Заняття 4 Особливості конструювання поршневої групи

1. Основні параметри конструювання поршневої групи

2. Розрахунок деталей поршневої групи.

1. Розглянемо процеси створення двигуна для нового легкового автомобіля. Якими перспективними властивостями автомобіль повинен володіти? Високою швидкістю і маневреністю або високими тягово-динамічними властивостями. Для підвищення швидкості необхідний двигун з високою частотою обертання, а це означає, що маса кривошипно-шатунного механізму повинна бути невеликою, хід поршня теж зменшується, зменшується і розмір кривошипа, а потужність повинна залишатися достатньою. Крім того, для забезпечення маневреності у двигуна повинна бути хороша прийомистість, тобто швидке збільшення і скидання обертів. Очевидно, зі збільшенням оборотів зменшуються габарити і маса двигуна, збільшується динаміка, що потребують спеціальних заходів по збільшенню міцності і врівноважування механізму. Так як час кожного такту двигуна буде зменшуватися, то необхідно переходити на чотирьох клапанні газорозподільні механізми, підвищувати швидкість газу впускних і вихлопних патрубків. Все це враховується при складанні технічного завдання на проектування нов Зупинимося на загальних компонуваннях двигунів внутрішнього згоряння. З усіх наявних в промисловості компонувань в основних застосовуються три:

1. Рядні двигуни, коли всі циліндри розташовані в ряд вздовж колінчастого вала (двигуни ВАЗ) (рис. 1).

2. Двигуни з V-образним розташуванням циліндрів і з суміжними двома шатунами на одній шатунної шийці (двигуни КамАЗ, ЯМЗ) (рис. 2).

3. Двигуни зі зіркоподібним розташуванням циліндрів, з одним головним шатуном і рештою причіпними (рис. 3). Це авіаційні двигуни типу АШ-82Т для літаків або АШ-82В для вертольотів, а також для підводних човнів.

Середні співвідношення розмірів деталей двигуна до діаметру D

При проектуванні конструктор враховує наступні пара-метри: Сп - швидкість поршня; n - частоту обертання валу;

S / D - відношення ходу поршня до його діаметра;

Pг - середнє ефективне тиск;

i - число циліндрів; D-діаметр циліндрів.

Зі збільшенням діаметра поршня підвищується ефективний ККД, але підвищується навантаження на кривошипно-шатунний механізм і підшипники. Зазвичай діаметри поршня не перевершують D = 150 мм. Вибравши компоновку двигуна, приступають до проектування циліндропоршневої групи.

ого двигуна.

2. Найкращим методом розрахунку температурних полів і напружень-ний служить метод кінцевих елементів. Існуючі програмні комплекси Cosmos Works, Cosmos / M, Nastran, Ansys та інші дозволяють з високою точністю визначати напружено-деформується стан поршня від всіх видів механічних і теплових навантажень. Попередньо познайомимося з спрощеними інженерними методами:

1. Визначення зносостійкості спідниці поршня (рис. 6.3). При ра-робочому ході поршня виникає бічна сила, яка притискає спідницю поршня до циліндра. Визначимо номінальну потужність і знайдемо максимальну бічну силу Nmax з динамічного розрахунку. Що потрібно зробити для цього? З індикаторної діаграми знайдемо величину тиску для номінальної потужності і, помноживши на площу днища поршня, знайдемо силу, прикладену до поршня. Потім розкласти живий цю силу на дві складові уздовж шатуна і по нормалі до циліндра, одержимо Nmax. Після цього, за наближеною формулою визна-ділимо величину тиску спідниці поршня на стінку циліндра.

де - діаметр поршня, - висота поршня або довжина спідниці поршня.

Допустимий тиск для поршнів двигунів з іскровим запалюванням (ДсІЗ) МПа. Для поршнів дизелів МПа.

2. Оцінка впливу температурних розширень. Щоб зберегти рухливість поршня, необхідно забезпечити діаметральний зазор між бічною поверхнею поршня і циліндра. Згадаймо про про-дольной і діаметральної бочкоподібності поверхонь поршня (рис. 6.2). Ця бочко подібність в основному залежить від температурних розширень поршня і на кожному двигуні встановлюється практи-но на підставі цілого ряду експериментів. Для оцінки використовуємо наближену формулу

де - монтажний зазор між поршнем і циліндром, мм;

і - коефіцієнти лінійного розширення матеріалу циліндра і поршня, 1/К;

і – температури циліндра і відповідного поясу поршня.

- початкова температура поршня і циліндра, К

Зазори перевіряють для верхнього торця головки поршня і для юбки. Відносний діаметральний зазор для даних зон має забезпечувати наступне відношення: = 0,002... 0,003 для Жарового поясу і 0,0005... 0,001 для низу юбки.

3. Розрахунок днища поршня на вигин під дією газових сил.

Для бензинових двигунів найбільший тиск газу наступає на режимі максимального крутного моменту. Для дизелів максимум тиску досягається на режимі максимальної потужності.

Тоді напруги вигину в днищі поршня, МПа, дорівнюють

де , МН; , м³;

- максимальний тиск у камері згоряння

r - внутрішній радіус поршня, м,

– товщина поршня в кільцевій канавці під перше компресійне кільце;

- глибина кільцевої канавки під перше компресійне кільце;

– товщина днища поршня.

У розрахунках поршня дію змінних навантажень враховується за допомогою допустимих напружень. При відсутності ребер жорсткості для поршнів з алюмінієвих сплавів допустимі напруги МПа; для поршнів з чавуну – =40…50 МПа. При наявності ребер жорсткості відповідно для алюмінієвих сплавів =50…150 МПа; для чавуна – =80…200 МПа.

Температурні напруги через різницю температур внутрішній і зовнішній поверхні знаходять тільки для чавунних поршнів.

де α - коефіцієнт лінійного розширення, рівний 1/град;

Е - модуль пружності, МПа,

– питома теплова навантаження, Вт/м2;

– товщина днища, м;

– коефіцієнт теплопровідності чавуну, Вт / (мК), = 58.

Для чотиритактних двигунів

де n - частота обертання, хв^-1

- середній тиск, МПа.

допустимі напруги МПа.

Для алюмінієвих поршнів внаслідок високої теплопровідності металу температурні напруги не визначають.

4. Розрахунок поршня на стиск і на розрив від інерційних сил.

Розрахунок ведемо по перерізу X - X (рис. 6.3) по западині масло знімного кільця, де перетин ослаблене масло відвідними отворами.

- сила тиску, що діє на днище поршня, МН;

- площа січення X – X, .

- площа діаметрального перетину отвору для відводу масла;

- число отворів;

- діаметр западини кільцевої проточки під масло знімне кільце;

- діаметр внутрішньої стінки поршня;

МПа; МПа; МПа.

Розрахунок напружень відриву головки поршня

; ,

де - маса головки поршня над перетином Х - Х з кільцями,

- радіус кривошипа, м; - максимальна кутова швидкість холостого ходу двигуна, рад/с; l _ш – довжина шатуна, м.

Допустимі напруги розтягнення:

МПа; МПа.