Исследование тепловой напряжённости клапанов автомобильных бензиновых двигателей с применением нетрадиционных материалов

• Автор: Лукин, Дмитрий Борисович
• Шифр специальности: 05.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

— 2 — Оглавление

Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Условия работы клапанов автомобильных бензиновых двигателей,
основные виды поломок, разрушений и выходов из строя
1.2. Анализ новых перспективных материалов для клапанов
автомобильных бензиновых двигателей
1.3. Анализ влияния различных факторов на трещиностойкость
материалов
1.4. Выводы и постановка задач исследования
2. Расчётное исследование теплового и напряжённо-
деформированного состояния клапанов автомобильного двигателя
2.1. Методика расчёта осесимметричных конструкций методом
конечных элементов
2.2. Определение граничных условий теплообмена в
квазистационарной постановке для расчёта температурного поля клапанов
2.3. Сравнение осесимметричных конечно-элементных математических
моделей анализа теплового и напряжённо-деформированного состояния клапана
2.4. Результаты расчёта теплового и напряжённо-деформированного
состояния клапанов
3. Экспериментальное исследование теплового и напряжённо-деформированного состояния выпускных клапанов бензинового двигателя на безмоторном стенде
при циклическом нагружении

3.1. Обоснование режимов испытаний, задачи и объект исследований
3.2. Моделирование нестационарных процессов в условиях безмоторного стенда
3.3. Методика термометрирования при тепловом нагружении
3.4. Результаты экспериментальных исследований
3.5. Оценка погрешности измерения
4. Расчётная оценка термоусталостной прочности клапанов
автомобильных двигателей
4.1. Анализ повреждений при циклических нагрузках
4.2. Условия роста трещины, критерии разрушения, коэффициенты интенсивности напряжений
4.3. Усталостное разрушение, применение коэффициента интенсивности напряжений
4.4. Малоцикловая усталость, деформационные кригерии, методика прогнозирования ресурса выпускного клапана автомобильного
бензинового двигателя
Выводы
Список использованной литературы
Приложение

Введение
Актуальность темы. Постоянный рост уровня форсирования двигателей приводит к повышению термомеханической напряжённости наиболее ответственных деталей ДВС; а задачи повышения ресурса, введение электронных систем управления автомобильных двигателей требуют более внимательного подхода к вопросам обеспечения надёжности всего двигателя, в том числе клапанного механизма. Автомобильные бензиновые двигатели работают, в основном, в условиях города, то есть резко переменных могцностных и скоростных режимов. Многократные циклические воздействия тепловых и механических нагрузок приводят к термомеханической усталости материала и образованию усталостных трещин. Наиболее теплонапряжённой деталью современного бензинового двигателя был и остаётся выпускной клапан. Выход из строя клапанов двигателя при повышении энергетических показателей и одновременном сохранении, а иногда и увеличении, ресурса является одной из существенных проблем.
Повышение частоты вращения коленчатого вала двигателя в спортивных моделях, введение электронных систем управления клапанами и фазами газораспределения, которые позволяют резко улучшить практически все эффективные и экологические показатели двигателя, требуют создания нового лёгкого клапана, который будет удовлетворять условиям работы двигателя, иметь хорошую сопротивляемость термическим нагрузкам и образованию усталостных трещин.
Для осуществления данной идеи можно использовать методику оценки термоусталостной прочности клапанов автомобильных бензиновых двигателей, позволяющей с исследованием теплового и напряжённо-деформированного состояние (ТНДС) клапана на установившихся режимах определить ресурс клапана в условиях нестационарного термического нагружения, включая расчёт процесса распространения усталостной трещины.

Л5Фе л
/ - = 0: 1-І.2,
Ь ат
(2.8)
где: п — число узлов конечно-элементной модели клапана.
ОС Ш Тгг
> ОС вт Тв
> ОСг Тг
®сед З'сед
И г.ср Т г.рез
Рис. 2.3. Граничные условия для разных поверхностей клапана. Система линейных алгебраических уравнений имеет вид:
[н]{т} = {г}.
(2.9)
где: [Н] - матрица теплопроводности;
{Т} - вектор неизвестных узловых значений температур; {Г} - вектор тепловой нагрузки [88,116,127].
2.2. Определение граничных условий теплообмена в квазисгационар-ной постановке для расчёта температурного поля клапанов
Достоверность расчётного определения температурного поля зависит от точности задания граничных условий по тепловоспринимающим поверхностям клапана. Условия теплообмена на его поверхности разнообразны и зависят от ряда конструктивных факторов, регулировок систем двигателя и режимов эксплуатации. Эта специфика обусловливает дифференцированный подход к