Расчет кривошипной головки шатуна

Нижние головки шатунов автотракторных двигателей делают разъемными с упрочняющими приливами и ребрами жесткости. Основная их половина откована вместе со стрежнем, а крышку нижней головки скрепляют с основной двумя шатунными болтами. Основные конструктивные размеры кривошипной головки шатуна:

Диаметр шатунной шейки:

52,8 мм; (184)

Толщина стенки вкладыша:

2,11 мм; (185)

Расстояние между шатунными болтами:

76,56 мм; (186)

Длина кривошипной головки:

29,04 мм. (187)

Расчет кривошипной головки шатуна сводится к определению напряжения изгиба в среднем сечении II-II крышки головки от инерционных сил P_ip, имеющих максимальное значение в начале впуска (j=0^о) при работе двигателя на режиме максимальной частоты вращения при холостом ходе:

(188)

-0,0398 МН;

где m_кp - масса крышки кривошипной головки:

0,2046 кг. (189)

Значения m_п, m_шп, m_шк, m_ш принимаем из результатов динамического расчета.

Напряжение изгиба крышки с учетом совместной деформации вкладышей:

(190)

-30,73 МПа;

где С_б - расстояние между шатунными болтами, м;

Jв и J - момент инерции расчетного сечения соответственно вкладыша и крышки:

2,74*10^-10 м⁴; (191)

2,71*10^-8 м⁴; (192)

W_из - момент сопротивления расчетного сечения крышки:

(193)

4,62*10^-7 м³;

r₁ - внутренний радиус кривошипной головки:

; (194)

28,51 мм;

d_шш - диаметр шатунной шейки, м;

t_в - толщина стенки вкладыша, м;

F_г - суммарная площадь крышки и вкладыша в расчетном сечении:

(195)

0,00034 м².

Расчет шатунных болтов

Шатунные болты или шпильки при любых разъемах головок относятся к исключительно ответственным деталям, обрыв которых связан с тяжелыми аварийными последствиями, поэтому их изготовляют весьма тщательно, с плавными переходами между элементами конструкции, и подвергают термообработке. Изготавливают их из стали 35Х, 40Х, 35МА.

Шатунные болты во время работы двигателя подвергаются растяжению от действия сил инерции поступательно-движущихся масс поршня и шатуна и вращающихся масс, расположенных над плоскостью разъема кривошипной головки. Силы инерции стремятся разорвать болты. Кроме того, болты испытывают растяжение от предварительной затяжки.

Сила предварительной затяжки:

-0,259 МН; (196)

где i_б число шатунных болтов.

Суммарная сила, растягивающая болт:

(197)

-0,310МН;

где х - коэффициент основной нагрузки резьбового соединения. По опытным данным, коэффициент х изменяется в пределах от 0,15...0,25. Принимаем х=0,2.

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в болте, определяем в сечении по внутреннему диаметру резьбы:

принимаем болт М12:

(197)

149,21 МПа;

(199)

178,59 МПа;

где d_в - внутренний диаметр резьбы болта:

10,6 мм; (200)

где d - номинальный диаметр болта, мм;

t - шаг резьбы 1 мм.

Основные конструктивные соотношения размеров элементов коленчатого вала:

Расстояние между серединами опорных подшипников:

105,6 мм; (201)

Диаметр коренных шеек:

61,6 мм; (202)

Длина коренных шеек:

35,2 мм; (203)

Диаметр шатунных шеек:

52,8 мм; (204)

Длина шатунных шеек:

35,2 мм; (205)

Толщина щёк:

17,6 мм; (206)

Ширина щеки:

101,2 мм; (207)

Радиусы галтелей:

5,28 мм. (208)

 

 

Таблица 2. Построение индикаторной диаграммы двигателя.

 

	ОХ				Pcx;	Pвх;	Pcx;	Pвх;
№	текущее	ОВ/ОХi	(ОВ/ОХi)n1	(ОВ/ОХi)n2	МПа	МПа	мм	мм
	значение
	91,7				0,09	0,48	2,4	12,0
	83,8	1,09	1,13	1,12	0,11	0,54	2,7	13,5
	75,9	1,21	1,30	1,27	0,12	0,61	3,1	15,2
		1,35	1,51	1,45	0,14	0,70	3,6	17,5
	60,1	1,53	1,79	1,70	0,17	0,82	4,2	20,4
	52,2	1,76	2,17	2,02	0,20	0,97	5,1	24,3
	44,3	2,07	2,72	2,48	0,26	1,19	6,4	29,9
	36,4	2,52	3,57	3,17	0,34	1,53	8,4	38,2
	28,5	3,21	5,00	4,31	0,47	2,07	11,8	51,8
	20,6	4,44	7,82	6,46	0,74	3,11	18,4	77,7

 

 

Таблица 3. Исходные данные к расчету кинематики и динамики.

 

Наименование параметров.	Обозна-	Ед. изм	Числ
чения	знач
1.Давление окружающей среды	Ро	МПа	0,101
2.Давление выпуска отработавших газов	Pr	МПа	0,117
3.Показатель политропы сжатия	n1	-	1,36
4.Показатель политропы расширения	n2	-	1,25
5.Отношение Rкр/Lш	λ	-	0,285
6.Степень сжатия двигателя	ε	-	7,2
7.Частота вращения коленчатого вала двигателя	n	мин-1
8. Угловая скорость вращения колен. вала	ω	рад/с
9.Число цилиндров	i	-
10.Радиус кривошипа	Rкр	м	0,0396
11.Диаметр цилиндра	Dц	м	0,088
12.Максимальное давление цикла	Pz	МПа	5,668
13.Давление в конце расширения	Pb	МПа	0,481
14.Давление в конце впуска	Pa	МПа	0,0942
15.Начальный угол расчета	f0	0п.к.в.
16.Конечный угол расчета	fк	0п.к.в.
17.Шаг расчета	Df	0п.к.в.
18.Конструктивная масса поршневой группы	m'п	кг/м2
19.Конструктивная масса шатунной группы	m'ш	кг/м2
20.Конструктивная масса кривошипа	m'к	кг/м2
21. Площадь поршня	Fп	м2	0,0060
22. Масса шатунной группы, сосредоточенной на оси поршневого пальца	mшп	кг	0,455
23. Масса шатунной группы, отнесённой и сосредоточенной на оси шатунной шейки коленчатого вала	mшк	кг	0,601
24. Масса в точке А, совершающая возвратно-поступательное движение	mj	кг	1,124
25. Масса в точке В, совершающая вращательное движение	mR	кг	2,235
26. Центробежная удельная сила инерции от вращающих масс	KR	кН	-8,726
27. Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна	KRш	кН	-2,346
28. Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа	KRК	кН	-4,0369
29.Отношение Lшк/Lш	-	-	0,27

 

Таблица 4. Кинематика поршня.

 

Угол п.к.в. φ	[(1-Cosφ)+ +λ(1-Cos2φ)/4]	Sx, мм	(Sinφ+ +0,5λSin2φ)	C, м/с	(Cosφ+ +λCos2φ)	j, м/с2
	0,0000	0,00	0,0000	0,000	1,2600
	0,1665	6,57	0,6126	12,898	0,9960
	0,5975	23,57	0,9786	20,605	0,3700
	1,1300	44,57	1,0000	21,055	-0,2600	-1114
	1,5975	63,01	0,7534	15,864	-0,6300	-2511
	1,8985	74,88	0,3874	8,157	-0,7360	-2828
	2,0000	78,89	0,0000	0,000	-0,7400	-2794
	1,8985	74,88	-0,3874	-8,157	-0,7360	-2828
	1,5975	63,01	-0,7534	-15,864	-0,6300	-2511
	1,1300	44,57	-1,0000	-21,055	-0,2600	-1114
	0,5975	23,57	-0,9786	-20,605	0,3700
	0,1665	6,57	-0,6126	-12,898	0,9960
	0,0000	0,00	0,0000	0,000	1,2600
	0,0191	0,75	0,2181	4,592	1,2291
	0,1665	6,57	0,6126	12,898	0,9960
	0,5975	23,57	0,9786	20,605	0,3700
	1,1300	44,57	1,0000	21,055	-0,2600	-1114
	1,5975	63,01	0,7534	15,864	-0,6300	-2511
	1,8985	74,88	0,3874	8,157	-0,7360	-2828
	2,0000	78,89	0,0000	0,000	-0,7400	-2794
	1,8985	74,88	-0,3874	-8,157	-0,7360	-2828
	1,5975	63,01	-0,7534	-15,864	-0,6300	-2511
	1,1300	44,57	-1,0000	-21,055	-0,2600	-1114
	0,5975	23,57	-0,9786	-20,605	0,3700
	0,1665	6,57	-0,6126	-12,898	0,9960
	0,0000	0,00	0,0000	0,000	1,2600

Таблица 5. Полные силы.

 

φ п.к.в.	Т	К	Pk	Rшш
	0,000	-4,409	-6,759	6,759
	-2,224	-2,827	-5,178	5,636
	-1,269	-0,357	-2,708	2,991
	0,975	-0,290	-2,641	2,815
	1,646	-1,606	-3,957	4,285
	0,943	-2,357	-4,708	4,801
	0,000	-2,483	-4,834	4,834
	-0,952	-2,380	-4,730	4,825
	-1,844	-1,799	-4,149	4,541
	-1,486	-0,442	-2,793	3,163
	-0,205	0,058	-2,293	2,302
	-0,412	0,524	-1,826	1,872
	0,000	5,347	2,996	2,996
	5,418	23,775	21,424	22,098
	9,923	12,613	10,263	14,276
	7,252	2,040	-0,311	7,259
	5,597	-1,664	-4,015	6,889
	3,941	-3,845	-6,195	7,343
	1,888	-4,719	-7,070	7,317
	0,000	-3,826	-6,176	6,176
	-0,989	-2,471	-4,822	4,922
	-1,736	-1,694	-4,044	4,401
	-1,097	-0,326	-2,677	2,893
	1,149	-0,23	-2,674	2,910
	2,148	-2,731	-5,081	5,517
	0,000	-4,409	-6,759	6,759

 

 

Таблица 6. Построение диаграммы износа шатунной шейки.

Угол П.к.в.	№ лучей на диаграмме
	6,76	6,76	6,76								6,76	6,76
	5,37	5,37	5,37									5,37
	2,99	2,99	2,99									2,99
	2,82	2,82									2,82	2,82
	4,29	4,29									4,29	4,29
	4,8	4,8									4,8	4,8
	4,83	4,83	4,83								4,83	4,83
	4,86	4,86	4,86									4,86
	4,54	4,54	4,54									4,54
	3,16	3,16	3,16									3,16
	2,3	2,3	2,3									2,3
	1,87	1,87	1,87									1,87
					2,99	2,99	2,99	2,99	2,99
						22,1	22,1	22,1	22,1
							14,276	14,276	14,276	14,276
									7,26	7,26	7,26	7,26
	6,89									6,89	6,89	6,89
	7,34									7,34	7,34	7,34
	7,32	7,32									7,32	7,32
	6,18	6,18	6,18								6,18	6,18
	4,92	4,92	4,92									4,92
	4,4	4,4	4,4									4,4
	2,89	2,89	2,89									2,89
	2,91	2,91									2,91	2,91
	5,52	5,52									5,52	5,52
сумма	96,96	82,73	55,07		2,99	25,09	39,366	39,366	46,626	35,766	66,92	104,22

 

 

Таблица 7. Расчет поршневой группы.

 

Наименование	Обозначение	Значение
Диаметр поршня	D	88,00
Толщина днища поршня	δ	7,04
Высота поршня	H	105,60
Высота верхней части поршня	h1	44,00
Высота юбки поршня	hю	66,00
Диаметр бобышки	dб	39,60
Расстояние между торцами бобышек	b	30,80
Толщина стенки юбки поршня	δю	4,50
Толщина стенки головки поршня	S	4,40
Расстояние до первой поршневой канавки	е	6,60
Толщина первой кольцевой перемычки	hп	2,64
Радиальная толщина кольца:
Компрессионного	t	3,96
Маслосъёмного	t	3,52
Высота кольца	a	2,00
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии	Ao	10,56
Радиальный зазор кольца в канавке поршня
Компрессионного	Δt	0,70
Маслосъёмного	Δt	1,00
Внутренний диаметр поршня	di	69,88
Число масляных отверстий в поршне	n΄м
Диаметр маслянного канала	dм	1,00
Наружный диаметр пальца	dn	22,88
Внутренний диаметр пальца	dв	14,87
Длина пальца
Закреплённого	ln	79,20
Плавающего	ln	70,40
Длина втулки шатуна
Закреплённого пальца	lш	26,40
Плавающего пальца	lш	35,20

 

 

Таблица 8. Построение суммарного крутящего момента.

 

 

φ
Мкр-ц, Нм		-88	-50
φ
Мкр-ц, Нм
φ
Мкр-ц, Нм		-38	-73	-59
φ
Мкр-ц, Нм	-59	-8	-16
φ
Мкр-ц, Нм
φ
Мкр-ц, Нм
φ
Мкр-ц, Нм		-39	-69	-43
φ
Мкр-ц, Нм	-43
∑ Мкр-ц, Нм

 

Список используемой литературы.

1. В.М. Архангельский, М.М. Вихерт, А.Н. Воинов и др. “Автомобильные двигатели” Под ред. М.С. Ховаха – М.: Машиностроение, 1977 г.

2. А.И. Колчин, В.П. Демидов “Расчет автомобильных и тракторных двигателей.” – М.: Высшая школа, 1980 г.

3. А.А. Егоров “Автомобильные двигатели: методические указания к курсовой работе для студентов специальности 2805” ВКГТУ. – Усть-Каменогорск, 2005 г.