Поршень работает в тяжелых условиях, так как подвергается воздействию как механических нагрузок от давления газов и сил инерции, так и термических из-за необходимости отвода теплоты от нагретой газами головки в охлаждающую среду. Кроме того, направляющая часть работает на износ при высоких температурах. Основные требования к материалу поршня:
- хорошая теплопроводность;
- малые значения коэффициента линейного расширения;
- высокая механическая прочность и жаростойкость;
- малый удельный вес.
Для уменьшения износа юбка поршня имеет бочкообразный профиль по образующей и овальный профиль в поперечном сечении. Днище поршня имеет выемку, а в бобышках сделаны отверстия для прохода масла к поршневому пальцу.
Материал поршня – алюминиевый сплав.
Исходные данные:
Толщина днища поршня d=7,5мм
Высота поршня Н=94,6мм
Высота юбки поршня hю=67мм
Толщина стенки головки поршня S=7,25мм
Величина верхней кольцевой перемычки hn=3мм
Число масляных канавок в поршне nм=6
Диаметр масляных канавок dм=0,6мм
Наружный диаметр пальца dn=27мм
Длина втулки шатуна lш=34мм
Длина пальца ln=70мм
Расстояние между торцами бобышек в=36мм
Рис.3.1. Расчетная схема поршня
Напряжения, возникающие по контору заделки
,
где t – радиальный зазор маслосъемного кольца (t = 3,225 мм);
∆t – радиальный зазор компрессионного кольца (∆t = 0,8 мм).
Напряжения в центре днища
Рассчитаем сечение Х-Х
Напряжения сжатия
Напряжение разрыва в сечении Х-Х
Напряжения в верхней кольцевой перемычке.
а) среза
б) изгиба
в) суммарное
Удельное давление на стенку цилиндра
Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации.
Поршневой палец - стальной, трубчатого сечения. Для повышения износостойкости его наружную поверхность цементируют и закаливают.
Материал пальца – Ст15Х ГОСТ 4543-71
Внутренний диаметр пальца dв=18мм
Длина пальца lп=70мм
Длина втулки шатуна l ш=34мм
Расстояние между торцами бобышек b=36мм
Расчетная сила, действующая на поршневой палец:
- газовая:
-инерционная:
Рис.3.2. Расчетная схема поршневого пальца а- распределение нагрузки, б- эпюры напряжений
-расчетная:
где k=0,83 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца
Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна
Удельное давление пальца на бобышки
Напряжение изгиба в среднем сечении пальца
Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна.
Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации
Напряжение овализации на внешней поверхности кольца в горизонтальной плоскости (т.1 j=0°)
В вертикальной плоскости (т.3, j=9
Напряжение овализации на внутренней поверхности кольца в горизонтальной плоскости (т.2, j=
В вертикальной плоскости (т.4, j=9
Наибольшие напряжения овализации возникают на внешней поверхности пальца в вертикальной плоскости. Они не должны превышать 300-350 МПа.
Условие выполняется.
Шатун подвергается воздействию знакопеременных газовых инерционных сил. Помимо напряжения сжатия в стержне шатуна возникают напряжения изгиба и растяжения.
Для изготовления шатуна должны быть выбраны высококачественные материалы, обладающие высокой прочностью, относительным удлинением, сопротивлением удару, пределом усталости.
Необходимо также учитывать одно из основных требований к конструкции шатуна – получение минимальной массы при необходимой прочности и надежности.
Шатун стальной, кованный, двутаврового сечения. В нижней головке шатуна выполнено отверстие, через которое масло разбрызгивается на поверхность цилиндра.
Материал шатуна: Ст 45Г2 ГОСТ 4543-71
Масса поршневой группы mп=0,99337кг
Масса шатунной группы mш=1,245кг
Частота вращения n=4000 об/мин
Ход поршня S=0,089м
Площадь поршня Fп=0,0083м2
Диаметр верхней головки шатуна:
Наружный dг=35
Внутренний d=26мм
Радиальная толщина стенки головки
Для стали 45Г2 имеем:
Предел прочности
Предел усталости при изгибе
Предел текучести
Расширение-сжатие
Коэффициент приведения цикла при изгибе aσ=0,17
Коэффициент приведения цикла при растяжении-сжатии aσ=0,12
При изгибе:
При растяжении-сжатии:
Рис.3.3. Расчетная схема шатунной группы
Расчет сечения I-I
Максимальное напряжение пульсирующего цикла
Среднее напряжение и амплитуда напряжения.
eм=0,86 – масштабный коэффициент
en=0,9-коэффициент поверхностной чувствительности (чистое обтачивание внутренней поверхности головки)
то запас прочности в сечении I-I определяем по пределу усталости
Напряжения от запрессованной втулки:
удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой
где - коэффициент Пуассона;
- суммарный натяг.
Напряжения от суммарного натяга на внешней поверхности головки
напряжения от суммарного натяга на внутренней поверхности головки
Рис.3.4. Расчетная схема головки шатуна
а- при растяжении; б- при сжатии
Расчет на усталостную прочность сечения перехода головки шатуна в стержень.
-Максимальная сила, растягивающая головку
-Нормальная сила и изгибающий момент в верхней части шатуна
-Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы
-Напряжения на внешнем волокне от растягивающей силы
-
Суммарная сила, сжимающая головку:
-Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от сжимающей силы.
-Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы
-Максимальное и минимальное напряжение а симметричного цикла
-Среднее напряжение и амплитуда напряжений
то запас прочности в сечении перехода головки шатуна в стержень определяем по пределу текучести
Исходные данные
Масса шатунной группы: mш = 1,245 кг
Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца mшп = 0,342 кг
Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа mшк = 0,903 кг
Масса крышки кривошипной головки mкр = 0,25 mш=0,311 кг
Диаметр шатунной шейки dшш = 60мм
Толщина стенки вкладыша tb = 3,14 мм
Расстояние между шатунными болтами сб = 77 мм
Длина кривошипной головки lk = 27 мм
Максимальная сила инерции
Момент сопротивления расчетного сечения:
Момент инерции вкладыша и крышки
Напряжения изгиба крышки и вкладыша.
;
Длина шатуна: lш = 166 мм
Размеры сечения шатуна: bш=15,75 мм, aш=7,5 мм, tш=4мм, hш=30 мм
Внутренний диаметр головки d1 =67мм
Из динамического расчета имеем:
Площадь и момент инерции расчетного сечения В – В
Максимальное напряжение от сжимающей силы в плоскости качания шатуна
В плоскости перпендикулярной плоскости качания шатуна
L1 – длина стержня шатуна между расточками верхней и нижней головок шатуна.
L0– расстояние между осями головок шатуна.
Минимальное напряжение осей растягивающей силы
Средние напряжения и амплитуды цикла:
где - эффективный коэффициент концентрации напряжений;
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
