7. Расчет, выбор материала и проектирование коленчатого вала.

Коленчатые валы (рисунок 15) бывают плоскими, неплоскими, полноопорными (число опор на одну больше числа цилиндров i) и неполноопорные (<i).

В короткоходных двигателях шейки валов могут перекрываться, а в случае перекрытия 56% площадей шеек можно обходиться без щеки. Форма расположения колен (угол  между коленами) рядных двигателей с числом цилиндров i:

- четырехтактные 4 и 6 – цилиндровые;

- двухтактные (2, 4 и 6 цилиндровые).

Колена вала располагают так, чтобы рабочие ходы отстояли подальше друг от друга (вдоль коленчатого вала).

Долговечность коленчатых валов повышается увеличением их жесткости (переходом на V-образное расположение цилиндров и снижением коэффициента короткоходности к=S/D), перекрытием шеек, увеличением радиусов галтелей и др.

При V-образном расположении цилиндров вал оказывается короче, жестче, возрастает частота его колебаний.

В коленчатом вале предусматривают ряд сверлений (для подвода смазки, очистки масла, крепления противовесов – если противовесы отлиты не заодно), шейки для установки шкива вентилятора, фланец для крепления маховика и т.д. Число свободных колебаний вала не должно совпадать с чистотой его вращения. Размеры проверяют в трех наиболее опасных положениях, соответствующих наибольшим:

- радиальным усилиям (R) (рисунок 17);

- тангенциальным усилиям (Т);

- крутящему моменту (М_кр).

При этом учитывают и все другие действующие усилия.

Затем вычисляют максимальное и среднее удельные давления:

; .

и сравнивают их с допустимыми значение q_max и q_ср:

q_тах 3,0…6,5 МПа для ДсИЗ и 6,0…13,0 МПа – дизелей;

q_ср 2,0…6,0 МПа для ДсИЗ и 2,0…7,0 МПа – дизелей.

8. Расчет, выбор материала и проектирование шатунных болтов.

Шатунные болты рассчитывают на допустимое напряжение растяжения:

,

где т_п и – массы поршня и шатуна без крышки нижней головки.

A_ и i – сечение и число болтов.

Болтов может быть 2…4. Материал - стали 35Х, 40Х, 35ХМА, 37ХНЗА, 40ХН2МА – для автомобильных двигателей и 40Х, 45Х, 40ХН – тракторных. Подвергают закалке и отпуску (НRc=27…41). Затягивают гайки динамометрическим ключом (М=5…12 кгм), иначе напряжение от усилия затяжки может оказаться больше рассчитанного по вышеприведенной формуле.

Для примера приведем данные по шатуну двигателя ГАЗ-53А.

Шатуны кованные из стали 45Г2.

Крышка и шатун расточены совместно (переставлять нельзя).

Втулка верхней головки из бронзы ОЦС-4-4-2,5.

Вкладыши коренных подшипников – стальная лента, залитая антифрикционным высокооловянистым алюминиевым сплавом (толщиной 1,3 мм).

9. Расчет, выбор материала и проектирование поршня.

Поршень имеет следующие элементы – днище, бобышки под палец, огневой пояс С₁, головку h_г (уплотняющую часть) и юбку L (направляющую часть). На поршень действуют довольно большие, причем резко переменные усилия (у ЯАЗ-204 – 9 тонн; ЗИЛ-130 – 3,4 тонн). Работает он в условиях высоких температур. Диаметр цилиндра стараются больше 120-145 мм не делать. Наиболее широкое применение получили легкие сплавы на алюминиевой (в основном) или магниевой (редко) основе.Легкие сплавы по сравнению с чугунами обеспечивают наименьшее значение удельный массы М_п/F_n (меньшее, примерно, на 30%) и, как следствие, снижают инерционные усилия. Недостаток легких материалов – большой коэффициент линейного расширения (2.210^-6, что в 1,6 – 2,5 раза выше, чем у чугуна), а также высокая стоимость и низкая износостойкость. Абсолютный зазор между поршнем и цилиндром =0,08…0,29 мм. Размеры поршня: для дизелей: =(0,1…0,2)D; H=(0,8…1,2)D; С₁=(0,06…0,18)D;

l₂=(0,25…0,4)D; a=0,31,8 мм; e=2a+a;

для ДсИЗ: =(0,06…0,18)D; H=(0,6…0,8)D; С₁=(0,03…0,08)D;

l₂=(0,25…0,4)D; a=0,31,8 мм; e=2a+a.

Расчет ведут:- на сжатие; _ж=R_z/F_x-x, где R_z=P_z , а F_х-х – площадь ослабленного маслоотводящими каналами сечения х-х поршня (рисунок 2). Допустимое напряжение []=(3…4) МПа; - на разрыв для режима п_{х.х.тах}; , где т - масса над сечением F_х.х.. Допустимое напряжение []=(0,4…1,0) МПа. Оценивают и удельное давление от максимальных нормальных усилий N_max: (0,2…0,4) МПа - для автомобильных двигателей и (0,3…0,6) МПа – тракторных.

При этом принимаются N_max=(0,08…0,12)R_z.. Срок службы поршня зависит кроме его средней скорости и от конструкции.

10. Расчет, выбор материала и проектирование нижней головки шатуна.

Крышка нижней головки нагружается инерционными усилиями, которые имеют максимальное значение в ВМТ поршня (рисунок 13).

;

Крышка и шатун расточены совместно (переставлять нельзя).

Втулка верхней головки из бронзы ОЦС-4-4-2,5.

Вкладыши коренных подшипников – стальная лента, залитая антифрикционным высокооловянистым алюминиевым сплавом (толщиной 1,3 мм).