5. Расчет основных деталей двигателя

5.1.Расчет поршневой группы

5.1.1. Расчет поршня

Исходные данные для расчета поршня.

По данным теплового и динамического расчета:

Диаметр цилиндра - D= 80 мм

Ход поршня -S= 30 мм

Максимальное давление сгорания - р_zд= 6,88 МПа (=380)

Площадь поршня - F_п= 0,0054

Наибольшая удельная нормальная сила - р_{N max}= 0,4 МПа

Масса поршневой группы - m_п= 0,54 кг

По табл. 12.1. [1] принимаем:

Толщина днища поршня

 = (0,05…0,09)*D= =(0,05…0,09)*88=4,2…7,5 = 7 мм

Высота поршня

Н=(0,08…1,2)*D=(0,8…1,2)*83=66…98 = 83 мм

Высота юбки поршня

h_ю= (0,6…0,75)*D= (0,6…0,75)*83 = 49…62 = 55 мм

Радиальная толщина кольца

t= (0,035…0,045)*D= (0,035…0,045)*83 = 2,9…3,7 = 3,5 мм

Радиальный зазор кольца в канавке поршня

t= 0,7…0,95 мм = 0,9 мм

Толщина стенки головки поршня

S= (0,05…0,1) *D= = (0,05…0,1) * 83 = 4,2…8,3 = 8 мм

Величина верхней кольцевой перемычки

h_п= (0,03…0,05)*D= (0,03…0,05)*83 = 2,5…4,2 = 3 мм

Высота кольца

а = 1,5…4,0 мм = 3 мм

Число и диаметр масляного канала

n'_м= 8;d_м= (0,3…0,5)*a= (0,3…0,5)*3 =0,9…1,5 = 1 мм

Материал поршня – алюминиевый сплав _п= 22*10^-61/К

Материал гильзы цилиндра – серый чугун _ц= 22*10^-61/К

Напряжения изгиба в днище поршня

 []_из= 150 МПа

где r_i=D/2 – (s+t+t) = 83/2 – (8+3,5+0,9) = 29,1 мм

Допускаемое напряжение изгиба при наличии ребер жесткости

[]_из= 150 МПа

Напряжения сжатия в сечении х-х

_сж= Р_zд/Fх_-х= 0,037 / (1668*10^-6) = 22,2 МПа[]_сж= 40 МПа

где Р_zд= р_zд*F_п= 6,88*54*10^-4= 0,037МН

d_к = D – 2*(t+t) = 83 – 2*(3,5+0,9)=74,2 мм

Напряжения разрыва в сечении х-х

Максимальная угловая скорость холостого хода

Масса головки поршня, расположенная выше сечения х-х

m_x-x= 0,5*m_п= 0,5*0,54 = 0,27 кг

Максимальная разрывающая сила

Р_j=m_x-x*R*²_х.х.мах*(1+)=0,27*0,035*628²*(1+0,25)*10^-6=0,004659 МН

Напряжение разрыва

_р= Р_j/F_x-x= 0,004659/(1668*10^-6) =2,96 МПа[]_р= 10 МПа

Напряжения в верхней кольцевой перемычки

среза

изгиба

эквивалентные

 []_экв= 40 МПа

Удельное давление поршня на стенку цилиндра

МПа[q₁] = 1 МПа

МПа[q₂] = 0,7 МПа

Диаметры головки и юбки поршня с учетом монтажных зазоров

D_г=D-_г= 83 – 0,58 = 82,42 мм

D_ю=D-_ю= 83 – 0,17 = 82,83 мм

где _г= 0,007 *D= 0,007* 83 = 0,58 мм

_ю= 0,002 *D= 0,007* 83 = 0,17 мм

Диаметральные зазоры в горячем состоянии

'_г=D*[1+_ц*(Т_ц– Т₀)]-D_г*[1+_п*(Т_г-Т₀) =

83*[1+11*10^-6*(385-288)] – 82,42*[1+22*10^-6*(550-288)]= 0,20 мм

'_ю=D*[1+_ц*(Т_ц– Т₀)]-D_ю*[1+_п*(Т_ю-Т₀) =

83*[1+11*10^-6*(385-288)] – 82,42*[1+22*10^-6*(420-288)]= 0,019 мм

Т_ц= 383…388 = 385К; Т_г= 473…723 =550К; Т_ю= 403…473 = 420К принято по [1] при жидкостном охлаждении.

5.1.2.Расчет поршневого кольца

Материал кольца – серый легированный чугун, Е = 1,2*10⁵МПа

Среднее давление кольца на стенку цилиндра

где А₀= 3*t= 3*3,5 = 10,5 мм – разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии.

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии

Напряжение изгиба кольца при надевании его на поршень

где m= 1,75 – коэффициент, зависящий от способа надевания кольца.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца

_к='_к+*D*[_к*(Т_к-Т₀)-_ц*(Т_ц-Т₀)]=

= 0,08 + *83*[11*10^-6*(500-288)-11*10^-6*(385-288)] = 0,406 мм

где '_к= 0,06…0,1 мм = 0,08 мм – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя; Т_ц= 385К; Т_к=473…573 = 500К при жидкостном охлаждении.

5.1.3. Расчет поршневого пальца

Исходные данные для расчета

Наружный диаметр пальца

d_п= (0,22…0,28)*D= (0,22…0,28)*83 = 18… 23 = 23 мм

Внутренний диаметр пальца

d_в= (0,65…0,75)*d_п= (0,65…0,75)*23 = 14,95…17,25 = 15 мм

Длина пальца

l_п= (0,85…0,9) *D= (0,85…0,9) * 83 = 71…75 = 71 мм

Длина втулки шатуна

l_ш= (0,28…0,32)*D= (0,28…0,45)*83=23…37 = 30 мм

Расстояние между торцами бобышек

b= (0,3…0,5)*D= (0,3…0,5)*83 = 25…42 = 30 мм

Материал поршневого пальца – сталь 15Х, Е = 2*10⁵МПа

Частота вращения при максимальном крутящем моменте n_м= 3000 мин^-1

Расчетная сила, действующая на поршень

Р = Р_zmax+k*P_j= 0,037 + 0,8*0,0023 = 0,0388 МН

где Р_zд= р_zд*F_п= 6,88*54*10^-4= 0,037 МН

Р_j=m_п*R*²_м*(1+) = 0,54*0,035*314²*(1+0,25)*10^-6=0,0023 МН

k= 0,76…0,86 = 0,8 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.