6.3. Головка блока

Головка блока циліндрів є деталлю складної конфігурації. Конструкція головки і її основні розміри залежать від розмірів впускних і випускних клапанів, свічок, форсунок, циліндрів і форми камери згоряння. В автомобільних і тракторних двигунах з рідинним охолодженням головки циліндрів зазвичай виготовляють у вигляді загальної виливки для одного ряду циліндрів, а в двигунах з повітряним охолодженням встановлюють індивідуальні головки або головки, що об’єднують два сусідніх циліндри.

Головки циліндрів працюють в умовах дії на них великих знакозмінних навантажень і високих температур, які викликають значні навантаження. Унаслідок складності конструктивних форм і неможливості точного врахування всіх сил, що діють на головку, розрахунок її на міцність є доволі умовним. У практиці двигунобудування під час конструювання головок блока основні розміри їх приймають згідно дослідних даних, перевірених практикою.

Матеріалу для виготовлення головки блока повинна бути притаманна підвищена міцність стосовно механічних і теплових навантажень. Цим вимогам краще відповідають алюмінієві стопи (АО5) і сірі чавуни (СЧ15-32, СЧ28-48) із легуючими присадками. В двигунах з повітряним охолодженням головки циліндрів виготовляють із стопів АС9, АЛ5 і АК4.

Головка блока повинна бути достатньо жорсткою, що забезпечують шляхом відповідного вибору її основних розмірів.

Товщину _гол нижньої опорної стінки головки і товщину _р стінок водяної сорочки для двигунів з діаметром циліндра D = 8...150 мм можна визначити за наступними наближеними залежностями [7]: для двигунів Отто _гол= 0,09D; для дизелів _гол=(1,5+0,09D); для всіх двигунів _р=(2,2+0,03D).

У випадку використання алюмінієвих стопів товщину стінок відповідно збільшують на 2...3 мм.

6.4. Шпильки головки блока

Силові шпильки служать для з’єднання головки блока з блок-картером (рис. 6.2). Шпильки головки блока працюють в умовах дії на них сил від попереднього затягування, тиску газів і навантажень, що виникають внаслідок неоднакових температур і коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів головки блока, блок-картера і шпильок.

Рис. 6.2. Розрахункова схема шпильки

Кількість силових шпильок, їх конструктивні розміри і попереднє затягування повинні забезпечувати надійне ущільнення газового стику на всіх режимах роботи двигуна.

Матеріалом для виготовлення шпильок для бензинових двигунів і дизелів є вуглецеві сталі з високою межею пружності і високолеговані сталі (18XHMA, 18XHBA, 20XHBA, 40XHMA і ін.), оскільки ці матеріали сприяють зменшенню залишкових деформацій, що забезпечує хорошу герметичність газового стику.

У випадку неробочого стану і холодному двигуні силові шпильки навантажені силою попереднього затягування F_попер, яку приймають на підставі експериментальних даних у вигляді наступної залежності

,

(6.11)

де m – коефіцієнт затягування шпильки; χ – коефіцієнт основного навантаження різьового з’єднання; – сила тиску газів під час згорання, що припадає на одну шпильку.

Величина m змінюється в межах 1,5...2,0, а в з’єднанні з прокладками вона підвищується до 5 і більше.

Коефіцієнт основного навантаження різьового з’єднання

,

(6.12)

де K_пр, K_шп, K_гол – податність відповідно прокладки, шпильки і головки блока.

Для автотракторних двигунів величина χ змінюється в межах 0,15...0,25.

Під час роботи двигуна, крім зусилля затягування, на шпильки діє сила розтягу тиску газів, яка досягає найбільшого значення в момент згорання.

Сила тиску газів під час згоряння, що припадає на одну шпильку,

,

(6.13)

де – максимальний тиск згорання; А_к – проекція поверхні камери згоряння на перпендикулярну до осі циліндра площину; і_шп – кількість шпильок, що припадають на один циліндр.

У випадку розташування клапанів: нижньому А_к/А_п=1,7...2,2; верхньому А_к/А_п=1,1...1,3, де А_п – площа поршня.

Під дією сили попереднього затягування відбувається розтяг шпильки і стиск з’єднаних деталей. Під час роботи двигуна сила тиску газів у разі згорання викликає додатковий розтяг шпильки і стиск головки.

З врахуванням зменшення сили тиску у ділянці з’єднання від сил тиску газів під час згорання, сумарна сила, що розтягує шпильку,

, або ,

(6.14)

Мінімальна сила, що розтягує шпильку,

, або .

(6.15)

У випадку виготовлення головки і блок-картера з алюмінієвих стопів в стальних шпильках під час роботи двигуна з’являються додаткові теплові навантаження внаслідок підвищення температури і різних значень коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів шпильок і з’єднаних деталей.

У разі попередніх розрахунків цими навантаженнями можна знехтувати.

Максимальне і мінімальне напруження в шпильці визначають у найменшому перерізі стрижня та у внутрішньому діаметрі різі:

і ; і ,

(6.16)

де А₀ – площа мінімального поперечного перерізу стрижня шпильки; А_0р – площа поперечного перерізу шпильки у внутрішньому діаметрі різі.

Амплітуди і середні напруження циклу

і ; і .

(6.17)

Запаси міцності шпильки визначають за виразами, що наведені у розділі 2.

Коефіцієнт концентрації напружень k_ визначають за формулою (2.4) з врахуванням виду концентратора і властивостей матеріалу.

Допустимі запаси міцності змінюються в межах: =2,5...4,0 і =1,5...2,5.