5.7 Уравновешивание

Порядок работы двигателя 1-2-4-3. Промежутки между вспышками равны 180º. Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы, расположенные под углом 180º.

Центробежные силы инерции рассчитываемого двигателя и их моменты полностью уравновешены:

 и                                          (5.32)

Силы инерции первого порядка и их моменты также уравновешены:

 и                                            (5.33)

Силы инерции второго порядка для всех цилиндров направлены в одну сторону:

                               (5.34)

Уравновешивание сил инерции второго порядка в рассчитываемом двигателе нецелесообразно, ибо применение двухвальной системы с противовесами для уравновешивания  значительно усложнит конструкцию двигателя.

Моменты от сил инерции второго порядка в связи с зеркальным расположением цилиндров полностью уравновешены:

                                                    (5.35)

Рис. 5.1 Схема уравновешивания двигателя

5.8 Равномерность крутящего момента и равномерность хода дви

гателя.

Равномерность крутящего момента:

;                   (5.36)

Избыточная работа крутящего момента:

 Дж             (5.37)

где  – площадь над прямой среднего крутящего момента, мм2.

 рад в мм – масштаб угла поворота вала на

диаграмме Мкр.

Равномерность хода двигателя принимаем δ=0.01.

Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала:

кг·м2                              (5.38)

6. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА НА ПРОЧНОСТЬ

6.1 Расчет поршня

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки, поэтому при его изготовлении к материалу предъявляются повышенные требования. Поршни автомобильных и тракторных двигателей изготовляют в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна.

Основные конструктивные соотношения размеров элементов поршня (рис. 6.1) приведены в табл. 6.1. Величину верхней части поршня h1 выбираем, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла. Это условие обеспечивается при

                                                     (6.1)

где hr – высота головки поршня.

Расстояние b между торцами бобышек зависит от способа крепления поршневого пальца и обычно принимается на 2-3 мм больше длины верхней головки шатуна lш. Конкретные значения конструктивных элементов поршня принимаются по прототипам с учетом соотношений, приведены в табл. 6.1.

Поверочный расчет элементов поршня осуществляется без учета переменных нагрузок, величина которых учитывается при установлении соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня.

Днище поршня рассчитывается на изгиб от действия максимальных газовых условий рzmax как равномерно нагруженная круглая плита, свободно опирающаяся на цилиндр. 

Рис. 6.1 Схема поршня

Материал поршня – алюминиевый сплав, αп=22·10-6 1/К.

Материал гильзы цилиндра – серый чугун, αц=11·10-6 1/К.

Для дизелей максимальное давление газов обычно достигается при работе на режиме максимальной мощности.

Таблица 6.1

Напряжение изгиба (МПа) в днище поршня

МПа                  (6.2)

где рzmax=рz=6.356 МПа – максимальное давление сгорания;

мм – внутренний радиус днища.

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости. Кроме того, в целях повышения износо- и термостойкости поршня целесообразно осуществить твердое анодирование днища и огневого пояса, что уменьшит возможности перегрева и прогорания днища, а также пригорания верхнего компрессионного кольца.

При отсутствии у днища ребер жесткости допустимые значения напряжений [sиз] (МПа) лежат в пределах:

Для поршней из алюминиевых сплавов …………….…..…20-25

При наличии ребер жесткости [sиз] возрастают:

Для поршней из алюминиевых сплавов …………………...до 50-150

Головка поршня в сечении х–х, ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжение сжатия в сечении х-х:

площадь сечения х – х

м2   (5.3)

где   мм – диаметр поршня по дну канавок;

 мм – внутренний диаметр поршня;

 мм2 – площадь продольного диаметрального

сечения масляного канала.

Максимальная сжимающая сила:

 МН                 (6.4)

Напряжение сжатия:

 МПа                         (6.5)

Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов [sсж] = 30 ¸ 40 МПа.

Напряжение разрыва в сечении х-х:

- максимальная угловая скорость холостого хода:

 рад/с                       (6.6)

- масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х:

 кг                   (6.7)

- максимальная разрывающая сила:

                       (6.8)

 МН

Допустимые напряжения на разрыв для поршня из алюминиевых сплавов [sр] = 4 ¸ 10 МПа.

- напряжение разрыва:

 МПа                              (6.9)

Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

- среза:

МПа             (6.10)

где D=93 мм – диаметр цилиндра;

 hп=4 мм – толщина верхней кольцевой перемычки.

- изгиба:

МПа          (6.11)

- сложное:

 МПа            (6.12)

допускаемые напряжения sS (МПа) в верхних кольцевых перемычках с учетом значительных температурных нагрузок находятся в пределах:

для поршней из алюминиевых сплавов…………….…30-40.

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

 МПа                              (6.13)

 МПа                              (6.14)

где Nmax=0.0025 МН – наибольшая нормальная сила, действующая на стенку

цилиндра при работе двигателя на режиме максималь-

ной мощности.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q1 = 0.3 ¸ 1.0 и q2 = 0.2 ¸ 0.7 МПа.

Гарантированная подвижность поршня в цилиндре достигается за счет установления оптимальных диаметральных зазоров  между цилиндром и поршнем при различных тепловых нагрузках, возникающих в процессе работы дизеля. По статистическим данным для алюминиевых поршней с неразрезными юбками

∆r=(0.006 ¸ 0.008)D=0.007·93=0.651 мм                      (6.15)

∆ю = ( 0.001 ¸ 0.002 )D=0.002·93=0.186 мм                 (6.16)

Диаметры головки и юбки поршня:

мм                              (6.17)

мм                            (6.18)

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

                  (6.19)

мм

                    (6.20)

мм

где aц=11×10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала

цилиндра;

aп=22×10-6 1/К - коэффициент линейного расширения материала поршня;

Тц =383 К – температура стенок цилиндра;

Тr = 593 К – температура головки в рабочем состоянии;

Тю =413 К – температура юбки поршня в рабочем состоянии;

То =293 К – начальная температура цилиндра и поршня.

6.2 Расчет поршневого кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные функции:

– герметизации надпоршневого пространства в целях максимально возможного использования тепловой энергии топлива;

– отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра;

– "управление маслом", т.е. рационального распределения масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Материал кольца – серый чугун. Е=1.2·105 МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

                                 (6.21)

 МПа

где мм.

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной форме эпюры давления:

, [МПа]                                                   (6.22)

Результаты расчета р, а также μк для различных углов ψ приведены ниже:

По этим данным построена каплевидная эпюра давлений кольца на стенку цилиндра (рис. 5.2).

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:

 МПа           (6.23)

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

МПа               (6.24)

Монтажный зазор в замке поршневого кольца:

                    (6.25)

мм

где  мм – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя;

 aк =11·10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала кольца;

 aц =11·10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала гильзы;

 Тк=493 К  – температура кольца в рабочем состоянии;

 Тц =383 К – температура стенок цилиндра;

 То= 293 К – начальная температура.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11