Расчет поршня. Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки, поэтому при его изготовлении к материалу предъявляются повышенные требования.
Поршни автомобильных и тракторных двигателей изготовляют в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна.
Основные конструктивные соотношения размеров элементов поршня рис. 6.1 приведены в табл. 6.1. Величину верхней части поршня h1 выбираем, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла.
Это условие обеспечивается при 6.1 где hr - высота головки поршня. Расстояние b между торцами бобышек зависит от способа крепления поршневого пальца и обычно принимается на 2-3 мм больше длины верхней головки шатуна lш. Конкретные значения конструктивных элементов поршня принимаются по прототипам с учетом соотношений, приведены в табл. 6.1. Поверочный расчет элементов поршня осуществляется без учета переменных нагрузок, величина которых учитывается при установлении соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня.
Днище поршня рассчитывается на изгиб от действия максимальных газовых условий рzmax как равномерно нагруженная круглая плита, свободно опирающаяся на цилиндр.
Рис. 6.1 Схема поршня Материал поршня - алюминиевый сплав, бп 22 10-6 1 К. Материал гильзы цилиндра - серый чугун, бц 11 10-6 1 К. Для дизелей максимальное давление газов обычно достигается при работе на режиме максимальной мощности.
Таблица 6.1 Наименование диапазон значение Толщина днища поршня, 0,12 0,20 D 8 Высота поршня, Н 1,0 1,7 D 105 Высота верхней части поршня, h1 0,6 1,0 D Высота юбки поршня, hю 0,6 1,1 D 65 Диаметр бобышки, dб 0,3 0,5 D Расстояние между торцами бобышек, b 0,3 0,5 D 44 Толщина стенки юбки поршня, ю, мм 2,0 5,0 Толщина стенки головки поршня, s 0,05 0,10 D 7 Расстояние до первой поршневой канавки, l 0,11 0,20 D Толщина первой кольцевой перемычки, hп 0,04 0,07 D 4 Радиальная толщина кольца, t компрессионного 0,040 0,045 D 4 маслосъемного 0,038 0,043 D 3 Высота кольца, а, мм 3-5 3 Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии Ао 3,2 - 4,0 t Радиальный зазор кольца в канаве поршня ?t, мм компрессионного 0,70 - 0,95 0.8 маслосъемного 0,9 - 1,1 Внутренний диаметр поршня, di D - 2 s t ?t Число масляных отверстий в поршне, nм 6-12 10 Диаметр масляного канала, dм 0,3 - 0,5 a 1 Наружный диаметр пальца, dп 0,30 0,38 D 24 Внутренний диаметр пальца, dв 0,50 0,70 dп 16 Длина пальца, lп 0,80 0,90 D 80 Длина втулки шатуна, lш 0,33 0,45 D 40 Напряжение изгиба МПа в днище поршня МПа 6.2 где рzmax рz 6.356 МПа - максимальное давление сгорания мм - внутренний радиус днища.
Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости. Кроме того, в целях повышения износо- и термостойкости поршня целесообразно осуществить твердое анодирование днища и огневого пояса, что уменьшит возможности перегрева и прогорания днища, а также пригорания верхнего компрессионного кольца.
При отсутствии у днища ребер жесткости допустимые значения напряжений из МПа лежат в пределах Для поршней из алюминиевых сплавов . 20-25 При наличии ребер жесткости из возрастают Для поршней из алюминиевых сплавов до 50-150 Головка поршня в сечении х-х, ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.
Напряжение сжатия в сечении х-х площадь сечения х - х м2 5.3 где мм - диаметр поршня по дну канавок мм - внутренний диаметр поршня мм2 - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала.
Максимальная сжимающая сила МН 6.4 Напряжение сжатия МПа 6.5 Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов сж 30 40 МПа. Напряжение разрыва в сечении х-х - максимальная угловая скорость холостого хода рад с 6.6 - масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х кг 6.7 - максимальная разрывающая сила 6.8 МН Допустимые напряжения на разрыв для поршня из алюминиевых сплавов р 4 10 МПа напряжение разрыва МПа 6.9 Напряжение в верхней кольцевой перемычке - среза МПа 6.10 где D 93 мм - диаметр цилиндра hп 4 мм - толщина верхней кольцевой перемычки изгиба МПа 6.11 - сложное МПа 6.12 допускаемые напряжения МПа в верхних кольцевых перемычках с учетом значительных температурных нагрузок находятся в пределах для поршней из алюминиевых сплавов . 30-40. Удельное давление поршня на стенку цилиндра МПа 6.13 МПа 6.14 где Nmax 0.0025 МН - наибольшая нормальная сила, действующая на стенку цилиндра при работе двигателя на режиме максималь- ной мощности. Для современных автомобильных и тракторных двигателей q1 0.3 1.0 и q2 0.2 0.7 МПа. Гарантированная подвижность поршня в цилиндре достигается за счет установления оптимальных диаметральных зазоров между цилиндром и поршнем при различных тепловых нагрузках, возникающих в процессе работы дизеля.
По статистическим данным для алюминиевых поршней с неразрезными юбками ?r 0.006 0.008 D 0.007 93 0.651 мм 6.15 ?ю 0.001 0.002 D 0.002 93 0.186 мм 6.16 Диаметры головки и юбки поршня мм 6.17 мм 6.18 Диаметральные зазоры в горячем состоянии 6.19 мм 6.20 мм где ц 1110-6 1 К - коэффициент линейного расширения материала цилиндра п 2210-6 1 К - коэффициент линейного расширения материала поршня Тц 383 К - температура стенок цилиндра Тr 593 К - температура головки в рабочем состоянии Тю 413 К - температура юбки поршня в рабочем состоянии То 293 К - начальная температура цилиндра и поршня. 6.2