Расчёт и проектирование деталей двигателя

Расчет поршня

На основании данных расчетов (теплового, скоростной характеристики и динамического) определяем: диаметр цилиндра мм, ход поршня мм, максимальное давление сгорания МПа при частоте вращения мин^-1, площадь поршня см ^2, наибольшую нормальную силу МН при угле , массу поршневой группы кг, максимальную частоту вращения холостого хода мин ^-1, значение .

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений, приведенных в табл. 7.1 [1] принимаем: высоту поршня мм, высоту юбки поршня мм, радиальную толщину кольца мм, радиальный зазор кольца в канавке поршня мм, толщину стенки головки поршня мм, величину верхней кольцевой перемычки мм, число и диаметр масляных каналов в поршне и мм.

Назначаем материал поршня - алюминиевый сплав, 1/К;

материал гильзы цилиндра - серый чугун, 1/К.

Определяем напряжение сжатия в сечении x-x (рис. 7.1)

, МПа, (6.1)

где - максимальная сила давления газов на днище поршня.

- площадь сечения х-х, м ².

, МН; (6.2)

- площадь поршня, м ²;

МН.

, м ², (6.3)

- внутренний диаметр поршня, м;

м - диаметр поршня по дну канавок.

, м; (6.4)

м

м ² - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала.

, м ²; (6.5)

м ².

м ².

МПа..

Определяем напряжение разрыва в сечении х-х

, МПа.; (6.6)

Сила инерции возвратно-поступательных масс определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя

, МН, (6.7)

где - радиус кривошипа, м;

- масса головки поршня с кольцами, расположенная выше сечения х-х.

, кг, (6.8)

- масса поршневой группы, кг

кг.

- максимальная угловая скорость холостого хода двигателя

, рад/с, (6.9)

- максимальная частота вращения коленчатого вала при холостом ходе двигателя, мин-1.

рад/с.

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, .

МН.

МПа..

Определяем напряжения среза кольцевой перемычки

, МПа;. (6.10)

МПа.

Определяем напряжения изгиба кольцевой перемычки

, МПа, (6.11)

где и - диаметр цилиндра и толщина верхней кольцевой перемычки, м и м.

МПа..

Сложное напряжение определится

, МПа (6.12)

МПа,

МПа < МПа..

Определяем удельные давления юбки поршня и всей высоты поршня на стенку цилиндра

, МПа, (6.13)

, МПа (6.14)

где - высота юбки поршня, м;

- высота поршня, м;

- наибольшая нормальная сила, действующая на стенку цилиндра при работе двигателя на режиме максимальной мощности, МН.

МПа;

МПа.

Для автотракторных двигателей МПа и МПа.

Определяем условие гарантированной подвижности поршня в горячем состоянии.

В целях предотвращения заклинивания поршней при работе двигателя размеры диаметров головки и юбки поршня определяют, исходя из наличия необходимых монтажных зазоров и между стенками цилиндра и поршня в холодном состоянии

, мм; (6.15)

мм.

, мм; (6.16)

мм.

Диаметры головки и юбки поршня с учетом монтажных зазоров определяют по формулам

, мм; (6.17)

мм.

, мм; (6.18)

мм.

Правильность установленных размеров и проверяют в горячем состоянии по формулам

, мм, (6.19)

, мм, (6.20)

где и - диаметральные зазоры в горячем состоянии соответственно между стенкой цилиндра и головкой поршня и между стенкой цилиндра и юбкой поршня, мм;

и - коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня

- для чугуна 1/К;

- для алюминиевых сплавов 1/К;

, , - соответственно температура стенок цилиндра, головки и юбки поршня в рабочем состоянии, К, К и К;

- начальная температура цилиндра и поршня, К.

мм;

мм.

Тепловые зазоры обеспечены.

Расчет поршневого пальца

Основные конструктивные размеры поршневых пальцев принимаем из табл. 7.1[1] или по данным прототипа. Кроме того по данным теплового расчета принимаем: максимальное давление сгорания МПа, наружный диаметр пальца мм, внутренний диаметр пальца мм, длина пальца мм, длина опорной поверхности пальца в головке шатуна мм, расстояние между торцами бобышек мм. Материал поршневого пальца - сталь 15Х, МПа. Палец плавающего типа.

Определяем расчетную силу, действующую на палец

, МН, (6.21)

где - максимальное давление газов на номинальном режиме работы,

МПа;

- коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца, ;

- сила инерции поршневой группы при .

, МН, (6.22)

- угловая скорость при номинальной частоте вращения.

, рад/с, (6.23)

- номинальная частота вращения коленчатого вала, мин ^-1.

рад/с;

МН;

МН.

Определяем удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна

МПа, (6.24)

где - наружный диаметр пальца, м;

- длина опорной поверхности пальца в головке шатуна, м.

МПа.

Определяем удельное давление пальца на бобышки

, МПа, (6.25)

где - общая длина пальца, м;

- расстояние между торцами бобышек, м;

- длина опорной поверхности пальца в бобышках, м.

МПа..

Для автомобильных двигателей МПа и МПа.

Определяем напряжение изгиба в среднем сечении пальца

, МПа, (6.26)

где - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.

МПа.

< МПа.

Определяем касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна

, МПа (6.27)

МПа.

< МПа.

Определяем наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации

, мм, (6.28)

где - модуль упругости материала пальца, МПа.

мм.

Значение не должно быть больше 0,02…0,05 мм.

Определяем напряжения овализации на внешней поверхности пальца

- в горизонтальной плоскости

, МПа; (6.29)

МПа.

- в вертикальной плоскости

, МПа, (6.30)

МПа.

Определяем напряжения овализации на внутренней поверхности пальца

- в горизонтальной плоскости

,МПа; (6.31)

,МПа.

- в вертикальной плоскости

,МПа; (6.32)

, МПа.

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости

< МПа.

Расчет поршневого кольца

Основные данные для расчета принимаются из табл. 7.1 [1]. Материал кольца - серый чугун, МПа.

Определяем среднее значение давления кольца на стенку цилиндра

, МПа, (6.33)

где - модуль упругости материала кольца, МПа;

- радиальная толщина кольца, мм;

- разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях.

, мм; (6.34)

мм.

МПа.

МПа < МПа.

Определяем давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности и заносим в таблицу

, МПа, (6.35)

где - переменный коэффициент, определяемый изготовителем в соответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилиндра.

Таблица 6.1 - Параметры для расчета каплевидной эпюры давления кольца на стенку цилиндра

Угол
Коэффициент	1,05	1,05	1,14	0,9	0,45	0,67	2,85
Давление , МПа	0,193	0,193	0,209	0,165	0,083	0,123	0,523

По полученным данным строим эпюру давления кольца на стенку цилиндра (приложение В).

Определяем напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии

, МПа; (6.37)

МПа.

Определяем напряжение изгиба при надевании кольца на поршень

, МПа, (6.38)

где - коэффициент, зависящий от способа надевания кольца, .

МПа.

МПа и .

Определяем монтажный зазор в замке поршневого кольца

, мм, (6.39)

где - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя, мм;

и - коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра, 1/К;

, и - соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура, К, К и К.

мм.