Розрахунок деталей кривошипно-шатунного механізму

 

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