Способ испытания на долговечность шатуна

 

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.

СО)ОЭ СОВЕ ТСНИХ

СОДИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1

П9) (11) <51) 1 (01 М 15/00

В".Е ОЮЗА

ОПИСАНИЕ ИЗОбРЕТЕНИЯ

К АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4380887/25-06 (22) 22.02.88 (46) 23.1 1.89. Бюл. И 43 (71) Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт тракторных и комбайновых двигателей (72) A.Í.Ãîö и С.И.Некрасов (53) 621.43.001.5(088.8) (56) Гоц А.H., )1очалин Н.К., Некрасов С.И., Овчинников Ю.А. Сопротивление усталости и структура материала шатунов тракторных дизелей.

Двигателестроение, 1983, )!" 9, с. 47-49. (54) СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ НА ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ШАТУНА (57) 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 велиИзобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при проведении ускоренных испы2 чины рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне эа 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. Опредепяют величины рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне эа 1 ч нагружения на безмоторном стенде на режиме с выбранными предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками. Определяют время испытаний как отношение вег ичины рассеяния потенциальной энергии в стержне =-a весь ресурс работы двигателя к величине рассеяния ее в стержне за 1 ч нагружения на беэмоторном стенде с предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками. Подвергают шатун воздействию растягиаающей и сжимаю" щей предельных нагрузок и регистрируют величину этих нагрузок. Поддерживают выбранные предельно допустимые растягивающую и сжимающую нагрузки в течение всего периода испытаний.

Регистрируют число циклов нагруже. ния 2 ил. таний шатунов двигателей внутреннего сгорания на долговечность.

1523944

Целью изобретения является ускорение испытаний и повышение достоверности результатов.

На фиг. 1 показана схема безмо5 торного 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 И и N, лежащих в плоскости, перпендикулярной его продольной оси 0 -0,, закреплены тенэореэисторы 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 OZ стержня болтов, закреплены тенэорезисторы 13. Тензореэисторы 12 и 13 подключены к измерительному комплексу 14.

Способ осуществляют следующим об35 разом.

Перед началом испытаний производится сборка кривошипной головки шатуна, при которой верхняя часть 5 и крышка

6 с установленными в них вкладыша40 ми 7 скрепляются шатунными болтами 8.

Для обеспечения надежной работы кривошипной головки при динамическом нагружении назначается усилие предвари" тельной затяжки шатунных болтов 8, 45 обеспечивающее плотность стыка скрепляемых части крышки 6.

Значение усилия предварительной затяжки, создающее плотность стыка, назначается при условии обеспечения запаса прочности материала шатунных бол-50 тов по пределу текучести.

Значение запаса прочности по пределу текучести для ответственных реэьбовых соединений определяется по формуле 55 тс. 3 п с „, где 5 „ э — предел текучести материала шатунных болтов; бп - приведенное напряжение.

Причем

"P ът где б =Р, /F„

Заг (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.

Зат

При этом

М ь Х

0,2сР (3) где d — диаметр стержня шатунных болтов;

M - момент сопротивления в резьбе

1 шатунных болтов при затяжке где d — средний диаметр резьбы шатунных болтов;

S — шаг резьбы шатунных болтов; р - коэффициент трения в резьбе

1 шатунных болтов.

Откуда эат б где (5) (6) Подставляя (5) в (1), получают те.э

G p (7) зат или

P =F тс. э (8) зат

Усилие затяжки контролируется с помощью сигналов от тенэореэисторов 13.

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

Л1, и ДЬ

15239

В зависимости от режимов двигателя в эксплуатации определяют по тензорезисторам 12 или расчетным путем величины нормальных напряжений на наруж-, ной поверхности стержня шатуна от воз- действия растягивающей и сжимающей внешних нагрузок. В зависимости от величины напряжения при продольных колебаниях определяется относи10 тельное рассеяние энергии 1>;.

Рассеяние потенциальной энергии l1

4 эа один цикл колебаний при действии растягивающей и сжимающей нагрузки

Ц =У -й." (11 ы Ы (g) 15 (к„.F 1 O .F 1

P 2Е ск 2Е гяеб иб, ш- растягивающее и сжимающее напряжения в стержне шатуна;

F и 1 - площадь и длина стерж- 20 ня шатуна;

Е - модуль упругости материала шатуна;

41 и <<>сж — относительное рассеяP ние энергии в стержне шатуна при напряжениях6р,„и G соответственно. количество шатунных болтов в шатуне;

Ц в — усилие, затрачиваемое на деформацию вкладышей в кривошипной головке при затяжке шатунных болтов.

Ч =(Дh +Eh )----Ее 1 е (12) е где E - модуль упругости стального основания вкладышей;

F =b с „ — площадь поперечного сечения вкладыша

Ь вЂ” ширина вкладйша;

- толщина стального основания вкладыша; г — средний радиус кривизны вкладыша; величина выступания вкладышей, Для обеспечения нераскрытия стыка кривошипной головки шатуна при испытаниях величина максимальной растягивающей нагрузки Рди„ уменьшается до значения

За весь ресурс работы дизеля величина рассеяния потенциальной энергии U в стержне шатуна

F ) 7Yl ц =60пТ --- (y . 6 .

Р P2F., Р Р

+(11,„6, ), (10) 35 где и — число оборотов коленчатого вала;

Тр - ресурс дизеля.

Суммирование распространяется на все m режимов в эксплуатации.

Определяют растягивающую нагрузку, предельно допустимую из условий нераскрытия стыка кривошипной головки и обеспечения запаса прочности шатунных болтов по пределу текучести при 45 нагружении шатуна на безмоторном стенде, Наиболее жесткие условия работы шатунных болтов при динамическом нагружении шатуна имеют место при вы- 50 полнении равенства, определяющего начало раскрытия стыка: днн Р 97 Qe И где Рд„„- максимальная растягивающая нагрузка, воздействующая на шатун при испытаниях, предельно допустимая из условия нераскрытия стыка;

Р с, -i-Îâ

P (1Э)

Ч сг где,„ - коэффициент запаса по плотности стыка.

При этом шатунные болты воспринимают долю максимальной растягивающей

I нагрузки Рд„„, равную т er где 7. — коэффициент основной нагрузки резьбового соединения шатуна, Предельно допустимая растягивающая нагрузка на шатунные болты при испытании шатуна на безмоторном стенде определяется из выражения

° ° с + Х

Р,, =Р ° 1 Р „„=Р ° (--, -,--)Ъ тст. — — - Ч (15) 4с т или тс.э (т ст + 10 р «ь n ( (17) к са,.и.с

% чв (16)

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

1523944

15 (20) у или за один час нагружения на беэмоторном стенде рассеивается энергия

k 1 цс 2E F (с р рссст ыс ФсФ с«ш с (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 эа весь ресурс работы двигателя Бг по Формуле (10) к величине рассея,ия потенциальной энергии упругой деформации в стержне 40 шатуна за 1 ч нагружения на беэмоторном стенде по формуле (21) на режиме с выбранными предельно-допустимыми растягивающей и соответствующей ей сжимающими нагрузками:

lJp (22) чсч сс цс

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

Предлагаемый способ испытания ша50 тунов, применяемых в двигателях внутреннего сгорания, позволяет повысить достоверность информации о долго" вечности шатунов и сократить время испытаний. При испытаниях шатунов на двигателе в .условиях эксплуатации информацию о долговечности их получают обычно через 4-5 ле работы, 30 где Р„ — критическая нагрузка, приводящая к потере устойчивости стержня шатуна;

К вЂ” коэффициент запаса по потере

3 устойчивости, Причем

Р =2 87--- -«сс

«Р 1 12 1 (18)

Р где Е - модуль упругости материала ша10 туна;

I „„ - м: нимальный осевой момент мчн инерции поперечного сечения стержня шатуна;

1 - расчетная длина стержня шаP туна.

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

Рррст.ш с (19) р р ° в то время как по предлагаемому способу испытаний подобную информацию возможно получить за 4-5 месцс.е.

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

Формул=.изс брет ения

Способ с спытания яа долговечность шатуна, одегжащего стержень и разъемную кр. вошипную головку, заключаю" щийся в том, что устанавливают вкладыши шатунного подшипника в кривошипную головку, затягивают шатунные болты, контролируют усилие затяжки, определяют уровни растягивающих и снимающих;-агоузок на шатун, подвергают шатун воздействию внешней динамической нас-рузки, проводят испытания в течение заданного времени и регистрируют максимачьную и минимальную динамические на1-рузки, о т л и ч а ю" шийся 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 эа весь ресурс работы двигателя, в качестве растягивающей нагрузки определяют предельно допустимую иэ 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

1523944

to 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 ресурс работы двигателя к величине рассеяния потенциальной энергии упругой деформации в стержне шатуна за один час нагружения на безмотор5 ном стенде с предельно допустимыми растягивающей и сжимающей нагрузками и далее поддерживают нагрузки в течение всего периода испытаний, 1523944

Составитель Н.Патрахальцев

Техред М.Ходанич Корректор М.Пожо

Редактор Н.бобкова

Заказ 7035/45 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, > -35, Раушская наб., д ° "/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,101