Введение 3
1 Демпферы крутильных колебаний 7
1.1 Описание конструкции демпфера двигателя и его назначение 9
1.2 Выводы 12
2 Гармонический анализ двигателя
2.1 Кинематический расчет кривошипно-шатунного механизма
2.2 Динамика кривошипно-шатунного механизма
2.3 Выводы
3 Проектирование и анализ крутильной системы коленчатого вала в CAD..
3.1 Описание модели крутильной системы коленчатого вала
3.2 Расчет эквивалентной системы коленчатого вала
3.3 Выводы
4 Анализ крутильной системы в САПР
4.1 Модальный анализ колебаний крутильной системы
4.2 Анализ жесткости демпфера крутильных колебаний
4.3 Выводы
5 Анализ работы демпфера крутильных колебаний
5.1 Расчет крутильных колебаний коленчатого вала двигателя без демпфера 56
5.2 Расчет крутильных колебаний коленчатого вала двигателя с демпфером
5.3 Выводы
6 Анализ прочности демпфера в САПР
6.1 Построение сетки конечных элементов демпфера
6.2 Нагрузки и ограничения, действующие на демпфер
6.3 Выводы
Заключение 83
Список используемой литературы
Актуальность исследования. Автомобилестроение начала 21 века идет к планомерному снижению расхода топлива и существенной экономии производства. Причиной этого является жесткие нормы по выбросу выхлопных газов, установленные Парижским соглашением [1] по снижению содержания углекислого газа в атмосфере. Согласно статистике о выбросах в атмосферу веществ передвижными источниками, несмотря на принимаемые повсеместно меры по снижению количества вредных веществ, за 2019 год было зафиксировано 11218 тыс. тонн оксида углерода и 1656 тыс. оксида азота, что превышает показатели за 2014 год (10579 тыс. тонн и 1574 тыс. тонн соответственно). Для примера (рисунок 1), количество автомобилей с показателями EURO - 2 на территории Российской Федерации на 1 января 2019 года все еще велико и составляет: 29,2% - для парка легковых автомобилей, 42,9% - для парка легких коммерческих автомобилей и 62,9% - для парка грузовых автомобилей.
Данная статистика показывает острую необходимость принятия мер по снижению выбросов выхлопных газов автомобилями и уменьшениями затрат на производство.
Одним из самых распространенных решений указанных проблем мирового автомобилестроения является планомерное снижение веса автомобиля и применение методов моделирования и виртуального проектирования.
Такие меры производства повышают требования к материалам. Экономия касается не только элементов кузова и подвески автомобилей, обивки и материалов салона, но и двигателя. Еще 15-20 лет назад любой двигатель представлял собой массивный силовой агрегат, с цельнолитыми деталями, любое увеличение мощности требовало увеличения объема или количества цилиндров, негативным моментом в этом был повышенный расход топлива.
Надежность элементов двигателя является основным направлением их развития. На исправную жизнь двигателя влияет множество факторов, одним из пагубных влияний на его работу являются колебания его элементов. Крутильные колебания, особенно при высокой частоте вращения коленчатого вала двигателя, могут вызвать поломку не только самого коленчатого вала, но и деталей кривошипно-шатунного механизма. Чтобы обезопасить коленчатый вал и его элементы от разрушения широко применяются демпферы крутильных колебаний, позволяющих продлить жизнь силового агрегата. Однако разработка такого сложного устройства сопровождается дорогостоящими расчетами и испытаниями. Применение методов моделирования позволяет сократить и упростить расчет демпфера крутильных колебаний.
Исходя из вышеперечисленных данных, можно сделать вывод, что метод разработки демпфера крутильных колебаний в CAD и CAE системах для решения вопроса надежности силового агрегата является актуальным и эффективным [6].
Цель исследования: разработка методики проектирования демпфера коленчатого вала для различных типов двигателей, обеспечивающих его надежность.
Гипотеза исследования: предполагается, что разработка методики проектирования демпфера крутильных колебаний двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлена при помощи САПР.
Задачи исследования:
1. Выбор двигателя для расчета, гармонический анализ.
2. Разработка параметризованной модели демпфера крутильных колебаний в САП.
3. Анализ крутильной системы коленчатого вала и демпфера в CAE.
4. Проверка эффективности работы демпфера, задание параметров материала.
5. Проверка прочности на разрыв демпфера в Siemens NX.
Методы исследования: были использованы как эмпирические, так и теоретические методы. Среди теоретических методов в работе применялся анализ и мысленное моделирование, эмпирических - измерение, эксперимент и материальное моделирование.
Научная новизна: разработана методика расчета демпфера крутильных колебаний. В методику включены: разработка параметризованной модели в CAD, анализ работы исследуемого объекта в CAE, описание параметров материала и проверка на прочность в Siemens NX.
Объект исследования: методика проектирования и анализа эффективности демпфера коленчатого вала.
Предмет исследования: демпфер крутильных колебаний.
Практическая ценность:
1) Модификация устройства для «гашения» крутильных колебаний.
2) Практическая ценность результатов может быть подтверждена
методическим пособием по разработке демпфера.
3) Данная разработка может быть применима для промышленного производства.
Личный вклад автора заключается в создании методики разработки демпфера крутильных колебаний в САПР.
Апробация и внедрение результатов работы велись в течение всего исследования. Экспериментальная проверка предлагаемых методических рекомендаций была осуществлена в период производственной практики (научно-исследовательской работы) и преддипломной практики на базе кафедры сварки, обработки материалов давлением и родственных процессов Тольяттинского государственного университета, а также в период работы инженером-конструктором на базе АО «АВТОВАЗ» г. Тольятти Самарской области. Теоретические выводы и практические результаты исследования представлены на следующих конференциях:
Структура и объем магистерской диссертации: магистерская диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Общий объем - 88 страниц. В данной работе содержатся 61 иллюстрация, 15 таблиц, 30 использованных источников.
Развитие методов проектирования, моделирования и инженерного анализа в САПР значительно уменьшают затраты на дорогостоящие натурные испытания и их совершенствование является актуальной задачей. Выполненный в работе анализ существующих конструкций демпферов двигателей легковых автомобилей и методов их расчета позволил сформулировать цель и задачи работы, связанные разработкой комплексной методики их проектирования с помощью САПР. В основе алгоритма проектирования демпферов использовались гармонический и модальный анализ крутильной системы двигателя легкового автомобиля на основе электронных моделей разработанных в CAD. С помощью инженерного анализа в CAE выполнено подробное исследование резинового элемента демпфера (гасящего крутильные колебания), получены зависимости его смещения от крутящего момента, рассчитан коэффициент жесткости. На основании данных моделирования в САПР осуществлен анализ системы с демпфером и без него, а также прочностной анализ венца и ступицы демпфера. Получены результаты эффективного гашения крутильных колебаний двигателя с помощью спроектированного демпфера, которые доказали целесообразность использования данной методики проектирования.
1. Анализ литературы установил различные типы конструкции демпферов крутильных систем двигателей внутреннего сгорания и позволил выбрать аналог демпфера для ДВС легкового автомобиля.
2. В САПР разработана конструкция демпфера для двигателя легкового автомобиля, с помощью гармонического получены кинематические и динамические характеристики его работы.
3. С помощью модального анализа работы системы коленчатого вала без демпфера выявлено, что амплитуды углов закручивания, возникающие при воздействии гармоник 4 и 6 порядков, превышают допустимые углы закручивания.
4. Показано, что собственная частота колебаний проектируемого демпфера 360 Гц и его использование позволяет снизить колебания и уменьшить углы закручивания в 42 раза.
5. Разработана методика проектирования и моделирования демпфера крутильных колебаний системы коленчатого вала двигателя легкового автомобиля.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
