Радиальное профилирование направляющей части поршня двигателя внутреннего сгорания

РАДИАЛЬНОЕ ПРОФИЛИРОВАНИЕ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ ЧАСТИ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Ю.В. Рождественский, А.И. Гусев

Обосновываются предпосылки для разработки методологии оптимизации радиального профилирования направляющей части поршня. Оценено влияние радиального профиля на гидромеханические характеристики сопряжения «поршень-цилиндр».

У двигателей внутреннего сгорания на юбке поршня после некоторого периода эксплуатации возникают натиры. Они являются результатом работы двигателя на режиме, когда толщина масляной пленки не достаточна для обеспечения жидкостного трения, или абразивного износа сопряжения. Таким образом, область натира юбки можно считать несущей областью, в которой толщина масляного слоя меньше, а гидродинамическое давление больше чем в других частях юбки поршня.

Анализ натиров у различных поршней [1] позволил выделить три разновидности геометрических форм пятен контакта юбки поршня, характерные как для бензиновых, так и для дизельных двигателей: овальные, иксобразные и прямоугольные. В общем случае натиры у нагруженной и ненагруженной сторон юбки поршня различны.

На формирование несущей поверхности (пятна контакта) юбки поршня влияет ее осевое и радиальное профилирование. Под осевым профилированием авторы понимают конструктивно заданное отклонение направляющей части поршня от цилиндричной формы, под радиальным профилированием - конструктивно заданное отклонение наружной границы поперечного сечения юбки от окружности. Методология оптимизации осевого профиля и расчет гидромеханических параметров рассмотрены в работах [2-6], задача оптимального радиального профилирования изучена недостаточно полно.

Форма и площадь несущей поверхности непосредственно влияют на гидродинамические характеристики сопряжения «поршень - цилиндр»: потери мощности на трение, расход смазки в направлении камеры сгорания и толщину смазочного слоя. Целенаправленно формируя геометрию несущей поверхности можно добиться оптимальных гидродинамических характеристик сопряжения.

На примере поршня с овальной формой несущей поверхности рассмотрим развертку юбки в координатах 0ф! (рис. 1), где ф- угловая координата, отсчитываемая от плоскости проходящей через продольную ось поршня и перпендикулярную оси поршневого пальца, I - координата по высоте юбки отсчитываемая от середины юбки. Линии фх(г), ф&г), фз(г), фц(г) ограничивают несущие поверхности, причем ф1(г) и ф4(г) симметричны относительно прямой проходящей через О (360°) и образуют нагруженную сторону юбки, а линии фг(г) и фз(г) симметричны относительно прямой проходящей через 180° и образуют ненагруженную сторону юбки. Точки С) и совпадают с вершинами линий ф\(г) и ф^г) соответственно. Размеры вт и 0О2 - это ширина несущих поверхностей на уровнях 2С\и ЪСг соответственно, размер Ь\, - расстояние по оси ф от точки С, до пересечения границы несущей поверхности с верхним краем развертки, размер /г2, - расстояние по оси ф от точки С, до точки пересечения границы несущей поверхности с нижним краем развертки, где г-1, 2 - нагруженная и ненагруженная сторона поршня. На рис. 2 и 3 изображены развертки для поршней с иксобразной и прямоугольной формой несущей поверхности.

По аналогии с осевым профилированием [2-4], линии ф\(г), ф^г), ф$(г) и ф^г) можно аппроксимировать параболами вида:

<Р\ (г)= %- + % • Кх  |(г - тгХ У'1,

в в г

РФ)=360 -у -у  V К2 - тгх Г1;

Рг (2) = 180 — • кг1  |(г - тг2 )| 'г2,

<ръ(г) = 180 + ^  кг2  \{г - тггУЛ .

Здесь к„, /„, т„ - коэффициенты параболы (индекс “г” указывает на радиальное профилирование):

к

К

1п

в,

02

(а + /и„)/п

а + тгі *

где В и І? - высота и радиус юбки поршня, мм.

т., =

¿о

Я

а =

В

2Я'

2 — -

Я'

Рис. 1. Развертка юбки поршня с овальным радиальным профилированием

Рис. 2. Развертка юбки поршня с иксобразным радиальным профилированием

Формулы (1) и (2) при /> 1 описывают несущую поверхность наиболее встречающихся форм: если коэффициент кп > 0, несущая поверхность имеет иксобразную форму; при к„< 0 -овальную; при к = 0 - прямоугольную.

После внесения описанных выше дополнений в разработанную программу «Орбита - Поршень 3» [7], с ее помощью исследовано влияние формы несущей поверхности поршня на гидромеханические характеристики сопряжения «поршень - цилиндр». Рассчитывалась динамика поршня на смазочном слое в цилиндре двигателя с допущениями классической гидродинамической теории смазки. Основные рассчитываемые характеристики: И- потери мощности на трение;

Q¡ - расход смазки в направлении камеры сгорания, косвенно характеризующий расход смазки на угар; кср - средняя за цикл толщина смазочного слоя.

Несущая поверх-

Рис. 3. Развертка юбки поршня с прямоугольным радиальным профилированием

В качестве объекта исследований выбран поршень двигателя типа ЧН 15/16. Расчеты производились на режиме номинальной мощности. Несущие поверхности принимались одинаковые (симметричные) с нагруженной и ненагруженной стороны поршня (1,л=1г1=1, кл=кл~к, тг\-тг2=т, 0о1=0о2=0о, Ы\^\2=Ь{). При исследовании влияния параметров к, I, т площадь несущих поверхностей оставалась постоянной и принималась равной площади прямоугольной несущей поверхности с параметром ва, - 90°. Расчеты выполнялись для двух вариантов: цилиндрическая юбка поршня в горячем состоянии, симметричный бочкообразный осевой профиль юбки.

Параметр к, определяющий форму несущей поверхности, изменялся от -2,959 до 6,724, что соответствует изменению параметра к\ от -50° до +50°. Для сохранения постоянного значения площади несущей поверхности параметр в0 изменялся от 55° до 125°. Меньшие значения этого параметра соответствуют иксобразной форме, большие - овальной. Форма некоторых несущих поверхностей представлена на рис. 4. Из графиков (рис. 5) видно, что сопряжение с иксобразной несущей поверхностью имеет меньший расход смазки в направлении камеры сгорания, а так же меньшие потери мощности на трение, как для цилиндрической, так и для бочкообразной формы юбки поршня.

а) б)

Рис. 4. Форма рассчитываемых несущих поверхностей юбки поршня: а - овальная: 1 - /?1 = -50°, 2-11, = -25°, 3 — /?1 = 0°; б - иксобразная: 1 - Л1 = 50°, 2-Ь,= 25°, 3 - /?( = 0°

При исследовании влияния параметра т, определяющего положение вершин парабол, описывающих границы несущей поверхности, параметр к\ принимался равным -20° для несущей поверхности овальной формы и +20° для иксобразной. Для рассматриваемого поршня диапазон

изменения параметра т составляет от -0,52 до +0,52. Отрицательные значения соответствуют смещению вершины в направлении днища поршня. При исследованиях параметр т изменялся от -0,13 до +0,39, так как расширение этого диапазона приводило (для принятых условий) к пересечению границ несущих поверхностей. Некоторые из исследуемых несущих поверхностей приведены на рис. 6, а результаты расчетов на рис. 7. Исходя из полученных результатов, следует вывод, что у поршня с несущей поверхностью овальной формы с увеличением параметра т растет расход смазки 0\.

1020

Вт

995

970

945

920

-50 -25

ч — і N

оґ ч ч. ч* ч. \ \

Ьср \ \

"V — ~ — *

0 25 Ьь град

а)

100

Яъ см3/с

)іср. мкм 75

50

25

0

700 Д Вт 680

660

640

620

600

ч

\ N

\

ч > и

Ьср \ \ \ N. *

\ 4

-50 -25

Рис. 5. Результаты расчета влияния параметра И,: а - для поршня без осевого профиля; б - для поршня с осевым профилем

б)

25 кь град

250

бь см3/с 1гср, мкм

150

100

50

0

а)

б)

Рис. 6. Форма рассчитываемых несущих поверхностей: а -овальная: 1 -т = -0,13, 2-т = 0, 3-т = 0,39; б - иксобразная: 1 - т = - 0,13, 2 - т = 0, 3 - /п = 0,39

Параметр / характеризует кривизну границ несущей поверхности. В расчетах / =1, 2, 3, 4; параметр Ь\ принимался равным -30° для несущей поверхности овальной формы и +30° для ик-собразной. Если / = 1, то несущая поверхность (при к>0) принимает вид ромба. Несущая поверхность такой формы в литературе не встречалась, но может представлять интерес как предельный случай. Некоторые из рассматриваемых несущих поверхностей изображены на рис. 8, результаты расчета представлены на рис. 9, из которого следует, что этот параметр слабо влияет на характеристики сопряжения при данных условиях.

Расчет влияния 0О производился для прямоугольной, овальной и иксобразной формы несущей поверхности на цилиндрической и бочкообразной юбке поршня. Параметр к\ для овальной несущей поверхности принимался равным -15°, для иксобразной +15°, 1-2 .С увеличением в0

площадь несущей поверхности увеличивается. Форма рассчитываемых несущих поверхностей представлена на рис. 10. Результаты расчета изображены на рис. 11.

700 Ы, Вт 675

650

625

600

01 у

/ V/

/ / / / /б1

/

пср

140

Qbсм3/с

hcp, мкм

110

80

50

-0,15

0

0.15

0,3

20 т 0,45

--для иксобразного пятна контакта;

-----------для овального пятна контакта

а)

Рис. 7. Результаты расчета влияния параметра т: а - для поршня без осевого профиля; б - для поршня с осевым профилем

-----для иксобразного пятна контакта;

-------для овального пятна контакта

б)

9, фад 9, град

а) б)

Рис. 8. Форма расчитываемых несущих поверхностей: а - овальная: 1 - / =1; 2 - / =4; б - иксобразная: 1 -1 =1; 2 - / =4

Во всех трех случаях (см. рис. 11 а, б, в) с увеличением ширины несущей поверхности наблюдается рост потерь мощности на трение, как для цилиндрической, так и для бочкообразной юбки. Более высокие потери мощности присущие иксобразной несущей поверхности по сравнению с прямоугольной и овальной объясняются ее наибольшей площадью при одинаковых значениях в0. Для прямоугольной и овальной несущей поверхности с ростом во происходит снижение расхода смазки Q}. Можно отметить увеличение толщины смазочного слоя hcp с увеличением ширины несущей поверхности.

1000 N, Вт 800

600

400

200

0

-А-

'N

0.

01

100 800

Q ], см3/с N. Вт

hcp, мкм 700

60 600

40 500

20 400

0 300

- - для иксобразного пятна контакта; ----для овального пятна контакта

_ t

\ / N "V '

01 }ср

\ 1Т II II II II II

170

01, см3/с hCp, мкм

110

80

50

20

2 3/4

- - для иксобразного пятна контакта;

---для овального пятна контакта

б)

Рис. 9. Результаты расчета влияния параметра I: а - для поршня без осевого профиля; б - для поршня с осевым профилем

-0,6 z, мм -0,4

-0,2

0

0,4

0,2

0,6

'I7

/ / / \ Л

/ / \ S \

/ \

а)

<Р, град

б)

<Р, град

120 150 180 210 240 <Р, град

в)

Рис. 10. Форма расчитываемых несущих поверхностей: а - овальная: 1 - во = 45°, 2 - во = 70°, 3 - во = 90°; б - иксобразная: 1 - во = 45°, 2 - во = 70°, 3 - во - 90°; в - прямоугольная: 1 - во - 45°, 2- в0 = 60°, 3 - во = 90°

Подводя итог, можно сделать вывод, что основное влияние на гидромеханические характеристики сопряжения «поршень-цилиндр» оказывает форма несущей поверхности. У сопряжения с иксобразной несущей поверхностью поршня лучшие характеристики лучше: меньше потери на трения и расход смазки в направлении камеры сгорания. При удалении положения вершин границ несущей поверхности от днища поршня с овальной несущей поверхностью происходит увеличение расхода смазки Q\. Кривизна границ несущей поверхности, определяемая параметром 1 на рассматриваемые характеристики сопряжения влияет мало. Увеличение параметра в0 с одновременным ростом площади несущей поверхности приводит к значительному увеличению потерь мощности, увеличению толщины смазочного слоя hcp, снижению расхода смазки в направлении камеры сгорания для овальной и прямоугольной несущей поверхности юбки поршня. Целенаправленное изменение геометрии несущей поверхности юбки поршня позволит оптимизировать гидродинамические параметры сопряжения «поршень - цилиндр» двигателя внутреннего сгорания.

1000 Ж Вт

600

400

200

О

\

V ''уы

г

<21

— ————

150 Ю00

{)ь N. Вт см3/с

30 50 во, град 90

- - для бочкообразного

пср? МКМ

60

30

о

600

400

200

О

ч \ \

*•

Ои

\* в-—-— —

30 50 в0, град 90

- - для бочкообразного

150 1000

0ь ДВт

см3/с

мкм 600

60 400

30 200

.0 0

У \ \ \

е,\ /

Ч .

л.

е.

30

50 во, град 90

150

см3/с

Ьср1

МКМ

60

30

0

осевого профиля;

------------для цилиндрического

осевого профиля а)

осевого профиля;

-----------для цилиндрического

осевого профиля б)

---------для бочкообразного

осевого профиля;

-----------для цилиндрического

осевого профиля в)

Рис. 11. Результаты расчета влияния параметра 0О: а - овальная несущая поверхность; б - иксобразная несущая поверхность; в - прямоугольная несущая поверхность

Работа выполнена при финансовой поддержке аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» (код проекта РНП 2.1.2.2285).

Литература

1. Поршень в общем и в частности / С. Самохин, А. Хрулев /www.ab-engine.ru.

2. Влияние параметров кривошипно-шатунного механизма на гидромеханические характеристики сопряжения «поршень-цилиндр» двигателя внутреннего сгорания /Ю.В. Рождественский, Г.И. Плешаков, А.И. Гусев // Актуальные проблемы теории и практики современного двигателестроен ия: Труды Международной научно-технической конференции, 23-25 апреля 2003 г., г. Челябинск. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003. - С. 219-221.

3. Оптимизация профиля поршня / Ю.В.Рождественский, А.П. Маслов, В.В. Милицын, Г.И Плешаков //Наука и технологии: Сборник трудов. - М.: РАН, 2002. - С. 146-151.

4. Маслов А.П., Милицын В.В., Плешаков Г.И. Влияние профиля цилиндра на гидромеханические характеристики сопряжения «поршень - цилиндр» двигателя внутреннего сгорания // Наука и технологии: Сборник трудов. - М.: РАН, 2002. - С. 151-156.

5. Результаты расчетных исследований динамики сопряжения «поршень-цилиндр» транспортного дизеля / Ю.В. Рождественский, А.П. Маслов, В.В. Милицын, Г.И Плешаков // Конструирование и эксплуатация наземных транспортных машин: Сборник трудов. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2001. - С. 86-91.

6. Рождественский Ю.В., Плешаков Г.И, Гусев А.И. Влияние геометрии юбки в осевом и радиальном направлении на гидродинамические параметры сопряжения «поршень - цилиндр» транспортных дизелей // Многоцелевые гусеничные и колесные машины: актуальные проблемы теории и практики, научная работа и образование (26-27 октября 2004 г.): Сборник трудов Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Н.Л. Духова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2005. - С. 67-102.

7. Комплекс программ для исследования работы трибосопряжения «поршень-цилиндр» «Орбита - Поршень 3». Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005610094, Зарег. 11 января 2005 г.