Монтажный зазор (мм) в прямом замке поршневого кольца в холодном состоянии

Ак = А/ + [а (Т - То) - ац (Г„ - Г„)], (250)

где Ди - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя (Дк = 0,06 -4- 0,10 мм); Ок и ац - коэффициенты линейного.расширения материала кольца и гильзы цилиндра; Г, Гц и Го - соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и начальная температура Го = 293 К; при водяном охлаждении Гц = 383 -г- 388, Г„ = 473 -4- 573 К; при воздушном Г„ = 443 - -4- 463, Гк = 523 - 723 К.

Расчет поршневого кольца карбюраторного двигателя. Необходимые данные для расчета приведены в § 44. Материал кольца - серый чугун, £ = 1,0 • 105 МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра

Рср = 0,152£.

(D/t-lf (D/t)

= 0,152. 1 . lOx

10,5/3,5

= 0,212 МПа,

(78/3,5 - 1)8 (78/3.5)

где Ло = 3/ = 3 • 3,5 = 10,5 мм.

Давление (МПа) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности

Р = Рсг>\>-к

Значения \1к для различных углов ф приведены выше. Результаты расчета р, а также \Ik для различных углов ф приведены ниже:

4-. град ....... О 30 60 90 120 150 180

(Ак.......... 1.05 1.05 1.14 0.90 0,45 0,67 2,85

Р. МПа....... 0,223 0,223 0.242 0.191 0,0955 0,142 0.604

По этим данным построена эпюра давлений кольца на стенку цилиндра (рис. 97).

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии

аиз, = 2,61pcp(D - 1)2 = 2,61 . 0,212(78/3,5- 1)* = 251 МПа. Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень а„з2 = 4£(1-0,114Ло/0 4. 1-10(1-0.114-10.5/3,5) m(D/t-l,4)(D/t) 1,57(78/3,5- 1,4) (78/3.5)

Монтажный зазор в замке поршневого кольца

Дк = л; + ttD К (Гк - Го) - (Гц - Го)] = = 0,08+3,14 •78(11 10-6(493-293)- 11 • 10-6(383 - 293)] =

= 0,352 мм,

где Д; = 0,08 мм, Гц = 383, Г = 493 и Го = 293 К. 214

Расчет поршневого кольца дизеля. Необходимые данные для расчета приведены в § 44. Материал кольца - серый чугун, Е = = 1 . 105 МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра

р,,= 0,152£

(Dlt-\r(Dlt) 15.6/5.2

= 0,152 • 1 • 105 X

(120/5,2-1)3(120/5.2)

= 0,186 МПа,

где Ло = 3/ = 3 • 5,2 = 15,6 мм.

Давление (МПа) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности

Р = РсрР-к.

Результаты расчета р, а также (г» Для различных углов ф приведены ниже:

4, град....... О 30 60 90 120 150 180

„.......... 1,05 1,05 1,14 0,90 0,45 0,67 2,85

МПа....... 0.195 0,195 0.212 0.167 0.0837 0.125 0.53

По этим данным построена эпюра давлений кольца на стенку цилиндра (рис. 98).

Напряжение и31"«ба кольца в рабочем состоянии

аиз1 = 2,61р,р(0/-1)2 =

= 2,61 . 0,186(120/5,2-1)2-*

= 235 МПа.

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень

4£(1 -0,114Ло/0 "" m(D/t-lA) (DIt)

4-М№(1 -0,114-15,6/5,2) 1,57(120/5,2- 1.4) (120/5,2)

= 337 МПа.

Рис. 98. Эпюра давлений компрессионного кольца дизеля

Монтажный зазор в замке поршневого кольца

Дк = а; + [ак (Гк - Го) - (Гц - Го)] = 0,08 + + 3,14 . 120[11 . 10-6 (498 - 293) -11 • Юб (388 - 293)] = 0.536 мм.

где Д; = 0.08 мм, Г„ = 388, Гк = 498 и Го = 293 К.

§ 46. ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условями работы к материлам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляются требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементированные малоуглеродистые и легированные стали.

Основные конструктивные размеры поршневых пальцев (см. рис. 96) обычно принимаются по статистическим данным (см. табл. 50) или по данным прототипов с последующей проверкой расчетом.

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 карбюраторных 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:

Р = Ргт. + kPj. (251)

Для карбюраторных двигателей: ргтах - максимальное давление газов на режиме максимального крутящего момента (МПа); k = 0,76 - 0,86 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца; Pj =-maiiiRll + К)- 10"® - сила инерции поршневой группы при п = пл(, МН;

для дизелей: ргтах-максимальное давление газов на номинальном режиме, МПа; k - 0,68 0,81 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца; Pj = -m(oR{l + X) • lO - Сила инерции поршневой группы при п = Пи, МН.

Удельное давление (МПа) пальца на втулку поршневой головки шатуна

= P/idJJ, (252)

где - наружный диаметр пальца, м, 1 - Длина опорной поверхности пальца в головке шатуна, м.

Удельное давление плавающего пальца на бобышки

q6 = P/[dniln-b)], (253)

где /п - общая длина пальца, м; b - расстояние между торцами бобышек, м; (l-b) - длина опорной поверхности пальца в бобышках, м.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q = = 20 -f- 60 и % = 15-ь50 МПа. Нижние пределы относятся к тракторным двигателям.

Напряжение изгиба пальца (МПа) при условии распределения нагрузки по длине пальца согласно эпюре, приведенной на рис. 96:

»нз = Р (/„ + 2fc - 1,5/J/[l ,2 (1 - а*) dl], (254)

где а = djd - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному. •

Для автомобильных и тракторных двигателей [а„з] = 100-f-250Mna.

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

X = 0,85Р (1 -f ос -f <х2)/[(1 4].

(235>

Для автомобильных и тракторных двигателей [т] = 60 4- 250 МПа, Нижние пределы относятся к тракторным двигателям, а верхние - к пальцам, изготовленным из легированной стали.

0° 0°-i

Рнс. 99. Расчетная схема поршневого пальца: о - распределение нагрузки; б - эпюры напряжений

Вследствие неравномерного распределения сил, приложенных к пальцу (принимается синусоидальное распределение нагрузки по поверхности пальца - рис. 99, а), при работе двигателя происходит деформация сечения пальца (овализация). Возникающие при этом напряжения имеют различные значения по длине пальца и его сечению.

Максимальная овализация пальца (наибольшее увеличение горизонтального диаметра Аистах, мм) наблюдается в его средней, наиболее напряженной части:

1,35Р /l+«V[0,l-(a-0,4)«], - (256)

Ad„ max =

1 -a

где E - модуль упругости материала пальца (для стали (2,0 Ч-2,3)105 МПа).

Значение Adnmax не должно быть больше 0,02-0,05 мм.

Напряжения, возникающие при овализации пальца на внешней и внутренней поверхностях (рис. 99, б), определяют для горизонтальной (точки / и 2 при ф = 0°) и вертикальной (точки 3 и 4 при ф = 90°) плоскостей по следующим формулам:

на внешней поверхности пальца в горизонтальной плоскости (точки /, ф =0°)

0,19

(2 + а) (1+а)

1 -а

[0,1-(а-0,4)3] МПа;

(257)

на внешней поверхности пальца в вертикальной плоскости (точки 5, ф = 90)

15Р Гр 171 (2 + °)а + °) [ 0..?36-(1-а)? 1-а.

Ой 90° - -

X [0,1-(а-0,4)3] МПа;

(258)

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

о» =

(1 + 2а)(1+а) 1 (1-а)«а 1-а

indn L

X [0,1-(а -0,4)«] МПа;

(259)

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

"90° =

О iyi(»+2a)(»+a) 0.636 (1-а)а 1-а

X [0,1 - (а - 0,4)3] МПа. (260)

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости. Это напряжение, подсчитанное по формуле (259), не должно превышать 300-350 МПа,

Расчет поршневого пальца карбюраторного двигателя. Основные данные для расчета приведены в §44. Кроме того, принимаем: действительное максимальное давление сгорания Рг max = ргд = 6,195 МПа при п„ = 3200 об/мин (из расчета скоростной характеристики), наружный диаметр пальца dn = 22 мм, внутренний диаметр пальца d - 15 мм, длину пальца = 68 мм, длину втулки шатуна /щ - = 28 мм, расстояние между торцами бобышек b - 32 мм. Материал поршневого пальца - сталь 15Х, Е - 2 • МПа. Палец плавающего типа.

Расчетная сила, действующая на поршневой палец: газовая

Ргтах = max = 6,195 • 47,76 • 10"* = 0,0296 MHj

инерционная

Р; = - mwlR (1 + X). 10-6 = - 0,478 • 335?. 0,039 (1 + 0,285) х X 10-6 = - 0,00269 МН, где со„ = TznJ30 = 3,14 . 3200/30 = 335 рад/с; 318

расчетная

Р = Рг max + kPj = 0,0296 - 0,82 . 0,00269 = 0,0274 МН. Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна

0,0274

dnim 0,022-0,028 Удельное давление пальца на бобышки Р 0,0274

= 44,5 МПа.

<7б =

d„(l„-b) 0.022(0.068 - 0.032)

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца

Р(гп+26-1.5/ц.) 1.2(1-a«)d3

= 34,6 МПа.

0,0274(0.068 + 2 0,032- 1,5 - 0,028)

= 246,1 МПа.

1,2 • (1 -0.682*) . 0.0223

где а = djd 15/22 0.682.

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна

0,85Р(1 +а + «) 0,85 . 0.0274 (1 + 0.682 + 0.682)

(1 -а*) 4 (1 -0,682*) . 0,0222

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации

1,35 • 0.0274 /1 + 0.б82\з

2.10.0.068 1ГГШ; • =

= 0,0313 мм.

Напряжения овализации на внешней поверхности пальца: в горизонтальной плоскости (точки 7, ф = 0°)

0.19

1,5 - 0.0274 0.068 . 0.022

(2 + а) (I +а) (1-а)2

(2 + 0,682) (1 +0.682)

1 -а

[0,1-(а-0,4)3] 1

(1 -0,682)2

1 -0,682 .

X 10,1 - (0,682 - 0,4)3] = 114 МПа; в вертикальной плоскости (точки 5, ф = 90°)

ro.,74-iLLl(! hf) + Ьо,1 - (а-0,4)3,=

"а SO" ~