Расчет карбюраторного V-образного четырехцилиндрового двигателя на шасси автомобиля ЗАЗ-968М (стр. 9 из 11)

Момент М_с легко уравновесить при помощи противовесов с массой каждого противовеса m_z , расположенных на продолжении щек коленчатого вала.

m_z= Ö2*m_R*R*w² * a/(rс)=1,59 кг.

а- расстояние между центрами шатунных шеек,

b- расстояние между центрами тяжести противовесов,

r- расстояние центра тяжести противовеса до оси коленчатого вала.

7. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ [1, с.197-222, 245-261]

7.1. Расчет поршня

На основании данных теплового расчета, скоростной характеристики и динамического расчета получили:

диаметр цилиндра D=80 мм;

ход поршня: S=70 мм;

действительное максимальное давление сгорания: p_Zд=4,647 МПа;

площадь поршня: F_п=50,24 см²;

наибольшая нормальная сила: N_max=0,0015 МН при j=450⁰

масса поршневой группы: m_п=0,5024 кг;

частота вращения: n_max =4500 об/мин;

отношение радиуса кривошипа к длине шатуна: l=0,285.

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений, приведенных в табл.50 [1,с.206], принимаем:

толщина днища поршня: d=6 мм;

высота поршня: H=84 мм;

высота юбки поршня: h_ю=52 мм;

высота верхней части поршня h₁=32 мм;

внутренний диаметр поршня: d_i=60,4 мм;

диаметр бобышки: d_б=32 мм;

расстояние между торцами бобышек: b=32 мм;

расстояние до первой поршневой канавки: e=8 мм;

радиальная толщина кольца: t_К= t_М=3 мм;

радиальный зазор кольца в канавке поршня: Dt=0,8 мм;

толщина стенки головки поршня: s=6 мм;

толщина стенки юбки поршня: d_ю=3 мм;

величина верхней кольцевой перемычки: h_п=4 мм;

число и диаметр масляных каналов в поршне: n_m’=10 и d_m=1 мм.

Схема поршня представлена на рис.7.1.

Материал поршня - алюминиевый сплав, a_п=22*10^-61/К; материал гильзы цилиндра - чугун, a_ц=11*10^-61/К.

Напряжение изгиба в днище поршня: s_из=p_Zд*(r₁/d)²,

где r₁=D/2-(s+t+Dt)=80/2-(6+3+0,8)=30,2 мм.

s_из=4,647*(30,2/6)²=117,73 МПа.

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, т.к. s_из>25 Мпа.

Напряжение сжатия в сечении x-x :

s_сж=P_Zд/F_x-x,

где P_zд=p_Zд*F_п=4,647*0,005024=0,0233 МН;

s_сж=0,0233/0,00119=19,56 МПа .

F_x-x=(p/4)*(d_k²-d_i²)-n_m’*( d_k-d_i )*d_m/2;

F_x-x=((3,14/4)*(72,4²-60,4²)-10*6))*10^-6=0,00119 м².

d_k=D-2*(t+Dt);

d_k=80-2*(3+0,8)=72,4 мм.

Напряжение разрыва в сечении x-x:

максимальная угловая скорость холостого хода: w_{х.х max}=p*n _{х.х max}/30;

w_{х.х max}=3,14*5300/30=555 рад/с.

масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения x-x: m_x-x=0,5*m_п;

m_x-x=0,5*0,5024=0,2512 кг.

максимальная разрывающая сила: P_j=m_x-x*R*w²_{х.х max} *(1+l)*10^-6;

P_j=0,2512*0,035*555²*(1+0,285)10^-6 =0,00348 МН.

напряжение разрыва: s_р=P_j/F_x-x;

s_р=0,00348/0,00119=2,924 МПа.

Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

среза: t=0,0314*p_Zд*D/h_п; t=0,0314*4,647*80/3=3,89 МПа.

изгиба: s_из=0,0045*p_Zд*(D/h_п)²; s_из=0,0045*4,647*(80/3)²=14,87 МПа.

сложное: s_S=Ö(s_из²+4*t²); s_S=Ö(14,87²+4*3,89²)=16,78 МПа.

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

q₁=N_max/(h_ю*D); q₁=0,293*0,005024/(0,056*0,080)=0,32 МПа.

q₂=N_max/(H*D); q₂=0,293*0,005024/(0,084*0,080)=0,22 МПа.

Диаметры головки и юбки поршня:

D_г=D-D_г; D_г=80-0,56=79,44 мм.

D_ю=D-D_ю; D_ю=80-0,16=79,84 мм.

где D_г=0,007*D=0,007*80=0,56 мм; D_ю=0,002*D; D_ю=0,002*80=0,16 мм.

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

D_г’=D[1+a_ц*(Т_ц-Т₀)]-D_г[1+a_п*(Т_г-Т₀)];

D_г’=80*[1+11*10^-6*(450-293)]-79,44*[1+22*10^-6*(650-293)]=0,074 мм;

D_ю’=D[1+a_ц*(Т_ц-Т₀)]-D_ю[1+a_п*(Т_ю-Т₀)];

D_ю’=80*[1+11*10^-6*(450-293)]-79,84*[1+22*10^-6*(550-293)]=0,02 мм,

где Т_ц=450 К, Т_г=650 К, Т_ю=550 К приняты с учетом воздушного охлаждения двигателя [1,с.203];

a_ц =11*10^-6 1/К и a_п=22*10^-61/К -коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня.

7.2. Расчет поршневого кольца

Параметры кольца [1,с.206]:

радиальная толщина кольца: t=3 мм;

радиальный зазор кольца в канавке поршня: Dt=0,8 мм;

высота кольца: а=3 мм;

разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и в рабочем состоянии:

А₀=10 мм.

материал кольца: серый чугун, Е=1,0*10⁵МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

;

МПа.

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности: p=p_ср*m_к.

Значения m_к для различных углов y приведены на с.213 [1].

Результаты расчетов р представлены в табл.7.1. По данным табл.7.1. строим эпюру давлений компрессионного кольца на стенку цилиндра (рис.7.2.).

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии: s_из1=2,61*р_ср*(D/t-1)²;

s_из1=2,61*0,112*(80/3-1)²=192,6 МПа.

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:s_из2=

,

где m=1,57 - коэффициент, зависящий от способа монтажа кольца.

Таблица 7.1.

y°	0	30	60	90	120	150	180
mк	1,05	1,05	1,14	0,90	0,45	0,67	2,85
р , МПа	0,118	0,118	0,128	0,101	0,05	0,075	0,319

s_из2=

МПа.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца: D_к=D_к’+pD[a_к (Т_к-Т₀)- a_ц (Т_ц-Т₀)],

где D_к’=0,08 мм -минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя;

a_к =11*10^-61/К и a_ц=11*10^-61/К - коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра; Т_ц=450 К, Т_к=550 К и Т₀=293 К.

D_к=0,07+3,14*80*[11*10^-6*(550-293)-11*10^-6*(450-293)]=0,356 мм.

7.3. Расчет поршневого пальца

Параметры поршневого пальца принимаем по табл.50 [1,c.206]:

наружный диаметр пальца: d_п=20 мм;

внутренний диаметр пальца: d_в=14 мм;

длина пальца: l_п=66 мм;

длина втулки шатуна: l_ш=30 мм;

расстояние между торцами бобышек: b=32 мм;

материал поршневого пальца: сталь 15Х, Е=2*10⁵МПа.

Палец плавающего типа.

Действительное максимальное давление: p_zmax=p_Zд=4,647 МПа .

Расчетная сила, действующая на поршневой палец:

газовая: P_zmax=p_zmax*F_п; P_zmax=4,647*0,005024=0,0233 МН.

инерционная: P_j=-m_п*w²*R*(1+l)*10^-6, где w =p*n _м/30=3,14*2700/30=282,6 рад/с;

P_j=-0,5024*282,6²*0,035*(1+0,285)=-0,001805 МН.

расчетная: P=P_zmax+k*P_j, где k=0,8 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

P=0,0233-0,8*0,001805=0,0219 МН.

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна: q_ш=P/(d_п*l_ш);

q_ш=0,0219/(0,02*0,03)=36,5 МПа.

Удельное давление пальца на бобышки: q_б=P/[d_п(l_п-b)];

q_б=0,0219/[0,02*(0,066-0,032)]=32,21 МПа.

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца: s_из=

,

где a=d_в/d_п=14/20=0,7 – отношение внутреннего диаметра кольца к наружному.

s_из=

МПа.

Касательное напряжение среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

t=

;

t=

МПа.

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

Dd_{п max}=

;

Dd_{п max}=

0,0297 мм.

Напряжение овализации на внешней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости (рис.7.3. точки 1, y=0°):

s_{а 0°}=

;

s_{а 0°}

115,45 МПа;

в вертикальной плоскости (рис.7.3. точки 3, y=90°):

s_{а 90°}

;

s_{а 90°}

-199,78 МПа.