8.2. Расчет поршневого кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, обеспечивая герметизацию надпоршневого пространства, отвод избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра, рациональное распределение масляного слоя по зер­калу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Материал кольца – серый чугун, E=1∙10⁵ МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра

,

где – разность между величинами зазоров замка кольца в свобод­ном и рабочем состоянии.

Давление (МПа) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевид­ной форме эпюры давления , где μ_к – переменный коэффициент, определяемый изго­товителем в со­ответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилин­дра.

Результаты расчета p, а также μ_к для различных углов ψ приведены ниже. По этим данным построена каплевидная эпюра давлений кольца на стенку цилиндра (рис. 8.2).

Угол ψ, определяющий положение текущего давления кольца, град………..	0	30	60	90	120	150	180
Коэффициент μк…………………………	1,05	1,05	1,14	0,9	0,45	0,67	2,85
Давление p в соответствующей точке…	0,172	0,172	0,187	0,148	0,074	0,110	0,467

Напряжение изгиба кольца, возникающее в сечении кольца, противоположном замку в ра­бочем состоянии

Напряжения изгиба при надевании кольца на поршень

где m=1,57 – коэффициент, зависящий от способа надева­ния кольца.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца в холод­ном состоянии

где Δ’_к=0,08 мм – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя, α_к=α_ц=11∙10^-6 1/К – ко­эффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы ци­лин­дра, T_ц=388 К, T_к=498 К – соответственно температура сте­нок цилиндра, кольца в рабо­чем состоянии, принятые с учетом жидкостного охлаждения двигателя; T₀=293 К – на­чальная температура.

8.3. Расчет поршневого пальца

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагру­зок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации.

Принимаем наружный диаметр пальца d_п=45 мм, внутренний диаметр пальца d_в=27 мм, длину пальца l_п=112 мм, длину втулки шатуна l_ш=38 мм, расстояние между торцами бобы­шек b=51 мм. Материал поршневого пальца – сталь 12ХН3А, E=2,2∙10⁵ МПа. Палец закреп­ленного типа.

Расчетная сила, действующая на поршневой палец:

газовая ,

инерционная ,

где ,

расчетная ,

где k=0,72 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна .

Удельное давление пальца на бобышки .

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца при распределении нагрузки по длине пальца согласно эпюре на рис. 8.3:

где .

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна

.

Вследствие неравномерного распределения сил, приложенных к пальцу (принимается сину­соидальное распределение нагрузки по поверхности пальца – рис. 8.3, а), при работе двига­теля происходит деформация сечения пальца (овализация).

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации

Напряжения овализации на внешней поверхности пальца (рис. 8.3, б):

в горизонтальной плоскости (точки 1, ψ=0˚)

в вертикальной плоскости (точки 3, ψ=90˚)

Напряжения овализации на внутренней поверхности пальца (рис. 8.3, б):

в горизонтальной плоскости (точки 2, ψ=0˚)

в вертикальной плоскости (точки 4, ψ=90˚)

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в гори­зонтальной плоскости, оно не должно превышать 300-350 МПа.