ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ШАТУНОВ С РАЗЛИЧНЫМ ПОПЕРЕЧНЫМ СЕЧЕНИЕМ СТЕРЖНЯ
Аннотация
Форсирование современных двигателей внутреннего сгорания сопровождается повышением нагрузок на основные детали. Шатун испытывает значительные знакопеременные нагрузки и относится к наиболее ответственным деталям двигателя. Надежность шатуна обеспечивается выбором материала, конструкцией и технологией изготовления. В статье содержится информация о применении для изготовления шатунов высокопрочных материалов, однако основным материалом шатунов остаются стали. Одной из важнейших конструктивных характеристик шатуна является форма сечения стержня. Наиболее типичными являются двутавровые сечения стержня. В последнее время появилась информация о разработке шатунов с Н-образной и Х-образной формами сечения стержня, а также двутавровом сечении с подкреплением. Статья посвящена оценке прочности шатунов, изготовленных из стали с различной формой сечения стержня. Оценка прочности производилась на основании анализа напряженно-деформированного состояния шатунов с использованием построенных твердотельных моделей с различной формой сечения стержня. В статье приведены твердотельная и конечно-элементная модели сборок кривошипно-шатунного механизма, которые использовались для численного моделирования напряженно-деформированного состояния шатуна при статическом нагружении максимальной газовой силой и максимальной силой инерции поступательно движущихся масс. В статье представлены в относительных величинах максимальные перемещения точек шатунов и эквивалентные напряжения при статическом сжатии и растяжении. Задача в динамической постановке решалась с использованием полноразмерных конечно-элементных моделей двухцилиндровых двигателей. В результате расчетов, выполненных с использованием программного продукта ANSYS/LS-Dyna, получены среднеквадратичные значения эквивалентных напряжений точек шатунов при динамическом нагружении. Значения напряжений приведены в статье в относительных величинах. Полученные результаты свидетельствуют, что прочностные характеристики шатунов с Н-образным профилем сечения стержня по сравнению с характеристиками шатунов с двутавровым профилем сечения стержня имеют незначительные преимущества. Шатуны с крестообразным профилем таких преимуществ не имеют.
Ключевые слова
двигатель внутреннего сгорания, шатун, материал, форма сечения стержня, твердотельная модель, конечно-элементная модель, численное моделирование, статическое и динамическое нагружение, перемещения точек, эквивалентные напряжения
Читать полный текст статьи: PDF
Список литературы
Салтыков М. А. Прочность ДВС. Методы и средства обеспечения безопасности / М. А. Салтыков. - М.: Изд-во МГОУ, 1995. - Ч. 1. - 90 с.
Чайнов Н. Д. Конструирование двигателей внутреннего сгорания / Н. Д. Чайнов, Н. А. Иващенко, А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков. - М.: Машиностроение, 2008. - 496 с.
Краснокутский А. Н. Оценка и сравнение долговечности шатунов из стали и титанового сплава высокофорсированного авиационного дизеля / А. Н. Краснокутский, А. О. Калинин // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2012. - № 8. - С. 30-32. DOI: 10.7463/0812.0475907.
Калинин А. О. Применение титановых сплавов для шатунов высокофорсированных авиационных дизелей / А. О. Калинин, А. Н. Краснокутский // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2011. - № 13. - С. 20-22.
Moldenhauer F. Verbesserungen bei bruchtrennfähigen Pleuelstangen durch neuen mikrolegierten Stahl / F. Moldenhauer // MTZ - Motortechnische Zeitschrift. - 2000. - Vol. 61. - Is. 4. - Pp. 244-245. DOI: 10.1007/BF03226567.
Neugebauer R. Halbwarm-Präzisionsschmieden eines Pleuels mit offenem Steg / R. Neugebauer, Hartwig, A. Wagner. - Düsseldorf: Verlag und Vertriebsgesellschaft, 2008. - 100 p.
Конкс Г. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта / Г. А. Конкс, В. А. Лашко. - М.: Машиностроение, 2005. - 512 с.
Новиков Д. С. Вибрация автомобильного силового агрегата / Д. С. Новиков, А. И. Яманин // Труды НАМИ. - 2012. - № 250. - С. 50-61.
Косенок Б. Б. Синтез и исследование динамических характеристик перспективного кривошипно-шатунного механизма ДВС / Б. Б. Косенок, В. Б. Балякин, И. Н. Жильцов // Вестник машиностроения. - 2016. - № 10. - С. 47-50.
Вальехо Мальдонадо П. Р. Реализация процесса проектирования кривошипно-шатунного механизма ДВС в системе AUTODESK INVENTOR / П. Р. Вальехо Мальдонадо, Д. К. Гришин, В. А. Лодня // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. - 2008. - № 2. - С. 85-89.
Чайнов Н. Д. Расчетно-экспериментальное обоснование прочности и надежности шатунов при создании и модернизации высокофорсированных двигателей / Н. Д. Чайнов, А. Б. Матисен // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н. Э. Баумана. - 2011. - № 12. - С. 7.
Горшкалев А. А. Использование CAD/CAE-систем для расчета на прочность деталей кривошипно-шатунного механизма ДВС / А. А. Горшкалев, А. В. Кривцов, Е. А. Сайгаков, Д. В. Сморкалов // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. - 2011. - № 3-4 (27). - С. 172-176.
Арпишкин А. Ю. Применение критериев многоосного усталостного разрушения к оценке выносливости шатуна / А. Ю. Арпишкин, Л. Л. Мягков // Сб. тезисов докладов международной научно-технической конференции «Двигатель-2017». - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана. - С. 24-25.
Яманин А. И. Виброактивность форсированного двигателя с продолженным расширением рабочего тела / А. И. Яманин, В. А. Жуков // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. - 2014. - № 2 (29). - С. 88-90.
Яманин А. И. Численное моделирование виброактивности поршневых двигателей с продолженным расширением рабочего тела / А. И. Яманин, В. А. Жуков // Двигатели внутреннего сгорания. - 2014. - № 1. - С. 27-31.
Жуков В. А. Анализ алгоритмов расчета кинематики кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами / В. А. Жуков, А. И. Яманин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2016. - № 2 (36). - С. 109-118. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-2-109-118.
Яманин А. И. Расчет быстропеременных процессов в среде ANSYS/LS-DYNA / А. И. Яманин, В. Ф. Кутенев, Г. Г. Тер-Мкртичьян. - Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2011. - 92 с.
Об авторах
Яманин Александр Иванович - доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВО «ЯГТУ»Жуков Владимир Анатольевич - доктор технических наук, доцент
va_zhukov@rambler.ru. zhukovva@gumrf.ru
ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»
