Судовые двигатели внутреннего сгорания. Конструирование, расчеты прочности, износостойкости, долговечности

 
 
 
 
 
В. К. РУМБ 
 
 
 
 
 
 
 
СУДОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 
 
КОНСТРУИРОВАНИЕ, РАСЧЕТЫ ПРОЧНОСТИ, 
ИЗНОСОСТОЙКОСТИ, ДОЛГОВЕЧНОСТИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
 

УДК 621.431.74 
ББК 39.455.5 
Р86 
 
 
Рецензенты: 
 
доктор технических наук, заведующий кафедрой судостроения  
и энергетических установок Государственного университета морского  
и речного флота имени адмирала С. О. Макарова  
В. А. Жуков; 
директор по производству Акционерного общества  
«Объединенная судостроительная корпорация»  
Р. Р. Каримов 
 
Румб, В. К. 
Р86  
Судовые двигатели внутреннего сгорания. Конструирование, расчеты прочности, износостойкости, долговечности : учебное пособие / 
В. К. Румб. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 460 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1524-8 
 
Рассмотрены особенности конструкции деталей и узлов современных двигателей внутреннего сгорания, а также конструктивные способы снижения их механической и температурной напряженности, методики определения температурных полей и 
основные рекомендации по конструированию, расчету прочности и долговечности деталей двигателя. Даны сведения по технологии изготовления деталей ДВС и способам 
получения требуемых свойств машиностроительных материалов.  
Для студентов и курсантов средних и высших учебных заведений, изучающих 
дисциплины по двигателям внутреннего сгорания и судовым дизельным установкам. 
 
УДК 621.431.74 
ББК 39.455.5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1524-8 
” Румб В. К., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
По роду своей деятельности инженеру-конструктору приходится заниматься проектированием. Что такое проектирование? Отвечая на этот вопрос, можно дать следующее определение: «Проектирование – это творческий процесс создания нового изделия, которое по своим 
технико-эксплуатационным свойствам превосходит современные аналоги». Применительно к 
сложным изделиям, к которым без преувеличения относятся двигатели внутреннего сгорания, 
данное определение несет большую смысловую нагрузку. 
Во-первых, оно предполагает, что конструктор должен представлять проектируемый 
двигатель в целом, знать физические свойства двигателя, его выходные характеристики и 
ограничения, препятствующие улучшению аналога. Так как свойства и характеристики двигателя естественным образом диктуются эффективностью его функционирования в составе 
объекта, на котором он будет установлен, то конструктор должен также иметь полное представление об объекте, для которого проектируется двигатель, знать тенденции развития того 
и другого. 
Во-вторых, данное определение предусматривает, что любая проектная задача имеет не 
одно, а несколько решений, соответственно у конструктора появляется возможность выбора 
того единственного решения, которое является лучшим из всех либо весьма близким к таковому. При осмысленном выборе наилучшего проектного решения конструктор вынужден учитывать многие, иногда противоречивые соображения, причем они могут быть выражены как 
количественно, так и в вербальной форме. По этой причине оценка качества технических решений является сложной, не всегда формализуемой процедурой. В таких неопределенных 
условиях конструктор, чтобы выбрать окончательное и приемлемое решение, должен опираться только на собственные технические знания, опыт, а в отдельных случаях даже на инженерную интуицию. 
В-третьих, при решении проектной задачи конструктор должен пользоваться вычислительными процедурами и методами, которые учитывают специфические особенности проектируемого изделия и помогают количественно оценить его выходные параметры. Недооценка 
математического аспекта делает решение проектной задачи в значительной степени субъективным, с его помощью трудно, а иногда просто нельзя доказать преимущества выбранного 
варианта. В то же время эти доказательства возможны только тогда, когда результаты математических манипуляций переведены на технический язык реального проектирования, понятный 
инженеру-конструктору. 
Наконец, в-четвертых, достижение наилучших технико-эксплуатационных показателей 
проектируемого изделия неразрывно связано с последними достижениями в науке и технике, 
с успехами в области машиностроения и металлургии, с возможностями технологического 
процесса реального производства и его оборудования. 
Проектирование поршневого двигателя – это довольно трудоемкий и весьма длительный 
процесс. Даже при благоприятных условиях на создание нового двигателя уходит от пяти до 
семи лет. Во многом именно поэтому двигателестроительные заводы редко проектируют совершенно новые моторы, чаще они модифицируют существующие ДВС, создают на их базе 
унифицированное семейство двигателей или пользуются типоразмерными рядами. В любом 
случае конструирование присутствует всегда и остается значимым этапом, обойти который 
невозможно. При этом обязанности конструктора очень многогранны: он должен качественно 
выполнять чертежи, производить расчеты, а если необходимо, то и подвергать их результаты 
экспериментальной проверке, принимать активное участие в изготовлении головного образца, 
включая его испытания и доводку на стенде. Для облегчения и ускорения процесса конструирования двигатель разбивают на отдельные части, представляющие собой, как правило, самостоятельные сборочные единицы. Их разработкой занимаются специальные подразделения 
3 

конструкторского бюро – рабочие группы. Соответственно имеются рабочие группы по коленчатым валам, поршням, деталям остова, газораспределительным механизмам, различным 
системам и др. 
Отмеченная специфика проектирования ДВС нашла свое отражение в настоящем учебном пособии. Его построение напоминает структуру конструкторского бюро, иначе говоря, 
конструированию и расчетам конкретной детали или сборочной единице двигателя посвящен отдельный раздел. По этой причине все разделы могут рассматриваться независимо друг 
от друга и в любой последовательности. Исключение относится лишь к первым трем и последнему разделу. В первых разделах дается общее представление о машиностроительных 
материалах и методах расчета, которыми пользуются конструкторы в повседневной трудовой деятельности. В последнем разделе обсуждаются вопросы компоновки двигателя в целом, там же дано описание конструктивного исполнения существующих двигателей различного назначения и приведены их поперечные разрезы. Поскольку учебное пособие предназначено для обучающихся, которые в большинстве своем не имеют практического опыта 
конструирования, то акцент делается на техническую сущность проектных задач. Именно 
этим объясняется то, почему в нем нет теорем и громоздких математических выкладок, а 
представленные вычислительные процедуры в основном позволяют получить решение проектно-конструкторской задачи даже на микрокалькуляторе. В учебном пособии нет и эмпирических рецептов, имеющих ограниченную ценность, также нет и запретов на современные 
численные методы. Хотя не секрет, что при использовании этих методов, во-первых, заметно 
растет трудоемкость решения проектных задач, во-вторых, сами решения очень часто обладают лишь незначительными преимуществами по сравнению с решениями, полученными 
традиционными способами, и, в-третьих, теряется романтика процесса проектирования, так 
как меняются приоритеты решаемой задачи: техническая сущность подменяется математическим аспектом. 
Таким образом, искусство проектирования заключается не столько в умении пользоваться математическим аппаратом, сколько в умении сознавать, что означают результаты вычислений в проектной задаче. Нередко приближенный ответ оказывается более эффективным 
для принятия окончательного решения, чем более точный, на получении которого уходит 
больше времени. Все это свидетельствует о пользе приближенных расчетных моделей, позволяющих избежать больших затрат времени на поиск оптимального решения. Еще лучше, если 
расчетные модели поэтапно развиваются и совершенствуются по мере того, как у обучающегося накапливаются практические навыки решения проектных задач. Для более быстрого привития интереса обучающихся к конструированию в учебном пособии приведено много примеров, которые доведены до числовых значений и служат иллюстрацией практической реализации существующих теоретичеких моделей, поэтому они значительно упрощены. Предполагается, что, изучая эти примеры, обучающиеся приобретают определенные навыки решения не 
только подобных, но и более сложных задач.  
Во многом данную книгу можно считать вторым изданием учебного пособия [24], но по 
сравнению с ним здесь существенно переработано большинство глав, а часть глав дополнена 
новыми сведениями, также учтены замечания и пожелания. Среди нового подробно рассмотрены методические вопросы расчета прочности и долговечности по той причине, что эти расчеты являются важнейшими при конструировании судовых ДВС, обладающих повышенной 
форсировкой и уменьшенной металлоемкостью. Связанный с этим рост напряженности деталей удается прогнозировать только при использовании методик, отражающих общетеоретическое представление о механике разрушения материала и учитывающих реальные условия 
нагружения, свойства материалов, технологические и эксплуатационные факторы. Дополнительно включен новый раздел, где приводятся основные характеристики современных конструкционных материалов и даются сведения о технологиях, которые позволяют получить желаемые свойства металла. К новизне следует отнести и методику определения минимально 
допустимого коэффициента запаса прочности и теоретические положения прогнозирования 
4 

долговечности деталей по критерию усталости и изнашивания материала. Для большего понимания подробно описан механизм разрушения деталей с трещинами. Приведены расчетные 
зависимости, позволяющие с заданной вероятностью рассчитывать остаточную долговечность. 
Несмотря на сделанные корректировки и дополнения данное издание все равно не претендует на абсолютную полноту. Дело в том, что методы расчета деталей ДВС постоянно совершенствуются по мере накопления новых знаний и достижений в науке о прочности и износостойкости, позволяющих лучше понимать процессы механического разрушения и изнашивания и на их основе прогнозировать работоспособность и долговечность деталей. В нем нет, 
по-прежнему, сведений о принципах работы ДВС, их параметрах, конструктивных схемах, типовых деталей. Предполагается, что указанные сведения уже известны обучающимся, однако 
полностью исключить эти сведения не удалось. В связи с этим приносим извинения тем авторам, которые, возможно, найдут на страницах учебного пособия свои результаты, приведенные без специальных ссылок.  
Автор признателен всем, чья помощь и поддержка способствовали появлению данной 
книги. Особая благодарность редактору, издательству и рецензентам за труд по прочтению 
рукописи, высказанные замечания и предложения, которые оказались весьма полезными. 
Наконец, автор благодарен за многочисленные полезные советы своим коллегам по работе. Во 
многом, благодаря этим советам удалось сделать издание более корректным с точки зрения 
психолого-педагогических требований, предъявляемым к учебным изданиям. 
 
 
5 

1. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 
1.1. Предварительные замечания 
 
Инженерные задачи, связанные с обеспечением прочности и долговечности проектируемых деталей, прямо или косвенно касаются выбора материала. Не секрет, что правильный выбор материала зачастую делает техническое решение приемлемым для потребителя машиностроительных изделий. Иначе говоря, современный прочностной расчет невозможен без знаний механических характеристик материала. Надо не просто знать эти характеристики, а еще 
понимать, как материал реагирует на тот или иной вид нагружения, как ведет себя при тех или 
иных условиях эксплуатации детали. Все это свидетельствует о том, что один и тот же материал в зависимости от условий нагружения и эксплуатации может проявлять различные механические свойства. При таком положении дел выбор материала и обоснование его механических характеристик становится частью проектной задачи.  
К основным механическим характеристикам, которые определяют прочностные свойства конструкционных материалов, относят: 
x прочность – способность материала сопротивляться внешним нагрузкам без разрушения; 
x упругость – свойство материала восстанавливать первоначальные размеры и форму 
после снятия нагрузки; 
x пластичность – способность материала получать без разрушения деформации, остающиеся после снятия нагрузки; 
x хрупкость – разрушение материала без пластических деформаций; 
x выносливость – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием 
циклических нагрузок; 
x усталость – разрушение материла под действием циклических нагрузок; 
x вязкость – свойство материала сопротивляться действию ударных нагрузок; 
x твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого 
материала; 
x износостойкость – свойство материала сопротивляться изнашиванию. 
Теперь, после того как показана значимость материала в прочности и долговечности деталей и сформулированы его механические свойства, перейдем к рассмотрению характеристик 
наиболее употребительных в машиностроении конструкционных материалов. Их физические 
и прочностные свойства приведены в приложениях 1 и 2. 
1.2. Характеристика конструкционных сталей 
Сталь – это сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали доходит до 2 %. 
Помимо углерода сталь в своем составе содержит сопутствующие примеси в виде кремния до 
0,4 %, марганца до 0,8 %, серы до 0,05 % и фосфора до 0,05 %. В отличие от кремния и марганца, которые в указанных количествах практически никак не влияют на свойства стали, сера 
и фосфор являются вредными примесями. Повышенное содержание серы уменьшает упругость стали особенно при повышенных температурах. Фосфор делает сталь хрупкой. По содержанию серы и фосфора различают стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные (табл. 1.1). Качественные стали отличаются высокими механическими свойствами по сравнению с обыкновенными, прежде всего за счет меньшего содержания в них 
серы и фосфора. 
 
 
 
 
6 

Т а б л и ц а  1.1 
Максимально допустимое содержание серы и фосфора в стали 
Тип стали 
Предельное содержание, % 
Сера 
Фосфор 
0,06 
0,035 
0,025 
0,08 
0,035 
0,025 
Обыкновенного качества 
Качественная 
Высококачественная 
 
В зависимости от химического состава конструкционные стали подразделяются на две 
группы: 1) углеродистые и 2) легированные. 
Углеродистые стали имеют в своем составе только углерод, при этом указанные выше 
примеси не учитываются. Механические свойства этих сталей однозначно определяются содержанием углерода. С увеличением его доли твердость растет, а пластичность, выносливость и вязкость падают. Прочность также увеличивается, но только до содержания углерода 
0,8÷0,9 %. При дальнейшем увеличении углерода прочность стали уменьшается. На этом основании не совсем оправдано использовать высокоуглеродистые стали для изготовления деталей машиностроительных изделий. 
Легированные стали кроме углерода содержат еще ряд элементов, специально вводимых 
в сталь при ее выплавке для получения желаемых свойств. При одинаковом содержании углерода легированные стали по сравнению с углеродистыми имеют более высокую прочность. 
По этой причине углеродистые стали часто заменяют легированными, что позволяет в конечном итоге уменьшить металлоемкость конструкций. 
В качестве легирующих элементов чаще всего применяют хром, никель, молибден, алюминий. Кремний и марганец также являются легирующими элементами, если они специально 
вводится в сталь. В легированных сталях редко присутствует один легирующий элемент, чаще 
находится два, три и более элементов (табл. 1.2). Совместное действие нескольких легирующих элементов позволяет получать стали, обладающие оптимальным сочетанием прочности, 
пластичности и вязкости. Действие легирующих элементов проявляется главным образом в 
изменении структуры стали при термической обработке. Поэтому детали из легированных сталей за редким исключением обязательно подвергают термической обработке. 
У большинства конструкционных сталей основным легирующим элементом является 
хром. Его содержание в количестве 1,2÷1,8 % позволяет существенно повысить прочность, 
твердость и износостойкость стали при незначительном уменьшении пластичности и вязкости. 
Устраняют этот недостаток легированием хромистой стали молибденом в пределах 0,2÷0,4 %. 
Хромомолибденовая сталь имеет достаточно высокую прочность, умеренно хорошую пластичность и выносливость и не склонна к хрупкости. Помимо прочего хром придает стали 
антикоррозионные свойства, однако по-настоящему сталь будет нержавеющей при содержании хрома не менее 12 %. 
Никель наряду с хромом является частым легирующим элементом. Его присутствие в 
количестве от 1 до 4,5 % благоприятно влияет на все механические свойства стали, особенно 
это касается вязкости и выносливости. Никель в сочетании с хромом повышает стойкость 
стали против коррозии. По этим причинам хромоникелевые и хромоникельмолибденовые 
стали получили наибольшее применение в машиностроении. 
Кремний, по-видимому, единственный легирующий элемент, который в количестве 
1÷1,8 % увеличивает пластичность и выносливость стали. К тому же хромокремнистые стали, 
легированные марганцем, обладают повышенной износостойкостью. Из высокоуглеродистых 
кремниевых сталей делают пружины и рессоры. 
Алюминий как легирующий элемент вводится в сталь для ускорения процесса азотирования. Попутно он образует с азотом твердые соединения, которые делают поверхность очень 
твердой и коррозионностойкой.  
7 

Для жаростойких и жаропрочных сталей основным легирующим элементом служит 
хром. Его содержание более 10 % позволяет стали работать при температуре до 700 °С без 
заметного снижения прочности. Положительное влияние на жаропрочность стали оказывают 
также кремний (1,5÷2,5 %) и алюминий (до 2,5 %). После термообработки такие стали обладают повышенной твердостью, приближающейся к твердости инструментальной стали. 
Рассмотрев влияние легирующих элементов на механические свойства конструкционных сталей, можно заметить, что это влияние проявляется по-разному на различные характеристики. В действительности почти невозможно легированием получить такую сталь, чтобы 
все ее механические характеристики оказались одновременно на высоком уровне. В подтверждение сказанному на рис. 1.1 представлены кривые изменения механических свойств малоуглеродистой стали в зависимости от содержания в ней наиболее часто применяемых на практике легирующих элементов. Неоднозначность этого влияния выражается в следующем: 
– все легирующие элементы повышают прочность стали, но сильнее всего сказывается 
на прочности присутствие кремния и марганца; 
– вместе с повышением прочности понижается пластичность стали, иными словами, 
прочность и пластичность находятся в противоречии друг к другу; 
– на вязкость легирующие элементы влияют не одинаково: кремний и марганец понижают ее, никель не оказывает никакого влияния, а хром лишь незначительно ее повышает. 
 
 
 
Рис. 1.1. Влияние на механические характеристики малоуглеродистой стали  
легирующих элементов:  
1 – хром, 2 – никель, 3 – марганец, 4 – кремний 
 
Приведенное описание влияния легирующих элементов на механические характеристики сталей, естественно, неполное. Оно ограничено возможностями и целями книги. Более 
подробно данные вопросы рассмотрены в специальных курсах металловедения. 
 
 
8 

Т а б л и ц а  1.2 
Химический состав некоторых легированных сталей (массовая доля), % 
 
                    
 
 

1.3. Основные сведения о термической обработке стали 
Термическая обработка является одним из важнейших технологических процессов, с помощью которой механические характеристики стали могут быть изменены в очень широких 
пределах. Основные виды термообработки стали: отжиг, нормализация, закалка и отпуск [18].  
Несмотря на различия в конечных целях все указанные способы термообработки реализуются практически по одному и тому же алгоритму: 
– нагрев детали до определенной температуры, определяемой видом термической обработки; 
– выдержка детали при заданной температуре; 
– охлаждение детали от заданной температуры до рабочей. 
Отжиг производится с целью уменьшения внутренних остаточных напряжений, которые 
возникают на этапе получения заготовки детали из-за неоднородности структуры материала. 
Остаточные напряжения достигают таких больших значений, что нередко они становятся причиной появления как поверхностных, так и внутренних трещин. Сами по себе эти напряжения 
уже уменьшают прочность и долговечность детали, а трещины представляют собой очаги последующего разрушения. 
Для снятия остаточных напряжений достаточно заготовку детали нагреть до 500÷600 °С, 
т. е. до температуры, при которой проявляются пластические свойства стали, выдержать некоторое время при этой температуре и затем медленно охладить вместе с печью. Для сокращения времени выдержки отжиг обычно ведут при температуре 650÷680 °С. При отжиге происходит некоторое понижение твердости. Этим сопутствующим явлением часто пользуются в 
производстве для облегчения механической обработки деталей. Наибольшая эффективность 
отжига получается для сталей, содержащих углерод свыше 0,3 %. 
Нормализация отличается от отжига в основном только скоростью охлаждения. В данном случае нагретая деталь охлаждается на воздухе. Как правило, нормализации подвергают 
детали из малоуглеродистой стали, так как у них практически отсутствует разница в свойствах 
после отжига и нормализации. 
Закалка применяется для повышения твердости и прочности стальных деталей. Температура нагрева при закалке определяется, прежде всего, содержанием в стали углерода 
(рис. 1.2). Эффект от закалки достигается быстрым охлаждением за счет погружения раскаленной детали в жидкость. В качестве охлаждающих жидкостей используют воду и минеральное масло.  
 
Рис. 1.2. Закалочные температуры сталей 
 
Важнейшими характеристиками стали, подвергаемой закалке, являются закаливаемость 
и прокаливаемость. Закаливаемость – это способность стали к повышению твердости при закалке. Стали, содержащие менее 0,3 % углерода, имеют низкую закаливаемость и поэтому закалке не подвергаются. Прокаливаемость – это глубина проникновения закалки. Детали из углеродистых сталей имеют малую прокаливаемость, у них повышенную твердость получают 
10