Расчетный анализ сопряжения "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра – блок цилиндров" двигателей КАМАЗ

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А."

Кафедра "Автомобили и автомобильное хозяйство"

РАСЧЕТНЫЙ АНАЛИЗ СОПРЯЖЕНИЯ "ВЕРХНИЕ ПОСАДОЧНЫЕ ПОЯСА ГИЛЬЗЫ ЦИЛИНДРА - БЛОК ЦИЛИНДРОВ" ДВИГАТЕЛЕЙ "КАМАЗ"

Денисов Александр Сергеевич

Снарский Сергей Александрович

Гафиятуллин Асхат Асадуллович

Швецов Игорь Александрович

г. Саратов

Аннотация

Статья посвящена тепловым расширениям цилиндропоршневой группы форсированных двигателей КАМАЗ и путям их снижения.

Ключевые слова: цилиндропоршневая группа, форсированный двигатель, тепловые расширения.

The article is devoted to the thermal extension of the cylinder-piston group uprated engines KAMAZ and ways of reducing them.

Keywords: cylinder-piston group, uprated engines, thermal expansion.

Форсирование двигателей неизбежно приводит к повышению их тепловой напряжённости. Это необходимо учитывать при расчёте сопряжений гильзы и блока цилиндров, так как это вызывает наличие высокого давления картерных газов, выброс масла через систему вентиляции картера в атмосферу.

А. Известные размеры и параметры (рис. 1):

1. мм (R7) - диаметр верхнего посадочного пояса гильзы цилиндра, по КД 740.30-1002021.

2. мм (Н 7) - диаметр верхнего посадочного пояса блока цилиндров, по КД 740.21-1002015.

3. - температура верхнего посадочного пояса гильзы цилиндра при работе двигателя на номинальном режиме, определена способом применения плавких оловянно-свинцовых свидетелей.

4.- температура верхнего посадочного пояса блока цилиндров при работе двигателя на номинальном режиме, по данным НТЦ ОАО "КАМАЗ".

5. - температура окружающей среды.

6. - коэффициент теплового линейного расширения чугуна, для блока цилиндров в интервале 20 - 100°С.

7. - коэффициент теплового линейного расширения чугуна, для гильзы цилиндра при > 100°С.

*Примечание: при назначении коэффициента теплового линейного расширения б·10^-6 воспользуемся данными, приведенными в [1].

Рис.1. Конструкция установки "гильза цилиндров - блок цилиндров": 1 - блок цилиндров (звено); 2 - гильза цилиндра (звено)

Б. Определить:

1. - наименьший и наибольший зазоры в сопряжении "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блока цилиндров" без учета факторов, влияющих на изменение звеньев размерной цепи во времени, т.е. на "холодном" двигателе.

2. - наименьший и наибольший зазоры в сопряжении "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блока цилиндров" c учетом факторов, влияющих на изменение звеньев размерной цепи во времени, т.е. на "горячем" двигателе.

Решение:

1. Определяем зазоры в сопряжении у "холодного" двигателя:

2. Определяем Ш верхнего посадочного пояса блока цилиндров при температурном расширении:

= + 137,5 мм ·

· 1

= + 137,54 мм ·

· 1

3. Определяем Ш верхнего посадочного пояса гильзы цилиндра при температурном расширении:

= + 137,41 мм · ·

1,2

= + 137,45 мм ·

·1,2

4. Определяем зазоры в сопряжении "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блока цилиндров" у "горячего" двигателя:

Из приведенного расчета следует, что в сопряжении "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блока цилиндров" при работе двигателя на номинальном режиме вместо зазора имеет место натяг. Величина наибольшего натяга д = 0,137мм.

При размерах по КД:

d = мм - у гильзы цилиндра; D = мм - у блока цилиндров

в сопряжении "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блока цилиндров" - у "холодных" двигателей зазоры составляют:

= 0,13 мм;

- у "горячих" двигателей натяги составляют:

= 0,137 мм.

Если взять среднее значение относительного натяга, определяемого отношением натяга к номинальному диаметру, в этом случае к номинальному диаметру верхнего посадочного пояса сопряжения "гильза цилиндра - блок цилиндров", т.е. 0,137 мм: 137,5 мм = 0,001, то такие посадки называют прессовыми тяжелыми. Примером таких соединений могут служить: вагонные колеса на осях, посадка несъемных муфт на валу ротора больших синхронных машин, посадка пальца в шейку коленчатого вала, посадка втулки в головку шатуна тракторного двигателя.

В этом сопряжении натяг получился при неблагоприятном сочетании допусков диаметров верхних посадочных поясов блока цилиндров и гильзы цилиндра, так как при их назначении не были учтены их температурные расширения.

При этом исключается попадание охлаждающей жидкости в зоны центрирующего пояса гильзы цилиндра и выше, эти зоны имеют высокое термонапряженное состояние, при котором отсутствует теплоотвод от поршневых колец в гильзы цилиндров.

Существенное влияние на долговечность и надежность двигателей внутреннего сгорания, их предельно допустимое форсирование и экономические показатели оказывает монтажная (образовавшаяся после сборки двигателя) макрогеометрия основных несущих деталей. Это, в первую очередь, детали цилиндропоршневой группы, и особенно гильза цилиндра.

Появление же натяга в сопряжении "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блока цилиндров" вызывает резкое увеличение деформаций гильзы цилиндра в дополнение к ее монтажным деформациям. Такое резкое увеличение деформаций гильзы цилиндра впоследствии может стать причиной задиров деталей цилиндропоршневой группы, разрушению бурта гильзы, чрезмерных прорывов газов из камеры сгорания двигателя между гильзой цилиндра и поршневыми кольцами в картер двигателя с выбросом масла через систему вентиляции картерных газов в атмосферу.

Для более детального изучения напряженного состояния деталей сопряжения "верхние посадочные пояса гильзы цилиндра - блок цилиндров" двигателей КАМАЗ необходимо знать температуры деталей этого сопряжения.

На первом (предварительном) этапе измерения температуры деталей этого сопряжения можно использовать способ оценки температурного состояния верхнего посадочного пояса гильзы цилиндра с использованием свидетелей из оловянно-свинцовых припоев по ГОСТ 21930-76. Минимальная температура плавления (183,3°С) достигается при 61,9 %Sn.

На рис. 2 приведена конструкция установки свидетелей из оловянно-свинцовых припоев, конкретно - припой ПОС - 61, на верхнем посадочном поясе гильзы цилиндра. Характеристики этого припоя занесены в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав, температура плавления и область применения оловянно-свинцового припоя ПОС-61

Для более полного представления о температурном поле верхнего посадочного пояса гильзы цилиндра при номинальных режимах работы двигателей КАМАЗ, плавкие свидетели Ш2 мм установлены по 8 шт. в 2 яруса. На верхнем посадочном поясе гильзы цилиндра в каждом ярусе выполнены канавки шириной 2 мм, глубиной 1 мм, выполняющие роли карманов для вытекания припоев из гнезд.

Критерием оценки температурного состояния верхнего посадочного пояса гильзы цилиндра на номинальных режимах работы двигателя КАМАЗ являются температуры начала плавления или полного выплавления оловянно-свинцовых свидетелей из запрессованных гнезд.

* Размеры для справок

Рис. 2. Эскиз установки свидетелей из припоя ПОС-61 на верхнем посадочном поясе гильзы цилиндра: 1 - гильза цилиндра; 2 - свидетели из оловянно-свинцового припоя

На Заводе двигателей были доработаны 2 гильзы цилиндров с установкой на них свидетелей из оловянно-свинцовых припоев для проведения стендовых испытаний на двигателе КАМАЗ-740.354-450. После проведения моторных испытаний и снятия опытных гильз цилиндров из блока цилиндров установлено: на опытной гильзе цилиндра, установленного на 4-м цилиндре блока цилиндров, произошло оплавление 2 свидетелей из оловянно-свинцового припоя ПОС-61 (рис. 3). Двигатель на режиме номинальной мощности работал в течение 2 мин.

Рис. 3. Участок верхнего установочного пояса гильзы цилиндров с вмонтированными втулками (свидетелями) после моторных испытаний: 1 -свидетели, сохранившиеся без оплавления; 2 -свидетели со следами начала оплавления

Следовательно, на верхнем посадочном поясе гильз цилиндров двигателя КАМАЗ-740.354-450 (Тайфун) зафиксирована температура 183°С - начала плавления припоя ПОС-61 ГОСТ 21930-76.

Поэтому, для снижения температуры рабочей поверхности гильзы цилиндра, (она выше 183°С), способствующей повышению теплоотвода от верхнего компрессионного поршневого кольца высокофорсированного двигателя, необходимо предусмотреть принудительное охлаждение зоны гильзы цилиндра, в которой оказывается верхнее компрессионное кольцо при его нахождении в зоне верхней мертвой точки. Конструкция опытной установки гильзы цилиндра в блоке цилиндров приведена на рис. 4.

Рис. 4. Эскиз опытной установки верхней части гильзы цилиндра двигателей "КАМАЗ" с организованным охлаждением: 1 - блок цилиндров; 2 - гильза цилиндра; 3 - охлаждающая жидкость

Эскиз верхней части опытной гильзы цилиндра приведен на рис. 5.

Остальные размеры по чертежу серийной гильзы цилиндра.

Рис. 5. Опытная гильза цилиндра двигателей КАМАЗ

Заключение

двигатель форсирование тепловой напряженность

Для уточнения результатов расчетов, повышения и подтверждения предлагаемой модели прорыва газов, расхода масла и деформаций верхнего поршневого кольца, а также формулирования окончательных рекомендаций, необходимо провести стендовые испытания двигателя с термометрированием гильзы цилиндров; с измененной посадкой гильзы в блок цилиндров; анализ монтажных напряжений и деформаций гильзы цилиндров от величины затяжки газового стыка и учесть эти деформации в окончательном расчете.

Литература

Справочник машиностроителя: в 6 т. / под ред. Э.А. Сатель. - М.: Машиностроение, 1964. - Т.3. - 540 с.

Григорьев М.А. Износ и долговечность автомобильных двигателей / М.А. Григорьев, Н.Н. Пономарев. - М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

Гурвич И.Б. Износ и долговечность двигателей / И.Б. Гурвич. - Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1970. - 176 с.

Гурвич И.Б. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей / И.Б. Гурвич, П.Э. Сыркин, В.И. Чумак. - М.: Транспорт, 1994. - 144 с.

Денисов А.С. Основы формирования эксплуатационно-ремонтного цикла автомобилей / А.С. Денисов. - Саратов: СГТУ, 1999. - 352 с.

Авдонькин Ф.Н. Теоретические основы технической эксплуатации автомобилей / Ф.Н. Авдонькин. - М.: Транспорт, 1985. - 215 с.

Авдонькин Ф.Н. Текущий ремонт автомобилей / Ф.Н. Авдонькин. - М.: Транспорт, 1978. - 269 с.

Денисов А.С. Обеспечение надежности автотракторных двигателей / А.С. Денисов, А.Т. Кулаков. - Саратов: СГТУ, 2007. - 423 с.

Размещено на Allbest.ru