Расчетные режимы нагрузки автотракторных двигателей.

Автотракторные двигатели работают в условиях переменных скоростных, нагрузочных и температурных режи­мов. Для них наиболее характерны неустановившиеся режимы работы, что обусловливает значение и характер действующих сил и моментов на детали двигателя.

Основные виды нагрузок — это силы от давления газов, си­лы и моменты -инерции поступательно движущихся и вращаю­щихся масс, усилия, возникающие от упругих колебаний и теп­лового воздействия. При этом -нагрузки зависят от абсолютных значений сил и моментов, от характера их приложения. Они могут (быть кратковременными или длительными, ударными или постепенными.

При выборе расчетных режимов принимают во внимание продолжительность работы двигателя на наиболее тяжелых экс­плуатационных режимах. За характерные расчетные режимы принимают следующие.

Режим максимального крутящего момента Мк. тах при со­ответствующей частоте вращения пмктах= (0,4...0,6)пн, когда давление газов в конце процесса сгорания (при расчетах при­нимается в в.'м. т.) достигает наибольшего значения pzmax, a силы инерции сравнительно малы и ими в расчетах пренебре­гают. При этом создается условная газовая перегрузка при не­большой частоте вращения вала двигателя. Давление газов pzmax определяют по тепловому расчету, выполненному для ре­жима максимального крутящего момента; инерционными сила­ми пренебрегают.

Режим номинальной мощности Neu и номинальной частоты вращения коленчатого валапл. При нем детали двигателя ис­пытывают совместное действие сил инерции и давления газов. Этот режим наиболее часто принимают как расчетный (особен­но для высокооборотных дизелей с камерой сгорания в поршне, работающих с наддувом). При расчетах условно принимают, что максимальная газовая сила действует совместно с макси­мальной инерционной силой в в.м.т. Максимальную газовую силу определяют по тепловому расчету для режима номиналь­ной мощности с учетом скругления индикаторной диаграммы.

Режим максимальной частоты вращения nx. max вала при работе двигателя на холостом ходу. При этом режиме силы инерции достигают наибольших значений, а давление газов не­значительно и им при расчетах пренебрегают. Для карбюра­торных двигателей — пх. max = (1,05...1,20) пя и для дизелей—•

«х.тах= (1,04...1,07) «н.

Выбор расчетных режимов еще не гарантирует точного оп­ределения нагрузок, напряжения и деформаций, возникающих в деталях. Трудно учесть температурное состояние деталей, при котором нарушаются физико-механические свойства материа­лов, переменные нагрузки и динамический характер их прило­жения, возможные смещения опор коленчатого вала и измене­ния размеров и зазоров в деталях, возникающие в результате деформаций, поэтому ряд ответственных деталей двигателей рассчитывают на статическую прочность от действия макси­мальной силы -и на усталостную прочность от действия посто­янно изменяющихся нагрузок.

При расчетах делается ряд допущений в схемах действия нагрузок и в форме деталей. Так, например, коленчатый вал рассматривают как разрезную балку; донышко поршня, как равномерно нагруженную пластину, свободно опирающуюся на кольцевую опору, 'И т. п.

В расчетах трудно назначить допускаемые напряжения, на значения которых влияет конструктивная форма детали, состоя­ние поверхности, технология изготовления, термообработка, вид посадки, зазоры, натяги и др. Несмотря на это, существующие расчеты на прочность позволяют с достаточно высоким прибли­жением определять напряжения и деформации, которые в даль­нейшем сравнивают с расчетными значениями напряжений в деталях, успешно работающих в эксплуатации.

Детали двигателей внутреннего сгорания рассчитывают на:

•—'Статическую прочность от действия максимальной нагруз­ки и усталостную прочность от действия переменных ударных, контактных и тепловых нагрузок. Эти расчеты применяют для коленчатого вала, шатуна, клапанов и других подобных дета­лей;

— жесткость, что для ряда деталей более важно, чем рас­чет на прочность, так как 'быстрый износ, изменение формы (овализация поршневого пальца, гильзы цилиндра и др.) — следствие недостаточной жесткости деталей. Этому расчету под­вергаются распределительный вал, шатун, гильза цилиндра, поршневой палец и др.;

•— крутильные колебания. При этом определяют напряже­ния в валах при резонансе и условия его наступления, устанав­ливают опособы предотвращения или уменьшения резонансных колебаний. В основном так рассчитывают коленчатые валы;

•—• работоспособность теплонапряженных деталей. Расчет заключается в определении температурного состояния в характерных точках или зонах, температурных полей и напряжений, тепловых зазоров и др.

В зависимости от назначения и применения двигателей воз­можны специальные расчеты.

Большинство основных деталей двигателей рассчитывают на статическую прочность от действия постоянной максималь­ной нагрузки. За предельные напряжения принимают пределы прочности σ_в и τ_в при расчете деталей, изготовленных из хруп­ких материалов, и пределы текучести σ_т и τ_т — для деталей из пластических материалов.

При действии циклических нагрузок детали рассчитывают на усталостную прочность; возникающие напряжения при этом изменяются по симметричному и асимметричному циклам. Ос­новные их характеристики: максимальное <σ_mах и минимальное σ_min напряжения, среднее.σ_m и амплитудное σ_а напряжения цикла.

При расчете на усталостную прочность за предельные ха­рактеристики прочности принимают пределы выносливости (усталости), которые при симметричном цикле обозначаются: при деформации изгиба — через σ_-1 при растяжении — сжа­тии— σ_-1р, при кручении —τ_-1, а при асимметричном цикле — через σ_о и τ_o. При этом расчете применяют также характери­стики предела текучести материала детали σ_т и τ_T.

Условия прочности —• это расчетные максимальные нормаль­ные и касательные напряжения цикла, не превышающие соот­ветствующих пределов текучести, т. е. должны соблюдаться сле­дующие неравенства σ_mах<σ_т и τ_max<τ_T.

Определение запасов прочности деталей с учетом факторов формы, а также масштабного, технологического и других факторов выполняют по известным формулам курса «Сопротив­ление материалов».

Наличие в деталях переходов, галтелей, отверстий и кана­вок, резьбы, ребер и т. п., вызывающих местную концентрацию напряжений, оценивают эффективными коэффициентами кон­центрации напряжений К _σ и К_τ.

С увеличением абсолютных размеров детали возникает структурная неоднородность металла, переходящая при пере­менных нагрузках в макро- и микротрещины (концентраторы напряжений).При расчетах эти явления учитывают масштаб­ными коэффициентами ε_{м σ} и ε_{м τ}

Качество обработки поверхности, которое формируется раз­личными видами механической обработки и поверхностного упрочнения, влияет на пределы выносливости, так как образо­вание на поверхности микронеровностей, участков наклепа и т. п. приводит к концентрации напряжений. При расчетах эти явления оценивают коэффициентами поверхностной чувстви­тельности ε_пσ и ε_пτ (технологический фактор).

Для сталей с различными пределами прочности σ_В необходимо в расчетах использовать коэффициенты приведения α_σ , α_τ нормальных и касательных напряжений.