УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТРЕНИЯ В ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЕ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВОЗДУШНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Область техники
Полезная модель относится к машиностроению и может быть использована в поршневых машинах, в частности, при проведении испытаний по измерению силы трения в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с воздушным охлаждением.
Уровень техники
Аналогом предлагаемой полезной модели может быть принято устройство [1] для измерения сил трения в ЦПГ ДВС с воздушным охлаждением, содержащее цилиндр, головку цилиндра, каркас и блок-картер, скрепленные путем затяжки гаек на ввернутых в блок-картер анкерных шпильках. Данное устройство имеет сложную конструкцию, обусловленную наличием несущего каркаса. Кроме того, последний, перекрывая доступ охлаждающего воздуха к ребрам цилиндра, нарушает реально существующий на двигателе тепловой режим, что вносит искажения в результат измерения силы трения в ЦПГ.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели - прототипом - является устройство [2], содержащее цилиндр, головку цилиндра, блок-картер, гайки на ввернутых в блок-картер шпильках, снабженных по краям средней части двумя опорными поверхностями, одна из которых опирается на фланец, выполненный на цилиндре со стороны его головки, а другая - на поверхность блок-картера, причем между поверхностями цилиндра и блок-картера имеется зазор, превышающий величину деформации шпилек при их сжатии. Измерение силы трения в ЦПГ при использовании устройства [2] осуществляется путем регистрации напряжения сжатия-растяжения в средней части шпильки под действием указанной силы.
Недостатком прототипа является высокий уровень изгибных напряжений в материале шпилек, что обусловлено спецификой установки цилиндра на блок по схеме "подвесной фланцевый цилиндр - несущие фланцевые шпильки". При такой схеме цилиндр в значительной мере освобожден от нагрузок, вызванных затяжкой гаек и действием изгибающего момента от боковой силы поршня во время работы устройства. Однако в данном случае эти нагрузки воспринимают несущие шпильки, что приводит к резкому снижению их усталостной прочности и риску внезапной поломки устройства.
Раскрытие полезной модели
Задачей и техническим результатом полезной модели является снижение уровня изгибных напряжений в материале шпилек, повышение надежности работы устройства, точности и достоверности измерений, снижение расхода моторного масла па угар во время испытаний.
Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения силы трения в цилиндро-поршневой группе двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением содержит цилиндр с фланцем, головку цилиндра, гайки на шпильках, соединяющих цилиндр и головку цилиндра и имеющих по краям средней части две опорные поверхности, одна из которых связана с фланцем цилиндра, другая - с блок-картером, в отверстии которого цилиндр установлен с осевым зазором, превышающим величину деформации шпилек при их сжатии. При этом оно снабжено размещенным в средней части шпилек участком упрочнения, выполненным в виде цилиндрического утолщения, осевой и диаметральный размеры которого соизмеримы соответственно с диаметром средней части и опорных поверхностей шпильки, а именно: значения осевой высоты h и толщины, или (то есть) диаметра, H указанного цилиндрического утолщения приблизительно равны соответственно с диаметром d средней части шпильки и максимальным диаметром ее опорной поверхности D то есть: h≅d и H≅D. Иными словами: в средней, заключенной между размещенными по концам каждой шпильки устройства опорными поверхностями, части выполнено упрочняющее утолщение, осевой размер которого соизмерим с диаметром шпильки, а диаметральный размер - с наружным диаметром опорных поверхностей шпильки.
Перечень чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства.
На фиг. 2 изображен эскиз основных размеров участка упрочнения шпильки.
Осуществление полезной модели
Новизна полезной модели состоит в том, что в отличие от прототипа, несущие шпильки не являются одинаковыми по диаметру (равнопрочными), а имеют в средней по осевой высоте части специально выполненное упрочнение, осевой и диаметральный размеры которого подобраны рациональным образом, позволяющим снизить уровень максимального изгибающего напряжения в наиболее опасном сечении шпильки (переход средней части в нижнюю опорную поверхность, сопряженную с блок-картером) и при этом не препятствовать процедуре монтажа-демонтажа устройства.
Анализ известных конструкций устройств для измерения сил трения в ЦПГ ДВС с воздушным охлаждением, показал, что в них отсутствуют цилиндрические (или иной формы) утолщения центральной части несущих шпилек, выполненные для упрочнения (увеличения изгибной жесткости) конструкции, что доказывает новизну предлагаемого технического решения.
В выполненных конструкциях ДВС с воздушным охлаждением утолщение центральной стержня анкерных шпилек, с помощью которых несущий цилиндр крепится на блок-картере, встречаются (например, см. [3]), однако, во-первых, схема крепления цилиндра в этих конструкциях принципиально отличается от той, что используется в предлагаемом устройстве с несущими шпильками и, во-вторых, влияние указанных утолщений на заявляемый технический результат в части повышения надежности работы двигателя и снижения его расхода масла на угар не подтверждены. Расчетное моделирование напряженно-деформированного состояния элементов устройства применительно к размерности и условиям номинального режима работы дизеля с воздушным охлаждением 1Ч 85/80 (ТМЗ-450Д), выполненное с помощью программного комплекса ANSYS, показало, что наличие упрочняющих участков 9 рациональных размеров в средней части шпилек 6 привело к снижению максимальных напряжений изгиба в зоне заделки шпилек 6 с 928 МПа до 711 МПа (снижение на 23%). Такой характер изменения напряжений в материале шпилек 6 означает уменьшение риска их поломки и однозначно указывает на повышение надежности работы устройства. Кроме того, наличие упрочняющих участков 9 шпилек 6 вызвало подавление искажение исходной геометрии внутренней поверхности цилиндра: вызываемые монтажными деформациями отклонения от исходной геометрии поперечного сечения образующей внутренней поверхности (зеркала) цилиндра снизились в поперечном сечении на 1…2 мкм (на 20…33%), в продольном направлении - на 1…7 мкм (на 20…50%). Такое существенное снижение искажений исходной геометрии внутренней поверхности цилиндра приводит к повышению точности измерений силы трения, улучшению уплотнения зазора "поршень-цилиндр" поршневыми кольцами и, как следствие из этого, позволяет снизить расход моторного масла на угар во время испытаний.
Промышленная применимость заявляемого устройства обусловлена простотой конструкторско-технологической реализации его отличительных признаков, а также непременным условием оценки механических потерь в ЦПГ при испытаниях и доводке ДВС.
Полезная модель поясняется фиг. 1, на котором показан общий вид устройства для измерения силы трения в ЦПГ ДВС с воздушным охлаждением. Устройство включает цилиндр 1, имеющий обращенный к головке 2 цилиндра 1 фланец 3, связанный при помощи гаек 4 с верхней опорной поверхностью 5 несущих шпилек 6, установленных по нижней опорной поверхности 7 в блок-картер 8 и имеющих в средней своей части, заключенной между указанными опорными поверхностями, участок упрочнения 9, выполненный в виде цилиндрического утолщения, осевой и диаметральный размеры которого соизмеримы с диаметром средней части и опорных поверхностей шпильки.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В собранном состоянии и при неработающем ДВС средний участок шпилек 6 разгружен от деформации. При работе ДВС на этом участке шпилек 6 возникают, в частности, осевые деформации растяжения-сжатия, пропорциональные силе трения поршня (на фиг. 1 не показан) в цилиндре 1. Регистрация этих деформаций, производимая любым известным методом, например, тензометрией, после соответствующей калибровки позволяет определить величину и изменение искомой силы трения в ЦПГ. Однако во время работы устройства несущие шпильки 6 неизбежно испытывают изгибающие напряжения, обусловленные действием момента от боковой силы поршня. Максимальное значение этих напряжений приходится на зону заделки шпилек 6 в блок-картер 8, т.е. на зону нижней опорной поверхности 7 шпилек 6. Практика применения известного устройства показала недостаточную надежность его работы, связанную с риском усталостного разрушения материала шпилек 6 из-за высоких, превышающих предел прочности материала шпильки 6 изгибных напряжений в зоне их заделки. Выполнение рационально подобранных по размерам участков упрочнения 9 в средней части шпилек 6 приводит к существенному снижению опасных изгибных напряжений в зоне заделки шпилек 6, повышая тем самым надежность работы устройства. Определение рациональных размеров - осевой высоты h и толщины H (фиг. 2) - участка упрочнения 9 в средней части каждой шпильки 6 было осуществлено путем последовательного перебора значений этих параметров как входных величин в процессе расчетного исследования напряженно-деформированного состояния элементов устройства, о чем сказано ниже. Естественным конструкционным ограничением указанных размеров были полная длина средней части L и максимальный диаметр D опорных поверхностей шпильки 6. Результаты моделирования напряженно-деформированного состояния показали, что наименьшие напряжения изгиба при прочих равных условиях дали значения осевой высоты h и толщины (диаметра) H, примерно равные (соизмеримые) с диаметром d средней части шпильки 6 и максимальным ее диаметром D т.е. h≅d и H≅D. Выбор цилиндрической формы для участка упрочнения 9 был обусловлен соображениями обеспечения простоты изготовления шпильки 6.
Технико-экономическим преимуществом предлагаемой полезной модели является снижение уровня изгибных напряжений в материале шпилек, повышение надежности работы устройства, увеличение точности и достоверности измерений с его помощью силы трения в ЦПГ, а также снижение расхода моторного масла на угар во время испытаний.
Источники информации:
1. Рык Г.М., Тухман И.Я. Определение сил трения поршневой группы дизеля с воздушным охлаждением Межвед. респ: научн.-техн. сб. "Двигатели внутреннего сгорания". - Харьков: ХГУ им. А.М. Горького, 1980. - Вып. 31. - С. 105-112.
2. А.с. СССР №985736. Устройство для определения силы трения в цилиндропоршневой группе двигателя внутреннего сгорания с воздушным охлаждением / С.В. Путинцев, В.К. Чистяков, Ю.С. Песоцкий и др. - Бюлл. №48. - 1982. - С. 160.
3. Дизели с воздушным охлаждением Владимирского тракторного завода / В.В. Эфрос, Н.Г. Ерохин, Р.И. Кульчицкий и др. - М.: Машиностроение, 1976. - 277 с.