Методика исследования упругих параметров трибосопряжений коленчатого вала тракторных двигателей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Механика и машиностроение

УДК621.431.73, 55.42.33, 55.03.33

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ УПРУГИХ ПАРАМЕТРОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

© 2011 Ю.В. Рождественский, Н.А. Хозенюк, А.А. Мыльников

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет), г. Челябинск

Поступила в редакцию 10.11.2011

Современные требования, предъявляемые к двигателям внутреннего сгорания, диктуемые рынком и законодательством, направлены на увеличение мощности силовой установки, повышение надежности, экологичности и экономичности [1, 2]. Одними из узлов, лимитирующих надежность двигателей, являются коренные подшипники коленчатого вала. Так деформации блок-картера под действием воспринимаемых им нагрузок нарушают соосность подшипников, вызывают их линейные и угловые смещения.

При решении задачи динамики и смазки подшипников многоопорных валов рассматривается система «упругий коленчатый вал - смазочные слои в каждом подшипнике - упругий картер двигателя», подробно описанная в работе [3]. Для расчета динамики кривошипно-шатунного механизма (КШМ) обычно используют упрощенную схему коленчатого вала и его опор. Так коленчатый вал принято представлять в виде стержневой рамы. Такая модель проста и удобна при проведении расчетов и, как показала практика, вполне себя оправдывает. Но в виду многообразия конструктивных форм коленчатых валов важной представляется проблема выбора таких жесткостных характеристик стержней, которые обеспечили бы адекватность упругих свойств реального вала и его стержневой модели.

Например, в высокофорсированном, мощном дизеле ЧН 13/15 коленчатый вал, изготовленный из стали 18Х2Н4МА, имеет диаметр корен-ной/шатунной шейки 95/85 мм с двадцати процентным перекрытием шеек. Основной проблемой при построении стержневой модели коленчатого вала является определение эквивалентных упругих характеристик стержня, замещающего щеку.

Основной несущей деталью дизеля ЧН 13/15 является блок-картер, изготовленный литьём из высокопрочного чугуна со следующими свойствами: предельно допустимые напряжения растяжения в конструкциях из чугуна ВЧ50 не более 200 МПа, предел прочности при изгибе (7/;и =381...558 МПа, модуль упругости первого рода

Е -1.46 -105 МПа, коэффициент Пуассона // = 0.28. плотность р = 7200 кг/м3. Блок-картер имеет подвесную конструкцию опор коленчатого вала. Поперечные стойки в такой конструкции, представляют собой оребрённые силовые элементы

повышенной жесткости, которые воспринимают основные нагрузки при работе двигателя. При выборе расчетной схемы опор коленчатого вала необходимо стремится к сохранению основных конструктивных особенностей стойки и картера, учитывать реальные условия закрепления двигателя на раме трактора и другие факторы.

В первом приближении опоры коленчатого вала моделируются двумя парами упругих элементов с

различными коэффициентами податливости Kq х ,

KqX,KqY,KqY (рис. 1), расположенными во

взаимно перпендикулярных плоскостях. Индексом « Л » отмечены коэффициенты линейной податливости, т. е. перемещение среднего сечения опоры под действием единичной силы, индексом « (р » - коэффициенты угловой податливости, т. е. угол поворота среднего сечения каждой опоры в плоскостях OXZ , OYZ под действием единичного момента, приложенного в соответствующем направлении. Эта модель, подробно представлена в [4] и позволяет учесть следующие факторы: взаимосвязь коренных подшипников, упругие свойства вала и блок-картера, несоосности шеек и подшипников коленчатого вала.

Цель работы состоит в разработке методик расчетных и экспериментальных исследований упругих характеристик коленчатого вала и блок-картера, а также в оценке адекватности этих методик на примере четырехцилиндрового рядного двигателя типа ЧН 13/15.

Расчетная методика основана на конечноэлементном моделировании вала и блок-картера. Для этого в среде Solid Works созданы трехмерные модели коленчатого вала и блок-картера двигателя 4ЧН13/15 (рис. 2). В построенных моделях отсутствуют элементы конструкции, не влияющие существенно на достоверность расчетов, но усложняющие ее конечно-элементную дискретизацию. Для расчета перемещений методом конечных элементов использована среда программы ANSYS.

Линейные перемещения точек A и B на поверхности второй и четвертой коренных шейках (рис. 3) приравнивались к нулю. К третьей коренной шейке (в точке C) прикладывалась сосредоточенная нагрузка. Перемещения шеек под действием приложенной силы замерялись в точках D. Вычислялось

1207

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

перемещение третьей шейки относительно сосед- того вала показано на рис. 4. них. Деформированное состояние модели коленча-

Рис. 1. Расчетная схема «упругий коленчатый вал - упругое основание».

а б

Рис. 2. Конечно элементные модели: а) коленчатого вала; б) блок-картера.

Рис. 3. Способ закрепления коленчатого вала (A, B - точки закрепления модели, С - точка приложения нагрузки, D - точки замера перемещений).

Рис. 4. Деформированное состояние модели коленчатого вала.

1208

Механика и машиностроение

На основании полученных перемещений методами сопротивления материалов вычислялись моменты инерции щек коленчатого вала относительно осей Y и Z : IY, I^ и полярный момент инерции

1р . Расчетная схема приведена на рис. 5.

A-A

А у

Z

Рис. 5. Расчетная схема коленчатого вала

Для определения упругих параметров опор коленчатого вала трехмерная модель блок-картера закреплялась по передней и задней торцевым стенкам (рис. 6), таким образом, имитировались условия закрепления двигателя в тракторе. Нагружение каждой опоры осуществлялось путем приложения нагрузки к фальшвалу, заменяющего коренную шейку коленчатого вала.

Определялись линейные (угловые) перемещения центра опор под действием приложенных нагрузок. Деформированное состояние блок-картера при нагружении второй опоры показано на рис. 7.

При определении коэффициентов линейной податливости опоры коленчатого вала нагружались поочередно ( / = . где п - количество ко-

ренных подшипников). Распределённая нагрузка 77 МКЭ

заданной величины F , прикладывалась к торцевым поверхностям фальшвала, вдоль осей X и Y. На основе расчета деформированного состояния блок-картера определялись линейные перемещения центра коренного подшипника вдоль осей X и Y:

А'-у''1,Ajy '''1 . Коэффициенты линейной податливости опор вдоль соответствующих осей рассчитывались по формулам:

2-мкэ 2МКЭ

Т^ШКЭ _ AjX ушкэ _ AjY KjX ~ рМКЭ ’ “ рМКЭ '

При определении коэффициентов угловой податливости опор коленчатого вала прикладывался изгибающий момент MМКЭ вокруг осей X и Y. На

основе расчета деформированного состояния блок-картера определялся угол поворота крышки коренного подшипника вокруг соответствующих осей:

(Pxj ’ (Pyj • Коэффициенты угловой податливости рассчитывались по формулам:

тмкэ МКЭ

ъгцМКЭ _ (PjX т^фМКЭ _ т jY

KjX ~ ммкэ 5 KjY ~ мшэ'

Рис. 6. Способ закрепления модели блок-картера (A - поверхность приложения нагрузки, B, C - поверхности закрепления модели).

Рис. 7 Деформированное состояние блок-картера при нагружении второй опоры.

Методика экспериментальных исследований.

Для экспериментального определения моментов инерции щек коленчатого вала определялись перемещения шеек вала под действием единичной нагрузки. Экспериментальная установка представлена на рис. 8. Вторая и четвертая коренные шейки коленчатого вала устанавливались на призмы, к третьей шейке прикладывалась нагрузка 10...50 кН с шагом 10 кН. Нагружение осуществлялось на машине УМ-10Т. Одновременно, тремя индикаторами часового типа с ценой деления 1 мкм замерялось вертикальное перемещение шеек вала. Измерения проводились для двух положений коленчатого вала: 1) нагрузка действует в плоскости колена, 2) направление нагрузки перпендикулярно плоскости колена (из плоскости колена). Полученные значения пересчитывались для определения перемещения средней шейки вала относительно соседних шеек.

Величины относительных перемещений для двух положений коленчатого вала, полученных экспериментально, представлены на рис. 9. Здесь же приведены результаты расчета. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показывает, что разница в значениях перемещений не превышает 5% при действии нагрузки в плоскости колена и 15 % -20 % в перпендикулярной ему плоскости.

1209

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 13, №4(3), 2011

Рис. 8. Установка для определения упругих свойств коленчатого вала.

нагрузка. 104 Н результаты эксперимент:

Рис. 9. Относительные перемещения третьей коренной шейки а) - в плоскости колена; б) - из плоскости колена.

На основе экспериментальных исследований определены упругие характеристики стержней, моделирующих щеки коленчатого вала:

Iу = 1,825 - 10“б м4,

Iz = 9,436-КГ6 м4,

1Р =9,611-10

-6 4

М .

Для экспериментального определения упругих характеристик опор коленчатого вала разработана следующая установка (рис. 10).

Рис. 10. Установка для определения упругих свойств блок-картера.

Блок-картер исследуемого двигателя устанавливался вертикально на головки цилиндров. Во вторую коренную опору монтировался специально изготовленный фальшвал с двумя тензометрическими болтами. Диаметр фальшвала равен диаметру коренной шейки коленчатого вала. Тензоболт изготовлен из болта с резьбой М24, на краю резьбовой (цилиндрической) части которого выполнена площадка для наклейки четырех тензодатчиков. Для удобства задания нагрузки электрические провода проходят

по каналу внутри болта и выходят перед головкой болта. Тензоболты предварительно тарировались на сжатие на нагрузочной машине УМ-10Т. Для создания момента, изгибающего коренную опору (для

определения Kq х ), затягивался один тензоболт, для создания линейной силы (для определения Kq х ) затягивались оба болта с условием обеспе-

чения одинакового усилия на цилиндрической части. Показания тензоболтов считывались при помощи цифрового тензометрического измерителя ЦТИ-1. Для замера перемещений крышки коренной опоры использовались цифровые микрометры: один (на поверхности крышки коренного подшипника со стороны поддона) для определения линейной податливости опоры и два (по краям крышки коренного подшипника вдоль оси коленчатого вала) для определения угловой податливости опоры. Штативы индикаторов закреплялись на продольной стенке блок-картера.

Результаты измерений обработаны математически, коэффициенты упругости второй опоры с доверительной вероятностью 95% находятся в интервале:

К*х =6,21-КГ10 ±1,41-КГ11 м/Н

KlY = 1,13 • 10“6 ± 1,22 • 10

-7

рад/Нм

При сравнении результатов расчетных и экспериментальных исследований упругих характеристик опор коленчатого вала модель блок-картера закреплялась по верхней поверхности головок цилиндров. Полученные результаты представлены в табл. 1 и табл. 2.

Таблица 1. Коэффициент линейной податливо-

сти опор коленчатого вала

Номер опоры j ^,-10~10 м/Н Разница, %

Расчет Эксперимент

2 5,67 6,21 8,70

3 5,58 6,32 11,71

4 5,83 6,18 5,66

Таблица 2. Коэффициент угловой податливости опор коленчатого вала

Но- мер опоры j KJ’y ,• 10 6 рад/Нм Разница, %

Расчет Эксперимент

2 1,12 1,13 2,65

3 1,12 1,18 6,78

4 1,14 1,16 5,17

1210

Механика и машиностроение

Выполненные экспериментальные исследования позволили определить упругие характеристики коленчатого вала и блок-картера двигателя ЧН 13/15. Полученные результаты экспериментальных и расчетных исследований отличаются в пределах 2 -11%, что показывает адекватность методики расчетного определения упругих характеристик и возможность её использования вместо дорогостоящих экспериментов.

Представленная работа выполнена при финансовой поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы и Российского фонда фундаментальных исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Zissimos, P. Mourelatos. A crankshaft system model for struc-

tural dynamic analysis of internal combustion engines //Computers and Structures. 2001. №79. P. 2009-2027.

2. Albers, A. Increasing energy-efficiency of hydrodynamic jour-

nal bearings by closed-loop lubrication flow control and condition monitoring /A. Albers, H. T. Nguyen, W. Burger // 3rd European Conference on Tribology June 7-9, 2011, Vienna, Austria. P. 67-72.

3. Рождественский, Ю. В. Методика расчета системы корен-

ных подшипников коленчатого вала с учетом податливости блок-картера двигателя / Ю. В. Рождественский, Н. А. Хозенюк, А. А. Мыльников // Трение и смазка, в печати.

4. Рождественский Ю. В. Связанные задачи динамики и смазки сложнонагруженных опор скольжения: дис.... доктора техн. наук. Челябинск, 1999. - 215 с.

RESEARCH TECHNIQUE OF ELASTIC PARAMETERS OF CRANKSHAFT TRIBO UNITS OF TRACTOR ENGINES

© 2011 Rojdestvenskii, N.A. Hozenjuk., A.A. Mylnikov.

SOUTH URAL STATE UNIVERSITY (National Research University),Chelyabinsk

1211