ВВЕДЕНИЕ 6
Глава первая
ШАТУНЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Структура шатунной группы. Анализ нагрузок в шатунной группе 10
1.2 Обзор расчетных моделей напряженно-деформированного состояния шатуна.. 13
1.3 Выбор конечно-элементной модели для расчета НДС шатуна 16
1.4 Постановка задачи исследования 19
Глава вторая
РАСЧЕТ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В ШАТУННОЙ ГРУППЕ
2.1 Расчет натяга втулки в поршневой головке шатуна 21
2.2 Расчет натяга в кривошипной головке шатуна 23
2.3 Расчет усилия затяжки шатунных болтов 27
Глава третья
РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ШАТУНОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.
3.1 Определение действующих на шатун нагрузок 31
3.2 Выбор системы закрепления модели 34
3.3 Выбор модели контактного взаимодействия между деталями 37
3.4 Описание сетки 41
3.5 Анализ результатов исследования напряженно-деформированного состояния
шатунов 47
3.6 Выводы по расчету НДС 69
3.7 Конструктивные мероприятия с целью снижению НДС шатунов 71
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 72
ЛИТЕРАТУРА
Купить

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) - самые массовые и мобильные источники энергии. Ими оснащены автомобили, колесные и гусеничные машины сельскохозяйственного, дорожного и специального назначения. Естественно, для этой цели нужны ДВС соответствующей мощности, причем в соответствии с требованиями научно-технического прогресса с более высокими удельными показателями, то есть с меньшими материалоемкостью, габаритными размерами и т.д. Отсюда - тенденции создания ДВС: расширение использования дизелей, повышение топливной экономичности, снижение удельной массы дизелей, стоимости их производства и эксплуатации. На принципиально новый уровень ставится борьба с токсичными выбросами двигателей в атмосферу, а также задачи по снижению шума и вибрации в процессе их эксплуатации.
Современное состояние двигателестроения характеризуется производством высокофорсированных двигателей. При этом необходимо обеспечить высокий уровень качества и эксплуатационной надежности. Разработчикам приходится решать в комплексе проблемы качества, надежности, потребительских свойств двигателя, а также законодательных норм (улучшения экономических и экологических показателей дизеля).
Непрерывный рост мощностных показателей автомобильных дизелей приводит к возрастанию нагрузок, действующих в элементах кривошипно-шатунного механизма. Поэтому конструкторы вынуждены за счет формы деталей максимально использовать прочность материала. Особенно это относится к подвижным деталям двигателя, таким как шатун.
Повышение работоспособности шатуна, может быть достигнуто применением обоснованных конструктивных решений, появление которых невозможно без ясного понимания и представления картины работы не только отдельной его детали, но и всего кривошипно-шатунного механизма двигателя. В связи с этим особую актуальность приобретают методы расчетной оценки прочности деталей КШМ двигателей.
С другой стороны, введение законодательных ограничений по вредным выбросам (нормы ЕВРО-5, ЕВРО-6), которые обновляются каждые три года, заставляют производителей двигателей существенно сокращать время на разработку новых моделей двигателей. Период времени на разработку модели двигателя и расчет его основных узлов и агрегатов на прочность у ведущих западноевропейских и американских компаний сегодня составляет 10-12 месяцев. В таких жестких условиях основным методом разработки и расчета на прочность деталей двигателей становится CAD/CAE - технологии, позволяющая за счет твердотельного параметрического проектирования и численного расчета осуществлять проведение многовариантных исследований с минимальными затратами времени и средств.
Автомобильным заводом «КАМАЗ» была разработана новая модель автомобильного дизеля910.10-550 мощностью 550 л.с. (двигатель №1), для установки на грузовые автомобили с грузоподъемностью свыше 15 тонн. Расчет НДС деталей КШМ двигателя был проведен сторонней организацией. Возникла необходимость в создании двигателя мощностью 700 л.с. (двигатель №2). Двигатель №2 был создан на базе двигателя 910.10-550. Прирост мощности был достигнут за счет увеличения его рабочего объема, путем использования коленчатого вала с увеличенным радиусом кривошипа 81,5 мм (вместо 75 мм) и укороченных шатунов длиной 238,5 мм (вместо 245 мм), что позволило увеличить рабочий объем двигателя с 11,94 л до 12,97 л.
Целью диссертационной работы является расчет напряженно- деформированного состояния шатунов, используемых в двигателях №1 и №2, методом конечных элементов, сравнение полученных результатов НДС шатунов между собой и предложение конструктивных мероприятий с целью снижения напряжений, возникающих в элементах шатунной группы при работе двигателей на номинальном режиме.
Актуальность работы. В связи с тем, что шатун автомобильного дизеля является весьма нагруженной деталью кривошипно-шатунного механизма, так как на него действуют газовые, инерционные, гидродинамические и тепловые нагрузки, его необходимо рассматривать как особо ответственную деталь дизеля. В свою очередь, постоянное повышение удельных мощностных показателей наряду с уменьшением удельных массовых характеристик, снижение стоимости их разработки, увеличение продолжительности испытаний вынуждают разработчиков искать новые методы исследования.
Одним из средств исследования деталей является анализ их НДС. Этот анализ может быть выполнен с помощью экспериментальных, либо расчётных методов. В качестве экспериментального метода применяют испытания шатунов на усталость от растяжения по знакопостоянному циклу, но они не обеспечивают адекватности условий испытаний с условиями работы шатуна на двигателе. Результаты испытаний можно использовать для сравнения оценки сопротивления усталости шатунов. Также сложно интерпретировать данные испытания с результатами расчетов НДС шатуна, например, МКЭ. Главная задача испытаний на усталость - определение запасов прочности в этом варианте не выполнима[17,18]. Поэтому единственным методом, позволяющим получить информацию по НДС шатуна, является расчетный метод. Сегодня наибольшую популярность приобретают численные методы исследования. Одним из таких является расчёт с использованием метода конечных элементов (МКЭ). При его реализации в связи с развитием средств твердотельного моделирования сейчас уже не представляет сложности описание геометрии исследуемой модели, а достоверность результата расчета практически целиком определяется корректностью наложения силовых и кинематических граничных условий. До последнего времени в практике применения МКЭ преобладал подход, при котором расчету подвергалась только исследуемая деталь (либо несколько деталей, но условно жестко соединенных между собой). В связи с этим неизбежно возникают сложности с описанием кинематических (а зачастую и силовых) граничных условий: виртуальное закрепление детали приходится задавать априорно, поскольку размеры площадок контакта рассматриваемой детали с сопрягаемыми заранее неизвестны. Это приводит к тому, что при общей достоверности результата локальные распределения параметров НДС зачастую отличаются от экспериментальных. Так, расчет параметров НДС ШИТ разными авторами как правило давал погрешность 20 ...50 %. Вместе с тем, именно локальные концентрации напряжений являются причиной разрушения детали. Поэтому актуальны работы по повышению достоверности, а также информативности и оперативности анализа НДС деталей ШПГ по МКЭ.
Практическая значимость работы заключается в том, что применение разработанного методического и программного обеспечения позволяет на основе многовариантных расчетов оценивать влияние режимных факторов на НДС шатунов и шатунных болтов, обосновывать рекомендации по совершенствованию их конструктивных параметров, что сокращает затраты времени и средств на создание, экспериментальное исследование и доводку деталей кривошипно-шатунного механизма тепловых двигателей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, трех глав и Заключения, изложена на 75 страницах машинописного текста, включая 55 иллюстрации, 7 таблицы, 20 формул и список литературы, содержащий 30 наименований.
В первой главе анализируются условия работы шатунной группы, требования, предъявляемые к деталям шатунной группы, силы и напряжения, действующие на них. Проведен анализ литературы, посвященной расчетам НДС деталей тепловых двигателей методом конечных элементов (МКЭ). На основе выполненного обзора литературы поставлены задачи исследования.
Вторая глава посвящена расчету монтажных сил, действующих в шатуне. В данной главе приведены расчеты натяга втулки в поршневой головке шатуна, натяга вкладышей в кривошипной головке и усилия затяжки шатунных болтов.
Третья глава посвящена выбору и обоснованию КЭМ исследуемых шатунов, определению действующих на шатун газовых и инерционных сил. Описаны выбор системы закрепления моделей и модели контактного взаимодействия между деталями. Приведено описание сетки КЭМ. Проведен расчет НДС шатунов методом конечных элементов в программе ANSYS. Проведено сравнение полей деформаций и напряжений исследуемых шатунов между собой.
В заключении кратко приводятся итоги выполненного исследования.

Купить