4.4. Расче детали поршневой группы

Поршни автотракторных двигателей изготавливают в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. Эскиз поршня показан на рис.4.8. Основные конструктивные соотношения размеров элементов поршня приведены ниже.

При проектировании геометрические параметры поршня принимают на основании приближённых эмпирических зависимостей и статических данных, приведенных (с учетом размеров существующего прототипа) в табл.4.9:

Т аблица 4.9.

Геометрические параметры поршня

Наименование размеров	Предел значений размеров
	карбюраторные двигатели	дизели
1	2	3
1. Толщина днища поршня,	(0,05...0,1)D	(0,12...0,20)D
2. Высота поршня, Н	(0,8...1,4)D	(1,25...1,7)D
3. Высота верхней части поршня, С1	(0,45...0,75)D	(0,6...1,0)D
4. Высота юбки поршня, hю	(0,6...0,8)D	(0,6...1,1)D
5. Диаметр бобышки, ds	(0,3...0,5)D	(0,3...0,5)D
7. Толщина стенки юбки поршня,	1,5...4,5	2,0...5,0
8. Толщина стенки головки поршня, S	(0,05...0,1)D	(0,05...0,1)D
9. Расстояние до первой поршневой канавки, е	(0,06...0,12)D	(0,11...0,20)D
10. Толщина первой кольцевой перемычки, hп	(0,03...0,05)D	(0,04...0,07)D
11. Расстояние от днища до верхней кромки первой кольцевой канавки, с1	4...8	10...20
Высота кольцевой канавки, hк hп (равной сумме высоты кольца а и торцевого зазора): = 0,02…0,08 мм для компрессионных колец для маслосъемных колец	(0,6...1,05)S (1,1...1,7)S	(0,6...1,05)S (1,1...1,7)S
13. Внутренний диаметр поршня, dвн	(0,66...0,8)D	(0,45...0,84)D
14. Число масляных отверстий в поршне, nм	6...12	6...12
Диаметр масляного канала, dм, а – высота кольца, мм	(0,3...0,5)a 2...4	(0,3...0,5)a 3...5
16. Наружный диаметр пальца, dп	(0,22...0,28)D	(0,30...0,38)D
17. Смещение оси пальца относительно оси поршня	е = 0,014…0,025

Рис.4.8. Расчетная схема поршня

Днище поршня рассчитывается как круглая пластинка, заделанная по контуру (рис.4.9) и нагруженная равномерно распределенным давлением p_z. Наибольшее нормальное напряжение по контуру заделки: в радиальном направлении (являющейся расчетной)

МПа, (4.38)

в тангенциальном направлении

МПа, (4.39)

г де  − коэффициент, учитывающий упругость заделки, принимаемый обычно равным единице;  − толщина днища;

r_i − внутренний радиус днища поршня; p_z − максимальное давление сгорания на рассчётном режиме работы двигателя (для двигателей принудительным зажиганием на режиме n = n_max , T_k = T_{k max}; для дизелей на режиме n = n_н , P_e = P_eн );  − коэффициент Пуассона , равный для чугуна и стали − 0,3, для алюминия − 0,26.

Рис.4.9. Схема заделки днища поршня

Допустимые значения напряжений [_из], МПа, при отсутствии у днища ребер жёст-

кости:

для поршней из алюминиевых сплавов 20...25;

для чугунных поршней 40...50.

При наличии ребер жесткости [_из], МПа:

для алюминиевых поршней 50...150;

для чугунных 80...200.

Напряжение в центре днища (меньше, чем по контуру):

МПа. (4.40)

Удельная тепловая нагрузка днища (теплонапряжённость)

, (4.41)

где а_п − доля теплоты, отведенной через головку поршня: при охлаждении маслом а_п = 0,04...0,10; при охлаждении водой а_п = 0,10...0,15; у неохлаждаемых а_п = 1; P_ец − цилиндровая мощность, кВт: g_e − удельный эффективный расход топлива, кг/(кВтч); H_u − низшая теплота сгорания топлива, ; A_п − площадь днища поршня, м².

Теплонапряженность q_п у двигателей без наддува достигает следующих значений, Вт/м²:

четырехтактные (8,5...17,5)10⁴ ;

двухтактные (17,5...35)10⁴.

Для двигателей с наддувом значение q_п возрастает в 1,5...2 раза.

Термические напряжения в днище неохлаждаемого поршня:

сжимающие радиальные у края днища

(4.42)

растягивающие тангенциальные у края днища

(4.43)

сжимающие радиальные и тангенциальные в центре днища

(4.44)

где  – коэффициент линейного расширения , 1/К; Е – модуль упругости, МПа;  – коэффициент теплопроводности , кВт/(мК); (t_к – t_ц) – перепад температур между центром и периферией днища,

; (4.45)

К − коэффициент, характеризующий податливость закрепления наружного края днища,

, (4.46)

где e − расстояние до первой поршневой канавки (выбирают по табл.4.9 ) или e =  + (D/2) – r_i.

Термические напряжения по контуру днища охлаждаемого поршня (сжатия на поверхности камеры сгорания и растяжения на охлаждаемой стороне) на периферии и в центре днища

(4.47)

При отсутствии экспериментальных данных в расчетах рекомендуется использовать следующие средние значения величин, входящих в расчетные формулы:

материал	Е, МПа	, Вт/мК	, 1/К	
чугун	(1,0...1,2)105	45...48	11,510-6	0,3
сталь	2,2105	45	12,610-6	0,3
алюминиевые сплавы	0,75105	145	26,510-6	0,25

Суммарные механические и термические напряжения на периферии

_ = _x + _T [_]. (4.48)

Допускаемые напряжения для неохлаждаемых и охлаждаемых поршней [_], МПа:

для алюминиевых сплавов 70...100;

для чугуна 100...200;

для стали 200...400.