Файл: Силовые агрегаты.docx

для чугуна составляет от 40 МПа до 60 МПа,

P_zM = 8,84 - давление газов в цилиндре при вспышке на режиме максимального крутящего момента (из теплового расчета), МПа.

4.2.2 Расчет силовых шпилек (болтов) крепления головки

Силовые шпильки (болты) крепления головки проверяются на усталостную прочность от газовых сил и усилия предварительной затяжки.

За расчетный режим следует принять режим максимального крутящего момента. Материал шпильки – сталь 45.

Диаметр шпилек (болтов) ориентировочно может быть определен на основании статистических данных

d = (0.12 - 0.14) D=0,13·0,0917=0,01183м,

где D = 0,0917 - диаметр цилиндра, м.

Полученное значение d скорректируем до ближайшего значения по ГОСТ (приложение 2). d = 12 мм.

Параметр метрической резьбы М16х1,5. Для данной резьбы площадь сечения по внутреннему диаметру резьбы f=155,0 .

Газовая сила, действующая на шпильку (болт), МН, определяется следующим образом:

= (8,84·0,0073)/4 = 0,0161 МН,

где P_zM - максимальное давление газов при вспышке в цилиндре на режиме максимального крутящего момента, МПа;

i_шп - число шпилек (болтов), окружающих один цилиндр. При верхнеклапанном газораспределительном механизме i_шп = 6.

F_пр - площадь проекции камеры сгорания на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра, ограниченную завальцованным краем прокладки, м. При верхнеклапанном газораспределительном механизме

F_пр = 1,1·F_п = 1,1·((πD²)/4) = 1,1·((3,14·0,0917 ²)/4) = 0,0073 м²,

где F_п - площадь днища поршня;

Усилие предварительной затяжки шпильки (болта), МН,

= 3·(1-0,25)·0,0161 = 0,03622 МН,

где m = 3 - коэффициент затяжки шпильки (болта);

χ=0,25 - коэффициент основной нагрузки резьбового соединения.

Максимальная сила, растягивающая шпильку (болт), МН,

= 0,03622+0,25·0,0161 = 0,04025 МН,

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в шпильке (болте), МПа,

= 0,04025/(155,0 ·10^-6) = 259,677 МПа;

---

= 0,03622/(155,0 ·10^-6) = 233,677 МПа,

где f - площадь минимального сечения стержня шпильки (болта), м².

Среднее значение и амплитуда напряжений цикла, МПа,

= (259,677 +233,677)/2 = 246,677 МПа;

= (259,677 -233,677)/2 = 13 МПа.

После этого определяем, в какой области диаграммы усталостной прочности лежит данный цикл.

,
13 /246,677 =0,0527,

(300-0,1*340)/(340-300)=6,65.

Так как неравенство не выполняется, то запас прочности определяется по пределу текучести:

,
340/(13 +246,677)=1,31.
В этих формулах:

a_ = 0,1 - коэффициент приведения данного цикла к равно опасному симметричному;

_-1 = 300 МПа - предел усталости материала при симметричном цикле, МПа;

_т = 340 МПа - предел текучести материала, МПа.
4.3 Расчет деталей поршневой группы

4.3.1 Расчет поршня

Материал поршня - эвтектический алюминиевый сплав с содержанием диоксида кремния около 14%.

Днище поршня проверяется на поперечный изгиб как круглая плита, свободно опирающаяся на кольцо и нагруженная равномерно распределенной нагрузкой максимального давления газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента P_zM.

Максимальное напряжение изгиба в диаметральном сечении днища поршня равно:

,
8,84*(0,07776/(2*0,00917))^2=159,12 МПа,

где P_zM - максимальное давление газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента, МПа;

D_i - внутренний диаметр головки поршня в зоне первого поршневого кольца, м;

 - толщина днища поршня без ребер, м;

[_и] =20…25 - допустимое нормальное напряжение изгиба для алюминиевых сплавов, МПа.

Так как напряжение значительно превышает допустимое, то устанавливаем ребра жесткости на днище поршня.

---

При наличии ребер жесткости на днище поршня допускаемые напряжения увеличиваются в 3 - 4 раза.

Сечение "X - X" головки поршня на уровне нижнего маслосъемного кольца, ослабленное отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжения сжатия возникают от максимальной силы давления газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента P_zM:

,
(8,84*0,0066)/0,00207=28,9 МПа,
где F_x-x - площадь сечения "X - X" поршня, м²;

F_п - площадь поршня, м²;

3,14*0,0917^2/4=0,0066 м^2,



(3,14/4)*(0,09796^2-0,07776^2)-8*0,00009=0,00207 м^2.

[_cж] = 30…40 - допустимое нормальное напряжение сжатия для алюминиевых сплавов, МПа.

Размеры основных элементов поршневой группы представлены на рисунке 1.



Рисунок 1. К расчету поршневой группы

Размеры основных элементов поршневой группы:

0,1*0,0917=0,00917м;

0,7*0,0917=0,0642 м;

0,4*D=0,4*0,0917=0,0367 м;

0,04*D=0,04*0,0917=0,00367 м;

0,1*0,0917=0,00917 м;

0,0917-2*(0,00917+0,00367) = 0,0245м;

0,28*0,0917=0,02568 м;

0,9*0,0917=0,0825 м;

0,45*0,0917=0,0413 м;

Напряжения разрыва , МПа, в сечении "X – X" возникают на режиме максимальной угловой скорости вращения коленчатого вала на холостом ходе _хх от силы инерции P_jгп, МН, возвратно-поступательно движущейся массы головки поршня с поршневыми кольцами, расположенной выше сечения "X - X"

---

,

0,001457/0,00207 =0,7<10,

<sub>где

Pjгг = 90*0,0066*0,0046*653,122*(1+0,25)*10-6 = 0,001457 МН,</sub>

где m_гп- конструктивная масса головки поршня с кольцами, расположенная выше сечения "X - X", кг/м²:

=0.6·150=90 кг/м²,

где m_пг = 150 кг/м² - конструктивная масса поршневой группы, принятая в динамическом расчете, кг/м²;

(3,14*6240)/30=653,12 рад/с,

где  - угловая скорость вращения коленчатого вала при максимальной мощности, рад/с;

0,00917/2=0,0046 м - радиус кривошипа;

 = R/L = 0,25 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принятое в динамическом расчете;

[σ_р] = 4 … 10 - допустимое напряжение растяжения для алюминиевых сплавов, МПа.

Юбка поршня проверяется на износостойкость (давление) от максимальной боковой силы P_бок на режиме максимального крутящего момента:

,

0,0058/(0,0917*0,0756)=0,84<0,98,

где - расчетное давление на юбку поршня, МПа;

- максимальная нормальная боковая сила, действующая на стенку цилиндра, МН; = 0,1·8,84·0,0066=0,0058 МН;

= 0,0756 м - высота юбки поршня;

= 0,33 … 0,98 - допускаемое давление на юбку поршня, МПа.

4.3.2 Расчет поршневого пальца

Материал поршневого пальца – сталь 15Х.

Максимальное напряжение в пальцах двигателей внутреннего сгорания имеет место на режиме максимального крутящего момента.

---

Газовая сила, передающаяся через палец от поршня на верхнюю головку шатуна, МН:

= 8,84·0,0066 = 0,05834 МН,

где - давление газов при вспышке на режиме максимального крутящего момента, МПа;

- площадь поршня, м².

Сила инерции поршневой группы, передающаяся на верхнюю головку шатуна, МН:

,

-150*0,0066*0,0046*251,2^2*(1+0,25)*10^-6=-0,0003592 МН,

где - конструктивная масса поршневой группы, принятая в динамическом расчете, кг/ м²;

3,14*2400/30=251,2 рад/с,

- угловая скорость вращения коленчатого вала на режиме максимального момента, рад/с;

R - радиус кривошипа, м;

 = R/L - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, принятое в динамическом расчете.

Расчетные силы, действующие на палец во втулке верхней головки шатуна P_вг и в бобышках поршня P_бп:

P_вг = P_г +P_jпг = 0,05834-0,0003592 = 0,05798 МН;

P_бп = P_г +К_пP_jпг = 0,05834 +0.75*(-0,0001962) = 0,05819 МН,

где К_п = 0.75 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

4.3.3 Расчет поршневого пальца на прочность

Нормальные напряжения поперечного изгиба в опасном сечении в середине поршневого пальца, МПа,

,
0,05819*(0,0826+2*0,0432-1,5*0,0413)/(1,2*(1-0,6^4)*0,02568^3)=311,5МПа<350.

Касательные напряжения от среза пальца в опасных сечениях, расположенных между бобышками и верхней головкой шатуна, МПа:

,
0,85*0,05819*(1+0,6+0,6^2)/((1-0,6^4)*0,03224 ^2)=107,2МПа<250.
Максимальная овализация (наибольшее увеличение горизонтального диаметра) подсчитывается для средней, наиболее нагруженной части пальца, мм:

---