Поршень

Розрахунок основних деталей автотракторних двигунів

При виконанні розрахунків і конструюванні деталей двигуна, необхідно взяти, отримані при тепловому і динамічному розрахунках, показники і параметри, які безпосередньо відносяться до конкретної деталі, намалювати ескіз деталі з простановкою необхідних для розрахунку розмірів, а також – відомості з технології виготовлення і матеріалів для аналогічних деталей, обґрунтувати використання розрахункових формул із посиланнями на відповідні літературні джерела.

Форма і розміри деталей встановлюються на підставі відомих статистичних даних, у першу чергу, даних двигуна, вибраного у якості прототипу. Мають бути також враховані досягнення у створенні нових зразків двигунів подібного типу.

У даному навчальному посібнику розглянуто розрахунки і конструювання деталей кривошипно-шатунного і газорозподільного механізмів, систем мащення і охолоджування двигуна.

Застосування методів розрахунку деталей і механізмів бензинового двигуна проілюстровано чисельними викладками.

 

Розрахунок деталей поршневої групи

До поршневої групи відносять наступні деталі: поршень, компресійні і мастилознімальні кільця, поршневий палець.

Поршнева група, сприймаючи тиск робочих газів, передає їх шатуну і стінкам циліндра; ущільнює спряження циліндр-поршень-кільця і попереджує прорив газів у картер двигуна; регулює доступ мастила до деталей групи; відводить тепло від деталей поршневої групи до системи охолодження двигуна, забезпечуючи тим самим, необхідний для нормальної роботи деталей двигуна, тепловий режим.

 

Поршень

Поршень сприймає високі динамічні, інерційні і теплові навантаження та являє собою найбільш напружений елемент поршневої групи.

Плоске дно поршня розраховують на згин, першу поршневу перемичку – на згин і зріз у її основи, юбку поршня перевіряють на тиск максимального значення нормальної сили. Крім того, розраховують також зазори у з’єднаннях деталей поршневої групи.

На рисунку 7.1 наведено схему поршня з характерними розмірами, які визначаються або контролюються при розрахунку поршня.

Рисунок 7.1 – Конструктивна схема поршня

 

Коструктивні розміри або співвідношення розмірів елементів поршневої групи автотракторних двигунів наведено в таблиці 7.1.

 

Таблиця 7.1 – Розміри і співвідношення розмірів елементів поршневої групи

Назва і співвідношення розмірів елементів поршневої групи	Бензинові двигуни	Дизелі
Товщина дна поршня,	0,05…0,09	0,12…0,20
Висота поршня,	0,8…1,20	1,00…1,50
Висота вогняного (жарового) поясу,	0,06…0,09	0,11…0,20
Товщина першої кільцевої перемички,	0,03…0,05	0,04…0,06
Висота верхньої частини поршня,	0,45…0,75	0,60...1,00
Висота юбки поршня,	0,60…0,75	0,60…0,70
Внутрішній діаметр поршня,
Товщина стінки головки поршня,	0,05…0,10	0,05…0,10
Товщина стінки юбки поршня, , мм	0,05…0,07	0,08…0,12
Відношення (t – радіальна товщина) для компресійного кільця, для мастилознімального кільця	0,035..0,045 0,030..0,043	0,04..0,045 0,038..0,043
Радіальний зазор кільця в канавці поршня, , мм: компресійного, мастилознімального	0,70…0,95 0,90…1,10
Висота кільця, а, мм	1,50…4,00	3,0…5,00
Відношення величин зазорів у замку до товщини кільця у вільному і робочому станах,	2,5…4,00	3,2…4,00
Число мастильних отворів у поршні,	6…12
Діаметр мастильного каналу,	0,3…0,5
Діаметр бобишки поршня,	0,3…0,5
Відстань між торцями бобишок,	0,3…0,5
Зовнішній діаметр поршневого пальця,	0,22…0,28	0,30…0,38
Внутрішній діаметр поршневого пальця,	0,65…0,75	0,50…0,70
Довжина пальця, : закріпленого плаваючого	0,85…0,90 0,78…0,88	0,85…0,90 0,80…0,85
Довжина головки шатуна, : закріпленого плаваючого	0,28…0,32 0,33…0,45

 

Розглянемо приклад розрахунку поршня бензинового двигуна.

За результатами теплового і динамічного розрахунків бензинового двигуна отримано: діаметр циліндра D = 69 мм; хід поршня S = 62 мм; кількість обертів при максимальному крутному моменті n _ме = 3000 хв^-1; максимальний тиск згоряння p _zд=5,15 МПа; площа дна поршня F _n = 37,4 см²; максимальна нормальна сила N _max = 1643 H при φ = 450 градусах повороту колінчастого вала; маса поршневої групи m _n = 0,420 кг; λ_ш =0,27; максимальна частота обертання колінчастого вала на холостому ходу хв^-1.

Наведені параметри і показники бензинового двигуна використовуються також в подальшому при розрахунку інших деталей поршневої і кривошипно-шатунної груп двигуна.

Згідно з відношеннями, що наведено в таблиці 7.1, приймаємо товщину дна поршня мм, висоту поршня Н = 70 мм; товщину стінки головки поршня S = 6 мм, висоту юбки поршня мм, радіальну товщину кільця t = 3 мм, радіальний зазор кільця в канавці поршня Δt = 0,8 мм, товщину верхньої кільцевої перемички мм, кількість і діаметр мастильних каналів у поршні відповідно і мм.

Вибираємо матеріал: для гільзи циліндрів – сірий чавун з коефіцієнтом розширення α_ц = 11·10^-6 1/К; для поршня – евтектичний алюмінієвий сплав з включенням 12% кремнію і коефіцієнтом розширення α_п = 22·10^-6 1/К.

Визначаємо напруження згину в дні поршня за формулою:

(7.1)

де – момент згину, МН·м;

– момент опору згину плоского дна поршня, м³;

– внутрішній радіус дна поршня, мм.

Після підстановки значень параметрів знаходимо: мм; м³; МН·м; МПа;

за іншою формулою з (7.1) МПа.

Допустиме напруження для вибраного алюмінієвого сплаву на згин [ ]=150 МПа.

Визначаємо напруження стиску у перерізі х – х (рисунок 7.1) за формулою:

, (7.2)

де =5,15·37,4·10^-4=0,0193 MН – максимальна сила тиску газів на дно поршня;

; (7.3)

де мм = 0,0614м – діаметр поршня по дну канавок;

мм = 0,0518 м – внутрішній діаметр поршня;

м² – площа подовжнього діаметрального перерізу по мастильних отворах.

Підставляючи значення параметрів, знаходимо:

м²;

МПа.

Визначаємо напруження розриву у перерізі х – х за формулою:

. (7.4)

– значення сили інерції мас частини поршня з кільцями, яка знаходиться вище перерізу х-х;

кг – маса головки поршня з кільцями, яка розташована вище перерізу х-х;

R=S / 2= 62 / 2 =31мм = 0,031м – радіус кривошипа колінчастого вала;

с^-1 – максимальна кутова швидкість колінчастого вала на холостому ходу.

Підставляючи значення параметрів, знаходимо:

=0,21·0,031·674,4²·(1+0,27)=0,00376 МН.

Напруження розриву у перерізі х-х:

МПа.

Визначаємо напруження в верхній кільцевій перемичці за формулами:

– при зрізі

; (7.5)

МПа;

– при згині

; (7.6)

МПа;

– сумарне

; (7.7)

МПа.

Допустиме напруження для поршнів з алюмінієвих сплавів МПа; для чавунних – МПа.

Визначаємо питомий тиск юбки поршня на стінку циліндра:

; (7.8)

МПа.

Визначаємо питомий тиск всієї висоти поршня на стінку циліндра:

; (7.9)

МПа.

Для автотракторних двигунів = 0,3…1,0 МПа, = 0,2…0,7 МПа.

Гарантована рухомість поршня (відсутність заклинювання) забезпечується величиною зазору між циліндром і поршнем, який має враховувати неоднаковість розширення у верхньому перерізі головки поршня і нижньому перерізі юбки поршня .

Необхідні монтажні зазори між стінками циліндра і поршнем у холодному стані визначаються з наступних виразів:

=(0,006…0,008)· D = 0,007·69 = 0,483мм; (7.10)

=(0,001…0,002)· D = 0,002·69 = 0,138 мм. (7.11)

Отже, діаметр юбки поршня з урахуванням монтажних зазорів:

= 69 – 0,138 = 68,862 мм;

а головки поршня:

= 69 – 0,483 = 68,517 мм.

Перевіримо значення зазорів між стінками циліндра і поршнем у гарячому стані за наступними формулами:

(7.12)

,. (7.13)

де , – діаметральні зазори між стінкою циліндра і головкою та юбкою поршня відповідно, мм;

, – коефіцієнти лінійного розширення матеріалів циліндра і поршня:

для чавуну = = 11·10^-6К^-1;

для алюмінієвих сплавів = = 22·10^-6К^-1;

Т_ц, Т_г, Т_ю – відповідно температури стінок циліндра, головки і юбки поршня у гарячому стані. При розрахунках приймають: Т_ц = 385 К; Т_г =600 К;

Т_ю =410 К.

Підставляючи значення розрахункових параметрів, знаходимо:

= 69·(1+11·10^-6·(385 – 293)) – 68,517·(1+22·10^-6·(600 – 293))=

= 0.09 мм;

= 0,0305 мм.

Тобто, теплові зазори витримано.