Способ испытания на долговечность шатуна Советский патент 1989 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проведении ускоренных испытаний шатунов двигателей внутреннего сгорания на долговечность.

Целью изобретения является ускорение испытаний и повышение достоверности результатов.

На фиг. 1 показана схема безмоторного стенда, на котором реализуется предлагаемый способ испытания шатуна; на фиг. 2 - схема распределения напряжений в шатунных болтах, поясняющая предлагаемый способ испытания .

Стенд содержит пульсатор 1, гидравлически связанный с гидроцилиндром 2. Шток 3 гидроцилиндра шарнирно связан с поршневой головкой 4 испытуемого шатуна. Разъемная кривошипная головка испытуемого шатуна, состоящая из верхней части 5 и крышки 6, содержащая вкладыши 7 и скрепленная шатунными болтами 8, размещена на фальшвале 9 который шарнирно связан со станиной 10 стенда. На наружной поверхности стержня 11 испытуемого шатуна в точках Ми N, лежащих в плоскости, перпендикулярной его продольной оси 0(-0,, закреплены тензо- резисторы 12. На наружной поверхности стержня шатунных болтов, в трех равноудаленных друг от друга точках А,,В,,С, (фиг. 2), лежащих в плоскости F, перпендикулярной оси 0 стержня болтов, закреплены тензорезисторы 3. -Тензорезисторы 12 и 13 подключены к измерительному комплексу I.

Способ осуществляют следующим образом.

Перед началом испытаний производит ся сборка кривошипной головки шатуна, при которой верхняя часть 5 и крышка 6 с установленными в них вкладышами 7 скрепляются шатунными болтами 8. Для обеспечения надежной работы кривошипной головки при динамическом на- гружении назначается усилие предварительной затяжки шатунных болтов 8, обеспечивающее плотность стыка скрепляемых части крышки 6.

Значение усилия предварительной затяжки, создающее плотность стыка, назначается при условии обеспечения запаса прочности материала шатунных бол тов по пределу текучести.

Значение запаса прочности по пределу текучести для ответственных резьбовых соединений определяется по формуле

15

к.э

(

(1)

предел текучести материала шатунных болтов; приведенное напряжение.

0

5

0

5

0

5

СПР -ьз-,

np где Go

baj

bai

PX

/F. 1ат

F где

(2)

напряжение растяжения шатунных болтов при затяжке ;

осевое усилие предварительной затяжки шатунных болтов;

площадь поперечного сечения стержня шатунных болтов; - касательное напряжение в стержне шатунных болтов от скручивания при затяжке. При этом

Г

0,2d

d - диаметр стержня шатунных болтов;

где

Мр - момент сопротивления в резьбе шатунных болтов при затяжке

,or-Fe r(

средний диаметр резьбы шатунных болтов;

шаг резьбы шатунных болтов; коэффициент трения в резьбе шатунных болтов.

d,

S |Up

где

Откуда

Gnp If Gp

0(Т

(5)

(6)

45

получают

(7)

или

тс.э

(8)

ioT Б п jj-

Усилие затяжки контролируется с помощью сигналов от тензорезисторов 13.

Далее шатун подвергают воздействию внешней динамической нагрузки и регистрируют максимальную и минимальную динамические нагрузки по сигналам от тензорезисторов 12, а также число циклов нагружения.

1

В зависимости от режимов двигателя в эксплуатации определяют по тенз резисторам 12 или расчетным путем величины нормальных напряжений на наруной поверхности стержня шатуна от во действия растягивающей и сжимающей внешних нагрузок. В зависимости от величины напряжения при продольных колебаниях определяется относительное рассеяние энергии ц ;,

Рассеяние потенциальной энергии U за один цикл колебаний при действии растягивающей и сжимающей нагрузки

и .. ( ..-F.I

2Е

.(J .±

т Г

(9)

гдеб ршиб

с 2Е

растягивающее и сжимающее напряжения в стержне шатуна;

F и 1 - площадь и длина стержня шатуна;

Е - модуль упругости материала шатуна;

относительное рассеяние энергии в стержне шатуна при напряжени- яхбры и Gp соответственно.

За весь ресурс работы дизеля величина рассеяния потенциальной энергии и.

Р

в стержне шатуна F- 1

АМН где Р

Айн

01Т е

- максимальная растягивающа нагрузка, воздействующая на шатун при испытаниях, предельно допустимая из условия нераскрытия стыка

Up 60пТр--- (H pi-G pf ,

(10)

где п - число оборотов коленчатого вала;

Тр - ресурс дизеля.

Суммирование распространяется на все m режимов в эксплуатации.

Определяют растягивающую нагрузку предельно допустимую из условий неракрытия стыка кривошипной головки и обеспечения запаса прочности шатунных болтов по пределу текучести при нагружении шатуна на безмоторном стенде.

Наиболее жесткие условия работы шатунных болтов при динамическом нагружении шатуна имеют место при вы- полнении равенства, определяющего начало раскрытия стыка:

Р,.... Р,„, . i-Q«,(11)

количество шатунных болтов

в шатуне; усилие, затрачиваемое на

деформацию вкладышей в кривошипной головке при затяжке шатунных болтов.

4, (&ь,ч.ль)(12)

--

15

Ш где Е

.

CT

b гт

г модуль упругости стального основания вкладышей; площадь поперечного сечения вкладыша; ширина вкладыша;

толщина стального основания

вкладыша;

средний радиус кривизны

вкладыша;

ДЬ, и 4h

величина шей.

выступания вклады25

Для обеспечения нераскрытия стыка кривошипной головки шатуна при испытаниях величина максимальной растяги0

АИН

уменьшается до

(13)

5

веющей нагрузки знамения

I Pjar :i-QB

- ц

где - коэффициент запаса по плотности стыка.

При этом шатунные болты воспринимают долю максимальной растягивающей нагрузки п

Рдин, равную

дин

г-у

АЙН

-(.т

i-Qfl). (1)

Чт

где % - коэффициент основной нагрузки резьбового соединения шатуна.

Предельно допустимая растягивающая нагрузка на шатунные болты при испытании шатуна на безмоторном стенде определяется из выражения

5

0

или

рост .U1C

i-F,

.3(Vcr.-t)

пТ-У ст

Vc

(16)

Определяют сжимающую нагрузку, предельно допустимую из условия устойчивости стержня шатуна при нагружении шатуна на безмоторном стенде, по формуле

г

(17)

-Рке.

.ui.c к.

критическая нагрузка, приводящая к потере устойчивости стержня шатуна; коэффициент запаса по потере устойчивости.

Е-1

,87-у2

-fJ

(18)

где Е мин

модуль упругости материала шатуна;

минимальный осевой момент инерции поперечного сечения стержня шатуна;

1р - расчетная длина стержня шатуна.

Определяют величину рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за один цикл нагру- жения на безмоторном стенде по формуле (9), определив

,-- г рост. U с

s F

(19)

-Es.t..

G :i.s.t..С 20 j

с. f

или за один час нагружения на безмоторном стенде рассеивается энергия

.t-u).. ).

(21)

где k - число циклов нагружения на безмоторном стенде за 1 ч.

Время испытаний шатуна определяют как отношение величины рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за весь ресурс работы двигателя U по формуле (10) к величине рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за 1 ч нагружекия на безмоторном стенде по формуле (21) на режиме с выбранными предельно-допустимыми растягивающей и соответствующей ей сжимающими нагрузками:

Up

иск

и

(22)

цс

Выбранные растягиваиэщую и сжимающую нагрузки поддерживают в течение всего периода испытаний.

Предлагаемый способ испытания шатунов, применяемых в двигателях внутреннего сгорания, позволяет повысить достоверность информации о долго вечности шатунсш и сократить время испытаний. При испытаниях шатунов на двигателе в .условиях эксплуатации информацию о долговечности их получают обычно ч«рез ле работы,

5

0

5

0

5

0

5

0

5

в то время как по предлагаемому способу испытаний подобную информацию возможно получить за 4-5 месицср.

При этом достоверность информации также возрастает, так как испытываются только шатуны, в то же время как при испытаниях на двигателе из-за возможных дефектов системы смазки, механизма газораспределения, заключающихся в обрыве клапанов, заклинивании и обоыве поршней, поворота и заклинивания вкладышей коренных и ша- TyfiHbix подшипников скольжения, поломок коленчатого вала может произойти дополнительное нагружение шатунов и их поломка или пластическая деформация из-за отказов других деталей.

Формул, и 3 Ci б р е т е н и я

Способ 1 спытания на долговечность шатуна, содержащего стержень и разъемную кр нвошипную головку, заключаю щийся в том, что устанавливают вкладыши шатунного подшипника в кривошипную головку, затягивают шатунные болты, контролируют усилие затяжки, определяют уровни растягивающих и снимающих магоузок на шатун, подвергают шатун воздействию внешней динамической нагрузки, проводят испытания в течение заданного времени и регистрируют максимальную и минимальную динамические нагрузки, отличающийся тем, что, с целью ускорения испытаний и повышения достоверности результатов, предварительно определяют величины нормальных напряжений на наружной поверхности стержня шатуна от воздействия растягивающей и сжимающей внешних нагрузок по режимам работы двигателя, затем при данных напряжениях определяют величину рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за весь ресурс работы двигателя, в качестве растягивающей нагрузки определяют предельно допустимую из условий нераскрытия стыка кривошипной головки и обеспечения запаса прочности материала шатунных болтов по пределу текучести, в качестве выбранной сжимающей нагрузки определяют допустимую из условия устойчивости стержня шатуна, определяют величину рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за один час нагружения

на безмоторном стенде на режиме с определенными предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками, в качестве заданного времени испытаний определяют время, равное отношению величины рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за весь

Ь239 4 4IU

ресурс работы двигателя к величине рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за один час нагружения на безмоторном стенде с предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками и далее поддерживают нагрузки в течение всего периода испытаний.

5

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Изобретение позволяет ускорить испытания и повысить достоверность результатов о вероятностной оценке долговечности шатунов. При испытаниях устанавливают вкладыш шатунного подшипника в кривошипную головку, затягивают шатунные болты и контролируют усилие затяжки. Определяют величины нормальных напряжений на наружной поверхности стержня и шатуна от воздействия растягивающей и сжимающей внешних нагрузок по режимам работы двигателя. Определяют при данных напряжениях величины рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне за весь ресурс работы двигателя. Определяют растягивающую нагрузку, предельно допустимую из условий нераскрытия стыка кривошипной головки и обеспечения запаса прочности материала шатунного болта по пределу текучести. Определяют сжимающую нагрузку, предельно допустимую из условия устойчивости стержня. Определяют величины рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне за 1 ч нагружения на безмоторном стенде на режиме с выбранными предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками. Определяют время испытаний как отношение величины рассеяния потенциальной энергии в стержне за весь ресурс работы двигателя к величине рассеяния ее в стержне за 1 ч нагружения на безмоторном стенде с предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками. Подвергают шатун воздействию растягивающей и сжимающей предельных и регистрируют величину этих нагрузок. Поддерживают выбранные предельно допустимые растягивающую и сжимающую нагрузки в течение всего периода испытаний. Регистрируют число циклов нагружения. 2 ил.

////////////////л///////////////.

/////Л у//////

Фи&.г