Компоновка и расчет деталей поршневой группы
Практика конструирования двигателя рекомедует определенные соотношения между элементами поршня. Компоновку рекомендуется начинать с отработки головки поршня. Учитывая конструкцию двигателя-прототипа и установившиеся тенденции в мировом двигателестроении выбирают количество поршневых колец,их размеры (hk, hm, t) и расположение, определяются размеры жарового пояса (с) и перемычек между поршневыми кольцами (hм.к.). Исходя, из этих данных намечается высота головки поршня (Нг). Относительные размеры деталей поршневой группы приведены в таблице. Задавшись затем толщиной днища (d) и формой его внутренней части, очерчивают контур камеры сгорания (в случае расположения ее в поршне) или контур наружной поверхности днища и наносят очертание внутренней поверхности днища. Выбрав основные размеры поршня наносят его контур на компоновочную схему и намечают положение оси поршневого пальца, отложив по оси цилиндра от основания юбки расстояние Н1. Вокруг полученного центра вычерчивают контур бобышки и, проведя силовые ребра к внутренней поверхности днища окончательно вычерчивают внутренний контур головки и юбки поршня. Изобразив на схеме поршневые кольца, каналы для отвода масла от маслосъемных колец оформляют внешний контур деталей поршневой группы. При компоновке V-образного двигателя поршневая группа в разрезе изображается только в одном (правом или левом) цилиндре, во втором цилиндре поршень вычерчивается без разреза. После компоновки поршневой группы выполняется проверочные расчеты на прочность. Расчет поршня. При работе двигателя в поршне возникают сложные напряжения от сил давления газов, инерционных и термических нагрузок. Вместе с тем определяющим параметром при расчете на прочность является толщина днища (d) поршня. Приближенная проверка прочности днища поршня, как круглой пластинки, защемленной по краям и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, может быть определена по формуле:
где рz –максимальное давление газов в цилиндре, МПа. Допускаемое напряжение изгиба для поршней из алюминиевых сплавов АЛ10; АК 4 - [ Юбка поршня проверяется по удельному давлению от максимальной боковой силы по формуле:
где Ню - высота юбки поршня, Ню=Нп – Нг. =152-46=106 мм.
Рис. 6.2 Компановка поршня Таблица 6.1 Относительные размеры деталей поршневой группы
Расчет поршневого пальца. Проверяются удельные давления во втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня. Удельное давление во втулке верхней головки шатуна:
где F S - суммарная сила, действующая на поршень, lг.ш – длина верхней головки шатуна, для бензиновых двигателей и дизелей: lг.ш =(0,30…0,40)D=0,4*132=40,9 мм.
Удельное давление в бобышках поршня:
где lб – длина бобышки поршня, для бензиновых двигателей и дизелей: lб = (0,8…0,9)D/2-lг.ш – 2= 0,85*132/2-40,9-2=35 мм.
В современных двигателях допускаемые удельные давления равны (материал-сталь 20,15Х,15ХН): для дизелей -
Рис. 6.3 Компановка поршневого пальца
Расчет поршневых колец. Размеры кольца определяются на основе нормативов, установленных ГОСТ на поршневые кольца. Последовательность расчета следующая: а) Задаются величиной D/t=20, определяющей упругость кольца. б.) Определяют зазор в замке кольца S0 при его установке в цилиндр из соотношения S0/t=3. в) Определяют среднее давление кольца на стенку цилиндра (для грушевидной эпюры давления), МПа:
где Е – модуль упругости материала кольца (для чугуна Е =1,2.105 МПа). Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной формы эпюры давления:
г) Строим эпюру радиальных давлений кольца на стенку цилиндра.
Рис. 6.4 Компановка компрессионного и маслосъемного колец Таблица 6.2 Относительные радиальные давления для грушевидной эпюры
Рис. 6.5 Эпюра давления поршневого кольца на стенке цилиндра
|
=0,17*12,91*(0,132)2/0,022=50 ≤ [ 
],
= 12,87/132*106=0,92 ≤ 
,
=100790/49*40,9=39,9 МПа,
= 100790/49*2*35=30 МПа,
=32…40МПа; 
=30…35МПа.
= 0,152*1,2*105*3/20(20-1)=0,4 МПа,
.
