Розрахунок деталей двигуна на міцність

Размещено на http://allbest.ru

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Кафедра технології аеропортів

РОЗРАХУНКОВА РОБОТА

Розрахунок деталей двигуна на міцність

Дисципліна: «Конструкція енергоустановок»

Підготувала

Студентка 307 ФЛА

Петрова О.В.

Прийняв

Кулініч О. В.

Київ 2012



Зміст

1. Загальна характеристика кривошипно-шатунного механізму. Призначення, будова, принцип дії КШМ

2. Розрахунок деталей кривошипно-шатунного механізму на міцність

2.1 Розрахунок поршневого кільця

2.2 Розрахунок поршневого пальця



1. Загальна характеристика кривошипно-шатунного механізму. Призначення, будова, принцип дії КШМ

Кривошипно-шатунний механізм (КШМ) призначений для перетворення зворотно поступального руху поршня в обертальній рух колінчастого вала

Головка і блок циліндрів V-подібного восьмициліндрового двигуна ЗМЗ-53: 1 - головка правого ряду циліндрів, 2 - гільза циліндра, 3 - прокладка гільзи, 4 - направляючий поясок для гільзи, 5 - блок циліндрів, 6 - прокладка кришки розподільних шестерень, 7 - сальник переднього кінця колінчастого вала, 8 - кришка розподільних шестерень, 9 - прокладка головки циліндрів.

Кривошипно-шатунний механізм двигуна складається із циліндрів, поршнів з компресійніми і маслосъемними кільцями, поршневих пальців зі стопорними кільцями, шатунів із вкладишами у нижній голівці й бронзової втулки в верхній голівці, колінчатого вала, маховика із зубчастим вінцем, картера з піддоном, голівки блоку з ущільнювальної металлоасбестовой прокладкою і кришкою, блока циліндра .

Блок циліндрів -- основна (базова) деталь, до якої кріпляться деталі механізмів двигуна, відливають як одне ціле з картером, Розміщення циліндрів буває однорядним (ГАЗ-24 «Волга») або V-подібним дворядним з кутом нахилу 90° (двигуни ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 і КамАЗ-740).

Блок циліндрів з верхньою частиною картера двигунів ЗМЗ-53 і ГАЗ-24 відливають з алюмінієвого сплаву, а двигунів ЗИЛ-130 і КамАЗ-740 & з чавуну. Порожнина між циліндрами і зовнішніми стінками блока називається сорочкою охолодження.

У блоках двигунів ЗМЗ-53, ЗИЛ-130, КамАЗ-740 і ГАЗ-24 «Волга» циліндри виготовлено у вигляді вставних чавунних гільз, які охолоджуються рідиною; такі гільзи називають мокрими.

Ретельно відшліфована внутрішня поверхня гільзи циліндра, яка спрямовує рух поршня, називається дзеркалом. Щоб збільшити строк служби гільзи, у верхню її частину запресовують короткі тонкостінні вставки з кислотривкого чавуну.

Гільзи вільно вставляють у гнізда блока і ущільнюють знизу мідними або гумовими прокладками (кільцями), а зверху -- прокладкою головки циліндрів.

Під час встановлення гільз у блоки циліндрів двигунів ЗМЗ-53 і ГАЗ-24. добирають комплект мідних ущільнювальних кілець так, щоб гільза виступала над площиною рознімання блока на 0,02--0,1 мм;. цим досягається надійне ущільнення гільз при встановленні головок циліндрів.

Блок циліндрів двигуна ГАЗ-24 має одну головку, в блоках циліндрів V-подібних двигунів ЗМЗ-53 А і ЗИЛ-130 -- по дві головки; в двигуні КамАЗ-740 кожний циліндр має окрему головку. Головки блока карбюраторних двигунів відливають з алюмінієвого сплаву. Цей сплав теплопровідніший від чавуну, отже, від головок швидше відводиться тепло,

В результаті поліпшуються умови проходження робочого процесу в циліндрах двигуна» Головка має камери згоряння з різьбовими отворами для свічок запалювання (тільки в карбюраторних двигунах). У двигуні КамАЗ-740 камера згоряння вмонтована у днище поршня. Стінки камер згоряння обведені сорочкою охолодження. Зверху на головці циліндрів закріплені деталі газорозподільного механізму.

У впускні і випускні канали відливки головки запресовано вставні сідла і напрямні втулки клапанів. Головка циліндрів зверху закрита штампованою або відлитою кришкою, для ущільнення між ними встановлюють прокладку з маслостійкої гуми. Кріпиться головка до блока болтами або шпильками з гайками. Герметичність прилягання головки до блока циліндрів досягається встановленням прокладки. У двигунах ЗМЗ-53 і ГАЗ-24 вона сталевоазбестова, в двигунах КамАЗ-740 стальна.

Картер - відлитий як одне ціле з блоком, має кілька перегородок, посилених ребрами, в яких розміщені корінні підшипники колінчастого вала та отвори для опорних шийок розподільного вала. Знизу до картера кріпиться піддон. Місце з'єднання картера і піддона ущільнене пробкою.

Деталі кривошипно-шатуного механізму двигуна ЗІЛ-130:

1 - поршень, 2 - вкладиші корінних підшипників колінчастого вала, 3 - маховик, 4 - корінна шийка колінчастого вала, 5 - кришка заднього корінного підшипника, 6 - пробка, 7 - противага, 8 - щока, 9 - кришка середнього корінного підшипника, 10 - передня шийка колінчастого вала, 11 - кришка переднього корінного підшипника, 12 - шестерня, 13 - носок колінчатого вала, 14 - шків, 15 - храповик, 16 - упорна шайба, 17 - біметалічні шайби, 18-шатунні шийки колінчастого вала, 19 - вкладиші шатунного підшипника, 20 - стопорное кільце, 21 - поршневий палець, 22 - втулка верхньої головки шатуна, 23 - шатун, 24 - кришка шатуна, 25 - сальник, 26 - масловідгона канавка, 27 - маслосбрасивающій гребінь, 28 - дренажна канавка.

Поршень - приймає силу тиску газів під час робочого - такту і передає її через шатун колінчастому валу, а також здійснює допоміжні такти.

Верхня частина поршня, що називається головкою, знизу посилена ребрами. На циліндричній поверхні головки виточені канавки для розміщення поршневих кілець, Нижня, напрямна частина поршня (юбка) має приливки (бобишки) з отворами для встановлення поршневих пальців.

Поршні відливають з алюмінієвого сплаву, якому притаманні мала густина і добра теплопровідність. У поршнях двигуна ЗИЛ-130 і КамАЗ-740 роблять чавунні вставки, в яких виточують канавки для верхнього кільця, що підвищує довговічність поршня.

У верхній частині головки поршня деяких двигунів виточують вузьку канавку, яка зменшує передачу тепла до верхнього кільця.

Щоб поршень міг розширюватися в циліндрі не заклинюючи, його встановлюють із зазором. Зазор між поршнем і дзеркалом циліндра ущільнюють поршневі кільця. Юбку поршня виготовляють у вигляді еліпса, більша вісь якого розміщена перпендикулярно до осі поршневого пальця. Така форма юбки запобігає стуку в холодному двигуні і заклинюванню в нагрітому. В отворі для поршневого пальця є канавки для стопорних кілець.

У виїмки юбок поршнів згаданих двигунів заходять противаги колінчастого вала

Щоб запобігти заклинюванню поршнів у циліндрах, на їхніх юбках роблять Т- або П-подібні розрізи. Завдяки цьому під час розширення металу діаметри поршнів не збільшуються.

Поверхню поршнів двигунів ЗМЗ-53, ЗИЛ-130 і ГАЗ-24 покривають шаром олова, а двигунів КамАЗ-740 -- колоїдно-графітною сумішшю, що поліпшує припрацьовування і зменшує спрацювання.

Для правильного складання поршня з шатуном на днищах поршнів двигуна ЗИЛ-130 є лиска, на бокових поверхнях поршнів двигуна ЗМЗ-53 біля отвору бобишки -- напис «Вперед», на боковій стінці поршнів двигуна ГАЗ-24 -- напис «Назад».

Поршневі кільця поділяються на компресійні і маслознімні, Виготовляють їх з чавуну або сталі. Кільця мають розріз («замок»). У вільному стані діаметр кілець більший від діаметра циліндра. Під час установлення поршнів у циліндри кільця стискують, і внаслідок пружності вони щільно прилягають до стінок циліндра.

Поршневі кільця: а - зовнішній вигляд, б - розташування кілець на поршні (двигуна ЗИЛ-130), в - складене маслознімне кільце; 1 - компресійне кільце, 2 - маслознімне кільце, 3 - плоскі сталеві диски, 4 - осьовий розширювач, 5 - радіальний розширювач.

Компресійні кільця зменшують просочування газів з циліндра в картер. Щоб підвищити стійкість верхнього компресійного кільця проти спрацювання, його покривають шаром хрому (у двигуні ЗИЛ-130 два кільця), а поверхню решти кілець для кращого припрацювання -- олова.

Маслознімне кільце знімає залишки масла із стінок циліндра. На поршнях усіх карбюраторних двигунів встановлюють одне маслознімне кільце. У канавці цього кільця є наскрізні отвори. Робоча поверхня кілець покрита хромом, у КамАЗ-740 -- молібденом.

Кільця на поршень установлюють розрізами в різні боки. Завдяки фаскам кільця щільно прилягають до стінок циліндра і швидше притираються. поршневий компресійний двигун

Поршневий палець стальний, трубчастий. Він з'єднує поршень з шатуном. Поверхня пальця загартована струмами високої частоти (СВЧ). Під час роботи палець вільно прокручується в бобишках поршня і у втулці верхньої головки шатуна. Осьовому переміщенню пальця запобігають стопорні кільця, встановлені в канавках бобишок поршня; такі пальці називаються плаваючими,

Шатун під час робочого такту передає зусилля від поршня кривошипу колінчастого вала, а при допоміжних тактах -- від кривошипа поршню., Шатун стальний. Він складається із стержня двотаврового перерізу, верхньої не рознімної головки з бронзовою втулкою для поршневого пальця і нижньої рознімної головки, яка кріпиться на шатунній шийці колінчастого вала. У нижній головці шатуна просвердлено отвір для напрямленого розбризкування масла на стінки циліндра.

Щоб зменшити тертя між шийкою вала і нижньою головкою шатуна, в ній вставляють шатунний підшипник, виготовлений з двох тонкостінних вкладишів.

У двигуні ЗИЛ-130 вкладиш триметалевий, виготовлений із стальної стрічки, на яку нанесено міднонікелевий підшарок, .покритий антифрикційним сплавом, у двигуні КамАЗ-740 вкладиші тришарові з робочим шаром із свинцевої бронзи. Щоб вкладиші не прокручувалися в головці шатуна, на них штампуванням роблять виступи.

Обидві частини нижньої головки шатуна з'єднуються двома болтами з гайками, які стопоряться шплінтами або контргайками, виштампованими з листової сталі (ГАЗ-24). Номери, вибиті на головці і кришці шатуна, напрямлені в один бік.

Колінчастий вал сприймає зусилля від шатунів і перетворює їх у крутний момент, який потім через маховик передається до механізмів трансмісії.

Колінчастий вал V - подібного 8-циліндрового двигуна ЗИЛ-130:

1 - противага, 2 - заглушка, 3 - порожнина, 4 - отвір для кріплення маховика, 5 - свердління для подачі масла до шийки.

Колінчастий вал двигунів ЗМЗ-53 і ГАЗ-24 відлитий з легованого чавуну, а двигунів ЗИЛ-130 і КамАЗ-740 -- кований, стальний.

Вал складається з корінних і шатунних шийок, з'єднаних щоками, продовженням яких є противаги, що розвантажують корінні підшипники від інерційних навантажень. З цією самою метою шатунні шийки зроблено порожнистими.

У двигунах, що вивчаються, колінчастий вал п'яти опорний, тобто мав п'ять корінних підшипників, у які встановлюють вкладиші, виготовлені з того самого матеріалу, що й шатунні. Чавунні кришки підшипників кріплять до блока двома або чотирма болтами і шплінтують.

Шатунні шийки, кількість яких у рядних двигунах дорівнює кількості циліндрів, у чотирициліндрових двигунах розміщені попарно під кутом 180°.

На кожній шатунній шийці колінчастого вала V-подібних двигунів закріплюють два шатуни, які з'єднують її відповідно з поршнями правого і лівого рядів циліндрів.

Тому шатунних шийок у таких двигунах вдвоє менше від кількості циліндрів. У восьмициліндрових V-подібних двигунах шатунні шийки розміщені під кутом 90° одна до одної. Масло від корінних підшипників до шатунних надходить через канали в щоках вала і грязеуловлювачі, що закриті пробками.

На передньому кінці колінчастого вала кріплять розподільну шестірню і шків привода вентилятора, а в торець угвинчують храповик, який використовують для прокручування колінчастого вала пусковою рукояткою.

Осьові переміщення вала обмежені сталебабітовими кільцями, які встановлюють у передньому корінному підшипнику, або сталеалюмінієвими півкільцями, які встановлюють у виточці задньої корінної опори (КамАЗ-740). До фланця заднього кінця колінчастого вала кріплять маховик.

У багатьох двигунах витіканню масла з картера в місцях виходу колінчастого вала запобігає маслознімний буртик, маслозгінна різьба на його задньому кінці і масловідбивач на передньому кінці. Крім того, місця виходу вала ущільнюють сальниками.

Маховик -- чавунний диск з важким ободом. Він збільшує інерцію колінчастого вала і цим самим підвищує плавність роботи, полегшує запуск двигуна і рушання автомобіля з місця.

На ободі маховика насаджено зубчастий вінець, за допомогою якого запускають двигун стартером. Маховик кріплять несиметрично розміщеними болтами, момент затягування яких повинен бути 140.-.150 Н * м (14...15 кгс -м), і зашплінтовують.

Кріплення двигуна до рами або підрамника має бути надійним і водночас пружним, щоб вібрація двигуна не передавалася кузову, а перекоси рами під час руху не пошкоджували деталей кріплення.

Для цього між опорними лапами двигуна і рамою кладуть гумові подушки, Двигун ГАЗ-24 кріплять за допомогою трьох гумових опор: дві -- в передній частиш двигуна з боків, одна під задньою кришкою коробки передач.

Двигун ЗМЗ-53 кріплять на чотирьох опорах: спереду штампованими кронштейнами, пригвинченими до блока циліндрів, а в задній частині двома приливами картера зчеплення.

Двигун КамАЗ-740 також кріплять на чотирьох опорах.

Принцип дії кривошипно-шатунного механізму.

При обертанні кривошипа колінчастого вала поршень разом із шатуном переміщується в циліндрі прямолінійно вниз і вгору.

В двигуні із зовнішнім сумішоутворенням (карбюраторні двигуни) при переміщенні поршня вниз в циліндр через відкритий впускний клапан за рахунок розрідження всмоктується пальна суміш.

При переміщенні поршня вгору обидва клапани (впускний і випускний) закриті, пальна суміш стискується, нагрівається. У кінці такту стискання між електродами свічки запалювання, що знаходиться в камері згорання, виникає іскра, від якої загорається робоча суміш.

У результаті згорання робочої суміші температура газів досягає 2500°С, гази при цьому розширюються, створюючи тиск 35-40 кгс/см2, переміщують поршень вниз і через шатун обертають колінчастий вал, при цьому теплова енергія згорання робочої суміші перетворюється в механічну роботу.

При зворотному русі поршня вгору і відкритому випускному клапані відпрацьовані гази видаляються із циліндра. Розглянутий процес безперервно повторюється і цим забезпечує роботу двигуна.



2. Розрахунок деталей кривошипно-шатунного механізму на міцність

2.1 Розрахунок поршневого кільця

Поршневі кільця працюють в умовах високих температур і значних змінних навантажень, виконуючи три основні функції:

- Герметизації надпоршневого простору з метою максимально можливого використання теплової енергії палива;

- Відведення надлишкової частки теплоти від поршня в стінки циліндра;

- "Управління маслом", тобто раціонального розподілу масляного шару по дзеркалу циліндра і обмеження попадання масла в камеру згоряння.

Матеріал кільця - сірий чавун. Е =1.2?10 ⁵ МПа

Середній тиск кільця на стінку циліндра:

(6.21)

МПа

де мм. Тиск кільця на стінку циліндра в різних точках кола при каплевидній формі епюри тиску:

, [МПа]

Результати розрахунку р , а також м _к для різних кутів ш наведених нижче:



Кут ш ,що визначає положення поточного тиску кільця, град	0	30	60	90	120	150	180
Коефіцієнт м к	1.05	1.05	1.14	0.90	0.45	0.67	2.85
Тиск у відповідній точці МПа	0.224	0.222	0.218	0.214	0.218	0.271	0.320

За цими даними побудована краплеподібну епюра тисків кільця на стінку циліндра.

Напруга вигину кільця в робочому стані:

МПа

Напруження згину при насаджуванні кільця на поршень:

МПа

Монтажний зазор в замку поршневого кільця:

(6.25)

мм

де мм - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя; a _к =11·10 ^-6 1/К - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу кільця; a _ц =11·10 ^-6 1/К - коефіцієнт лінійного розширення матеріалу гільзи Т _к =493 К - температура кільця в робочому стані; Т _ц =383 К - температура стінок циліндра; Т _о = 293 К - початкова температура.



2.2 Розрахунок поршневого пальця

Під час роботи двигуна поршневий палець піддається впливу змінних навантажень, що призводять до виникнення напружень згину, зсуву, зминання і овалізаціі.

Відповідно до зазначеними умовами роботи до матеріалів, що застосовуються для виготовлення пальців, пред'являються вимоги високої міцності і в'язкості. Цим вимогам задовольняють цементовані маловуглецеві і леговані сталі

Для розрахунку приймаємо такі дані: зовнішній діаметр пальця d _n =25 мм, внутрішній діаметр пальця d _b =16 мм, довжина пальця l _n =80 мм, довжина втулки шатуна l _ш =40 мм, відстань між торцями бобишок b =44 мм.

Матеріал поршневого пальця - сталь 15Х, Е =2?10 ⁵ МПа. Палець плаваючого типу.

МПа

Розрахунок поршневого пальця включає визначення питомих тисків пальця на втулку верхньої головки шатуна і на бобишки, а також напружень від згину, зрізу і овалізаціі. Максимальні напруги виникають в пальцях дизелів при роботі на номінальному режимі.

Розрахунково сила, що діє на поршневий палець де р _zmax = р _z = 6.356 МПа - максимальний тиск газів на номінальному режимі; мм ² - площа поршня;

=

МПа



де рад / с

МН (6.28)

де k =0.82 - коефіцієнт, що враховує масу поршневого пальця.

Питомий тиск (МПа) пальця на втулку поршневої головки шатуна

МПа (6.29)

де м - зовнішній діаметр пальця;

м - довжина опорної поверхні пальця в головки шатуна.

Питомий тиск пальця на бобишки

МПа (6.30)

Напруження згину в середньому перерізі пальця:

(6.31)

МПа

де a = d _в / d _п =0.64 - відношення внутрішнього діаметра пальця до зовнішнього.

Для автомобільних и тракторних двигунів [ s _из ] = 100 ё 250 МПа.

Дотичні напруження зрізу пальця в перерізах між бобишки і голівкою шатуна



(6.32)

МПа

Для автомобільних і тракторних двигунів [t] = 60 ё 250 МПа.

Максимальна овалізація пальця (найбільше збільшення горизонтального діаметра Д d, мм) спостерігається в його середній, найбільш напруженої частини:

мм

де Е = 2·10 ⁵ МПа - модуль пружності матеріалу пальця.

Напруження овалізаціі на зовнішній поверхні пальця:

- В горизонтальній площин (точки 1, ш=0є):

МПа



-в вертикальній площині (точки 3, ш=90є):

МПа

Напруження овалізації на внутрішній поверхні пальця: - в горизонтальній площині (точки 2, ш=0є):

МПа;

-в вертикальній площині (точки 4, ш=90є):

МПа.



Список використаної літератури

1. www/decort.kiev.ua/article.htm

2. Автомобільні двигуни/ І.І. Тимченко, Ю.Ф. Гутаревич, К.Є. Долгунов, М.Р. Муждобаєв; за ред. І.І. Тимченка. - Х.: Основа, 1995. - 464с.

3. Теорія теплових двигунів: Конспект лекцій./ О.В. Кулініч. - К.: НАУ. 2005 - 92с.

4. Теорія та конструкція теплових двигунів/ О.В. Кулініч, А.А. Воробйов, А.В. Гончаренко. - К.: НАУ, 2002. - 72с.

5. Теорія двигунів внутрішнього згоряння. Методичні вказівки по курсовому проектуванню / І.Ф. Скопенко, В.І Салій. - К.: КІІЦА, 1993. - 43с.

6. Конструкція поршневих двигунів/ І.Ф. Скопенко. - К: КІІЦА, 1979. - 72 с.

7. http://ncpn.net.ua/budova_kshm.html.

Размещено на Allbest.ru