Модернизация системы охлаждения двигателя Газели (стр. 15 из 19)

мм (6.18)

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

(6.19)

мм

(6.20)

мм

где a_ц=11×10^-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала

цилиндра;

a_п=22×10^-6 1/К - коэффициент линейного расширения материала поршня;

Т_ц =383 К – температура стенок цилиндра;

Т_r = 593 К – температура головки в рабочем состоянии;

Т_ю =413 К – температура юбки поршня в рабочем состоянии;

Т_о =293 К – начальная температура цилиндра и поршня.

6.2 Расчет поршневого кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные функции:

– герметизации надпоршневого пространства в целях максимально возможного использования тепловой энергии топлива;

– отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра;

– "управление маслом", т.е. рационального распределения масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Материал кольца – серый чугун. Е=1.2·10⁵ МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

(6.21)

МПа

где

мм.

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной форме эпюры давления:

, [МПа] (6.22)

Результаты расчета р, а также μ_к для различных углов ψ приведены ниже:

Угол ψ, определяющий положение текущего давления кольца, град	0	30	60	90	120	150	180
Коэффициент μк	1.05	1.05	1.14	0.90	0.45	0.67	2.85
Давление р в соответствующей точке, МПа	0.224	0.222	0.218	0.214	0.218	0.271	0.320

По этим данным построена каплевидная эпюра давлений кольца на стенку цилиндра (рис. 5.2).

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:

МПа (6.23)

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

МПа (6.24)

Монтажный зазор в замке поршневого кольца:

(6.25)

мм

где

мм – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя;

a_к =11·10^-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала кольца;

a_ц =11·10^-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала гильзы;

Т_к=493 К – температура кольца в рабочем состоянии;

Т_ц =383 К – температура стенок цилиндра;

Т_о= 293 К – начальная температура.

6.3 Расчет поршневого пальца

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условиями работы к материалам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляются требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементированные малоуглеродистые и легированные стали

Для расчета принимаем следующие данные:

наружный диаметр пальца d_n=25 мм,

внутренний диаметр пальца d_b=16 мм,

длину пальца l_n=80 мм,

длину втулки шатуна l_ш=40 мм,

расстояние между торцами бобышек b=44 мм.

Материал поршневого пальца – сталь 15Х, Е=2·10⁵ МПа.

Палец плавающего типа.

Расчет поршневого пальца включает определение удельных давлений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений от изгиба, среза и овализации.

Максимальные напряжения возникают в пальцах дизелей при работе на номинальном режиме.

Расчетная сила, действующая на поршневой палец:

– газовая

МН (6.26)

где р_zmax=р_z=6.356 МПа – максимальное давление газов на номинальном

режиме;

мм² – площадь поршня;

– инерционная

МН (6.27)

где

рад/с

– расчетная

МН (6.28)

где k =0.82 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

Удельное давление (МПа) пальца на втулку поршневой головки шатуна

МПа (6.29)

где

м – наружный диаметр пальца;

м – длина опорной поверхности пальца в головки шатуна.

Удельное давление пальца на бобышки

МПа (6.30)

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:

(6.31)

МПа

где a=d_в/d_п=0.64 – отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.

Для автомобильных и тракторных двигателей [s_из] = 100 ¸ 250 МПа.

Касательные напряжения среза пальца в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

(6.32)

Мпа

Для автомобильных и тракторных двигателей [t] = 60 ¸ 250 МПа.

Максимальная овализация пальца (наибольшее увеличение горизонтального диаметра ∆ d_nmax, мм) наблюдается в его средней, наиболее напряженной части:

(6.33)

мм

где Е = 2·10⁵ МПа – модуль упругости материала пальца.

Напряжение овализации на внешней поверхности пальца:

- в горизонтальной плоскости (точки 1, ψ=0є):

(6.34)

МПа

-в вертикальной плоскости (точки 3, ψ=90є):

(6.35)

МПа

Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца:

- в горизонтальной плоскости (точки 2, ψ=0є):

(6.36)

МПа;

-в вертикальной плоскости (точки 4, ψ=90є):

(6.37)

МПа.

7. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ

Конструкторский раздел предназначен для рассмотрения основной задачи данной работы — усовершенствования системы охлаждения двигателя ЗМЗ 406 применяемого на автомобилях ГАЗ 2705, 3221 «ГАЗЕЛЬ» и их модификациях. При этом изменения в двигателе принятые в тепловом расчете, т.е. форсирование двигателя для повышения его тяговых и скоростных характеристик приняты как перспективные и представляющие интерес с практической, а в данном случае еще и с теоретической точки зрения. Принимая данные, полученные в тепловом расчете, и учитывая ,что после форсирования двигателя увеличилась мощность нетто, а следовательно тепловой режим стал более напряженным был проведен расчет системы охлаждения.

7.1 Расчет жидкостной системы охлаждения

Модернизируя систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания проведем предварительный её расчет согласно материалу, изложенному в [4]. Однако данный расчет является проверочным и ведётся в первом приближении с тем, чтобы сохранить геометрические, тепловые и иные параметры основных деталей системы охлаждения максимально унифицируя её с существующей конструкцией в случае доработки. При расчете системы охлаждения двигателя исходной величиной является количество отводимого от него в единицу времени тепла Q_ω(ккал/ч). Это количество может быть определено из уравнения теплового баланса, или (ориентировочно) на основании экспериментальных данных. В данной работе используем второй вариант, на основании экспериментальных данных, выбирая коэффициенты и эмпирические данные предполагая наиболее напряженный тепловой режим работы.