Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цели и задачи исследования 6
1.1. Износостойкость сопряжения кулачок-толкатель ... 6
1.2. Влияние характеристик газораспределительного механизма на рабочие процессы и показатели ЛВС 21
1.3. Профилирование кулачков газораспределения и выбор закона движения толкателя 24
1.4. Цели и задачи исследования 35
ГЛАВА 2. Повышение износостойкости сопряжения кулачок-толкатель на основе выбора оптимального закона движения толкателя 36
2.1. Использование численного метода профилирования кулачков для повышения износостойкости сопряжения кулачок-толкатель 36
2.2. Разработка метода формирования профиля кулачка с учётом ограничения на интенсивность изнашивания 44
2.3. Алгоритм и программа расчёта 52
2.4. Результаты использования разработанного метода 57
2.5. Улучшение профиля кулачка двигателя ВАЗ 67
2.6. Выводы 72
ГЛАВА 3. Улучшение показателей лвс в процессе эксплуатации при повышении износостойкости сопряжения кулачок-толкатель 73
3.1. Разработка методики совместного моделирования изнашивания и рабочих процессов 73
3.2. Исследование влияния изнашивания кулачковой пары на показатели двигателя ВАЗ 85
3.3. Результаты и выводы 89
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование износа профиля кулачка при различной его нагруженности 90
4.1. Экспериментальная установка 90
4.2. Методика и результаты экспериментального исследования изнашивания кулачковой пары 95
4.3. Выводы 101
Основные результаты и выводы 102
Литература
- Износостойкость сопряжения кулачок-толкатель
- Использование численного метода профилирования кулачков для повышения износостойкости сопряжения кулачок-толкатель
- Разработка методики совместного моделирования изнашивания и рабочих процессов
- Методика и результаты экспериментального исследования изнашивания кулачковой пары
Введение к работе
Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко применяются в энергетике, в частности на транспорте, по этой причине важными задачами являются повышение их надёжности и улучшение показателей. Механизм газораспределения (МГР) автомобильного двигателя является одним из наиболее нагруженных узлов поршневого двигателя. Долговечность его работы определяется износостойкостью деталей, в частности кулачков распределительного вала. Износ профилей кулачков уменьшает средний подъём клапанов, что приводит к уменьшению их "время-сечения" и увеличению гидравлического сопротивления на впуске и выпуске, смещению фаз газораспределения, а также повышению динамических нагрузок в приводе клапанов. Всё это ухудшает мощностные, экономические и экологические характеристики ДВС, а также снижает его надёжность. Так, установлено, что с износом кулачков наблюдается снижение мощности и увеличение токсичности отработавших газах.
В связи с изложенным настоящая работа посвящена разработке метода позволяющего прогнозировать износ профиля кулачка и оценивать его влияние на рабочие процессы ДВС. Это, в свою очередь, позволит уже на стадии проектирования системы газораспределения определять долговечность МГР и обеспечивать её повышение за счёт оптимального выбора характеристик газораспределения. Данные положения составляют научную новизну работы.
Практической ценностью работы является метод синтеза закона движения толкателя и профиля кулачка газораспределения ДВС, позволяющий повысить как долговечность сопряжения кулачок-толкатель, так и эффективность газораспределения на основе ограничения в процессе профилирования интенсивности изнашивания. Это в свою очередь позволяет определить величину предельно допустимого изнашивания кулачковой пары и её долговечности по допускаемому ухудшению выходных показа-
телей двигателя на основе совместного моделирования изнашивания и рабочих процессов ДВС. На основе созданных методов предложены соответствующие алгоритмы и комплекс компьютерных программ.
Для подтверждения выводов, сделанных на основе математического моделирования, с участием автора разработана и создана экспериментальная установка для исследования динамики и изнашивания кулачковой пары. Полученные данные изнашивания кулачков при двух режимах нагру-жения хорошо согласуются с расчётными результатами.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 96, 161], включая статью в центральной печати в журнале «Инженерный журнал Справочник», а также патент РФ на изобретение «Кулачок привода клапана». Материалы работы представлены в отчёте о НИР [119].
Диссертация выполнена при финансовой поддержке гранта Т02-06.7-2703 Министерства образования РФ.
Износостойкость сопряжения кулачок-толкатель
В современных двигателях системы газораспределения (ГР) работают в условиях значительного нагружения. Наличие упругих звеньев в газораспределительном механизме (ГРМ) обуславливает возникновение колебательных процессов. Переменные напряжения сжатия, растяжения, изгиба и кручения снижают надёжность деталей. При этом из-за односторонности связей возможен разрыв кинематической цепи и последующее её восстановление, сопровождаемое ударными взаимодействиями деталей [1, 2, 57, 68]. Эти процессы также имеют место при выборке тепловых зазо ров, величины которых могут существенно изменяться в процессе работы двигателя [58, 102]. Удары в процессе работы механизма способствуют снижению его надёжности и увеличению шумности.
До 50% отказов двигателя приходится на долю механизма ГР [46, 99, 125]. К ним относятся изнашивание и разрушение посадочных фасок и сёдел клапанов, рабочих поверхностей кулачков и толкателей, поломки клапанных пружин, потеря устойчивости и деформация штанг, зависание и обрыв клапанов, разрегулировка теплового зазора [9, 34, 57, 58, 65, 158]. Наиболее интенсивно изнашиваемые сопряжения: кулачок-толкатель, клапан-седло, клапан-направляющая втулка [1, 65, 87, 88, 92, 149, 157].
Для выявления характера изнашивания профиля кулачка по углу его поворота в процессе эксплуатации автомобиля были измерены три кулачковых вала двигателя ВАЗ, поступивших в капитальный ремонт. Замер производился по первому и второму впускным кулачкам. Установка представляет собой газораспределительный вал, установленный в центрах, плоский толкатель и делительную головку с точностью измерения до одной сотой миллиметра, установленную в штативе. На рисунке 1.1 изображена зависимость перемещения толкателя по углу поворота кулачка. Цифрой 1 обозначен неизношенный профиль кулачка, а 2 - это профили изношенных кулачков. На графиках видно, что кулачки валов, поступивших в ремонт, имеют заметно меньшую величину подъёма толкателя.
Ухудшение протекания процессов газообмена, вызванное изнашиванием основных сопряжений ГРМ, работающих в условиях высоких скоростей скольжения поверхностей, а также неблагоприятная динамика [34, 56, 57, 68, 99, 124] подвергают детали МГР тепловым и коррозионным воздействиям [1, 2, 9, 34, 46, 149, 157, 159, 163].
С увеличением частоты вращения распределительного вала значительно усложняется задача проектирования, эффективно и надёжно работающей в диапазоне эксплуатационных скоростных и нагрузочных харак- теристик, системы ГР. Необходимость обеспечения силового замыкания кинематической цепи при возрастающих силах инерции приводит к увели-; чению усилия клапанных пружин и жесткостей деталей.
Конструкция механизма ГР в значительной степени влияет на его показатели: расположения распределительного вала, типа используемого толкателя, масс и жесткостей деталей. Применение четырёхклапанных головок цилиндров в ряде конструкций сопряжено с осуществлением привода от одного кулачка двух клапанов, что дополнительно увеличивает на-груженность механизма [68, 103].
Изнашивание поверхностей представляет собой сложный не до конца изученный процесс. Повреждения рабочих поверхностей кулачков и толкателей исследуются в ряде работ [1, 2, 13, 46, 130, 141, 142, 145, 157, 159,160]. Основными видами изнашивания сопряжения кулачок-толкатель являются образование задиров, усталостное и нормальное изнашивание [106,130,134 142, 145, 159, 160].
Использование численного метода профилирования кулачков для повышения износостойкости сопряжения кулачок-толкатель
Профилирование кулачков механизма газораспределения является актуальной и одной из наиболее сложных и трудоемких задач, решаемых разработчиками ДВС. При проектировании необходимо выполнить многочисленные ограничения на кинематические, динамические, прочностные, гидродинамические и технологические характеристики, от которых зависит надежность сопряжения кулачок-толкатель.
Существует много методов расчета профиля кулачка. Однако такая многочисленность свидетельствует о несовершенстве этих методов. Задача осложняется еще и тем, что каждому методу соответствует свой набор параметров, определяющих профиль. Наконец, заранее заданные способы описания движения толкателя или конфигурации кулачка даже в случае оптимального выбора параметров профиля не обеспечивают получение кулачков, максимально удовлетворяющих предъявляемым требованиям.
Долговечность работы механизма газораспределения определяется износостойкостью его деталей, в частности кулачков распределительного вала. Износ профилей кулачков уменьшает средний подъём клапанов, что приводит к уменьшению их "время-сечения" и увеличению гидравлического сопротивления на впуске и выпуске, смещению фаз газораспределения, а также повышению динамических нагрузок в приводе клапанов. Всё это ухудшает мощностные, экономические и экологические характеристики ДВС, а также снижает его надёжность.
В первой главе было установлено существенное влияние контактно-гидродинамических (эластогидродинамических) условий смазки пары на скорость изнашивания кулачка и толкателя [136, 141, 159, 164]. Так, в работе [164] в результате сопоставления различных характеристик сопряжения делается вывод о том, что наблюдаемый характер износа кулачка может быть объяснён только на основе эластогидродинамической теории смазки.
Значительное улучшение контактно-гидродинамических условий смазки сопряжения может быть достигнуто путём рационального выбора профиля кулачка, поскольку от него существенно зависит значение нагрузки и гидродинамически эффективной скорости Vr [70, 71, 136, 141]. Если профиль выполнен с учётом гидродинамических закономерностей, а нагрузка находится в допустимых для материала пределах, то пара кулачок-толкатель может оказаться износостойкой, несмотря на неоптимальную динамику и повышенные контактные напряжения [136, 141].
Исходя из сказанного следует считать актуальными задачи прогнозирования изнашивания кулачков газораспределения в процессе эксплуатации, а также влияния износа на работоспособность МГР и показатели двигателя. Решение этих задач, в свою очередь, позволяет на этапе проектирования оценивать долговечность МГР и обеспечивать её повышение за счёт оптимального выбора параметров и характеристик газораспределения. Данное направление является весьма перспективным, так как известно, что на стадии проектирования даже незначительное изменение закона движения толкателя и профиля кулачка, не оказывающее заметного влияния на время-сечение клапана и газообмен в двигателе, может привести к существенному повышению износостойкости сопряжения кулачок-толкатель вследствие перераспределения ускорения толкателя по углу поворота кулачка и улучшения гидродинамики смазки.
Однако при использовании традиционных методов профилирования гидродинамика смазки, как правило, не рассматривается, либо учитывается приближённо и только для некоторых конструктивных схем. Наиболее рациональным способом улучшения характеристик изнашивания является принцип пошагового формирования закона движения толкателя. Он положен в основу численного метода профилирования кулачков ГРМ с учетом задаваемых ограничений, упомянутого в первой главе, позволяющий отказаться от заранее принятой схемы описания профиля [14, 15, 94]. При этом вместо аналитического закона движения толкателя используется численное его представление, а способ формирования участков положительного и отрицательного ускорения обеспечивает максимальную эффективность кулачка, определяемую полнотой диаграммы перемещения толкателя и связанной с ней зависимостью время-сечение клапана.
Данный метод позволяет в широких пределах варьировать профиль кулачка. Вследствие различия требований к характеристикам при подъёме и опускании толкателя, а также в связи с особенностями кинематики МГР законы движения на соответствующих участках могут отличаться друг от друга.
Разработка методики совместного моделирования изнашивания и рабочих процессов
Параметры и характеристики механизма ГР, такие как фазы газораспределения, закон движения толкателя, определяемый профилем кулачка, проходные сечения на впуске и выпуске, передаточные числа, тепловые зазоры, количество клапанов оказывают влияние на рабочие процессы в цилиндрах и газовоздушном тракте двигателя и его показатели. Например, экспериментально установлено, что с износом кулачков происходит снижение мощности двигателя и увеличивается количество углеводородов в отработавших газах.
В связи с этим важно уметь прогнозировать износ профиля кулачка и оценивать его влияние на рабочие процессы ДВС. Это, в свою очередь, позволит уже на стадии проектирования системы газораспределения определять долговечность МГР и обеспечивать её повышение за счёт оптимального выбора параметров и характеристик газораспределения. В данной работе поставленные задачи решаются методом математического моделирования изнашивания кулачка и рабочих процессов ДВС с использованием разработанных алгоритмов и программных средств. Схема программного комплекса представлена на рис. 3.1.
Для расчета на первом этапе используется комплекс программ для определения изношенного профиля [37]. Он состоит из четырех основных составляющих: 1) Программа расчета характеристик профиля кулачка (PROF). 2) Программа расчета параметров изнашивания рабочей поверхности кулачка (E4TIZ). 3) Программа сглаживания значений линейного износа рабочей поверхности кулачка (RCURV) 4). Программа расчета характеристик изношенного профиля кулачка (PROFIZ).
На первом этапе с помощью программы PROF производится расчет основных характеристик исходного профиля кулачка, требуемых для дальнейших вычислений. Данный расчет проводится только один раз при первом цикле. Файл prof.dat, размещенный на жестком диске ЭВМ, содержит исходные данные для расчета, в состав которых входят таблица перемещения толкателя по углу поворота кулачка, а также основные конструктивные параметры клапанного привода.
В данной программе осуществляется численное дифференцирование закона перемещения толкателя по углу поворота кулачка по пяти точкам, а также двукратное сглаживание полученных зависимостей. Полученные массивы аналогов скоростей и ускорений толкателя записываются в файлы pod.lis и pos.lis, соответствующие подъему и посадке клапана. После этого производится расчет следующих характеристик: радиуса кривизны профиля кулачка, гидродинамически эффективной скорости, скорости скольжения, контактных напряжений и усилия в контакте. Полученные массивы данных записываются в файлы intizu.lis и intizd.lis, также соответствующие подъему и посадке клапана на седло. В результате расчета формируется выходной файл prof.lst, содержащий значения всех вышеперечисленных характеристик с заданным шагом по углу поворота кулачка.
На следующем этапе производится расчет параметров изнашивания рабочей поверхности кулачка с помощью программы INTIZ. В качестве исходных данных для расчета используется файл intiz.dan, содержащий информацию о свойствах материалов контактирующих поверхностей, смазочного материала, а также о продолжительности испытаний и шага расчёта по времени. Кроме того, программа считывает информацию из файлов intizu.lis, intizd.Iis, pod.lis и pos.Iis, находящихся на жестком диске.
В результате расчета формируются текстовые файлы intizu.dat, intizd.dat, в которых записываются массивы значений коэффициента трения, интенсивности изнашивания и линейного износа рабочей поверхности кулачка на данном шаге по времени в зависимости от угла поворота кулачка. Кроме того, создаются бесформатные файлы iznosu.lis и iznosd.lis, в которые также записываются значения линейного износа по углу поворота кулачка на данном шаге по времени, требуемые для дальнейшего расчета.
Для устранения погрешностей, возникающих вследствие использования процедуры численного дифференцирования, применяется сглаживание функции линейного износа с помощью программы RCURV. В качестве входных данных программа использует упомянутые выше файлы iznosu.lis и iznosd.lis. После процедуры сглаживания, обновленные значения линейного износа по углу поворота кулачка перезаписываются в файлы iznosu.lis и iznosd.lis. Для обеспечения возможности контроля над процедурой сглаживания программа формирует выходной текстовый файл iznos_tek,dat, содержащий массивы исходного и сглаженного линейных износов по углу поворота кулачка.
Методика и результаты экспериментального исследования изнашивания кулачковой пары
На первом этапе были произведены измерения исходных профилей восьми кулачков распределительного вала. Анализ полученных результатов показал, что отклонения профилей не превышают допускаемых. Так, максимальный подъем толкателя составил 6,35 мм, тогда как на чертеже задано 6,348 мм.
С целью повышения точности измерения изношенного профиля на рабочих поверхностях двух испытуемых кулачков в шахматном порядке с помощью алмазного бора диаметром 3,1 мм были нанесены лунки, по два ряда на каждом кулачке. Зная глубину лунок до испытаний, можно легко оценить величину линейного износа, определив, величину уменьшения глубины лунок после испытаний. Так же, измерение ступеньки износа, возникающей в процессе испытаний, позволяет определить величину линейного износа профиля кулачка. Для измерения линейного износа использовался вертикальный оптиметр с погрешностью измерения 0,001 мм.
Испытания, связанные с оценкой процесса изнашивания, являются весьма продолжительными. По этой причине для одной из двух испытуемых кулачковых пар были предприняты изменения в конструкции МГР, направленные на ускорение процесса изнашивания (вторая работала при штатных условиях). Во-первых, было увеличено усилия в контакте путем обеспечения большей предварительной деформации клапанных пружин. Под нижнее основание наружной и внутренней пружин были установлены дополнительные шайбы толщиной 3 мм и 1,5 мм соответственно. В результате примерно на 20% увеличилось суммарное предварительное усилие, создаваемое пружинами при закрытом клапане(с 419 Н до 503 Н), а при максимальном перемещении клапана - с 742 Н до 817 Н. Во-вторых, нагрузка в контакте была увеличена уменьшением длины контакта до 12 мм.
На основе экспериментального исследования получены результаты изнашивания профилей кулачков после 300 часов испытаний при частоте вращения кулачкового вала 157 рад/с. Эти данные были использованы для оценки адекватности моделирования процесса изнашивания и расчётного определения трибологических характеристик путём сопоставления расчётных и экспериментальных данных, полученных при двух режимах нагру-жения кулачковой пары. Оценка воспроизводимости эксперимента была выполнена проверкой гипотезы об однородности многих дисперсий по критерию Кохрена. Кроме того, на основе сопоставления расчётных и экспериментальных данных была оценена адекватность моделирования процесса изнашивания и расчётного определения трибологических характеристик по критерию Фишера. Полученные результаты не превышают критических значений, выбранных по соответствующим таблицам, в зависимости от степеней свободы и уровня значимости составляющего 0,95.
На рисунке 4.5 представлены расчётные зависимости линейного износа для разных схем нагружения. При этом необходимо заметить, что смещение максимального значения величины износа в зону посадки происходит в результате несимметричности профиля кулачка. В этой области гидродинамическая скорость имеет минимальные значения, а величина интенсивности изнашивания наоборот максимальна.
Характер кривой изнашивания при стандартной схеме нагружения сохраняется таким же, как у усиленной. В связи с этим из-за малого значения величины износа, сравнение расчётного и экспериментального значений линейного износа производилось только в одной точке (15 по углу поворота кулачка) вблизи вершины кулачка. Экспериментальное значение близко к расчётному, равному 12,9 мкм, и составляет 14,0 мкм.
На рисунке 4.6 приведены расчётные (сплошной линией) и экспериментальные значения линейного износа профиля кулачка после 300 часов, для усиленной схемы нагружения. Анализ приведённого графика позволяет сделать вывод о хорошем совпадении характера изнашивания по углу поворота кулачка на данном скоростном режиме.
Следует отметить, что расчетный характер износа профиля кулачка по углу его поворота совпадает с результатами эксперимента. Для количественного сравнения экспериментальных и расчётных результатов необходимо правильно подобрать значение коэффициента к в формуле (2.12), зависящего от неучтённых факторов, влияющих на изнашивание. Исходя из величины максимального износа на вершине кулачка было рассчитано но-вое значение коэффициента к = 0,11-10". После этого было проведено уточнение данного коэффициента. Для решения этой задачи были выбраны несколько значений коэффициента к с шагом 0,01-10"7, для которых был выполнен расчёт изнашивания профиля кулачка на данном скоростном режиме. Далее полученные расчётные результаты сопоставлялись с опытными значениями по восьми контрольным точкам
