автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование конструкции поршня бензинового двигателя на основе математического моделирования динамики его движения в цилиндре в слое смазки

ГЬмитот по Elf CM 3 ¡коло мкпютвгстго гауки,

ЕнсзаЗ сколы л теиспиокоЗ волптггл ГоосаЛскоЗ Ссдвроцяя

ЦОСЮВСКАЯ Г0СУДАРСТВЕШШ1 А ШВЕЯ АБТОЖЫЬШГО И ТРАКТОРНОГО КА1!22!0СШ)ЕНИЯ.

ПГЛБПХ РУЕОЯИОЯ ' удк 62I.'í35-2''.2

ЩИЛЬ

■ совЕгазюткшиз констру ищи поташ ¡Eíi3'.;¡aicro ДБ',!ГАТЕЛЯ НА ОСКЭЗЗ !/ATE?/-\T:í4ECKDrO «ОДОИГОВЛ£!Я

его дшзешя в щлжре з слое с

Споют лыгость С5.С4.02 - Тепловие деигатюд: • • ' '

АЗТОГЗ Í3PAT ;. .

.зазспртацга на coxcKsin» упеазЗ стег.як:: кягц^кзгэ технэтесют паук

Москва - 1ЭЭЗ

Работа вшолпена па ка{эдре "Автсмобяльшда я тракторшэ двигатели" Цосковско2 государственной академии аатоыо-Йальпого к тракторного каспностроения

Научшй руководитель - к.т.н., доцент, Макаров А.Р.

Официальные оппонопта - доктор технических наук,

профессор Чайнов Н.Д., кандидат технических наук, доцент Кокеров Л.О.

Ведущее предприятие - ЕНКИотопрсы (г. Серпухов)

Занята диссерта151к состоится " ^ " 1*ио«Д. ХЭЗЗ г. в {1\ часов на заседании специализированного Совета К 063.<19.01 по присуждении учёкоЗ степени кандидата технических наук по • адресу: 1С5023, Москва, ул. Б.Семёновская, д. 38, ауд. Б-301.

■ С диссертацией можно озна!:шп.ться в библиотеке института.

Просим Ваши отз!£Б1» на автореферат иапрешлять в двух экземплярах, заверенных печать», по указанно^ адресу на имя • учйного секретаря специализированного Совета.

■ Автореферат разослан 1993 г.

УчШпЛ секретарь спецнализиррвшшого Совета • кандидат технических наук, доцент . (у^ 5авьялов

• оеиая характеристика palo ш

^ктташгосгь ппйог:. Досгсхепго сксокас тогаппсо-экопо-icnocKKX показателей двагагелеЭ внутреннего сгорангя (ДОС), обоспочохпо.шс конхурептосяособаост2 на иярозо» ршхо требует ттцатслшсЗ отработки конструкцп! как двигателей а целей, тая. а 2Х отяслшцх узлоя и деталей. К 4zwj назболео.отзотствеи->агс, нагругешазс доталеЗ двигателей следует .огаестя. з перауп очередь» поренг. Это обуслаалааает больгаЗ объеа работ гай теоротэтсского, так а экспоргиентальяого зла:», лаиразленнкх... -па асследозанзо. теплового я -апряу.сипо-дсфор^рсnaviero состсл-¡г.'Л портасЗ. зэучашзо дзнахна двггыгся поршя в цглждуре 2 профг-ларованзоего иалравлящоЗ часта, Однако, но seo а дан-к.тс допросах ясно s однозначно резню, особенно ото гдсаогся порпгаЗ-бкстроходшас бензпзовше дзггателсЗ. Еисочзо частота -Bpa^enw колепчагк валоз бензиаозкг дв::гателс2 крззодят s го-. витапст скоростг егалыокк порпня. з^тгодра. что з совокупности с ¿¿плкиз зазорам з с-зоргаезоЗ rpysso уяслпчгаает склонность к згдярзу :: зат2рам пгпрааляигоз частя .воргигг.. Это ícsisaer. трвбоаапзл. х точностз гибора озально-боч-кообразпгго профуля зор^гл,. глториЗ. дсазан по только обесгя-тать кс^енсадо^дефоруацд:. от. деЗсЕзак.текссвоЛ з уохагзчо-ской. нагрузокjr.Tea ссгагл, уаелзчэть площадь контакта трурк-(vi. поверхностей, но." а создать нагболоо блггезрзятнно усдозгя дум. существования гкхду зоргпем 2.. далавдрег «асляиото eses, .0!1бсичечлпап;ега.зед!:оеп1о2.2ара2тор rpesai. Pcschzú отоЗ задач-.: oínorar.crcn.r.oroniKi'íiirj без учета особенноетоз давали дазжекяя зергзя в с-"гпдро,.. Длл..бенз21:оз1К дзкгателоЛ удезе-пво закопсмерпсстсЛ .зореьхгянзЗ зерли з з^дзндро за^рудаотса гяойходнмостьп учета упруга дефзраачаД непразлязсдаЗ часта

с

- 2 -

* ш '

'поршня, вызванных превызовдем теплового расшяреши поршня теплового расвярензя цкливдра в монтажного зазора мевду юши.

Цель работы. Совершенствование натеиатяческоЗ ыодоли д шш двихеваа поршня бензпиового двигателя в цалиддро в слое саззкл. с учетом деформадай поршня от тепловоз и мехаиг- . ческоЗ нагрузок. Проведение на ыатеаатвчоскоЗ цодоли пссявдо-ванаЗ влгяния различных параметров конструкты поршня (сааль-■но-бочкообразнаго про$кля юбки,,эксцентриситета расположения поршневогопалыш, величины монтажного зазора в др.) на работоспособность цгливдро-поршневоЗ .грушш и определено на этоЗ основе путей улучшения технико-экономических псказатолеЗ дви-гателёЗ.. .. -----...

■Нстодц нсслсдорангд.. В.работе .использовались расчетные п экслсршонтальные метода доследования. Расчетное методы вплзчали з себя численное. модешрозгнпо на 3EJ условгЗ двихо-Ю!я поршня в цилиндре.при различных вариантах его конструкция, a. raxzc аналитический расчет, теплового состояния ибо;: поршнеЗ. . .Экслеримектйлшые ::смедоваапя.::::иаа:Елись на полно-, размерном двигателе 3M3-Î02.I0 с комплектами различна по конструкции.поршноВ.. . '....'.Научная новизна.' Произведено, уточнений матокаткчсскоЗ модели динамики.движения поршня в цг.лнндрс и слое смазки па ! •осново.соЕмесхного.рсшеипя уравнений гаюш а эластогсдроди-наиичоскоЗ задача трения в цгяиндро-яорслезоЗ группе а нсизо-. торкическоЗ.постановке. На основе учета теиюсадслсигл от ' трения произведших уточнение аналитического ызтеда расчета теплового состояния вбок поранеЗ. Разработана гее година про-бочкообразных поршнзЗ с пороисгаюЗ по высота

ОВаЛЬНООТЬ» ЮЙКп.

Личноэ участие автора . выразилось в непосредственно« участии в разработке матоыатической подели динамики движения портя в цилИадре, в аналитическом исследования теплового состояния юбок поршеЗ, а также во всем комплексе расчетных а экспериментальных исследований я обработке я анализе полученных результатов.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель позволяет на стадия проектирования и доводки двигателей оценить влияние конструктивных элементов поршня на условия его смазывания и гидродинзчлические характеристики трения вцилиндре, уточнить геометрический профил. порея, наметить пути соэерпен-ствования его конструкции. В результате работа создан поршень с переменной по высоте овальностью юбки, обеспечивающий более . равномерное распределение толщин масляного слоя между поршнем и цилиндром и, как следствие, снижение расхода масла на угар.

Реализация работа. Теоретические и практические разработки, вшюлненше в диссертации, использованы в хоздоговорных и госбвджетнкх научно-исследовательских работах кафедры "Автомобильные и тракторные двигатели" 1ШИ, 2шголняе.\ых по заданиям предприятий отрасли...

Достоверность и обоснованность выводов, сформулированных в диссертации, 'подтверждены результатами экспериментальных исследований двигателя 31.3-402.10. Применявшиеся контрольно-измерительные приборы, и аппаратура отвечали современным метрологическим требованиям и обеспечивати необходимую точность измерения в полном соответствии с требованиями деЯствухцаго ГОСТ 14846-91 "Двигатели автомобильные. Метода стендовых испытаний"

Публикации. . По теме диссертации опубликовано 2 статьи.

• . Структура д оЗье?.* работы. Диссертация состоит из введения", четырех глав а ггрллокенпя. Она иалогена на 32. страницах иашноппсного текста, содержит Цг рисунков. Список лдтера-ратуры включает РЗ назва!Шй.

ССДЕКИШЕ РАБОТЫ

.. Во язвлении обосновывается актуальность темы диссерта-.цнп, на .основании предварительного краткого анализа условий работы порсней бензиновых двигателей определяется цель исследований. Отмечаются возможности математического моделирования для проведения целенаправленных работ по совершенствовании • инструкции поршневой группы.

. . В первой главе приводится анализ литературных источников, рассматриваадих методики профилирования. юбок поршней двигателей внутреннего сгорания, а такке работ, посвященных исследованию динамики двигенкя поршня в цилиндре.

Первой работой, ставшей классической, посвященной теоретическому обоснованна выбора овйльно-бочкообразного профиля-поршня, является работа проф. Гинцбурга Б.Я. Исходя из дефор-' мацрй юбка, обусловленных се .температурным полем и действием ■на поршень нормальной- силы, в этой* работе производится выбор профиля поршня в продольном к поперечном сечениях.

Большой вклад в изучение проблемы префиксования и создания методах выбора профиля поршня, учитывающих уха гидродинамическое смазывание вбок поргыеЗ, внесли Рык -Г.1,1. »Есховцев А.О., ЦутиицевС-В .Рогов о.м , Никитин Ю.Н.п ряд других исследователей. Однако большинство исследователей резало эту задачу дог поршней дизелей,рабоюпцкх а условиях наличия ме^ду поршнем я

й

цилиндром гарантированного теплозого зазора в рабочем состоянии. Причем, при выполнении гидродинамического анализа поршень принимался как абсолютно жесткое тело. порчей бензиновых .двигателей, установленных в цилиндр с минимальными зазорами, гарантированный зазор на большинство ре-^имоз работы двигателя от -сутстзует, и поркень мояет выполнять свои функции только благодаря упругой податливости юбки. Разработке методики профилирования порзкей бензпюзых двигателей на основе компенсадаи теплового расгарежи поршней и гидродиаа.\шческого характера трония посвящена работа Улкарова А.?. Дальнейшее развито эта идея по-, лучила в работе Смирнова С.Б., ко-хорый на основе современных методов расчета выполнил решение задачи о трении поргня в цилиндре с учетом его деформаций под действием тепловой нагрузки, и гидродздаютеских реакций масляного моя. Критерием выбора профиля поршш у.него являлась ганглолькая толдша масляного слоя, обеспечивавшая гшдкостной характер тршшя. Однако толщина масляного слоя определялась игл без учета возмоашх углов наклона порсня в цилиндре, то есть но полной мере били отражены сспро-сы динамики двоения портя.

' . ¡^следование;.: закономерностей плоскопараллельного движения порхня в цилиндре закллались (.зогио ученые как в России, так и за ео пределами. ;,!ошо о г.'.стать работы КерчерчБ.!«!., Панкрато - • вой Н.П., ¡(¡иронова Г.И., Аллабсргенова М.Д.» Никишина B.R.-, РыкаГЛ., "д;!етА., JTeücepa?. и ряда других исследователей. Анализ публикаций показал, что ллпь немногие авторы связывала задачу о динамике движения порпгя с гидродинамической задачей трения в цзлицдро-перпневой группе и что имеются липь единичные исследования, где эти задачи решаются с учетом упругих деформаций порпш. Здесь моето привести только работы 0, Ли и Генка, а такжо послед-

hzo работы, выполненные в Московском автомеханическом институ- ■ te (авторы Костров A.B., Смирнов C.B., Макаров А.Р.). Ыатемати-. ческая модель динамики движения поршня этих авторов, учитывающая упругогвдродиначическую смазку юбки, наиболее полно отражает основные особенноегп работы поршней бензиновых двигателей в позволяет осуществить выбор оптимального овально-бочкообразного профиля поршня. Однако в последнее время при решении упру-•гогидродинамичеекпх задач большое внимание стали уделять вопро- -eau теплового состояния смазочного слоя, то есть решать эти задачи совместно с уравнением энергии. Особенно актуальным такой ' подход становится ври исследовании движения поршня, так как через юбку отводится часть тепла, поступившего в поршень от рабочих газов. Тепловыделение от трения мокст повлиять на гидродинамические характеристики трения поршня и существенно сказаться на xàpaKiepe распределения его температурного поля и тепловом ■ балансе. Лучшие показатели двигателей по уровню шума, угару • смазочного масла, токсичпости-отработавших газов могут быть достигнуты за счет сшвения величины uohtûehux зазоров в сопряжении поршень-гильза, более равномерного расяродслеши тояцида масляного слоя по высоте и о^уяности юбка поршая. . Одним из ' способов технического решения этих пройяом являотся применение ловящей с переменной по высоте овадьностьз »Зкп. Однако в касто-' • адао время каких-либо -рекомендаций по про£зиз:ровшяго таких пора-ией в технической литературе нот.,

В связи с вышеизложенным в данной диссертационной работе „ ' - была сформулированы основные задачи длссеотац-л:.

ВтЬтт глава посвящена разработке теории и методики расчета параметров движения поршня в.хрижцдро. Для падученяк всах

»

характеристик дваженяя бшо осуществлено совместное реоенае уравнения, опаснваших динамику движения порам, гадродаама-ческув салаку вбки, упругие деформации юбка а тепловое состояние смазочного слоя.

Рассмотрим 8Г/. уравнения. Поршень при его движении в щшшдре совершает возвраты о-посту-. пательное движение и одновременно поперечное пдосхопараозаль-ное движение в пределах теплового зазора. На поршень при его движении действуют следующие активные и инерционные casi, вех это показано на рис. I: fyl, - сила давления газов; Г""0',

г—« & ,Г

- гидродинамические силы реакции масляного елся а сопряжении юбка пороня-цилиндр с нагруженной и ненагруженноА сторон юбка поршня; - сила, возникащая при упругом взаи-модеЯствии поршня с цилиндром; С-п - С„п - силы тяжести поро-ня и порсиевого пальлз соответственно; ,(~П1- сади реах-

-s * I—п г—п

i5íh патуна на поршень в направлении осей X и 7; f jx «г силы инерции массы поршня по осям X, 7; Mj - момент инер-ПЯ2 массы поршня относите~-.ькс оса, проходяцеЯ через центр тя-

ЕПЛ —ГШ

-л ' ЧЭ ~ Ciuw ^^РС23 массы поршневого пальда по осям Х,У.

При этом пренебрегается моментом инерции врадения порш-ыевего пальца из-за незначительных его угловых перемещения в влиянием поршневых колец на динамику движения поршня из-за отсутствия четких дянм«т по значениям коэффициентов трения кслец в порсневих канавках. С учетом приняла допушениЛ, используя принцип Далимбера, запишем анализ уравнения равновесия сил и моментов, действующих на поршень: 21 Fx = с , Fr*j *.G<i ♦ Cíin - Xoi-т»п X-e -fZnXzO '

^П, = 0 , l> -Г •rFT^nLn^-rrtn g0t-mnft¿j0 = o

Рис.I. Расчетная cxesa дпнамяет движения норыня в цшшндре даС

- ГП-}Г« О J

где Л Г' _ расстояние меаду Центром ооршювого паяца > продольно! ооы> поршня; - расстояние во оси горой ммду центром тяжести порция и ось» порогового палып; <£z - peo-стоянве между центром тяжести порсня.н осыз пориневого ттажу-ца в поперечной плоскости портя; - расстояние мвжлу

осы> действия ста реакции масляного слоя на ненагружвнной .

FcO _

в центром тяжести поршневого пальца;

- расстояние между осью действия силы реаютж масляного' слоя на нагруженной стороне норовя центром тяжести

поршневого пальца; - расстояние ш оси X от тори

приложения сила до центра порсневого пальца; Хо,' Уо/ ° - ускорение центра тягестя порпия в направлении осей 1,7 и. угловое ускорение вращения поршня вокруг центра тяжести;;

Хо > йо - ускорение центра поршневого ггяльпя в направлен!* . X, 7; Irw.), »Win- касса поршня и поршневого падла соответственно.- ; .

> Ускорения центра тяжести портя в направлении X ж У был

» " '

выражены как ускорения центра пороневого пальца и ускорения ■ поршня во вращательном движении вокруг порсневого пальца.

'Для определения реакций шатуна - ршлх и Fwi^ составим систецу уравнений равновесия сил и моментов, действухь qhx на шатун:

so ; ркшх-«.C-iu♦ ivTiux-tn.sp о ; ркш^ - rrvui■ jjui - |7uiu = о SIMoso; -Twfi + гпшУш/£<алр-1

rj»X«'cL*/^* ускорены центра тяжестж шатуна в направлена* X, У а угловое ускорение шатуна; . - расстояние от центра тяжестж шатува до центра лоршевой головка; ЗГ«, - момент жнерцжж шатуна относительно оса, прох: .задай через центр тяжести.

Седа давления raaos находилась из индикаторной дааграшы. Сжлы, моменты инерции, ускорение портя вдоль oca X а ускорение хачательного движения шатуна определялись по общеизвестным форцулам в динамике ЛВС. Для определения реакций кржво-вкоа на шатун била составлена также система уравнений его равновесия. Совместное решение вышеназванных систем уравнений позволяет получить в конечном итоге все искомые характеристики плоскопараллельного движения поршня в цилиндре.

В уравнения равновесия поршня входят неизвестные гидро-

F—о> i—«»> r , J-j. на нагруженной и некагруженной сторонах поршня. которые определяются как

, " i—сv .

Гг* г Jp;°ts)is , =f?r (S)Jf а) «S?. s*

где \ г > г г ~ распределение гидродинамического давления на нагруженной в ненагруженной сторонах поршня; и

»Si- области действия га^юдинаылчоских «давлений. Для определения распределения давлений в сказочном слое роо-юсотрик опорную поверхности юбки как прямоугольный ползун, совершавцпй движение в направлении оси X. Уравнение Рей -поладса для этого случая иуоот вид:

Ъх 4 Ък' "з' У ЪХ / it

где Р ^ к- - давление и толщина масляного слоя; - вяз-

кость масла} U - продольная скорость поршня; t -

- йреш; ^ - координата по окружности юбки поршя.

При реаении уравнения Рейнольдса были приняты общеизвестные доцутзения. Для решения задачи гидродинамики применялся метод конечных разностей. После конечно-разностной апро-кш/лют для всех узлов сетки была получена линейная система уравнений:

MIp} = {R3 (ç)

где - двумерная матрица коэффициентов; - век-

тор-столбец давлений в узлах конечно-разностной сетки; £/?.} -,.

- вектор-столбец правой части уравнения Рейнольдса. Взаимосвязь толщины масляного слоя_ и упругих деформаций вбкл при peseinra этой задачи определялось соотношением-

где - толщ:иа масляного слоя, определяемая профилем

поршня з холодном состоянии и величиной монтааюго зазора;

JtX.^t) = eSÎTC^iU) + + Дефортации.

зызвакгые тезлоЕкм расширением поршня и цилиндра, действием гидродинамического давления масляного слоя и перемещением и поворотом поршня пед действием спл к моментов, соотззтст-ве:шо.

При определении деформаций порзи о? тепловой нагрузки^ использовались результаты, полученные Смирновым С.З. при ис-

следовании напряженно-деформированного состояния порпня методом конечных элементов. Деформации поршня, вызванные действием гидродинамического давления находились при решении системы линейных уравнений

где - матрица жесткости системы элементов пространст-

венной модели поршня; ^ - вектор-столбец деформаций от гидродинамического давления; ' ^Р^ ~ вектор-столбец сил гидродинамических давлений в узлах.

Для совместного решения систем уравнений (5) и (7) на ЭВМ они были преобразованы в нелинейную систему уравнений

При решении уравнения гидродинамики принималось, что вязкость масла зависит от температуры смазочного слоя в соцряже-. нии юбка поршкя-цилиндр. Поэтому для получения более точного' решения уравнения гидродинамики и уточнения температурных.условий необходимо рассмотреть уравнение энергии смазочного слоя. Уравнение энергии с "учетом общепринятых допущений в теории смазки принимает вид:

где 2 -. плотность масляного слоя; С«\г ~ теплоемкость , масляного слоя при.постоянном объемо; \ - теплопроводность масляного слоя; с/^ ~ Узкость масляного слоя;

- скорость течения масляного слоя в направлениям осой X к У. ...

С::>

Первый член слева уравнения энергии представляет собой пере- • нос тепла зй счет конвекции, второй член слева представляет собой теплоотвод поперек слоя смазки вследствие теплопроводности. Правая часть представляет собой диссипативнув функция.

Уравнение энергии допускает осреднение по толщине смазочного слоя, если принять гипотезу о законе распределения температур в поперечном сечении. Воспользуемся методикой, предложенной Захаровым С.М. при рассмотрении им трения подшипников. коленчатого вала. Примем, что изменение температура по сечении смазочного слоя может быть описано полиномом четвертой степени. Тогда профиль температур можно выразить через

средат температуру "Х^, _ I [-у: 153X5

т*= т^сх^З Ч><>) + [(г*-тп)ъ Т.-^Ю).

, причем =1 "

с

"Ту - температура цилиндра; 1п - температура поршхи.

Граничные условия на поверхностях юбки поршня и гильзы,

ограничивавшие смазочный слой, могут быть записаны в виде: ^ ^ ^ {12)

) ; г о

'После интегрирования каждого слагаемого уравнения энергии по толщине смазочного слоя было получено разрешающее уравнение

. При этом интеграл диссипативной функции был заменен более простым выражением через мощность транш, как это предложено Кемороном:

Для численного реиения уравнения теплопереноса использовался конечно-разностной метод, в результате была получена система линейных уравнений

[ИТ]1тН(П (14), •

где 3 ~ двухмерная матриц коэффициентов; } - вектор-столбец температур в узлах сетки; - вектор-столбец правой части уравнения энергии.

Решая систему уравнений (8), описывающих у пругогидр одгшамич 07 скую задачу совместно с системой уравнений (14), описываицих • тоддодеренос в смазочном слое, итерационным методом Ньютона для ' нагруженной и ненагружшшой сторон поршня, могно найти распределение гидродинамических давлений в слсо смазки' В-'^ и- Р,-^ ' что позволяет определить неизвестные реакции и ^ , действующие на поршень. Таким образом могут быть-найдены все ' неизвестные, входящие в систему уравнений дшшиики движения поршня. Условием окончания расчета дня данного положения поршня по углу поворота колончатого пала является шполненио ' условий равновесия пораш. Аналогично находится решение сис-*теш уравнений (8) для друг;к полокений коленчатого.вала с шагом по углу поворота ДС^ . При этом полученные на предвду-цон саго результат!* расчета являются исходными данными для

последующего.

В результате расчета получим все характеристики движения деформированного поршня в цилиндре: распределение толщин и гидродинамических давлений, углы наклона поршня в цилиндре и ускорения его в поперечных перемещениях, величины деформации юбки поршня с нагруженной и ненагруненной сторон и т.д. Условием прекращения расчета является достижение допустимой погрешности определения толщины мзоляного слоя и скорости се изменения через период времени, равный продолжительности рабочего цикла.

Математическая модель была реализована на ЭВМ CM-I700. Выполнено доследование динамики движения поршня с терморегу-лирующими вставками и овально-бочкообразным профилем юбки двигателя ЗШ-402.10. Всего в течение рабочего цикла наблюдаются восемь перекладок поршня. Поперечное перемещение определяется действием боковой силы. Из результатов исследования следует, что поршни с исследуемыми овально-бочкооб-разннми профилями (постоянной к переменной овальностью) обеспечивают жидкостной характер тре;п'л на протяжении всого рабочего цикла. Наименьшие значения толщин масляного слоя наблюдаются на такте расширения. Причем'ото характерно как для нагруженной, так и ненагружекной сторон поршня.

Проведете численных экспериментов на ЭВМ при различных значениях эксцентриситета расположения поршневого пальца, равных -I; 0; 0,5; I; 1,5 мм (за положительное значение эксцентриситета' принято' его смещение в сторону вращения коленчатого зала) позволило установить,, что величина эксцентриситета порогового пальца сказывает существенное влияние на углы наклона поршня л ци.сгндро (рис. 9,Z ) - -Лг. участко в Зли-

Рис.2. Минимальная толщина масляного слоя в сопряжении юбка поршня - цилиндр при различных значениях эксцентриситета расположения поршневого пальца

П*4500тт1

Рис.З. Измените углов наклона порпия б щапндре пил

рагли'птх значениях кксгэпттсситета расположения поршказого пэльца

зи ШГ действуют наибольшие давления газов и момент от давления газов, что вызывает большие наклоны поршня при малой его продольной скорости. Наклоны поршня на этом участке не спбсобствуют увеличению толщины масляного слоя, а наобррот, вследствие их большой величины цриводят к ее уменьшению. Минимальная толщина масляного слоя наблюдается в верхней части юбки поршня. С увеличением скорости поршня такой наклон позволяет увеличить гидродинамический эффект "клина" на нагруженной стороне поршня, но при этом уменьшается данный эффект на противоположной стороне поршня из-за приближения нижней кромки юбки к стенке цилиндра. В результате исследования установлена оптимальная величина эксцентриситета, которая равна 0,5 мм. На динамику движения поршня существенно влияет профиль поршня и в первую очередь'расположение нулевой линии продольного профиля, которая разделяет его на два участка -верхний и нижний. Длины данных участков определяют величину гидродинамических реакций п -линию их действия относительно пальца, а следовательно, величину и направление действия моментов. Смещение пулевой линии к нижнему краю улучшает условия смазывания юбки'поршня как при ходе вверх, так и вниз. Установлено, что наилучшим является профиль поршня с отклонением в верхней части юбки 0,07 мм, в нижнем - 0,025 мм и со смешением нулевой линии вниз относительно пальца на 5-10 мм.

Следует отметить, что в разработанной математической модели Движение поршня дизеля мояет рассматриваться как частный случай - без учета упругих деформаций юбки. Однако, современные тенденции развития конструкций поршней дизелей, направленные в сторону- уменьшения'монтакных зазоров ц яесткостц юбки, приводят к необходимости и для них учитывать упругие деформации, то есть решать задачу в данной постановке.

Такой подход к решению задачи о динамике движения поршня приводит к несколько иному взгляду на перекладку (вторичное движение) поршня в цилиндре. Если в традиционном понимании перекладка - это перемещение абсолютно жесткого поршня в пределах теплового зазора, то при податливой юбке и малых монтажных зазорах, не компенсирующих тепловое расширение, Это уже будет перемещение центра поршневого пальца под действием боковой силы, приводящее к деформации направляющей части поршня и соответствующее уменьшение толщины масляного слоя на нагруженной стороне.

Выполненное в работе Смирнова C.B. исследование напряженно-деформированного состояния поршня 3M3-402.I0, а также проведешше исследования изменения толщин масляного. слоя между поршнем и гильзой в течение рабочего цикла позволяют говорить о неравномерном распределешш как деформации юбки, так . и толщин по высоте и окружности направляющей части поршня. ' Это приводит к необходимости выполнения переменной по высоте ' овальности юбки с целью обеспечения ■ более плотной посадки поршня в цилиндре и получения'более равномерного распределения толщин масляного слоя. В связи с этим в работе была . предложена методика к программа расчета профиля поршня с пе-ремешгой по величине овальностью. Сущность предложенной ме- • тодцжи ¡заключается в следующем. В исходные данные для расчета динамики движения поршня закладывался овально-бочкообраз-шй профиль и проводился расчет толщин масляного слоя. Полученные на каздом шаге по углу поворота коленчатого вала значения толщин сравнивались с минимально допустимой толщиной > определяемой суммой высот цккронеровностей поверхностей юб;с: и гильзы. При превышении полученных значении тол-

«

вен минимальной толщины более, чек в 2 раза или при получении их значений иеньсе гхшимально допустишх, проводилась корректировка овального профиля порпяя. СкорректировашшП таким образом профиль порпня являлся исходным для нового цикла расчета со углу поворота коленчатого вала. Расчет прекращался при совпадении (с допустимой погрешностью) величин овальности юбки, порченных в данном цикле расчета, Q величинами, полученными на предыдущем цикле. На рисунке (4 ) представлены полученные таким образом величины овальности юбки поршня с термовставками в зависимости от высоты.

Как показала исследования теплоиереноса в смазочном слое, разделяющем трущиеся поверхности, выполненные Подоль -схим U.E.,. Захаровым С.М. н другими исследователями, а также исследования тепловыделения от трения в деталях цилиндро-порш -Невой группы, выполненные Меденом А.И., Шеховцввыы A.D., Третьяком Е.И., Петриченко P.M. п другими, величина вцдолив-шейся в результате трения теплоты монет существенно повлиять на темпоратуркоо состояние деталей. Так как в основе проектирования пораией с бочкообразным профилем лежит необходимость компенсации температурных деформаций юбки по высоте, в работе был предложен аналитический инженерный-метод расчета температурного состояния юбки, учитывающий тепловыделение от трения и уточняюсь*! методику Гинцбурга Б.Я.

Распределение температур вдоль юбки поршня, по шешго Гинцбурга Б.Я.аналогично случая распределения температур вдоль стергзит.от боковой поверхности которого отводится топло. Теплоотвод от пбга: поршня к цилиндру осуществляется чорез слой CK13ICT. ТОЛЩИНОЙ f^, z теплопроводностью .

Однако, принятое допу-енте об отводе -сопла от юбга: поршня, которой определяется только термическим сопротивлением мае-

20-и

дЯим

026 022 0.18 0.14 0.10

- ' -( ■ !

0 ю 20 30 40 5 0 1

1к;ММ

Рис. 4. Изменение овальности вбни пораня яо её высоте О 10 20 30 40 50 Тс

----—без учрга тепшвделе-

ния от трения: 1-при5*'10кш?

г-ПРИОм;50МКМ. --с учетом тепловыделения от трения : м/сск):

ЬПРИВм-ЮМКМ»

г-ПРИ ¿м-^омкм. х—х -эксперимент.

Рис. 5. Распределение температур по высоте юбки дороня

»

ляного алая, зависящим только от толщины слоя и его теплопроводности, не совсем точно отражает реальную картину теплообмена. В слое смазки идет процесс тепловыделения от действия сил вязкостного трения. Поэтому в работе было принято, что теп-лоотвод от юбки осуществляется через слой смазки о внутренним источником теплота, мощность которого определяется диссипатив-г ной функцдей. Уравнение переноса тепла через смазочный слой при принятой постоянной толкине масляного слоя в при пренебрежении теплом, уносимым маслом, будет иметь вид:

При граничных условиях .1 =0, t = t-ц , 2=,£=1ни, учитывая, что для параллельных стенок - LL , удельный тепловой поток, отводимый от юбки, будет равен

г. = _Vtit I _ -v -tic-fa* _ I м\}

Из последней) выражения видно, что тешюотвод от юбки поршня вследствие теплопроводности масляного слоя уменьшается за очет

я

теша, выделившегося в результате трения. С учетом этого диф-. феронцаальноо уравнение, описывающее распределение температур вдоль юбки поршня, принимает вид:

где _ температура юбки поршня на высоте X; Сц -- средняя температура цилиндра; X - текшая координата по высоте юбки; - коэффициент теплопроводности ю<5ки;\- тол-сдана- txta поршня; L-ю - длина юбки парили. Граничными условиями задачи будут: . • ■

Х=о ; ' =U • = o -

Рг rzo этого ypaBHoirroi будет иметь вид:

У' (+• 4r) ck - (r< + £-) t&.LK . skх/г + L

где Ом - толщина масляного слоя; Уи - теплопроводность маоляного олоя, и - скорость скольжения поршня;-- вяэкооть масляного слоя.

Как видно из рисунка (5 )• диссипация энергии в смазочном слое приводит к более равномерному распределения температуры по высоте юбки, что более соответствует представленным на том хе рисунке результатам термометрирзвания поршней. Из этого следует, что учет тепловыделения от трения необходим при аналитических расчетах температурных полей юбок поршней быстроходных автомобильных двигателей при их црофилированиа,

В третьей главд дано описание методик экспериментальных исследований, выполненных в работе. Основной их целые бала проверка результатов расчетных исследования и, следовательно, проверка адекватности разработанной математической модели ре. альным условиям работы цнлиндро-пораневой группы. Объектом исследований являлись поршни двигателя ЗМЗ-402.Ю. с терморе-'гулирующими вставками, разработанными в МАМИ. Причем испытыва-лись поршни двух вариантов: поршень с бочкообразным профилем и постоянной по высоте овальностью'и поршни с бочкообразным профилем и переменной по высоте овальностью. Для проверки

V * , ,

эффективности разработанных конструкций проводилась также испытания серийных поршней двигателя с кольцевой терыорегулнрую-щей вставкой.

Программа экспериментальных исследований включала в себя проведение непосредственных измерений величин, характеризующих динамику движения поршня в цилиндре и условия его смазывания. Так с помощью емкостных датчиков было проведено измерение толщины масляного слоя в сопряжении юбка поршня - цилиндр по методике и на аппаратуре, разработанной в ЕШИ Никитиным В.Н.

• - 23 г-

%

Исследования проводились в широкой диапазоне скоростных и нагрузочных режимов работа двигателя.

Было проведено также исследование ускорений поршня в его ■поперечных перемещениях в цилиндре с помощью аксилерометров. Из-за трудностей осуществления этого эксперимента на работавшем двигателе было принято регение о проведении тестового эксперимента. Датчик ускорений был установлен на днища поршня п ускорения замерялись при прокрутке двигателя со снятой головкой блока от электромотора. На математической модели были смоделированы именно эта условия; то есть давление газа принималось равным нудо, принимались и соответствующие температурные условия. Расчетные величины ускорений былк получены сложением ускорений центра поршневого пальца и ускорений во вращательной движении поршня вокруг поршневого пальца. На регистрирующем.приборе была установлены фильтры, пропускающие частоты лишь до 600 гц, чтобы исключить высокочастотные колебания, вызванные ударами поршня о стенки цилиндра и записать лишь ускорения втсргчЕОго двигаем поршня. Для оценки температурного состояния поршня было прозодоно их термомэтрирова-нио на работающем'двигателе. При этом использовалась методика ШИШ. Основное'внимание было удолоно исследованию температурного состояния направляющей части поршня, где .было установлено 5 термопар.

IIa заключительном этапе экспериментальных исследований бнлб проведена .исследование расхода гасла ка угар, кощмостных л экономических показателе:": двигателя. Эти испытания проводились для провер:г эффективности разработанной конструкции поршня с пс-рс::с:а:сГ: по зысето овальности г-Зкн. Исследование расхода мазла на угар в двигателе а'"-4СС;10 црозодмось с.

помощью объемно-массового метода при его работе с полной '"" нагрузкой на частотах вращения коленчатого вала 1500 , 2000, 2500, 3000 и 3500 мин"1.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований и производится сравнение их с расчетными данными. Измерения толщин масляного слоя ка работающем -двигателе показало, что характер их изменения в течение рабочего цикла и величины хорошо согласуются с результатами расчета. Диапазон измерения толщин масляного слоя на большинство режимов работы двигателя составляет 5-30 мкм. При работе двигателя с поршнями как с постоянной, так.и с переменкой по высото овальностью ,: юбки, н'2 на одном решила не было зафиксировано металлического контакта трущихся поверхностей поршня и гильзы.

Сходимость результатов измерения ускорений поршня при прокрутке двигателя с расчетными данными по абсолютной величина ускорений получалась удовлетворительная. Орибка при этом составила зоцо % (рис. 6 ). По характеру изменения уско- ' рений в точение цикла по углу "поворота коленчатого вала наблюдалось некоторое расхоадение результатов при = 250-340

. Исследование температурного состояния поршней и, в частности, распределение температур по высото юбки поршня (рис. 5) показало, что предлагаемая методика расчета,.учитывающая тепловыделение от трения, приводит к результатам, в большой степени отвечающим экспериментальным данным.

Исследование мощности механических потерь двигателя показало, что наблюдается некоторое снаяенио механических потерь (на 4-5 %) во всем диапазоне скоростных рейхов при использовании поршней с пластинчатыми термовставками, расположенными в районе бобышек, по сравнению с поршнями с кольцевой вставкой. Это приводит к некоторое улучшению экономичности

Рис. 3. Ускорения'поршня при.его поперечных перемещениях в цилиндре двигателя ЗМЗ-402Л0

двигателя. Испытания показали также, что пороши с переменно по высоте овальностью юбки не изменяют мощность механических потерь двигателя, но обеспечивают снижение расхода масла на угар на малых частотах вращения. ■

I

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнено уточнение математической модели динамики движения поршня в цилиндре в слое смазки. Разработанная математи-

«<

ческая модель основывается на совместном решении уравнений, опи- ■ сыващих динамику плоскопараллельного движения поркня, эласто-. гидродинамическую задачу трения поршня и уравнение энергии смазочного слоя. Математическая модель учитывает основные особенности условия работы поршня.

2. На математической модели проведено исследование влияния эксцентриситета расположения поршневого пальца и профиля юбки поршня на динамику движения поршня и выданы рекомендации по оптимизации этих параметров конструкции для поршня с терыо- . регулирующими пластинчатыми вставками.

3.'Проведенные экспериментальные исследования, толщин масляного слоя между поршнем и цилиндром и исследования ускорений поршня в поперечных перемещениях показали адекватность разрабо- -танной математической модели реальным условиям работы поршня и возможность использования математической модели для оптимизации параметров конструкции поршня.

4. Разработана методика проектирования овально-бочкообразного профиля поршня с переменной по высоте овальностью. Испытания поршней с переменной по высоте юбки овальностью показали возможность снижения расхода масла на угар на малых частотах

.. вращения за счёт более равномерного распределения толщин масля-

, I

кого слоя'по высоте в по окружности юбки поршя без ухудшения ыоцностпых п экономических показателей двигателя.

5. IIa основе учёта тепловыделения от трения вследствие диссипации энергии в смазочном слое, разделяющем трущиеся поверхности поршня и цшшвдра, проведено уточнение аналитического расчёта температурного поля юбки поршня.

Разработанная методика может быть использована при проектировании бочкообразных поршней быстроходных двигателей, а также для уточнопня граничных условий (коэффициентов теплоотдачи) . для теплспередащпх поверхностей порсшя при исследовании ого теплонапряжённости.

Осповпыо полоаония диссертации опубликовали в следующих работах: •

1. Костров A.B., Макаров А.Р., Смирнов C.B., Хаяпль Аыар, "Основшге уравнения дипамшш шгоскопараллояьного'движения поршня в цилиддро". Цсцвуаовсглй сборник научных работ МАШ,

. 33i.li. XI , Москва, IS02 г., с. .3-9.

2. Костров A.B., Амлр Хаталь, Макаров А.Р.,-Смирнов C.B., "Влияние тепловыделения от Tpoinui на .распределение температурного поля в юбке поршпя". Межвузовский сборник паучных работ MAJXI, вып. X , Москва, 1993 г.