4.3. Поршневой палец

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воз­действию переменных нагрузок, приводящих к возникновению на­пряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указан-ными условиями работы к материалам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляются требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементирован­ные малоуглеродистые и легированные никелем и хромом стали с твердой поверхностью и вязкой основой.

Основные конструктивные размеры поршневых пальцев (см. рис. 19) обычно принимаются по статистическим данным (см. табл. 17) или по данным прототипов с последующей проверкой расчетом. Большинство бензиновых двигателей имеет поршневые пальцы диаметром 20…23 мм с цилиндрическим внутренним отверстием. Пальцы диаметром 17…19 мм имеют двигатели малого рабочего объема. В современных высокофорсированных двигателях наблюда- ется тенденция к увеличению толщины стенок пальцев и уменьше- нию их длины, особенно при использовании способа фиксации шатуна от осевого перемещения в бобышках поршня. Поршневые пальцы дизелей имеют диаметр в основном в пределах 24…30 мм, но в 1,5…2 раза более толстые стенки в целях обеспечения их жестко- сти и прочности. Основные типы поршневых пальцев пред­ставлены на рис. 26.

Расчет поршневого пальца включает определение удельных дав­лений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений от изгиба, среза и овализации.

Максимальные напряжения в пальцах бензиновых двигателей возникают при работе на режиме максимального крутящего момента, а в пальцах дизелей – при работе на номинальном режиме.

Расчетная сила (МН), действующая на поршневой палец:

. (38)

Для бензиновых двигателей: р_{z. max} – максимальное давление газов на режиме максимального крутящего момента (МПа); k – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца, k = 0,76…0,86; P_j – сила инерции поршневой груп­пы, при n = n_M (МН);

для дизелей: р_z. max – максимальное давление газов на номиналь- ном режиме (МПа); k = 0,68…0,81 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца; – сила инерции поршневой груп­пы (MH) при n = n_M, n = n_N.

Рис. 26. Основные типы поршневых па­льцев: а – палец с цилиндрическим отверстием и относительно тонкими стенками для среднефорсированных двигателей; б – палец с увеличенной жесткостью в среднем сечении; в – короткий палец с толстыми стенками для высокофорсированных двигателей; г – палец для дизеля с толстыми стенками; д – палец «равного сопротивления изгибу» с коническими отверстиями

Удельное давление (МПа) пальца на втулку поршневой головки шатуна

, (39)

где d_п – наружный диаметр пальца (м); l_ш – длина опорной поверхности пальца в головке шатуна (м).

Удельное давление плавающего пальца на бобышки

, (40)

где l_п – общая длина пальца (м); b – расстояние между торцами бобышек (м); (l_п – b) – длина опорной поверхности пальца в бобыш­ках (м).

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q_Ш = 20…60 МПа и q_Б = 15…50 МПа. Нижние пределы относятся к трак­торным двигателям.

Напряжение изгиба пальца (МПа) при условии распределе­ния нагрузки по длине пальца согласно эпюре, приведенной на рис. 27:

, (41)

где α = d_В/d_П – отношение внутреннего диаметра пальца к наруж- ному.

Для автомобильных и тракторных двигателей [σ_ИЗ] = 100…250 МПа.

Касательные напряжения (МПа) от среза пальца в сечениях, расположенных между бобышками и головкой шатуна:

. (42)

Для автомобильных и тракторных двигателей [τ] = 60…250 МПа. Нижние пределы относятся к тракторным двигателям, а верх­ние – к пальцам, изготовленным из легированной стали.

Вследствие неравномерного распределения сил, приложенных к пальцу (принимается синусоидальное распределение нагрузки по по-верхности пальца – рис. 27а), при работе двигателя происходит деформация сечения пальца (овализация). Возникающие при этом напряжения имеют различные значения по длине пальца и его сече- нию.

Рис. 27. Расчетная схема поршневого пальца: а – распределение нагрузки; б – эпюры напряжений

Максимальная овализация пальца, т. е. наибольшее увеличение гори­зонтального диаметра Δd_П. max (мм), наблюдается в его средней, самой напряженной части:

, (43)

где Е – модуль упругости материала пальца (для стали Е_П = (2,0…2,3)·10⁵ МПа.

Значение Δd_п. max не должно быть больше 0,02…0,05 мм.

Напряжения, возникающие при овализации пальца на внешней и внутренней поверхностях (см. рис. 27б), определяют для горизонтальной (точки 1 и 2 при φ = 0°) и вертикальной (точки 3 и 4 при φ = 90°) плоскостей по следующим формулам:

на внешней поверхности пальца в горизонтальной плоскости (точки 1, ψ = 0)

; (44)

на внешней поверхности пальца в вертикальной плоскости (точки 3, ψ = 90˚)

; (45)

на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости (точки 2, ψ = 0°)

; (46)

на внутренней поверхности пальца в вертикальной плоскости (точки 4, ψ = 90°)

. (47)

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости. Это напряжение, подсчитанное по формуле (46), не должно превышать 300…350 МПа.