7.2 Оценочный прочностной расчет головки блока двигателя и крепления

Напряжение разрыва:

, (7.3)

где – расчетное разрывное усилие, МН;

– расчетное сечение, м².

Напряжение разрыва изменяется в пределах 10 — 15 МПа. Низкие значения допускаемых напряжений связаны с появлением больших тепловых нагрузок при работе двигателя, которые не учитываются формулой.

При нерабочем состоянии и холодном двигателе силовые шпильки нагружены силой предварительной затяжки Р_пр, которую по опытным данным принимают в виде следующей приближенной зависимости:

, (7.4)

где m – коэффициент затяжки шпильки (1,5...2,0; в соединениях с прокладками – повышается до 5);

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

- сила давления газов при сгорании, приходящаяся на одну шпильку, МН.

При работе двигателя кроме усилия затяжки на шпильки действует растягивающая сила давления газов, достигающая наибольшего значения в момент сгорания.

Сила давления газов при сгорании, приходящаяся на одну шпильку:

где - максимальное давление сгорания, МПа;

- проекция поверхности камеры сгорания на плоскость, перпендикулярную оси цилиндра, м²;

- число шпилек на один цилиндр ( .

При расположении клапанов:

нижнем

верхнем

где F_П – площадь поршня.

Под действием силы предварительной затяжки происходит растягивание шпильки и сжатие соединяемых деталей. При работе двигателя сила давления газов при сгорании вызывает дополнительное растяжение шпильки и сжатие головки.

При изготовлении головки и блок-картера из алюминиевых сплавов в стальных шпильках при работе двигателя появляются дополнительные тепловые нагрузки. Они возникают при повышении температуры из-за различия коэффициентов линейного расширения материалов шпилек и стягиваемых деталей. Тепловая деформация деталей увеличивает давление в стыке и нагрузку на шпильки.

Растягивающая шпильку сила:

где и — коэффициенты линейного расширения материалов головки и шпильки; для стали =11 10^-6 1/К, для алюминиевых сплавов =22 10^-6 1/К;

и — повышение температуры головки и шпильки, К (при установившемся тепловом состоянии двигателя с жидкостным охлаждением можно принять = =70 — 80 К);

— высота головки, мм;

— расчетная длина шпильки (принимается равной расстоянию от нижнего торца гайки до последнего, ввернутого в блок витка резьбы,) мм;

и — податливость головки и шпильки.

Для шпильки с постоянной площадью поперечного сечения

где — расчетная длина шпильки, мм;

Е — модуль упругости материала шпильки (для стали Е=2,2·10⁵ МПа);

F₀— площадь поперечного сечения стержня шпильки, мм².

Для головки цилиндров соответственно

где — высота головки, мм;

Е — модуль упругости материала головки (для стали Е=7,3·10⁴ МПа);

— площадь поперечного сечения головки, приходящаяся на одну шпильку, мм².

С учетом уменьшения силы давления ΔP в стыке от сил давления газов при сгорании суммарная сила, растягивающая шпильку:

Минимальная сила, растягивающая шпильку:

Максимальные и минимальные напряжения в шпильке определяют по внутреннему диаметру резьбы (МПа):

где – площадь сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы, м²:

Амплитуды и средние напряжения цикла (МПа):

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.

При возникновении в детали нормальных или касательных напряжений, удовлетворяющих условию:

расчет производится по пределу усталости.

При возникновении в детали напряжений, удовлетворяющих условию:

расчет производится по пределу текучести. Здесь β_σ – отношение предела усталости при изгибе к пределу текучести:

α_σ – коэффициент приведения асимметричного цикла к равноопасному симметричному при нормальных напряжениях. Значения α_σ для сталей с различными пределами прочности приведены в приложении А. Для чугуна α_σ = (0,3 – 0,7).

Для приближенной оценки пределов усталости при переменной нагрузке используют эмпирические зависимости:

для сталей

для чугуна

Основные механические характеристики для сталей и чугуна приведены в приложении А.

Запас прочности без учета формы, размеров и обработки поверхности деталей определяется из выражений:

при расчете по пределу усталости:

при расчете по пределу текучести:

Допускаемые запасы прочности изменяются в пределах: =2,5 — 4,0 и = 1,5 — 2,5.