Расчёт поршня

Поршень является наиболее нагруженной деталью двигателя, так как вос-принимает высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки.

Основным назначением поршня является уплотнение рабочей полости цилиндра и передача с наименьшими потерями силы давления газов на криво-шипно-шатунный механизм.

С учётом назначения и условий работы к конструкции поршня выдвигают-ся следующие условия:

· малая масса и габариты;

· высокая прочность и износостойкость;

· малый коэффициент линейного расширения материала поршня.

В связи с этим поршни автомобильных двигателей изготавливаются из алюминиевых сплавов и реже из чугуна (мощные дизели). Чаще всего исполь-зуются эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание которого не превышает 12…13%. На современных форсированных двигателях, особенно на двигателях с турбонаддувом, содержание кремния доходит до 18%. Для улуч-шения свойств сплавов их легируют никелем, магнием медью, хромом.

С целью уменьшения температурных расширений наиболее массивных элементов поршня используются вставки пластин из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения. Чаще всего пластины бывают из малоуглеродистых сталей.

Ведутся работы по созданию поршней из композиционных материалов, основу которых составляет алюминий, насыщенный высокопрочными полимер-ными, керамическими или металлическими волокнами. Известны опыты по армированию элементов поршня волокнами из оксида алюминия Al₂O₃ и диоксида кремния SiO₂ , что значительно улучшает термическую прочность поршня.

Основные конструктивные соотношения между размерами элементов деталей поршневой группы, составленные на основе обобщения многолетнего опыта проектирования двигателей, приведены на рис.12.1 и в таблице 12.1.

При проектировании поршня вначале выбираются основные размеры элементов деталей поршневой группы по рекомендациям, приведённым в таблице 12.1 [3], а затем вычерчивается схема поршня аналогично рис. 12.1.

Таблица 12.1

Наименование элементов поршня	Бензин.ДВС	Дизели
Толщина днища поршня,	0,05…0,09	0,12…0,20
Высота поршня,	0,80…1,20	1,00…1,50
Высота огневого (жарового) пояса,	0,06…0,09	0,11…0,20
Толщина первой кольцевой перемычки,	0,03…0,05	0,04…0,06
Высота верхней части поршня,	0,45…0,75	0,60…1,00
Высота юбки поршня,	0,60…0,75	0,60…0,70
Внутренний диаметр поршня,
Толщина стенки головки поршня,	0,05…0,10	0,05…0,10
Толщина стенки юбки поршня, , мм	1,50…4,50	2,00…5,00
Радиальная толщина кольца, : · компрессионного · маслосъёмного	0,035…0,045 0,030…0,043	0,040…0,045 0,038…0,043
Радиальный зазор кольца в канавке, , мм: · компрессионного · маслосъёмного	0,70…0,95 0,90…1,10	0,70…0,95 0,90…1,10
Высота кольца, ,мм	1,50…4,00	3,00…5,00
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии,	2,50…4,00	3,20…4,00
Число масляных отверстий в поршне,	6…12	6…12
Диаметр масляного канала,	0,30…0,50	0,30…0,50
Диаметр бобышки,	0,30…0,50	0,30…0,50
Расстояние между торцами бобышек,	0,30…0,50	0,30…0,50
Наружный диаметр поршневого пальца,	0,22…0,28	0,30…0,38
Внутренний диаметр поршневого пальца,	0,65…0,75	0,50…0,70
Длина поршневого пальца, : · закреплённого · плавающего	0,85…0,90 0,78…0,88	0,85…0,90 0,80…0,85
Длина верхней головки шатуна, : · при закреплённом пальце · при плавающем пальце	0,28…0,32 0,33…0,45	0,28…0,32 0,33…0,45

При работе двигателя распределение средней температуры по высоте поршня таково, что максимальная температура наблюдается у днища, а мини-мальная – на юбке (рис. 12.2 а). Для выравнивания температурного расширения поршня по высоте его профиль выполняется по одной из следующих форм:

· ступенчатой;

· конической (рис.12.2 б);

· лекальной.

При работе двигателя наблюдается неравномерное температурное расши-рение поршня и в радиальном направлении. Вдоль оси бобышек толщина стенки поршня из-за наличия бобышек значительно больше, поэтому и темпе-ратурное расширение в этом месте больше. Для выравнивания температурного расширения поршня в радиальном направлении поперечное сечение поршня выполняют овальным так, чтобы малая ось овала совпадала с осью бобышек (рис. 12.2. в).

В результате при работе двигателя поршень в нагретом состоянии имеет цилиндрическую форму, совпадающую с формой цилиндра.

Для предотвращения ударных явлений между поршнем и цилиндром при перекладке поршня в зоне ВМТ в такте «рабочий ход» ось отверстий под порш-невой палец в бобышках поршня смещается на 2…3 мм в сторону перекладки относительно оси симметрии поршня. Такой приём называется дезаксажем поршня.

При разработке поршневой группы для современных двигателей наблюдаются следующие тенденции:

· уменьшение расстояния от днища поршня до оси бобышек в целях снижения высоты и массы двигателя;

· уменьшение высоты юбки и снижение веса за счёт вырезов в наименее нагруженных частях;

· нанесение на днище и верхнюю канавку износо- и термостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алюминия в керамику (оксид алюминия) Al₂O₃;

· снижение теплового расширения поршня за счёт вставки в его тело стальных пластин;

· покрытие юбки тонким (0,003…0,005 мм) слоем олова, свинца или оловянисто-свинцового сплава в целях быстрой приработки и снижения трения;

· уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальца;

· переход на плавающие пальцы малой длины;

· снижение высоты колец.

После этого выполняются следующие проверочные прочностные расчёты.

Расчёт днищапоршня на изгиб от действия газовых сил.

Условие прочности днища поршня на изгиб:

Значения допустимых напряжений:

Материал поршня	, МПа
Днище без рёбер жёсткости	Днище с рёбрами жёсткости
Алюминиевые сплавы	20…25	50…150
Чугун	40…50	80…200

Расчёт стенки головкипоршня на сжатие от действия газовых сил.

Условие прочности головки поршня в наиболее слабом сечении по канавке маслосъёмного кольца при сжатии:

где: - максимальная сила давления газов на днище поршня, берётся из таблицы 2;

- площадь сечения x – x;

- диаметр поршня по дну канавок;

- площадь продольного диаметрального сечения масляного канала.

Допустимые напряжения при сжатии:

· для поршней из алюминиевых сплавов = 30…40 МПа;

· для чугунных поршней = 60…80 МПа.

Расчёт стенки головкипоршня на растяжение от действия инерционных сил.

Условие прочности головки поршня в наиболее слабом сечении по канавке маслосъёмного кольца при растяжении:

,

где: - максимальная сила инерции в режиме максимальной мощности, берётся из таблицы 2.

Допустимые напряжения при растяжении:

· для поршней из алюминиевых сплавов = 4…10 МПа;

· для чугунных поршней = 8…20 МПа.

Расчёт верхней кольцевой перемычки на срез и изгиб от действия газовых сил.

Напряжения среза кольцевой перемычки:

,

где: - толщина верхней кольцевой перемычки.

Напряжения изгиба кольцевой перемычки:

Условие прочности по эквивалентному (суммарному) напряжению по третьей теории прочности:

Допустимые суммарные напряжения:

· для поршней из алюминиевых сплавов = 30…40 МПа;

· для чугунных поршней = 60…80 МПа.

Расчёт максимального удельного давления поршня на стенку цилиндра.

Удельное давление юбки поршня на стенку цилиндра:

МПа,

где: - максимальная нормальная сила в режиме максимального момента;

Удельное давление всего поршня на стенку цилиндра:

МПа.

Дата добавления: 2015-07-16