Анализ недостатков детали

 

Заводское коромысло (рис. 1.5) обладает недостатками:

· высокое трение при работе, снижающее эффективность механизма газораспределения (ГРМ);

· требует постоянное регулирование зазора.

 

 

Рис. 1.5 Рабочий чертеж заводского коромысла.

 

Анализ существующих конструкций

 

Есть несколько удачных конструкторских решений коромысел клапанов:

1. Использование “ролика” на плече, действующем на клапан (рис1.6).

2. Использование гидрокомпенсатора (рис. 1.7)

Оба решения призваны увеличить срок службы ГРМ и устранить надобность регулирования зазора между клапаном и коромыслом

 

 

Рис. 1.6Роликовое коромысло.

 

 

Рис. 1.7Коромысло с гидрокомпенсатором.

Конструирование

 

При конструировании нового коромысла следует учитывать особенности уже существующих конструкций и применять удачные решения.

Моделируем деталь в системе КОМПАС 3D(рис. 1.8)

 

 

Рис 1.8 3D модель детали.

Рис. 1.9 Кодировка поверхностей коромысла.

 

Кодировка поверхностей. Таблица 1.1

№ поверхности	Шероховатость поверхности, Ra, мкм	Назначение поверхности
1, 2	12,5	исполнительнаяповерхность
	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	база на установе Б
	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
13, 14	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
17, 18	2,5	исполнительнаяповерхность
19, 20	12,5	свободная
	12,5	база на установе Б
22, 23	12,5	свободная
24, 25	12,5	свободная
26, 27	12,5	свободная
28, 29	12,5	свободная
30, 31	12,5	свободная
32, 33	12,5	свободная
34, 35	12,5	свободная
36, 37	12,5	свободная
38, 39	12,5	свободная
40, 41	12,5	свободная
42, 43	12,5	свободная
	12,5	свободная
	12,5	свободная
		свободная
47, 48		свободная
	2,5	исполнительная поверхность
	12,5	свободная
	2,5	исполнительная поверхность
	2,5	исполнительная поверхность
53, 54	2.5	свободная

 

Материал изделия, его состав и свойства.

 

Данное изделие изготавливается из алюминиевого сплава АК9чГОСТ 1583-93.

Применяется в крупных и средних, сложных по конфигурации деталях, таких как блоки, двигатели и не теряет своих качеств при нагревании до 200 градусов. Этот сплав используется и для отливок крупногабаритных деталей, которые способны выдержать большую нагрузку. Этот сплав востребован, в изготовлении корпусов на насосы и бытовых изделий

Химический состав сплава. Таблица 1.2
Химический состав в % сплава АЛ4
Fe	до 0,3
Si	9 - 10,5
Mn	0,2 - 0,35
Ti	0,08 - 0,15
Al	88,1 - 90,49
Cu	до 0,1
Zr	до 0,1
B	до 0,1
Pb	до 0,03

 

Исследовательская часть

Схема нагружения

Коромысло является очень важным компонентом двигателя. Отказ этого элемента ГРМ выводит из строя весь двигатель, а также закупка и замена коромысел является дорогостоящим решением. Исследования, проведённые ранее ясно указывает на то, что эта проблема до сих пор решена не полностью, и конструкторы все еще сталкиваются с множеством проблем, особенно концентрации напряжений и эффект нагрузки и других факторов. Метод конечных элементов является наиболее популярным подходом, используемым для анализа проблем механики разрушения.

Исследуем прочность коромысла в момент максимального сжатия пружины выпускного клапана, приложив силу (F=2223,4 N), полученную из исследования американских инженеров.[3]

Прикладываем силу перпендикулярную движению коромысла, фиксируем деталь в месте расположения гидрокомпенсатора неподвижным соединением и роликовым соединением в месте расположения оси коромысел.

Рис. 2.1 Статический анализ 1.

Симуляция в SolidWorks показала, что предел текучести в несколько раз выше самых нагруженных участков детали.

Оптимизация коромысла

 

Оптимизация детали в системе SolidWorksSimulation(Рис 2.2) позволит снизить массу детали с сохранением запаса прочности.

Оптимизация детали проводится по трём переменным показанным в таблице 2.1. Целевой функциейявляется предел текучестив таблице 2.2. Целью оптимизации является снижение массы детали таблица 2.3.

 

Рис. 2.2Результаты оптимизации вSolidWorksSimulation.

Этапы исследования

Переменные. Таблица 2.1

Наименование	Типоразмер	Значения	Ед. изм.
Z1	Диапазон и шаг	Min:18 Max:23 Шаг:2	мм
Z2	Диапазон и шаг	Min:27 Max:32 Шаг:2	мм
Z3	Диапазон и шаг	Min:2.5 Max:7 Шаг:2	мм

 

Ограничения. Таблица 2.2

Датчик исследования	Условие	Ограничение	Ед. изм.	Наим. Исследования
Нагрузка	меньше чем	Max:1.975e+008	N/m^2	Статический

 

Цели. Таблица 2.3

Name	Цель	Properties	Weight	Study name
Масса	Уменьшить	Mass		-

 

Результаты исследований Таблица 2.4

Наимен.	Ед. изм.	Текущий	Начальный	Оптимальный	Сценар.1	Сценар.2
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	2.5	2.5		2.5	2.5
Нагруз.	N/m^2	1.0942e+008	1.0942e+008	1.5935e+	1.336e+008	1.2315e+008
Масса	kg	0.097	0.097	0.065	0.078	0.086

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.3	Сценар.4	Сценар.5	Сценар.6	Сценар.7
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
Нагруз.	N/m^2	1.1508e+	1.0489e+	1.3514e+	1.2253e+	1.1315e+
Масса	kg	0.094	0.098	0.078	0.086	0.093

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.8	Сценар.9	Сценар.10	Сценар.11	Сценар.12
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	2.5	2.5	2.5	2.5	2.5
Нагруз.	N/m^2	1.0922e+	1.3805e+	1.2128e+	1.1131e+	1.0603e+
Масса	kg	0.097	0.077	0.085	0.093	0.097

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.13	Сценар.14	Сценар.15	Сценар.16	Сценар.17
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	2.5	2.5	2.5	2.5	4.5
Нагруз.	N/m^2	1.342e+008	1.2627e+008	1.1059e+008	1.0538e+008	1.4163e+008
Масса	kg	0.077	0.085	0.093	0.097	0.073

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.18	Сценар.19	Сценар.20	Сценар.21	Сценар.22
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	4.5	4.5	4.5	4.5	4.5
Нагруз.	N/m^2	1.2685e+008	1.2688e+008	1.3073e+008	1.4124e+008	1.2133e+008
Масса	kg	0.081	0.088	0.092	0.072	0.079

 

Наимен.	Ед.изм.	Сценар.23	Сценар.24	Сценар.25	Сценар.26	Сценар.27
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	4.5	4.5	4.5	4.5	4.5
Нагруз.	N/m^2	1.2169e+008	1.1874e+008	1.489e+008	1.2078e+008	1.2401e+008
Масса	kg	0.087	0.091	0.071	0.079	0.087

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.28	Сценар.29	Сценар.30	Сценар.31	Сценар.32
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	4.5	4.5	4.5	4.5	4.5
Нагруз.	N/m^2	1.2507e+008	1.363e+008	1.2167e+008	1.1866e+008	1.1721e+008
Масса	kg	0.091	0.071	0.079	0.086	0.091

 

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.33	Сценар.34	Сценар.35	Сценар.36	Сценар.37
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	6.5	6.5	6.5	6.5	6.5
Нагруз.	N/m^2	1.5488e+008	1.436e+008	1.2065e+008	1.3325e+008	1.4687e+008
Масса	kg	0.067	0.075	0.082	0.086	0.066

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.38	Сценар.39	Сценар.40	Сценар.41	Сценар.42
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	6.5	6.5	6.5	6.5	6.5
Нагруз.	N/m^2	1.4066e+008	1.1879e+008	1.3438e+008	1.4874e+008	1.3675e+008
Масса	kg	0.074	0.081	0.085	0.065	0.073

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.43	Сценар.44	Сценар.45	Сценар.46	Сценар.47
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	6.5	6.5	6.5	6.5	6.5
Нагруз.	N/m^2	1.1957e+008	1.3323e+008	1.488e+008	1.4387e+008	1.2232e+008
Масса	kg	0.081	0.084	0.064	0.072	0.079

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.48	Сценар.49	Сценар.50	Сценар.51	Сценар.52
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм	6.5
Нагруз.	N/m^2	1.2676e+008	1.5651e+008	1.4058e+008	1.2985e+008	1.2617e+008
Масса	kg	0.084	0.066	0.073	0.081	0.083

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.53	Сценар.54	Сценар.55	Сценар.56	Сценар.57
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм
Нагруз.	N/m^2	1.5743e+008	1.5217e+008	1.2733e+008	1.2602e+008	1.5827e+008
Масса	kg	0.064	0.072	0.079	0.084	0.063

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.58	Сценар.59	Сценар.60	Сценар.61
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм
Нагруз.	N/m^2	1.6763e+	1.2275e+	1.2632e+008	1.5935e+008
Масса	kg	0.071	0.079	0.083	0.063

 

Наимен.	Ед. изм.	Сценар.62	Сценар.63	Сценар.64
Z1	мм
Z2	мм
Z3	мм
Нагруз.	N/m^2	1.5029e+008	1.2715e+008	1.219e+008
Масса	kg	0.071	0.078	0.082

 

Проводим проверочный статический анализ 2оптимизированной детали (рис. 2.3). В результате оптимизации масса детали уменьшилась на 32% (с 0,097 кг до 0,065). Для сравнения заводское коромысло ЗМЗ 523 имеет массу равную 0.12 кг. При этом предел текучести коромысла так и остался в несколько раз выше максимального напряжения детали.При программе выпуска деталей 16000 шт. в год мы экономим 512 килограмм алюминия.

 

Рис 2.3 Статический анализ 2

Технологическая часть