XI. Описание и расчет конструктивного узла.

1. Поршень

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень (рис. 10), воспринимающий высокие газовые, инерцион­ные и тепловые нагрузки. Его основными функциями являются уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму. Поршень представляет собой достаточно сложную де­таль как в отношении самой конструкции, так и в отношении технологии и подбора материала при его изготовлении.

Рисунок 10. Схема поршня

Основными тенденциями совершенствования поршней современ­ных двигателей является снижение их массогабаритных параметров, повышение прочности и износостойкости, а также снижение коэф­фициента линейного расширения, что очень важно для получения минимального теплового зазора между поршнем и цилиндром без заклинивания.

Поршни автотракторных двигателей изготавливаются в основ­ном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. В качестве алюми­ниевых сплавов использовались эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание которого в сплаве не превышало 12 — 13%. Однако постоянно растущий уровень форсирования двига­телей, особенно двигателей с турбонаддувом и дизелей, требовал перехода на более термопрочные материалы для изготовления по­ршней. В настоящее время новые двигатели имеют поршни, изгото­вленные из заэвтектических сплавов алюминия с кремнием, содер­жание которого достигает 18 и более процентов. Для улучшения физико-механических свойств заэвтектических сплавов применяется их легирование никелем, магнием, медью, хромом и специальные технологии литья или горячей штамповки.

Чугунные поршни по сравнению с алюминиевыми обладают более высокими показателями твердости, износостойкости и жаропрочности, а также одинаковым коэффициентом линейного расшире­ния с материалом гильзы цилиндра. Однако большая плотность чугунного поршня не позволяет его использовать для высокообо­ротных ротных двигателей. В настоящее время все серийно выпускаемые двигатели легковых автомобилей имеют поршни из алюминиевых сплавов.

Дальнейшее совершенствование поршней предусматривает ши­рокое использование для их изготовления композиционных матери­алов. Основу этих материалов составляют легкие и не очень про­чные материалы (например, алюминий), которые «насыщаются» высокопрочными полимерными, керамическими или металлически­ми волокнами. Эти волокна не только жестко связывают молекулы основного материала, но и воспринимают значительную нагрузку как механическую, так и тепловую. Перспективным является ар­мирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия А1₂О₃ и диоксида кремния SiO₂ , что способствует высо­кой термической стабильности поршня.

Основные конструктивные размероы элементов по­ршня приведены на рис. 10. Величину верхней части поршня h₁ выбирают, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла. Высота головки поршня h_г, включающая огневой пояс е, устанавливается исходя из обеспечения нормального температурного режима ее элементов — толщины днища поршня и размещения компрессион­ных и маслосъемного колец. Высота юбки h_ю определяется вели­чиной необходимого теплового зазора между юбкой поршня и ци­линдром. Чем меньше этот зазор, тем короче можно сделать юбку поршня, снизив ее массу.

При работе двигателя температура потока горящей топливо-воздушной смеси, омывающей днище поршня, сильно меняется от минимальной при пуске и прогреве двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок. При этом максимальную тем­пературу имеет днище поршня, а минимальную — юбка. Распреде­ление средней температуры при работающем двигателе по высоте поршня показано на рис. 11, а. С учетом такого распределе­ния температуры профиль поршня по высоте выполняется одной из следующих форм: ступенчатой (рис. 11, 6), конической или лекальной.

Значительная часть теплового потока от днища и огневого пояса поршня быстро уходит в стенку цилиндра через поршневые кольца и только часть теплоты передается в бобышки, а затем и в юбку поршня. При этом отвод теплоты от бобышек значительно меньше, чем от стенок юбки, которые контактируют со стенками цилиндра. В результате по оси бобышек поршень расширяется значительно

Рисунок 11. Изменение температуры по высоте поршня и зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра в разных сечениях:

а — изменение температуры по высоте поршня; б — изменение зазоров между поршнем и зерка­лом цилиндра; в — изменение площади поперечного сечения поршня; — окружность цилинд­ра; — профиль холодного поршня; - рабочий режим; перегрев; А — места заклинивания юбки поршня в цилиндре при перегреве

больше и становится овальным (рис. 11, в). Оптимальная форма поршня для вновь проектируемого двигателя подбирается в резуль­тате кропотливых и длительных экспериментов. Наиболее общими конструктивными и технологическими на­правлениями при разработке поршней современных двигателей является:

— уменьшение расстояния от днища поршня до оси бобышек в целях снижения высоты и массы двигателя;

— уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за счет вырезов в наименее нагруженных местах (Х-образные поршни);

—нанесение на днище и верхнюю канавку поршня износо- и те­рмостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алю­миния в керамику А1₂О₃;

—снижение теплового расширения поршня за счет заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок;

— покрытие юбки поршня тонким (0,003 — 0,005 мм) слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава в целях быстрой приработки, а также уменьшения трения и снижения износа;

— уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальцев;

— переход на плавающие пальцы малой длины с фиксацией шатуна от осевых перемещений в бобышках поршня;

— снижение высоты колец;

— применение специальных конструктивных и технологических элементов, улучшающих смазку и уменьшающих износ пары: по­ршень — цилиндр.

Проверочный расчет элементов поршня осуществляется без учёта переменных нагрузок, величина которых учитывается при установлении

соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня.

Расчёт поршня дизеля. На основании предыдущих расчётов получили: диаметр цилиндра D = 125 мм, ход поршня S = 135 мм, действительное максимальное давление сгорания p_Z = 7,3МПа при n_м = 2000 об/мин , площадь поршня F_п = 122 см², наибольшую нормальную силу

N_max = 0,00448 МН при φ°= 390 , массу поршневой группы m_п = 3 кг, частоту вращения n_х.х.max = 2100 мин^-1 и λ = 0,264.

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учётом соотношений, приведённых в табл. 7, принимаем: толщину поршня: высоту поршня Н = 125 мм; высоту юбки поршня h_ю = 80 мм, радиальную толщину кольца t = 5,2 мм, радиальный зазор кольца в канавке поршня t = 0,8 мм, толщину стенки головки поршня s = 10 мм, величину верхней кольцевой перемычки h_п = 6 мм, число и диаметр масляных каналов в поршне n = 10 и d_м = 2 мм (см. рис. 12.1). Материал поршня – алюминиевый сплав, α_п = 22 · 10^-6 1/К; материал гильзы цилиндра – серый чугун, α_ц = 11 · 10^-6 1/К.

Напряжение изгиба в днище поршня

Напряжение сжатия в сечении Х – Х:

Площадь сечения Х – Х

,

где ;

;

;

максимально сжимающая сила

;

напряжение сжатия

.

Напряжение разрыва в сечении Х – Х:

максимальная угловая скорость холостого хода

;

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

;

максимальная разрывающая сила:

;

напряжение разрыва:

.

Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

среза ;

изгиба ;

сложное .

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

;

.

Диаметры головки и юбки поршня:

;

,

где .

Диаметральные зазоры в горячем состоянии