Разработка четырехтактного автомобильного двигателя Проведение расчета (стр. 5 из 7)
3.2 Расчет поршневого пальца на прочность
Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации.Поршневой палец - стальной, трубчатого сечения. Для повышения износостойкости его наружную поверхность цементируют и закаливают.
Материал пальца – Ст15Х ГОСТ 4543-71
Исходные данные:
Наружный диаметр пальца dn=27мм
Внутренний диаметр пальца dв=18мм
Длина пальца lп=70мм
Длина втулки шатуна l ш=34мм
Расстояние между торцами бобышек b=36мм
Расчетная сила, действующая на поршневойпалец:
- газовая:
-инерционная:
Рис.3.2. Расчетная схема поршневого пальца а- распределение нагрузки, б- эпюры напряжений
-расчетная:
где k=0,83 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца
Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна
Удельное давление пальца на бобышки
Напряжение изгиба в среднем сечении пальца
Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна.
Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации
Напряжение овализации на внешней поверхности кольца в горизонтальной плоскости (т.1 j=0°)
В вертикальной плоскости (т.3, j=9°)
Напряжение овализации на внутренней поверхности кольца в
горизонтальной плоскости (т.2, j=°)
В вертикальной плоскости (т.4, j=9°)
Наибольшие напряжения овализации возникают на внешней поверхности пальца в вертикальной плоскости. Они не должны превышать 300-350 МПа.
Условие выполняется.
3.3 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
3.3.1 Расчет поршневой головки шатуна
Исходные данные:
Масса поршневой группы mп=0,99337кг
Масса шатунной группы mш=1,245кг
Частота вращения n=4000 об/мин
Ход поршня S=0,089м
Площадь поршня Fп=0,0083м2
Диаметр верхней головки шатуна:
Наружный dг=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 aσ=0,17
Коэффициент приведения цикла при растяжении-сжатии aσ=0,12
При изгибе:
При растяжении-сжатии:
Рис.3.3. Расчетная схема шатунной группы Расчет сечения I-I
Максимальное напряжение пульсирующего цикла
Среднее напряжение и амплитуда напряжения.
eм=0,86
– масштабный коэффициент
en=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 частишатуна
wшз=105°- угол заделки головки
-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 асимметричного цикла
-Среднее напряжение и амплитуда напряжений
то запас прочности в сечении перехода головки шатуна в стержень определяем по пределу текучести
3.3.2 Расчет кривошипной головки шатуна
Исходные данные
Масса шатунной группы: mш = 1,245 кг
Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца mшп = 0,342 кг
Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа mшк = 0,903 кг
Масса крышки кривошипной головки mкр = 0,25 mш=0,311 кг
Диаметр шатунной шейки dшш = 60мм
Толщина стенки вкладыша tb = 3,14 мм
Расстояние между шатунными болтами сб = 77 мм
Длина кривошипной головки lk= 27 мм
Максимальная сила инерции
Момент сопротивления расчетного сечения:
Момент инерции вкладыша и крышки
Напряжения изгиба крышки и вкладыша.
; 
3.3.3 Расчет стержня шатуна
Длина шатуна: lш = 166 мм
Размеры сечения шатуна: bш=15,75 мм, aш=7,5 мм, tш=4мм, hш=30 мм