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7 发动机部件载荷
7.1 部件的机械和热负荷
7.1.1 部件的机械负载
柴油机有效载荷的确定对其各个部件和组件的设计至关重要。应力的确定是构件尺寸确定的重要前提。它构成了确定几何尺寸，所使用的材料，甚至制造工艺的基础应用。因此，负荷在分析中起着重要的作用，在发展过程中成本和容量的估计决定了柴油机的可靠性。
应力的分析必须区分不同类型的负载，因为他们有不同的影响。基本上有三种类型的负载被区分。
7.1.1.1 静负荷
由于柴油机的个别组件通常是由螺栓连接设计，螺栓拧紧产生一个大的静态预载力在发动机上。与尺寸相关的问题通常是处理的基础。例如过盈配合（如热或液压连接组件）引起的静应力。
一些应力的概念还解释为内部应力作为静态负载。他们可以通过制造过程中产生（如铸造、锻造、焊接和机械加工）然而对这些应力变量的测定是困难和不可行。此外，在以后的发动机运行的潜在应力分布和复杂成分的评价的可靠性。 可以引进的一个具体应用工序或热表面处理如枪喷丸、滚压、氮化、渗碳等。
7.1.1.2 热负荷
热负荷是与相邻燃烧室和不同的管道系统和排气系统的部件有关的。波动大的燃烧循环过程中，气体的温度会加热组件。图7-1表明在柴油机中高峰值温度的达到。然而，在组件表面上的热传输的惯性，使此温度波动几乎无效，在这里的烟灰层的绝缘效果发挥了重要作用。因此，在部件出现的温度场可以经常被视为准同步，即当发动机负荷不变，温度场也不变化。这是明确的不真实的热负荷打开和关闭。
热传导导致温度场出现在所有燃烧室组件，其表现出最大的温度梯度从他们的加热表面向其冷却的表面。由此产生的温度差异产生相应的热膨胀，从而也产生热应力。温度的绝对水平的影响的可容忍的应力（温度依赖性的材料的强度），以及所发生的应力水平。
热负荷可能被解释为准静态负荷评价，然后通常考虑平均应力。然而在其他情况下，可能需要将评估的热负荷作为时间变化的负载。这尤其适用于应力引起持久的变形（局部屈服）发生在零件因为他们的膨胀不顺畅。然后，适当低周期的概念作为评估标准被引用。
7.1.1.3 动负荷
机械应力变化的一个基本的原因是缸内气体压力的变化（图7-1），其直接的负荷作用在燃烧室部件如活塞、气缸头、气缸套。由于连接件传递气体力更进一步，气体压力载荷对柴油机的每一个零部件的作用最终都是显而易见的。可以确定负载作用在离散部件中所需要分析发动机内部力的传递和平衡。
中速四冲程机的气压时间特性和平均气体温度
对许多组件来说一个重要的的尺寸参数，最大气体力随最大气体压力而来（燃烧压力）。这种简化的准静态方法不具有有效性当弹性元件存在振动时，这就是这种情况例如当组件表现出的自然频率兴奋气体力强的谐波分量，即存在共振的情况下。与应力有关的共振模式主要是在低固有频率的组件中，因为损坏的共振振幅迅速衰减向更高的固有频率的组件。加上如管道系统或整流罩以及涡轮增压组或水泵经常受影响的部分。随着谐振范围，各自的固有阻尼，它可以假设一个幅度为1-10%，也起到了作用。
其他组件的动载荷由机械动力学引发的惯性力引起。他们之间的区别是由旋转体产生旋转惯性力（离心力）和活塞运动使物体震荡产生震荡惯性力。这些也可以激发振动（见8.2）。在恒速下，离心力在元件上产生一个静载荷。然而，振动的力可能出现在组件上，必须吸收的离心载荷产生的反应力。离心力在曲轴上，例如，引起不平衡的影响和结构变形，引起振动应力在安装以至于在发动机外壳上。由惯性力引起的零件应力大多数和气体力引起的是一样的，即最大的惯性力使静态尺寸足够的某些组件，而交换附加振动量尤其要考虑其他东西，尤其是共振情况下。
冲击动力出现时，例如，当阀门设置在他们的气门座或喷嘴顶针关闭时，可能会引起高度的压力对元件强度和磨损的产生不利影响。
总振动应力不仅要考虑到单个气缸的气体和惯性力的特性，还要考虑它们之间的相互作用。这会导致一个取决于发火的相邻的燃烧周期相应作用，例如在曲轴的扭转应力或完整的发动机的性能与相应的影响。
7.1.2 构件应力
7.1.2.1 一般背景
在原则上，确定一个组件或组件中的应力的方法，可分为计算方法和测量方法。
确定应力的一般计算方法是根据经典的轴、螺栓、管等强度理论，在许多情况下，这些方法得到的结果足够的应力分析。而要求相对较少的作用力，分析和经验的计算方法的使用一般是广泛的领域中的组件设计，特别是非常适合草案设计，模拟的替代品和预优化。然而，输出量和它们的精度经常有有限的有效性，因为注册成立的重要的输入数据，如结构弹性，非线性材料和接触行为，通常是不可能的。有限元法（FEM）主要是用来整合在应力计算的边界条件和构件几何的复杂性。它获得最佳质量和多样化的结果。然而，这种方法在设计过程相对复杂，耗时。
多体动力学仿真（MBS），计算流体动力学（CFD）或轴承的计算（高清/ EHD）结合在一起，随着频率的增加，是正确地捕捉这种计算的边界条件标准。这使得有可能模拟一个完整的官能团，例如曲柄机构，轴组件或燃烧室。这种发展的最终目标是集成所有“柴油机”系统的总体模型。
测量应变片是在发动机设计分析应力测量的最重要的方法。采取测量元件局部膨胀成正比的压力，而通过测量组件的静态和动态负载生成通道。测量的组件的本地扩展成比例的应力，这是被产生的静态和动态负载的组件所测量。在许多情况下，三线的测量方法可以测量两个扩展幅度和平均应变。因此，不仅动态元件，但也准静态应力，例如通过热膨胀引起的组件中的应力，可以测量。这种方法已经达到了一个状态，甚至允许在困难的情况下测量，当表面被水冲刷或高温或测量值从移动部件传递（图7-2）。
在确定构件的应力时确保最大限度的确定性必须结合计算和测量方法（因为可完成性和比例允许）。因此，理论和实践都统一在一个整体内的分析并且相互补充另外一个的突出。
7.1.2.2 中速柴油机被选定连杆的应力
通常情况下，只有与发动机机械负载有相关性的的连接杆的强度。组件的温度是在油温度的范围内，只有小的梯度。因此，它们既不能发挥作用，也不能在极限强度因子中发挥作用。在连杆上的主要应力是由点火TDC最大气体力引起的（压应力），通过活塞或气体交换的TDC连杆本身的惯性力（拉应力）。在一些评估点，最大应力不能被分配到上止点的位置。因此，例如，横向弯曲可能是决定性的点（如连杆螺栓）。即使是固有频率也可能在某些连杆设计中起到一定的作用。当他们被激发时，相应的激励频率（例如，从气体压力的特点），那么这就可以使组件失败。越来越频繁，各个组件之间的相对运动（如轴承体和轴承衬套之间）也必须进行详尽的。在与压缩组件结合，相对运动不可接受的程度会造成巨大的损害的接触面积，从而降低疲劳强度。因此，测定一个连杆的应力，是一个很重要的任务，应该利用每一个数学和实验方法可完成。
典型的用无线传输的应变片程序，这里是一个水泵轴
装在水泵轴上的典型的无线感应传输的应变片装置
相邻燃烧室组件
燃气压力和加热高度负载周围燃烧室的所有组件。此外，由惯性力引起的附加载荷，在活塞和气体交换允许的阀门。另外，燃烧室的侧面上的表面必须保持在一个不适当的温度水平上，不影响材料的强度。
当热负荷燃烧产生大，壁薄，有助于降低表面温度对燃烧室侧同样–由于低的壁面温度梯度减少热应力。然而，这可能会消除设计的阻力高燃烧压力。
所有这些情况，最终使燃烧室组件更难以引擎开发人员控制比其他组件。密集的初步测试，例如燃烧过程或冷却液流量，在选择合适的边界条件时已经需要了。这意味着投资大，经常不可行的时间和金额。此外，一些过程，如油喷雾冷却，很难提前计算。因此，大量的假设是已经需要定义边界条件。很难测量的接触行为（滑动过程和热传导）在热加载组件可能会影响质量结果。
图7-3给出有限元模型计算所需要的缸套温度场和建立在它的结构分析。应力从气缸盖的预应力LTS和气压等应力变量必须考虑。
图7-4，在合钢活塞钢顶截面的温度分布，活塞头，清楚地表明，最大温度应力和最大温度梯度接近出现在这里。因此，非常重要的是连接的确定的热应力发生环和极限强度因子的影响。从气体和惯性力的机械负载占主导地位的底部部分。二次活塞运动在活塞裙部的应力中起着重要的作用，特别是在大的柴油发动机。
计算一个带有详细的衬套和支撑环大型柴油机的气缸套有限元模型
一种用数学确定的温度分布组合式活塞的有限元模型
驱动气体交换阀
在阀锥中，惯性力和热载荷的增加，特别是在这个组件中发挥了至关重要的作用。凸轮定义阀门行程曲线和由此产生的加速度在每一个构件的惯性口粮产生相当大的力量（挺杆、推杆、摇臂、气门弹簧和气门）。最重要的前提条件为一个完美的运作的阀门齿轮是一个气门弹簧力大于惯性力抵消它在任何时间。只有这可以防止接触损失的驱动部分之间，当提升凸轮挺杆，和如此高的冲击力在整个系统中。
在最初的一个步骤，分析多质量模型可用于阀齿轮运动学计算。基本上，这是基于只有在行程特性，加速度，组件群众和阀门弹簧力。这种方法无法捕捉阀齿轮动力学往往决定一个系统。
因此，多体模拟，同时考虑结构弹性、系统阻尼、接触刚度和间隙，作为所需的[ 7 -6]。这样的建模是必要的，例如，当意图是通过陡峭的行程曲线两翼大阀直径改善气体交换。这会影响惯性力的水平在2种方式，即增加的加速度和通过增加阀门质量。图7-5了这样计算力特性的推杆为例，其对应的测量特性非常密切。
在设计阀门齿轮时，应力分析是必要的，以确定在阀杆和阀头的应力发生。合适的模拟可以做到这一。气体压力时的值当它被关闭时，它在座椅上的设置是重要的边界条件。在这里，计量验证的结果强烈建议（提供它是可行的），因为应力主体强烈的变化（图7-6）开放期的自由弯曲振动引起的，在气门导管和潜在的阀旋转起。其结果是，设置条件阀座没有明确定义，因此受到化学计量的波动。这会产生一个带的压力曲线，变化很大，从燃烧循环到燃烧周期。如果磨损和污染的表现，从而放大这些影响，还可出现在座位上，在长期的发动机操作指导区。
7.1.3 部件应力分析
仅仅是确定在发动机运转过程中发生的应力（有效应力和实际应力）不足以对元件可靠性进行评估。确定的容许应力，即构件的强度，才是最重要的。最大应力的比值是至关重要的。这个比例是相当于一个组件的安全系数。
气体和惯性力提供了非常多的柴油发动机部件的最大有效应力。负荷周期成分的数量达到的值的范围在以上的变化在相对较短的运行时间的负荷，因此有必要在疲劳强度上设计。假设一辆卡车发动机有一个20000小时使用寿命，那么发动机外壳必须承受由最大气体力引起的约负载周期而不会引起疲劳失效。在一个组件中的静态应力以及热应力（例如通过螺栓的力引起的）在燃烧室分量被叠加在高频率动态应力。热应力与发动机功率变化，并且，严格地说，从而也应该被解释为“交替加载”。 然而，因为从热应力的“应力幅度”有极低的频率，热应力通常假设在发动机设计准静态。其允许低循环疲劳（LCF）必须是在某些情况下施加，例如当评估局部塑性变形时。
一个典型的推杆力特性的测量仿真的比较
应变计测量以确定在一个气体交换阀杆的负载
高周疲劳（HCF）的评估通常是在强度图上，它表示容许的相关应力幅（疲劳强度），和有效地静态应力（平均应力）。以前常见的做法，是只允许物质的行为，而不再使用现在的柴油发动机设计的材料。因此，最好是采用基于组件的疲劳强度图表，其中混凝土构件的特定的边界条件可以允许在评估点存在。其中重要的输入参数是表面光洁度（粗糙度），在安装点支承效果，技术尺寸因子以及局部部件温度或甚至一个潜在的表面处理（表面层的影响）。在本地组件应力的基础上进行应力分析的FKM指南概述为“证明电脑应力分析/机械零件实力”。根据FKM指导，安全系数的差异取决于损伤，最大负载的发生概率后的后果，对于组分检查和现有质量保证措施的选择（具体为由铸铁制成的部件）。应力测定不包括任何不确定性，此外必须在应力分析过程中考虑额外因素。甚至当用优秀的方法来确定有效应力可用和疲劳强度可具体计算组件，经验表明，总体安全系数或（甚至高达为3的铸造材料）覆盖剩余的不确定性必须计划在以。应力分析证明当压力条件复杂，特别困难应力情况例如旋转应力张量和非比例原则的应力曲线。这种情况下，必需要与相应复杂的概念结合。通常情况下，通过分析然后根据结构完整性用软件执行。由于传统的应力分析假设材料是完美的，所以另一个方面压力分析的执行是一个组件的断裂力学方面的测试。因此，断裂力学的评价必须补充材料的缺陷，这是对柴油发动机的质量保证的重要手段。
试验与在试验台上真正的组件和长时间的发动机运行组件测试相比其可靠性分析是其他的选择。虽然极端载荷可以用于在有限范围内，以获得经过一个时间后的影响，这需要的大量工作证明这种对于较小的部件和车辆发动机的方法。
7.1.4 在柴油发动机的典型部件损坏
基于HAIGH的组件的疲劳强度图
主要压力
评估点
恒定压力比
恒定的平均压力
在工程机械的领域，损害是由产品缺陷（设计，材料和制造）和操作错误（维护和操作）而引起的。在这两类典型的例子都存在于柴油发动机中。当然，它们在很大程度上取决于各组分的负载情况。只能在不充分或者不确定无尺寸组件时被破坏时表现出来，然后发动机故障的影响对于发动机开发和运营商也同样重要。
引起的疲劳断裂（疲劳失效）故障是最常见的类型对于柴油发动机的损害。它从气体力和惯性力的分量的主导交替装载接着而来。疲劳裂缝都比较容易检测到，因为其钢部件的疲劳断裂的表面结构的通常是光滑，细粒
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