Определение собственных частот и форм колебаний двигателя внутреннего сгорания Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 534.647:621.432

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ И ФОРМ КОЛЕБАНИЙ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО

СГОРАНИЯ

Ю.В. Мягков, Ю.С. Шипелов

Рассмотрен расчет собственных частот и форм колебаний для различных конструкций блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания различных конструкций. Также проведены измерения собственных частот двигателей при помщи виброанализатора. Проведен анализ полученых результатов измерений и расчета.

Ключевые слова: Виброанализ, собственные частоты, двигатель, расчетная

модель.

Значение величин собственных частот является важным параметром в условиях динамического нагружения и при моделировании вибраций и переходных процессов в конструкциях. Определение собственных частот является первым этапом виброанализа деталей и механизмов.

Условием удовлетворения прочности конструкции при вибрациях является несовпадение собственных частот с рабочим диапазоном действующих внешних нагрузок. Если же данное условие не выполняется, то предпринимаются меры по выведению собственных частот из рабочего диапазона конструкции. Это достигается изменением геометрии конструкции и других её параметров. Также производится оценка опасности резонансных колебаний по величине возникающих деформаций и напряжений в конструкции.

Одним из возбудителей резонансных явлений, как в трансмиссии автомобиля, так и в его несущей системе, является двигатель внутреннего сгорания с его периодически меняющимся крутящим моментом. Двигатель внутреннего сгорания имеет три основных возмущающих фактора, определяющих его вибрацию:

1) Кривошипно-шатунный механизм - характеризуется зазорами в шатунных и коренных подшипниках коленчатого вала.

2). Цилиндропоршневая группа - характеризуется зазорами между поршем и стенкой цилинра, зазорами между поршнем и кольцом по высоте канавки.

3). Газораспределительный механизм - характеризуется зазорами в подшипниках распределительного вала, зазорами направляющей втулки клапана и его стержнем, а также зазорами между приводом клапана и клапаном.

Измерения собственных частот двигателя производились виброанализатором Корсар +. Измерялся спектр виброускорений в частотном диапазоне 0 - 3000 Гц. Определение собственных частот двигателей произво-

217

дилось при помощи тест-удара, что является простым и точным способом определения резонансных частот конструкции. Суть его заключается в закреплении датчика виброанализатора на блоке цилиндров и нанесении ударов по блоку в место близкое к закрепленному датчику. Для наненсе-ния ударов обычно используется тяжелый инструмент с достаточно мягкой поверхностью, в данном случае использовалась резиновая киянка. При этом в затухающей вибрации выделяются собственные частоты

Ударное тестирование является упрощенной формой измерения подвижности, если не используется динамометрический молоток, и поэтому величина прилагаемой силы не определяется. Пики кривой затухающих колебаний будут соответствовать истинным значениям собственных частот, что достаточно для оценки собственных частот.

Результаты измерений собственных частот двигателей с четырьмя и восемью цилиндрами представлены на рис. 1 и 2 соответственно.

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000

Гц

Рис. 1. Спектр колебаний однорядного четырехцилиндрового

двигателя

м/с3

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000

Рис. 2. Спектр колебаний двухрядного У-образноговосьмицилиндрового двигателя

218

Как показано на рис. 1 и 2 собственные частоты для четырехцилиндрового двигателя составляют 1577 Гц, для восьмицилиндрового 2490 Гц.

Для расчета собственных частот и форм колебаний проводился модальный анализ средствами програмного комплекса ANSYS Workbench.

Анализ проводился для четырехцилиндрового двигателя с рядным расположением цилиндров и для восьмицилиндрового двигателя с V- образным расположением цилиндров, с углом развала цилиндров 900. Модели каждого из блоков цилиндров создавались с различной толщиной стенок и диаметров цилиндров. При анализе в расчет принимаются только линейные характеристики для материалов, также учитывался эффект затухания все нелинейные характеристики (нелинейная упругость, пластичность, ползучесть) игнорируются. При расчете были приняты следующие характеристики материалов: Модуль упругости - E = 1Д-1011 Па. Плотность составляет для р = 7,2 г/см . Результаты расчета приведены на рис. 3.

Частота, Гц 3000

2500

2000

1500

1000

500

0

12 3 4

Рис. 3. Собственные частоты блоков двигателей различных конструкций: 1 - четырехцилиндровый рядный двигатель с толщиной стенок 10 мм; 2 - четырехцилиндровый рядный двигатель с толщиной стенок 16мм; 3 - восьмицилиндровый V-образный двигатель с толщиной стенок 15 мм; 4 - восьмицилиндровый V-образный двигатель с толщиной стенок 30 мм.

Расчет показал что из всех форм колебаний блоков двигателей наи-

более близкими оказались следующие значения: Для четырехцилиндрового двигателя с толщиной стенки 10 мм - 1540 Гц, для того же блока с толщиной стенки 16 мм - 1649 Гц; Для восьмицилиндрового V - образного двигателя с толщиной стенки 15 мм - 2471 Гц, для того же блока с толщиной стенки 30 мм - 2492 Гц.

Список литературы

1. Костюков В.Н., Науменко А.П., Бойченко С.Н., Тарасов Е.В.,Основы виброакустической диагностики машинного оборудования: учебное пособие. Омск.: НПЦ «Динамика», 2007. 286 с.

2. Басов К.А. ANSYS справочник пользователя. М.: ДМК Пресс, 2005. 640 с.

3. Генкин М. Д., Соколова А.Г.Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.: Машиностроение, 1987. 282 с.

4.Науменко А.П. Методология виброакустической диагностики поршневых машин // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана сер. Машиностроение .М.:Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. с.85 - 93

5. Электронный журнал для пользователей CAE-системой ANSYS [Электронный ресурс] (http://www.ansyssolutions.ru) (дата обращения: 23.05.13).

Мягков Юрий Вячеславович, канд. техн. наук, доц., myagkov@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шипелов Юрий Сергеевич, студент, shipelovyrii@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

DEFINITION OF NATURAL FREQUENCIES AND MODE SHAPES

OF ICE

Y.V. Myagkov, Y.S. Shipelov

Considered calculation of natural frequencies and mode shapes for different designs combustion engines of various constructiontions. Also measured natural frequencies engines at vibration analyzer. The analysis of the obtained results of measurements and calculations.

Key words: Vibration analysis, the natural frequencies of the engine, the design

model.

Myagkov Yuriy Vyacheslavovich, candidate of technical science, docent, myagkov@rambler.ru, Russia, Tula, Tula State University

Shipelov Yuri Sergeevich, student, shipelovyrii@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University