4.3 Прочностной расчет поршневых колец
Наиболее нагруженным является первое (верхнее) компрессионное кольцо, температура которого достигает 200 – 250 0С. Расчет колец заключается: а) в определении среднего давления кольца на стенку цилиндра, которое должно обеспечивать достаточную герметичность камеры сгорания и не должно резко увеличивать потери мощности двигателя на трение колец; б) в определении напряжений изгиба, возникающих в сечении, противоположном замку, при надевании кольца на поршень и в рабочем состоянии; в) в установлении монтажных зазоров в прямом замке кольца.
Среднее давление (МПа) кольца на стенку цилиндра:
где Е – модуль упругости материала кольца ( для чугуна E = 1·105 МПа);
A0 – разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях.
Допустимое
значение среднего давления
МПа.
Напряжение изгиба кольца, возникающее в сечении кольца, противоположном замку:
в рабочем состоянии:
(4.27)
при надевании его на поршень:
где m – коэффициент, зависящий от способа надевания кольца (при расчете принимается m = 1,57);
µ – коэффициент, зависящий от формы эпюры давления и изменяющийся от 0 до 0,25 (для грушевидной эпюры µ ≈ 0,2)
Допустимые напряжения при изгибе кольца [σиз] = 220 – 450 МПа. Нижний предел относится к двигателям с большим диаметром цилиндра. Обычно σиз2 > σиз1 на 10 – 30%.
Монтажный зазор (мм) в прямом замке поршневого кольца в холодном состоянии:
(4.29)
где ΔК’ – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя (0,06 – 0,10 мм);
αК = αц – коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра;
TК, Tц, T0 – соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура T0 = 293 K; при жидкостном охлаждении Тц = 383 – 388 К, ТК = 473 – 573 К.
4.4 Прочностной расчет пальца
Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига и смятия. По этой причине, расчет поршневого пальца включает определение удельных давлений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений от изгиба и среза. Максимальные напряжения в пальцах бензиновых двигателей возникают при работе на режиме максимального крутящего момента, а в пальцах дизелей – при работе на номинальном режиме.
Расчетная сила (МН), действующая на поршневой палец:
где pzmax – максимальное давление газов, МПа;
k = 0,76 – 0,86 – коэффициент учитывающий массу поршневого пальца;
Pj – сила инерции поршневой группы, МН, рассчитывающаяся как:
где mп =1,18;
R – радиус кривошипа, м;
Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна и на бобышки, МПа:
где lп – общая длина пальца, м;
b – расстояние между торцами бобышек, м;
dп – наружный диаметр пальца, м;
lш – длина опорной поверхности пальца в головке шатуна, м.
Для современных двигателей qш = 20 – 60 и qб = 15 – 50 МПа. Нижние пределы относятся к тракторным двигателям.
Напряжение изгиба пальца находится в пределах 100 – 350 МПа и рассчитывается по формуле:
где α = dв/dп – отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.
Касательные напряжения находятся в пределах 60 – 250 МПа и рассчитывается по формуле:
