Формирование научных принципов расчета и
проектирования поршневых колец ДВС.
Молдаванов В.П., академик
ОАО «Кольцо», Одесса.
Расширение производства
форсированных и энергоемких ДВС потребовало изменения подхода к вопросам
технического уровня поршневых колец.
Мировой опыт показывает, что
производство поршневых колец на ведущих фирмах базируется на научной основе.
Фирмы по производству поршневых колец имеют солидные научные центры, в проектировании и производстве поршневых колец
широко внедрено применение ЭВМ, организовано собственное станкостроение. Научно-техническая
продукция этих фирм, их НОУ-ХАУ
превратилась в товар, причем, довольно дорогостоящий. Фирмы предлагают
для продажи лицензии на расчетные программы геометрических характеристик
сечения, эпюры давлений, расчеты копира и т.п.
Между тем, практика
показывает, что механический перенос так называемых НОУ-ХАУ зарубежных фирм к
нашим материалам и оборудованию, нашим традиционным технологическим приемам не
всегда эффективен. Да и предлагаемые лицензии в ряде случаев отражают вчерашний
день.
В НПФ «Кольцо» в результате
длительных исследований под руководством автора была разработана «Единая
методика проектирования и расчета поршневых колец и оснастки для их
изготовления».
В основу методики положены
требования значительного повышения работоспособности и долговечности поршневых
колец современных форсированных двигателей за счет повышения их запаса
прочности, обеспечения стабильности качества по радиальному зазору и по другим
параметрам.
Единая методика состоит из
частных взаимосвязанных между собой методик, охватывающих важнейшие этапы
разработки конструкции и подготовки производства поршневого кольца:
1. Методика расчета
геометрических параметров компрессионных и маслосъемных поршневых колец. В
программе расчета конструкции учитываются требования к основным параметрам
поршневых колец, определяемым по характеристикам двигателя, в котором им
предстоит работать. Сюда входят давления и их распределение по периметру осевой
линии кольца, выбор материала кольца, типа покрытий, формы сечения и др. Учет
этих параметров в расчетной программе и рассчитанных на ее основе таблицах
позволяет обеспечить высокую эффективность конструкции.
Номенклатура таблиц для
расчета геометрических параметров кольца получена на основании специально
созданной вычислительной программы для ЭВМ, которая учитывает обеспечение
необходимых эксплуатационных показателей поршневых колец при заданном запасе
прочности. Его величина устанавливается из произведения коэффициентов,
учитывающих конкретные условия производства и эксплуатации поршневых колец. В
частности, введен специальный коэффициент, учитывающий циклические нагрузки
поршневого кольца. Его величина дифференцирована в зависимости от типа кольца и
места его установки на поршень.
Радиальная толщина
поршневого кольца определяется согласно методике из известных условий, при
которых обеспечивается заданный запас прочности и среднее давление кольца при
максимально возможной его приспособляемости, во многом зависящей от отношения
диаметра кольца к его радиальной толщине:
где t - радиальная толщина
поршневого кольца, D - номинальный диаметр, 
- предел прочности
материала кольца при изгибе, p - среднее давление, n -
высота рабочей части кольца, контактирующая со стенкой цилиндра, 
- коэффициент
ослабления сечения.
Коэффициент учитывает
ослабление сечения чугунного поршневого кольца сложного профиля сечения в
условиях эксплуатации, когда растяжению подвергаются волокна наружной
образующей.
В методике приводится также
порядок расчета и других параметров поршневого кольца: высоты его рабочей
части, контактирующей с цилиндром, размеров замка кольца в рабочем и свободных
положениях, средней упругости и др., которые должны соответствовать заданным
прочностным и эксплуатационным характеристикам.
В качестве приложения к этой
методике приведены программа и необходимые расчетные формуляры для определения
геометрических характеристик сечения поршневого кольца и коэффициентов их
приведения к прямоугольному сечению 
и 
.
2. Методика расчета формы
поршневых колец в свободном состоянии. Она содержит вычислительную схему,
изложенную в логической последовательности от исходных зависимостей до расчета
полярных координат формы кольца в свободном состоянии. Методика предусматривает
расчет параметров кольца: полярных координат осевой линии заготовки и готового
кольца, зазора замка в свободном состоянии, разность взаимно перпендикулярных
диаметров. Все эти параметры рассчитываются в зависимости от заданных
закономерностей и исходных величин радиального давления, механических свойств
материала и конструкции кольца по содержащимся в методике таблицам приведенных
к единичному радиусу коэффициентов для целого ряда безразмерных параметров
поршневого кольца: 
где Q - заданная упругость
кольца, r - радиус осевой линии кольца в рабочем положении, Ео - условный модуль упругости
материала кольца, Jo - момент инерции сечения
рассчитываемого кольца.
Набор безразмерных
параметров К в номенклатуре таблиц методики позволяет рассчитать форму всей
номенклатуры изготовляемых поршневых колец.
В методике наиболее полно
учтено влияние механических свойств материала поршневых колец, конструкции и
связанных с ней особенностей производства на форму кольца. Это способствует
более точному воспроизведению необходимых давлений кольца, их распределение по
периметру и получению «беспросветных» колец. С этой целью в методику введены
корректирующие функции:
- функция, учитывающая
изменение значений условного модуля упругости по периметру поршневого кольца:
,
где 
-
значение условного модуля упругости в сечении кольца под углом от спинки, а - коэффициент,
характеризующий интенсивность изменения в зависимости от механических свойств
материала и покрытия кольца, условий производства;
- функция, учитывающая
закономерность остаточных формоизменений заготовки поршневого кольца в процессе
производства:
где В - коэффициент,
характеризующий пластические свойства материала кольца, 
-
показатель степени, характеризующий изменение функции.
В методике содержатся
значения коэффициентов а, В и n для поршневых колец из
наиболее часто применяемых материалов: серого, комплексно-легированного и
высокопрочного чугуна.
С помощью таблиц можно даже
в заводских условиях рассчитать форму заготовки (кривую копирного точения) и
готового кольца любого диаметра в диапазоне 50 - 200 мм. с коррекцией эпюры радиальных
давлений порядка 1,5; 1,8; 2; 2,5; 2,8. Пользование методикой расчета поршневых
колец в свободном состоянии дает возможность получить необходимые исходные
данные для расчета всей основной технологической оснастки для производства
поршневых колец.
3. Методика расчета
расширителей к поршневым кольцам охватывает методы расчета расширителей
радиальных пластинчатого типа, спиральных и специальных тангенциальных.
4. Методика расчета
технологической оснастки для производства поршневых колец. Она содержит такие
важные разделы как расчет литейной заготовки и модельной оснастки, расчет
технологической оснастки для отливки маслот, вычислительную программу для
расчета копиров к станкам, с постоянным и переменным масштабом копирования.
Основные положения Единой
методики апробированы на практике. Они согласованы с требованиями действующих
ГОСТ, ОСТ, РТМ и другой нормативно-технической документации в области
конструирования и подготовки производства поршневых колец. Ее основополагающие
принципы и расчетные программы практически применимы во всех отраслях
двигателестроения и компрессоростроения при учете специфических для этих
производств исходных данных.