Материал: Расчет поршня

Расчет поршня

Расчет поршня

Задание на курсовой проект

Задание на курсовой проект выбирается по таблице 1, в зависимости от последней цифры в зачетке.

Таблица 1 - Условия эксплуатации поршня

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень (рис. 1), воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки. Его основными функциями являются уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму.

Рисунок 1 - Поршень

Поршни автотракторных двигателей изготавливаются в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. В качестве алюминиевых сплавов использовались эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание которого в сплаве не превышало 12-13%. В настоящее время новые двигатели имеют поршни, изготовленные из заэвтектических сплавов алюминия с кремнием, содержание которого достигает 18 и более процентов. Для улучшения физико-механических свойств заэвтектических сплавов применяется их легирование никелем, магнием, медью, хромом и специальные технологии литья или горячей штамповки.

Чугунные поршни по сравнению с алюминиевыми обладают более высокими показателями твердости, износостойкости и жаропрочности, а также одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы цилиндра. Однако большая плотность чугунного поршня не позволяет его использовать для высокооборотных двигателей. В настоящее время все серийно выпускаемые двигатели легковых автомобилей имеют поршни из алюминиевых сплавов.

Дальнейшее совершенствование поршней предусматривает широкое использование для их изготовления композиционных материалов. Основу этих материалов составляют легкие и не очень прочные материалы (например, алюминий), которые "насыщаются" высокопрочными полимерными, керамическими или металлическими волокнами. Эти волокна не только жестко связывают молекулы основного материала, но и воспринимают значительную нагрузку как механическую, так и тепловую. Перспективным является армирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия Аl2О3 и диоксида кремния SiO2, что способствует высокой термической стабильности поршня.

При работе двигателя температура потока горящей топливо-воздушной смеси, омывающей днище поршня, сильно меняется от минимальной при пуске и прогреве двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок. При этом максимальную температуру имеет днище поршня, а минимальную - юбка. Распределение средней температуры при работающем двигателе по высоте поршня показано на рис. 2, а. С учетом такого распределения температуры профиль поршня по высоте выполняется одной из следующих форм: ступенчатой (рис. 2, б), конической или лекальной.

Значительная часть теплового потока от днища и огневого пояса поршня быстро уходит в стенку цилиндра через поршневые кольца и только часть теплоты передается в бобышки, а затем и в юбку поршня. При этом отвод теплоты от бобышек значительно меньше, чем от стенок юбки, которые контактируют со стенками цилиндра. В результате по оси бобышек поршень расширяется значительно больше и становится овальным (рис. 2, в). Оптимальная форма поршня для вновь проектируемого двигателя подбирается в результате кропотливых и длительных экспериментов

Рисунок 2. Изменение температуры по высоте поршня и зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра в разных сечениях:

а - изменение температуры по высоте поршня; б - изменение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра; в - изменение площади поперечного сечения поршня; - -окружность цилиндра; - - - профиль холодного поршня; . -.-.- - рабочий режим; ......- перегрев; А - места заклинивания юбки поршня в цилиндре при перегреве.

Наиболее общими конструктивными и технологическими направлениями при разработке поршней современных двигателей является:

уменьшение расстояния от днища поршня до оси бобышек в целях снижения высоты и массы двигателя;

уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за счет вырезов в наименее нагруженных местах (Х-образные поршни);

нанесение на днище и верхнюю канавку поршня износо- и термостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алюминия в керамику Аl2 О3;

снижение теплового расширения поршня за счет заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок;

покрытие юбки поршня тонким (0,003-0,005 мм) слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава в целях быстрой приработки, а также уменьшения трения и снижения износа;

уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальцев;

переход на плавающие пальцы малой длины с фиксацией шатуна от осевых перемещений в бобышках поршня;

снижение высоты колец;

применение специальных конструктивных и технологических элементов, улучшающих смазку и уменьшающих износ пары: поршень - цилиндр.

Обработка результатов

Определить напряжение изгиба в днище поршня по формуле:

 (1)

где

 - напряжение изгиба в днище поршня, МПа;

- внутренний радиус поршня, , мм- толщина стенки поршня, мм. Выбирается из таблицы №2;- радиальная толщина компрессионного кольца, мм. Выбирается из таблицы №2;

Dt - радиальный зазор кольца в канавке поршня, мм. Выбирается из таблицы №2;

 - толщина днища поршня, мм. Выбирается из таблицы №2.

Таблица №2 - Размеры поршня.

Сравните напряжение изгиба с допустимым напряжением [sиз], МПа из таблицы №3.

Таблица №3- Допустимые значения напряжения.

При превышении допустимых значений сделайте предложения для усовершенствования поршня.

Определить напряжение сжатия

 (2)

Где - максимальная сила давления газов на днище поршня, МН;

- площадь поршня, мм²;

рz - максимальное давление сгорания, МПа;x - площадь в сечении х-х, м²:

 (3)

где

 - диаметр поршня по дну канавок, м;=D-2(s + t + Dt) - внутренний диаметр поршня, м;

 - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала, м².

Сравните напряжение на сжатие с допустимым напряжением [sсж]. Для поршней из алюминиевых сплавов [sсж] = 30¸40 МПа, для чугунных - [sсж] = 60¸80 МПа.

Определить максимальную угловую скорость холостого хода

 (4)

где

- максимальная угловая скорость холостого хода, рад/сек;.x.max - максимальная частота вращения холостого хода, об/мин.

Определить массу головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х.

 (5)

гдеп - масса поршня, кг.

Определить максимальную разрывающую силу

 (6)

где

- максимальная разрывающая сила, МН;

 - радиус кривошипа, м. , м.

Определить напряжение разрыва

 (7)

где

Рj - максимальная разрывающая сила, МПа;x - площадь в сечении х-х, м².

Определить напряжение среза в верхней кольцевой перемычке

 (8)

Определить напряжение изгиба в верхней кольцевой перемычке

 (9)

Определить сложное напряжение в верхней кольцевой перемычке

 (10)

Сложное напряжение не должно превышать допустимого, которое лежит в пределах:

Для поршней из алюминиевых сплавов 30-40 МПа

Для чугунных поршней 60-80 МПа

Определить удельное давление юбки поршня на стенку цилиндра

 (11)

где- максимальная нормальная сила, Н;ю - высота юбки поршня, м.

Определить удельное давление всего поршня на стенку цилиндра

 (12)

- высота поршня, м.

Определить диаметр головки поршня с учетом монтажного зазора

 (13)

Dг = 0,007 D - монтажный зазор головки поршня, м.

Определить диаметр юбки поршня с учетом монтажного зазора

 (13)

поршень цилиндр двигатель автотракторный

Dю = 0,002 D - монтажный зазор юбки поршня, м.

Определить диаметральные зазоры в горячем состоянии

 (14)

где

αц и αп - коэффициенты линейного расширения цилиндра и поршня. Для чугуна αц = αп = 11·10 -6 1/К, для алюминиевого сплава αц = αп = 22 ·10-6 1/К.

Тц = 383 ¸ 388 К, Тг = 473 ¸ 723 К, То = 293 К - рабочая температура цилиндра, головки поршня и окружающей среды соответственно.

 (15)

Сделайте вывод об пригодности к работе поршня в данных условиях и при необходимости мероприятия при которых поршень может эксплуатироваться.

При получении отрицательных значений D/г и D/ю поршень непригоден к работе. Для того чтобы он был пригоден необходимо пересчитать расчет, изменив Dг и Dю, или внедрить некоторые мероприятия. При нормальной работе поршня диаметральные зазоры должны лежать в пределах D/г = (0,002¸0,0025)·D и D/ю = (0,0005¸0,0015)·D.

Список литературы

1.      Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов. / А.И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.: ил.

2.      Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990. 283 с.

.        Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1985. 369 с.