4.5 Расчет шатунной группы
По элементам конструкции шатун разделяют на три основные части. В состав конструкции входят верхняя головка шатуна, стержень шатуна и нижняя головка шатуна. Размеры и форма верхней поршневой головки шатуна определяются размерами и способом крепления поршневого пальца.
Стержень шатуна имеет всегда форму двутаврового сечения. Длина шатуна определяется в соответствии с заданным значением отношения радиуса кривошипа к длине шатуна.
Кривошипные головки шатунов выполняются разъёмными. Нижнюю крышку кривошипной головки шатуна подтягивают шатунными болтами. Для ограничения массы шатуна и габаритных размеров нижней головки отверстия под шатунные болты максимально приближают к шатунной шейке коленчатого вала. Максимальная габаритная ширина нижней головки шатуна в плоскости размещения шатунных болтов не должна превышать диаметрального размера гильзы. Такое ограничение обеспечивает беспрепятственное перемещение шатуна вверх при разборке двигателя.
Основные требования, предъявляемые к конструкции нижней головке шатуна:
- высокая жёсткость,
- минимальные габаритные размеры,
- плавность формы,
- возможность демонтажа шатуна через отверстие гильзы цилиндра.
При работе двигателя шатун подвергается воздействию знакопеременных и инерционных сил, а в отдельных случаях эти силы создают ударные нагрузки. Поэтому шатуны изготавливают из углеродистых или легированных сталей, обладающих высокими пределами прочности. Шатуны современных карбюраторных двигателей изготавливают из сталей 40, 45, 45Г2, а дизелей – из сталей 18ХНМА, 18ХНВА и 40ХНМА.
Расчетными элементами шатунной группы являются: поршневая и кривошипная головки, стержень шатуна, шатунные вкладыши и шатунные болты.
4.5.1 Расчет поршневой головки шатуна
Максимальных значений силы нагрузок на поршневую головку шатуна достигают на участке процессов впуска и выпуска при положении поршня в верхней мёртвой точке. На определённых режимах работы двигателя максимальные напряжения разрыва могут приближаться к пределу текучести. Кроме напряжений разрыва и сжатия, в поршневой головке шатуна присутствуют предварительные напряжения от запрессовки втулки или поршневого пальца.
Поршневая головка шатуна во время процессов впуска и выпуска подвергается разрыву силами инерции Pjn поршневой группы, достигающими максимального значения при положении поршня в ВМТ и сжатию от силы давления газов Pz за вычетом инерции Pjn.
Таблица 14, Основные параметры поршневой головки шатуна
Наименование |
Обознач. |
Карбюраторные двигатели |
Внутр. диаметр поршневой головки Со втулкой |
|
|
Наружный диаметр головки |
|
|
Длина поршневой головки шатуна:
|
|
|
Минимальная радиальная толщина стенки головки |
|
|
Радиальная толщина стенки втулки |
|
|
Напряжения в поршневой головке шатуна, возникающие от запрессовки в неё втулки и от различия коэффициентов расширения материалов втулки и головки, характеризуются суммарным натягом.
где:
- натяг посадки бронзовой втулки.
,
1/град – термический коэффициент
расширения бронзовой втулки;
,
1/град – термический коэффициент
расширения стальной головки;
-
средняя температура подогрева головки
и втулки при работе двигателя.
Удельное давление от суммарного натяга на поверхности соприкосновения втулки с головкой, МПа
где:
= 0,3 – коэффициент Пуассона;
– модуль
упругости стального шатуна и пальца,
МПа;
– модуль
упругости бронзовой втулки, МПа.
-
соответственно, наружный диаметр
поршневой головки, наружный и внутренний
диаметр поршневого пальца, мм.
Напряжения от суммарного натяга на внешней и внутренней стороне поверхностей поршневой головки определяются по формуле Ляме:
- На внешней поверхности:
МПа
- На внутренней поверхности:
МПа.