Кривошипно-шатунный механизм

Мощность  в расчетных точках, кВт:

 

Эффективный крутящий момент, Нм:

 

Удельный  эффективный расход топлива, г/(кВт-ч):

 

Среднее эффективное давление, МПа:

 

Коэффициент наполнения:

 

Часовой расход топлива, кг/ч:

 

Таблица 3

Частота вращения коленчатого вала п об/мин	Параметры внешней скоростной характеристики
	Nех, кВт	Мсх, Н- м	г/(кВт- ч)	СТх, кг/ч
500	14,36	274,40	379,3	5,42	0,80	0,86
1000	31	296,10	291,5	9,03	0,78	0,87
,1500	47,7	303,82	196,85	9,25	0,77	0,97
2000	62,9	300,47	75,6	4,68	0,77	0,89
2500	74,6	285,09	78,1	5,77	0,76	0,90
3000	81,1	258,28	274,5	22,23	0,76	0,90
3200	81,6	243,63	367	29,84	0,77	0,92
3500	81,8	235,95	379,7	33,79	0,76	0,94

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 2 - Скоростные характеристики двигателя

 

4. Расчет деталей двигателя на прочность

  4.1 Приведение масс кривошипно-шатунного механизма

Определяем  площадь поршня

 

 

Масса поршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава )

 

 

Масса шатуна ( )

 

 

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

 

 

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

 

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов ( )

 

Массы, совершающие возвратно-поступательные движения:

 

 

Массы совершающие вращательное движение:

 

 4.2 Удельные и полные силы инерции

 

1)Удельная сила инерции поступательно  движущихся масс

 

 

где - поступательно движущаяся масса

F= = - площадь поршня

R=0,044679м - радиус кривошипа

 

 

2) Силы инерции вращающихся масс

 

 

3) Силы инерции вращающихся масс  шатуна

 

3. Расчет поршня

 

Поршень работает в тяжелых условиях, так  как подвергается воздействию как  механических нагрузок от давления газов  и сил инерции, так и термических  из-за необходимости отвода теплоты  от нагретой газами головки в охлаждающую  среду. Кроме того, направляющая часть  работает на износ при высоких  температурах. Основные требования к  материалу поршня:

• хорошая теплопроводность;
• малые значения коэффициента линейного расширения;
• высокая механическая прочность и жаростойкость;
• малый удельный вес.

Для уменьшения износа юбка поршня имеет  бочкообразный профиль по образующей и овальный профиль в поперечном сечении. Днище поршня имеет выемку, а в бобышках сделаны отверстия  для прохода масла к поршневому пальцу.

Материал  поршня – алюминиевый сплав.

Исходные  данные:

Диаметр цилиндра                                                D=102,7 мм

Ход поршня                                                           S=80 мм

Толщина днища поршня                                       d=7,5мм  

Высота поршня       Н=94,6мм 

Высота  юбки поршня      h_ю=67мм

Толщина стенки головки поршня    S=7,25мм

Величина  верхней кольцевой перемычки            h_n=3мм

Число масляных канавок в поршне            n_м=6

Диаметр масляных канавок     d_м=0,6мм

Наружный  диаметр пальца     d_n=27мм

Длина втулки шатуна      l_ш=34мм

Длина пальца       l_n=70мм

Расстояние  между торцами бобышек   в=36мм

 

 

Рис.3.1. Расчетная схема поршня

 

 

Напряжения, возникающие по контору заделки

,

где t – радиальный зазор маслосъемного  кольца (t = 3,225 мм);

∆t – радиальный зазор компрессионного  кольца (∆t = 0,8 мм).

Напряжения в центре днища

Рассчитаем сечение Х-Х . Напряжения сжатия ;

 

 

Напряжение разрыва в сечении  Х-Х 

 

 

 

Напряжения в верхней кольцевой  перемычке.

а) среза

 

 

б) изгиба

 

 

в) суммарное

 

Удельное давление на стенку цилиндра

       4.5 Расчет шатуна на прочность

 

Шатун подвергается воздействию знакопеременных  газовых инерционных сил. Помимо напряжения сжатия в стержне шатуна возникают напряжения изгиба и растяжения.

Для изготовления шатуна должны быть выбраны  высококачественные материалы, обладающие высокой прочностью, относительным  удлинением, сопротивлением удару, пределом усталости.

Необходимо  также учитывать одно из основных требований к конструкции шатуна – получение минимальной массы  при необходимой прочности и  надежности.

Шатун стальной, кованный, двутаврового сечения. В нижней головке шатуна выполнено  отверстие, через которое масло  разбрызгивается на поверхность  цилиндра.

Материал  шатуна: Ст 45Г2 ГОСТ 4543-71

         4.6 Расчет поршневой головки шатуна

 

Исходные  данные:

Масса поршневой группы            m_п=0,99337кг

Масса шатунной группы    m_ш=1,245кг

Частота вращения                       n=3200 об/мин

Ход поршня               S=0,080м

Площадь поршня      F_п=0,0083м²

Диаметр верхней головки шатуна:

Наружный      d_г=35

Внутренний              d=26мм

Радиальная  толщина стенки головки 

Для стали 45Г2 имеем:   

Предел  прочности    

Предел  усталости при изгибе   

Предел  текучести                      

Расширение-сжатие    

Коэффициент приведения цикла при изгибе a_σ=0,17

Коэффициент приведения цикла при растяжении-сжатии a_σ=0,12

При изгибе:

 

При растяжении-сжатии:

 

 

 

Рис.3.3. Расчетная схема шатунной группы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис 3.4 Шатун стальной, кованный, двутаврового сечения.

 

Расчет  сечения I-I

Максимальное  напряжение пульсирующего цикла

 

Среднее напряжение и амплитуда  напряжения.

 

 

e_м=0,86 – масштабный коэффициент

e_n=0,9-коэффициент поверхностной чувствительности (чистое обтачивание внутренней поверхности головки)

то запас прочности в сечении I-I определяем по пределу усталости

Напряжения от запрессованной втулки:

удельное давление на поверхности  соприкосновения втулки с головкой

где - коэффициент Пуассона;

- суммарный натяг.

Напряжения от суммарного натяга на внешней поверхности головки

напряжения от суммарного натяга на внутренней поверхности головки

Рис.3.4. Расчетная схема головки  шатуна

а- при растяжении; б- при сжатии

Расчет  на усталостную прочность сечения  перехода головки шатуна в стержень.

-Максимальная сила, растягивающая головку

-Нормальная сила и изгибающий  момент в верхней части шатуна

 -Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы

-Напряжения  на внешнем волокне от растягивающей  силы

Суммарная сила, сжимающая головку:

-Нормальная сила и изгибающий  момент в расчетном сечении от сжимающей силы.

-Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы

-Максимальное и минимальное  напряжение а симметричного цикла

-Среднее напряжение и амплитуда  напряжений

то  запас прочности в сечении  перехода головки шатуна в стержень определяем по пределу текучести

    4.7 Расчет кривошипной головки шатуна

Исходные  данные

Масса шатунной группы:                                                            m_ш = 1,245 кг

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца m_шп = 0,342 кг

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа              m_шк = 0,903 кг

Масса крышки кривошипной головки                        m_кр = 0,25 m_ш=0,311 кг

Диаметр шатунной шейки                                                       d_шш = 60мм

Толщина стенки вкладыша                                                      t_b = 3,14 мм

Расстояние  между шатунными болтами                                с_б = 77 мм

Длина кривошипной головки                                                  l_k = 27 мм

 

 

 

Максимальная  сила инерции

 

Момент сопротивления  расчетного сечения:

 

 

Момент инерции  вкладыша и крышки

 

 

Напряжения  изгиба крышки и вкладыша.

;

 

 

    4.8 Расчет стержня шатуна

 

Длина шатуна                                                             : l_ш = 166 мм

Размеры сечения шатуна: b_ш=15,75 мм, a_ш=7,5 мм, t_ш=4мм, h_ш=30 мм

Внутренний  диаметр головки                                   d₁ =67мм

 

 

Из динамического расчета имеем:

Площадь и  момент инерции расчетного сечения В – В

Максимальное  напряжение от сжимающей силы в плоскости  качания шатуна

В плоскости  перпендикулярной плоскости качания  шатуна

 

 

L₁ – длина стержня шатуна между расточками верхней и нижней головок шатуна.

L₀– расстояние между осями головок шатуна.

Минимальное напряжение осей растягивающей силы

 

 

Средние напряжения и амплитуды цикла:

 

где - эффективный коэффициент концентрации напряжений;

 

т.к.

 

и

 

запас прочности  в сечении определяется по пределу  усталости

 

 

    4.9 Расчет шатунных болтов

Из  расчета кривошипной головки  шатуна имеем: максимальная сила инерции, растягивающая кривошипную головку  и шатунный болт P_jp=0,0122МH

Принимаем:

номинальный диаметр болта   d=11 мм     

шаг резьбы     t=1 мм     

количество  болтов   i_б=2      

материал болта   Сталь 40Х ГОСТ4543 – 71  

Для указанной  стали имеем:  σ_в = 800 МПа

σ_т = 700 МПа

σ_-1р = 260 МПа

α_σ = 0,12

 

 ;

 

 ;

Сила предварительной  затяжки

;

Суммарная сила, растягивающая болт

 

, Н;

где х = 0,2 –  коэффициент основной нагрузки резьбового соединения

 

;

Максимальное  и минимальное напряжение, возникающее  в болтах:

 

 

Среднее напряжение и амплитуда цикла