блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением
Классы МПК: | F02F1/24 головки цилиндров |
Автор(ы): | Яковлев В.В. (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2003-10-24 публикация патента:
20.07.2005 |
Блок цилиндров ДВС с жидкостным охлаждением содержит образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами с опорными и центрирующими поверхностями под установку цилиндровых втулок. В кольцевых выступах со стороны опорных поверхностей выполнены компенсирующие выемки с глубиной 1,0-1,5 мм и шириной, равной ширине опорной поверхности. Ориентация и протяженность компенсирующих выемок в блоке цилиндров определяются параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности с радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности кольцевого выступа, и центральным углом , равным 35°-45°, связанными зависимостью
. Изобретение позволяет повысить износостойкость деталей цилиндропоршневой группы двигателей и снижение в них удельного расхода топлива и смазочного масла на угар. 17 ил.
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-2.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-20.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-21.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-22.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-23.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-24.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-25.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-26.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-27.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-28.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-29.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-30.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-31.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-32.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-33.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-34.jpg)
![блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, патент № 2256812](/images/patents/212/2256812/2256812-35.jpg)
Формула изобретения
Блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащий образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, отличающийся тем, что в кольцевых выступах со стороны опорных поверхностей выполнены компенсирующие выемки глубиной 1,0-1,5 мм и шириной, равной ширине опорной поверхности кольцевого выступа, при этом ориентация и протяженность компенсирующей выемки определены параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности кольцевого выступа, и центральным углом , равным 35-45°, связанными зависимостью
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в качестве основной корпусной детали двигателя внутреннего сгорания, а именно, в качестве блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением.
Овальность цилиндровых втулок, возникающая в процессе сборки двигателей, существенно снижает износостойкость деталей цилиндропоршневой группы двигателей и повышает удельный расход в них топлива и смазочного масла на угар.
Известны блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащие образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, также имеющих центрирующие и опорные поверхности, обеспечивающие передачу нагрузки от затяга силовых шпилек на стенки цилиндровых полостей блока (1. Чернышев Г.Д., Малышев А.А., Ханин Н. С. и др. Повышение надежности дизелей ЯМЗ и автомобилей КрАЗ. - М.: Машиностроение, 1974, с.106-111. 2. Григорьев М.А., Долецкий В.А. Обеспечение надежности двигателей. - М.: Издательство стандартов, 1978, с.212-219).
Однако использование известных блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением приводит к снижению износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей, повышению удельного расхода топлива и смазочного масла на угар вследствие различной нагруженности, жесткости и податливости стенок, образующих в блоке цилиндровые полости, представляющие собой статически неопределимые механические системы, в которых происходит частичное ослабление работы отдельных стенок, наступающее после затяга силовых шпилек, что является основной причиной, вызывающей овальность цилиндровых втулок в процессе сборки двигателей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащий образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, также имеющих центрирующие и опорные поверхности, обеспечивающие передачу нагрузки от затяга силовых шпилек на стенки цилиндровых полостей блока. В блоке цилиндровые втулки зажаты по верхнему бурту, а установка их по верхним и нижним центрирующим поверхностям осуществляется с зазором. Поэтому цилиндровые втулки могут быть изготовлены сравнительно тонкостенными, однако для жесткости конструкции приходится увеличивать толщину стенок цилиндровых полостей блока для уменьшения возникающей в процессе сборки двигателя овальности цилиндровых втулок (Хрулев А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. - М.: Издательство "За рулем", 2000. - с.25-26).
Использование блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, выбранного в качестве прототипа, также приводит к снижению износостойкости деталей цилиндропоршневой группы, повышению удельного расхода топлива и смазочного масла на угар, потому что от затяга силовых шпилек в процессе сборки двигателя возникает овальность цилиндровых втулок и применяемые меры по устранению этого дефекта не исключают самой причины возникновения овальности, поскольку не изменяют деформативных свойств механической системы блок цилиндров - цилиндровая втулка потому, что в данном случае имеет место взаимодействие внешней нагрузки и перемещений: не только перемещения зависят от нагрузки, но и сама нагрузка меняется в зависимости от перемещений (1. Пановко Я.Г., Губанова И.И. Устойчивость и колебания упругих систем. - М.: Наука, 1967, с.28-47. 2. Феодосьев В.И. Десять лекций - бесед по сопротивлению материалов. - М.: Наука, 1969, с.24-26).
Задачей настоящего изобретения является повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей и снижение в них удельного расхода топлива и смазочного масла на угар за счет устранения причины возникновения овальности цилиндровых втулок в процессе сборки двигателей путем изменения деформативных свойств системы блок цилиндров - цилиндровая втулка.
Для достижения названного технического результата в блоке цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением, содержащем образующие цилиндровые полости стенки, выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенных в верхней части кольцевыми выступами, имеющими опорные и центрирующие поверхности под установку цилиндровых втулок, в кольцевых выступах со стороны опорных поверхностей выполнены компенсирующие выемки с глубиной 1,0-1,5 мм и шириной, равной ширине опорной поверхности кольцевого выступа. При этом ориентация и протяженность компенсирующей выемки в блоке цилиндров определены параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности с радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности кольцевого выступа, и центральным углом , равным 35°-45°, связанными зависимостью:
Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения достаточна и необходима для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата - поставленной задачи. Так, в процессе сборки двигателя компенсирующие выемки предупреждают возникновение овальности цилиндровых втулок, а на работающем двигателе предупреждают возникновение сложных колебаний стенок блока и цилиндровых втулок за счет того, что вектор затяга силовых шпилек в блоке остается параллельным своему первоначальному направлению.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан блок цилиндров двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением с цилиндровыми втулками, продольный разрез А-А в вертикальной плоскости по оси коленчатого вала; на фиг.2 - блок цилиндров, продольный разрез Б-Б в горизонтальной плоскости, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.3 - блок цилиндров, поперечный разрез В-В в вертикальной плоскости по оси цилиндровой полости, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.4 - блок цилиндров, продольный разрез в вертикальной плоскости, вид Г на стенку цилиндровой полости, ориентированную параллельно оси коленчатого вала, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.5 - блок цилиндров, вид сверху на опорные поверхности кольцевых выступов с компенсирующими выемками, цилиндровые втулки не показаны; на фиг.6 - блок цилиндров, поперечный разрез В-В в вертикальной плоскости по оси цилиндровой полости, показаны цилиндровые втулки; на фиг.7 - закон нагрузки q((), передающейся на бурт цилиндровой втулки от затяга силовых шпилек в блоке - прототипе; на фиг.8 - блок цилиндров, поперечный разрез в вертикальной плоскости по оси цилиндровой полости, условия взаимодействия бурта цилиндровой втулки с опорной поверхностью кольцевого выступа после затяга силовых шпилек в блоке-прототипе; на фиг.9 - закон нагрузки q=const, передающейся на бурт цилиндровой втулки от затяга силовых шпилек в предлагаемом изобретении; на фиг.10 - блок цилиндров, поперечный разрез в вертикальной плоскости, условия взаимодействия бурта цилиндровой втулки с опорной поверхностью кольцевого выступа после затяга силовых шпилек в предлагаемом изобретении; на фиг.11 - схема нагружения бурта цилиндровой втулки, учитывающая различную степень податливости пластинчатых элементов, образующих цилиндровые полости в блоке; на фиг.12 - схема нагружения бурта цилиндровой втулки той частью от общей нагрузки q(
), которая с интенсивностью q0 изменяется по закону q 0=const; на фиг.13 - схема нагружения бурта цилиндровой втулки той частью от общей нагрузки q(
), которая с интенсивностью q1 изменяется по закону q 1(cos
); на фиг.14 - условия равновесия половины бурта цилиндровой втулки, позволяющие определить изгибающий момент X1 методом сил; на фиг.15 - условия равновесия бурта цилиндровой втулки в произвольном сечении, позволяющие рассчитать бурт цилиндровой втулки на изгиб и кручение методом сил; на фиг.16 - эпюры изгибающих
и крутящих моментов
, возникающих в сечениях бурта цилиндровой втулки при нагружении его по схеме, показанной на фиг.12; на фиг.17 - эпюры изгибающих
и крутящих моментов
, возникающих в сечениях бурта цилиндровой втулки при нагружении его схемы, показанной на фиг.13.
Блок цилиндров 1 двигателя внутреннего сгорания с жидкостным охлаждением (фиг.1) содержит образующие цилиндровые полости 2 стенки (фиг.2), выполненные в виде пластинчатых элементов, объединенные в верхней части кольцевыми выступами 3 (фиг.3), имеющими опорные 4 и центрирующие 5 поверхности под установку цилиндровых втулок 6 (фиг.1). В кольцевых выступах 3 (фиг.3) со стороны опорных поверхностей 4 выполнены компенсирующие выемки 7 с глубиной h, равной 1,0-1,5 мм (фиг.3) и шириной, равной ширине опорной поверхности 4 (фиг.5). Ориентация и протяженность компенсирующей выемки 7 в блоке цилиндров определяются параллельной оси коленчатого вала хордой l дуги окружности с радиусом R, равным радиусу центрирующей поверхности 5 кольцевого выступа 3, и центральным углом , связанными зависимостью (1) (фиг.4, 5).
Глубина h компенсирующей выемки 7 определяется из заданного условия отсутствия контакта между буртом 8 цилиндровой втулки 6 и поверхностью этой выемки 7 (фиг.10), при этом оптимальная величина h составляет 1,0-1,5 мм, исходя из обеспечения минимальной трудоемкости изготовления блоков цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Оптимальная величина центрального угла , равная 35°-45°, характеризующего протяженность компенсирующей выемки 7, определяется из условия, что вектор затяга силовых шпилек должен оставаться параллельным своему первоначальному направлению (см. фиг.10). Радиус R1 определяется размерами режущего инструмента при выполнении компенсирующей выемки 7.
В соответствии с внешним проявлением овальности цилиндровых втулок 6 в процессе сборки двигателей решается задача построения физической картины поведения полей деформации стенок цилиндровых полостей 2 блока 1 и втулок 6.
Условия работы цилиндропоршневой группы, как и двигателя в целом, во многом определяются конструктивным исполнением блока цилиндров 1 в сборе с цилиндровыми втулками 6, оцениваются величиной овальности 0,02...0,09 мм, возникающей в цилиндровых втулках 6 при затяге силовых шпилек в блоке 1 в процессе сборки двигателя (1. Взоров Б.А. Исследование причин деформации гильз при сборке двигателей/Б.А.Взоров, Е.В.Исаев, В.А.Коржаков и д.р.//Тракторы и сельхозмашины. - 1967. - №12. - С.13-18. 2. Гоголицын М.А. Влияние овальности цилиндров на показатели работы дизеля с воздушным охлаждением/М.А.Гоголицын, В.П.Овчинников//Сборник научных трудов. - Иваново: Владимир: Ивановский энергетический институт, 1972. - Вып. 24. - С.5-9. 3. Симдянкин А.А. Причины деформации гильз цилиндров дизеля КамАЗ/А.А.Симдянкин//Автомобильная промышленность. - 2001. - №4. - С.30-32. 4. Яхьяев Н.Я. Прогнозирование искажений формы рабочих поверхностей втулок цилиндров дизелей при сборке/Н.Я.Яхьяев//Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2002. - №5. - С.72-77).
Для снижения овальности цилиндровых втулок 6 учитывается поведение сил в процессе деформирования системы блок цилиндров - цилиндровая втулка. Несмотря на малость смещений (0,02-0,09 мм), форму блока 1, а также форму цилиндровой втулки 6 при нагружении в процессе сборки двигателя следует отнести к категории меняющихся существенным образом. При этом новая форма цилиндровой втулки 6 остается неизвестной, пока в ней не определены внутренние силовые факторы, зависящие в свою очередь от новой геометрической формы блока 1. Поэтому внутренние силовые факторы в цилиндровой втулке 6 определяются только с учетом возникающей деформации блока 1.
Затяг силовых шпилек нагружает опорный бурт 8 цилиндровой втулки 6 и совершает работу против сил упругости, возникающих в пластинчатых элементах блока (фиг.1; фиг.6). Бурт 8 цилиндровой втулки 6 рассматривается как кольцо, опорами которого являются пластинчатые элементы, образующие в блоке 1 отдельную цилиндровую полость 2 (фиг.2). В этой механической системе закон нагрузки, передающейся на кольцо, зависит от соотношения податливостей пластинчатых элементов, служащих опорами кольца. Следовательно, изгибающие и крутящие моменты, а значит и напряженное состояние кольца определяются не непосредственно силами затяга шпилек, а теми деформациями, которые возникают в пластинчатых элементах блока 1. В связи с этим вводится определенность, касающаяся соотношений податливостей (или жесткостей, что то же) пластинчатых элементов в блоке 1. Жесткость представляется здесь как отношение силового фактора к соответствующему перемещению, а податливость характеризуется величиной, обратной жесткости. В известных аналогах конструкций блоков цилиндров жесткость пластинчатых элементов, ориентированных параллельно оси коленчатого вала, примерно в два раза больше, а нагруженность - в два раза меньше, чем, соответственно, жесткость и нагруженность пластинчатых элементов, ориентированных перпендикулярно к названной оси. При этом величина соотношений податливостей пластинчатых элементов в блоке 1 в каждом конкретном случае может быть строго установлена экспериментально.
За точку отсчета принимается тот факт, что в цилиндровой полости 2 блока 1, как в отдельной замкнутой статически неопределимой системе происходит частичное ослабление работы пластинчатого элемента, ориентированного перпендикулярно к оси коленчатого вала. Следовательно имеет место взаимовлияние внешней нагрузки и перемещений: не только перемещения зависят от нагрузки, но и сама нагрузка меняется в зависимости от перемещений и следовательно, закон нагрузки, которая передается на кольцо, определяется функцией q=q(), где
- центральный угол, отсчитываемый от оси O2-О 2, ориентированной перпендикулярно к оси коленчатого вала. Таким образом, учитывается различная степень жесткости стенок блока, которую нельзя разделить только посредством измерения их статической податливости. В соответствии с этим на расчетной схеме (фиг.11) пластинчатые элементы блока 1, ориентированные параллельно оси коленчатого вала, как обладающие повышенной жесткостью, представлены моделью стержня, работающего по схеме консольной балки, где
- длина консоли.
На этом основании анализ можно ограничить рассмотрением системы с не слишком сильным возмущением, сохранив при этом все существенное в результатах. Это позволяет пренебречь величинами второго порядка малости, а именно, раскладывая функцию q=q() в ряд и ограничиваясь двумя его членами, можно принять, что:
Определим внутренние силовые факторы, возникающие в кольце, если оно нагружено указанной распределенной нагрузкой. Используя принцип независимости действия сил, расчленим нагрузку на две части и рассмотрим две схемы нагружения (фиг.12; фиг.13).
При нагружении кольца по схеме (фиг.12) между усилиями, действующими на пластинчатые элементы, которые служат опорами кольца, и нагрузкой q0 существует следующая зависимость, вытекающая из условия равновесия половины кольца:
Подобным же образом согласно схеме нагружения (фиг.13) определим усилия P1, передающиеся на пластинчатые элементы блока 1 при действии распределенной нагрузки q1 |cos|:
Рассматривая кольцо как плоскопространственную статически неопределимую систему, можно утверждать, что при нагрузке, перпендикулярной плоскости кольца, эта система трижды статически неопределима и в месте разреза кольца возникают неизвестные X1, X2, Х3 (три внутренних силовых фактора в плоскостях, перпендикулярных плоскости кольца: изгибающий момент X1, крутящий момент Х2 и поперечная сила Х3). Эти внутренние силовые факторы при расчете кольца методом сил можно принять за неизвестные; если провести разрез по оси О2-О3, проходящей через пластинчатые элементы, ориентированные параллельно оси коленчатого вала, расчленив нагрузки Р пополам, то вследствие симметрии нагружения в сечении будут отсутствовать кососимметричные силовые факторы Х2 и Х3. Неизвестным останется только изгибающий момент X1.
На фиг.14 изображена половина рассматриваемого кольца. Так как приложенная к кольцу нагрузка симметрична также и относительно оси O1-O1 (фиг.12-13), то изгибающие моменты X1 в обоих сечениях равны между собой. В этом случае моменты X1 найдем из условия равновесия половины кольца. Составляя уравнение моментов относительно оси О2-О2, получим:
откуда
В сечении кольца, расположенном под углом к оси O2-O2 (фиг.15) возникают:
1) изгибающие моменты:
2) крутящие моменты:
где - длина консоли (см. фиг.11).
Подставляя в зависимости (6) и (7) значения моментов X1 сил Р0, P1 и из соотношений (3), (4) и (5) получаем:
Согласно уравнениям (8) и (9) для случая, когда a=0,4R, на фиг.16 и фиг.17 изображены эпюры изгибающих и крутящих моментов, возникающих в сечениях кольца при загружении его по соответствующим схемам нагружений (фиг.12; фиг.13).
Располагая значениями внутренних силовых факторов, можно провести расчет опорного бурта 8 цилиндровой втулки 6 (как опорного кольца) на прочность и жесткость по методам, разработанным в сопротивлении материалов. Однако более значимым является тот факт, что опорный бурт 8 втулки 6 меняет свою конфигурацию в соответствии с эпюрами и
(фиг.16; фиг.17). Эта конфигурация теперь является неотъемлемой физической характеристикой механической системы, в которой имеет место взаимовлияние внешней нагрузки и перемещений: не только перемещения зависят от нагрузки, но и сама нагрузка меняется в зависимости от перемещений (фиг.7). Эта нагрузка не остается безучастной к изменениям формы системы и как бы "следит" за ее изменениями. Так сила Р следит за изменением конфигурации бурта 8 цилиндровой втулки 6, а возникающие при этом две ее составляющие - вертикальная и горизонтальная силы - обе способствуют возникновению овальности в цилиндровых втулках 6 в известных аналогах в процессе сборки двигателей (фиг.8).
В свою очередь на работающем двигателе вследствие мгновенных скачков изменений величин и направлений рассматриваемых сил, ими возбуждается большое разнообразие колебательных движений. Это разнообразие обусловлено не действием внешних сил, а тем деформированным состоянием механической системы блок цилиндров - цилиндровая втулка, которое возникает от затяга силовых шпилек в процессе сборки двигателей.
Поэтому процедура сравнительных испытаний поршневых колец различного конструктивного исполнения, направленная на повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей и на снижение удельного расхода топлива и смазочного масла на угар в них, приносит ограниченную пользу. Совершенно иное положение имеет место при наличии в блоке цилиндров 1 компенсирующих выемок 7: закон совместного деформирования бурта 8 цилиндровой втулки 6 и стенки цилиндровой полости 2, ориентированной перпендикулярно оси коленчатого вала, становится теперь зависимым от деформации той части бурта 8 цилиндровой втулки 6, которая располагается в местах компенсирующих выемок 7 в блоке 1. Тем самым изменяются деформативные свойства системы блок цилиндров - цилиндровая втулка, суть которых сводится к следующему. Вектор затяга силовых шпилек в блоке 1 остается параллельным своему первоначальному направлению. Вследствие этого в процессе сборки двигателей не возникает овальности цилиндровых втулок 6, а на работающем двигателе не возникает сложных колебаний стенок блока и цилиндровых втулок 6. Колебательная система блок цилиндров - цилиндровая втулка становится простой в том отношении, что имеет только одну значимую переменную - амплитуду импульса газовых сил в цилиндре.
Таким образом, повышение износостойкости деталей цилиндропоршневой группы двигателей и снижение в них удельного расхода топлива и смазочного масла на угар достигается за счет изменения деформативных свойств системы блок цилиндров - цилиндровая втулка путем введения в блоке компенсирующих выемок.
Доступность осуществления предлагаемого изобретения позволяет получить значительный экономический эффект и достичь удовлетворения автотранспортом современных экологических требований.
Класс F02F1/24 головки цилиндров