Практическое занятие №5 расчет и конструирование шатунной группы

Цель занятия: - изучить методику расчета и проектирования шатунной группы разрабатываемого ДВС;

-иметь представление о выборе режимов работы для прочностного расчета элементов шатунной группы.

5.1 Краткие теоретические сведения

Расчетными элементами шатунной группы являются поршневая и кривошипная головки, стержень шатуна и шатунные болты. На рисунке 1 приведена расчетная схема шатуна.

Рисунок 5.1 – Расчетная схема шатунной группы

При работе двигателя шатун подвергается воздействию знакопеременных газовых и инерционных сил, а в отдельных случаях эти силы создают ударные нагрузки. Поэтому шатуны изготавливают из марганцовистых, хромистых, хромоникелевых сталей с содержанием углерода 0,30 – 0,45%. Для изготовления шатунов двигателей с искровым зажиганием применяются стали 45, 45Г2 40Г, 40Х, 40ХН, 40Р; для дизелей – легированные стали с высоким пределом прочности 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА, 40Х2Н2МА. Заготовки шатунов получают ковкой в штампах и подвергают механической и термической обработке. Для повышения усталостной прочности шатуны обдуваются дробью и иногда полируются.

Значения основных конструктивных параметров поршневой головки представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Конструктивные параметры поршневой головки шатуна

Величина	Бензиновые двигатели	Дизели
Внутренний диаметр поршневой головки d:
без втулки	d͌͌ = dп	d͌͌ = dп
с втулкой	(1,10 – 1,25) dп	(1,10 – 1,25) dп
Наружный диаметр головки dг	(1,25 – 1,65) dп	(1,3 – 1,7) dп
Длина поршневой головки шатуна lш:
с закрепленным пальцем	(0,28 – 0,32) D	(0,28 – 0,32) D
с плавающим пальцем	(0,33 – 0,45) D	(0,33 – 0,45) D
Минимальная радиальная толщина стенки головки hг	(0,16 – 0,27) dп	(0,16 – 0,27) dп
Радиальная толщина стенки втулки sв	(0,055 – 0,085) dп	(0,070 – 0,085) dп

Поршневая головка шатуна рассчитывается на:

а) усталостную прочность в сечении I-I от действия инерционных сил (без учета запрессованной втулки), достигающих максимума при работе дизеля на режиме максимальной частоты вращения холостого хода, а при работе бензинового двигателя на режиме разностной частоты вращения вала (1,38 n_N);

б) напряжения, возникающие в головке от воздействия на неё запрессованной втулки;

в) усталостную прочность в сечении А-А (место перехода головки шатуна в стержень – заделка головки) от действия суммарных (газовых и инерционных) сил и запрессованной втулки. Расчет в этом случае производится для того режима работы двигателя, при котором амплитуда изменения суммарных сил максимальна.

Основными конструктивными параметрами стержня шатуна кроме длины L_Ш=R/λ являются размеры его среднего сечения В — В (см. рис. 5.1). Значения этих параметров для отечественных автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2 – Конструктивных параметры стержня шатуна

Размеры сечения шатуна	Карбюраторные двигатели	Дизели
hш min	(0,50 – 0,55)dГ	(0,50 – 0,55)dГ
hш	(1,2 – 1,4) hш min	(1,2 – 1,4) hш min
bш	(0,50 – 0,60)lш	(0,55 – 0,75)lш
аш = tш	(2,5 – 4,0)	(4,0 – 7,5)

Стержень шатуна рассчитывают на усталостную прочность в среднем сечении В — В от действия знакопеременных суммарных сил (газовых и инерционных), возникающих при работе двигателя на режимах п=п_N или п=п_M. Обычно расчет ведется для режима максимальной мощности. Запас прочности сечения определяется в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости. Усло­вием равно прочности стержня шатуна в обеих плоскостях является n_x = n_y.

Ещё одним важным элементом шатунной группы являются болты шатуна. В четырехтактных двигателях болты, стягивающие половинки кривошипной головки шатуна, подвергаются растяжению от действия сил инерции поступательно движущихся масс поршня и шатуна и вращающихся масс, расположенных над плоскостью разъема кривошипной головки. Кроме того, болты испытывают растяжение от предварительной затяжки.

Шатунные болты должны обладать высокой механической прочностью и надежностью. Изготовляют их из стали 35Х, 40Х, 35ХМА, 37ХНЗА. При больших напряжениях затяжки болты изготовляют из легированной стали с более высокими пределами текучести — 18ХНВА, 20ХНЗА, 40ХН, 40ХНМА.