Снижение потерь на трение в подшипниках уравновешивающего механизма дизеля применением плавающей втулки

В двигателях внутреннего сгорания до четверти получаемой механической энергии тратится на преодоление трения. Это является причиной неэффективного использования топливных ресурсов, запасы которых ограничены и стоимость высока. Поэтому, поиск путей снижения потерь энергии является важной задачей.

Техническое решение вопросов, стоящих перед двигателестроением, может осуществляться двумя путями: модернизацией существующих моделей и созданием новых моделей. Преимущества первого пути очевидны. Они обусловлены взаимозаменяемостью узлов и деталей, снижением расходов на ремонт и техническое обслуживание, а также сокращением сроков выпуска более производительных машин. Это предопределяет необходимость дальнейшего форсирования двигателей по скоростному и нагрузочному режимам.

Одной из главных проблем, возникающих при форсировании по скоростному режиму четырехцилиндровых рядных двигателей внутреннего сгорания, наиболее распространенных в народном хозяйстве, является проблема снижения вибраций, обусловленных действием переменных по величине и направлению сил. Снижение вибраций двигателя до пределов, обеспечивающих его надежную работу и отвечающих санитарно-гигиеническим нормам, может производиться несколькими путями.

Наиболее совершенным методом снижения вибраций является метод динамического уравновешивания основных возмущающих сил. В четырехцилиндровом двигателе с плоским коленчатым валом к таким силам относятся силы инерции второго порядка возвратно-поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма. Для уравновешивания этих сил разработаны специальные механизмы. Конструкция уравновешивающего механизма (УМ) тракторного двигателя Д-160 ЧТЗ представляет собой два вала-противовеса, находящихся в зубчатом зацеплении и установленных в корпусе на подшипниках скольжения.

Уравновешивающий механизм требует определенных затрат мощности на его привод, которая, в основном, зависит от условий работы подшипников и значительно возрастает с повышением частоты вращения. Потери мощности в уравновешивающем механизме приводят к снижению эффективного к.п.д. двигателя и, соответственно, к снижению топливной экономичности и производительности машины.

Одно из направлений совершенствования подшипниковых узлов основывается на применении промежуточных элементов, в частности, плавающих втулок (ПВ). При проектировании таких подшипников необходимо варьировать их конструктивные параметры (длина и толщина втулки, зазоры в сопряжениях втулки с корпусом и валом), а также вязкость смазочного масла, чтобы получить их сочетание, при котором подшипник имел бы минимальные энергозатраты на его работу, и при этом обеспечивалась достаточная толщина масляных слоев.

Существующие концепции теоретических исследований направлены, главным образом, на отыскание максимальных или минимальных значений параметров слоя смазки в зависимости от конструктивных и режимных факторов. Однако совокупность экстремальных значений параметров еще не гарантирует лучшие служебные свойства сопряжения.

В реальных парах трения, чем выше давление в слое смазки, тем большую нагрузку сможет нести масляный слой без соприкосновения поверхностей. С другой стороны, чем выше давление, тем большие напряжения возникают в поверхностных слоях трущихся пар. При сближении поверхностей давление в слое смазки возрастает, однако при недостаточной толщине масляного слоя нарушается работа подшипникового узла в жидкостном режиме трения. Следовательно, для надежной работы подшипника требуется обеспечить не экстремальные значения параметров слоя смазки, а необходимые и достаточные, что приводит к затруднениям при проектировании подшипников ДВС. Поэтому, при конструировании подшипников с заданным качеством, следует считать перспективным применение метода оптимального проектирования [48,67,77,86].

Основное преимущество оптимизации параметров подшипника заключается в возможности получить параметры пары трения, которые наилучшим образом соответствуют заранее сформулированным требованиям и условиям работы.

При реализации процедуры поиска оптимальных параметров подшипника на ЭВМ одним из главных требований к программной продукции является малая продолжительность расчетов гидродинамических параметров, от которой зависит общее время решения задачи оптимизации.

Существующие наиболее точные методики расчета гидродинамических параметров подшипников с ПВ имеют значительные затраты времени на вычисление, поэтому их использование в процедуре оптимизации весьма затруднительно при существующем уровне развития микропроцессорной техники. Поэтому, очевидна необходимость разработки упрощенной методики расчета гидродинамических параметров подшипников с плавающей втулкой с малыми затратами времени на вычисление, но обладающей допустимой точностью.

На основании вышеизложенного следует заключить, что снижение энергозатрат в парах трения ДВС является актуальной проблемой, решение которой, возможно осуществить использованием плавающей втулки в подшипниковых узлах и выбором рациональных конструктивных параметров сопряжений такого типа. Это дает возможность уже на стадии проектирования получить параметры пар трения, которые обеспечат необходимые служебные свойства дизелей. В данной работе решается часть этой проблемы, относящейся к снижению потерь на трение в подшипниках уравновешивающего механизма тракторного дизеля.

Цель исследования — снижение потерь на трение в подшипниках уравновешивающего механизма тракторного дизеля.

Научная новизна. Получены аналитические зависимости, позволяющие'' определить основные трибохарактеристики смазочных слоев и пригодные для поиска рациональных параметров подшипников с плавающей втулкой. Разработан алгоритм, компьютерная программа и критерии поиска рациональных параметров подшипников с ПВ. Определены рациональные конструктивные параметры подшипников с плавающей втулкой, обеспечивающие снижение потерь на трение. Установлены зависимости толщины, давления и температуры слоев смазки, расхода смазочной жидкости, потерь на трение и частоты вращения втулки подшипников уравновешивающего механизма с плавающими втулками от режимов работы двигателя. Уточнены основные характеристики подшипников с ПВ и показана эффективность применения таких подшипников.

На защиту выносятся:

— математическая модель подшипника с плавающей втулкой, описывающая взаимосвязь основных параметров масляных слоев с конструктивными параметрами подшипника и эксплуатационными факторами дизеля;

— методика выбора рациональных конструктивных параметров подшипника УМ с плавающей втулкой;

— результаты экспериментальных исследований, подтвердивших достоверность математической модели и позволивших определить влияние режимов работы на гидродинамические параметры смазочных слоев.

Практическая ценность работы состоит в реализации разработанных методик и результатов: расчета и поиска рациональных параметров, экспериментальных исследований подшипников с плавающей втулкойрекомендаций по проектированию центробежно нагруженных подшипников с ПВ. Применение плавающих втулок с рациональными параметрами позволяет снизить потери на трение в уравновешивающем механизме на 40%.

Реализация результатов работы. На основании проведенных исследований разработана конструкция подшипникового узла с рациональными параметрами плавающей втулки. Опытные образцы уравновешивающего механизма с такими подшипниками изготовлены и прошли испытания на ОАО «ЧТЗ». На кафедре «Тракторы и автомобили» ЧГАУ проведены лабораторные испытания опытного образца уравновешивающего механизма, показавшие снижение мощности на привод с 1,6 кВт до 0,95 кВт.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Челябинского государственного агроинженерного университета (1996;2000 гг.), ЮжноУральского государственного университета (1998;2000 гг.), Челябинского военного автомобильного института (1998 г.).

Получено свидетельство (№ 11 853) на полезную модель «Устройство для уравновешивания сил инерции».

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, общих выводов и приложений, изложена на 160 страницах, содержит 48 иллюстраций и 4 таблицы. Список используемой литературы содержит 132 наименования, из которых 10 на иностранных языках.