4. Расчёт деталей

4.1 Расчётные режимы

Величина и характер изменения основных нагрузок, воздействующих на детали двигателя, зависят от эксплуатационного режима работы двигателя. Обычно рассчитывают детали для режимов, на которых они работают в наиболее тяжелых условиях.

Режим максимальной мощности

Частота вращения коленчатого вала nN =5650 об/мин берется из задания.

Максимальное давление газов при вспышке PzN =7,18 МПа снимается со скругленной индикаторной диаграммы.

Режим максимального крутящего момента

Частота вращения коленчатого вала:

= 0,5*5650 = 2825 (для карбюраторных двигателей),

Максимальное давление газов при вспышке PzM принимается равным значению давления PzM =7,18 , полученному в тепловом расчете при рассмотрении процесса сгорания (не скругленная индикаторная диаграмма).

Режим максимальной частоты вращения при холостом ходе

= 1,3*5650 = 7345

(для карбюраторных двигателей);

Максимальная сила давления газов при вспышке на этом режиме мала по сравнению с силами инерции, поэтому можно принять .

4.2 Расчёт деталей цилиндровой группы

Расчет стенки цилиндра

Толщина стенки цилиндра (гильзы) ц выбирается из условий достаточной жесткости и обеспечения достаточного количества ремонтных расточек.

Стенка цилиндра двигателя водяного охлаждения проверяется на разрыв по образующей от внутреннего давления газов при вспышке PzM на режиме максимального крутящего момента, м:

,

где D=0,0758 - диаметр цилиндра, м;

[]= 60 - допускаемое нормальное напряжение на разрыв, МПа:

для чугуна составляет от 40 МПа до 60 МПа,

PzM =7,18 - давление газов в цилиндре при вспышке на режиме максимального крутящего момента (из теплового расчета), МПа.

Расчет силовых шпилек (болтов) крепления головки

Силовые шпильки (болты) крепления головки проверяются на усталостную прочность от газовых сил и усилия предварительной затяжки.

За расчетный режим следует принять режим максимального крутящего момента.

Диаметр шпилек (болтов) ориентировочно может быть определен на основании статистических данных:

d =(0.12 - 0.14)D=0,13*0,0758=0,010 м ,

где D=0,0758 м - диаметр цилиндра.

Полученное значение d следует скорректировать до ближайшего значения по ГОСТ.

Таблица 4

Газовая сила, действующая на шпильку (болт), МН, определяется следующим образом:

,

где PzM=7,18 - максимальное давление газов при вспышке в цилиндре на режиме максимального крутящего момента, МПа;

iшп=4 - число шпилек (болтов), окружающих один цилиндр.

Fпр=0,0054 м- площадь проекции камеры сгорания на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра, ограниченную завальцованным краем прокладки, м. При верхнеклапанном газораспределительном механизме

Fпр =(1,1 - 1,3)Fп=1,2*0,0045=0,0054м2,

где Fп 0,0045м2 - площадь днища поршня;

Усилие предварительной затяжки шпильки (болта), МН,

,

где m = 3 - коэффициент затяжки шпильки (болта);

ч=0,2- коэффициент основной нагрузки резьбового соединения.

Максимальная сила, растягивающая шпильку (болт), МН,

.

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в шпильке (болте), МПа,

,

,

где f=0,0006м2 - площадь минимального сечения стержня шпильки (болта), м2.

Среднее значение и амплитуда напряжений цикла, МПа,

,

.

После этого определяется, в какой области диаграммы усталостной прочности лежит данный цикл.

Если

,

0,029<0,79,

запас прочности подсчитывается по пределу текучести:

В этих формулах

a=0,08 - коэффициент приведения данного цикла к равно опасному симметричному;

-1=340 - предел усталости материала при симметричном цикле, МПа;

т=700 - предел текучести материала, МПа.

4.3 Расчёт деталей поршневой группы

Расчет поршня

1. Днище поршня (рис.1) проверяется на поперечный изгиб как круглая плита, свободно опирающаяся на кольцо и нагруженная равномерно распределенной нагрузкой максимального давления газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента PzM .

Максимальное напряжение изгиба в диаметральном сечении днища поршня равно:

,

где PzM=7,18- максимальное давление газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента, МПа;

Di=0,056 - внутренний диаметр головки поршня в зоне первого поршневого кольца, м;

=0,0053 - толщина днища поршня без ребер, м;

[и] =20…25 - допустимое нормальное напряжение изгиба для алюминиевых сплавов, МПа.

Следовательно нужно сделать ребра жесткости.

2. Сечение "X - X" (рис. 1) головки поршня на уровне нижнего маслосъемного кольца, ослабленное отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжения сжатия возникают от максимальной силы давления газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента PzM:

,

где Fx-x= =0,0046 - площадь сечения "X - X" поршня, м2;

Fп=0,0045 - площадь поршня, м2;

[cж] = 30…40 - допустимое нормальное напряжение сжатия для алюминиевых сплавов, МПа.

Напряжения разрыва , МПа, в сечении "X - X" возникают на режиме максимальной угловой скорости вращения коленчатого вала на холостом ходе хх от силы инерции Pjгп, МН, возвратно-поступательно движущейся массы головки поршня с поршневыми кольцами, расположенной выше сечения "X - X"

,

Рис.1. К расчету поршневой группы

Где

где mгп- конструктивная масса головки поршня с кольцами, расположенная выше сечения "X - X", кг/м2: , где mпг - конструктивная масса поршневой группы, принятая в динамическом расчете, кг/м2;

хх= (1,3…1,5) eN= 1,4*384,3 =538,02 - для карбюраторных двигателей, где eN - угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности, рад/с;

R=0,0022- радиус кривошипа, м;

= R/L=0,3 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принятое в динамическом расчете;

[ур] = 4 … 10 - допустимое напряжение растяжения для алюминиевых сплавов, МПа.

3. Юбка поршня проверяется на износостойкость (давление) от максимальной боковой силы Pбок на режиме максимального крутящего момента:

,

где - расчетное давление на юбку поршня, МПа;

- максимальная нормальная боковая сила, действующая на стенку цилиндра, МН; МН;

=0,7*0,0758=0,053 - высота юбки поршня, м;

= 0,33 … 0,98 - допускаемое давление на юбку поршня, МПа.

дю= 3.5 мм

Расчет поршневого пальца

Максимальное напряжение в пальцах двигателей внутреннего сгорания имеет место на режиме максимального крутящего момента.

Газовая сила, передающаяся через палец от поршня на верхнюю головку шатуна, МН,

,

где =7,18 МПа - давление газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента, МПа;

=0,0046м2- площадь поршня, м2 .

Сила инерции поршневой группы, передающаяся на верхнюю головку шатуна, МН,

,

где =115 - конструктивная масса поршневой группы, принятая в динамическом расчете, кг/ м2;

=1159,06 - угловая скорость вращения коленчатого вала на режиме максимального момента, рад/с;

R=0,0022 - радиус кривошипа, м;

= R/L=0,3 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принятое в динамическом расчете.

Расчетные силы, действующие на палец во втулке верхней головки шатуна Pвг и в бобышках поршня Pбп (рис. 1),

Pвг = Pг +Pjпг=0,033+0,001=0,034МН,

Pбп = Pг +КпPjпг=0,033+0,75*0,001=0,330МН,

где Кп =0,75- коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

Расчет поршневого пальца на прочность

Нормальные напряжения поперечного изгиба в опасном сечении в середине поршневого пальца, МПа,

Касательные напряжения от среза пальца в опасных сечениях, расположенных между бобышками и верхней головкой шатуна, МПа:

.

Максимальная овализация (наибольшее увеличение горизонтального диаметра) подсчитывается для средней, наиболее нагруженной части пальца, мм:

.

В этих формулах

=0,65- отношение внутреннего диаметра пальца di к наружному dп; для карбюраторных двигателей п=(0,65...0,75;

Е - модуль упругости первого рода для материала пальца (для легированных сталей Е = 2,2105 МПа);

lп=0,097 - длина поршневого пальца, м;

b=0,043- расстояние между торцами бобышек поршня, м;

lвг=0,037- длина опорной поверхности поршневого пальца во втулке верхней головки шатуна, м;

[и] = (100...250) - допускаемое нормальное напряжение изгиба, МПа;

[ср] = (60...250) - допускаемое касательное напряжение среза, МПа;

[d] = (0,005...0,02) - максимальная допускаемая овализация поршневого пальца, мм.

Расчет давлений на поверхности пальца

Давление пальца на втулку верхней головки шатуна

,

где []=(20...60) - допускаемое давление пальца в верхней головке шатуна, МПа.

Давление пальца на бобышки поршня

,

где [] = (15...30) - допускаемое давление пальца в бобышках поршня, МПа.

Расчет поршневого кольца. Поршневое кольцо проверяется на поперечный изгиб как защемленная консоль, нагруженная распределенной нагрузкой по заданной эпюре от действия собственных сил упругости при установке кольца в цилиндр.

Среднее радиальное давление кольца на стенку цилиндра, МПа, должно обеспечивать достаточную герметичность камеры сгорания при минимально возможных потерях на трение и незначительных износах самих колец и цилиндров:

МПа,

где Е =(1,0…1,2)105 МПа - модуль упругости первого рода для колечного чугуна;

t =0,0037м- радиальная толщина кольца;

D =0,1079м- диаметр цилинра;

= 4.

Рекомендуется иметь Рср = 0,14...0,4 МПа.

Максимальное напряжение поперечного изгиба кольца в рабочем состоянии:

,

при надевании кольца на поршень:

.

В этих формулах

m = 1,57 - коэффициент, зависящий от способа надевания кольца на поршень;

[] = 220...450 - допускаемое напряжение изгиба для колечного чугуна, МПа.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца в холодном состоянии

где min = 0,06...0,1 мм - минимально допустимый зазор в замке кольца при работе.

Литература

1) Методические указания к выполнению самостоятельной работы. Составили: МИХАЙЛОВ Александр Федорович, СЫЧЕВ Александр Михайлович. Рецензент П.А. Ватин, Корректор Д.А. Козлова.

2) Двигатели внутреннего сгорания: Учебник/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина.- М.:Высш. шк., 1985.- 311с.:ил.

3) Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн.: учебник/ В.Н. Луканин, И.В.

Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.:Высш. шк.,Кн.1: Теория рабочих процессов.- 2005.-479с.:ил.

4) Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн.: учебник/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина. и М.Г. Шатрова - 2-е

изд., перераб. и доп. - М.:Высш. шк.,Кн.2: Динамика и конструирование.- 2005.-400с.:ил.

5) Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн.: учебник/ В.Н. Луканин,

М.Г.Шатров, Т.Ю. Кричевская и др.; Под ред. В.Н. Луканина. и М.Г.

Шатрова - 2-е изд., перераб. И доп. - М.:Высш. шк.,Кн.3: Компьютерный практикум.