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 (h_k, h_m, t) и расположение, определяются размеры жарового пояса (с) и перемычек между поршневыми кольцами (h_м.к.). Исходя, из этих данных намечается высота головки поршня (Н_г). 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:

=0,17*12,91*(0,132)²/0,02²=50 ≤ [ ],

где р_z –максимальное давление газов в цилиндре, МПа.

Допускаемое напряжение изгиба для поршней из алюминиевых сплавов АЛ10; АК 4 - [ ] =40…60 МПа.

Юбка поршня проверяется по удельному давлению от максимальной боковой силы по формуле:

= 12,87/132*106=0,92 ≤ ,

где =0,5…1,0 МПа,

Н_ю - высота юбки поршня,

Н_ю=Н_п – Н_г. =152-46=106 мм.

 

 

Рис. 6.2 Компановка поршня

Таблица 6.1

Относительные размеры деталей поршневой группы

 

Наименование размера	Обозначение	Предел значений размеров
Дизели
Высота поршня	Нп	152 мм
Высота жарового пояса	c	20 мм
Толщина днища	d	20 мм
Высота компрессионных колец	hk	4 мм
Высота маслосъемных колец	hm	6 мм
Ширина поршневых колец	t	7 мм
Высота перемычки между канавками под поршневые кольца	hм.к	8 мм
Высота головки поршня	Нг	46 мм
Расстояние от нижней кромки юбки до оси поршневого пальца	Н1	59 мм
Толщина стенки юбким	dю	5 мм
Диаметр бобышек	db	66 мм
Наружный диаметр поршневого пальца	dн.п	49 мм
Внутренний диаметр поршневого пальца	dв.п	34 мм

 

 

Расчет поршневого пальца. Проверяются удельные давления во втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня.

Удельное давление во втулке верхней головки шатуна:

=100790/49*40,9=39,9 МПа,

где F _S - суммарная сила, действующая на поршень,

l_г.ш – длина верхней головки шатуна, для бензиновых двигателей и дизелей:

l_г.ш =(0,30…0,40)D=0,4*132=40,9 мм.

 

Удельное давление в бобышках поршня:

= 100790/49*2*35=30 МПа,

где l_б – длина бобышки поршня, для бензиновых двигателей и дизелей:

l_б = (0,8…0,9)D/2-l_г.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 - =32…40МПа; =30…35МПа.

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:

= 0,152*1,2*10⁵*3/20(20-1)=0,4 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

Угол f град.
μж	1,05	1,05	1,14	0,90	0,45	0,67	2,85
р	0,4	0,4	0,46	0,36	0,18	0,27	1,14

 

 

 

Рис. 6.5 Эпюра давления поршневого кольца на стенке цилиндра