного асимметрического (в), пульсирующего (г), слож­ного (д)

Жесткость конструкции

Работоспособность конструкции двигателя внутреннего сгорания и его деталей в зна­чительной степени определяется их жесткостью. Под этим качеством конструкции д. в. с. понимается способность сопротивляться действию внешних нагрузок с наименьшими деформациями. Повышенная деформация (без разрушения и без нарушения механической прочности) может привести к выходу из строя двигателя в целом. Количественно жест­кость оценивается коэффициентом, представляющим собой отношение силы, приложен­ной к системе, к максимальной деформации, вызываемой этой силой. Величину, обратную

коэффициенту жесткости, называют коэффициентом упругости. , (Х-"®]^jL_j±,

Жесткость конструкции определяется модулем упругости материала, геометриче­скими характеристиками сечения и линейными размерами деформируемого тела, ви­дом нагружения и конструкцией опор. В практике конструирования следует отдавать \ предпочтение такому материалу, который обладает способностью нести наиболее высокие нагрузки при наименьших деформациях и массе.

В д. в. с. нежесткий блок цилиндров может вызвать нарушение регулировок располо­женных на нем механизмов, повышенное трение и износ подшипников скольжения и даже их выкрашивание.

Существует тенденция максимального обеспечения прочности конструкции путем придания ей равнопрочных свойств при использовании сверхпрочных материалов, спо­собных работать без нарушения при достаточно высоких деформациях. Эти факторы уменьшают жесткость конструкций. Нужно иметь в виду также, что ремонтные воздейст­вия на детали д. в. с. (такие, как перешлифовка шеек вала под ремонтные размеры) также приводят к уменьшению жесткости детали, узла. Возможности аналитической оценки способности конструкции д. в. с. к деформациям связаны с использованием метода ко­нечных элементов, вошедшего в практику прочностных расчетов в последние годы благо­даря использованию ЭВМ. Аналогичные оценки классическими методами сопротивления материалов или теории упругости для деталей д. в. с. затруднительны.