Поршневые пальцы

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условиями работы пальцы бензиновых и газовых двигателей изготавливают из стали 45, внешнюю цилиндрическую поверхность закаливают на глубину 1-1,5 мм. Для дизелей применяют легированные стали 15Х, 15ХА, 12ХН3А и др. Поверхность этих пальцев цементируют на глубину 0,8÷1,7 мм с последующей закалкой.

При проектировании основные размеры поршневого пальца предварительно выбирают в зависимости от диаметра цилиндра (табл. 2.1; рис. 2.1). Затем производят проверочные расчеты на прочность.

Расчет поршневого пальца включает определение удельных давлений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений изгиба, среза и овализации.

Максимальные напряжения в пальцах бензиновых и газовых двигателей возникают при работе на режиме максимального крутящего момента, а у дизелей – при работе на номинальном режиме.

Расчетная сила, действующая на поршневой палец, МН:

,

(2;2.18)

где

для бензиновых и газовых двигателей

- максимальное давление газов на режиме максимального крутящего момента, приближенно принимаемое равным максимальному давлению сгорания без учета скругления индикаторной диаграммы;

- коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца;

Принимаем:

- сила инерции поршневой группы при .

Удельное давление пальца на бобышку поршня и на втулку верхней головки шатуна, МПа:

,	(2;2.19)
,	(2;2.20)

где l_п и l_ш – общая длина пальца и длина опорной поверхности пальца в головке шатуна;

d_п – наружный диаметр пальца;

b – расстояние между торцами бобышек.

У современных автомобильных двигателей

q_б = 15÷50 МПа, q_ш = 20÷60 МПа.

Палец рассчитывают на изгиб. Этот расчет является приближенным. Палец рассчитывают как балку на двух опорах с равномерно распределенной нагрузкой. В качестве расчетного принимают режим работы двигателя при максимальном крутящем моменте.

Напряжение изгиба, МПа:

,

(2;2.21)

где - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.

Для пальцев современных двигателей σ_и = 100÷250 МПа.

Касательные напряжения от среза пальца в сечениях, расположенных между бобышками и головкой шатуна, МПа:

.

(2;2.22)

Для пальцев современных двигателей τ = 60÷250 МПа.

Вследствие неравномерного распределения сил, приложенных к пальцу (принимается синусоидальное распределение нагрузки по поверхности пальца – рис. 2.2), при работе происходит деформация сечения пальца (овализация). Возникающие при этом напряжения имеют различные значения по длине пальца и его сечению.

Рис. 2.2. К расчету поршневого пальца

Максимальная овализация пальца (наибольшее увеличение горизонтального диаметра Δd_пmax) наблюдается в средней, наиболее напряженной части пальца, мм:

,

(2;2.23)

где Е – модуль упругости материала пальца. Для стали МПа.

Принимаем:

Значение Δd_пmax не должно превышать 0,02÷0,05 мм.

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости, МПа:

.

(2;2.24)

Напряжение овализации не должно превышать 300÷350 МПа.