Разработка двигателя для грузового автомобиля массой до 40 тонн (Глава 4 курсового проекта)

4. КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ ,СИСТЕМ.

4.1. Поршневая группа .

4.1.1. Конструкция деталей поршневой группы .

Поршни проектируемого двигателя изготовлены из термопрочного эвтектического сплава алюминия и кремния АЛ30 .На поверхности  поршня имеются пять канавок :две- под маслосъёмное три  – под компрессионные кольца .В головке поршня расположена камера сгорания .На поверхность днища поршня и верхней канавки нанесен износо- и термостойкий слой ,преобразующий поверхностный слой алюминия в керамику Al2O3 .Для снижения теплового расширения в тело поршня залиты стальные терморегулирующие вставки .Юбка поршня покрыта тонким (0.003…0.005мм) слоем оловянно-свинцового сплава ,в целях быстрой приработки ,а также уменьшения трения и снижения износа .

Верхние компрессионные кольца изготовлены из легированного чугуна  ,наружная поверхность кольца покрыта слоем молибдена ,что повышает их долговечность .Третье компрессионное кольцо комбинированное ,изготовлено из серого легированного чугуна с пластинчатым графитом и износостойким покрытием .Маслосъёмные кольца наборные ,состоящие из двух дисков и двухфункционального расширителя ,обеспечивающего удержание дисков в канавке поршня на определённом расстоянии друг от друга и их равномерное прижатие к зеркалу цилиндра .

Поршневые пальцы :с внутренним конусом  ,плавающего типа ,фиксированные в бобышках поршня от осевого перемещения пружинными стопорными кольцами .

4.1.2. Расчёт деталей поршневой группы .

Расчёт поршня .

Основные конструктивные размеры элементов поршня приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1.

Основные конструктивные размеры элементов поршня .

Наименование	Обозначение	Интервал	Величина ,мм
1	2	3	4
Толщина днища поршня	δ	(0.12…0.20)D	21
Высота поршня	Н	(1.0…1.5)D	150
Высота верхней части поршня	h1	(0.60…0.10)D	100
Высота юбки поршня	hю	(0.60…0.70)D	70
Диаметр бобышки	dб	(0.3...0.5)D	52
Расстояние между торцами бобышек	b	(0.3…0.5)D	35
Толщина стенки юбки поршня	δю	2.0…5.0	5
Толщина стенки головки поршня	S	(0.05…0.10)D	10
Расстояние до первой поршневой канавки	е	(0.11…0.2)D	20
Толщина первой торцевой перемычки	hп	(0.04…0.06)D	6

Продолжение таблицы 4.2.

1	2	3	4
Радиальная толщина кольца -  компрессионного -  маслосъёмного	t	(0.040…0.045)D (0.038…0.043)D	4.4 4.4
Высота кольца	а	3.0…5.0	3
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии	Ао	(3.2…4.0)t	14
Радиальный зазор кольца в канавке поршня -  компрессионного -  маслосъёмного	Δt	0.70…0.95 0.90…1.10	0.7 0.9
Внутренний диаметр поршня	di	D-2(s+t)+Δt	73
Число масляных отверстий в поршне	пм	6…12	8
Диаметр масляного канала	dм	(0.3…0.5)а	2.5
Наружный диаметр пальца	dп	(0.3...0.5)D	35
Внутренний диаметр пальца	dв	(0.5…0.7)dп	15.5
Длина пальца	lп	(0.80…0.85)D	82
Длина втулки шатуна	lш	(0.33…0.45)D	34

На основании расчётов (теплового ,динамического) :диаметр цилиндра D=103 мм ,ход поршня S=98 мм ,максимальное давление сгорания Pz max=10.647 МПа ,площадь сечения внутреннего диаметра цилиндра Fп=0.0083 м² ,масса деталей поршневой группы mп=2.08 кг ,частота вращения коленчатого вала nmax=3045 об/мин ,материал поршня – алюминий αц=22·10ˉº 1/К ,материал гильзы - чугун αц=11·10ˉº 1/К .

Напряжение сжатия в сечении Х-Х

Площадь сечения Х-Х определяется по формуле :

,где  dк – диаметр поршня по дну канавок ,м² .Определяется по формуле :

F´ - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала ,м²  .Определяется по формуле :

Максимальная сжимающая сила определяется по формуле :

Напряжение сжатия определяется :

Для алюминиевых поршней [σсж]=40МПа , σсж=38МПа<[σсж]=40МПа .

Напряжение разрыва в сечении Х-Х .

Максимальная угловая скорость холостого хода

Масса головки поршня с кольцами ,расположенная выше сечения Х-Х определяется по формуле :

Максимальная разрывная сила равна:

Напряжение разрыва определяется :

Для алюминиевых поршней [σр]=10МПа ,σр=7.48МПа<[σр]=10МПа .

Напряжения в верхней кольцевой перемычке :

- среза :

- изгиба :

- сложное :

Для алюминиевых поршней  [σ∑]=40 МПа ,σ∑=18.196 МПа<[σ∑]=40 МПа .

Удельное давление поршня на стенку цилиндра :

,где Nmax – наибольшая нормальная сила ,действующая на стенку цилиндра при работе двигателя на режиме максимальной мощности .Nmax=5.837 кН (из динамического расчёта) .

Диаметры головки и юбки поршня определяются по следующим формулам :

,где ΔГ – необходимый зазор между стенками цилиндра и головкой поршня в холодном состоянии .Для алюминиевых поршней ΔГ=(0.006…0.008)D=0.006·103=0.618 мм.

,где Δю – необходимый зазор между стенкой цилиндра и юбкой поршня в холодном состоянии .Для алюминиевых поршней Δю=(0.001…0.002)D=0.002·103=0.206 мм.

Диаметральные зазоры в горячем состоянии определяются по следующим формулам

:

,где αц и αп – коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра (для гильзы из чугуна αц=11·10ˉ˚ 1/К ) и поршня ( αц=22·10ˉ˚ 1/К ) .

Тц и ТГ – температуры стенок цилиндра и головки поршня в рабочем состоянии .При водяном охлаждении Тц=388 К ,ТГ=493 К .

,где Тю –температура юбки поршня в рабочем состоянии .При водяном охлаждении Тю=428 К .

Расчёт поршневого кольца .

Материал кольца – легированный чугун ,Е=1.2·10 МПа .

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности :

,где μк=р/ркр – переменный коэффициент .

Результаты расчёта р в различных точках окружности (углах φ) приведены