Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Pr_rch_DVS_25_4_2011.doc
Скачиваний:
6
Добавлен:
01.03.2025
Размер:
8 Мб
Скачать
☆
    1. Розрахунок деталей шатунної групи

До розрахункових елементів шатунної групи відносяться: стержень шатуна, поршнева і кривошипна головки, шатунні болти.

При тепловому і динамічному розрахунках бензинового двигуна отримано: максимальний тиск згоряння pzд =5,15 МПа при максимальній потужності , кількості обертів nе = 5600 хв-1 і φ =3700; хід поршня S= 62 мм; площу дна поршня Fn = 37,4 см2; λш= 0,27; максимальну частоту обертання колінчастого вала на холостому ходу хв-1; масу, віднесену до поршневої головки шатуна, – m1 = 0,147 кг; масу, віднесену до кривошипної головки шатуна, – m2 = 0,389кг; масу деталей, які здійснюють обертальний рух навколо осі колінчастого вала, mR= mn + m2=0,809 кг.

Згідно з розрахунком поршневої групи вказаного двигуна зовнішній діаметр поршневого пальця – мм; довжина поршневої головки шатуна – мм.

На рисунку 7.9 наведено розрахункову схему шатуна.

Рисунок 7.9 – Розрахункова схема шатуна

Коструктивні розміри або співвідношення розмірів елементів шатуна автотракторних двигунів наведено в таблиці 7.7.

Таблиця 7.7 – Конструктивні співвідношення розмірів елементів шатуна

Параметр

Бензинові двигуни

Дизелі

Внутрішній діаметр поршневої

головки (втулки) d:

без втулки

з втулкою

Зовнішній діаметр головки dгол

Довжина поршневої головки

шатуна lш:

з закріпленим пальцем

з плаваючим пальцем

Мінімальна радіальна товщина стінки головки hг Радіальна товщина стінки

втулки sв

d ≈ dп

(1,10…1,25)·dп

(1,25…1,65)·dп

(0,28…0,32)·D

(0,33…0,45)·D

(0,16…0,27)·dп

(0,055…0,085)·dп

d ≈ dп

(1,10…1,25)·dп

(1,30…1,70)·dп

(0,28…0,32)·D

(0,33…0,45)·D

(0,16…0,27)·dп

(0,055…0,085)·dп

Розрахунок поршневої головки шатуна

Згідно з таблицею 7.7 приймаємо: зовнішній діаметр головки шатуна

dгол = 30 мм; внутрішній діаметр поршневої головки (втулки) d= 24,4 мм; радіальну товщину стінки втулки sв = 1,5 мм; радіальну товщину стінки головки hг=( dгол – d)/2 = (30 – 24,4)/2= 2,8 мм; радіальну товщину стінки втулки sв = (d – dп) / 2 = (24,4 – 22) / 2 = 1,2 мм.

Матеріал шатуна –вуглецева сталь 45Г2; модуль пружності

Еш = 2,2·10 5 МПа, коефіцієнт розширення αш= 1·10 -5 1/К. Матеріал втулки – бронза; модуль пружності Евт = 1,15·10 5 МПа, αвт= 1,8·105 1/К.

Визначаємо сумарний тиск на поверхні контакту втулки з головкою шатуна:

, (7.41)

де Δ - натяг посадки бронзової втулки, Δ = 0,04…0,045 мм;

Δt = d ·(αвт –αш)· ΔT. У нашому випадку Δt = 24,4 ·(1,8 −1)·10-5·110 = 0,0215, мм – температурний натяг;

ΔT – середня температура підігріву головки і втулки шатуна при роботі двигуна, ΔT = 100…200 К;

μ - коэфіциєнт Пуассона, μ = 0,3.

Після підстановки значень відповідних параметрів знаходимо:

39,53МПа.

Отримавши тиск втулки на поверхню головки, згідно з рівняннями Ламе, визначаємо напруження від сумарного натягу на поверхнях:

– зовнішня поверхня поршневої головки шатуна:

; (7.42)

МПа.

– внутрішня поверхня поршневої головки шатуна:

; (7.43)

МПа.

Допустимі значення напруження МПа.

Визначаємо максимальну силу інерції мас поршневої групи, що рухаються зворотно-поступально при n = ne:

(7.44) де с-1 –кутова швидкість колінчастого вала на номінальному режимі роботи двигуна.

Після підстановки значень параметрів знаходимо:

Н;

На рисунку 7.10 наведено розподіл навантаження на поршневу головку а) – при розтягуванні, б) – при стискуванні.

а) б)

Рисунок 7.10 – Схема навантаження поршневої головки шатуна

Визначаємо величину нормальної сили у вертикальному перерізі головки шатуна (переріз 0 – 0):

(7.45)

Н;

де – кут защемлення, = 105 град.

Знаходимо величину згинаючого моменту у вертикальному перерізі головки шатуна за формулою:

(7.46)

Н·м.

де rcp–середній радіус поршневої головки,

(7.47)

м.

Визначаємо величину нормальної сили у перерізі, що відповідає куту защемлення:

(7.48)

Н.

Знаходимо згинаючий момент у цьому ж перерізі:

(7.49)

Н·м.

Визначаємо напруження від розтягуючої сили у зовнішньому шарі головки шатуна:

(7.50)

де К=Еш·Fг / (Еш· Fг+ Ев· Fвп) = 2,2·105·140 / (2,2·105·140+1,15·105·60)= 0,817;

Fг=(dг – d)·lш = (30 – 24,4)·25 = 140 мм2;

Fв=(dг – dп)·lш = (24,4 – 22)·25 = 60 мм2.

Визначаємо сумарну силу, що стискує головку,

Рст = (рzд –p0 )·Fn ; (7.51)

Рст = (5,15 − 0,1)·0,00374·106 − 5686= 13201 H.

де рzд – максимальний тиск згоряння в циліндрі двигуна, МПа;

Pjn –максимальна сила інерції мас поршневої групи, що рухаються зворотно-поступально, при n = ne. За формулою (7.44):

Визначаємо нормальну силу від стискуючої сили у розрахунковому перерізі:

(7.52)

Н ,

де = 0,0005, визначається з таблиці 7.8.

При визначенні кут у формулу підставляється у радіанах.

Таблиця 7.8 – Значення розрахункових параметрів

Параметри

Кут защемлення , град.

100

105

110

115

120

125

130

0,0001

0,0005

0,0009

0,0018

0,0030

0,0060

0,0085

0

0,0001

0,00025

0,0006

0,0011

0,0018

0,0030

Визначаємо згинаючий момент від стискуючої сили у розрахунковому перерізі:

(7.53)

= – 0,265 Н·м.

Визначаємо напруження у зовнішньому шарі від стискуючої сили:

(7.54)

= –7,19 МПа.

Визначаємо запас міцності:

(7.55)

де – межа витривалості матеріалу при розтягуванні, = 210 МПа;

= 0,12 – коефіцієнт приведення циклу при розтягуванні;

= 0,7 – коефіцієнт, який враховує фактор обробки поверхні.

Запас міцності поршневої головки має знаходитись у межах

= 2,5…5,0.

Розрахунок кривошипної головки шатуна

Згідно з результатами теплового і динамічного розрахунків бензинового двигуна отримано: хід поршня S= 62 мм; радіус кривошипа R=S/2= 31 мм; масу деталей, що здійснюють зворотно-поступальний рух

m j = mn + m1= 0,420 + 0,147= 0,567кг.

Прийнявши масу шатуна за прототипом двигуна mш =0,536 кг, знаходимо m2 = mш·0,725 кг; масу деталей, які здійснюють обертальний рух навколо осі колінчастого валу, mR = mш + m2= 0,809 кг; максимальну частоту обертання колінчастого вала на холостому ходу хв-1; відношення радіусу кривошипа до довжини шатуна λш = 0,27.

Основні конструктивні розміри кривошипної головки шатуна приймаємо згідно з даними, які наведено в таблиці 7.9.

Таблиця 7.9 – Конструктивні розміри кривошипної головки шатуна

Розміри елементів кривошипної головки

Межі розмірів

Діаметр шатунної шийки, шш

(0,56…0,75)·D

Товщина стінки вкладиша, :

тонкостінного

товстостінного

(0,03…0,05)· шш

0,1· шш

Відстань між шатунними болтами, Сб

(1,30…1,75) · шш

Довжина кривошипної головки,

(0,45…0,95) · шш

Для розрахунків приймаємо: шш= 46мм; мм; Сб= 62мм;

= 25мм.

Визначаємо максимальну силу інерції, що діє на кришку нижньої головки шатуна і вкладиш:

; (7.56)

М·Н.

де с-1 – кутова швидкість колінчастого вала на максимальних обертах холостого ходу;

– маса поршневої групи, = 0,420 кг;

– маса шатунної групи, яка здійснює зворотно-поступальний рух, =0,147 кг;

m2 = mш·0,725 = 0,536·0,725 = 0,389 кг – маса шатунної групи, яка здійснює обертальний рух;

mкр= (0,20…0,28)· mш= 0,25· 0,536= 0,134 кг – маса кришки кривошипної головки.

Знаходимо напруження згину нижньої кришки шатуна і вкладиша:

, (7.57)

де с = 0.062мм – відстань між осями шатунних болтів;

0,025·0,0023 = 2·10-10 м4– момент інерції розрахункового перерізу вкладиша;

– момент інерції розрахункового перерізу кришки;

= 0,5·(0,046 + 2·0,002) = 0,025 м;

м4;

= 0,025·(0,5·0,062 – 0,025)2= 12·10-8 м4– момент опору розрахункового перерізу;

= 0,025·(0,062 –0,046) = 0,0004 м2.

Після підстановки значень розрахункових параметрів знаходимо:

МПа.

Допустимі значення напруження МПа.

Розрахунок стержня шатуна бензинового двигуна

Визначаємо силу інерції, яка намагається розірвати шатун, при номінальній частоті обертання колінчастого вала:

; (7.58)

МН.

де с-1 – кутова швидкість колінчастого вала на номінальному режимі роботи двигуна.

Максимальна сила тиску газів, що стискує шатун:

Рг = (рzd –p0 )·Fn ; (7.59)

Рг = (5,15 − 0,1)·0,00374= 0,0189 МH.

Визначаємо сумарне напруження при стиску з урахуванням згину у площині качання шатуна за формулою:

; (7.60)

МПа,

де Кх =1,15 – коефіцієнт, який враховує подовжній згин шатуна;

– площа шатуна в розрахунковому перерізі;

– момент інерції середнього перерізу стержня відносно осі, перпендикулярної площині качання шатуна.

Матеріал шатуна –вуглецева сталь 45Г2; модуль пружності Ест = 2,2·10 5 МПа. При виборі сталей для виготовлення шатуна використовують також коефіцієнт = 0,0002…0,0005.

Значення параметрів для визначення (рисунок 7.9) беремо з таблиці 7.10.

Таблиця 7.10 – Розміри перерізу шатуна

Розміри перерізу шатуна

Бензиновий двигун

Дизель

(0,50…0,55)·

(1,2…1,4)·

(0,50…0,60)

(0,55…0,75)

≈ ,мм

(2,5…4,0)

(4,0…7,5)

Приймаємо: = 0,023м, м, = 0,018 м, = = 0,0035,м.

Отже, м2.

Визначаємо сумарне напруження при стиску з урахуванням згину у площині, перпендикулярній площині качання шатуна, за формулою:

; (7.61)

МПа.

де Ку =1,05 – коефіцієнт, який враховує подовжній згин шатуна у площині, перпендикулярній площині качання шатуна;

– момент інерції середнього перерізу стержня відносно осі, що лежить у площині качання шатуна.

Допустимі значення напружень МПа, МПа.

Визначаємо напруження від розтягуючої сили за формулою:

; (7.62)

МПа.

Знаходимо амплітуду напруження у площині перерізу х – х шатуна:

; (7.63)

МПа.

Визначаємо середнє напруження у площині перерізу х – х шатуна:

; (7.64)

МПа.

Знаходимо амплітуду напруження у площині перерізу у – у шатуна:

; (7.65)

МПа.

Визначаємо середнє напруження у площині перерізу у – у шатуна:

; (7.66)

МПа.

Знаходимо запас міцності шатуна у площині перерізу х – х:

; (7.67)

Визначаємо запас міцності шатуна у площині перерізу у – у:

; (7.68)

де = 210 МПа –межа витривалості матеріалу шатуна при розтягуванні для бензинових двигунів. Для дизелів ==300 МПа;

= 0,12 – коефіцієнт приведення циклу при розтягуванні-стискуванні матеріалу шатуна;

= 0,7 – коефіцієнт, який враховує характер обробки поверхні.

Запаси міцності і для шатунів мають знаходитись у межах 1,5…2,5.

Розрахунок шатунних болтів

Попередніми розрахунками встановлено, що максимальна сила інерції, яка розриває кривошипну головку і, як наслідок, шатунні болти,

Pjр = 0,0138 МН. Вибираємо матеріал для болтів – сталь 40Х. Приймаємо для болтів: кількість болтів – іб =2; номінальний діаметр – мм; крок різьби – t = 1 мм.

Практикою встановлено, що надійність стикового з’єднання забезпечується за умови

Pпз > Pjр / іб , (7.69)

де Pпз – сила попередньої затяжки болта, Pпз = (2…3)· Pjр , МН.

Приймаємо

Pпз =2· Pjр = 2·0,0138= 0,0276 МН.

Визначаємо величину сумарної сили, що розтягує болт,

; (7.70)

мН,

де χ – коефіцієнт основного навантаження різьбового з’єднання; відповідно до практики конструювання двигунів χ = 0,15…0,25. Для розрахунку приймаємо χ = 0,2.

Максимальне напруження у перерізі болта по внутрішньому діаметру:

; (7.71)

МПа.

де dв=d –1,4·t = 0,01–1,4·0,001=0,0086 м – внутрішній діаметр різьби болта.

Визначаємо мінімальне напруження у перерізі по внутрішньому діаметру різьби болта:

; (7.72)

М Па. Знаходимо значення амплітуди напруження:

; (7.73)

МПа.

Знаходимо середнє значення напруження:

; (7.74)

МПа.

Визначаємо запас міцності болта за формулою:

; (7.75)

де – границя витривалості матеріалу болтів шатуна при розтягуванні-стискуванні, = 380 МПа;

Кσ – коефіцієнт концентраціі напружень, Кσ = 3;

- коефіцієнт приведення циклу при розтягуванні-стискуванні, = 0,17;

– коефіцієнт, який враховує характер обробки поверхні, = 0,9.

Після підстановки значень розрахункових параметрів знаходимо:

Запас міцності для шатунних болтів має бути не нижче = 2,0…2,5.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]