5.2. Кривошипная головка

Основные конструктивные размеры кривошипной головки шатуна приведены в табл. 22.

Таблица 22. Значения основных конструктивных размеров

кривошипной головки шатуна

Название элемента		Пределы изменения
Диаметр шатунной шейки dШ.Ш		(0,56…0,75)·D
Толщина стенки вкладыша tВ	тонкостенного	(0,03…0,05)· dП
	толстостенного	0,1·dш. ш
Расстояние между шатунными болтами СБ		(1,3…1,75)·dш. ш
Длина кривошипной головки lK		(0,45…0,95)·dш. ш

Точный расчет кривошипной головки весьма затруднен вслед- ствие невозможности полного учета влияния конструктивных факторов. Приближенный расчет кривошипной головки шатуна сводится к определению напряжения изгиба в среднем сечении II – II крышки головки от инерционных сил P_jp (МН), имеющих мак- симальное значение в начале впуска (φ = 0°) при работе дизеля, оснащенного регулятором частоты вращения коленчато- го вала на режиме максимальной частоты вращения холостого хода:

, (76)

где m_п – масса поршневой группы (кг); m_ш. п и m_ш. к – соответствен- но массы шатунной группы, совершающие возвратно-поступатель- ное и вращательное движение (кг); m_кр – масса крышки криво- шипной головки (кг), m_кр ≈ (0,20…0,28)·m_ш; m_ш – масса шатунной группы (кг).

Напряжение изгиба крышки (МПа) с учетом совместной дефор­мации вкладышей

, (77)

где С_Б – расстояние между шатунными болтами (м); , – момент инерции расчетного сечения соответственно вкладыша и крышки (м⁴), , ; W_из – момент сопротивления расчетного сечения крышки без учета ребер жесткости (м³), W_из = l_к·(0,5·С_б – r₁)²/6; r₁ – внутренний радиус кривошипной головки (м), r₁ = 0,5·(d_ш.ш + 2·t_в); d_ш. ш – диаметр шатунной шейки (м); t_в – толщина стенки вкла­дыша (м); F_в – суммарная площадь крышки и вкладыша в расчетном сечении (м²), F_в = l_к·0,5·(С_б – d_ш. ш).

Значение σ_из изменяется в пределах 100…300 МПа.

5.3. Стержень шатуна

Помимо длины L_Ш = R/λ основными конструктивными параметрами стержня шатуна являются размеры его среднего сечения В – В (см. рис. 28). Значения этих параметров для отечественных автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 23.

Таблица 23. Значения основных конструктивных размеров стержня шатуна

Элемент	Дизельные двигатели	Бензиновые двигатели
hШ. min	(0,5…0,55)·dг	(0,5…0,55)·dг
hШ	(1,2…1,4)·hш. min	(1,2…1,4)·hш. min
bШ	(0,55…0,75)·lш	(0,5…0,6)·lш
аШ ≈ tШ	4,0…7,5	2,5…4,0

Стержень шатуна рассчитывают на усталостную прочность в среднем сечении В – В при действии знакопеременных суммар- ных сил (газовых и инерционных), возникающих при работе двигателя на режимах n = n_N или n = n_М. Обычно расчет ведется для режи- ма максимальной мощности. Запас прочности сечения определяется в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости. Усло­- вием равнопрочности стержня шатуна в обеих плоскостях является n_х = n_Y.

Сила, сжимающая шатун, достигает максимального значения в начале рабочего хода при р_Zд и определяется по результатам динамического расчета или по формуле

, (78)

где m_j = m_п + 0,275·m_ш – масса возвратно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма (условно предполагается, что среднее сечение В – В находится в центре тяжести шатуна).

Сила, растягивающая шатун, достигает максимального значения в начале впуска (в в.м.т.) и также определяется по результатам динамического расчета или по формуле

, (79)

где р_Г – давление остаточных газов.

От сжимающей силы Р_СЖ в сечении В – В возникают максималь­ные напряжения сжатия и продольного изгиба (МПа):

в плоскости качания шатуна

, (80)

где – коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания шатуна, ; σ_е = σ_в – предел упругости материала шатуна (МПа); L_Ш – длина шатуна (м), L_Ш = R/λ; – момент инерции сечения В – В относительно оси х – х, перпендикулярной к плоскости качания шатуна (м⁴), ; – площадь среднего сечения шату- на (м²), .

в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания:

, (81)

где – коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости, перпендикулярной к плоскости качания шатуна, ; L₁ – длина стержня шатуна между поршневой и кривошипной головками (м), L₁ = L_Ш – (d + d₁)/2; – момент инерции сечения В – В относительно оси у – у, лежащей в плоскости качания шатуна (м⁴), .

В современных автомобильных и тракторных двигателях напряжения σ_mах. X и σ_max. Y для углеродистых и легированных сталей не должны превышать соответственно 160…250 и 200…350 МПа.

Минимальное напряжение, возникающее в сечении В – В от рас-тягивающей силы P_Р, в плоскости качания шатуна и в перпендикулярной плоскости, определяется по формуле

. (82)

Запасы прочности стержня шатуна в плоскости качания n_х и в перпендикулярной плоскости n_y определяются по уравнениям, при­веденным в разделе 3. При определении n_х и n_y принимает- ся, что коэффициенты концентрации напряжений k_σ зависят только от ма­териала шатуна. Для шатунов автомобильных и тракторных двига­телей значения n_х и n_у не должны быть ниже 1,5.