Исследование нагруженности и изнашивания сопряжений механизма газораспределения ДВС с целью повышения его надёжности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.02, кандидат технических наук Дейниченко, Евгений Дмитриевич

• Дейниченко, Евгений Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дейниченко, Евгений Дмитриевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Определение нагруженности МГР на основе математического моделирования

1.2 Влияние износа деталей МГР на его работоспособность и показатели ДВС

1.3 Методы расчёта изнашивания сопряжений клапанного механизма

1.4 Основные цели и задачи исследования

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ МГР

И РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ ДВС.

2.1 Постановка задачи

2.2 Моделирование динамики клапанного механизма при учёте влияния на неё силы от давления газов

2.3 Результаты расчета

2.4 Выводы

3. ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПАРЫ КУЛАЧОК-ТОЛКАТЕЛЬ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ

3.1 Расчёт трибологических характеристик пары трения кулачок-толкатель с учётом изнашивания профиля кулачка

3.1.1 Методика расчёта

3.1.2 Структура и алгоритм программного комплекса

3.2 Примеры расчетов и результаты

3.2.1 Расчет изнашивания впускного кулачка ВАЗ

3.2.2 Расчет изнашивания выпускного кулачка ВАЗ с учетом действия силы от давления газов

3.3 Выявление возможностей улучшения трибологических характеристик сопряжения путём профилирования кулачка

3.4 Результаты и выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МГР

4.1 Задачи и методика и проведения эксперимента .Л.

4.2 Описание экспериментальной установки

4.3 Измерение линейного износа профиля кулачка

4.4 Сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. Оценка воспроизводимости и адекватности эксперимента

4.5 Результаты и выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование нагруженности и изнашивания сопряжений механизма газораспределения ДВС с целью повышения его надёжности»

Высокие темпы развития современной промышленности и технологий позволяет расширить пределы форсирования ДВС. В настоящее время данное направление совершенствования двигателестроения является наиболее перспективным среди отечественных и зарубежных производителей. Однако форсирование ДВС приводит к росту нагрузок на основные детали и сопряжения двигателя, в частности, на сопряжение кулачок-толкатель клапанного механизма газораспределения (МГР). Изнашивание рабочей поверхности кулачка вызывает ухудшение динамики механизма, искажение фаз газораспределения, и, как следствие, возникновение разрывов в кинематической цепи, а также ухудшение протекания процессов газообмена. Это в свою очередь приводит к потере мощности двигателя, повышению расхода топлива и содержания вредных компонентов в выхлопных газах. Так, согласно статистическим данным, около 44% двигателей КАМАЗ, поступающих в ремонт, имеют сниженные технико-экономические показатели вследствие повреждений МГР. При этом средняя величина максимального износа кулачков превышает 1 мм.

Трение и изнашивание сопряжения кулачок-толкатель являются сложными и малоизученными процессами. Наряду со свойствами материалов и технологичностью изготовления деталей, они в значительной степени определяются нагруженностью механизма и гидродинамическими условиями смазки сопряжения. В связи с тем, что работа двигателей внутреннего сгорания сопряжена с неустановившимися режимами скоростей и нагрузок, значительными перепадами температур и различными условиями смазки, проблема создания методов расчёта износа и долговечности МГР с учётом основных факторов, оказывающих влияние на процесс изнашивания, является актуальной задачей.

В большинстве работ по данной тематике предлагаются различные методы для расчёта процесса изнашивания профиля кулачка. Но среди них сложно выделить способы расчёта, учитывающие все факторы, оказывающие существенное влияние на процесс изнашивания. Причём все эти методы не дают возможности рассчитать изнашивание с заданным по времени шагом, что, по крайней мере, является неудобным для использования.

В связи с изложенным, настоящая работа посвящена исследованию и нагруженности и изнашивания МГР, а также разработке методов их расчёта. Важным аспектом при определении нагруженности МГР является вопрос учёта влияния силы от давления газов на нагруженность привода клапана. В связи с этим предлагается метод уточненного определения динамической нагруженности МГР с учетом действия силы от давления газов на тарелку выпускного клапана на основе совместного расчета динамики МГР и рабочих процессов в цилиндре ДВС и сопряжённых с ним объёмах. На основе более точного определения сил, действующих в клапанном приводе, предлагается метод расчета трибологических характеристик кулачковой пары в условиях нарастающего износа профиля кулачка с учётом изменения свойств материала и конфигурации профиля кулачка по мере изнашивания. Он позволяет исследовать процесс изнашивания сопряжения кулачок-толкатель для различных схем привода клапана автомобильных и тракторных двигателей в процессе эксплуатации на различных режимах работы, а также выявить предельные нормы износа кулачка, ограничивающие работоспособность МГР. Данные положения составляют научную новизну работы.

Практическая ценность диссертационного исследования состоит в реализации разработанных методов расчёта в виде алгоритма и автоматизированного комплекса компьютерных программ, позволяющего оценивать нагруженность МГР, рассчитывать его изнашивание (с учётом или без учёта влияния силы от давления газов на движение выпускного клапана), а также выбирать параметры и характеристики МГР, обеспечивающие повышение его долговечности.

Для подтверждения выводов, сделанных на основе математического моделирования, разработана и создана специальная установка для экспериментального исследования МГР, результаты которого подтвердили расчётные данные.

Диссертационная работа выполнена при финансовой поддержке гранта Т02 - 06.7 - 2703 Министерства образования РФ.

Заключение диссертации по теме «Тепловые двигатели», Дейниченко, Евгений Дмитриевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан уточненный метод определения нагруженности клапанного привода на основе совместного моделирования динамики МГР и рабочих процессов в цилиндре ДВС. Полученный метод дает возможность без подбора закона изменения силы от давления газов произвести расчет нагруженности МГР двигателя с любой схемой привода клапана во всём диапазоне режимов работы ДВС.

2. Выполнено расчетное исследование динамики МГР дизельного двигателя с нижним расположением распределительного вала. Выявлено, что при учете действия газовой силы на тарелку выпускного клапана, нагруженность МГР существенно увеличивается (до 20 %), а, следовательно, при этом повышается точность расчетов и адекватность разработанной математической модели.

3. Исследование рабочего процесса ДВС показало, что при учете влияния силы от давления газов на движение выпускного клапана происходит сокращение фазы опережения его открытия более чем на 10° поворота коленчатого вала при увеличении нагрузки на двигатель вследствие деформации привода. Это позволяет уточнить расчёт рабочего процесса ДВС.

4. Разработан метод расчета трибологических характеристик кулачковой пары в условиях нарастающего износа профиля кулачка с учётом изменения свойств материала и конфигурации профиля по мере изнашивания кулачка. Он позволяет исследовать процесс изнашивания сопряжения кулачок-толкатель для различных схем привода клапана автомобильных и тракторных двигателей в процессе эксплуатации, а также выявить предельные нормы износа кулачка, ограничивающие работоспособность МГР.

5. Исследован процесс изнашивания кулачка газораспределения автомобильного двигателя с приводом клапана через рычажный толкатель на двух характерных скоростных режимах: при частоте вращения распредвала со =157 рад/с (режим максимального крутящего момента) и со = 280 рад/с (номинальный режим). Определён характер изнашивания профиля кулачка на этих режимах и показаны различия. Выявлено, что на номинальном режиме работы двигателя происходит постепенное снижение усилия в контакте кулачка с толкателем и коэффициента запаса усилия клапанных пружин, что ограничивает работоспособность МГР.

6. Исследован процесс изнашивания кулачка газораспределения автомобильного двигателя с учетом действия силы от давления газов на тарелку выпускного клапана. Показано, что при учёте силы от давления газов на участке от - 65° до - 50° на стороне подъёма клапана интенсивность изнашивания существенно возрастает (максимум в 1,5 раза).

7. Проведено экспериментальное исследование МГР автомобильного двигателя, в результате которого получена величина линейного износа профиля кулачка после 300 часов работы при со= 157 рад/с, что примерно соответствует режиму максимального крутящего момента. Данное исследование подтвердило характер изнашивания профиля кулачка на рассматриваемом режиме, полученный в результате расчета. Для проведения эксперимента был разработан и изготовлен специальный стенд, позволяющий варьировать скоростные режимы и автоматически поддерживать установленную рабочую температуру масла, подаваемого в головку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дейниченко, Евгений Дмитриевич, 2005 год

1. Алимов В.Н. Исследование динамики, прочности и долговечности клапанов газораспределительного механизма форсированных транспортных дизелей // Вестник машиностроения.-2001. №12 - С. 40-44, 7 ил.

2. Асташкевич Б.М. Износостойкость и роль активных защитных слоев на поверхностях деталей цилиндропоршневой группы транспортных дизелей // Вестник машиностроения.-2000. №1. — С. 13-20.

3. Березняков А.И. О корреляции между интенсивностью изнашивания и силой трения. // Трение и износ.-2001. №6. - С. 619-625.

4. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990. - 448 с.

5. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. М.: Машиностроение, 1968. - 543 с.

6. Бурьянов В.А. Повышение долговечности газораспределительного механизма двигателей ВАЗ: Дис. . канд. техн. наук. Тольятти, 1982.- 143 с.

7. Васильев A.B. Исследование гидродинамики смазки в зазорах механизма газораспределения ДВС // Двигателестроение. 1999. - № 3. -С. 16-18.

8. Васильев A.B., Григорьев Е.А. Обобщённый численный метод профилирования кулачков // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1999.-№ 2.-С. 15-18.

9. Васильев A.B., Григорьев Е.А. Профилирование кулачков газораспределения ДВС с улучшенными гидродинамическими условиями смазки // Двигателестроение. 1999. - № 1. - С. 25 - 28.

10. Васильев A.B., Григорьев Е.А. Численный метод профилирования кулачков // Автомобильная промышленность.-1999. № 11.- С.22-25.

11. П.Васильев A.B., Дейииченко Е.Д. Моделирование динамики клапанного механизма с учётом рабочих процессов в цилиндре ДВС // Инженерный журнал. Справочник 2003. - № 10. - С. 35 - 38.

12. Васильев A.B. Повышение эффективности и надёжности механизма газораспределения двигателя // Повышение надёжности и эффективности двигателей и силовых агрегатов КАМАЗ: Международная науч. практ. конф. - Набережные Челны, 22 - 25 октября 2003 г.

13. Воробьёв Ю.В. Аналитические основания для оценки долговечности рабочих поверхностей при качении с проскальзыванием // Машиноведение. 1984. - № 4. - С. 68 - 76.

14. Воробьёв Ю.В. Обобщённый синтез механизмов с высшими кинематическими парами по критериям долговечности: Дис. . д-ра техн. наук. Тамбов, 1982. - 517 с.

15. Вульфсон И.И., Преображенская M.B. Учет влияния зазоров при динамической разгрузке рычажных механизмов // Проблемы машиностроения и надежности машин.-1999. №6. - С. 20-27.

16. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1989. - 328 с.

17. Горбунов А.Г., Щеглов В.Ф., Алимов В.Н. Анализ динамических характеристик механизма газораспределения транспортного дизеля по результатам тензометрирования рычагов привода выпускных клапанов // Вестник машиностроения. 2000. №1. - С. 10-14.

18. Григорьев Е.А., Васильев A.B. Математическое моделирование динамики механизма газораспределения ДВС // Двигателестроение. -1991. -№ 12.-С. 7-9.

19. Григорьев Е.А., Васильев A.B., Ларцев A.M. Оптимизация профилей кулачков механизма газораспределения ДВС // Двигателестроение. -1990. -№1. С. 13-15.

20. Григорьев М.А., Пономарёв H.H. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976. - 248 с.

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

22. Гурвич И.Б. Испытания двигателей на долговечность: Учебное пособие . Горький, 1978. - 78 с.

23. Гурвич И.Б., Сыркин П.Э., Чумак В.И. Эксплуатационная надёжность автомобильных двигателей. 2-е изд., перераб и доп. - М.: Транспорт, 1994. - 144 с.

24. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей / С.И. Ефимов, H.A. Иващенко, В.И. Ивин идр.; Под общ. ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.

25. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей / Д.Н. Вырубов, H.A. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.

26. Доброгаев Р.П., Афанасьев В.Г. Четырёхмассовая модель привода клапана // Известия вузов: Машиностроение. 1976. - № 2. - С. 104 -109.

27. Дроздель П.В. Изнашивание цилиндровых втулок в период запуска двигателя внутреннего сгорания // Трение и износ.-2001. №6. — С. 664-671.

28. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. — 224 с.

29. Дроздов Ю.Н. Прогнозирование изнашивания с учетом механических, физико-химических и геометрических факторов // Трение и из-HOC.-2002. Том 23, №3. - С. 252-257.

30. Дроздов Ю.Н. Прогнозирование интенсивности изнашивания трущихся тел на основе теоретико-инвариантного метода // Проблемы машиностроения и надежности машин.-1999. №1. - С. 28-35.

31. Дроздов Ю.Н. Структура методов расчета на износ. // Вестник ма-шиностроения.-2003. №1. - С. 25-28.

32. Ждановский Н.С., Николаенко A.B. Надёжность и долговечность автотракторных двигателей. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Колос. Ле-нингр. отделение, 1981. - 295 с.

33. Жолобов Л.А. Повышение долговечности механизма газораспределения автомобильных двигателей: Дис. канд. техн. наук. Горький, 1984. - 257 с.

34. Исследование влияния износа кулачков распределительного вала на технико-экономические показатели двигателя: Отчёт о НИР / Горь-ковский автомобильный завод (ГАЗ); № ГР 81013462; Инв. № 02840042491. Горький, 1983. - 162 с.

35. Исследование и доводка механизма газораспределения двигателя Д-37Е (ВТЗ) / Е.Б. Костромитинов, В.В. Панов, А.Н. Салов и др. // Проблемы формирования и надёжности тракторных двигателей: Материалы науч.-техн. конф. Владимир, 1972. - С. 79 - 86.

36. Канарчук В.Е. Долговечность и износ двигателей при динамических режимах работы. Киев: Наукова думка, 1978. - 256 с.

37. Коднир Д.С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. - 304 с.

38. Коднир Д.С., Жильников Е.П., Байбородов Ю.И. Эластогидродина-мический расчёт деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. - 160 с.

39. Комарова Н.И., Корчемный JI.B. Потери мощности в механизмах газораспределения // Автомобильная промышленность. 1990. - № 9. -С. 12-13.

40. Корчемный J1.B. Механизм газораспределения автомобильного двигателя: Кинематика и динамика. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981. - 191 с.

41. Корчемный JI.B. Механизм газораспределения двигателя. М.: Машиностроение, 1964. - 211 с.

42. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Техника, 1970. - 395 с.

43. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

44. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

45. Кужелев В.П. Расчетно-экспериментальное исследование напряженности вставных седел выпускных клапанов двигателя типа Д-42 // Бюл. «Нов. технол.».-2000. №2. - С. 38-40.

46. Кулачок привода клапана: Заявка на патент № 2004131927/06 / А.В. Васильев, Д.В. Попов, Е.Д. Дейниченко. Приоритет от 01.11.2004.

47. Ларцев A.M. Многопараметрическая оптимизация механизма газораспределения ДВС с целью улучшения его динамических качеств и надёжности: Дис. . канд. техн. наук. Волгоград, 1985. - 269 с.

48. Левитский Н.И. Кулачковые механизмы. М.: Машиностроение, 1964.-286 с.

49. Ляшко В.А., Потемкин М.М. Разработка критериев оценки износостойкости поверхностей трения // Трение и износ.-1995. №4. - С. 710.

50. Малышев А., Капырин М. Износ газораспределительного механизма КамАЗ-740 // Автомобильный транспорт. 1987. - № 4. - С. 38 - 40.

51. Мишин И.А. Долговечность двигателей. Л.: Машиностроение, 1968.-260 с.

52. Назаров А.Д. Теоретические основы и экспериментально-аналитический метод определения влияния суммарной неуравновешенной массы деталей КШМ на ресурс двигателя // Трение и износ.-1999.-№3.-С. 288-300.

53. Новиков В.Г., Фёдоров A.A., Бытев Д.О. Критерий задиростойкости сопряжения кулачок плоский толкатель автомобильного дизеля // Инженерный журнал. Справочник. - 2004. - №7. - С. 24 - 30.

54. О влиянии профиля кулачка и жёсткости клапанного привода на динамику клапана быстроходного тракторного дизеля / B.C. Бениович, A.M. Бойко, Д.Г. Вестман, В.П. Прохоров // Тракторы и сельхозмашины. 1979. - № 8. - С. 10 -12.

55. О расчёте долговечности деталей газораспределительного механизма двигателей / Ю.М. Панов, И.Б. Гурвич, А.П. Егорова, Л.А. Жолобов // Автомобильная промышленность. 1976. - № 2. - С. 10 - 12.

56. Определение нагруженности кулачков газораспределительного вала / JI.B. Корчемный, В.Д. Казакова, Б.М. Ливанов, Е.М. Хайновский // Автомобильная промышленность. 1977. - № 1. - С. 8 - 10.

57. Оценка износостойкости деталей механизма газораспределения двигателей ГАЗ и ЗМЗ / Ю.М. Панов, И.Б. Гурвич, А.П. Егорова, Л.А. Жолобов // Автомобильная промышленность. 1975. - № 5. - С. 5 - 7.

58. Павлихин С.Е., Голикова Н.Н., Полунин В.Н., Крючков А.Н. Исследование износостойкости выпускных клапанов двигателя ВАЗ 2112 со стержнями из различных материалов // Двигателестроение.-2002. -№2. С.28-31, 7 ил.

59. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Нахимович Е.С. Моделирование износостойкости и долговечности опор качения // Проблемы машиностроения и надежности машин.-2002. №3. - С. 55.

60. Попык К.Г. Конструирование и расчёт автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высшая школа, 1973. - 300 с.

61. Работа привода клапанов дизеля с четырёхклапанной головкой цилиндра / Л.В. Корчемный, Б.М. Ливанов, Н.И. Комарова, С.С. Наумов // Автомобильная промышленность. 1986. - № 2. - С. 6 - 7.

62. Решетов Д.Н. Кулачковые механизмы. М.: Машгиз, 1953. - 427 с.

63. Сорокин Г.М. Трение как составная компонента механического изнашивания // Вестник машиностроения.-1999. №3. - С.3-5.

64. Справочник по триботехнике: В 3 т. / Под общ. ред. М. Хебды, А.В. Чичинадзе Т. 1: Теоретические основы. - М.: Машиностроение,1989. 400 е.; Т.2: Смазочные материалы, техника смазки, опоры скольжения и качения. - М.: Машиностроение, 1990. - 416 с.

65. Степурин П.В. Теоретическое исследование трения и изнашивания рабочих поверхностей кулачковых механизмов // Трение и износ.-1998. Том 19, №6. - С. 739-744.

66. Тихомиров В.П., Горленко А.О., Костенко Р.П. Технологическое обеспечение геометрии криволинейного профиля деталей при изнашивании // Проблемы машиностроения и надежности машин.-2001. -№2. С. 68-77.

67. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

68. Эфендиев A.M., Драбкин Я.И., Кравцов В.И. Расчётное исследование динамики клапанного привода тепловозного дизеля Д70 // Двигатели внутреннего сгорания: Респ. междувед. науч.-техн. сб. / ХПИ. -Харьков: Вища школа, 1970. Вып. 11. - С. 115 - 124.

69. Akiba К. Vibration problems of valve mechanism on high speed diesel engines // J. Mar. Eng. Soc. Jap. 1987. - Vol. 22, № 8. - P. 495 - 501.

70. Bell J.C., Colgan T. Pivoted-follower valve train wear: criteria and modelling // Lubr. Eng. 1991. - Vol. 47, № 2. - P. 114 - 121.

71. Dowson D., Taylor C.M., Zhu G. A transient elastohydrodynamic lubrication analysis of a cam and follower // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1992. -Vol. 25, № lA. - P. A313 - A320.

72. Dyson A. Kinematics and wear patterns of cam and finger follower automotive valve gear // Tribology International. 1980. - Vol. 13, № 3. - P. 121-132.

73. Kreuter P., Pischinger F. Valve train calculation model with regard to oil film effects // SAE Techn. Pap. Ser. 1985. - № 850399. - P. 1-10.

74. Optimierung des Verschleißverhaltens am Ventiltrieb des Opel 3,0 1/24 V-Motors / Bockelman V.W., Gerve A., Kehrwald B., Willenbockel O. // MTZ: Motortechn. Z. 1991. - Vol. 52, № 2. - S. 50 - 58.

75. Roby S. H., Patterson G. H., O'Connor B. M. Investigation of sequence 3D valve train wear mechanisms // Lubr. Eng. 1989. - Vol. 45, № 3. - P. 177- 184.

76. Taylor C.M. Fluid-film lubrication in the internal combustion engine: an invited review // J. Phys. D.: Appl. Phys. 1992. - Vol. 25, № 1A. - P. A91 -A100.

77. Willermet P.A., Pieprzak J.M. Some effects of lubricant composition and tappet rotation on cam/tappet friction // Trans. ASME. J. Tribol. 1989. -Vol. Ill, №4.-P. 683 -691.