3.3 Поршневий палець

Під час роботи двигуна на поршневий палець діють змінні навантаження, що призводять до виникнення напружень згину, зсуву, зминання і овалізації. Відповідно вказаним умовам роботи до матеріалів, що застосовують для виготовлення пальців, висувають вимоги високої міцності і в’язкості. Для виготовлення пальців застосовують цементовані маловуглецеві і леговані сталі: 15Х, 15ХА, для форсованих двигунів 12ХН3А, 18Х2Н4МА.

Основні конструктивні розміри поршневих пальців (рис. 3.5) зазвичай приймають згідно статистичних даних (табл. 3.1) чи за даними прототипів з наступною перевіркою розрахунком.

Розрахунок поршневого пальця складає визначення питомого тиску пальця на втулку верхньої головки хитня і на бобишки, а також напруження від згину, зрізу і овалізації.

Максимальні напруження в пальцях двигуна Отто виникають під час роботи в режимі максимального обертового моменту, а в пальцях дизелів – під час роботи в номінальному режимі.

Рис. 3.5. Конструктивна схема пальця

Розрахункове навантаження, що діє на поршневий палець

,

(3.15)

де p_z max = p_z – для двигунів Отто найбільший тиск газів в режимі максимального обертового моменту, що наближено дорівнює максимальному тиску згоряння в номінальному режимі без врахування заокруглення індикаторної діаграми; для двигунів Дизеля p_z max = p_z в режимі максимальної (номінальної) потужності; k – коефіцієнт, що враховує масу поршневого пальця (для двигунів Отто k = 0,76...0,86; а для дизелів – k = 0,68...0,81); – сила інерції поршневої групи, для двигунів Отто у разі , для дизелів , .

Розрахункова схема поршневого пальця наведена на рис. 3.6.

Питомий тиск пальця на втулку поршневої головки хитня

,

(3.16)

де d_п – зовнішній діаметр пальця; l_х – довжина опорної поверхні пальця в головці хитня.

Питомий тиск плаваючого пальця на бобишки

,

(3.17)

де l_п – загальна довжина пальця; b – відстань між торцями бобишок; (l_п–b) – довжина опорної поверхні пальця в бобишках.

Для сучасних автомобільних і тракторних двигунів q_х = 20...60 МПа і q_б = 15...50 МПа. Нижні границі стосуються тракторних двигунів.

Напруження згину в середньому перерізі пальця за умови розподілу навантаження згідно епюри, яка наведена на рис. 3.6,

,

(3.18)

де – відношення внутрішнього діаметра пальця до зовнішнього.

Рис. 3.6. Розрахункова схема поршневого пальця із зазначеними епюрами навантажень та моментів

Для автомобільних і тракторних двигунів [_зг] = 100...250 МПа.

Дотичні напруження зрізу в перерізі пальця між бобишками і головкою хитня

.

(3.19)

Для автомобільних і тракторних двигунів [] = 60...250 МПа. Нижні границі притаманні тракторним двигунам, а верхні – пальцям, що виготовлені з легованої сталі.

Внаслідок нерівномірного розподілу сил, що прикладені до пальця, у разі роботи двигуна відбувається деформація перерізу пальця (овалізація). Напруження, що виникають в цьому випадку, мають різні значення за довжиною і його перерізом (рис. 3.7).

Максимальна овалізація пальця спостерігається у середній частині пальця. Максимальне збільшення горизонтального діаметра пальця у разі овалізації

,

(3.20)

де Е – модуль пружності матеріалу пальця. Для сталі Е = (2,0...2,3)10⁵ МПа. Значення d_п.max не повинно перевищувати 0,02...0,05 мм.

Рис. 3.7. Розподіл навантаження на поршневий палець та епюри напружень, що виникають у ньому

Напруження, що виникають у разі овалізації пальця на зовнішній і внутрішній поверхнях (рис. 3.7), визначають для горизонтальної (точки 1 і 2 у разі  = 0) і вертикальної (точки 3 і 4 у разі  = 90) площин за наступними формулами: на зовнішній поверхні пальця в горизонтальній площині (точки 1,  = 0):

;

(3.21)

на зовнішній поверхні пальця у вертикальній площині (точки 3,  = 90)

.

(3.22)

на внутрішній поверхні пальця у горизонтальній площині (точки 2,  = 0)

;

(3.23)

на внутрішній поверхні пальця у вертикальній площині (точки 4,  = 90)

.

(3.24)

Найбільше напруження овалізації виникає на внутрішній поверхні пальця в горизонтальній площині. Це напруження не повинно перевищувати 300...350 МПа.