Оценка выносливости базовых деталей поршневых двигателей

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

А.Н. Краснокутский,  
Л.Л. Мягков, Н.Д. Чайнов 
 
 
 
Оценка выносливости  
базовых деталей  
поршневых двигателей 
 
 
 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия  
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2013 

УДК 621.432(075.8) 
ББК 31.365 
К78 

Рецензенты: Н.Н. Патрахальцев, И.В. Станкевич 

 
Краснокутский А. Н.  
К78   
Оценка выносливости базовых деталей поршневых дви-
гателей : учеб. пособие / А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков,  
Н. Д. Чайнов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2013. — 
102, [2] с. : ил. 

ISBN 978-5-7038-3686-6 

Разобраны примеры создания твердотельных моделей основных 
деталей двигателей внутреннего сгорания. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Двигатели внут-
реннего сгорания». 

УДК 621.432(075.8) 
ББК 31.365 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ISDBN 978-5-7038-3686-6  
 
      © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013 

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 

ДВС — двигатель внутреннего сгорания 
КШМ — кривошипно-шатунный механизм 
МКЭ — метод конечных элементов 
НДС — напряженно-деформированное состояние 
D — диаметр цилиндра, м 
d — наружный диаметр шатунной шейки, м 
d1 — наружный диаметр коренной шейки, м 
d1вн — внутренний диаметр коренной шейки, м 
dвн — внутренний диаметр шатунной шейки, м 
q — коэффициент чувствительности металла к концентрации 
напряжений 
K — эффективный коэффициент концентрации напряжений 
n — частота вращения, об/мин; общий запас прочности 
nτ — коэффициент запаса прочности от действия касательных 
напряжений 
nσ — коэффициент запаса прочности от действия нормальных 
напряжений 
R — радиус кривошипа, м 
S — ход поршня, м 
α — угол поворота коленчатого вала, град; теоретический ко-
эффициент концентрации напряжений 
σ0, τ0 — пределы выносливости при пульсирующем (отнуле-
вом) цикле, МПа 
σ–1, τ–1 — пределы выносливости при симметричном цикле, МПа 
σa, τa — амплитудные номинальные напряжения, МПа 
σm, τm — средние номинальные напряжения, МПа 
ψ — коэффициент чувствительности материала вала к асим-
метрии цикла 

ВВЕДЕНИЕ 

Для подавляющего большинства деталей ДВС характерны пе-
ременные во времени нагрузки. При этом если детали КШМ, ме-
ханизма привода клапанов работают главным образом в условиях 
механического нагружения, то детали цилиндропоршневой группы, 
турбокомпрессора, выпускной системы испытывают как механические, 
так и тепловые нагрузки. Для транспортных двигателей 
последние являются переменными во времени как вследствие цикличности 
рабочих процессов в двигателе, так и в связи с частыми 
изменениями скоростного и нагрузочного режимов работы.  
В настоящее время стало возможным оценить с высокой точностью 
НДС деталей методом конечных элементов. Так как основные 
высоконагруженные детали двигателя работают в условиях 
циклических нагрузок, то при проектировании и доводке 
необходимо оценивать их усталостную прочность. 
Особенностью механической выносливости является то, что 
при переменных во времени напряжениях разрушения наступают 
при меньших их значениях по сравнению со статическими (постоянными 
во времени).  
Основные трудности составляет правильная и адекватная 
оценка именно усталостной прочности материала. Это связано 
прежде всего с недостаточно развитой теорией усталостного разрушения 
материала. Большинство существующих методик оценки 
усталостной прочности основано на некоторых эмпирических за-
висимостях и применимо только для некоторого ограниченного 
круга инженерных задач. Высокая стоимость усталостных испыта-
ний, недостаточность сведений об усталостных свойствах матери-
ала, работающего в условиях нециклического апериодического 
(случайного) нагружения, сильно ограничивают число решаемых 
задач. Известно, например, что усталостные свойства материала со 

временем меняются, причем возможно изменение как в сторону 
уменьшения предела выносливости, так и в сторону его увеличе-
ния, но до сих пор нет единой теории, описывающей подобные 
колебания. 
В настоящее время при проектировании нагруженных деталей 
ДВС часто используется детерминированный метод оценки уста-
лостной прочности по коэффициентам запаса. В данном методе, в 
частности, все факторы, оказывающие существенное влияние на 
усталостную прочность, но трудно поддающиеся оценке, идут в 
увеличение запаса.  
Развитие информационных технологий позволяет сохранять и 
накапливать данные о материалах и тем самым более широко при-
менять вероятностно-статистический метод. 
В пособии предлагается рассмотреть вопросы, связанные с 
оценкой выносливости механически нагруженных деталей порш-
невых двигателей. 

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 

1.1. Параметры цикла нагружения 

Прочностная надежность деталей двигателей, подверженных ме-
ханическим переменным нагрузкам, во многом определяется уста-
лостными разрушениями, которые обусловлены низкими значениями 
предела выносливости детали и вероятностью появления повышен-
ных амплитуд напряжений, связанных со скачками нагрузок, а также 
с резонансными и другими видами колебаний. Расчет на выносли-
вость имеет первостепенное значение и необходим для деталей 
КШМ, деталей механизма газораспределения, элементов корпуса 
двигателя, силовых шпилек и болтов. По опубликованным данным 
подконтрольной эксплуатации форсированных среднеоборотных ди-
зелей доля усталостных поломок деталей достигает 90 % общего чис-
ла разрушений. На рис. 1.1 показаны реальные циклы нагружения 
шатуна автомобильного дизеля для разных режимов работы [1]. 
Из рисунка видно, что приведенные нагрузки носят цикличе-
ский характер, лежат в широком диапазоне значений и имеют су-
щественный разброс по скорости нарастания. 
На рис. 1.2 приведены характерный цикл изменения нагрузки и 
его параметры. Минимальные и максимальные напряжения обо-
значены соответственно σmin и σmax. 
Действие цикла напряжений можно представить как полусумму 
постоянной составляющей, называемой средним напряжением цикла, 

 
min
max
2
m
σ
+ σ
σ
=
 
(1.1) 

и периодически изменяющихся напряжений с амплитудой 

 
min
max .
2
a
σ
− σ
σ =
 
(1.2) 

Рис. 1.1. Изменение осевой силы K, действующей на шатун дизельного 
двигателя ЧН 10,2/12,2 (Pz=12,5 МПа, ne = 2300 мин–1):  
а — режим холостого хода по внешней скоростной характеристике (ВСХ); б — 
режим максимального крутящего момента на ВСХ; в — режим максимальной 
мощности на ВСХ; г — режим холостого хода; r — коэффициент асимметрии 
цикла (r = Kmin/Kmax) 
 

 
Рис. 1.2. Цикл переменных напряжений 

Для характеристики цикла используют коэффициент асимметрии 

 
min

max
.
r
σ
= σ
 
(1.3) 

Для симметричного цикла r = –1; для отнулевого, или пульси-
рующего цикла r = 0; при действии постоянных напряжений r = 1. 
Основные виды циклов показаны на рис. 1.3 [2]. 
 

 
Рис. 1.3. Виды циклов напряжений 
 
Подобными циклами напряжений называют циклы, у которых 
коэффициенты асимметрии одинаковы. 

1.2. Схематизация случайных процессов 

Изменение нагрузок во времени может быть регулярным и не-
регулярным. 
Регулярным называют нагружение, характеризующееся перио-
дическим законом изменения нагрузок с одним максимумом и од-
ним минимумом за один период при постоянстве параметров цикла 
напряжений в течение всего времени испытаний или эксплуатации. 
Все виды нагружений, не удовлетворяющих этому определению, 
называют нерегулярными. К ним относят бигармоническое, поли-
гармоническое, блочное и случайное (рис. 1.4). 

 
 
 
 
 

 
 
 
Рис. 1.4. Изменения напряжений во времени:  
а — регулярное; б — бигармоническое; в — блочное; г — случайное 
 
 
 

В большинстве случаев изменение напряжений во времени 
имеет случайный характер. Различают два вида процессов измене-
ния напряжений во времени: узкополосные (рис. 1.5, а) и широко-
полосные (рис. 1.5, б). В общем случае случайный процесс можно 
представить некоторым средним значением σm, на которое нало-
жен переменный процесс случайных колебаний. 
 

 

Рис. 1.5. Типы случайных процессов измене-
ния напряжений:   
а — узкополосный; б — широкополосный 
 
Для удобства описания вводят величину 

 
X = σ – σm, 
(1.4) 

которая также характеризует процесс изменения напряжений в 
координатах x–t, изображенных на рис. 1.5 штриховой линией, и 
параметр χ, равный отношению среднего числа «нулей процесса» 
n0 (числа точек пересечения графиком функции х(t) своей оси абс-
цисс, совпадающей со средним уровнем напряжений) к среднему