Введение к работе
Актуальность темы
Современные тенденции в двигателестроении характеризуются дальнейшим увеличением мощности двигателей внутреннего сгорания. Это, в свою очередь, сопровождается увеличением газовых и тепловых нагрузок, как на детали цилиндропоршневой группы, так и на двигатель в целом. При этом обеспечение требуемой надёжности (безотказности и долговечности) двигателей во многом зависит от того, насколько эффективны мероприятия по снижению теплонапряжённости деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ).
Одной из наиболее нагруженных деталей ЦПГ является поршень, на который действуют высокие механические и тепловые нагрузки. В свою очередь, от теплового состояния всех деталей ЦПГ в большой мере зависит эффективность рабочего процесса двигателя, процесс образования отложений и, что в последнее время выходит на первое место по значимости, токсичность отработанных газов. При этом сроки проектирования и доводки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), вместе с неуклонным снижением массы деталей, сокращаются, что приводит к усложнению расчётных математических моделей и всё большему применению ЭВМ.
Наибольшее признание для решения данного круга задач, по праву, получило математическое моделирование и численные методы, и как наиболее эффективный из них – метод конечных элементов (МКЭ).
В связи с этим открываются перспективы разработки инженерных методик для расчёта напряжённо-деформированного состояния деталей ДВС и определения геометрии поршней с учётом контактного взаимодействия между деталями ЦПГ при их совместном деформировании. Обоснованное изменение или построение нового профиля поршня может существенно улучшить как экологические показатели, так и надёжность ДВС.
Насущность решения данной проблемы на современном этапе, помимо экологических факторов, обусловлена большой стоимостью ремонта цилиндропоршневой группы, вызванного отказами поршней.
Актуальность вышеперечисленных задач обуславливает важность поиска методов их решения и позволяет избрать их в качестве темы для диссертации.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методики расчёта термонапряжённого состояния корпусных деталей и поршней ДВС (на примере рядного четырёхцилиндрового двигателя ЗМЗ-405.10) с учётом контактного взаимодействия между ними.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
- построение алгоритма определения граничных условий для деталей
ДВС;
- определение температурных полей в головке блока цилиндров, блоке
цилиндров, поршне ДВС;
- разработка методики расчёта напряжённо – деформированного
состояния (НДС) корпусных деталей и поршней ДВС с учётом контактного взаимодействия с сопрягаемыми деталями;
- разработка методики построения профиля поршней с учётом совместного деформирования деталей ЦПГ.
Научную новизну представляют и на защиту выносятся
- алгоритм определения граничных условий для расчёта температур в
головке блока цилиндров, блоке цилиндров, поршне ДВС;
- расчёты полей температур головки блока цилиндров, блока цилиндров, поршней исследуемого двигателя на режиме номинальной мощности с использованием трёхмерных конечных элементов (КЭ);
- исследование в 3D постановке напряжённо-деформированного состояния головки блока цилиндров, блока, поршня с учётом контактного взаимодействия с деталями цилиндропоршневой группы и температурами, действующими в этих деталях;
- алгоритм построения профилей поршней для двигателей внутреннего сгорания с учётом совместного деформирования деталей цилиндропоршневой группы.
Практическая значимость
Определяется:
- разработанной методикой определения температурного и напряжённого состояния деталей ЦПГ, которая может использоваться в производственной практике предприятий автомобильной промышленности;
- предложенным алгоритмом построения профилей поршней.
Достоверность результатов
Достоверность результатов диссертации обеспечивается корректным применением математических методов и подтверждается приводимым в работе сравнением численных результатов с экспериментальными данными, полученными другими авторами.
По предложенной методике был спрофилирован поршень для двигателя ЗМЗ-409.10. До изменения его профиля наблюдались задиры цилиндров, после профилирования количество рекламаций по задирам цилиндров в двигателях ЗМЗ-409.10 значительно снизилось.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались и (или) публиковались на:
- 5-й Международной конференции “Научно – технические проблемы прогнозирования надёжности и долговечности конструкций и методы их решения” (Санкт – Петербург, 2003 г.);
- 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Будущее технической науки” (г.Н.Новгород, 2004 г.);
- 3-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Современные тенденции развития автомобилестроения в России” (г. Тольятти, 2004 г.);
- 10-й Нижегородской сессии молодых учёных (г. Дзержинск, 2005 г.);
- 4-й Всероссийской молодёжной научно-технической конференции “ Будущее технической науки” (г.Н.Новгород, 2005 г.);
- Всероссийской научно – технической конференции “Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве” (г.Н. Новгород, 2006 г.);
- диссертация докладывалась на научном семинаре кафедры “Динамика, прочность машин и сопротивление материалов” НГТУ октябрь 2006 г.
Внедрение результатов исследования
Разработанные в диссертации инженерные методики, а так же результаты численных исследований используются на ОАО “ЗМЗ” для определения профилей поршней и напряжённо-деформированного состояния деталей двигателя.
Публикации
Основное содержание диссертационной работы изложено в 9 публикациях [1 – 9].
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения (основные результаты и выводы по работе), списка литературы. Основной печатный текст вместе с 43 иллюстрациями и 21 таблицей занимает 106 страниц, список литературы состоит из 102 наименований.
