3. Расчёт деталей шатунной группы

3.1. Расчёт верхней головки шатуна

Верхняя (поршневая) головка шатуна проверяется на разрыв в опасном сечении с учётом усталости от суммарной силы инерции поршневой группы и верхней половины головки. Опасным сечением является диаметральное сечение "I—I" головки плоскостью, перпендикулярной оси шатуна [1, рис. 13.1]. Расчётный режим — режим максимальной частоты вращения.

Суммарная (максимальная) сила инерции P_j, МН

где m'_ВГ — конструктивная масса половины головки шатуна, расположенной выше диаметрального сечения "I—I", кг/м² ( );

m'_Ш =110 — конструктивная масса шатунной группы, кг/м² (из динамического расчёта).

Максимальное напряжение растяжения цикла σ_max, МПа

где F_I_–_I — площадь расчётного сечения "I—I", м² ( );

d_Г =1,25*0,01848= 0,0231— наружный диаметр головки, м;

d =1,1*0,01848= 0,020328— внутренний диаметр поршневой головки (под втулку), м.

Значения величин d_Г и d принимаются по данным справочной литературы [1, табл. 13.1].

Запас прочности при пульсирующем цикле напряжений n_σ

где σ_-1_Р — предел выносливости материала шатуна на растяжение при симметричном цикле нормальных напряжений, МПа [1, табл. 11.3, 11.4]; k_σ — коэффициент концентрации напряжений (k_σ=1…2); ε_σ — коэффициент, учитывающий влияние масштабного и технологического факторов на усталостную прочность материала (ε_σ=1); α_σ — коэффициент приведения заданного асимметричного цикла к равноопасному симметричному при нормальных напряжениях (α_σ=0,12…0,16); — минимально допустимый запас прочности ( =2,5…5,0).

3.2. Расчёт стержня шатуна

Стержень шатуна рассчитывается в среднем сечении "В—В" [1, рис. 13.1] на растяжение, сжатие и продольный изгиб с учётом усталости от действия знакопеременных газовых и инерционных нагрузок на режиме максимальной мощности.

Максимальная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс, растягивающая стержень шатуна, P_j_Р, МН

где m'_j =117,5 — конструктивная масса возвратно-поступательно движущихся частей КШМ, кг/м² (из динамического расчёта).

Максимальное напряжение растяжения в среднем сечении стержня "В—В" σ_Р_max, МПа

где F_В–В — площадь сечения "В—В" стержня, м².

Площадь F_В–В определяется по формуле

где h_Ш=0,01617м, b_Ш=0,015048м, a_Ш =0,003м и t_Ш =0,003м — размеры среднего сечения шатуна, м [1, табл. 13.5].

Максимальная суммарная сила, сжимающая стержень шатуна, P_Σ, МН

Максимальные условные напряжения в среднем сечении стержня "В—В", учитывающие сжатие и продольный изгиб:

— в плоскости качания шатуна σ_Xmax, МПа

— в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна, σ_Ymax, МПа

где σ_В - предел прочности материала шатуна, МПа [1, табл. 11.3, 11.4]

L - длина шатуна (расстояние между осями головок), м =0,028/0,23=0,12174;

L₁ =L-d/2-dшш/2-tв=0,12174-0,010164-0,0231-0,0231=0,086116м - длина стержня шатуна между расточками под втулку верхней головки и под вкладыш нижней головки шатуна, м [1, рис. 13.1, табл. 13.4]; Е - модуль упругости материала шатуна, МПа (для стали Е=2,2·10⁵ МПа); I_X, I_Y -моменты инерции среднего сечения стержня "В—В" относительно осей x и y, м⁴.