Силы, действующие на поршневой палец, шатунные и коренные шейки

Разложим суммарную силу P, приложенную к оси поршневого пальца, на две составляющие силы (рис. 11а). Первая сила направлена по оси шатуна и равна:

Графики сил PШ, N и Р по углу поворота коленчатого вала представлены на рис.11б

Перенесем силу Pш, действующую по оси шатуна, в центр шатунной шейки и затем разложим ее на две составляющие: касательную силу Т и перпендикулярную силу Z (рис 9).

Сила, действующая по оси кривошипа, равна:

Рис. 10. Графики сил P_Г, Рj и Р по углу поворота коленчатого вала

Вторая сила перпендикулярна оси цилиндра и равна:

.

Рис. 11. Схема сил (а) и графики сил (б), действующих

на поршневой палец

Касательная сила определяется формулой:

Произведение силы Т на радиус r называют крутящим моментом двигателя:

Графики сил T и Z по углу поворота коленчатого вала представлены на рис.12.

Кроме указанных выше сил на шатунную шейку действует, по радиусу кривошипа, сила инерции вращающихся масс Pr.

Приложим к центру коленчатого вала (точка О) (рис. 12) две взаимно противоположные силы Р'ш и Р''ш,, равные и параллельные силе Рш.

Силы Рш и Р''ш составят пару сил, момент которой на плече h равен:

.

Рис. 12 Схема сил, действующих на коренной шейке

Тогда момент пары этих сил определяется формулой:

.

Он равен крутящему моменту двигателя М_к.

Разложим силу Р'_ш на две составляющие силы:

,

.

Сила Р' действует на опорную раму двигателя, силы же N и N' составят пару сил с плечом H, равным:

Тогда момент определяется формулой:

.

Он стремится опрокинуть двигатель и называется реактивным моментом двигателя.

Реактивный момент всегда равен крутящему моменту двигателя, но противоположен ему по направлению.

Выбор параметров деталей ДВС

Таблица 2.1 Выбор массы шатуна Мш, кг

Бензиновые двигатели D = 60–100 мм	Дизели D = 80–130 мм
(100–200) Fп	(250–400)Fп

Выбор массы неуравновешенной части одного колена вала

без противовесов m_к ,кг

Бензиновые двигатели D = 60–100 мм	Дизели D = 80–130 мм
Стальной кованый вал (сплошные шатунные шейки)
(150–200) Fп	(200–400) Fп
Стальной кованый и чугунный литой вал (полые шатунные шейки)
(100–200)Fп	(150–300) Fп

Таблица 2.2 Выбор массы комплектного поршня m_П, кг

Карбюраторные двигатели D=60–100 мм	Дизели D=80–130 мм
Поршень из алюминиевого сплава
(80–100) Fп	(150–300) Fп
Чугунный поршень
(150–250) Fп	(250–400) Fп

Таблица 2.3 Выбор размеров элементов коленчатого вала

Двигатели	dш	lш	dк	lк
Бензиновые с однорядным расположением цилиндров	(0.55–0.7)·D	(0.45–0.7)·dш	(0.65–0.8)·D	(0.5–0.6)·dк
Дизельные с однорядным расположением цилиндров	(0.63–0.75)·D	(0.73–1.0)·dш	(0.72–0.9)·D	(0.54–0.7)dк
V-образные бензиновые с расположением двух шатунов на одной шейке	(0.55–0.67)·D	(0.8–1.0)·dш	(0.62–0.7)·D	(0.25–0.5)·dк
V-образные дизельные с расположением двух шатунов на одной шейке	(0.65–0.75)·D	(0.95–1.05)·dш	(0.68–0.76) ·D	(0.5–0.6)·dк

Поршневая группа ДВС

Поршневая группа состоит из поршня, поршневых колец, поршневого пальца, деталей для удержания пальца от осевого перемещения, крепежных деталей.

Поршень, относящийся к числу наиболее ответственных и напряженных деталей двигателя, выполняет следующие функции:

1. обеспечивает требуемую форму камеры сгорания и герметичность внутрицилиндрового пространства;

2. передает силу давления газов на шатун и стенку цилиндра;

3. управляет открытием и закрытием окон (выполняет функции распределительного устройства) в двухтактных двигателях со щелевой схемой газообмена.

На поршень действуют механические нагрузки от давления газов и сил инерции, а также высокие тепловые нагрузки в период непосредственного соприкосновения его с горячими газами при сгорании топлива и расширении продуктов сгорания. Дополнительно поршень нагревается от трения о стенки цилиндра. При перегреве поршня понижаются механические свойства его материала и возрастают термические напряжения в нем. Кроме того, в этом случае ухудшается наполнение цилиндра свежим зарядом, что ведет к уменьшению мощности двигателя, возможно заклинивание поршня в цилиндре, ухудшается работа кольцевого уплотнения, а также появляются преждевременные вспышки или детонационное сгорание в двигателях с внешним смесеобразованием.

Поршни двигателей внутреннего сгорания наряду с достаточной прочностью и жесткостью должны иметь меньшую массу для уменьшения сил инерции, обладать высокой теплопроводностью и износостойкостью.

Основными элементами поршня являются днище и боковые стенки. Боковые стенки образуют уплотняющую (верхнюю) и направляющую (нижнюю) части. Днище вместе с уплотняющей частью образуют головку поршня, а направляющую (тронковую) часть называют юбкой поршня.

На рис. 13а показана конструкция поршня дизельного двигателя. Поршень имеет форму стакана, форма днища которого определяет форму камеры сгорания. Днище воспринимает давление газов и поэтому должно быть весьма прочным. Форма днища должна соответствовать форме и расположению струй топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания.

В двигателях с внешним смесеобразованием и относительно невысокой степенью сжатия наиболее распространен поршень с плоским днищем (рис. 13 б).

В двухтактных двигателях со щелевой схемой газообмена днищу придают форму, которая способствует созданию нужного направления движения продувочного воздуха.

На наружной поверхности в головке поршня имеются канавки для поршневых колец, служащих для уплотнения цилиндра от прорыва газов и попадания смазки из картера в камеру сгорания. На внутренней поверхности юбки поршня имеются бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца.

Для изготовления поршней используют чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, а также сталь. Большей частью поршни делают из чугуна и алюминиевых сплавов.

Чугунные поршни отличаются высокими прочностью и износостойкостью и малым коэффициентом линейного расширения, но имеют большую массу.

а) б)

Рис.13 Поршни двигателей а) дизельного б) бензинового

Поршни из алюминиевых сплавов обладают меньшей прочностью и износостойкостью, но значительно легче чугунных и применяются в двигателях с высокой частотой вращения. Поршень, изготовленный из алюминиевого сплава, несмотря на большую толщину стенок, на 25–30% легче чугунного. Теплопроводность алюминиевых сплавов в 3–4 раза выше, чем у чугуна, поэтому температура днища поршней из алюминиевых сплавов ниже, чем температура днища чугунных поршней. В результате этого соответственно ниже температура заряда, лучше наполнение цилиндра и имеется возможность осуществить большую степень сжатия в двигателях с внешним смесеобразованием. Следует отметить также, что вследствие меньшего коэффициента трения алюминиевых сплавов понижается мощность, затрачиваемая на преодоление трения поршней в цилиндре.

Существенным недостатком алюминиевых сплавов является относительно высокий коэффициент линейного расширения (в 2–2,5 раза больше, чем у чугуна), поэтому поршни из этих сплавов надо устанавливать в цилиндре с большим зазором. Значительные зазоры затрудняют пуск двигателя и вызывают стуки при работе непрогретого двигателя, а также при работе его на малых нагрузках.

Во время эксплуатации двигателя больше всего нагревается головка поршня. Поэтому диаметр ее делают обычно несколько меньше диаметра юбки. Для лучшей приработки стенки поршней из алюминиевых сплавов и чугунных поршней часто покрывают слоем олова толщиной около 0,01–0,1 мм.

Поршни двигателей с крейцкопфным кривошипно-шатунным механизмом, в отличие от поршней двигателей с тронковым кривошипно-шатунным механизмом, разгружены от нормальной силы. Поэтому юбка поршня может быть небольшой длины. Крепление поршня со штоком жесткое, без поршневого пальца.

Охлаждение поршней осуществляется в большинстве случаев маслом. В двигателях с тронковым кривошипно-шатунным механизмом поршни охлаждаются струей масла из системы смазки, направленной на внутреннюю сторону днища через канал в шатуне и сопло, которое установлено в верхней головке шатуна.

Поршневые кольца по своему назначению делятся на компрессионные (уплотнительные) и маслосъемные (маслосбрасывающие).

Компрессионные кольца ставят для предупреждения прорыва газов в картер во время сжатия и расширения. Кроме того, они служат для отвода теплоты от поршня. Компрессионные кольца работают в тяжелых условиях, совершая возвратно-поступа-тельное движение при высоких нагрузке, скорости скольжения и температуре. Кольца нагреваются от соприкосновения с горячими газами и нагретыми стенками поршня, а также вследствие трения о стенки цилиндра. Работа трения поршневых колец составляет приблизительно 40–50% механических потерь в двигателе.

Кольцо должно плотно прижиматься к внутренней поверхности цилиндра. Для этого кольцо изготовляют разрезным, и его диаметр в свободном состоянии несколько больше диаметра цилиндра, причем радиус кривизны поршневого кольца в свободном состоянии должен быть переменным. Когда кольцо сжато и вставлено в цилиндр, оно принимает цилиндрическую форму и оказывает давление на стенки, равное 0.05–0.30 МПа и более. Во время работы давление кольца на стенки увеличивается, так как проникающие через зазоры между кольцом и поршнем газы прижимают кольцо к стенкам цилиндра. На поршне ставится несколько компрессионных колец. На рис. 1.11 показана схема их уплотняющего действия.

Рис. 14 Уплотняющее действие поршневых колец

Опытные данные, приведенные на рис. 14 , показывают, что при наличии трех компрессионных колец на поршне давление после третьего кольца составляет всего лишь 7.6% от давления в цилиндре. В двигателях с внешним смесеобразованием, с относительно невысокими давлениями сжатия и расширения поршни имеют по два-четыре компрессионных кольца. В дизелях вследствие более высоких давлений в цилиндре число компрессионных колец составляет три-шесть. Необходимость в большем числе компрессионных колец в дизелях связана также с условиями пуска. При низкой частоте вращения вала во время пуска требуемую температуру легче обеспечить при большом числе компрессионных колец из-за меньшей утечки сжимаемого воздуха.

Для изготовления компрессионных колец применяется серый чугун с повышенным содержанием фосфора и с присадками хрома, никеля или молибдена, придающими материалу кольца необходимую прочность, вязкость и хорошие антифрикционные свойства. Для лучшей прирабатываемости и повышения его износостойкости на кольцо наносят различные покрытия из олова или свинца, применяют пористое хромирование и т. п. Кольца чаще всего изготовляют прямоугольного сечения с различным отношением высоты кольца к радиальной толщине. Разрез кольца или так называемый замок может быть прямым, косым или ступенчатым. При надевании колец на поршень замки у отдельных колец смещают один относительно другого на 120–90⁰. В двухтактных двигателях со щелевой схемой газообмена во избежание поломки колец их положение на поршне обычно фиксируют стопорными штифтами.

Маслосъемные кольца служат для удаления излишка масла с рабочей поверхности гильзы и предупреждения возможности попадания его в камеру сгорания, особенно в двигателях с тронковым кривошипно-шатунным механизмом, вследствие разбрызгивания масла. Часть попавшего на стенку цилиндра масла в результате так называемого насосного действия компрессионных колец выжимается в камеру сгорания и вызывает не только излишний расход смазочного материала, но и повышенное нагарообразование, а также закоксовывание, особенно верхних колец. Насосное действие компрессионных колец показано на рис. 15.

Во время движения поршня вниз кольца прижимаются к верхним торцам поршневых канавок, и масло со стенок цилиндра поступает в нижние торцовые зазоры. При обратном движении поршня кольца перемещаются в канавках и выдавливают масло через радиальный зазор в верхний торцовый зазор и далее в пространство над кольцами.

Рис. 15 Насосное действие поршневых колец

На поршне устанавливают одно-три маслосъемных кольца. Их располагают на конце направляющей части (юбки) поршня и на его головке ниже компрессионных колец. Для сбрасывания масла с зеркала гильзы наружную поверхность кольца делают конической или с фаской, обращенной в сторону камеры сгорания. При движении вверх кольца “всплывают” на масляном слое, при движении вниз острая кромка соскабливает масло. Для удаления масла, собирающегося под кромкой, в стенке поршня просверливают радиальные отверстия. Часто в маслосъемных кольцах делают также канавки с отверстиями. Форма компрессионных и маслосъемных колец показана соответственно на рис. 16.

а) б)

Рис.16 . Форма компрессионных (а) и маслосъемных колец (б)

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном в тронковом кривошипно-шатунном механизме. Сечение пальцев может быть сплошным или кольцевой формы, что уменьшает массу пальца. Концами палец устанавливается в бобышках поршня, среднюю часть его охватывает подшипник верхней головки шатуна.

Рис.17 Конструкции поршневых пальцев

а) трубчатый, б-г) равнопрочный

Основные требования к поршневому пальцу обеспечение высокой усталостной прочности, жесткости и износостойкости при минимальных конструктивной массе и затратах на производство.

В автотракторных двигателях достаточно широко используются пальцы простейшей трубчатой формы (рис. 17 а). Однако в ряде конструкций для минимизации массы при сохранении высокой прочности палец изготовляют в сечении в виде балки, равной прочности на изгиб (рис. 17 б-г)

По способу сочленения с верхней головкой шатуна различают
поршневые пальцы плавающие и защемленные.

Защемленные пальцы фиксируются в шатуне, что позволяет увеличить длину опорной поверхности в бобышках поршня или уменьшить диаметр пальца за счет сокращения длины опорного участка в головке шатуна.

Отсутствие зазоров между пальцем и шатуном позволяет уменьшить отклонение шатуна в направлении оси коленчатого вала.

Однако при применении защемленных пальцев их износ по наружной поверхности неравномерен в силу того, что в процессе
работы палец не вращается

Как было показано ранее, профилирование наружной поверхности пальца производят с учетом возможности уменьшения удельных давлений, оказываемых им на бобышки поршня.

Сочетание высоких усталостной прочности пальца и износостойкости его наружной поверхности обеспечивается выбором соответствующего материала для его изготовления, а также использованием термохимических (закалка ТВЧ, цементация), технологических (шлифовка, полирование) методов упрочнения его конструкции.

Пальцы ДВС изготовляют из среднеуглеродистых сталей 45 и 40ХА. Их наружная поверхность закаливается ТВЧ на глубину 1,0—1,5 мм для получения твердости HRC 52...60. Для пальцев дизелей и форсированных ДВС используют легированные стали 15Х, 15ХА, 18Х2Н4МА и 12ХЗА, которые цементируют на глубину 1,0...1,7 мм.

Их поверхностная твердость достигает HRC 56...65. Дополнительная цементация пальца и полировка его внутренней поверхности позволяют повысить усталостную прочность на 15...20%. Поршневые пальцы, изготовляемые из азотируемых сталей, после соответствующей термообработки имеют на 35...45% большую усталостную прочность.

Расчет на прочность

Расчет деталей с целью определения напряжений и деформаций, возникающих при работе двигателя, производится по формулам сопротивления материалов и деталей машин.

До настоящего времени большинство из используемых расчетных выражений дают лишь приближенные значения напряжений.

Несоответствие расчетных и фактических данных объясняется различными причинами, основными из которых являются:

- отсутствие действительной картины распределения напряжений в материале рассчитываемой детали;

использование приближенных расчетных схем действия сил и места их приложения;

- наличие трудно учитываемых знакопеременных нагрузок и невозможность определения их действительных значений;

- трудность определения условий работы многих деталей двигателя и их термических напряжений;

- влияние не поддающихся точному расчету упругих колебаний;

- невозможность точного определения влияния состояния поверхности, качества обработки (механической и термической), размеров детали и т. д. на величину возникающих напряжений.

С развитием методов инженерных расчетов точность их постоянно повышается, однако на первой стадии проектирования двигателя применяются упрощенные методы, которые и рассмотрены в данном учебном пособии.

Применяемые методы расчета позволяют получить напряжения и деформации, являющиеся лишь условными величинами и характеризующие только сравнительную напряженность рассчитываемой детали.

Основными нагрузками, действующими на детали двигателя, являются силы давления газов в цилиндре и силы инерции поступательно и вращательно движущихся масс, а также усилия от упругих колебаний и тепловых нагрузок, которые рассмотрены в третьем разделе данного пособия.

Усилия от температурных нагрузок, возникающие в результате выделении теплоты при сгорании рабочей смеси и трения, снижают механическую прочность материалов и вызывают дополнительные напряжения в сопряженных деталях при их различном нагревании и различном линейном (или объемном) расширении.