Практическое занятие №6 расчет гильзы цилиндра

Цель занятия:

- изучить методику расчета и проектирования гильзы цилиндра разрабатываемого ДВС;

- иметь представление о нагрузках действующих на гильзу в процессе работы ДВС;

- иметь представление о порядке расчета и подборе основных геометрических параметров.

6.1 Краткие теоретические сведения

Гильзы цилиндров являются наиболее нагруженными деталями двигателя. Они испытывают напряжения от действия сил газов, бокового давления поршня и тепловых нагрузок. Тяжелые условия работы гильз цилиндров приводят к необходимости использовать для их изготовления высококачественные легированные чугуны или азотируемую сталь.

«Мокрые» чугунные или стальные гильзы алюминиевых блоков обычно устанавливаются с некоторым превышением (0,03 — 0,07 мм) над плоскостью рубашки блока, что обеспечивает достаточное уплотнение после установки прокладки и головки блока и затяжки болтов. При этом низ гильзы герметизируется резиновыми уплотнительными кольцами. В некоторых конструкциях дизелей гильза в блоке зажата только по верхнему бурту, в то время как остальная ее часть свободна и не испытывает силовых нагрузок от затяжки головки блока.

Некоторые современные двигатели имеют алюминиевый блок с залитыми в него «сухими» тонкостенными гильзами из износостойкого чугуна. При этом верхняя часть гильз часто не связана с рубашкой блока для исключения температурных и силовых деформаций.

Основные конструктивные размеры гильз устанавливают с учетом получения необходимой прочности и жесткости, обеспечива­ющей отсутствие овализации цилиндра при сборке двигателя и во время его работы. Толщину δ_Г чугунной стенки гильзы обычно принимают по экспериментальным данным.

Рисунок 6.1 – Расчетная схема гильзы цилиндра

При расчете гильзы цилиндров на прочность определяют напряжения только от основных нагрузок: максимального давления газов, бокового давления поршня и перепада температур в стенке.

Наиболее опасной нагрузкой является максимальное давление сгорания Рzmax, вызывающее растягивающее напряжение по образующей цилиндра и по его кольцевому сечению (рис.6.1).

6.2 Прочностной расчет гильзы цилиндры

Толщину стенки гильзы, выбранную конструктивно, проверяют по формуле, применяемой для расчета цилиндрических сосудов:

где D – диаметр цилиндра, мм;

- допустимое напряжение на растяжение (для чугунных втулок 50-60, для стальных – 80-100 МПа);

– давление газов в конце сгорания, Мпа

Растягивающее напряжение σ_р от действия сил газов определяют по приближенной зависимости, которая не учитывает неравномерности распределения напряжений по толщине гильзы:

где - максимальное давление газов, условно отнесенное к положению поршня в н.м.т., МПа;

δ_Г – толщина стенки гильзы цилиндра, мм.

Допускаемые напряжения для гильз цилиндров, выполненных из чугуна, изменяются в пределах 30 — 60 МПа, а для стальных — 80 —120 МПа.

Растягивающее напряжение по кольцевому сечению гильзы:

Изгибающий момент:

где N_max –максимальное значение нормальной силы, определяемое из динамического расчета, МН;

a – расстояние от оси пальца до в.м.т., мм;

b – расстояние от оси пальца до н.м.т., мм.

Напряжение изгиба:

где W – момент сопротивления поперечного сечения гильзы, м³:

где D₁ – наружный диаметр гильзы, м.

Суммарное напряжение от растяжения и изгиба в стенках несущего цилиндра:

Для чугунных гильз величина не должна превышать 60 МПа, а для стальных – 110 МПа.

Во время работы двигателя между внутренней и наружной поверхностями гильзы возникает значительный перепад температур, вызывающий тепловые напряжения

где Е – модуль упругости материала, МПа (для сталей 2,2·10⁵, а для чугуна 1,0·10⁵);

– коэффициент линейного расширения (для чугуна );

- перепад температур, К (100 – 150 К);

- коэффициент Пуассона (для стали ; для чугуна ).

Напряжениям растяжения на наружной поверхности гильзы соответствует знак плюс, а напряжениям сжатия на внутренней поверхности — знак минус.

Суммарные напряжения от давления газов и перепада температур:

на наружной поверхности гильзы цилиндра:

на внутренней поверхности:

Суммарное напряжение в чугунной гильзе не должно превы­шать 100 — 130 МПа, а в стальной — 180 — 200 МПа.