средой и поверхностью тела (граничные условия), а также геометриче-
скую форму и теплофизические свойства материала детали. Очевидно,
что начальные условия задаются только для нестационарной задачи,
например, при исследовании импульсов градиента температуры в ме-
стах соединения материалов с различными теплофизическими свой-
ствами (керамики и металла). Граничные условия второго (плотность
теплового потока) и третьего (коэффициент теплоотдачи и темпера-
тура обтекающей среды) рода задаются со стороны рабочего тела и
охлаждающей жидкости и определяются в основном по результатам
расчета рабочего процесса [2, 9–12]. Граничные условия четвертого
рода [2] применяются для контактирующих поверхностей в состав-
ных деталях и предусматривают равенство тепловых потоков в точках
контакта. Расчет температурных полей базировался на методе конеч-
ных элементов, реализованном в программном комплексе ANSYS.
Были проведены численные эксперименты по исследованию те-
плонапряженного состояния пяти вариантов деталей: серийной (базо-
вой) гильзы и гильзы с теплоизолятором, базового поршня, поршня
с керамической вставкой, а также поршня с керамической вставкой и
с дополнительным чугунным кольцом. На рис. 1 (см. 4-ю полосу об-
ложки) приведены результаты расчетов отдельных вариантов опытных
конструкций гильзы (
а
) и поршня (
б
).
Сравнительный анализ трехмерных температурных полей серий-
ной гильзы и гильзы с керамической втулкой показывает, что макси-
мальная температура на тепловоспринимающей поверхности в верх-
нем поясе гильзы на режиме
n
= 2800
мин
−
1
, когда другие детали
двигателя не имеют теплоизоляции, повышается от
T
w
= 159
,
1
◦
C до
T
w
= 183
,
9
◦
C. Численные эксперименты позволили прогнозировать
место возможного разрушения составной гильзы, что в дальнейшем
было подтверждено при опытных исследованиях. Данное разрушение
было обусловлено разностью теплофизических свойств и коэффици-
ентов теплового расширения основного материала гильзы и материала
теплоизолятора.
Наличие керамической накладки на поршень (рис. 1,
б
, см. 4-ю по-
лосу обложки) приводит к увеличению от 414 до 659
◦
C максимальной
температуры
T
w
тепловоспринимающей поверхности в центральной
части. На режиме максимальной нагрузки двигателя максимальные
температуры могут превышать допустимые пределы, предусмотрен-
ные для материала базового поршня, что подтверждает необходимость
тепловой защиты в целях увеличения долговечности и надежности
двигателя. Установлено, что использование разработанного варианта
чугунного цилиндрического кольца как соединительного звена между
керамической накладкой и корпусом поршня из алюминиевого сплава
на теплонапряженное состояние составного поршня оказывает незна-
чительное влияние. Следует отметить, что программа исследования
ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2011. № 4 89
