Розрахунок розподільного вала

Розрахунок розподільного вала ведуть для миті відкриття випускного клапана, коли зусилля, що передаються на кулачок вала, максимальні.

Загальне навантаження на кулачок складається з приведених до штовхача (клапана) сили пружини P _np, сили від тиску газів на клапан зі сторони циліндра Р _г, сили інерції деталей механізму газорозподілу Р _j.

Для виготовлення розподільних валів використовують вуглецеві (сталь 40, сталь 45) або легірувані (15Х, 15НМ, 12ХНЗА) сталі.

Сумарна сила,що діє на кулачок за наявності коромисла визначається за формулою:

(7.124)

 

де m _kм– приведена до штовхача (клапана) маса клапанного механізму (клапан, тарілка клапану, замок, частина пружини, що рухається при деформації, штовхач). Для автомобільних двигунів з безпосереднім приводом клапанів від розподільного валу m _kм= 180…230 кг/м², для верхніх клапанів з приводом через штовхача, штангу, коромисло m _kм= 230…300 кг/м².

Для випускного клапана приймаємо m _kм= 220кг/м²;

– прискорення штовхача (клапана) при α _к = 0. У нашому випадку =5,71·10³ м/с²; = 1; P _np.max = 715,9 Н; P _np.mшт = 444,8 Н.

F _гв=0,9· 10,416 ·10^-4 = 9,374·10^-4 м² – площа горловини випускного клапану (на 10% менша площі горловини впускного клапана).

Найбільша силa Р_{∑. max} передається на кулачок від випускного клапана в початковий період його відкриття (α _к = 0).

Для опуклого кулачка: Н, (7.125)

де P _{пр. min}– сила пружності пружини при закритому клапані, Н;

p _г – тиск у циліндрі в момент початку відкриття випускного клапана для розрахункового режиму; р _г = 0,5 МПа (визначено з індикаторної діаграми);

p¢ _г – тиск у випускному трубопроводі, МПа. p¢_г @ p₀ = 0,1 МПа;

d _Тв – зовнішній діаметр тарілки випускного клапана; d _Тв= (1… 1,2)· d _вп; d _вп = (1,0 …l,12)· d _г; d _Тв = 1,0·36,41·10^-3· 1 = 3,64 ·10^{-2 м;}

L _к і L _Т – плечі коромисла, мм. У нашому випадку L _к = L_Т;

w _к – кутова швидкість обертання розподільного вала, w _к = 293,22 рад/сек;

r ₀, r ₁ – відповідно радіуси початкового кола і першої ділянки профілю кулачка, r ₀ = 18,94·10^{-3 м,} r ₁ = 85,35·10^{-3 м (прийнято як для впускного клапана).}

Після підстановки розрахункових параметрів знаходимо:

Н.

Розрахунок розподільного вала ведуть на жорсткість, зминання, згин, скручування.

Розрахунок на жорсткість розподільного вала зводиться до визначення стріли прогину вала «у» у припущенні, що ділянка між суміжними опорами вала являється двохопорною балкою, яка навантажена у місці дії штовхача (кулачка), якщо випускний кулачок один на циліндр.

За наявності в циліндрі двох випускних клапанів, які, як правило, відкриваються одночасно і розташовані симетрично відносно вала, необхідно враховувати вказану обставину при побудові розрахункової схеми розподільного вала.

Розрахункову схему розподільного вала наведено на рисунку 7.18.

Рисунок 7.18 - Розрахункова схема розподільного вала

 

При розрахунку розподільного вала на жорсткість, визначення стріли прогину здійснюють за умови дії сумарної сили P_∑ max.

Якщо навантаження на розподільний вал створює один штовхач (кулачок), то стрілу прогину визначають за формулою:

 

(7.126)

де а і b – відстань від опор до точки прикладення сили, мм;

l – відстань між опорами розподільного валу, мм;

d _p, d _р – відповідно зовнішній і внутрішній діаметри порожнистого валу, мм; δ _р = (0,5…0,7)· d _р;

Е – модуль пружності першого роду, Е = 2,2·10⁵ МПа.

Розміри окремих елементів розподільних валів визначаються за наступними співвідношеннями:

− діаметр розподільного вала d _р = (0,25...0,30)· D (D − діаметр циліндра);

− діаметр шийок вала d _ш.min > d ₀ +2 h _max; h _max − висота підйому штовхача (кулачка); d ₀ − діаметр початкового кола кулачка, d ₀ =2r ₀;

− довжина шийок розподільного вала l _ш = (0,4...0,9)· d _ш;

− ширина кулачків b _к = (0,4...0,6)· d _г;

d _г − діаметр горловини впускного клапана.

Для чисельного розрахунку приймаємо: d _р = 0,27·74 = 20 мм; d ₀ =2·r ₀ =2·18,94 ≈ 38 мм; h _max= 9,47 мм; d _ш = 40 мм; l _ш = 0,6· d _ш= 24 мм; b _к = 0,5· d _г= 0,5·36,41= 18,2 мм; розміри прольоту розподільного вала, прийняті з конструктивних міркувань, l = a + b = 15 + 90 = 105 мм.

Розподільний вал – суцільний.

Після підстановки розрахункових параметрів знаходимо стрілу прогину вала:

мм.

Розмір прогину вала не повинен перевищувати 0,02…0,05 мм.

При двох однойменних клапанах у циліндрі стріла прогину визначається за формулою:

(7.127)

Напруження зминання, що виникають у місцях контакту робочих поверхонь плоского кулачка і штовхача (клапана), визначаються за формулою:

(7.128)

 

МПа.

 

Після підстановки розрахункових параметрів знаходимо значення напруження зминання:

Допустимі значення напруження зминання [s_зм]= 400…1200 МПа.

Момент сил, що скручує розподільний вал, від приведених до штовхача (кулачка) моментів, досягає максимального значення наприкінці періоду підйому штовхача (клапана), коли його точка контакту з кулачком найбільше віддалена від осі штовхача (клапана).

Для кулачка з опуклим профілем і плоским штовхачем:

(7.129)

де – сумарна сила від дії сил пружини і інерції, приведена до осі штовхача (клапана) при ; Р _пр= 715,9 Н; Р _j= 500,6 H;

ОВ ₁ – відстань від осі штовхача (клапана) до найбільш віддаленої точки контакту кулачка і штовхача (клапана). Визначається за формулою:

(7.130)

За припущення рівності характерних розмірів випускного і впускного кулачків знаходимо:

мм.

Н.

Н·м.

Для визначення максимального крутного моменту від одночасної дії всіх кулачків, необхідно будувати криві моментів, що набігають.

Визначаємо напруження скручування за формулою:

(7.131)

 

 

де W _кр= π· – момент опору скручуванню розрахункового перетину суцільного вала.

Отже:

W _кр= 3,14· м³;

МПа.

 

Визначаємо напруження згину за формулою:

(7.132)

 

 

МПа.

 

Визначаємо сумарні напруження s_å, які виникають у розподільному валу від спільної дії моментів.

(7.133)

 

МПа.

Значення s_S не повинно перевищувати 100…150МПа.

Питання для самоперевірки

1. Які деталі входять до поршневої групи двигуна?

2. Відносно якого параметру визначають геометричні розміри елементів поршня?

3. З яких матеріалів виготовляють поршні автотракторних двигунів?

4. Які напруження визначають при розрахунку дна поршня і його перемичок?

5. Які параметри враховують при визначенні тиску юбки поршня на стінку циліндру?

6. Які параметри і показники враховують при визначенні зазору між стінками циліндра і поршня у робочому (гарячому) стані?

7. Як класифікують поршневі кільця за їх функціональним призначенням?

8. Назвіть характерні геометричні розміри і показники, які визначають при розрахунку поршневих кілець?

9. З яких матеріалів виготовляють поршневі кільця автотракторних двигунів?

10. За допомогою яких сил поршневе кільце притискується до стінки циліндра?

11. Як розподіляється тиск кільця на стінку циліндра у компресійного і мастилознімального кільця?

12. Назвіть закони корегування тиску на стінку циліндра компресійного кільця?

13. У яких межах знаходяться значення тиску на стінку циліндра компресійних і мастилознімальних кілець?

14. Які епюри тиску компресійного кільця на стінку циліндра переважно використовують у бензинових двигунах і дизелях?

15. Які характерні зазори контролюють при розрахунку поршневих кілець?

16. Що собою представляє монтажний зазор поршневого кільця і як він розраховується?

17. На які напруження розраховують поршневі кільця двигуна?

18. Які показники міцності визначають при розрахунку поршневого пальця?

19. З яких матеріалів виготовляють поршневі пальці двигунів?

20. Відносно яких параметрів визначають геометричні розміри елементів деталей шатунної групи?

21. З яких матеріалів виготовляють деталі шатунної групи автотракторних двигунів?

22. Який шатунний вкладиш навантажено більше – верхній чи нижній?

23. На які напруження розраховують нижню кришку кривошипної головки шатуна?

24. Чому стержень шатуна має, як правило, двотавровий переріз?

25. Які показники міцності визначають при розрахунку стержня шатуна?

26. Які матеріали вибирають переважно для виготовлення шатунних болтів автотракторних двигунів?

27. На які напруження розраховують шатунні болти двигуна?

28. Відносно якого параметру визначають геометричні розміри елементів клапанного механізму двигуна?

29. Як і чому відрізняються за розмірами впускний і випускний клапани?

30. За якими показниками визначають пропускну спроможність клапана?

31. Які параметри враховують при визначенні прохідного перерізу клапана?

32. За яких умов визначають максимальну пропускну спроможність клапана?

33. Як враховують геометричні розміри коромисла клапана при розрахунках клапанного механізму двигуна?

34. Охарактеризуйте показник «час-переріз» при розрахунку прохідного перерізу клапана і способи його визначення.

35. Назвіть межі значень швидкості потоку газів у прохідному перерізі клапанів для бензинових двигунів і дизелів.

36. Що собою представляє кут дії профілю кулачка?

37. Охарактеризуйте можливі способи побудови профілю кулачка.

38. Як враховують фази газорозподілу двигуна при профілюванні кулачка?

39. Які параметри використовують при профілюванні опуклого кулачка?

40. Назвіть кінематичні характеристики, які визначають при розрахунку клапанного механізму двигуна.

41. За якими показниками і параметрами ведуть розрахунок пружини клапана?

42. Що таке жорсткість пружини і як її визначають?

43. Що собою представляє робоча і повна довжина пружини клапана?

44. Що таке резонанс пружини клапана і як його запобігти?

45. На які показники і напруження розраховують розподільний вал механізму газорозподілу двигуна?

46. З якою кутовою швидкістю обертається розподільний вал у чотиритактного і двотактного двигуна відносно кутової швидкості колінчастого вала?