График силы ТΣ делится по длине на 4 части, которые переносятся в прямоугольные координаты Мкр – α на угловом интервале θ и выполняют их сложение с учетом знаков ординат.
Масштабы графика:
Масштаб момента Мм = 10 Нм/мм;
Масштаб угла поворота Мα = 1 град/мм.
Чтобы определить величину среднего индикаторного крутящего момента двигателя ΣМкр ср. планеметрированием определяем величину площади F графика ΣМкр, делим на длину графика θ (в мм) и результат умножаем на масштаб, т.е.:
где F – площадь, заключенная под кривой Мкр
F = 6000 мм2;
L – длина графика,
L = 180 мм
Эффективный крутящий момент двигателя:
Эффективный момент по данным теплового расчета:
Ошибка расчета составляет:
что допустимо [1, стр. 45]
3.9. Построение полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку
Результирующая сила Rшш, нагружающая шатунную шейку кривошипа, определяется как геометрическая сумма сил ТΣ, КΣ и Кιш
Т.к. геометрическая сумма сил ТΣ и КΣ равна силе SΣ, действующей вдоль оси шатуна, то выражение для силы Rшш можно записать в виде:
Поскольку сила Кιш при n = const постоянна по величине и всегда направлена по радиусу кривошипа, построение полярной диаграммы силы Rшш начинают с построения полярной диаграммы сил SΣ. Оно сводится к графическому сложению векторов сил КΣ и ТΣ в прямоугольных координатах КΣ – ТΣ. Причем за положительное направление оси КΣ берется направление вниз от начала координат, а оси ТΣ – вправо. Полученные точки соединяются плавной непрерывной линией.
Далее из точки "0" отлаживается вниз по оси величина вектора силы Кιш и получается, таким образом, новый полюс Ош. Относительного этого полюса построенная кривая представляет собой полярную диаграмму результирующих сил Rшш, действующих на шатунную шейку, ориентированного относительно неподвижного кривошипа, фиксированного в ВМТ.
При построении полярной диаграммы пользуются масштабом:
МТ = 408 Н/мм
4. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА
4.1. Расчет деталей поршневой группы
Поршневая группа двигателя включает поршень, поршневой палец, поршневые кольца и детали крепления пальца (стопорные кольца, грибки).
4.1.1. Расчет поршня
Исходные данные:
- Диаметр цилиндра D = 110 мм;
- Максимальное давление сгорания Рzmax = 6,57 МПа;
- Максимальная нормальная сила Nmax = 2881 Н;
- Масса поршневой группы mпг = 2,38 кг;
- Максимальная частота вращения холостого хода nmax = 1850 мин-1;
- Высота поршня Н = 125 мм;
- Высота юбки поршня hю = 72 мм;
- Радиальная толщина кольца t = 5,0 мм;
- Радиальный зазор кольца в канавке ∆t = 0,75 мм;
- Высота верхней межкольцевой перемычки hп = 5,05 мм;
- Число масляных каналов nм = 10;
- Диаметр масляных каналов d = 2,5 мм.
Материал поршня – алюминиевый сплав,
;
Материал гильзы – чугун специальный,
.
Рис.4. Расчетная схема поршня.
где
Максимальная сжимающая сила:
Напряжение сжатия:
Максимальная угловая скорость холостого хода:
Масса поршневой головки с кольцами, расположенными выше сечения
А – А:
Максимальная разрывающая сила:
Определяем напряжение разрыва:
Определяем напряжение в верхней межкольцевой перемычке.
Напряжение среза:
Напряжение изгиба:
Суммарное (третья теория прочности):
Определяем удельное давление поршня на стенки цилиндра:
Диаметры головки и юбки поршня в холодном состоянии:
где ∆г и ∆ю – соответственно теоретические диаметральные зазоры для верхнего и нижнего торцов поршня.
Диаметральные зазоры в горячем состоянии:
где Тц 380 º К (температура стенок цилиндров).
Тг – температура головки поршня.
Тг = 473...723 º К 490 º К
Тю – температура юбки поршня.
Тю 420 º К.
4.1.2. Расчет поршневого кольца
Кольца чугунные, СЧ20.
Определяем среднее давление кольца на стенку цилиндра:
где Е = 1·105 МПа – модуль упругости материала поршневого кольца (СЧ20);
Ж – раствор замка (разность зазоров в замке кольца в свободном его состоянии и min допускаемого).
σпк – радиальная толщина кольца Sпк = 4,5 мм
Уmax = 1,6...1,8.
Давление кольца на стенку цилиндра в любой точке:
Рφ – сводим в таблицу.
Форма кольца в свободном состоянии, обеспечивающая требуемый характер распределения давления:
Рис. 5. Эпюра радиального Рис. 6. Форма поршневого кольца
Давления по окружности цилиндра. в свободном состоянии.
Результаты расчета сводим в таблицу.
Таблица 4.
φº
0
30
60
90
120
150
180
Рφ, МПа
0,197
0,192
0,154
0,092
0,097
0,254
Y
0,0049
0,0157
0,0189
-0,005
-0,0635
-0,1331
X
0,1008
0,1152
0,1492
0,1809
0,1889
0,1618
0,1014
ρ, мм
40,86
41,0682
41,556
41,993
42,037
41,514
40,5102
Максимальное напряжение, возникающее при изгибе кольца в рабочем состоянии в его поперечном сечении против замка:
Допускаемые напряжения:
Максимальное напряжение при разведении замка в процессе надевания кольца на поршень:
где К = 1,57 – коэффициент, зависящий от способа приложения усилий к кольцу при надевании его на поршень.
Монтажный зазор ∆з в прямом замке холодного кольца:
где - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя:
Принято
- коэффициент линейного расширения материалов кольца и цилиндра.
- температура кольца;
- температура гильзы;
- начальная температура.
4.1.3. Расчет поршневого пальца
Материал – сталь 12 ХНЗА, HRC = 56...62
Размеры пальца:
Наружный диаметр: dн = 40 мм;
Внутренний диаметр: dв = 24 мм;
Длина пальца: Lп = 90 мм;
Длина поршневой головки шатуна: Lпг = 37 мм;
Расстояние между торцами бобышек: Lбп = 43 мм.
Сила инерции, действующая на поршневой палец:
Сила давления газов, действующая на поршневой палец:
Расчетная сила, действующая на поршневой палец:
где k = 0,72 – коэффициент зависящий от массы пальца (0,68...0,8).
Удельное давление на втулку поршневой головки шатуна:
Удельное давление на бабышки поршня:
Допускается Рб = 15...50 МПа.
Напряжение в среднем сечении пальца при его изгибе:
где γ = 0,6 = db / dп = 24 / 40 =0,6
Касательные напряжения в сечениях между бабышками и головкой шатуна при срезе:
Максимальная диаметральная деформация пальца при овализации:
где К – поправочный коэффициент.
Е = 2,2·105 – модуль упругости материала пальца (сталь).
Напряжения от деформации пальца:
Точка 1.
Точка 2.
Точка 3.
Точка 4.
На основании полученных значений напряжений строим их эпюру.
Рис. 7. Эпюра напряжений при овализации пальца: а) на внутренней поверхности; б) на внешней.
Монтажный зазор между пальцем и бобышками поршня:
где апп = 11·10-6 1/ ºС, ап = 22·10-6 1/ ºС.
∆tпп = 105 ºС, ∆tп = 125 ºС
принимаем равной 0,04 мм
Для облегчения сборки пальца с поршнем, последний следует прогревать.
4.2. Расчет деталей шатунной группы
4.2.1. Расчет шатуна
- Максимальное давление сгорания: Рzmax = 6,57 МПа;
на режиме n = 1700 мин-1, при φз = 370 º ПКВ.
- Масса поршневой группы: mпг = 2,544 кг;
- Масса шатунной группы: mш = 2,7 кг;
- Максимальная частота вращения холостого хода: nххmax = 1850 мин-1;
- Ход поршня: S = 125 мм;
- Длина поршневой головки: Lпг = 37 мм;
- Диаметр шатунной шейки: dшш = 68 мм;
- Длина кривошип. головки: Lкг = 40 мм;
- Высота двутаврового сечения в центре масс шатуна: hш = 36 мм;
- Ширина двутаврового сечения в центре масс: bш = 24 мм.
Шатун изготовлен из углеродистой стали 40Х.
Еш = 2,2·105 МПа;
Ев = 1,15·105 МПа;
ав = 18·10-6 1/ ºС;
аг = 11·10-6 1/ ºС.
Для стали 40Х выбираем:
Предел прочности σв = 980 МПа;
Предел усталости:
- при изгибе σ-1 = 350 МПа;
- при растяжении σ-1р = 300 МПа;
- предел текучести σт = 800 МПа;
Коэффициент приведения цикла:
- при изгибе - аσ = 0,21;
- при растяжении аσ = 0,17.
Расчет поршневой головки.
Рис.8. Расчетная схема шатуна.
1. Для случая изгиба:
2. Для случая растяжения-сжатия:
Максимальное напряжение растяжения в сечении І – І:
где mвг = 0,075, mш = 0,075·2,7 = 0,203 кг.
δгш = 7 мм.
Среднее значение и амплитуда напряжения:
то запас прочности определяем по пределу усталости:
(т.к. не имеется резких переходов)
КF = 0,72 – чистовое растачивание
Кd = 0,8
Напряжения в поршневой головке от запрессовки втулки определяются при натяге посадки втулки, ∆ = 0,05 мм:
- температурном натяге:
где ∆t = 110 ºC – степень подогрева.
- суммарном натяге:
Удельное давление на поверхности соприкосновении втулки с головкой:
где dг = 57 мм – наружный диаметр головки,
d = 43 мм – внутренний диаметр головки,
dн = 40 мм – внутренний диаметр втулки,
М = 0,3 – коэффициент Пуассона.
Напряжения на внешней внутренней поверхностях поршневой головки от действия суммарного натяга определяем по формулам Ламе:
Расчет поршневой головки на изгиб:
Максимальная сила, растягивающая головку:
Нормальная сила и изгибающий момент в сечении
где - угол заделки.
где - средний радиус головки.
Значения нормальных сил и изгибающих моментов для других сечений, расположенных под углом φ' определяем по следующим формулам:
Для φ' от 0 до 90 º
Для φ' от 90 º до φ3
(φ3 = 120 º - угол заделки)
Напряжения в крайних волокнах у наружной и внутренней поверхностях по формулам:
где коэффициент b = Ег · Fг / (Ег · Fг + Ев · Fв)
Fг, Fв – площадь сечения стенок головки и втулки.
Результаты расчетов сводим в таблицу. Таблица 5
φ, град
80
100
110
NJ, Н
-6020,7
-6131,2
-6229,65
-6282,15
-6232
-6006,38
-5591,2
МJ, мм
-0,468
2,294
4,753
6,061
4,98
-0,831
-11,21
σаi, МПа
-22,34
-14,34
-7,206
-3,411
-6,532
-23,395
-53,49
σJi, МПа
-18,74
-29,72
-39,09
-44,202
-39,97
-17,82
21,68
Рис. 10. Эпюра напряжений во внутреннем и внешнем волокнах
поршневой головки шатуна при сжатии.
Суммарная сила, сжимающая головку:
Нормальная сила и изгибающий момент в сечении .
Значения нормальных сил и изгибающих моментов для других сечений, расположенных под углом φ к вертикальной плоскости
Напряжения в крайних волокнах у наружной и внутренней поверхностей:
Результаты вычислений сводим в таблицу.
Таблица 6.
φ
165,2
95,34
19,55
2,635
218,13
846,43
MJ, Нм
2,39
4,13
5,686
6,514
6,45
1,064
14,645
σai, МПа
7,82
12,88
17,39
19,79
19,6
398,45
-41,56
-8,18
-14,81
-20,47
-23,89
-23,65
-3,137
56,6
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7