Заняття 1 Загальні принципи конструювання

1. Загальні принципи конструювання

2. Передумови для розрахунку, розрахункові режими.

1. Інженерне проектування – це неперервний процес, у якому наукова і технічна інформація використовується для створення нового приводу, машини або системи, що дають суспільству певну користь.

Конструювання – створення конкретної однозначної конструкції об'єкта згідно з проектом. Конструкція – це будова, взаємне розміщення частин і елементів будь–якого предмета, машини, приладу, яка визначається його призначенням. Конструкція передбачає спосіб з'єднання, взаємодію частин, а також матеріал, з якого виготовляються окремі елементи. Конструювання базується на результатах проектування й уточнює всі інженерні рішення, прийняті при проектуванні.

Проектування і конструювання мають одну мету – створення нового виробу, який ще не існує або існує в іншій формі і має інші розміри. (перестановка складових частин, заміна їх іншими елементами чи надання їм іншої форми).

Основи конструювання і розрахунку автомобільних ДВЗ

Конструювання автомобільних двигунів полягає в інженерній розробці їх конструкції, яка повинна забезпечувати високі значення основних показників якості двигуна, а саме: економічність, екологічність, надійність, технологічність та ряд інших.

Процес проектування нового автомобільного двигуна можна розділити на ряд етапів.

Після вибору типу двигуна проводять наукові дослідження робочого циклу, конструктивних схем, застосовуваних матеріалів і т.ін. для забезпечення високих техніко-економічних показників майбутнього двигуна. За його результатами складають технічне завдання на розробку двигуна, яке узгоджується з замовником.

Узгоджене технічне завдання є підставою для розробки конструкторської документації, а саме: технічної пропозиції, у якій відображується технічна направленість проекту ДВЗ, та конструкторського проекту.

Конструкторський проект складається з ескізного, технічного і робочого проектів. Залежно від особливостей проектування порядок виконання конструкторського проекту може бути різним. Так, при модернізації ДВЗ, що випускається серійно, ескізний проект може не виконуватися. В ескізному проекті детально розробляється схема конструкції двигуна, виявляються особливості основних механізмів, систем, вузлів і деталей. Виконується креслення поперечного та повздовжнього видів Двигуна, його основних вузлів і необхідні допоміжні креслення. На цій стадії складається пояснювальна записка, у якій приводиться технічна характеристика двигуна, особливості його конструкції, необхідні розрахунки (тепловий, динамічний; систем, механізмів, деталей, техніко- економічний).

Після затвердження ескізного проекту складається технічний проект двигуна. Він вбирає в себе креслення вузлів і систем двигуна, перелік комплектуючих виробів, спеціального інструменту. В пояснювальній записці розроблений двигун порівнюється з кращими існуючими подібного класу. В проекті розробляються питання технології виготовлення, масштабів виробництва, екологічної ефективності, техніки безпеки тощо.

Як правило, паралельно з розробкою технічного проекту виконують необхідну документацію і виготовляють одноциліндрові (або \/-подібні двоциліндрові) відсіки двигуна, на яких доводять робочий процес, а також конструкцію механізмів і систем двигуна.

Після затвердження технічного проекту складається робочий проект, який вбирає в себе креслення кожної деталі, специфікації, технічні вимоги на виконання, приймання, зберігання і транспортування деталей, визначаються витрати матеріалів, складають дані на покупні деталі і вузли, технічний паспорт, інструкцію на експлуатацію та інше. Паралельно виготовляють дослідну партію двигунів, із них деякі проходять заводські випробування, а решта — експлуатаційні. За результатами цих випробувань затверджується технічна документація для серійного виробництва двигуна

2. Передумови для розрахунку. Розрахунок деталей двигуна вбирає в себе такі етапи складання розрахункової схеми, яка відображує най­більш істотні особливості конструкції і умови навантаження деталей, аналіз цієї схеми за допомогою сучасних методів розрахунку, форму­вання на підставі виконаного аналізу практичних висновків щодо конк­ретної конструкції.

На деталі автомобільних двигунів діють: сили тиску газів, інерції, тертя, моменти від цих сил, а також навантаження від коливань, через нерівномірність їх нагрівання і деформації під час складання. Напруже­ний стан деталей у результаті дії механічних та теплових навантажень складний, тому і методи розрахунку, що застосовуються, повинні врахо­вувати ці особливості. Досвід експлуатації автомобільних двигунів свід­чить, що більшість руйнувань носить втомний характер. Тому основним для сучасних автомобільних двигунів є розрахунок на втомну міцність. Це, насамперед, стосується таких відповідальних деталей, як колінчас­тий вал, шатун і ряд інших. Межами напружень, при яких ці деталі мо­жуть надійно працювати, є напруження, які визначаються з умов втомної міцності. Ці напруження залежать не тільки від конструкції, матеріалу, термообробки, але й від ряду факторів, вплив яких урахувати не завжди можливо. До числа цих факторів відносяться: характер зміни наванта­ження, форма та розміри деталі, стан поверхні та ін.

Напружений стан деталі оцінюють за максимальним <7_макс, мініма­льним <т_мін та середнім ст_т (постійна складова циклу) напруженнями циклу та за амплітудою напружень сг_а (перемінна складова циклу) (рис. 8.1),

Амплітуда та середнє значення циклу відповідно дорівнюють алгебраїчній піврізниці та півсумі від σ_макс і σ_мін

Тоді максимальне напруження циклу складає σ_макс = σ _т + σ_а.

Співвідношення між напруженнями σ_макс, σ_мін, σ_а та σ _т для симетричного,

знакозмінного та однознакового пульсуючого циклів наведені у табл. 8.1.

Найбільш небезпечним циклом для втомного руйнування е симет­ричний, у якого σ_а=σ_макс. Руйнування виникають у зонах концентрації напружень. Втомні руйнування можуть виникати від змінних ударних, контактних та термічних навантажень.

Опір втомі деталей залежить від масштабного фактора - абсолют­них розмірів деталей; фактору форми - концентрації напружень; техно­логічного фактору - шорсткості поверхні; характеристик циклу на­вантаження; типу напруженого стану (згин, скручування, розтягування, стиск); термічної, хіміко-термічної обробки та методів механічного зміц­нення поверхні.

Якщо деталі мають форму та розміри поперечних перерізів, що змінюються за довжиною (колінчастий вал, шатун та інші), то у місцях переходів, у галтелях, по різьбі і т. д. виникає концентрація напружень, яка зростає у міру збільшення пластичності металу та статичної харак­теристики міцності.

Нерівномірність напружень або фактори форми при циклічних на­вантаженнях характеризуються ефективними коефіцієнтами концентра­ції нормальними та дотичними К_а та К_х, які залежать від характеру навантаження, механічних якостей металу тощо. За експериментальни­ми даними, зв'язок між коефіцієнтами К_х та К_а встановлюється зале­жністю:

К_т =(0,4 + 0 ,6)К_а.

Ефективні коефіцієнти концентрації виражаються співвідношення­ми границь витривалостей гладкого зразка без концентрації напружень σ_-1зраз,_, τ _{-1 зраз}, виготовленого із того ж матеріалу і з тією ж якістю обробки поверхні, що і розрахункова деталь, до границь витривалостей деталі σ_-1дет,_, τ _{-1 дет} при наявності концентрації напружень:

де σ_-1 — границя витривалості для згину при симетричному циклі; τ _-1 — аналогічно для крутіння.

При збільшенні абсолютних розмірів деталі імовірність виникнення структурної неоднорідності металу та поява у ньому мікротріщин при перемінних навантаженнях зростає. Мікротріщини згодом перетворю­ються у макротріщини, навколо яких виникає концентрація напружень.

Розрахункові режими. Навантаження, що діють на деталі автомо­більних двигунів значною мірою залежать від режиму роботи двигуна. Звичайно розрахунок ведеться на сталому режимі і тільки зрідка врахо­вують особливості несталих режимів - розгін або гальмування двигуна.

Вибір розрахункових режимів здійснюється відповідно із забезпе­ченням умов міцності при найбільших навантаженнях.

Для карбюраторних двигунів обов'язковими приймаються три роз­рахункових режими:

1) максимальної частоти обертання колінчастого вала на холосто­му ході п_{х х} = (1,05..1,10)η_ном із обмежувачем частоти обертання та

л_{х х} =(1,3...1,5)/і_но„, при якому сили інерції досягають найбільших

значень;

2) номінальної потужності при частоті обертання п_ном, при якому сили тиску газів та інерції досягають значень близьких до максималь­них;

3) максимального крутного моменту при частоті обертання п_и = (0,4...0,5)я_ном, коли передбачаються найбільші значення сили тис­ку газів, а дією інерційних сил нехтують.

У дизелів, як правило, найбільший тиск у процесі згоряння досяга­ється на режимі, близькому до номінальної потужності. Тому із розрахун­ку режим максимального крутного моменту виключають. Залишаються два режими:

1) максимальної частоти обертання колінчастого вала на холосто­му ході п_{х х} =(1,05...1,08)я_ном, при якому, як і у карбюраторних двигунів, розрахунок ведеться за силами інерції;

2) номінальної потужності при л_ном; особливо цей режим має зна­чення для двигунів з наддувом, у яких сила тиску газів на цьому режимі завжди перевищує навантаження на режимі максимального крутного моменту.

Заняття 2 Основи конструювання кривошипно-шатунного механізму

1. Основи конструювання корпусних деталей.

2. Основи конструювання деталей колінчатого валу.

1. Корпусні деталі двигуна

До деталей корпусу ДВЗ відносять: блок циліндрів, картер (або блок-картер), циліндри, головки циліндрів (або головки блоку циліндрів), деталі ущільнювання і кріплення. Корпус є основою для розміщення і кріплення механізмів, систем, допоміжних пристроїв двигуна. Конструкція корпусу залежить від загального компонування двигуна, числа і розміщення циліндрів типу систем охолодження і змащення, конструкції кривошипно-шатунного та газорозподільного механізмів тощо.

Основні вимоги до корпусних деталей ДВЗ:

жорсткість і міцність (передусім, таких деталей, як блок-картер, головки циліндрів або головка блоку циліндрів, силові шпильки, корпуси корінних підшипників колінчастого вала);

стійкість проти спрацьовування (циліндр, підшипники колінчастого вала);

щільність матеріалу (передусім, блок-картера, головки циліндрів, циліндрів), яка повинна забезпечити відсутність втрат рідини і повітря, що рухаються по каналах, виконаних у цих деталях;

мінімальні габаритні розміри і маса;

технологічність виготовлення;

низька собівартість.

Елементи корпусу при роботі двигуна, навантажені силами тиску газів, силами інерції деталей, що рухаються; на них передаються поштовхи від автомобіля. Для запобігання неприпустимих деформацій деталі корпусу повинні мати спільну жорстку основу. У більшості автомобільних двигунів — це блок-картер.

Блок-картер має переважне застосування на автомобільних двигунах з рідинним охолодженням. Конструктивно він являє собою єдиний відливок блока циліндрів і картера.

Блок-картер може бути сконструйований за різними силовими схемами, під якими розуміють схеми передачі основних сил окремими елементами двигуна, а також двигуном та його опорами під час роботи. Розрізнюють такі силові схеми корпусу:

1) несучий блок циліндрів, стінки якого у сукупності з головкою циліндрів (або головкою блоку циліндрів) і шпильками навантажуються газовими силами (наприклад, двигуни ВАЗ, ГАЗ-51) У автомобільних однорядних та У-подібних двигунах із рідинним охолодженням циліндри звичайно виготовляються одним блоком і з верхньою половиною картеру. Така монолітна відливка порівняно із роздільним блоком циліндрів і картером має збільшену жорсткість. Це, у свою чергу, забезпечує мінімальні деформації, збільшує надійність силової установки, дає можливість раціонального використання металу корпусу ДВЗ.

Перелічені раніше вимоги до блок - картера двигуна забезпечуються конструктивно і вибором відповідного матеріалу та термічною обробкою. Конструктивно жорсткість блок-картера (картера) може бути збільшена застосуванням між циліндрових перегородок, що розташовані в площинах корінних підшипників; введенням зміцнюючи ребер; виконанням площини роз'єднання корінних підшипників колінчастого вала вище роз'єднання блока з піддоном (рис. 2); застосуванням повно опорного колінчастого вала, який має корінні підшипники після кожного циліндра, або використанням так званого картера тунель ного типу, який не має площин рознімання по корінним підшипникам. Додатково наявність корінних опор після кожного циліндра забезпечує більш рівномірне розподілення сил і моментів вздовж блока циліндрів, а тому і більш раціональне використання матеріалу.

Матеріалом для блок-картера переважно вибирають сірі дрібнозернисті чавуни перлітної структури з графітовими вкрапленнями, часто леговані хромом, нікелем, міддю, титаном або алюмінієві сплави.

Товщина стінок і перегородок верхньої частини чавунного картера дорівнює 5...8 мм, а стінок водяної оболонки та перегородок блоку - 4....7мм. Алюмінієві деталі при відливанні у піскові форми мають стінки на 1...2 мм товщі.

Застосування прогресивних технологій, наприклад, литва деталей під тиском, дозволяє отримати тонкі та міцні стінки як чавунних, так і алюмінієвих деталей. Товщина стінок чавунних відливок доведена до 3,2…3,5мм. Однак для карбюраторних автомобільних двигунів перевагу віддають алюмінієвим деталям, що дозволяє значно (майже в чотири рази) зменшити їх масу.

При проектуванні ширина картера визначається траєкторією крайньої точки зовнішньої головки шатунного болта. Мінімальна відстань між цією траєкторією та внутрішньою поверхнею стінки картера звичайно не перевищує 10...15 мм. Повздовжні габаритні розміри картера, опріч числа циліндрів, значно залежать від міжосьової відстані циліндрів, яка у свою чергу залежить від ряду факторів:

- наявності між циліндрами корінного підшипника та його конструкції;

- довжини шатунної шийки;

- типу гільзи циліндра;

- наявності проходу для охолоджуючої рідини між стінками сусідніх циліндрів.

Ця відстань оцінюється відношенням L0 / D, де L0 - відстань між осями циліндрів; D - діаметр циліндра. Значення цього відношення у автомобільних двигунах змінюється у межах 1,2...1,5.

Гільзи циліндрів являють собою циліндричну оболонку, частіше вставну для легкої зміни. Від типу гільзи та її конструкції значно залежить жорсткість блока ДВЗ. Залежно від того, омиваються гільзи охолоджуючою рідиною чи ні, їх підрозділяють на сухі та мокрі (рис. 5). При застосуванні мокрих гільз відкривається можливість уживання більш стійких проти спрацьовування в експлуатації матеріалів, збільшується ефективність відведення теплоти та знижуються витрати на ремонт.

Мокрі гільзи вставляються у направляючі центруючі пояси блока. Для збереження геометричної форми під час роботи гільза має два направляючих центруючих пояса: верхній і нижній. Опорні площини для мокрої гільзи виконують у кільцевих приливах блока, які забезпечують збереження геометричної форми гільзи.

Опорні площини гільзи можуть бути розміщені у різних місцях по висоті блока: у верхній частині блока (рис. 5, б); у кільцевому приливі, який знаходиться нижче опорної площини блока циліндра (рис. 5, в); у приливі нижньої частини блока (рис. 5, г). При більш низькому розміщенні опорної площини гільзи покращується охолодження її верхньої частини та поршневих кілець. Ширину опорного фланця визначають з урахуванням тиску на кільцевий пояс при попередній затяжці шпильок. Для чавунних блоків цей тиск повинен бути не більше 380...420 МПа, для алюмінієвих -140...180 МПа. Висота фланця складає приблизно 0,1D.

При роботі двигуна під дією перемінних навантажень поршня гільза зазнає динамічних деформацій. Найбільш ефективними методами зниження динамічних деформацій є збільшення її жорсткості, більш щільна її посадка у направляючих поясах, зменшення зазорів між поршнем і гільзою, а також підбір профіля поршня.

Ущільнення нижнього стику мокрої гільзи і блока досягається звичайно за допомогою двох гумових кілець 2. У деяких конструкціях установлюють доповнююче опорне кільце 3 (рис. 5, г).

Товщину стінок циліндра вибирають із умов отримання достатньої жорсткості проти овалізації та можливості розточування при ремонті. Звичайно вона складає для мокрих чавунних гільз 5...8 мм.

Для збільшення довговічності у верхню частину гільзи циліндра запресовують коротку жаростійку вставку із аустенітного чавуну (нірезісту) 1 (рис. 5, г). Стійкість гільзи спрацьовуванню при цьому збільшується у 3-4 рази. Внутрішня поверхня циліндра (дзеркало) у цьому випадку обов'язково підлягає пористому хромуванню (канали і пори у шарі пористого хрому сприяють змащенню поверхні тертя).

Циліндри двигунів із повітряним охолодженням виготовляють частіше литими, з несучими силовими шпильками, з розвиненим оребренням, яке займає 45...55% усієї довжини циліндра.

Площа поверхні охолодження циліндра прямо пропорційна висоті та числу ребер. Крок ребер складає від 4,5 до 6 мм залежно від способу виготовлення гільзи циліндра. Висота ребер визначається теплопровідністю металу і звичайно не перевищує 50 мм. Для запобігання овалізації циліндра у ребрах робляться вирізи, що доходять до стінок циліндра. Ці вирізи зміщують один відносно другого з метою запобігання овалізації при нагріванні циліндра і виникнення у результаті цього значних термічних напружень.

Матеріалом для виготовлення гільз звичайно служить перлітний сірий чавун, рідше - сталь та алюмінієві сплави. Останні здебільшого використовуються для малопотужних двигунів повітряного охолодження. При виготовленні гільз широко використовують різні методи термообробки: цементацію, азотування, загартовку СВЧ, пористе хромування.

Непрямими заходами, які підвищують довговічність гільз, є такі:

1. застосування термостату, який дозволяє підтримувати стабільний тепловий стан двигуна у межах 90...95°С незалежно від режиму його роботи;

2. застосування жалюзей радіатора, які також регулюють тепловий стан двигуна;

3. удосконалення очищення масла та повітря;

4. вентиляція картера для видалення відпрацьованих газів, котрі погіршують якість масла і викликають швидке його обсмолення.

Для ущільнення газового стику між гільзою й головкою циліндрів застосовуються прокладки, які тривалий час повинні витримувати високі температури та бути достатньо пружними, щоб заповнити на опорних поверхнях блоку та головки усі нерівності глибиною 0,2...0,3 мм.

На рис. 8.8 показані конструкції різних прокладок. Застосовуються такі прокладки:

1. цільнометалеві із алюмінію або міді, котрі мають твердість значно меншу, ніж матеріал, із якого виготовлені головки та блок. Подібні прокладки установлюють у двигунах із жорсткими головками циліндрів і блоками при великій затяжці силових шпильок;

2. металеві, набрані із тонких листів. Прокладка може бути виконана зі змінною жорсткістю за рахунок зменшення у деяких місцях числа листів. Для окантування навколо вирізу під камеру згоряння застосовують один із зовнішніх листів. Ці прокладки надійно ущільнюють газовий стик у конструкціях з жорсткими блоками і головками при великій затяжці силових шпильок;

3. м'які, спресовані, які складаються із двох листів графітизованого азбестового картону, накладені на стальну сітку (рис. 7, а) або сталевий перфорований лист (рис. 7, б), що збільшує міцність прокладки і дає можливість її установлювати повторно. Азбестові волокна для збільшення міцності просочуються резиною або спеціальними зв’язуючими жаростійкими матеріалами.

Прокладки такого типу виготовляють товщиною 1,1 мм і більше. Для збільшення пружних якостей та її надійності окантовують отвори під камеру згоряння, що захищає прокладку від дії газів. У зоні окантування товщина прокладки більше, що забезпечує більший тиск

У зв'язку з установкою м'яких прокладок на дизелях з високим тиском згоряння застосовують прокладки з потовщеною окантовкою та загибом її в паз (рис. 7, в), з подвійною окантовкою (рис. 7, г), із подвійною окантовкою та загибом її у паз (рис. 7, д), захистом від дії газів кільцем 1 з каліброваним дротом усередині (рис. 7, е) або циліндричною пружиною.по контуру газового стику. У деяких двигунах установлюють роздільно на кожному циліндрі ущільнюючі кільця із червоної міді або алюмінію, врізаючи їх у торець гільзи. На площині головки у цьому разі повинні бути оброблені кільцеві виступи.

2. Група колінчастого вала

Основними елементами цієї групи є власне колінчастий вал, який складається із шатунних і корінних шийок, щок, носка, хвостовика; маховик; ведуча розподільна шестерня або шків приводу розподільного вала; вузол осьової фіксації вала; ряд інших деталей та ущільнювальних пристроїв (рис. 8).

Колінчастий вал є однією з найбільш відповідальних, напружених, трудомістких у виготовленні і коштовних деталей ДВЗ. Він працює в умовах дії на нього знакозмінних сил і моментів, які за характером близькі до ударних. Ці сили і моменти приводять до появи в колінчастому валу пружних коливань. Якщо також взяти до уваги, що не на всіх режимах роботи ДВЗ вдається забезпечити надійне змащення підшипників, умови роботи колінчастого вала варто признати надто напруженими.

Першорядними вимогами до колінчастого вала є надійність роботи в різних умовах експлуатації, жорсткість та міцність; стійкість шийок вала проти спрацьовування; статична та динамічна зрівноваженість; відсутність резонансних крутильних коливань у діапазоні робочих частот обертання вала; мінімальна маса і технологічність конструкції та ряд інших. Розміри колінчастого вала автомобільних двигунів залежать від числа корінних та шатунних підшипників, конструкції блока та головки циліндрів, типу сполучення шатунів у V - подібних двигунів, матеріалу вала.

У табл. 8.7 подані середні відносні розміри шатунних та корінних шийок стальних колінчастих валів за статичними даними. Зменшення діаметра шатунної шийки в дизелях пов’язане з прагненням знизити си­ли інерції, які навантажують корінні підшипники, за рахунок маси шийки і кривошипної головки шатуна.

Таблиця 1

Колінчасті вали швидкохідних дизелів виконуються, звичайно, повноопорними, з опорами після кожного циліндра або відсіку двох циліндрів у V-подібних двигунах. Збільшення кількості опор колінчастого вала внаслідок більшої рівномірності передачі зусиль по довжині двигуна сприяє роботі верхньої половини картера та блока циліндрів. Повно опорні вали мають більшу жорсткість, надійність роботи, але разом з тим більші габаритні розміри, вартість виготовлення та масу.

Збільшення жорсткості на вигин неповноопорного вала досягається збільшенням діаметрів шатунних та корінних шийок із одночасним зменшенням їх довжини та збільшенням товщини щок. Це призводить до збільшення частоти власних коливань вала, тому що зростає крутильна жорсткість системи і як результат збільшення полярного моменту інерції перерізу вала.

Шатунні шийки звичайно виконують однакової довжини. Довжину першої та останньої корінних шийок збільшують з міркувань підвищення навантажень на них, а їх довжина встановлюється з урахуванням можливості розміщення механізму приводу та маховика.

У чотиритактних рядних двигунах із дзеркально-симетричним валом із тих же міркувань збільшують довжину середньої корінної шийки.

Щоки колінчастого вала частіше всього виконують еліптичної форми, яка забезпечує високу жорсткість на вигин та кручення при порівняно невеликій масі. Переходи (галтелі) від щок до корінної та шатунної шийок для запобігання виникнення великих концентрацій напруження виконуються радіусом (0,035...0,05) від діаметра шийки. Для збільшення опорної поверхні шийки галтелі виконуються по двох-трьох дугах різних радіусів.

На продовженні щок виконуються противаги для розвантаження корінних підшипників, особливо середніх - для чотирьох -, шести - та восьмициліндрових двигунів, у яких вони розміщені в одній площині та по одну сторону від осі обертання, і для зрівноваження сил інерції і моментів від них. Противаги виготовляються або разом із щоками, або окремо і закріплюються на них. На рис. 8.31 показані різні способи кріплення противаг: за допомогою ластівчиного хвоста та болтами, штифтами й шпильками. Від дотичних сил інерції болти розвантажуються шліцами, призонною посадкою противаг.

Для вільного теплового розширення вала відносно картера слід передбачати можливість його осьового переміщення. Осьова фіксація колінчастого вала при його осьовому навантаженні забезпечується: упорними кільцями, буртиками упорних вкладишів корінних підшипників; упорними шарикопідшипниками.