CC BY
17
пуске двигателя составляет обычно 3...4, после чего начинается устойчивая работа двигателя. Через 6...10 оборотов коленчатого вала размахи колебаний уменьшаются в 10...15 раз и, если не наступает резонанс, не превышают 300...500 Н. м.
Число колебаний момента при остановке двигателя обычно не более двух. При резком нажатии или опускании педали подачи топлива размахи могут быть до 1000 Н. м.
Таблица 2
Крутящий момент на торсионе, кН. м
Режим исследования Без дополнительной резиновой муфты С дополнительной резиновой муфтой
положит. отрицат. положит. отрицат.
Пуск двигателя
Торсион диам. 38 мм 5...6 2,5...3,5 3,5...4 2...3
42 мм 5...6,5 3...4 4...5 2,5...3,5
45 мм 6...7 3...5 4...5 2,5...4
Остановка двигателя
Торсион диам. 38 мм 4,5...5 3,5...4 2,5...3,5 3...4
42 мм 5...5,5 4...4,5 3...3,5 4,2...4,5
45 мм 5,5...6 4...5 3,5...4 4,5...5
Резонансные колеб.
Торсион диам. 38 мм 6,5...7,5 5...5,5 6...7 4,5...5
42 мм нет нет 5,5...7 4...5
45 мм нет нет 5...6 4...4,5
Таблица 3
Характеристики торсионов
Диаметр торсиона Угол закручивания Жесткость
38 мм 42 мм 45 мм 6,7 0 6 0 5 0 746 Н-м /град 833 Н-м /град 1000 Н-м /град
При движении наибольшие колебания отмечаются когда гидротрансформатор заблокирован. и тягач движется накатом. В дотрансформаторной зоне трансмиссии наступают резонансные крутильные колебания. Амплитуды колебаний при этом в 1,5...2 раза выше, чем при незаблокированном гидротрансформаторе. Выходной вал ГМТ при заблокированном гидротрансформаторе достаточно равномерно: имеющая большой момент инерции ГМТ сглаживает колебания. С увеличением подачи топлива или разблокировки гидротрансформатора резонансные колебания в дотрансформаторной зоне прекращаются.
Частота колебаний при резонансе 16...20 Гц. Положительная величина крутящего момента при резонансе равнялась трем максимальным моментам двигателя, а отрицательная - двум, двум с половиной максимальным крутящим моментам, что быстро приводит к усталостным поломкам деталей трансмиссии дотрансформаторной зоны. Количество рекламаций в связи со стуками в повышающей передаче и поломками деталей дотрансформаторной зоны резко увеличилось. Такой подход вполне оправдал себя на первых тягачах с двигателем ЯМЗ-8401, для которого эта система разрабатывалась. Однако из-за нестабильности характеристик двигателей (качества сборки, изменений конструкции топливного насоса высокого давления и т.п.) в дальнейшем при движении накатом появились значительные резонансные колебания, приводящие к сильным стукам и разрушению деталей дотрансформаторной зоны.
Указанные резонансные колебания аналогичны тем, какие бывают на машинах с дизельными двигателями, когда из-за нарушения подачи топлива может наступить даже поломка коленчатого вала или других деталей. Причиной колебаний может быть также то, что при работе без нагрузки в одном из рядов цилиндров используемого на тягаче двигателя ЯМЗ-8401.10-04 подача топлива прекращается. Это сделано для экономии топлива и снижения содержания вредных составляющих выхлопных газов.
Так как свободное качение при движении тягача происходит в основном при заблокированном гидротрансформаторе и занимает существенную часть пути, происходящие при этом колебания момента приводят к поломкам деталей: торсиона, карданного вала, соединяющего повышающую передачу и ГМТ, входного вала насосного колеса и отворачиванию болтов крепления.
Леонов А.Ю., Петров А.П., Синицын С.Н., Лыжин М.А.
Курганский государственный университет, г. Курган
ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ КЛАПАНОВ НА КОЖУХЕ РАДИАТОРА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Основная задача системы охлаждения легкового автомобиля заключается в обеспечении оптимальной рабочей температуры двигателя. Но существующие на сегодняшний день тенденции к увеличению мощности двигателей и скорости автомобилей сопровождаются в значительной степени ростом теплонапряженности деталей двигателя. А необходимость проектирования обтекаемых форм кузова, которые позволяют снизить коэффициент аэродинамического сопротивления, приводит к снижению линии капота. В результате для размещения радиатора и выгодного расположения воздухозаборных отверстий остается все меньше места. Плотная компоновка канала воздушного тракта затрудняет движение охлаждающего воздуха, что приводит к снижению эффективности системы охлаждения.
Применяемые на сегодняшний день конструкции кожухов вентилятора системы охлаждения при некоторых условиях недостаточно эффективны, что приводит к значительной затрате мощности двигателя. Учитывая тот факт, что доработка конструкций осуществляется экспериментальным методом, это приводит еще и к значительным материальным и временным затратам. И в тоже время нет никакой гарантии в том, что доведенная конструкция кожуха будет эффективной при ее установке на другой тип радиатора или автомобиль.
Эффективность работы системы охлаждения зависит от многих причин, которые так или иначе связаны между собой. В качестве одной из них можно назвать неравномерность скоростей воздушного потока по фронтальной поверхности радиатора, которая приводит к снижению теплоотдачи радиатора. Снижение затрат мощности на подачу охлаждающего воздуха осуществляется увеличением использования набегающего потока. Для этого в легковом автомобиле кожух вентилятора делают с неполным охватом радиатора или устанавливают на кожухе клапана, которые в нужный момент могут быть открыты, что
улучшает использование набегающего потока.
Для сравнения различных конструкций кожухов радиатора представим их в виде элементарных геометрических систем (рис. 1), принимая во внимание, что система является изолированной от внешних воздействий, в которых протекают характерные для этих участков течения воздушных потоков.
Прохождение воздушного потока через сужающееся отверстие в кожухе, предназначенное для установки вентилятора, испытывает сопротивление движению. В результате увеличивается сопротивление кожуха вентилятора, что приводит к снижению эффективности системы охлаждения.
Расчет коэффициента сопротивления при сужении можно произвести по полуэмпирической зависимости И. Е. Идельчика:
Ссуж = (1 - = (1 -1/и)/2
(1)
где п = 8Х/ 82 - степень сужения.
Также на движение воздуха оказывает влияние установленный на кожух вентилятор, который можно рассматривать как тело, помещенное в трубу или канал. Можно принять, что ступица вентилятора является телом цилиндрической формы с острыми краями. Данное упрощение обусловливается тем, что радиус на кромках ребер соизмеримо мал по сравнению с геометрическими параметрами ступицы, такими как диаметр и длина.
Коэффициент сопротивления в данном случае определяется по формуле
£
м
р-со 0
к
1 — т
к
1-
Д
1
Лз
О У
,(2)
о
где с1м - соответственно площадь (м2) и диаметр (м) сечения тела;
Сх- коэффициент лобового сопротивления тела; «-средняя скорость (м/с);
Т - поправочный коэффициент, учитывающий влияние формы тела и стеснения поперечного сечения трубы.
Прохождение воздушного потока через радиатор приводит к выравниванию средних скоростей по фронтальной поверхности. Но неравномерность поля скоростей приводит к увеличению сопротивления радиатора и снижению теплоотдачи.
Коэффициент аэродинамического сопротивления радиатора можно определить по формуле
Г =-
^ рад
2-АР
■V2
(3)
Рвозд
где АР - падение давления на радиаторе, Па;
р дозд - плотность воздуха, кг/м2;
V- средняя скорость потока по фронту радиатора, м/с.
Применение кожуха с полным охватом радиатора создает сопротивление движению воздушного потока из удаленных от вентилятора зон, снижая эффективность вентиляторной установки. Этот участок кожуха можно представить как внезапный поворот (рис. 1).
Расчет коэффициента аэродинамического сопротивления для внезапного поворота производится по упрощенной формуле
С = См+СТР. (4)
где С,тр - коэффициент трения; С, м- коэффициент
местного сопротивления поворота.
Установка клапанов на кожухе радиатора приводит к усложнению конструкции и аэродинамических процессов. В результате при набегающем потоке воздуха и открытых клапанах происходит разделение потока.
(5)
где С,зклдп - коэффициент сопротивления в зоне расположения клапанов;
С Суж _ коэффициент сопротивления в зоне сужения.
Для того чтобы оценить применение клапана, установленного на кожух с полным охватом радиатора, воспользуемся графиком зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления С, от скорости набегающего потока воздуха (рис. 2).
Сопоставляя между собой кривую 1 (кожух с минимальным охватом) и кривую 3 (кожух с установленным на него одним клапаном, в данном случае угол открытия клапана равен 90°), видим, что они практически идентичны. Поэтому можно с определенной уверенность говорить о том, что установка клапана максимально допустимого размера позволяет получить в открытом положении преимущества кожуха с минимальным охватом для определенного типа радиатора.
Уменьшение угла открытия клапана увеличивает коэффициент ^ , что приводит к снижению эффективности системы охлаждения из-за уменьшения расхода воздуха через вентиляторную установку. В результате снижается отвод тепла от поверхности радиатора. В закрытом положении характеристика кожуха совпадает с характеристикой кожуха с полным охватом (кривая 3).
Учитывая тот факт, что габариты подкапотного пространства ограничены и не позволят открыться клапану, чтобы эффективно использовать набегающий поток воздуха, возникает необходимость установки нескольких клапанов.
Для сравнения применения нескольких клапанов (в данном случае двух клапанов) с одним клапаном воспользуемся графиком зависимости коэффициента аэродинамического сопротивления С, от угла открытия клапана аа (рис. 3).
Из графика (рис. 3) видно, что использование двух клапанов увеличивает коэффициент С,. Причина данного явления заключается в том, что обтекаемый воздушным потоком клапан создает сопротивление движению воздуха. При этом происходит разделение потока. Но это может привести лишь к незначительному изменению сопротивления кожуха радиатора и мало скажется на эффективности работы системы охлаждения в целом.
Наиболее важным является тот факт, что открытие клапана более чем на угол в диапазоне 60° - 80° не приводит к изменению сопротивления кожуха.
В трудных дорожных условиях или в городском цикле движения автомобиля, когда набегающего потока воздуха недостаточно, включается вентилятор, основной задачей которого является прокачивание необходимого количества воздуха для отвода тепла от поверхности радиатора. Использование кожуха с частичным охватом радиатора сопровождается перетоком через свободную зону (не охваченую кожухом), что приводит к снижению теплоотдачи радиатора. Применение на кожухе кпапа-
Рис. 1. Схема разбиения кожуха радиатора на элементарные участки
нов, которые закрываются в момент включения вентилятора, позволяет обеспечить полный охват радиатора. В результате охлаждающий воздух прокачивается через всю поверхность радиатора. Это позволяет увеличить отвод тепла от поверхности радиатора.
2-3-4 5
» 1..Мижм&пьнЫЙ ■ 2..1р(тньш скЕйт. кожуха З..ИспспьзоЕйнке кзиий':; 1-г: нтагаша Г.-С гр'аД. сттфьггщ;
Рис. 2. Коэффициент аэродинамического сопротивления для разных типов кожухов
1 \ (к \ \
\ \ \ 4 ч X \Х __ 2 клала на
Г--
1 клапан
Рис. 3. Зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления от угла открытия клапана
Основываясь на изложенный материал можно предположить, что применение вентиляторной установки с клапанами на кожухе позволит достаточно эффективно использовать набегающий поток. Но установка клапанов на кожухе усложняет его конструкцию.
Синицын С.Н., Петров А.П. Курганский государственный университет, г. Курган
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ВОЗДУШНОГО ТРАКТА
СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ
При проектировании системы охлаждения конструкторы вынуждены проводить многократные эксперименты с целью ее доводки до требуемых характеристик. Это вызвано тем, что в настоящее время практически не существует определенных методик по аналитическому расчету и проверке системы охлаждения. Отсутствие таких методик обусловлено несколькими причинами:
- конструкции систем охлаждения предусматривают многообразие вариантов компоновки для различных автомобилей и двигателей (расположение и количество вентиляторов и воздухозаборных отверстий, степень охвата радиатора кожухом вентилятора, размеры и структура сердцевины радиатора и т.д.). Для большинства из этих вариантов требуется своя расчетная схема, что затрудняет создание единой методики;
- процессы, протекающие в системе охлаждения, достаточно сложны для их аналитического описания. Теплоотдача радиатора напрямую зависит от характеристик воздушного потока, проходящего через него. В то же время воздушный поток зависит от геометрических параметров воздушного тракта системы охлаждения. Течение воздушного потока через систему охлаждения является частным случаем движения газов и жидкостей по трубам (газо- и гидродинамика), для которого законы течения в достаточной степени изучены. Но воздушный тракт представляет собой столь сложную систему, состоящую из различных элементарных элементов (труб, колен, тройников и т.п.), что построение четкой картины течения воздуха по нему представляется затруднительным;
- во многих случаях проблема недостаточной эффективности системы охлаждения решается экстенсивным путем (за счет установки больших по площади радиаторов, большего количества или более производительных вентиляторов), т.е. за счет больших затрат энергии на работу системы охлаждения, а при таком подходе необходимости в какой-либо методике не возникает.
В то же время если бы была возможность аналитически рассчитать характеристики проектируемой системы охлаждения, тогда не только сократились временные (а соответственно и финансовые) затраты, но и удалось бы произвести оптимизацию системы охлаждения, то есть создать такую систему охлаждения, которая обладала бы наилучшей эффективностью при наименьших габаритах, массе и затратах энергии на ее работу.
Известно, что эффективность работы системы охлаждения во многом зависит от характеристик воздушного потока, протекающего через систему охлаждения. Поэтому для расчета системы охлаждения на первом этапе требуется определить, какой воздушный поток будет проходить через нее.
Для расчета воздушного потока была составлена математическая модель системы охлаждения с радиатором, одним вентилятором и кожухом вентилятора с неполным охватом радиатора. Такая компоновочная схема была принята как наиболее используемая в современных автомобилях (рис. 1). В данной модели с целью упрощения не рассматривалось влияние неравномерности скоростей потока на сопротивление элементов системы охлаждения.
