Силовой анализ и оценка напряженно-деформированного состояния элементов усовершенствованного рассухаривателя клапанов

Полный текст

Расширение функциональных возможностей, усложнение конструкции автомобиля в целом и отдельных его узлов и агрегатов ведут к увеличению сложности и трудоемкости проведения ремонтных работ при использовании стандартного оборудования. Так, например, в общую трудоемкость базовых технологических процессов разборки и сборки головки цилиндров шестнадцатиклапанного двигателя ВАЗ 2112 наибольшую долю трудоемкости и утомляемости рабочих вносят ручные операции, переходы рассухаривания (при демонтаже), засухаривания (при монтаже) клапанов и транспортировка сухарей в глубоких и тесных по конструкции клапанных каналах с необходимостью использования для этих целей дополнительных подручных средств: отверток, пинцетов и пр. С целью снижения трудоемкости и повышения эффективности ремонта головки цилиндров ДВС предложен новый способ и усовершенствованное устройство для демонтажа и монтажа клапанов [1, 2, 3, 4]. В основу нового способа заложены принципы улавливания, ориентирования и удерживания сухарей при их транспортировке в клапанных каналах магнитостатическим полем магнитной ловушки, размещенной в осевом отверстии упорного кольца усовершенствованного рассухаривателя. Способ осуществляется с помощью нажимного устройства (рис. 1, а), содержащего опору 1, рычаг 2, нажимной элемент 3 с упорным кольцом 4. В упорном кольце (рис. 1, б) выполнено осевое отверстие 5 в виде перевернутого усеченного конуса, в стенках кольца установлены магниты 6 для улавливания, ориентирования и удержания сухарей при их расклинивании после нажима упорного кольца на тарелку 7 пружины. Устройство снабжено механизмом толкателя 8, включающим цилиндрический толкатель, направляющую толкателя и возвратную пружину. Технологические процессы монтажа и демонтажа сухарей клапана с помощью усовершенствованного рассухаривателя включают следующие операции и переходы. При монтаже – установка сухарей на магниты в отверстие упорного кольца; транспортировка сухарей вместе с упорным кольцом в клапанный канал, совмещенная с процессом сжатия пружин клапана; выталкивание сухарей из отверстия упорного кольца в зазор между стержнем и тарелкой пружины с помощью толкателя; автоматическое заклинивание сухарей при ослаблении нажима на пружины клапана; удаление нажимного элемента из клапанного канала. При демонтаже – установка упорного кольца нажимного элемента на тарелку пружины; автоматическое расклинивание, улавливание магнитами и ориентирование сухарей в осевом отверстии упорного кольца, совмещенные с процессом сжатия пружин клапана; транспортировка расклиненных сухарей вместе с упорным кольцом из клапанного канала; выталкивание сухарей из отверстия упорного кольца с помощью толкателя. В процессе проектирования и создания опытного образца усовершенствованного рассухаривателя произведен его силовой анализ, определены усилия в стержнях, реактивные силы и моменты, произведены расчеты на прочность основных элементов рычажной системы. Схема действия сил и моментов на элементы устройства при сжатии пружин силой Р приведена на рис. 1. Совместным решением уравнений проекций сил на оси координат и моментов сил относительно опорных точек получили следующие расчетные зависимости. а б Рис. 1. Схема действия сил (а) на элементы усовершенствованного рассухаривателя и схема контакта (б) упорного кольца и тарелки пружины клапана: 1 – опорные штанги с перекладиной; 2 – рычаг; 3 – нажимной элемент; 4 – упорное кольцо; 5 – осевое отверстие; 6 – магниты; 7 – тарелка пружин; 8 – толкатель Проекции силы Р на оси координат: (1) Усилие нажима на рукоятку нажимного рычага устройства: (2) Реакции в опоре «нажимной рычаг – перекладина»: (3) Сила сдвига опорных штанг: (4) Изгибающий момент, действующий на опорные штанги: (5) Изгибающий момент в произвольном сечении нажимного рычага: (6) Размеры поперечного сечения нажимного рычага определятся из условия прочности на изгиб как (7) где – момент сопротивления при изгибе рычага квадратного сечения со стороной b1. Подставляя Mу.max из выражения (6) и решая равенство (7) относительно b1, получаем (8) Размеры поперечного сечения перекладины определятся из условия прочности на изгиб при максимальном изгибающем моменте (9) где реакция , B – длина перекладины. Момент сопротивления кольцевого сечения (трубы) перекладины при изгибе (10) где ; d1 – внутренний диаметр трубы, d – наружный диаметр трубы. Напряжение изгиба . (11) Подставив (9), (10), (3) в выражение (11) и сделав преобразования при с = 0,8, получим Оценка величины действующих сил и моментов, а также расчеты на прочность основных элементов устройства для монтажа и демонтажа клапанов ДВС проведены при следующих исходных данных (см. рис. 1, а): Н = 165 мм; b = 155 мм; = 220 мм; l = 375 мм; β = 60°; длина перекладины (трубы) B = 400 мм, материал – сталь Ст3 по ГОСТ 535-88, допускаемые напряжения на изгиб [σиз] = 150 МПа; наибольшее усилие сжатия пружин клапана двигателя ВАЗ по данным АвтоВАЗа [5] Р = 760 Н. Расчетное усилие на рукоятке нажимного рычага составило Q = 270 Н. Поперечное сечение нажимного рычага – квадрат со стороной b1 = 14 мм, перекладины – труба с наружным диаметром d = 20 мм и внутренним диаметром d1 = 16 мм. Аналогично проведены расчеты на прочность и определены поперечные сечения стержней остальных элементов устройства. Целью моделирования процесса контактного взаимодействия упорного кольца и тарелки пружин клапана (см. рис. 1, б) и анализа напряженно-деформированного состояния упорного кольца методом конечных элементов была оценка величины и характера распространения напряжений и деформаций, а также выявление недопустимых напряжений и мест их концентрации. Исходные данные для моделирования и анализа приведены на рис. 2. Для ускорения расчетов упорное кольцо изображено с учетом величины зоны деформации в допустимо упрощенном виде. Последовательность решения включала моделирование и анализ процесса контактного взаимодействия упорного кольца и тарелки пружин клапана при нагрузке Р = 760 Н. 1. Задание размерных параметров (см. рис. 2) и свойств материалов деталей (материал тарелки клапана – чугун легированный ЧН 19ЧШ по ГОСТ 7769-82, материал упорного кольца – Ст 35 по ГОСТ 1050-88). 2. Выбор типа элемента для двумерного типа анализа. 3. Построение модели (2D) и ее разбиение на конечные элементы. 4. Создание контакта «упорное кольцо – тарелка пружин клапана» и задание направления реакций контакта. 5. Закрепление по осям х и у тарелки пружин и задание давления на упорное кольцо. 6. Запуск на решение и оценку сходимости решения. а б Рис. 2. Исходные данные для моделирования контакта тарелки пружин (а) и упорного кольца (б) Результаты расчетов деформации и напряжения от действия силы нажатия упорного кольца рассухаривателя на тарелку пружин представлялись в графическом виде. По результатам расчетов напряжение по Мизису в точке концентрации напряжений МХ составило 9461 Па, а максимальное контактное напряжение МХ = 14643 Па. Таким образом, расчетные напряжения не превышают предела прочности материалов, поэтому нет необходимости вносить изменения в конструкцию упорного кольца. Исходя из полученных результатов проведенного силового анализа и оценки напряженно-деформированного состояния рычажной системы усовершенствованного рассухаривателя клапанов ДВС можно сделать вывод, что новое устройство построено на принципах оптимизации приложения статических нагрузок, обеспечивающих приемлемые размерные параметры, безопасность и эффективность в эксплуатации, и может найти применение в ремонтной практике.

Об авторах

Дмитрий Александрович Горбунков

ООО «Научно-производственная фирма «МЕТА»

инженер 443350, г. Жигулевск, Самарская обл., ул. Марквашинская, 55А

Анатолий Гаврилович Ковшов

Самарский государственный технический университет

(к.т.н., доцент), доцент кафедры «Нанотехнологии в машиностроении» 443110, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Иван Владимирович Щеголихин

Самарский государственный технический университет

инженер 443110, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Список литературы

Дополнительные файлы