Расчет на прочность деталей ЦПГ

К основным элементам поршня относятся головка и направляющая часть (юбка).

Днище поршня может быть разнообразной формы в зависимости от организации рабочего процесса в двигателе. В карбюраторных двигателях в основном применяют плоское днище поршня, за исключением двухтактных, где днище имеет выпуклую форму.

В дизелях форма днища определяет способ смесеобразования и эффективность рабочего процесса.

Юбка поршня передает гильзе цилиндра нормальную силу N от шатуна. В процессе работы поверхность юбки деформируется под действием сил давления газов и нагрева.

В карбюраторных двигателях юбки поршней в основном разрезные, с П- или Т-образной прорезью, что позволяет уменьшить зазоры по длине юбки, снизить рабочие температуры, избежать задиров, снизить массу поршня.

Юбку дизелей выполняют цельной.

В результате действия температурных деформаций и нормальной силы на боковую поверхность поршня его сечение принимает овальную форму, причем с увеличением размера вдоль оси пальца. Эта деформация учитывается при изготовлении поршня, снятием части металла в зоне бобышек поршневого пальца или приданием корпусу поршня овальной формы, с большой осью элипса, перпендикулярной оси поршневого пальца.

Для обеспечения надежной работы поршневой группы теплота отводится от головки поршня через поршневые кольца, стенки поршня, смазку, поршневой палец и др. Через поршневые кольца в охлаждаемую гильзу цилиндра отводится 60...75% всей теплоты.

Необходимо стремиться к равномерному распределению температурного поля в головке поршня.

Допустимые температуры головки поршня:

1)   из алюминиевых сплавов - 570...620 К;

2)   из чугуна - 670...720 К;

3)   из жаропрочных сплавов - 870...920 К.

Во избежании пригорания первого кольца температура стенки под канавкой не должна превышать 470...490 К.

Днище поршня рассчитывают по механическим напряжениям изгиба под действием максимального давления сгорания p_z.max и по температурным напряжениям, возникающим от осевого и радиального перепада температур. Действительному режиму работы поршня наиболее соответствует предположение о заделке днища по контуру и его нагружении наибольшим, равномерно распределенным давлением газов.

При этом не учитывается действительная форма днища и фактическое распределение температур по днищу, влияние юбки, ребер жесткости и т.д. Поэтому расчет является приближенным, результаты проверяются экспериментально.

За расчетный режим принимают:

1) для карбюраторных двигателей - режим максимального крутящего момента M_K.max

2) для дизелей - режим максимальной мощности N_e.max.

 

Поршневой палец передает усилия давления газов на шатун. В процессе работы он подвергается деформации изгиба, сдвига и овализации. Материал пальца работает на усталость. Овализация выше допустимого значения приводит к образованию трещин в бобышках поршня и продольных трещин в поршневом пальце.

В основном применяют пальцы плавающего типа, у которых износ распределяется равномерно по рабочей поверхности и устранена опасность заедания. Усталостную прочность пальца повышают полировкой его поверхности.

Поршневой палец рассчитывают на наибольшее напряжение изгиба в среднем сечении по длине и касательное напряжение среза в сечении между бобышкой поршня и головкой шатуна от действия силы максимального давления сгорания p_z.max. Определяют также наибольшее напряжение от овализации, возникающее на внутренней поверхности пальца; максимальное удельное давление на опорную поверхность пальца и втулки поршневой головки шатуна и монтажные зазоры между пальцами и бобышками поршня.

Поршневые кольца делятся на компрессионные и маслосъемные. В процессе работы кольца подвергаются действию высокой температуры газов и износу вследствие трения о стенки цилиндра. Особенно тяжелые условия работы у первого компрессионного кольца, которое отводит наибольшее количество теплоты от поршня и интенсивно изнашивается, т.к. прижимается к «зеркалу» цилиндра в процессе сжатия и сгорания. В связи с высокой температурой трудно добиться их надежной смазования. Работа трения поршневых колец составляет 40...50% всей работы трения в двигателе.

Для улучшения условий работы колец уменьшают заколечное пространство; применяют специальную конструкцию колец (трапециедальные, составные, противоизносные и др.); снижают температуру канавки, применяют различные покрытия и т.д.

В зависимости от давления кольца на зеркало цилиндра различают кольца с круговой, эллипсной и грушевидной эпюрами давлений. В автомобильных двигателях применяют кольца с грушевидной эпюрой давления и наибольшим давлением у замка кольца.

Лабиринтное уплотнение включает в себя систему поршневых канавок, зазоров, полостей и узких щелей. В результате перетекания газы расходуют энергию на трение и образование вихрей и их давление ступенчато падает (в соответствии с числом колец) до давления окружающей среды.

При наличии трех колец давление газов снижается: на первом – до

на втором - , на третьем - до .

Число колец выбирается в основном из расчета наилучшего теплоотвода, уменьшения утечек свежего заряда при пуске и в случае пригорания одного или двух верхних колец.

Маслосъемные кольца предназначены для снятия излишков масла с зеркала цилиндра и удаления их через прорези и сверления в кольцах и в стенках направляющей части поршня в картер. Излишки образуются из-за заброса части масла, смазывающего уплотнительные кольца и из-за насосного эффекта.

При работе поршневое кольцо находится в сжатом состоянии и испытывает напряжения изгиба. При расчетах поршневое кольцо рассматривают как криволинейный брус, нагруженный равномерно распределенным давлением по всей окружности. Силы этого давления действуют по радиусу к центру кольца.

Порядок расчета кольца на прочность следующий:

1)  Определяют среднее давление р_ср кольца на стенку цилиндра, значение которого должно быть достаточным для обеспечения герметичности камеры сгорания. Это давление не должно вызывать чрезмерной потери мощности двигателя на трение колец.

Рекомендуется принимать р_ср в пределах:

для карбюраторных двигателей - 0,10...0,4 МПа;

для дизелей - 0,2...0,7 МПа.

2) Строят эпюры давлений кольца на стенку цилиндра. При этом используют следующие рекомендованные соотношения между коэффициентом  для эпюры грушевидной формы и углом окружности кольца:

 

Угол окружности,	0	30	60	90	120	150	180
Рекомендуемое значение	1.05	1.05	1.14	0.90	0.45	0.67	0.86

 

3) Рассчитывают напряжение изгиба в кольце прямоугольного сечения, принимая в качестве расчетного сечение, лежащее противоположно замку.

4) Устанавливают монтажные зазоры в прямом замке кольца с учетом изменения температуры кольца и стенки цилиндра. Для замка с косым срезом значения зазоров умножают на синус угла наклона замка к торцу кольца.

Рис. 6.1. Эпюра давлений грушевидной формы

 

 

Лекция № 9