4.3 Расчет шатуна

Шатун подвергается действию сжимающих и растягивающих сил от давления пара, а также сил инерции. Анализ диаграммы суммарной свободной силы показывает, что вследствие малой массы поступательно движущихся частей, силы инерции значительно меньше сил от давления пара. В связи с этим значения сил, действующих на шатун в режиме холостого хода, существенно ниже, чем в режиме работы под нагрузкой. Мы ведем расчет по силам в режиме работы компрессора под нагрузкой. Расчетная схема шатуна представлена на рисунке 6.

4.3.1 Расчет стержня шатуна

Прочность стержня шатуна проверяем по среднему I – I и минимальному II – II сечениям.

Определяем напряжение растяжения в среднем сечении (I – I):

, ,

, ,

где =1173,5 – наибольшая растягивающая сила, действующая на шатун, .

, ;

=7,3·10^-4 – площадь среднего сечения, .

, .

Определяем суммарные напряжения от сжатия и продольного изгиба в среднем сечении в плоскости качания шатуна по эмпирическим зависимостям:

, ,

, ,

где =9689,4 – наибольшая сжимающая сила, действующая на шатун, .

– момент инерции среднего сечения относительно оси , .

, ;

, ;

, .

Рис. 6 – Расчетная схема шатуна

Определяем суммарные напряжения от сжатия и продольного изгиба в среднем сечении в плоскости перпендикулярной плоскости качания шатуна по эмпирическим зависимостям:

, ,

где – момент инерции среднего сечения относительно оси , .

, ;

, ;

, ;

, ;

, .

Определяем напряжения сжатия в минимальном сечении (II – II):

, ,

где =6,24·10^-4 – площадь минимального сечения шатуна,

, .

Определяем запас прочности стержня шатуна на выносливость:

,

где – предел выносливости материала при симметричном цикле

растяжение – сжатие, .

, ;

Определяем запас прочности стержня шатуна на выносливость в плоскости :

, ;

, ;

, ;

, ;

.

Определяем запас прочности стержня шатуна на выносливость в плоскости :

, ;

, ;

, ;

, ;

.

Допускаемый запас прочности n>2 – 4.

4.3.2 Расчет поршневой головки шатуна

На поршневую головку действуют переменная по величине и направлению сила и постоянное давление со стороны втулки. Когда шатун растянут, нагрузка на головку почти равномерно распространяется по верхней половине, а когда шатун сжат, то по нижней половине примерно по косинусоидальному закону. В том и другом случаях опасное сечение III – III находится в месте перехода стержня в головку.

Определяем напряжение в сечении III – III от действия силы при растяжении:

, ,

где – нормальная сила, , (рис. П.7 [1, стр. 407]).

;

, .

– изгибающий момент, , (рис. П.7 [1, стр. 407]).

;

, ;

, ;

, .

– площадь сечения, .

, ;

, ;

– момент сопротивления сечения, .

, ;

, ;

, .

Определяем напряжение в сечении III – III от действия силы при сжатии:

;

;

, ;

, ;

, .

Определяем напряжение от давления со стороны втулки:

, ,

где – давление между головкой и втулкой, .

, ,

– максимальный натяг между втулкой и головкой, ( );

– разница теплового расширения втулки и головки, .

, ,

– коэффициент линейного расширения материала втулки (т.е. бронзы), ( );

– коэффициент линейного расширения материала головки (т.е. стали), ( );

– температура нагрева сопряжения, , ( ).

, .

– модуль упругости материала головки, , ( );

– модуль упругости материала втулки, , ( );

– коэффициент Пуассона, ( ).

, ;

, .

Определяем амплитуду напряжений цикла:

, ;

, ;

Определяем среднее напряжение цикла:

, ;

, ;

Определяем запас прочности головки на выносливость по формуле:

.