4.2.1 Загальні рекомендації
В курсовій роботі виконують перевірочний розрахунок на міцність лише основних деталей кривошипно-шатунного механізму та систем газорозподілення.
Перед розрахунком деталі необхідно вибрати матеріали для її виготовлення та термічну обробку; з’ясувати, які сили і в яких перерізах створюють небезпечні напруження.
До розрахунку кожної деталі додають ескіз з показом небезпечних перерізів та усіх розмірів, необхідних для розрахунку.
Орієнтовні розміри основних деталей кривошипно-шатунного механізму та циліндро-поршньової групи наведені в табл. 4.1.
Таблиця 4.1
| Найменування параметру | Бензинові двигуни | Дизелі |
| Товщина днища поршня | /0,06…0,10/D | /0,12…0,20/ D |
Внутрішній діаметр поршня 
Радіальна товщина t кільця:
компресійного
мастилознімаючого
Радіальний зазор  кільця в канавці поршня, мм:
компресійного
мастилознімаючого
Число мастильних отворів у поршні
Діаметр настильного отвору, мм
Висота юбки прошня, 
Зовнішній діаметр поршньового пальця, 
Внутрішній діаметр пальця, 
Довжина пальця  :
плаваючого
закріпленого
Відстань між торцями бобишок, В
Різниця між зазорами кільця у вільному і робочому стані, 
| D-2( +t+ )
/0,40…0,45/D
/0,38…0,043/D
0,70…0,95
0,9…1,1
6…12
1…2
/0,6…0,8/D
/0,22…0,28/D /0,30…0,38/D
/0,65…0,75/ar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">  /0,50…0,70/ar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">
/0,78…0,88/D /0,80…0,90/D
/0,88…0,93/D /0,88…0,93/D
/0,3…0,5/D
/2,5….4,0/t /3,2…4,0/t
|
Продовження табл. 4.1
Товщина стінки циліндра  , мм
Довжина втулки шатуна  :
при плаваючому пальці
при закріпленому
Зовнішній діаметр верхньої головки шатуна, 
Внутрішній діаметр верхньої головки шатуна, 
Довжина головки шатуна  :
при плаваючому пальці
при закріпленому
Розміри-перезізи шатуна:
 ,мм
Ширина кришки, 
Товщина кришки, 
Діаметр шатунної шийки, 
Ширина шатунної шийки, 
Товщина вкладиша, 
Ширина вкладиша, 
Відстань між шатунними болтами, 
Діаметри корінної шийки:
зовнішній, 
внутрішній, 
| 4…10 8…15
/0,28…0,32/D
/0,33…0,45/D
/ 1,25…1,65/ar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> /1,3…1,7/D
/1,1…1,25/ar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>">
/0,33…0,45/D
/0,28…0,32/D
/0,5…0,55/
/1,2…1,4/
/0,5…0,6/ /0,55…0,75/
2,5…4,0 4,0…7,5
/0,45…0.95/ 
0,5
/0,56…0,75/D
/0.03…0,05/
 мм
/1,3…1,75/
/0,6…0,8/D /0,7…0,9/D
/0,2…0,3/
|
4.2.2 Розрахунок циліндра
Розраховують напруження в стінці циліндра і розтяг в небезпечному перерізі шпильки кріплення головки блоку. Напруження в стінці циліндра знаходять з урахуванням особливостей його конструкції. Циліндри блочної конструкції розраховують на розтяг по твірній циліндра /мал. 1.а/, МН/ 
:
де 
- максимальний розрахунковий тиск газів в циліндрі, МН/ ;D – діаметр циліндра, м; 
- товщина стінки циліндра, м.
Допускається приймати [ 
], МН/ :
а) для чавунних гільз – 40…60;
б) для стальних гільз – 80…120;
в) для чавунних циліндрів без гільз – 20…40.
Для двигунів з повітряним охолодженням, у яких циліндри розміщені окремо,визначають сумарне напруження на розтяг по розрізу по кільцевому перерізу та згин під дією бокової сили 
/мал. 1.б/:
а/ напруження розтягу по кільцевому перерізу гільзи, МН/ :
б/ згинаючий момент від сили , прикладеної до середини поршньового пальця, МНм:
,
де h – відстань від центру перерізу пальця до опорної поверхні циліндра /по кресленню/, м; 
- максимальна величина бокового тиску, визначена із першого листа курсового проекту, МН/ ; 
– площа поршня, ;
в/ напруження згину, МН/ :
= 
де W – момент опору поперечного перерізу циліндра, 
:
W=0,1 
,
де 
- відповідно зовнішній та внутрішній діаметри циліндра, м;
Рисунок 4.1 – Схема розрахунку циліндра
г/ сумарне напруження від розтягу і згину, МН/ :
,
де 
= 60 – для чавунних циліндрів; = 110 – для стальних циліндрів.
Шпильки кріплення головки блока розраховують на розрив у небезпечному перерізі під дією сили, що виникає при затяжці гайок.
Сила попередньої затяжки шпильки, МН:
,
де - максимальний тиск при згоранні, МН/ ; 
- площа,обмежена краєм прокладки навкруги камери згорання, : при нижньому розміщенні клапанів = /1,7…2,2/ 
; при верхньому - = /1,1…1,3/ .
Сумарна розрахункова сила,що діє на шпильки, МН:
.
Сумарна сила,яка приходиться на одну шпильку, МН:
,
де Z – число шпильок на одному циліндрі: при верхньому розміщенні клапанів Z = 4…6; при нижньому – Z = 6…8.
Напруження розтягу в шпильці, МН/ :
= 
,
де 
- площа мінімального поперечного перерізу по внутрішньому діаметру різьби, ; 
= 100…150 – для вуглецевих сталей; 
= 250…300 – для легованих сталей, МН/ .
4.2.3 Розрахунок поршня
Для розрахунку поршня беруть максимальне значення тиску газів в циліндрі двигуна та бокового тиску 
.
При розрахунку поршня визначають:
а/ напруження згину в днищі поршня /мал. 2/, МН/ :
,
де 
- внутрішній діаметр днища поршня, м; 
– мінімальна товщина днища поршня, м.
Для поршнів з алюмінієвих сплавів, МН/ : 
= 20…25 – без ребер жорсткості; = 50…150 – з ребрами жорсткості.
Для чавунних поршнів, МН/ : 
= 40…50 – без ребер жорсткості; = 80…200 – з ребрами жорсткості;
Рисунок 4.2 – Схема розрахунку поршня
б/ напруження стиску в кільцевому перерізі, прослабленому отворами для відводу мастила, МН/ :
де 
= 
– максимальна сила тиску газів на днище поршня, МН;s w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> 
- площа розрахункового перерізу по канавці для мастильного кільця з урахуванням отворів для відводу мастила, ; 
= 60…80 МН/ - для чавунних поршнів; = 30…40 МН/ - для поршнів із алюмінієвих сплавів;
в/ максимальний тиск по поверхні тертя юбки, МН/ :
де - висота юбки поршня, м;
0,33…0,96 МН/ .
4.2.4 Розрахунок поршневого пальця
При розрахунку поршньового пальця визначають:
а/ тиск на втулку верхньої головки шатуна, МН/ :
де 
= (
) 
; k = 0,60…0,70 – коефіцієнт, який враховує масу поршньового пальця і верхньої головки шатуна; 
– максимальний тиск від сил інерції деталей, що здійснюють зворотно-поступальний рух, МН/ 
- зовнішній діаметр пальця, м; 
- довжина верхньої головки шатуна, м;
б/ тиск на бобики поршня, МН/ :
де - загальна довжина пальця, м; В – відстань між торцями бобишок, м.
= 20…60 МН/ ;
= 15…50 МН/ ;
в/ напруження згину в пальці, МН/ :
де 
- відношення внутрішнього діаметра пальця до зовнішнього.
= 100…250 МН/ ;
г/ напруження в пальці на зріз, МН/ :
= 60…250 МН/ ;
д/ максимальна овалізація пальця, мм:
де Е = /2,0…2,3/ 
- модуль пружності матеріалу пальця:
= 0,02…0,05 мм.
4.2.5 Розрахунок компресійного кільця
Середній тиск кільця на стінки циліндра, МН/ :
де Е – модуль пружності матеріалу кільця: для сірого чавуну Е = 1х МН/ ; для легованого чавуну Е = 1,2х МН/ 
для сталі Е = /2,0…2,3/ МН/ – різниця між зазорами замка кільця у вільному і робочому стані, м;
t – радіальна товщина кільця, м; 
- коефіцієнт, який враховує форму епюри кільця: для кільця рівномірного тиску = 0;
для кільця корегованого тиску = 2; D – діаметр циліндра, м.
Для бензинових двигунів 
= 2,4…4,0,дизелів = 3,2…4,0. Допускається 
= 0,11…0,37 МН/ .
Напруження згину в кільці в робочому стані, МН/ :
Напруження згину в кільці при надяганні його на поршень, МН/ :
де m = 1,67 – коефіцієнт, що залежить від способу надягання кільця.
= 220…450 МН/ ;
= 300…600 МН/ .
4.2.6 Розрахунок шатуна
Напруження на розрив у верхній головці шатуна, МН/ :
= 
,
де 
- сила інерції поршньового комплекту, що діє на верхню головку шатуна, МН; 
; 
– маса поршньового комплекту, приведена до одиниці площі поршня, 
; R – радіус кривошипу, м; 
- кутова швидкість колінчастого валу двигуна, 
; 
- площа поршня, 
- зовнішній діаметр верхньої головки шатуна, м; 
- внутрішній діаметр верхньої головки шатуна, м; - довжина верхньої головки, м.
Допускається 
= 15…25 МН/ .
Розрахунок стержня шатуна.Запас міцності стержня шатуна визначають по перерізу В-В в середині шатуна /рис. 3/ на розтяг від сили 
та на стискування від сили 
.
Значення тисків та беруть з графіків до динамічного розрахунку двигуна.
Рисунок 4.2 – Схема розрахунку шатуна
Напруження стискування без врахування поздовжнього згину для стержнів шатуна, які звужуються, МН/ :
де 
– площа поперечного перерізу стержня шатуна /в перерізі В-В/, .
Напруження розтягу, МН/ :
Середнє напруження за цикл /з урахуванням знаку/, МН/ :
Амплітуда циклу /з урахуванням знаку/, МН/ :
Запас міцності стержня шатуна:
де 
- межа втомлення матеріалу при симетричному циклі на розтяг, МН/ ; для вуглецевої сталі = 340…380; ε = 0,8…0,9 – коефіцієнт, що враховує вплив чистоти обробки; α = 0,2 – коефіцієнт, який залежить від характеристики матеріалу.
Напруження згину в кришці нижньої головки шатуна знаходять в її середньому перерізі від дії сил інерції мас деталей, які здійснюють поступальний та обертовий рух і знаходяться вище площини роз’єму кришки. Розрахункова сила, МН:
де , 
, 
- приведені маси поршньового комплекту, шатуна,кришки нижньої головки, ; R – радіус кривошипу, м; 
, - довжина шатуна, м; 
= /0,20…0,28/ 
.
Напруження згину, МН/ :
- відстань між шатунними болтами, м; 
= 
- момент опору розрахункового перерізу кришки без ребер жорсткості, 
; 
, 
– відповідно ширина і товщина кришки, м; 
- момент інерції перерізу кишки, 
; 
- момент інерції перерізу вкладиша, ; 
, 
- відповідно ширина і товщина, м; 
, 
- площі поперечного перерізу відповідно кришки і вкладиша, :
=120…300 МН/ .
Запас міцності шатунних болтів. Сила, яка розтягує шатунні болти, МН:
де 
- сила поперечного затягу болтів, МН; 
- 0,2…0,25 – коефіцієнт основного навантаження різьбового з’єднаяння; 
- кількість болтів в одному шатуні.
Напруження в болті, МН/ :
де 
- мінімальна площа перерізу болта /див. рис. 3/, ; 
– мінімальний діаметр болта в розрахунковому перерізі, м.
Середнє напруження за цикл, МН/ :
Амплітуда напружень:
Запас міцності:
де 
= 3,0…4,5 – коефіцієнт концентрації напруження в різьбі.
Значення , 
такі ж, як і в п. 2.6.2
4.2.7 Розрахунок колінчастого валу
Величини максимального та середнього тиску на шатунну шийку,від яких залежить строк служби підшипників, наведених в табл. 4.2.
Таблиця 4.2
| Тип двигуна | [q], МН/
| |
| 
| |
| Бензинові | 4…12 | 7…20 |
| Дизельні | 6…15 | 20…42 |
Cередній тиск на шийку, МН/ :
де 
= 
- середнє значення сили, яка діє на шатунну шийку, МН/ ; 
- діаметр та ширина шатунної шийки, м:
Максимальний тиск на шатунну шийку, МН/ :
де 
– максимальна величина сили, що діє га шатунну шийку, МН; 
- максимальний тиск на шатунну шийку, МН/ :
Величини 
та визначають з графіків до динамічного розрахунку двигуна /з першого листа курсового проекту/.
Запас міцності корінної шийки на скручування. Для розрахунку запасу міцності задньої корінної шийки на скручування беруть максимальну 
і мінімальну 
величини сумарного тиску дотичної сили.
Напруження від максимальної дотичної сили, МН/ :
де 
= 
- мінімальний крутний момент, МНм.
Значення для і беруть з графіка, накресленого на першому листі курсового проекту.
Середнє напруження циклу, МН/ :
Амплітуда напружень, МН/ 
Запас міцності корінної шийки:
де 
-межа втомлення матеріалу на кручення при симетричному циклі напруження, МН/ :
= 180…220 – для вуглецевих сталей;
= 280…320 – для легованих сталей;
= 1,8…2,0 – коефіцієнт напруження;
= 0,7…0,8 – коефіцієнт, що враховує масштабні та технологічні фактори;
= 0,1 – коефіцієнт, що залежить від характеристики міцності матеріалу по втомленню.
4.2.8 Розрахунок маховика з умов забезпечення рівномірності ходу двигуна
При розрахунку маховика приймається, що його маса зосереджена в ободі, а поперечний переріз ободу має прямокутну форму /рис. 4/.
Мета розрахунку:
а/ визначити масу маховика, при якій нерівномірність ходу двигуна не перевищує δ = 0,01…0,02;
б/ визначити розміри ободу маховика: середній діаметр 
, товщину h та ширину b;
в/ перевірити окружну швидкість 
на зовнішньому діаметрі ободу маховика.
Необхідний момент інерції двигуна з маховиком, Н*м* 
:
= 
де 
- кутова швидкість колінчастого вала двигуна на номінальному режимі, 
; 
- масштаб тиску сили Т /з першого листа курсового проекту/, МН/ в одному міліметрі; 
– масштаб кута повороту кривошипу /з діаграми сумарного крутного моменту на першому листі проекту/, 
; 
площа, що виражає найбільшу надлишкову позитивну роботу дотичної сили, діючої на кривошип, 
/рис. 5/; R – радіус кривошипу, м; - площа поперечного перерізу поршня, .
Рисунок 4.3 – До розрахунку сил інерції маховика
