CC BY
27
УДК 621.432.3
Д-р техн. наук А. В. Белогуб
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», г. Харьков
УТОЧНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА ПРОФИЛЯ ЮБКИ ПОРШНЯ
В работе проведен анализ деформаций юбки поршня для различных режимов работы двигателя от давления в цилиндре, боковой силы и силы инерции при различных смещениях пальцевого отверстия и центра тяжести поршня. Показано, что инерционная составляющая практически не влияет на суммарную деформацию юбки, и практически равное влияние оказывают боковая сила и давление, причем наиболее существенно на деформацию юбки влияет смешение пальцевого отверстия. Показано, что максимальные деформации будут запаздывать относительно максимального давления цикла на 2...6 градусов поворота коленчатого вала.
Ключевые слова: Двигатель внутреннего сгорания, поршень, юбка поршня, профиль, деформации.
Введение
Предлагаемые разными авторами методики профилирования юбки поршня [1—3] в том числе и предложенная автором в [4], учитывают тепловое и силовое нагружение. По тепловому нагруже-нию принципиальных отличий в подходах к профилированию практически нет, но учет силового нагружения трактуется по-разному: поршень в максимально нагруженном состоянии находится в определенной фазе по углу поворота коленчатого вала (п.к.в.) При этом, как правило, эта фаза соответствует максимальному давлению в цилиндре или максимальной боковой силе с учетом режима по внешней характеристике. Автором в [4] предложено определять деформации от теплового нагружения на режиме максимальной мощности, а силовые деформации — на режиме максимального момента при максимальном давлении в цилиндре. Естественно, что реальный профиль должен быть один для всех режимов работы, и двигатель с таким поршнем должен пройти тест на «беззадирную» работу двигателя.
Современные тонкостенные поршни бензиновых двигателей выполняют несимметричными: с разными площадями опорных площадок юбки на «нагруженной» и «не нагруженной» стороне; смещением центра масс (ЦМ) и оси пальцевого отверстия (ПО) относительно оси поршня с целью снижения механических потерь и шума двигателя. В связи с вышеизложенным особый интерес представляет анализ деформаций поршня от силового нагружения в зависимости от режима работы и фазы цикла (угла п.к.в) и выработка рекомендаций для выбора схемы на-гружения поршня при решении задачи профилирования с применением САО/САМ/САЕ пакетов.
Цели исследования, постановка задачи
Решение представленной выше проблемы состоит в нахождении режима работы ДВС и фазы цикла, при которых деформации от силовых воздействий будут максимальными. Целью работы является уточнение условий силового нагруже-ния поршня, и проведение численного эксперимента по определению влияния силовых факторов на деформацию юбки поршня с учетом конструктивных факторов, таких как смещение пальцевого отверстия и смещение центра масс. В статье под «деформацией» будем понимать абсолютное отклонение размера.
Описание работы и результаты исследования
Поршень в процессе работы нагружен силами давления газов со стороны камеры сгорания и со стороны картера, силой инерции и реакциями от стенок цилиндра. Тонкостенный поршень бензиновых двигателей рассчитывается на работу в области упругих деформаций. Действие сил и реакций на деформацию юбки будем рассматривать отдельно. На рис. 1 представлена схема нагружения поршня внешними силами. Зная текущие значения давления ргаз и ускорения у, и решив совместно уравнения статического и динамического равновесия, можно определить текущие реакции N и N2. Необходимо также учесть геометрические (смещение пальцевого отверстия а, смещение центра тяжести Ь) и массовые параметры поршня, пальца и поступательно движущейся массы шатуна для корректного определения силы N Необходимо, также, назначить из конструктивных соображений плечи /1, ¡2 приложения реакций N1, N2. Для расчета N1 и N2 разработано программное обеспечение [5], которое широко использовано при проектировании поршней ПАО «АВТРАМАТ» [6].
© А. В. Белогуб, 2015
В качестве объекта исследования выбраны два поршня (рис. 2) - ВАЗ-21083-1004015 (двигатель ВАЗ-21083, разработка 80-х годов ХХ столетия) и ВАЗ-11194-1004015М-У (двигатель ВАЗ-11194, разработка 2011 года).
Рис. 1. Схема силового нагружения поршня: ргаз — давление в цилиндре, рк — давление в картере, У — ускорение поршня, N — реакция от поршневого пальца на бобышку, N1, N2— реакции со стороны цилиндра на юбку, /1, /2 — плечи приложения реакций, а — смещение пальцевого отверстия, Ь — смещение центра тяжести
Рис. 2. Трехмерные модели поршней, выбранных для исследования: а - ВАЗ-21083; б - ВАЗ-11194 М-У
Давления в цилиндре рассчитаны в комплексе «Дизель РК» [7] для каждого исследуемого режима.
Геометрические и массовые параметры поршней и других деталей приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Основные геометрические и массовые параметры выбранных для исследования поршней
21082 ВАЗ-11194
Диаметр поршня, мм 82 76,5
Смещение ПО и ЦМ (из чертежа), мм 1,2 0,8
Масса поршня, кг 0,351 0,214
Масса пальца, кг 0,11 0,07
Расстояние /ь мм 11 10
Расстояние 12, мм 5 4
Расстояния /1, /2, (плечи приложения сил) выбираются произвольно, исходя из геометрических возможностей. Практика проектирования показала, что для расчетов желательно использовать как можно большую поверхность юбки. При этом не возникает локальных зон с высокими напряжениями при моделировании напряженного состояния, и профили, получаемые при проектировании, работают без проблем. На рис. 3 показаны графики реакций N1 и N2 для поршня ВАЗ-21083 и различных смещений ПО и ЦМ. Из рис. 3 а, б (и других расчетов) видно, что смещение ЦМ практически не влияет на величину и характер реакций, в то время, как изменение смещения ПО существенно влияет как на характер, так и на величину реакций. Приведенные здесь-же графики изменения плеч приложения реакций показывают существенное влияние на них смещения ПО. По мере уменьшения смещения максимум боковой силы смещается от 371° до 384° п.к.в. (ВМТ — 360° п.к.в.), но и плечо приложения этой силы также изменяется от 11 мм до нуля, что учтено при расчете деформаций.
На рис. 4 показаны графики реакций N1 и N2 для поршня ВАЗ-11194 при различных частотах вращения. Показано, что вблизи ВМТ характер и значения реакций практически не изменяются.
Для моделирования деформаций от действия переменных по величине силовых воздействий (ргаз,р, N1 и N2) и переменных мест приложения реакций (/1, и /2,) был проведен численный эксперимент с твердотельными моделями поршней ВАЗ-21083 и ВАЗ-11194 (рис. 2) для определения удельных деформаций от каждого из влияющих воздействий. В качестве примера на рис. 5, а—в показан характер деформаций поршня ВАЗ-21083 от: а — давления: б, в — боковой силы N1; г — ускорения. Исследования показали, что деформации от реакции N2 практически не передаются на юбку поршня, что позволило исключить их из дальнейшего анализа. В дальнейшем под деформациями юбки поршня следует понимать изменение диаметра в ее нижнем поясе. 8газ= 0,0219 ргаз, мм/МПа, 8М=(0,000117 /^-0,00151 11+0,0412) ^ мм/Н, 8у=-1,094е-6 у, мм/(м/с2), где 8газ, 8у — деформации от давления, боковой силы и ускорения соответственно; у — ускорение поршня;
для поршня ВАЗ-11194:
8газ = 0,0134 ргаз, мм/МПа,
8М=(0,000393 /^-0,00075 /1+0,0206) мм/Н,
8-=-5,77е-7у, мм/(м/с2).
Суммарная деформация юбки 8у:
8 У = 8газ+8аМ + а8у
На рис. 6, 7 приведены графики деформаций поршня ВАЗ -21083, а на рис. 8, 9, 10 и 11 — поршня ВАЗ-11194.
б
а
б
а
Рис. 3. Графики изменения реакций Л1 и Л2 и плеч приложения этих реакций по углу поворота коленвала при п — 2000мин-1 (поршень ВАЗ-21083): а - смещение ПО - 1,2 мм, смещение ЦМ - 3 мм; б - смещение ПО и ЦМ - 1,2 мм; в - смещение ПО и ЦТ - 0,25 мм; г - без смещения
в
г
Рис. 4. Графики изменения реакций Л1 и Л2 и плеч приложения этих реакций по углу поворота коленвала при смещении ПО и ЦМ на 0,8 мм (поршень ВАЗ-11194): а - п — 2000мин-1; б - п — 5000мин-
Рис. 5. Характер деформации поршня ВАЗ-21083: а - от давления, б - от боковой силы Ы1 при /1 = 11 мм, в - от боковой силы Ы1 при /1 = 0,0 мм; г - от ускорения (силы инерции)
Рис. 6. Суммарные деформации юбки поршня ВАЗ-21083 Рис. 7. Деформации юбки поршня ВАЗ -21083 от газовых при изменении смещения ПО и ЦМ (п = 2000 мин-1): 1, 4 - на (график 1), боковых (график 2), инерционных (график 3) 1,2 мм, 2 - на 0,8 мм , 3 - без смещения (п = 5000 мин-1) и суммарных воздействий (график 4) при п = 4000мин-1 и
смещении ПО и ЦМ - 1,2 мм
Рис. 8. Суммарные деформации юбки поршня ВАЗ-11194 при изменении смещения ПО и ЦМ на: 0,8 мм (графики 1, 4);
0,4 мм (графики 2) и без смещения (графики 3,5). Графики 1,23 -11 =2000 мин-1; графики 4,5 -п = 5000 мин-1
Рис. 9. Деформации юбки поршня ВАЗ-11194 от газовых, боковых, инерционных и суммарных воздействий при п = 2000 мин-1, смещения ПО и ЦМ -0,8 мм. Обозначения графиков как на рис. 7
.) ГО
-4
1
/
380 400 420 440 460 Угол поворота коленвала, град
340
380 400 420 440 460 Угол поворота коленвала, град
Рис.10. Деформации юбки поршня ВАЗ-11194 от газовых, инерционных и суммарных воздействий, п = 2000 мин-1, без смещения ПО и ЦТ. Обозначения графиков как на рис. 7
Рис.11. Деформации юбки поршня ВАЗ-11194 от газовых, боковых, иннерционных и суммарных воздействий, п = 5000мин-1, без смещения ПО и ЦТ. Обозначения графиков как на рис. 7
б
а
в
г
Анализ деформаций юбки поршня показывает, что основное влияние на их величину оказывает «противошумное» смещение ПО. Деформации, ожидаемо, минимальны при нулевом смещении. Частота вращения (ускорение поршня) в исследуемой области режимов - практически не влияет на деформацию в ее максимальных значениях по углу п.к.в. Максимальные деформации по углу п.к.в. от давления газов в цилиндре, естественно, соответствуют максимальному давлению, а от боковой силы - смещаются в сторону более поздних углов с уменьшением смещения ПО и ЦМ (рис. 9, 10). При этом для рассматриваемых примеров максимумы суммарных деформации смещались на 26 п.к.в. по повороту вала относительно максимального давления на 2-х совершенно разных по конструкции и размеру поршнях. В тоже время, величины максимальных деформаций, при уменьшении смещения от указанного в чертеже до нуля, уменьшаются практически в два раза.
Выводы и рекомендации
1. Максимальные деформации юбки тонкостенного поршня бензинового двигателя будут на режиме, при котором давление в цилиндре будет максимальным. При этом скоростной режим не вносит сколько-нибудь существенных поправок для рабочих диапазонов скоростных режимов.
2. Угол поворота коленчатого вала, при котором необходимо выбирать силовые условия на-гружения, находится на 2 6 п.к.в. после достижения максимального давления цикла.
3. Суммарные деформации от всех совместно действующих факторов меньше, чем сумма их максимальных значений, что позволит рассчитывать поршень с меньшим запасом по эллипсу.
4. При проектировании следует учитывать положительный допуск на размер смещения пальцевого отверстия ввиду его существенного влияния на деформацию юбки.
5. Профиль поршня для спортивных модификаций штатного двигателя (без смещения ПО) должен отличаться от серийного.
Список литературы
1. Профилирование юбок поршней : научное издание / [ Б. Я. Гинзбург, Г. Я. Васильченко, Н. С. Судойский, И. А. Цимеринов]. — М. : Машиностроение, 1973. — 89 с.
2. Рождественский Ю. В. Современные конструкции поршней для тепловых двигателей : учеб. пособие / Ю. В. Рождественский, К. В. Гаврилов; Мин-во образования и науки Российской Федерации, Южно-Уральский. гос. Университет. — Челябинск : Изд-во ЮУрГУ,
2009. - 50 с.
3. Маслов А. П. Повышение технического уровня дизелей оптимизацией геометрических параметров поршней : дис. канд. техн. наук : 05.04.02 / Маслов Андрей Петрович. — Мин-во образования и науки Российской Федерации, Южно-Уральский. гос. Университет. — Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 1999. — 158 с.
4. Белогуб А. В. Способ оптимизации профиля боковой поверхности поршня ДВС Пат. 2256897 Российская Федерация, МПК7 G01M15/00/ Белогуб А. В. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «АВТРАМАТ». — № 2003134825/28 ; заявл. 02.12.2003 ; опубл. 20.07.2005, Бюл. № 20.
5. Белогуб А. В. Геометрические и силовые граничные условия при анализе напряженно-деформированного состояния поршней методом конечных элементов / А. В. Белогуб, А. А. Зотов, М. А. Максимова // Двигатели внутреннего сгорания. — 2013. — № 2. — С. 70—75.
6. Белогуб А. В. Поддержка жизненного цикла тонкостенных поршней ДВС на основе технологии интегрированного проектирования и производства / А. В. Белогуб // Восточноевропейский журнал передовых технологий. —
2010. — № 3. — С. 27—40.
7. Программный комплекс ДИЗЕЛЬ-РК [ Электронный ресурс] — Режим доступа: http:// www.diesel-rk.bmstu.ru/Rus/
Поступила в редакцию 02.04.2015
Белогуб О.В. Уточнения napaMeTpiB силового навантаження для розрахунку профшю юбки поршня
Вpo6omi проведено аналiз деформацш юбки поршня для pi3Huxрежимiв роботи двигуна eid тиску в цuлiндрi, eid 6iHmi сили i сили терцн при рiзнux змщеннях пальцевого отвору i центру мас. Показано, що терцшна складова практично не впливае на сумарну деформа-щю юбки, а приблизно рiвнuй вплив мають бiчна сила i тиск, причому найбльш стотно на деформацт юбки впливае змщення пальцевого отвору. Показано, що максимальш сумарш деформацн будуть затзнюватися щодо максимального тиску циклу на 2...6 градуЫв повороту колтчастого валу.
Ключовi слова: двигун внутршнього згоряння, поршень, юбка поршню, профыь, деформацн.
Belogub A. Clarification of parameters of power ladening for calculation of profile of skirt of piston
The paper addresses the analysis of piston skirt strains at different operational modes. Piston skirt is considered to be acted by gas forces in combustion chamber and crankcase, wall force and inertia at different piston center of mass and piston bore offsets. The analysis has shown that inertia does not make any considerable effect, wall force and gas forces affect to the same extent. The piston bore offset plays the key role in piston skirt strains. The total maximum strains lag from maximum pressure crank angle for 2...6 degrees.
Key words: combustion engine, piston, skirt of piston, profile, deformations.
