Расчет основных деталей двигателя

 

Общие сведения

 

Расчет деталей с целью определения напряжений и деформаций, возника-ющих при работе двигателя, производится по формулам сопротивления мате-риалов и деталей машин. До настоящего времени большинство используемых расчетных выражений дает лишь приближенные значения напряжений.

Несоответствие расчетных и фактических данных объясняется различ-ными причинами, основными из которых являются: отсутствие действи-тельной картины распределения напряжений в материале рассчитывае-
мой детали; использование приближенных расчетных схем действия сил
и мест их приложения; наличие трудно учитываемых знакопеременных нагрузок и невозможность опреде­ления их действительных значений; трудность определения условий работы многих деталей двигателя и их термических напряжений; влияние не поддающихся точному расчету упругих колебаний; невозможность точного определения влияния состоя-ния поверхности, качества обработки (механической и термической), размеров детали и т. д. на величину возникающих напряжений.

В связи с этим применяемые методы расчета позволяют по­лучить напряжения и деформации, являющиеся лишь условными величинами и характеризующие только сравнительную напряженность рассчитываемой детали. Это положение становится все актуальнее в последние годы
в связи с достижениями в области создания новых конструкционных материалов особо высокой прочности. В двигателестроении уже исполь-зуются композиционные материалы, в состав которых входят высоко-прочные полимеры, пластмассы, керамика и т. п. Создаются конструкционные материалы с заранее заданными свойствами.

Основными нагрузками, действующими на детали двигателя, являются силы давления газов в цилиндре и силы инерции поступа­тельно и вращательно движущихся масс, а также усилия от упругих колебаний и тепловых нагрузок.

Нагрузка от давления газов непрерывно изменяется в течение рабочего цикла и имеет максимальное значение лишь на срав­нительно небольшом участке хода поршня. Нагрузка от инерцион­ных сил имеет периодический характер изменения и в быстроход­ных двигателях иногда достигает значений, превышающих нагрузку от давления газов. Указанные нагрузки являются источниками раз­личных упругих колебаний, представляющих опасность при явлени­ях резонанса.

Усилия от температурных нагрузок, возникающие в результате выделения теплоты при сгорании рабочей смеси и трения, снижают механическую прочность материалов и вызывают дополнительные напряжения в сопряженных деталях при их различном нагревании
и   различном  линейном  (или   объемном)  расширении.

Расчетные режимы

 

Величина и характер изменения основных нагрузок, воздейству­ющих на детали двигателя, зависят от эксплуатационного режима работы двигателя. Обычно рассчитывают детали для режимов, на которых они работают в наиболее тяжелых условиях.

Основные расчетные режимы для бензиновых двигателей (рис. 17а):

1) максимального крутящего момента М _{e . max} при частоте вращения
n _M = (0,5…0,6)· n _N, когда давление газов в цилиндре достигает наибольшего значения   p_{z . max},  а силы инерции сравнительно малы;

2) номинальной мощности N_{e N} при частоте вращения n _N, когда
все расчеты деталей производятся от совместного действия газовых
и инерционных нагрузок;

3) разностной частоты вращения n_разн = (1,15…1,40)· n _N, когда
силы инерции достигают наибольших значений, а давление газов незна-чительно или равно нулю.

Для быстроходных дизелей (рис. 17б) принимают расчетные
режимы:

1) номинальной мощности N_{е N} при частоте вращения n _N, когда давление сгорания достигает максимального значения p_{z . max}, а детали рассчитывают от совместного действия газовых и инерционных нагрузок;

2)  максимальной частоты вращения при холостом ходе n _{Х. Х. max} =
= (1,04…1,07)· n _N, при котором силы инерции достигают наибольших значений.

 

 

Рис. 17. К выбору расчетных режимов работы двигателя: а – бензиновый двигатель, б  –  дизельный  двигатель  с  наддувом

 

При расчетах деталей бензиновых двигателей максимальное давле-
ние газов p_{z . max} определяют или по тепловому расчету, проведенному
для режима максимального крутящего момента, или приближенно принимают равным расчетному (без учета скругления индикаторной диаграммы) максимальному давлению р _z сгорания, полученному по тепло-вому расчету для режима номинальной мощности. Инерционными
силами при расчетах на режиме максимального крутящего момента пренебрегают.

При расчетах на режиме номинальной мощности условно при-
нимают, что максимальная газовая сила P_z действует совместно
с максимальной инерционной силой в в.м.т. Величину максимальной газовой силы определяют по тепловому расчету для режима номинальной мощности с учетом скругления индикаторной диаграммы.

При расчетах на режиме разностной частоты вращения колен­чатого вала давлением газов пренебрегают.