Модернизация системы охлаждения двигателя Газели (стр. 14 из 19)

Моменты от сил инерции второго порядка в связи с зеркальным расположением цилиндров полностью уравновешены:

(5.35)

Рис. 5.1 Схема уравновешивания двигателя

5.8 Равномерность крутящего момента и равномерность хода дви

гателя.

Равномерность крутящего момента:

; (5.36)

Избыточная работа крутящего момента:

Дж (5.37)

где

– площадь над прямой среднего крутящего момента, мм².

рад в мм – масштаб угла поворота вала на

диаграмме М_кр.

Равномерность хода двигателя принимаем δ=0.01.

Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала:

кг·м² (5.38)

6. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА НА ПРОЧНОСТЬ

6.1 Расчет поршня

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки, поэтому при его изготовлении к материалу предъявляются повышенные требования. Поршни автомобильных и тракторных двигателей изготовляют в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна.

Основные конструктивные соотношения размеров элементов поршня (рис. 6.1) приведены в табл. 6.1. Величину верхней части поршня h₁выбираем, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла. Это условие обеспечивается при

(6.1)

где h_r – высота головки поршня.

Расстояние b между торцами бобышек зависит от способа крепления поршневого пальца и обычно принимается на 2-3 мм больше длины верхней головки шатуна l_ш. Конкретные значения конструктивных элементов поршня принимаются по прототипам с учетом соотношений, приведены в табл. 6.1.

Поверочный расчет элементов поршня осуществляется без учета переменных нагрузок, величина которых учитывается при установлении соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня.

Днище поршня рассчитывается на изгиб от действия максимальных газовых условий р_zmax как равномерно нагруженная круглая плита, свободно опирающаяся на цилиндр.

Рис. 6.1 Схема поршня

Материал поршня – алюминиевый сплав, α_п=22·10^-6 1/К.

Материал гильзы цилиндра – серый чугун, α_ц=11·10^-6 1/К.

Для дизелей максимальное давление газов обычно достигается при работе на режиме максимальной мощности.

Таблица 6.1

Наименование	диапазон		значение
Толщина днища поршня, d	(0,12 ¸ 0,20)D		8
Высота поршня, Н	(1,0 ¸ 1,7)D		105
Высота верхней части поршня, h1	(0,6 ¸ 1,0)D
Высота юбки поршня, hю	(0,6 ¸ 1,1)D		65
Диаметр бобышки, dб	(0,3 ¸ 0,5)D
Расстояние между торцами бобышек, b	(0,3 ¸ 0,5)D		44
Толщина стенки юбки поршня, dю, мм	2,0 ¸ 5,0
Толщина стенки головки поршня, s	(0,05 ¸ 0,10)D		7
Расстояние до первой поршневой канавки, l	(0,11 ¸ 0,20)D
Толщина первой кольцевой перемычки, hп	(0,04 ¸ 0,07)D		4
Радиальная толщина кольца, t
компрессионного	(0,040 ¸ 0,045)D		4
маслосъемного	(0,038 ¸ 0,043)D		3
Высота кольца, а, мм	3-5		3
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии Ао	(3,2 - 4,0) t
Радиальный зазор кольца в канаве поршня ∆t, мм
компрессионного	0,70 – 0,95		0.8
маслосъемного	0,9 – 1,1
Внутренний диаметр поршня, di	D – 2 ( s+t+∆t )
Число масляных отверстий в поршне, nм	6-12		10
Диаметр масляного канала, dм	(0,3 - 0,5) a		1
Наружный диаметр пальца, dп	(0,30 ¸ 0,38)D		24
Внутренний диаметр пальца, dв	(0,50 ¸ 0,70)dп		16
Длина пальца, lп	(0,80 ¸ 0,90)D		80
Длина втулки шатуна, lш	(0,33 ¸ 0,45)D		40

Напряжение изгиба (МПа) в днище поршня

МПа (6.2)

где р_zmax=р_z=6.356 МПа – максимальное давление сгорания;

мм – внутренний радиус днища.

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости. Кроме того, в целях повышения износо- и термостойкости поршня целесообразно осуществить твердое анодирование днища и огневого пояса, что уменьшит возможности перегрева и прогорания днища, а также пригорания верхнего компрессионного кольца.

При отсутствии у днища ребер жесткости допустимые значения напряжений [s_из] (МПа) лежат в пределах:

Для поршней из алюминиевых сплавов …………….…..…20-25

При наличии ребер жесткости [s_из] возрастают:

Для поршней из алюминиевых сплавов …………………...до 50-150

Головка поршня в сечении х–х, ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжение сжатия в сечении х-х:

площадь сечениях – х

м² (5.3)

где

мм– диаметр поршня по дну канавок;

мм – внутренний диаметр поршня;

мм² – площадь продольного диаметрального

сечения масляного канала.

Максимальная сжимающая сила:

МН (6.4)

Напряжение сжатия:

МПа (6.5)

Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов [s_сж] = 30 ¸ 40 МПа.

Напряжение разрыва в сечении х-х:

- максимальная угловая скорость холостого хода:

рад/с (6.6)

- масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х:

кг (6.7)

- максимальная разрывающая сила:

(6.8)

МН

Допустимые напряжения на разрыв для поршня из алюминиевых сплавов [s_р] = 4 ¸ 10 МПа.

- напряжение разрыва:

МПа (6.9)

Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

- среза:

МПа (6.10)

где D=93 мм – диаметр цилиндра;

h_п=4 мм – толщина верхней кольцевой перемычки.

- изгиба:

МПа (6.11)

- сложное:

МПа (6.12)

допускаемые напряжения s_S (МПа) в верхних кольцевых перемычках с учетом значительных температурных нагрузок находятся в пределах:

для поршней из алюминиевых сплавов…………….…30-40.

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

МПа (6.13)

МПа (6.14)

где N_max=0.0025 МН – наибольшая нормальная сила, действующая на стенку

цилиндра при работе двигателя на режиме максималь-

ной мощности.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q₁ = 0.3 ¸ 1.0 и q₂ = 0.2 ¸ 0.7 МПа.

Гарантированная подвижность поршня в цилиндре достигается за счет установления оптимальных диаметральных зазоров между цилиндром и поршнем при различных тепловых нагрузках, возникающих в процессе работы дизеля. По статистическим данным для алюминиевых поршней с неразрезными юбками

∆_r=(0.006 ¸ 0.008)D=0.007·93=0.651 мм (6.15)

∆_ю = ( 0.001 ¸ 0.002 )D=0.002·93=0.186 мм (6.16)

Диаметры головки и юбки поршня:

мм (6.17)