Стенд для исследования напряженно-деформированного состояния основных деталей двигателей внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к испытаниям двигателей внутреннего сгорания. Стенд содержит основание для крепления опор исследуемого блок-картера, имеющего технологическую головку блока и размещенные в цилиндрах поршни, устройство для измерения напряжений в исследуемом блок-картере и устройство для нагружения. Стенд снабжен закрепленной на основании тензометрической муфтой для соединения с установленным в блок-картере исследуемым коленчатым валом и возможностью фиксации последнего в одном из заданных положений. Устройство для нагружения состоит из силовой рамы и винтовых пар по числу цилиндров. Силовая рама имеет верхнюю плиту, связанную с технологической головкой блока и блок-картером, связанную с технологической головкой блока и блок-картером, и нижнюю плиту, расположенную между верхней плитой и головкой и связанную посредством стоек с основанием. Гайка каждой винтовой пары имеет опорные поверхности, расположенные между этими плитами напротив них, и привод, а винт выполнен из двух соединенных между собой с возможностью углового перемещения друг отнсительно друга элементов, верхний из которых пропущен через прорезь в днище поршня и зафиксирован от углового перемещения при вращении гайки, а нижний выполнен в виде вилки, кинематически связанной с шатуном. При таком выполнении стенда обеспечивается возможность с наибольшей полнотой и достоверностью моделировать квазистатическое напряженно-деформированное состояние блок-картера и коленчатого вала с учетом их взаимовлияния в любой момент по углу его поворота, обеспечивается стабильность во времени этого состояния. В результате расширяются функциональные возможности стенда при одновременном повышении достоверности исследований. 3 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к испытанию двигателей внутреннего сгорания, и может быть использовано при исследовании и испытании основных деталей блок-картера и коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Известен стенд для исследования напряженно-деформированного состояния коленчатого вала, содержащий силовую раму с верхней плитой и основанием для размещения опор коренных подшипников исследуемого коленчатого вала, устройство для измерения напряжения (авт. свид. СССР N 1239538, кл. G 01 M 13/00, 1986).

Известный стенд предназначен для исследования напряженно-деформированного состояния только коленчатого вала и не позволяет проводить аналогичные исследования для блок-картера ДВС. При моделировании напряженно-деформированного состояния коленчатого вала в известном стенде не учитываются все значимые факторы, определяющие напряженное состояние коленчатого вала, например реальные условия опирания вала в двигателе и упругая податливость его опор.

Известен стенд для исследования напряженно-деформированного состояния блок-картера двигателя внутреннего сгорания, содержащий основание для крепления опор исследуемого блок-картера, имеющего технологическую головку блока и размещенные в цилиндрах поршни, устройство для измерения напряжений в исследуемом блок-картере и устройство нагружения. Поршни со штоками жестко связаны с технологическим валом. Устройство нагружения - электрогидравлического типа, оно состоит из насосной станции и формирователей импульсов давления, связанных с последней (авт. свид. СССР N 1620877, кл. G 01 M 13/00, 1991).

Известный стенд предназначен для исследования напряженно-деформированного состояния блок-картера ДВС и не позволяет одновременно проводить исследования такого состояния для коленчатого вала. К его недостаткам следует отнести отсутствие учета реальной жесткости коленчатого вала и невозможность изменения нагружения блок-картера по углу поворота кривошипа вала при работе двигателя. Кроме недостаточных функциональных возможностей из-за отсутствия кривошипно-шатунного механизма, в известном стенде нет возможности имитации нагружения блока в состояниях при работе двигателя, когда равнодействующая сил, приложенных к поршню, направлена вверх, например, от сил инерции в кривошипно-шатунном механизме. Кроме того, известный стенд требует сложного специального оборудования, включающего гидростанцию, приборы управления и др. Ему присущи трудности сохранения стабильности нагруженного квазистатического состояния из-за неизбежности гидравлических утечек.

Задачей изобретения является создание стенда, который позволил бы одновременно проводить исследования напряженно-деформированного состояния основных деталей ДВС блок-картера и коленчатого вала, и повысить достоверность исследований за счет учета их взаимовлияния.

Эта задача решается тем, что стенд для исследования напряженно-деформированного состояния основных деталей ДВС содержащий основание для крепления опор исследуемого блок-картера, имеющего технологическую головку блока и размещенные в цилиндрах поршни, устройство для измерения напряжений в исследуемом блок-картере и устройство нагружения, снабжен закрепленной на основании тензометрической муфтой для соединения с установленным в блоке и связанным с поршнями посредством шатунов исследуемым коленчатым валом и фиксации последнего в одном из заданных положений, при этом устройство для нагружения состоит из силовой рамы и винтовых пар по числу цилиндров, причем силовая рама имеет верхнюю плиту, жестко связанную с технологической головкой блока и блок-картером, и нижнюю плиту, расположенную между верхней плитой и головкой и связанную посредством стоек с основанием, гайка каждой винтовой пары имеет опорные поверхности, расположенные между этими плитами напротив них, и привод, а винт выполнен из двух соединенных между собой с возможностью углового перемещения друг относительно друга элементов, верхний из которых пропущен через прорезь в днище поршня и зафиксирован от углового перемещения при вращении гайки, а нижний выполнен в виде вилки, кинематически связанной с шатуном.

При таком выполнении стенда обеспечивается возможность с наибольшей полнотой и достоверностью моделирования квазистатическое напряженно-деформированное состояние одновременно коленчатого вала и блок-картера с учетом их взаимовлияния в любой момент по углу поворота коленчатого вала, обеспечивается стабильность во времени этого состояния. В результате расширяются функциональные возможности стенда при одновременном повышении достоверности исследований.

На фиг. 1 изображен заявляемый стенд (поперечный разрез); на фиг. 2 - связь вилки устройства нагружения с размещенными в блок-картере поршневым пальцем и шатуном двигателя; на фиг. 3 расположение тензометрической муфты стенда.

Заявляемый стенд содержит основание 1, на котором установлены две передние опоры 2 и задняя опора 3 для крепления исследуемого блок-картера 4 рядного ДВС, в цилиндрах которого размещены поршни 5, связанные посредством поршневых пальцев 6 и шатунов 7 через вкладыши с исследуемым коленчатым валом 8 (используются штатные детали кривошипно-шатунного механизма). К блок-картеру сверху через штатную прокладку головки блока 9 и технологическую головку 10 блока с помощью болтов 11 и дистанционных втулок 12 прикреплена верхняя плита 13. Нижняя плита 14, расположенная между плитой 13 и головкой 10, с помощью стоек 15 опирается непосредственно на опоры 2 и 3 для крепления блок-картера. Количество стоек может быть различным и определяется необходимой жесткостью конструкции. Указанные стойки связаны с нижней плитой и опорами с помощью резьбовых соединений. Плиты 13 и 14, образующие силовую раму, служат упорами для гаек 16 с запрессованными на них упорными подшипниками 17 и 18. Подшипник 17 размещен на верхней опорной поверхности 19 со стороны плиты 13, подшипник 18 размещен на нижней опорной поверхности 20 со стороны плиты 14. Стенд содержит устройство нагружения, состоящее из силовой рамы и винтовых пар. Последние имеют гайки 16 с приводом от рычага 21 и винты, каждый из которых состоит из двух составных элементов 22 и 23. Количество винтовых пар соответствует числу цилиндров двигателя. Верхний винтовой элемент 22 пропущен через прорезь 24 в днище поршня и зафиксирован от углового перемещения при вращении гайки посредством направляющей шпонки 25, закрепленной на плите 14 и входящей в паз винтового элемента 22. Винтовой элемент 22 соединен болтом 26 с вилкой 23, при этом обеспечивается возможность углового перемещения элементов 22 и 23 друг относительно друга. Через отверстия, выполненные в указанной вилке, с зазором пропущен поршневой палец 6. Таким образом вилка связана через поршневой палец с шатуном 7.

Стенд снабжен тензометрической муфтой 27, закрепленной на основании 1. Тензомуфта 27 своим фланцем 28 с помощью болтов присоединяется к маховику 29 коленчатого вала 8. Резьбовые отверстия в маховике под указанные болты расположены равномерно по окружности через 5-15^o. Поэтому коленчатый вал может быть зафиксирован в различных положениях по углу его поворота, обеспечиваемых креплением болтами тензомуфты, т.е. через каждые 5-15^o. Для контроля за усилием нагружения на вал тензомуфты 27 и на шатуны 7 наклеены тензорезисторы 30 и 31. Для измерения напряжений в исследуемых блок-картере и коленчатом вале на эти детали также наклеиваются тензорезисторы, например на опоры вала в блоке или галтели коленчатого вала. Тензорезисторы через усилители сигнала подключены к регистрирующему прибору (не показан).

Схема наклейки и соединения тензорезисторов на шатунных шейках исключает появление дополнительного неучтенного сигнала из-за изгиба шатуна, снижающего точность регистрации прилагаемых нагрузок (Шушкевич В.А. Основы электротензометрии. Минск, Высшая школа, 1975, Гл. 3.).

Стенд работает следующим образом.

Для моделирования напряженно-деформированного состояния блока 1 и/или коленчатого вала 8 в определенный момент по углу поворота кривошипа сначала коленчатый вал устанавливается в нужное положение и скрепляется с фланцем 28 тензомуфты 27 болтами. Далее при вращении гаек 16 с помощью рычага 21 в том или другом направлении последние упираются в верхнюю 13 или нижнюю 14 плиты, вызывая соответственно усилия сжатия или растяжения в шатунах 7. Таким образом во всех шатунах создаются нагрузки, соответствующие результирующим усилиям от сил давления газов и инерционных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме в определенном мгновенном его положении на работающем двигателе. Численные значения указанных нагрузок могут быть получены из традиционного расчета динамики двигателя или определяются, исходя из задач исследования.

При упирании гайки 6 в нижнюю плиту 14 имитируемые нагрузки в кривошипно-шатунном механизме уравновешиваются силовыми потоками, замкнутыми через стойки 15 непосредственно на опоры блок-картера 2 и 3, дополнительно не нагружая последний. Этим обеспечивается соответствие нагружения исследуемых деталей реальному на работающем двигателе в периоды, когда равнодействующая сил, приложенных к поршню, направлена вверх. Коленчатый вал 8 в этом случае нагружен указанными нагрузками, а блок 1 воспринимает усилия в виде реакции опор коленчатого вала и от затяжки болтов 11 крепления технологической головки 10 и верхней плиты 13.

В положениях, когда равнодействующая сил направлена вниз, гайка 6 упирается в верхнюю плиту 13, уменьшая силы давления на блок-картер со стороны технологической головки 10 и нагружая кривошипно-шатунный механизм и опоры коленчатого вала 8 в блоке 4.

Во всех положениях алгебраическая сумма моментов на шатунных шейках коленчатого вала 8 должна быть равна реактивному крутящему моменту на маховике 29, и тем самым обеспечивается равновесие активных и реактивных сил и моментов. Неточное задание нагрузки в каком-либо шатуне неизбежно приводит к нарушению равновесия сил и моментов и отклонению значения крутящего момента на маховике от его расчетной величины.

Контроль усилий растяжения-сжатия шатунов 7 осуществляется регистрирующей аппаратурой с помощью тензорезисторов 31, наклеенных на шатуны 7. Тензомуфты 27 посредством наклеенных на ее вал тензорезисторов 30 используется для контроля значений крутящего момента на маховике. Поскольку коленчатый вал может быть зафиксирован в различных положениях, обеспечивается возможность исследований напряженно-деформированного состояния коленчатого вала и блок-картера дискретно по углу поворота кривошипа, фиксируя во времени каждое состояние. Благодаря выполнению винта составным и креплению его составных элементов 22 и 23 с возможностью их углового перемещения, а также использованию шпонки 25 удается исключить кручение тела шатуна и обеспечить эффект только осевого растяжения-сжатия.

Таким образом стенд позволяет получить дискретные периодические функции напряженно-деформированных состояний блок-картера и коленчатого вала по углу поворота кривошипа за рабочий цикл (720^o) с учетом их взаимовлияния, обеспечить стабильность во времени квазистатических напряженно-деформированных состояний для их всестороннего исследования.

Формула изобретения

Стенд для исследования напряженно-деформированного состояния основных деталей двигателя внутреннего сгорания, содержащий основание для крепления опор исследуемого блок-картера, имеющего технологическую головку блока и размещенные в цилиндрах поршни, устройство для измерения напряжения в исследуемом блок-картере и устройство нагружения, отличающийся тем, что он снабжен закрепленной на основании тензометрической муфтой для соединения с установленным в блок-картере и связанным с поршнями посредством шатунов исследуемым коленчатым валом и фиксации последнего в одном из заданных положений, при этом устройство для нагружения состоит из силовой рамы и винтовых пар по числу цилиндров, причем силовая рама имеет верхнюю плиту, жестко связанную с технологической головкой блока и блок-картером, и нижнюю плиту, расположенную между верхней плитой и головкой и связанную посредством стоек с основанием, гайка каждой винтовой пары имеет опорные поверхности, расположенные между этими плитами напротив них, и привод, а винт выполнен из двух соединенных между собой с возможностью углового перемещения друг относительно друга элементов, верхний из которых пропущен через прорезь в днище поршня и зафиксирован от углового перемещения при вращении гайки, а нижний выполнен в виде вилки, кинематически связанной с шатуном.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3