Расчетные нагрузки деталей двигателей

Детали двигателей внутреннего сгорания подвергаются воздействию:

- нагрузок от сил давления газов, сил инерции, сил трения и сил полезных сопротивлений;

- тепловых нагрузок;

- нагрузок от упругих колебаний;

- нагрузок от предварительных натягов при сборке.

Нагрузка от сил давления газов воспринимается деталями кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и для большинства из них является основной расчетной нагрузкой. Максимальные значения этой нагрузки соответствуют режиму наибольшего крутящего момента по внешней скоростной характеристике и имеют место при положении поршня около В.М.Т. в начале

хода расширения. При расчетах условно принимается, что газовая нагрузка достигает своего максимума при положении поршня в В.М.Т. в конце хода сжатия и в начале хода расширения.

Нагрузка от сил инерции является следствием перемещения различных масс в процессе работы двигателей. Действию этой нагрузки подвергаются детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, а также детали некоторых обслуживающих приборов.

Величина нагрузки от сил инерции зависит от масс движущихся деталей и числа оборотов коленчатого вала, с увеличением которых она возрастает во второй степени.

Для ряда деталей кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов нагрузка от сил инерции является основной расчетной нагрузкой.

Тепловые нагрузки возникают в деталях, подвергающихся воздействию высоких температур, и являются результатом неравномерного распределения температуры по телу деталей. Величина этих нагрузок зависит от степени нагрева деталей, а также от градиента изменения температуры в различных направлениях внутри деталей. При принятой в настоящее время методике расчета автотракторных двигателей их детали на тепловые нагрузки чаще всего не рассчитываются, а тепловые нагрузки учитываются путем соответствующего выбора величины допускаемых напряжений и необходимых запасов прочности деталей. Однако в отдельных случаях расчет на тепловые нагрузки может и выполняться.

Нагрузки от упругих колебаний являются результатом воздействия на детали периодически изменяющихся по величине и направлению газовых и инерционных нагрузок. Наибольшую опасность эти нагрузки представляют при резонансе, когда частота вынужденных сил совпадает с частотой собственных колебаний детали или становится им кратной. Крайне нежелательны нагрузки от упругих колебаний также и во всех других случаях, так как они всегда приводят к увеличению напряжений и часто являются источником усталостных деформаций, вызывающих в конечном итоге разрушения деталей.

Для большинства деталей нагрузки от упругих колебаний, как и тепловые нагрузки, учитываются величиной допускаемых напряжений и соответствующим запасам прочности.

Некоторые наиболее ответственные детали (например, коленчатые валы, клапанные пружины) в отдельных случаях подвергаются специальным расчетам.

Нагрузки от предварительных натягов при сборке характерны для неподвижных соединений и различных крепежных деталей. Воздействию этих нагрузок подвергаются также детали уплотнения головки цилиндров и блок – картеров. В процессе работы двигателей напряжения от предварительного натяга при сборке суммируются с напряжениями от других видов нагрузок и могут оказывать значительное влияние на прочность и надежность деталей.

При расчетах деталей нагрузки от предварительного натяга обычно учитываются специальными коэффициентами.

1.3. Общие методы расчёта деталей двигателей

При проектировании автотракторных двигателей применяются следующие виды расчёта их деталей.

Расчёт на прочность –наиболее старый из методов расчёта. Он основывается на предположении статического действия сил и является чисто условным.

При расчете на прочность детали приводятся к простым формам, позволяющим применить одну из расчётных схем сопротивления материалов. В результате расчета определяются условные напряжения, которые затем сравниваются с полученными аналогичными методами значениями напряжений в таких же деталях существующих и хорошо зарекомендовавших себя двигателей.

Расчёт на прочность с учетом знакопеременной нагрузки.

При этом методе расчёта учитывается не только переменный характер механических нагрузок, но и особенности их изменения, а также конструктивные особенности деталей и их механическая обработка.

При расчёте рассматриваемым методом выбирается сочетание максимально возможных нагрузок и определяется для этого случая коэффициент запаса прочности или просто запас прочности.

Под коэффициентом запаса прочности понимается отношение предельно допустимого напряжения к максимально действующему напряжению в детали, т.е.

n_σ = (1.1)

где: σ_r – максимально допустимое напряжение для детали;

σ_max–максимальное напряжение, действующее в детали.

В случае действия только нормальных напряжений коэффициент запаса прочности определяется по уравнению:

(1.2)

где: σ_-1–предел выносливости материала при изгибе детали для

симметричного цикла;

К_σ–коэффициент концентрации напряжений;

ε_σ- масштабный фактор;

σ_а- амплитуда напряжений;

α_σ- угловой коэффициент, учитывающий влияние характера цикла

нагружения на усталостную прочность материала;

σ_m– среднее напряжение цикла.

При действии только касательных напряжений:

n= (1.3)

Обозначения в уравнении (1.3) те же, что и в уравнении (1.2), только применительно к касательным напряжениям.

Входящие в уравнения (1.2) и (1.3) коэффициенты выбираются в зависимости от материалов деталей, их обработки и формы, от характера изменения нагрузки за цикл по соответствующим руководствам. Значения амплитудных напряжений и средних напряжений определяются по уравнениям:

(1.4)

где: σ_max и τ_max - максимальные напряжения цикла;

σ_min и τ_min - минимальные напряжения цикла.

Если прочность материала характеризуется не пределом выносливости, а пределом текучести, то уравнения (1.2) и (1.3) принимают вид:

n_σ =

n_τ = (1.5)

При одновременном действии нормальных и касательных переменных напряжений прочность деталей оценивается суммарным запасом прочности:

n_Σ₌ (1.6)

Полученные по уравнениям (1.2), (1.3), (1.4), (1.6) значения коэффициентов запаса прочности сравниваются с допустимыми их значениями, на основе чего делается вывод о работоспособности деталей.

Расчёт на жёсткость. С точки зрения обеспечения надёжности и долговечности важнейшее значение для целого ряда деталей (например, для поршневого пальца, гильзы цилиндра, распределительного вала и др.) имеет их деформация под действием нагрузок. В связи с этим такие детали дополнительно к расчету на прочность подвергаются ещё расчёту на жёсткость, задачей которого является определение возможных деформаций под влиянием нагрузок и сравнение этих деформаций с их допускаемыми значениями.

Расчёт на жёсткость может выполняться:

- непосредственным определением величины деформации (абсолютного или относительного значения);

- косвенной оценкой величины деформации, а, следовательно, и жёсткости по величине напряжений исходя из того, что деформация пропорциональна напряжению.

Расчёт на износ основывается на предположении, что износ деталей пропорционален величине среднего удельного давления. Сущность его сводится к определению удельного давления на поверхности деталей и сравнению с допускаемыми значениями. При этом чаще всего предполагается, что нагрузка по поверхности распределяется равномерно.

За последнее время разрабатываются методы расчёта на износ с учётом действительного распределения нагрузки на поверхности детали.

Расчёт на резонанс (на упругие колебания) выполняется для деталей, подверженных упругим колебаниям (например, для коленчатого вала, клапанных пружин, шатунов, распределительного вала и т.п.).

При расчёте на резонанс определяется частота собственных колебаний детали, которая затем сравнивается с частотой изменения действующих нагрузок (с частотой вынужденных колебаний). В случае совпадения частот колебаний или при их кратности принимаются необходимые конструктивные меры, обеспечивающие предотвращение возможности резонанса в процессе работы двигателя. Поскольку в процессе расчёта деталей на упругие колебания в ряде случаев могут определяться резонансные напряжения, то в общем случае расчёт на резонанс может включать:

- определение условий, при которых может наблюдаться резонанс;

- расчёт напряжений, возникающих при резонансе;

- решение вопроса о путях и методах предотвращения резонанса.

Особое значение расчёт на резонанс приобретает в последнее время, когда резко повышается число оборотов коленчатого вала двигателей, а размеры их деталей в связи с применением высококачественных материалов и улучшением технологии изготовления в ряде случаев не только не увеличиваются, а даже уменьшаются.

Расчёт на тепловую напряжённость применяется для деталей, работа которых связана с высокими температурами и интенсивными тепловыми потоками. К числу таких деталей относятся, например, поршни, гильзы цилиндров, клапаны, направляющие клапанов, головки цилиндров, а также некоторые детали, изготовляемые из материалов с различными коэффициентами линейного расширения. Расчёт может включать определение тепловых напряжений, интенсивности проходящего через детали теплового потока («теплонапряжённости»), тепловых зазоров, обеспечивающих нормальную работу сочленений.

Следует заметить, что в автотракторных двигателях расчёт деталей на тепловую напряжённость стал приобретать большое значение, как и расчёт на резонанс, в связи с форсированием двигателей по оборотам, особенно в связи с использованием наддува.

1.4. Оценка и выбор допускаемых напряжений

1.4.1. Оценка допускаемых напряжений

Как уже отмечалось, расчёт деталей на прочность в большинстве случаев является условным. Определяемые в результате этого расчёта напряжения в деталях обычно значительно отличаются от тех действительных напряжений, которые имеют место в деталях в процессе работы двигателей.

Поэтому расчётные напряжения не характеризуют действительной нагруженности материала деталей, а лишь могут служить относительной мерой оценки их прочности и надёжности.

Причиной этого является ряд обстоятельств, не позволяющих точно определять величину действительных напряжений в деталях обычными методами расчёта.

К числу таких обстоятельств относятся:

сложность форм рассчитываемых деталей, приводящая к концентрации напряжений в одних точках и к уменьшению их в других, а также не позволяющая определять точные значения действительных напряжений;

трудность определения действительных значений сил, характера их приложения и точного закона изменения;

наличие дополнительных термических напряжений, создающих в ряде случаев значительные нагрузки, учесть которые практически трудно;

трудности определения деформаций деталей в процессе их работы.

В связи с невозможностью определения действительных напряжений в деталях за допускаемые напряжения также принимаются некоторые условные напряжения, при которых обеспечивается необходимая работоспособность и достаточная надёжность деталей двигателей. Значения допускаемых напряжений выбираются исходя из определяемых соответствующими методами напряжений в аналогичных деталях у существующих и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации двигателей.

При выборе допускаемых напряжений следует учитывать, что неоправданное снижение их значений приведёт к завышению веса, увеличению габаритных размеров и стоимости двигателей. Наоборот, неоправданное завышение допускаемых напряжений вызовет снижение прочности деталей, уменьшение их надёжности и долговечности, увеличение вероятности поломок и выхода двигателей из строя.

Таким образом, значения допускаемых напряжений, несмотря на их условность, должны выбираться оптимальными.

Величина допускаемых напряжений зависит:

от назначения и режимов работы двигателей. Например, двигатели грузовых автомобилей работают значительно больше времени на полных и близких к ним нагрузках, чем двигатели легковых автомобилей. В свою очередь для тракторных двигателей указанные нагрузки ещё более характерны, чем для двигателей грузовых автомобилей. Исходя из этого, для деталей двигателей легковых автомобилей допускаемые напряжения могут приниматься выше, чем для деталей двигателей грузовых автомобилей, а для деталей двигателей грузовых автомобилей выше, чем для деталей тракторных двигателей. В случае использования одних и тех же двигателей на автомобилях и тракторах, очевидно, запас прочности их всегда должен быть максимальным и допускаемые напряжения должны выбираться близкими к минимуму;

от конструктивной формы деталей. При простых и геометрически правильных формах деталей, когда сравнительно мала вероятность концентрации напряжений, допускаемые напряжения должны выбираться максимальными. При сложных формах деталей, где возможны концентрация напряжения и перегрузка отдельных элементов, значения допускаемых напряжений должны быть ниже;

от материала деталей. Чем более высококачественные материалы используются для изготовления деталей, тем более высокие значения допускаемых напряжений могут быть выбраны. При этом, однако, необходимо учитывать, что более высококачественные материалы требуют и более высококачественной механической и термической обработки;

от обработки деталей. Качество и способ обработки деталей оказывают очень существенное влияние на их прочность, а, следовательно, и на величину допускаемых напряжений. Так, например, если выразить предел прочности детали в процентах, то в зависимости от способов механической обработки он будет изменяться примерно следующим образом:

тонкая полировка - 100%;

грубая полировка - 93-95%;

тонкое шлифование - 90-92%;

обработка резцом - 80-89%;

без обработки - 50-70%.

В таких же соотношениях в рассмотренных случаях должны изменяться и допускаемые напряжения.

Большое влияние на величину предела прочности и допускаемые напряжения могут оказывать различные способы упрочнения поверхностей деталей.

1.4.2. Выбор допустимых напряжений

При выборе допускаемых напряжений обычно руководствуются статистическими данными по напряжениям в аналогичных деталях других двигателей. При этом необходимо обязательно учитывать, какими способами они получены, в противном случае могут иметь место грубые ошибки. Необходимо также учитывать требования эксплуатации двигателей – межремонтные пробеги и т.п. При этом во всех случаях при выборе допускаемых напряжений следует обращать внимание на обеспечение равнопрочности различных деталей двигателей.