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 Pip, имеющих максимальное значение в начале впуска (j=0о) при работе двигателя на режиме максимальной частоты вращения при холостом ходе:
(188)
-0,0398 МН;
где mкp - масса крышки кривошипной головки:
0,2046 кг. (189)
Значения mп, mшп, mшк, mш принимаем из результатов динамического расчета.
Напряжение изгиба крышки с учетом совместной деформации вкладышей:
(190)
-30,73 МПа;
где Сб - 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)
Wиз - момент сопротивления расчетного сечения крышки:
(193)
4,62*10-7 м3;
r1 - внутренний радиус кривошипной головки:
; (194)
28,51 мм;
dшш - диаметр шатунной шейки, м;
tв - толщина стенки вкладыша, м;
Fг - 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 iб 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 dв - 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.