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 .

Продолжение таблицы 4.2.

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