Расчет деталей шатуна автомобильного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Шатун

шатун двигатель поршневой стержень

Шатуны автомобильных двигателей штампуют с последующей механической и термической обработкой - нормализацией, закалкой и отпуском.

Шатуны и их крышки изготавливают из углеродистых и легированных сталей. Шатуны бензиновых и газовых двигателей - из сталей марок 40, 45, 45Г2, 40Х, 40ХН, а шатуны дизельных двигателей - из легированных сталей 40Х, 18ХНВА и 49ХНМА с высокими пределами прочности и текучести.

На втулках поршневых головок шатунов идут различные бронзы: алюминиево-железистая БрАЖ9-4, имеющая высокую твердость (HB 110), оловянно-цинковая БрОЦ10 (HB 80-90) или БрОЦС 4-4-2,5 (HB 65-75) и оловянно-фосфористые бронзы различных марок.

Антифрикционным материалом для вкладышей подшипников коленчатого вала автомобильных двигателей является алюминиевый сплав АО-20. Основные размеры шатуна представлены в таблице 1.

Таблица 1. - Размеры шатуна

Параметры	Обозначения	Двигатель бензиновый
Внутренний диаметр поршневой головки: с втулкой	d, мм	34,0692
Наружный диаметр головки	dг, мм	43,3608
Длина поршневой головки шатуна: плавающий палец	lш, мм	48,06
Минимальная радиальная толщина стенки головки	hг, мм	4,95
Радиальная толщина стенки втулки	sв, мм	2,17
Диаметр шатунной шейки	dшш, мм	80,1
Толщина стенки вкладыша: тонкостенного	tв, мм	2,4
Расстояние между шатунными болтами	сб, мм	12,03
Длина кривошипной головки шатуна	lк, мм	48,6
Минимальная длина сечения стержня шатуна	hшmin, мм	21,68
Длина сечения стержня шатуна	hш, мм	33,38
Ширина сечения стержня шатуна	bш, мм	28,83
Толщина стенки стержня шатуна	aш = tш, мм	2,5

Поршневая головка шатуна рассчитывается на:

- усталостную прочность в сечении I-I от действия инерционных сил (без учета запрессованной втулки), достигающих максимальных значений при работе двигателя на режиме максимальной частоты вращения холостого хода;

- напряжения, возникающие в головке от воздействия на нее запрессованной втулки;

- усталостную прочность в сечении А-А (место перехода головки шатуна в стержень - заделка головки) от действия суммарных сил и запрессованной втулки.

Наибольшая величина разрывающей силы инерции, МН:

, (1)

,

где m_п - масса поршневой группы, кг;

m_вг - масса верхней части головки, m_вг = (0,06ч0,09)m_ш, кг; (0,07)

щ_хх - угловая скорость, при максимальной частоте вращения холостого хода, с^-1;

л - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Сила P_j создает в сечении I-I максимальные и минимальные напряжения, МПа:

(2)

По условию обеспечения достаточной жесткости поршневой головки напряжение не должно превышать 20ч50 МПа.

Напряжения в поршневой головке шатуна, возникающие от запрессовки в нее втулки и от различия коэффициентов расширения материалов втулки и головки, характеризуется суммарным натягом, мм:

, (3)

где - натяг посадки бронзовой втулки, мм. Величина его принимается при расчете наибольшей в соответствии с применяемой посадкой;

- температурный натяг, мм:

, (4)

1/град - термический коэффициент расширения бронзовой втулки;

- 1/град - термический коэффициент расширения стальной головки;

- средняя температура головки и втулки при работе двигателя, примем

Удельное давление от суммарного натяга на поверхности соприкосновения втулки с головкой, МПа:

, (5)

где - коэффициент Пуассона;

- модуль упругости стального шатуна, МПа;

- модуль упругости бронзовой втулки, МПа.

Напряжения от суммарного натяга на внешней и внутренней поверхности поршневой головки, МПа:

, (6)

, (7)

Значения напряжений могут достигать 100ч150 МПа.

При расчете плавающей втулки напряжения от суммарного натяга равны нулю.

Сечение А - А поршневой головки на режиме максимального крутящего момента или максимальной мощности нагружается переменными суммарными силами и постоянной силой от действия запрессованной втулки.

Суммарная сила, растягивающая головку, достигает максимального значения при положении поршня в В.М.Т. во время начала впуска. Эта сила определяется по данным динамического расчета.

В соответствии с расчетной схемой принимается, что нижняя часть головки, опирающаяся на стержень, большой жесткости, не деформируется, а действие отброшенной правой части головки заменяется нормальной силой (Н) и изгибающим моментом (Нм).

,(8)

, (9)

где - угол заделки, град. Он принимает значения 130 град;

- средний радиус поршневой головки, м,

.

Для опасного сечения А - А при определенном угле заделки значения

нормальной силы и изгибающего момента подсчитываются:

, (10)

,

, (11)

Напряжение от растягивающей силы в сечении А - А, МПа:

, (12)

.

Сила, сжимающая головку шатуна (сила давления газов), достигает максимального значения после В.М.Т. ( - 370⁰) в начале расширения и определяется по данным динамического расчета.

В соответствии с расчетной схемой нормальную силу и изгибающий момент определяют:

, (13)

,

, (14)

В уравнениях (13, 14) значение угла в отношение подставляются в радианах, а значения и в зависимости от угла заделки определяются по таблице 2.

Таблица 2. - Изменения отношений в зависимости от угла заделки

Параметр	Угол заделки , град
	100	105	110	115	120	125	130
	0,0001	0,0005	0,0009	0,0018	0,003	0,006	0,0085
	0	0,0001	0,00025	0,0006	0,0011	0,0018	0,003

Напряжение от суммарной сжимающей силы в сечении А - А, МПа:

, (15)

Суммарные напряжения, вызываемые в сечении А - А газовыми и инерционными силами определяются, МПа:

, (16)

,

, (17)

.

Среднее напряжение, МПа:

, (18)

.

Амплитуда, МПа:

, (19)

.

При асимметричном цикле запас прочности:

(20)

где у_Т - предел текучести материала, МПа;

б_у - коэффициент приведения асимметричного цикла к равноопасному симметричному (для материалов шатунов принимают б_у = 0,2).

Запасы прочности поршневых головок изменяются в пределах 2,5ч5,0.

е_п - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности на предел усталости (таблица 3);

Таблица 3. - Значение коэффициента е_п от вида обработки

Вид обработки или поверхностного упрочнения	еп
Полирование без поверхностного упрочнения	1
Шлифование без поверхностного упрочнения	0,85ч0,97
Чистовое обтачивание без поверхностного упрочнения	0,8ч0,94
Грубое обтачивание без поверхностного упрочнения	0,6ч0,88
Без обработки и без поверхностного упрочнения	0,5ч0,76
Обдувка дробью	1,1ч2
Обкатка роликом	1,1ч2,2
Цементация	1,2ч2,5
Закалка	1,2ч2,8
Азотирование	1,2ч3,0

Расчет кривошипной головки сводится к определению напряжений изгиба в среднем сечении крышки II-II от сил инерции масс поршневой и шатунной групп.

Максимальную величину силы инерции определяют для режима максимальной частоты вращения холостого хода, МН:

, (21)

где m_кр - масса крышки, составляющая 20ч28% от массы шатуна, кг:

m_кр = (0,20ч0,28)m_ш.

Напряжение изгиба крышки, МПа:

, (22)

где W_и - момент сопротивления изгибу сечения крышки, м³:

, (23)

Допустимые значения напряжений для крышки кривошипной головки шатуна находятся в пределах 100ч300 МПа.

Стержень шатуна рассчитывают на усталостную прочность для номинального режима работы двигателя. Сила, сжимающая шатун, имеет максимальное значение в начале рабочего хода (370⁰).

В среднем сечении В-В напряжение от сжатия и продольного изгиба определяют, МПа:

, (24)



где K_изг - коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба, для существующих конструкций шатунов K_изг= 1,1ч1,2;

S_max - максимальная величина силы, сжимающей шатун, кН;

f_ш - площадь поперечного сечения стержня шатуна (сечение В-В), м²:

, (25)

Величина силы, растягивающей шатун, максимальна в начале такта впуска (0⁰) при положении поршня в В.М.Т. Напряжение растяжения для сечения В-В, МПа:

, (26)

где S_min - наибольшая величина силы, растягивающей шатун, МН.

Величины у_сж и у_р - соответственно наибольшее и наименьшее значения напряжений асимметричного цикла.

Среднее напряжение, МПа:

(27)

Амплитуда, МПа:

, (28)

Значение напряжения у_р в эти формулы подставляют со знаком минус.

При асимметричном цикле запас прочности стержня шатуна:

, (29)

где у_-1 - предел усталости материала при симметричном цикле на растяжение-сжатие;

е_п - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности на предел усталости;

б_у - коэффициент приведения асимметричного цикла к равноопасному симметричному (для материалов шатунов принимают б_у = 0,2).

Запас прочности стержня шатуна автомобильных двигателей должен быть не ниже 1,5.

Шатунные болты в четырехтактных двигателях подвергаются растяжению от действия сил инерции поступательно и вращательно движущихся масс. Величина этих сил определяется на максимальной частоте вращения холостого хода (P_jxx). Кроме этого, болты испытывают растяжение от предварительной затяжки.

В качестве материала для изготовления шатунных болтов применяют стали 35Х, 40Х, 35ХМА, 37ХНЗА. При больших напряжениях затяжки применяют легированные стали с более высокими пределами текучести - 18ХНВА, 20ХНЗА, 40ХН, 40ХНМА.

При работе сила инерции стремится разорвать болты. В связи с этим они должны быть затянуты настолько, чтобы не была нарушена плотность соединения при действии этой силы. Сила предварительной затяжки, МН:

, (30)

где i_б - число шатунных болтов.

Суммарная сила, растягивающая болт, МН:

, (31)

где ч - коэффициент основной нагрузки резьбового соединения.

По опытным данным, коэффициент ч изменяется в пределах 0,15ч0,25. С уменьшением диаметра шатунного болта значение коэффициента также уменьшается.

Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в болте, определяются в сечении по внутреннему диаметру резьбы, МПа:

, (32)

, (33)



где - внутренний диаметр резьбы болта, м;

- номинальный диаметр болта, м;

- шаг резьбы, м.

Среднее напряжение, МПа:

, (34)

Амплитуда, МПа:

, (35)

При асимметричном цикле запас прочности:

, (36)

где - эффективный коэффициент концентрации напряжений;

q - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений. Для чугуна q = 0, для конструкционных сталей q = 0,6ч0,8, для высокопрочных легированных сталей q = 1;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений. Для резьбовых соединений ;

- коэффициент приведения асимметричного цикла к равноопасному симметричному .

Для шатунных болтов значения запаса прочности не должно быть ниже 2.

Размещено на Allbest.ru