Расчет поршня
Расчет
поршня
Задание на курсовой проект
Задание на курсовой проект выбирается по таблице
1, в зависимости от последней цифры в зачетке.
Таблица 1 - Условия эксплуатации поршня
Параметры
|
Номер
варианта
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
0
|
pzд,
МПа
|
6,195
|
6,257
|
6,320
|
6,383
|
6,447
|
6,511
|
6,576
|
6,642
|
6,202
|
6,185
|
nм,
об/мин
|
3250
|
3232
|
3264
|
3297
|
3330
|
3363
|
3397
|
3431
|
3210
|
3100
|
Nmax,
МН
|
0,0044
|
0,0044
|
0,0045
|
0,0045
|
0,0046
|
0,0046
|
0,0047
|
0,0047
|
0,0044
|
0,0045
|
φ
|
370
|
370
|
370
|
370
|
370
|
370
|
370
|
370
|
370
|
370
|
mп,
кг
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
0,478
|
nx.x.max
|
6010
|
6060
|
6121
|
6182
|
6244
|
6306
|
6369
|
6433
|
6090
|
6000
|
λ
|
0,285
|
0,288
|
0,291
|
0,294
|
0,297
|
0,300
|
0,303
|
0,306
|
0,288
|
0,285
|
D,
м
|
0,078
|
0,078
|
0,080
|
0,080
|
0,082
|
0,082
|
0,082
|
0,084
|
0,080
|
0,080
|
S,
м
|
0,078
|
0,078
|
0,080
|
0,080
|
0,082
|
0,082
|
0,080
|
0,080
|
0,078
|
0,082
|
Наиболее напряженным элементом поршневой группы
является поршень (рис. 1), воспринимающий высокие газовые, инерционные и
тепловые нагрузки. Его основными функциями являются уплотнение внутрицилиндрового
пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями
кривошипно-шатунному механизму.
Рисунок 1 - Поршень
Поршни автотракторных двигателей изготавливаются
в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. В качестве алюминиевых
сплавов использовались эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание
которого в сплаве не превышало 12-13%. В настоящее время новые двигатели имеют
поршни, изготовленные из заэвтектических сплавов алюминия с кремнием,
содержание которого достигает 18 и более процентов. Для улучшения
физико-механических свойств заэвтектических сплавов применяется их легирование
никелем, магнием, медью, хромом и специальные технологии литья или горячей
штамповки.
Чугунные поршни по сравнению с алюминиевыми
обладают более высокими показателями твердости, износостойкости и
жаропрочности, а также одинаковым коэффициентом линейного расширения с
материалом гильзы цилиндра. Однако большая плотность чугунного поршня не
позволяет его использовать для высокооборотных двигателей. В настоящее время
все серийно выпускаемые двигатели легковых автомобилей имеют поршни из
алюминиевых сплавов.
Дальнейшее совершенствование поршней
предусматривает широкое использование для их изготовления композиционных
материалов. Основу этих материалов составляют легкие и не очень прочные
материалы (например, алюминий), которые "насыщаются" высокопрочными
полимерными, керамическими или металлическими волокнами. Эти волокна не только
жестко связывают молекулы основного материала, но и воспринимают значительную
нагрузку как механическую, так и тепловую. Перспективным является армирование
элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия Аl2О3 и диоксида
кремния SiO2, что способствует высокой термической стабильности поршня.
При работе двигателя температура потока горящей
топливо-воздушной смеси, омывающей днище поршня, сильно меняется от минимальной
при пуске и прогреве двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок.
При этом максимальную температуру имеет днище поршня, а минимальную - юбка.
Распределение средней температуры при работающем двигателе по высоте поршня
показано на рис. 2, а. С учетом такого распределения температуры профиль поршня
по высоте выполняется одной из следующих форм: ступенчатой (рис. 2, б),
конической или лекальной.
Значительная часть теплового потока от днища и
огневого пояса поршня быстро уходит в стенку цилиндра через поршневые кольца и
только часть теплоты передается в бобышки, а затем и в юбку поршня. При этом
отвод теплоты от бобышек значительно меньше, чем от стенок юбки, которые
контактируют со стенками цилиндра. В результате по оси бобышек поршень
расширяется значительно больше и становится овальным (рис. 2, в). Оптимальная
форма поршня для вновь проектируемого двигателя подбирается в результате
кропотливых и длительных экспериментов
Рисунок 2. Изменение температуры по высоте
поршня и зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра в разных сечениях:
а - изменение температуры по высоте поршня; б -
изменение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра; в - изменение площади
поперечного сечения поршня; - -окружность цилиндра; - - - профиль холодного
поршня; . -.-.- - рабочий режим; ......- перегрев; А - места заклинивания юбки
поршня в цилиндре при перегреве.
Наиболее общими конструктивными и
технологическими направлениями при разработке поршней современных двигателей
является:
уменьшение расстояния от днища поршня до оси
бобышек в целях снижения высоты и массы двигателя;
уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за
счет вырезов в наименее нагруженных местах (Х-образные поршни);
нанесение на днище и верхнюю канавку поршня
износо- и термостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алюминия в
керамику Аl2 О3;
снижение теплового расширения поршня за счет
заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок;
покрытие юбки поршня тонким (0,003-0,005 мм)
слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава в целях быстрой приработки,
а также уменьшения трения и снижения износа;
уменьшение внешнего и внутреннего диаметров
пальцев;
переход на плавающие пальцы малой длины с
фиксацией шатуна от осевых перемещений в бобышках поршня;
снижение высоты колец;
применение специальных конструктивных и
технологических элементов, улучшающих смазку и уменьшающих износ пары: поршень
- цилиндр.
Обработка результатов
Определить напряжение изгиба в днище поршня по
формуле:
(1)
где
- напряжение изгиба в днище поршня,
МПа;
- внутренний радиус поршня, , мм-
толщина стенки поршня, мм. Выбирается из таблицы №2;- радиальная толщина
компрессионного кольца, мм. Выбирается из таблицы №2;
Dt
- радиальный зазор кольца в канавке поршня, мм. Выбирается из таблицы №2;
- толщина днища поршня, мм.
Выбирается из таблицы №2.
Таблица №2 - Размеры поршня.
|
Наименование
элементов поршня
|
Бензиновые
двигатели
|
Дизели
|
1
|
Толщина
днища поршня, d/D
|
0,05-0,09
|
0,12-0,20
|
2
|
Высота
поршня, H/D
|
0,08-1,20
|
1,00-1,50
|
3
|
Высота
огневого пояса, е/D
|
0,06-0,09
|
0,11-0,20
|
4
|
Толщина
первой кольцевой перемычки, hп /D
|
0,03-0,05
|
0,04-0,06
|
5
|
Высота
верхней части поршня, h1/D
|
0,45-0,75
|
0,60-1,00
|
6
|
Высота
юбки поршня, hю /D
|
0,60-0,75
|
0,60-0,70
|
7
|
Толщина
стенки головки поршня, s/D
|
0,05-0,10
|
0,05-0,10
|
8
|
Радиальный
зазор компрессионного кольца в канавке поршня, Dt
|
0,70-0,95
|
0,70-0,95
|
9
|
Внутренний
диаметр поршня, di
|
di=D-2(s+t+Dt)
|
10
|
Толщина
стенки юбки поршня, dю, мм
|
1,50-4,50
|
2,00-5,00
|
11
|
Радиальная
толщина компрессионного кольца, t/D
|
0,035-0,045
|
0,040-0,045
|
12
|
Высота
кольца, а, мм
|
1,50-4,00
|
3,00-5,00
|
13
|
Число
масляных отверстий в поршне, nм
|
6-12
|
6-12
|
14
|
Диаметр
масленого канала, dм/а
|
0,3-0,5
|
0,3-0,5
|
15
|
Диаметр
бобышки, dб/D
|
0,3-0,5
|
0,3-0,5
|
Сравните напряжение изгиба с допустимым
напряжением [sиз], МПа из таблицы №3.
Таблица №3- Допустимые значения напряжения.
|
Сплав
|
Поршень
без ребер жесткости на днище
|
алюминиевый
|
20-25
|
|
чугунный
|
40-50
|
Поршень
с ребрами жесткости на днище
|
алюминиевый
|
50-150
|
|
чугунный
|
80-200
|
При превышении допустимых значений сделайте
предложения для усовершенствования поршня.
Определить напряжение сжатия
(2)
Где - максимальная сила давления газов
на днище поршня, МН;
- площадь поршня, мм2;
рz - максимальное давление сгорания,
МПа;x - площадь в сечении х-х, м2:
(3)
где
- диаметр поршня по дну канавок,
м;=D-2(s + t + Dt) -
внутренний диаметр поршня, м;
- площадь продольного
диаметрального сечения масляного канала, м2.
Сравните напряжение на сжатие с
допустимым напряжением [sсж]. Для
поршней из алюминиевых сплавов [sсж]
= 30¸40 МПа, для
чугунных - [sсж] = 60¸80 МПа.
Определить максимальную угловую
скорость холостого хода
(4)
где
- максимальная угловая скорость
холостого хода, рад/сек;.x.max - максимальная частота вращения холостого хода,
об/мин.
Определить массу головки поршня с
кольцами, расположенными выше сечения х-х.
(5)
гдеп - масса поршня, кг.
Определить максимальную разрывающую
силу
(6)
где
- максимальная разрывающая сила, МН;
- радиус кривошипа, м. , м.
Определить напряжение разрыва
(7)
где
Рj - максимальная разрывающая сила,
МПа;x - площадь в сечении х-х, м2.
Определить напряжение среза в верхней
кольцевой перемычке
(8)
Определить напряжение изгиба в
верхней кольцевой перемычке
(9)
Определить сложное напряжение в
верхней кольцевой перемычке
(10)
Сложное напряжение не должно
превышать допустимого, которое лежит в пределах:
Для поршней из алюминиевых сплавов
30-40 МПа
Для чугунных поршней 60-80 МПа
Определить удельное давление юбки
поршня на стенку цилиндра
(11)
где- максимальная нормальная сила,
Н;ю - высота юбки поршня, м.
Определить удельное давление всего
поршня на стенку цилиндра
(12)
- высота поршня, м.
Определить диаметр головки поршня с
учетом монтажного зазора
(13)
Dг
= 0,007 D - монтажный зазор головки поршня, м.
Определить диаметр юбки поршня с
учетом монтажного зазора
(13)
поршень цилиндр
двигатель автотракторный
Dю
= 0,002 D - монтажный зазор юбки поршня, м.
Определить диаметральные зазоры в
горячем состоянии
(14)
где
αц и αп -
коэффициенты линейного расширения цилиндра и поршня. Для чугуна αц = αп = 11·10 -6
1/К, для алюминиевого сплава αц = αп = 22 ·10-6
1/К.
Тц = 383 ¸ 388 К, Тг =
473 ¸ 723 К, То =
293 К - рабочая температура цилиндра, головки поршня и окружающей среды
соответственно.
(15)
Сделайте вывод об пригодности к
работе поршня в данных условиях и при необходимости мероприятия при которых
поршень может эксплуатироваться.
При получении отрицательных значений
D/г и D/ю поршень непригоден к
работе. Для того чтобы он был пригоден необходимо пересчитать расчет, изменив Dг и Dю, или внедрить некоторые
мероприятия. При нормальной работе поршня диаметральные зазоры должны лежать в
пределах D/г = (0,002¸0,0025)·D и D/ю = (0,0005¸0,0015)·D.
Список литературы
1. Расчет
автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов. / А.И. Колчин,
В.П. Демидов - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2002. - 496 с.: ил.
2. Двигатели
внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных
двигателей / Под ред. А.С. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990.
283 с.
. Двигатели
внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под ред.
А.С. Орлина и М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1985. 369 с.