11 Характеристика конструктивного узла
Шатунная группа включает в себя: шатун, крышку шатуна, шатунные болты, вкладыши, втулку.
Шатун во время работы двигателя подвергается воздействию знакопеременных газовых и инерционных сил: воспринимает от поршня и передает коленчатому валу силу давления газов при рабочем ходе, а также обеспечивает перемещение поршня при вспомогательных процессах. Сила давления газов сжимает шатун, а инерционные нагрузки, стремясь оторвать поршень от коленчатого вала, растягивают его. Сложное плоскопараллельное движение вызывает силу инерции, изгибающую шатун в плоскости его качания. Нарастание сил неравномерно и в определенные периоды работа двигателя приобретает ударный характер.
Конструкция шатуна должна обеспечить высокую прочность, большую жесткость всех элементов, малую массу, минимальный габарит, поэтому шатуны изготавливают из марганцовистых, хромистых, хромоникелевых сталей с содержанием углерода 0,30 - 0,45 %. Для повышения усталостной прочности при достаточной вязкости и пластичности стальные шатуны подвергают в процессе штамповки промежуточной термообработке, а после штамповки - полированию, обдувке дробью, нормализации, закалке и отпуску.
Нижнюю головку шатуна изготавливают разъёмной. Разъем может быть косым или прямым. Косой срез позволяет уменьшить радиус окружности, описываемой нижней частью шатуна при вращении, проход его через цилиндр при сборке двигателя, а также его массу. Крышка нижней головки шатуна крепится с помощью гаек, навернутых на болты, предварительно запрессованные в стержень шатуна, или с помощью болтов. Подшипники нижних головок шатунов имеют сменные тонкостенные вкладыши, изготовленные из стальной ленты, на поверхность которой наносят антифрикционный слой. Шатун окончательно обрабатывают в сборке с крышкой, поэтому крышки шатунов не взаимозаменяемы.
При работе двигателя силы инерции стремятся разорвать болты. В связи с этим они должны быть затянуты настолько, чтобы не была нарушена плотность соединения под действием этих сил.
В верхнюю головку шатуна запрессована бронзовая втулка.
На крышке и стержне шатуна нанесены метки спаренности – трехзначные порядковые номера. Кроме того, на крышке шатуна выбит порядковый номер цилиндра.
12 РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНОГО УЗЛА
12.1 Расчетная схема шатунной группы
Рисунок 13 – Расчетная схема поршневой группы
12.2 Расчет поршневой головки.
12.2.1 Подбираем материал и определяем его основные свойства
Материал
шатуна – сталь 40Х;
.
Материал
втулки – бронза;
.
По
таблицам 11.2 и 11.3[1] для стали 40Х: предел
прочности
пределы усталости при изгибе
и растяжений – сжатии
предел текучести
коэффициенты приведения цикла при
изгибе
и при растяжении - сжатии
.
при изгибе:
,
(12.1)
и
;
при растяжении – сжатии:
,
(12.2)
и
.
12.2.1 Определяем основные размеры поршневой головки, в соответствии с таблицами 12.1 и 13.2 [1, стр. 258 и 282]
12.2.1.1 Определяем диаметр поршневого пальца, мм, по формуле:
,
(12.3)
где D – диаметр поршня, D=96 мм;
;
принимаем
.
12.2.1.2 Определяем внутренний диаметр поршневой головки, мм, по формуле:
,
(12.4)
мм;
принимаем
мм.
12.2.1.3 Определяем наружный диаметр поршневой головки, мм, по формуле:
,
(12.5)
мм;
принимаем
.
12.2.1.4 Определяем длину поршневой головки, мм, по формуле:
,
(12.6)
мм;
принимаем
мм.
12.2.1.5 Определяем минимальную радиальную толщены стенки поршневой головки, мм, по формуле:
(12.7)
мм.
12.2.1.6 Определяем минимальную радиальную толщены стенки поршневой головки, мм, по формуле:
(12.8)
мм.
12.2.2 Расчет сечения I – I поршневой головки шатуна плоскостью, перпендикулярной оси шатуна (см. рисунок 13.1 [1]):
-максимальное напряжение пульсирующего цикла, МПа, по формуле:
,
(12.9)
где
-
масса части головки выше сечения I
- I,
кг,
(12.10)
кг;
(12.11)
где
-
максимальная частота вращения при
холостом ходе,
3950;
;
МПа;
-среднее напряжение и амплитуда напряжений, МПа, по формуле:
(12.12)
МПа;
(12.13)
где
- эффективный коэффициент концентрации
напряжения (головка не имеет резких
переходов),
,
(12.14)
;
-
масштабный коэффициент, определяется
по таблице 11.7 [1] (максимальный размер
для сечения I-I составляет 42 мм),
=
0,77;
-
коэффициент поверхностной чувствительности,
определяется по таблице 11.8 [1] (чистовое
обтачивание),
=
0,9;
МПа.
Так как
<
,
то запас прочности в сечение I - I определяется по пределу текучести:
,
(12.15)
.
-напряжения от запрессованной втулки по формуле:
- суммарный натяг, мм,
,
(12.16)
где Δ – натяг посадки бронзовой втулки; Δ = 0,04мм;
-
температурный натяг, мм,
,
(12.17)
где ΔT =110 К – средняя температура подогрева головки и втулки;
мм;
мм;
- удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой, МПа,
,
(12.18)
где μ – коэффициент Пуассона, μ=0,3;
МПа;
- напряжение от суммарного натяга на внутренней поверхности головки, МПа,
(12.19)
МПа;
- напряжение от суммарного натяга на внешней поверхности головки, МПа,
,
(12.20)
МПа.