4.1 Расчет поршневой группы.

Поршневая группа включает: поршень с комплектом уплотняющих колец, поршневой палец и детали его крепления.

Расчеты выполняем на основе принятых конструктивных размеров элементов поршневой группы. Расчетная схема поршневой группы приведена на рис. 2.

Конструктивные размеры элементов поршневой группы:

Толщина днища поршня:

7,04 мм; (105)

Высота поршня:

105,6 мм; (106)

Высота верхней части поршня:

44 мм; (107)

Высота юбки поршня:

66 мм; (108)

Диаметр бобышки:

39,60 мм; (109)

Расстояние между торцами бобышек:

30,80 мм; (110)

Толщина стенки юбки поршня:

4,5 мм; (111)

Толщина стенки головки поршня;

4,40 мм; (112)

Расстояние, до первой поршневой канавки:

6,60 мм; (113)

Толщина первой кольцевой перемычки:

2,64 мм; (114)

Радиальная толщина кольца:

Компрессионного:

3,96 мм; (115)

Маслосъемного:

3,52 мм; (116)

Высота кольца:

2 мм.

Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии:

10,44 мм; (117)

Радиальный зазор кольца в канавке поршня:

Компрессионного:

0,7 мм; (118)

Маслосъемного:

1 мм; (119)

Внутренний диаметр поршня:

(120)

69,88 мм;

Число масляных отверстий в поршне:

8; (121)

Диаметр масляного канала:

1 мм; (122)

Наружный диаметр пальца:

22,88 мм; (123)

Внутренний диаметр пальца:

14,87 мм; (124)

Длина пальца:

79,2 мм; (125)

Длина втулки шатуна:

26,4 мм (126)

Палец закреплен во втулке шатуна.

4.1.1 Расчет поршня

Поршень подвергается воздействию нагрузок от переменного давления газов, от инерционных сил и тепловых нагрузок. К материалам, которые используются для изготовления поршней, предъявляются особые требования. Поршни автомобильных двигателей изготавливают, в основном, из алюминиевых сплавов (АЛ10В, АЛ19, АК2, АК4) и реже из чугунов (СХ4-44,...,СЧ32-52). При расчете поршня определяем: напряжение изгиба в днище поршня; напряжение сжатия и разрыва в опасном сечении маслосъемного кольца. Выполняем также поверочный расчет удельного давления поршня на стенки цилиндра и предотвращения заклинивания поршня в рабочем состоянии с учетом принятых геометрических размеров и монтажных зазоров.

Днище поршня рассчитываем на изгиб от действия максимальных газовых усилий P_z как равномерно нагруженную круглую плиту, свободно опирающуюся на стенки поршня.

Напряжение изгиба в днище поршня:

(127)

193,42 МПа;

где P_zmax - давление газов в цилиндре принимаем без учета скругления индикаторной диаграммы.

Из условия прочности в конструкции днища поршня необходимо предусмотреть ребра жесткости.

Головка поршня в сечении Х-Х (см. рис.), ослаблена отверстиями для отвода масла. Проверяем ее на сжатие и разрыв.

Напряжение сжатия:

(128)

47,79 МПа;

где P_zmax= Р'_zmax*F_n - максимальная сила давления газов, МН;

F_x-х - площадь сечения Х-Х с учетом ослабления отверстиями для отвода масла.

Величина:

(129)

0,00099 м²;

где: d_к - диаметр поршня по дну канавок;

(130)

78,68 мм;

F’ - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала;

(131)

4,40 мм².

Напряжение разрыва:

(132)

3,76 МПа;

где Р_j – сила инерции:

(133)

159 Н;

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

(134)

0,349 кг;

где m_п - масса поршневой группы, кг;

R_кр - радиус кривошипа, м;

_x-xmax - максимальная угловая скорость холостого хода двигателя;

(135)

95 рад/с;

где n_x-xmax – максимальная частота вращения вала двигателя на холостом ходу;

(136)

909 об/мин.

Юбку поршня h_ю и всю его высоту Н проверяем на допустимое удельное давление по формулам:

(137)

0,0616 МПа;

(138)

0,0650 МПа;

Nmax=0,00252 МН;

где N_max - максимальная боковая сила, принимаем из результатов динамического расчета, МН.

В целях предотвращения заклинивания поршней при работе двигателя, размеры диаметров головки D_г и юбки D_ю поршня определяем исходя из наличия необходимых зазоров _г и _ю между стенками цилиндра и поршня в холодном состоянии:

0,35 мм; (139)

0,18 мм. (140)

Установив г и ю, определяем:

87,65 мм; (141)

87,82 мм. (142)

Правильность установленных размеров D_г и D_ю проверяем по формулам:

(143)

0,22 мм;

(144)

0,09 мм;

где - диаметральные зазоры в горячем состоянии между стенкой цилиндра и головкой поршня и, соответственно, юбкой поршня:

_ц и _п - коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня; для чугунного цилиндра _ц = 11*10^-6 1/град; для алюминиевых поршней _n =25*10^-6 1/град;

t_ц, t_г, t_ю - соответственно температура стенок цилиндра, головки и юбки поршня в рабочем состоянии. Принимаем:

t_ц=110^оС, t_г=250^оС, t_ю=200^оС;

t₀=15^оС - начальная температура цилиндра и поршня.

Так как ’ю – получаем с отрицательным значением, то необходимо предусмотреть тепловые разрезы юбки поршня.