5.3 Прочностной расчет стержня шатуна

Сила, сжимающая шатун, достигает максимального значения в начале рабочего хода при p_zд и определяется по результатам динамического расчета или по формуле:

где - 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

где - давление остаточных газов.

От сжимающей силы P_сж в сечении В-В возникают максимальные напряжения сжатия и продольного изгиба (МПа):

в плоскости качания шатуна

где – коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания шатуна;

σ_е = σ_в – предел упругости материала шатуна, МПа;

- момент инерции сечения В-В относительно оси х-х, перпендикулярной плоскости качания шатуна, м⁴;

– площадь среднего сечения шатуна, м².

в плоскости, перпендикулярной плоскости качания:

где - коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна;

- длина стержня шатуна между поршневой и кривошипной головками, м;

- момент инерции сечения В — В относительно оси у — у, лежащей в плоскости качания шатуна, м⁴.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей на­пряжения и (МПа) не должны превышать для углеродистых сталей 160—250 и для легированных сталей 200—350 МПа

Минимальное напряжение, возникающее в сечении В — В от растягивающей силы P_p, определяется в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости:

Среднее напряжение и амплитуды цикла:

где – масштабный коэффициент и коэффициент поверхностной чувствительности, соответственно. Определяются по приложению А.

- коэффициенты концентрации напряжений, зависят только от материала шатуна.

- предел прочности, МПа.

Запасы прочности стержня шатуна в плоскости качания п_х и в перпендикулярной плоскости п_y определяются по уравнениям в зависимости от условий (5.5, 5.6):

при расчете по пределу усталости:

при расчете по пределу текучести:

Для шатунов автомобильных и тракторных двигателей значения п_х и п_у не должны быть ниже 1,5.

5.4 Прочностной расчет шатунных болтов

Величина сил инерции определяют по формуле:

где - масса поршневой группы, кг;

и - соответственно массы шатунной группы, совершающие возвратно-поступательное и вращательное движение, кг;

- масса крышки кривошипной головки, кг;

- масса шатунной группы, кг.

При работе двигателя силы инерции стремятся разорвать болты. В связи с этим они должны быть затянуты настолько, чтобы не была нарушена плотность соединения при действии этой силы.

Сила предварительной затяжки (МН)

где - число шатунных болтов.

Суммарная сила, растягивающая болт:

где - коэффициент основной нагрузки резьбового соединения (0,15 – 0,25).

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в болте, определяют в сечении по внутреннему диаметру резьбы:

где - внутренний диаметр резьбы болта, мм; d – номинальный диаметр болта, мм; t – шаг резьбы, мм.

Среднее напряжение и амплитуды цикла:

где – коэффициент концентрации напряжения с учетом вида концентратора и свойств материала.

– теоретический коэффициент концентрации напряжений (Приложение А)

q – коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений (Приложение А).

– определяется для прокатки роликом.

Запас прочности рассчитывается по формулам (5.10 – 5.11). Для шатунных болтов значения запаса прочности не должны быть ниже 2.