- •Прикладные расчеты автомобильных двигателей
- •1. Общие сведения
- •2. Расчетные режимы
- •3. Расчет деталей с учетом переменной нагрузки
- •4. Расчет поршневой группы
- •4.1. Поршень
- •4.2. Поршневые кольца
- •4.3. Поршневой палец
- •5. Расчет шатунной группы
- •5.1. Поршневая головка
- •5.2. Кривошипная головка
- •5.3. Стержень шатуна
- •5.4. Шатунные болты
- •Технические характеристики дизельных двигателей
5.2. Кривошипная головка
Основные конструктивные размеры кривошипной головки шатуна приведены в табл. 22.
Таблица 22. Значения основных конструктивных размеров
кривошипной головки шатуна
Название элемента |
Пределы изменения |
|
Диаметр шатунной шейки dШ.Ш |
(0,56…0,75)·D |
|
Толщина стенки вкладыша tВ |
тонкостенного |
(0,03…0,05)· dП |
толстостенного |
0,1·dш. ш |
|
Расстояние между шатунными болтами СБ |
(1,3…1,75)·dш. ш |
|
Длина кривошипной головки lK |
(0,45…0,95)·dш. ш |
|
Точный расчет кривошипной головки весьма затруднен вслед- ствие невозможности полного учета влияния конструктивных факторов. Приближенный расчет кривошипной головки шатуна сводится к определению напряжения изгиба в среднем сечении II – II крышки головки от инерционных сил Pjp (МН), имеющих мак- симальное значение в начале впуска (φ = 0°) при работе дизеля, оснащенного регулятором частоты вращения коленчато- го вала на режиме максимальной частоты вращения холостого хода:
, (76)
где mп – масса поршневой группы (кг); mш. п и mш. к – соответствен- но массы шатунной группы, совершающие возвратно-поступатель- ное и вращательное движение (кг); mкр – масса крышки криво- шипной головки (кг), mкр ≈ (0,20…0,28)·mш; mш – масса шатунной группы (кг).
Напряжение изгиба крышки (МПа) с учетом совместной деформации вкладышей
, (77)
где СБ
– расстояние между шатунными болтами
(м);
,
– момент инерции расчетного сечения
соответственно вкладыша и крышки (м4),
,
;
Wиз
– момент сопротивления расчетного
сечения крышки без учета ребер жесткости
(м3), Wиз
= lк·(0,5·Сб
– r1)2/6;
r1
– внутренний радиус кривошипной
головки (м), r1
= 0,5·(dш.ш
+ 2·tв);
dш. ш
– диаметр шатунной шейки (м); tв
– толщина стенки вкладыша (м);
Fв
– суммарная площадь крышки и вкладыша
в расчетном сечении (м2),
Fв
= lк·0,5·(Сб
– dш. ш).
Значение σиз изменяется в пределах 100…300 МПа.
5.3. Стержень шатуна
Помимо длины LШ = R/λ основными конструктивными параметрами стержня шатуна являются размеры его среднего сечения В – В (см. рис. 28). Значения этих параметров для отечественных автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 23.
Таблица 23. Значения основных конструктивных размеров стержня шатуна
Элемент |
Дизельные двигатели |
Бензиновые двигатели |
hШ. min |
(0,5…0,55)·dг |
(0,5…0,55)·dг |
hШ |
(1,2…1,4)·hш. min |
(1,2…1,4)·hш. min |
bШ |
(0,55…0,75)·lш |
(0,5…0,6)·lш |
аШ ≈ tШ |
4,0…7,5 |
2,5…4,0 |
Стержень шатуна рассчитывают на усталостную прочность в среднем сечении В – В при действии знакопеременных суммар- ных сил (газовых и инерционных), возникающих при работе двигателя на режимах n = nN или n = nМ. Обычно расчет ведется для режи- ма максимальной мощности. Запас прочности сечения определяется в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости. Усло- вием равнопрочности стержня шатуна в обеих плоскостях является nх = nY.
Сила, сжимающая шатун, достигает максимального значения в начале рабочего хода при рZд и определяется по результатам динамического расчета или по формуле
, (78)
где mj = mп + 0,275·mш – масса возвратно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма (условно предполагается, что среднее сечение В – В находится в центре тяжести шатуна).
Сила, растягивающая шатун, достигает максимального значения в начале впуска (в в.м.т.) и также определяется по результатам динамического расчета или по формуле
, (79)
где рГ – давление остаточных газов.
От сжимающей силы РСЖ в сечении В – В возникают максимальные напряжения сжатия и продольного изгиба (МПа):
в плоскости качания шатуна
, (80)
где
–
коэффициент, учитывающий влияние
продольного изгиба
шатуна в плоскости
качания шатуна,
;
σе = σв –
предел упругости материала шатуна
(МПа); LШ
– длина шатуна (м),
LШ
= R/λ;
– момент инерции сечения В – В
относительно оси х – х,
перпендикулярной
к плоскости качания шатуна (м4),
;
– площадь среднего сечения шату-
на
(м2),
.
в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания:
, (81)
где
– коэффициент, учитывающий влияние
продольного изгиба
шатуна в плоскости,
перпендикулярной к плоскости качания
шатуна,
;
L1 – длина стержня шатуна между
поршневой
и кривошипной головками
(м), L1 = LШ
– (d + d1)/2;
– момент инерции сечения В – В
относительно оси у – у, лежащей в
плоскости качания шатуна (м4),
.
В современных автомобильных и тракторных двигателях напряжения σmах. X и σmax. Y для углеродистых и легированных сталей не должны превышать соответственно 160…250 и 200…350 МПа.
Минимальное напряжение, возникающее в сечении В – В от рас-тягивающей силы PР, в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости, определяется по формуле
. (82)
Запасы прочности стержня шатуна в плоскости качания nх и в перпендикулярной плоскости ny определяются по уравнениям, приведенным в разделе 3. При определении nх и ny принимает- ся, что коэффициенты концентрации напряжений kσ зависят только от материала шатуна. Для шатунов автомобильных и тракторных двигателей значения nх и nу не должны быть ниже 1,5.
