Тема № 2. Расчет поршневого кольца
Цель: приобрести знания для проведения расчета поршневого кольца
Состав задания:
Подбор материала кольца.
Расчет допустимых напряжений.
Расчетная часть.
Поршневые кольца работают в условиях высоких температур, и выполняют три основные функции:
– герметизацию надпоршневого пространства;
– отвод избыточной теплоты от поршня в стенки цилиндра;
– ограничение попадания масла в камеру сгорания.
Основные конструктивные параметры поршневых колец представлены в табл. 5.
Таблица 5
Конструктивные размеры поршневых колец
Наименование элементов поршня |
Бензиновые двигатели |
Дизели |
Отношение радиальной толщины кольца к диаметру поршня, t/D:
|
0,035…0,045 0,030…0,043 |
0,040…0,045 0,038…0,043 |
Отношение разности между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии к толщине кольца, Аo/t |
2,5…4,0 |
3,2…4,0 |
Высота кольца, а |
1,5…4,0 |
3,0…5,0 |
Наиболее нагруженным является верхнее компрессионное кольцо. Его температура достигает 200…250 °С, что вызывает повышенные требования к материалу колец. Материал поршневых колец представлен в табл. 6.
Таблица 6
Материал поршневых колец
Двигатели |
Бензиновые двигатели |
Дизели |
Нефорсированные |
серый легированный чугун (ЧНХ, ЧН20М2Ш) |
серый чугун (СЧ 28-48, СЧ 24-44) |
Высокофорсированные |
высокоуглеродистая сталь (65Г, 50М) |
высокоуглеродистая сталь (65Г, 50М) |
Среднее давление кольца на стенку цилиндра (МПа) определяется по формуле:
|
|
(2.1) |
|||
где |
Е |
– |
модуль упругости материала кольца, МПа (серый чугун – Е = 1·105 МПа; легированный чугун – Е = 1,2·105 МПа; сталь – Е = (2…2,3)·105 МПа); |
||
|
Ао |
– |
разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях, мм; |
||
|
t |
– |
радиальная толщина кольца, мм; |
||
|
D |
– |
диаметр поршня, мм. |
||
Проверка выполнения условия напряжения кольца на изгиб (МПа) в рабочем состоянии, возникающего в сечении противоположном замку, производится по выражению:
|
|
(2.2) |
||||
где |
рср |
– |
среднее давление кольца на стенку цилиндра, МПа; |
|||
|
|
– |
допустимое напряжение при изгибе кольца, МПа ( = 220…450 МПа). |
|||
Проверка выполнения условия напряжения на изгиб при надевании кольца на поршень производится по выражению:
|
|
(2.3) |
|||
где |
m |
– |
коэффициент, зависящий от способа надевания кольца (m = 1,57). |
||
Монтажный зазор в прямом замке поршневого кольца (мм) определяется в холодном состоянии по формуле:
|
|
(2.4) |
||||
где |
|
– |
минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя, мм ( = 0,06…0,10 мм); |
|||
|
αк и αц |
– |
соответственно коэффициент линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра, 1/К (для чугуна α = 11·10-6 1/К; для стали α = 12,6·10-6 1/К); |
|||
|
Тк |
– |
температура кольца в рабочем состоянии, К (при жидкостном охлаждении Тк = 473…573 К; при воздушном Тк = 523…723 К); |
|||
|
Тц |
– |
температура стенок цилиндра в рабочем состоянии, К(при жидкостном охлаждении Тц = 383…388 К; при воздушном Тц = 443…463 К); |
|||
|
Тo |
– |
начальная температура, К (Тo = 293 К). |
|||
Для обеспечения хорошей приработки кольца, надёжного уплотнения и равномерного износа кольца по окружности, давление кольца на стенку цилиндра у замка должно быть повышенным.
Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности (МПа) определяется по следующей формуле:
|
|
(2.5) |
|||
где |
|
– |
переменный коэффициент, определяемый изготовителем в соответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилиндра (по табл. 7). |
||
Таблица 7
Значение коэффициента
Угол окружности, град |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
Коэффициент : – для бензинового двигателя; – для дизельного двигателя; |
1,05 1,05 |
1,04 1,05 |
1,02 1,14 |
1,00 0,90 |
1,02 0,45 |
1,27 0,67 |
1,50 2,85 |
По значениям полученным по формуле 2.5 строится эпюра давления кольца на стенки цилиндра (см. рис. 7). Следует учитывать, что эпюра давления кольца на стенки цилиндра бензинового двигателя имеет грушевидную форму (рис. 7 а), а дизельного двигателя – каплевидную форму (рис. 7 б).
При построении диаграммы масштабный коэффициент выбирается с таким расчетом, чтобы значение максимального давления на графике было не менее 100…130 мм по формуле:
|
|
(2.6) |
|||
где |
|
– |
масштабный коэффициент давления, МПа/мм; |
||
|
l |
– |
отклонение максимального давления на графике, мм. |
||
|
|
а |
б |
Рисунок 7. Эпюры давления компрессионного кольца на зеркало цилиндра: а – бензинового двигателя; б – дизельного двигателя