
Расчет шатуна
Расчет шатуна сводится к определению напряжений, деформаций и запасов прочности в поршневой головке, стержне, кривошипной головке и стяжных болтах (шпильках).
В качестве материалов для изготовления шатунов используются стали 40, 45, 45Г2, 18ХНМА, 18ХНВА, 40ХНМА). Шатунные болты изготовляют из сталей 35Х, 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМА, 37ХН3А
В бензиновых
двигателях шатуны часто изготовляют
из ковкого перлитного чугуна с содержанием
углерода
0,85%.
Для втулок поршневых головок используют бронзы: алюминиево-железистую Бр. АЖ 9-4 (НВ 110), оловянно-цинковые Бр. ОЦ 10-2 (НВ 65-75) и ОЦС 4-4-2,5 (YD 65-75), оловянно-фосфористые (НВ 90-120).
Антифрикционные материалы для вкладышей подшипников: свинцовистые и оловянистые баббиты; сплав СОС 6-6; свинцовистая бронза Бр. С30(30% Pb), сплавы АСМ (алюминий-сурьма-магний), АО 22 (20% олова).
Расчет поршневой головки
Расчет поршневой головки шатуна сводится к определению усталостной прочности в сечении I−I от действия силы инерции (без учета запрессованной втулки) при работе двигателя на режиме максимальной частоты вращения холостого хода, напряжения от действия запрессованной втулки и усталостной прочности в сечении А−А (месте перехода головки шатуна в стержень) от действия суммарной силы и запрессованной в поршневую головку втулки. Расчет производится для режима работы двигателя, на котором амплитуда суммарной силы максимальна.
Максимальная сила, нагружающая поршневую головку в сечении I−I,
,
где
−
масса верхней части поршневой головки
(выше сечения I−I).
1 Шатун
Максимальное напряжение в сечении I−I
.
Минимальное
напряжение в сечении I−I
.
Методика определения запасов прочности представлена в разделе «Расчет на прочность с учетом переменной нагрузки».
Допускаемая
величина запаса прочности составляет
2,5
5.
Суммарный натяг (мм) от запрессовки в поршневую головку втулки и различия коэффициентов расширения материалов втулки и головки
=Δ+
,
где Δ – натяг
посадки бронзовой втулки, мм;
=d
– температурный натяг, мм, где d
– внутренний диаметр поршневой головки,
мм;
=1,8·
1/К – термический коэффициент расширения
бронзовой втулки;
=1,0·
1/К – термический коэффициент расширения
стальной головки шатуна;
– средняя температура подогрева головки
и втулки при работе двигателя.
Удельное давление (МПа) от суммарного натяга на поверхности сопряжения втулки с головкой
где
,
и
− соответственно наружный и внутренний
диаметры головки и внутренний диаметр
втулки, мм;
− коэффициент Пуассона;
− модуль упругости стального шатуна;
− модуль упругости бронзовой втулки.
Напряжение от суммарного натяга на внешней и внутренней поверхностях поршневой головки определяются по формулам Ляме:
;
.
Значения
и
могут достигать 100-150 МПа.
2 Шатун
Сечение А−А
поршневой головки нагружается переменной
суммарной силой
и постоянной силой от действия
запрессованной втулки. Расчет производится
или на номинальном режиме, или на режиме
максимального крутящего момента.
Суммарная сила, растягивающая поршневую
головку, достигает максимального
значения при положении поршня в ВМТ в
начале такта впуска. Действием газовой
силы в этом случае пренебрегают:
где
- масса поршневой группы;
- угловая скорость (
(рад/c)
при расчете на режиме
и
(рад/c)
− на режиме
).
Сравнением значений
напряжений, полученных расчетом и
экспериментально, было установлено,
что радиальное давление от силы
должно распределяться по внутренней
поверхности головки равномерно (см.
схему нагрузки).
В соответствии с
расчетной схемой (см. рисунок) принимается,
что нижняя часть головки не деформируется,
а действие отброшенной правой части
головки заменяется силой
и изгибающим моментом
:
;
.
где
- угол заделки, град;
– средний радиус поршневой головки.
На участке I,
находящемся в интервале изменения угла
от 0 до
:
;
На участке II, находящемся в интервале изменения угла от до :