...РАЗЛИЧАТЬ ШАТУНЫ СО СТЕРЖНЕМ Н-ОБРАЗНОГО ПРОФИЛЯ И С ОБЫЧНЫМ СТЕРЖНЕМ.

Александр Хрулев, кандидат технических наук

Возможности математического моделирования сегодня как никогда велики — широкий выбор программ и определенные знания физики процесса делают компьютерные технологии исключительно важными и полезными. В автомобильной технике с их помощью нетрудно провести исследование напряженно-деформированного состояния практически любой детали и даже учесть влияние температуры. В результате можно получить очень ценные данные о работе детали, ее деформациях и напряжениях в различных сечениях, чтобы затем не ошибиться при ее изготовлении ни с материалом, ни с размерами.

Надо отметить, что такие результаты по целому ряду деталей заменяют собой натурные испытания на двигателе, которые требуют значительных потерь времени и финансовых затрат. Правда, математика не отменяет физику, и реальные испытания все так же нужны, но их можно здорово ограничить, если испытывать деталь, предварительно уже испытанную математически.

Фактически задача математического моделирования или, более правильно, вычислительного эксперимента сводится к как можно более широкому предварительному исследованию детали от выбора ее конструктивной схемы до проработки отдельных сечений и элементов. На долю же натурных испытаний останется лишь подтверждение полученных данных и легкое их уточнение.

Именно так была решена задача о выборе конструктивной схемы шатуна для спортивного двигателя в нашем конструкторском бюро. Как известно, некоторые спортивные моторы оснащаются шатунами со стержнем Н-образного сечения. В то же время часть фирм, занимающихся подготовкой спортивных двигателей, предпочитает шатуны с традиционным профилем стержня. На первый взгляд, непонятно, зачем нужен специальный профиль и что он дает.

Чтобы ответить на этот вопрос, были выбраны две балки, имитирующие стержень шатуна — традиционная двутавровая и Н-образная. Площадь поперечного сечения балки (стержня) была равномерно распределена по конструктивным элементам и в обоих случаях составила 128 мм3 . Скруглений по ребрам намеренно не предусмотрено — для упрощения задачи. Балки на одном краю имели неподвижную заделку, а другой край оставлялся свободным но к нему в определенном направлении прикладывалась одинаковая поперечная сила в 100 кГ. Такая сила была смоделирована распределенной на небольшой участок стержня нагрузкой.

Далее был проведен вычислительный эксперимент на ЭВМ для определения напряженно-деформированного состояния балок, при этом был использован метод конечных элементов (МКЭ). Полученная конечно-элементная модель состоит из нескольких тысяч элементов, для которых программа рассчитывала напряжения и деформации.

Результаты расчета представлены в виде так называемых контурных графиков, которые позволяют видеть не только состояние детали под нагрузкой, но и ее исходное положение. При этом для большей наглядности масштаб деформаций балок увеличивался в 5 раз.

Полученные данные позволили сделать следующие выводы:

1. При испытании стандартного профиля максимальные деформации по оси y составили 2.69 мм;
2. При испытании Н-образного профиля деформации в 3,5 раза меньше — 0.763 мм;
3. Максимальные напряжения в балке стандартного профиля так же в 3 раза выше и составляют 9.46E+08 Па вместо 3.16E+08 Па для Н-образной балки

Таким образом, шатун с Н-образным стержнем обеспечивает в 3,5 раза большую поперечную жесткость, чем шатун со стержнем стандартного профиля при одинаковой площади поперечного сечения, и даже требует несколько менее прочного материала при той же массе. При этом в продольном направлении жесткость обоих шатунов практически одинакова. Этот вывод позволяет утверждать, что Н-образный шатун при работе двигателя будет существенно меньше деформироваться в поперечном направлении, чем стандартный. А это важно — при изгибе шатуна поршень начинает задевать верхним огневым поясом за цилиндр, вызывая резкое, во много раз, увеличение механических потерь и снижение максимальной мощности двигателя.

Интересно, что именно такую картину удалось зафиксировать много лет назад на ряде спортивных двигателей — переход на Н-образный профиль шатуна приводил к исчезновению потертостей на огневом поясе поршня с одновременным ростом мощности. Правда, эффект наблюдался только при работе на частотах вращения выше 6000-6500 об/мин, что оправдывает применение специальных шатунов только для высокооборотных двигателей.