2526

Таблица 9 Основные конструктивные параметры кривошипной головки шатуна

3.2.1.Поршневая головка шатуна

3.2.1.1.Расчёт сечения I – I

Сечение I – I поршневой головки нагружается на режиме n = nх.х. переменной силой инерции от масс поршневой группы mп и верхней части головки mв.г выше сечения I – I

Pj (mп mв.г ) х2.х max R (cos cos2 ).

Величина mв.г определяется по геометрическим размерам верхней части головки и удельной массе материала шатуна или ориентировочно принимается в пределах 6…9 % массы шатуна.

Сила Pj создаёт в сечении максимальное max и минимальное min напряжения.

Минимальное напряжение равно нулю, так как положительная сила инерции направлена к оси коленчатого вала и не нагружает сечение I – I. Следовательно, напряжение в сечении I – I изменяются по закону пульсирующего цикла.

30

Запас прочности поршневых головок изменяется в пределах

2,5…5,0.

Рис. 10. Схема поршневой головки и стержня шатуна

Расчёт максимального напряжения пульсирующего цикла

max (mп mв.г ) х2.хmaxR(1 )

2hгlш

где mв.г = 0,06∙mш; х.х max nх.хmax . 30

Расчёт среднего напряжения, амплитуды напряжения,

31

запаса прочности

m0 max a0 , 2

ак0 а0 k ,

Мп

где k коэффициент концентрации напряжений,

k = 1,2 + 1,8 10 4 ( в 400),

м – масштабный коэффициент (табл. 3);п – коэффициент поверхностной чувствительности (табл. 4).

В соответствии с вышесказанным (см. стр. 8…9), в зависимости

дётся либо по пределу усталости, либо по пределу текучести. Вид формул зависит от ассиметрии цикла.

Расчёт напряжения от запрессованной втулки

Определим суммарный натяг:

Σ t ,

где – натяг посадки бронзовой втулки;t – температурный натяг,

t d ( в т) Т ,

Т – средний подогрев головки и втулки, Т = 100…200 К.

Удельное давление от суммарного натяга на поверхности соприкосновения втулки с головкой рассчитывается по формуле:

32

где dг, d, dц – соответственно наружный и внутренний диаметры головки и внутренний диаметр втулки;

– коэффициент Пуансона, = 0,3;

Напряжение от суммарного натяга на внешней d и внутренней i поверхности головки определяются по формуле Ляме:

Напряжение от суммарного натяга на внешней d и внутренней i поверхности головки достигают 100…150 МПа. Для плавающей втулки напряжения от суммарного натяга равны нулю.

3.2.1.2. Расчёт сечения A – A

Сечение A – A нагружается на режимах n = nM или n = nN переменными суммарными газовыми Pг и инерционными Pj силами и постоянной силой от действия запрессованной втулки. Эти суммарные силы изменяются по ассиметричному циклу, а минимальный запас прочности у наружного волокна.

Расчёт максимальной силы, растягивающей головку

Максимальная сила, растягивающая головку, достигается в начале впуска, когда поршень находится в верхней мёртвой точке. Сила действия газов в это время незначительна

Pjп mп R 2 (1 ).

33

где = nN .

30

Расчёт нормальной силы и изгибающего момента в сечении0 – 0

При расчётах поршневой головки принимается, что нижняя её часть, опирающаяся на стержень большой жёсткости, не деформируется. В расчётах отбрасывают часть головки относительно вертикальной оси симметрии и заменяют её нормальной силой Nj0 и изгибающим моментом Mj0 (рис. 11):

Nj0 Pjп (0,572 0,0008 ш.з),

M j0 Pjп rср (0,00033 ш.з 0,0297),

0

Nj0

Mj0

A

Рис. 11. Расчётная схема поршневой головки

Расчёт нормальной силы,изгибающего момента и напряжения на внешнем волокневрасчётном сечении отрастягивающей силы

Nj ш.з Nj0 cos ш.з 0,5 PjN (sin ш.з cos ш.з),

34

где K – коэффициент равный

K Eш Fг

Eш Fг Eв Fв

Этот коэффициент учитывает то, что из-за запрессованной втулки на головку действует не вся нормальная сила Nj ш.з . Влиянием втулки на

величину изгибающего момента M j ш.з пренебрегают.

Fг – площадь сечения стенок головки,

Fг (dг d) lш,

Fв – площадь сечения втулки,

Fв (d dп) lш .

Расчёт нормальной силы, изгибающего момента и напряжения в расчётном сечении от сжимающей силы

Максимальная суммарная сила, сжимающая головку, достигается в начале расширения после прохождения поршнем верхней мёртвой точки в диапазоне 10…20 0 угла поворота кривошипа:

Pсж (pzд p0) Fп mп R 2 (cos cos2 ),

где pzд – максимальное давление сгорания.

35

36

Расчёт максимального, минимального и среднего напряжения, амплитуды напряжения, запаса прочности

паса прочности в сечении A А ведётся либо по пределу усталости, либо по пределу текучести. Вид формул зависит от ассиметрии цикла.

max a' aj.

min a' aсс .

m max min .

2

a max min .

2

aк a k .

м п

3.2.2.Кривошипная головка шатуна

Всвязи с невозможностью определения влияния конструктивных

иэксплуатационных и др. факторов точный расчёт кривошипной головки представляет большие трудности. Весь расчёт сводится к определению напряжения изгиба в среднем сечении крышки головки, проходящем через вертикальную ось симметрии шатуна II – II (см. рис. 10). Максимальное напряжение изгиба возникает в начале такта «впуск»

от сил инерции и изменяется в пределах 100…300 МПа. В этот период

= 0 0.

Напряжение изгиба определяют по формуле:

где Cб – расстояние между шатунными болтами;

Jв – момент инерции расчётного сечения вкладыша

37

Jв lкtв3;

J – момент инерции расчётного сечения крышки

J lк (0,5Cб r1)3;

Wиз – момент сопротивления расчётного сечения крышки без учёта рёбер жёсткости

3.2.3. Стержень шатуна

Стержень шатуна рассчитывают на усталостную прочность в среднем сечении В – В (см. рис. 10) от действия суммы знакопеременных, газовых и инерционных сил на режимах n = nN или n = nM. Предполагается, что сечение В – В находится в центре тяжести шатуна. Запас прочности определяется в двух плоскостях: плоскости кача-

38

ния шатуна и перпендикулярной к ней. При этом стержень должен быть равнопрочным в этих плоскостях, то есть nx = ny, и эти значения не должны быть ниже 1,5. Кроме того, принимают зависимость концентрации напряжений k только от материала шатуна и рассчитывается по формуле:

K 1,2 1,8 10 4 ( в 400),

где в – предел прочности.

Максимальная сила сжатия достигается в начале рабочего хода:

Pсж Pг Pj [Fп (pzд p0) mjR 2(cos sin2 )] 10 6,

где mj – масса возвратно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма

mj mп 0,275mш .

При этом в стержне шатуна возникают максимальные напряжения сжатия и продольного изгиба в обеих плоскостях. Эти напряже-

ния изгиба max x и max y не должны превышать 160…250 МПа для углеродистых сталей и 200…350 МПа для легированных сталей.

где Kx и Ky – коэффициенты, учитывающие влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания шатуна и перпендикулярной ей плоскости

е – предел упругости материала шатуна, е = в;

Lш – длина шатуна

R

Lш ;

Jx – момент инерции сечения В – В относительно оси x – x, перпендикулярной плоскости качания шатуна (см. рис. 10)

39