Расчет поршня

Расчет поршня Задание на курсовой проект Задание на курсовой проект выбирается по таблице 1, в зависимости от последней цифры в зачетке.

Таблица 1 — Условия эксплуатации поршня

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень (рис. 1), воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки. Его основными функциями являются уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму.

Рисунок 1 — Поршень Поршни автотракторных двигателей изготавливаются в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. В качестве алюминиевых сплавов использовались эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание которого в сплаве не превышало 12−13%. В настоящее время новые двигатели имеют поршни, изготовленные из заэвтектических сплавов алюминия с кремнием, содержание которого достигает 18 и более процентов. Для улучшения физико-механических свойств заэвтектических сплавов применяется их легирование никелем, магнием, медью, хромом и специальные технологии литья или горячей штамповки.

Чугунные поршни по сравнению с алюминиевыми обладают более высокими показателями твердости, износостойкости и жаропрочности, а также одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы цилиндра. Однако большая плотность чугунного поршня не позволяет его использовать для высокооборотных двигателей. В настоящее время все серийно выпускаемые двигатели легковых автомобилей имеют поршни из алюминиевых сплавов.

Дальнейшее совершенствование поршней предусматривает широкое использование для их изготовления композиционных материалов. Основу этих материалов составляют легкие и не очень прочные материалы (например, алюминий), которые «насыщаются» высокопрочными полимерными, керамическими или металлическими волокнами. Эти волокна не только жестко связывают молекулы основного материала, но и воспринимают значительную нагрузку как механическую, так и тепловую. Перспективным является армирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия Аl2О3 и диоксида кремния SiO2, что способствует высокой термической стабильности поршня.

При работе двигателя температура потока горящей топливо-воздушной смеси, омывающей днище поршня, сильно меняется от минимальной при пуске и прогреве двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок. При этом максимальную температуру имеет днище поршня, а минимальную — юбка. Распределение средней температуры при работающем двигателе по высоте поршня показано на рис. 2, а. С учетом такого распределения температуры профиль поршня по высоте выполняется одной из следующих форм: ступенчатой (рис. 2, б), конической или лекальной.

Значительная часть теплового потока от днища и огневого пояса поршня быстро уходит в стенку цилиндра через поршневые кольца и только часть теплоты передается в бобышки, а затем и в юбку поршня. При этом отвод теплоты от бобышек значительно меньше, чем от стенок юбки, которые контактируют со стенками цилиндра. В результате по оси бобышек поршень расширяется значительно больше и становится овальным (рис. 2, в). Оптимальная форма поршня для вновь проектируемого двигателя подбирается в результате кропотливых и длительных экспериментов Рисунок 2. Изменение температуры по высоте поршня и зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра в разных сечениях:

а — изменение температуры по высоте поршня; б — изменение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра; в — изменение площади поперечного сечения поршня; — -окружность цилиндра; — — - профиль холодного поршня;. —.—.— - рабочий режим; …- перегрев; А — места заклинивания юбки поршня в цилиндре при перегреве.

Наиболее общими конструктивными и технологическими направлениями при разработке поршней современных двигателей является:

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

— уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за счет вырезов в наименее нагруженных местах (Х-образные поршни);

— нанесение на днище и верхнюю канавку поршня износои термостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алюминия в керамику Аl2 О3;

— снижение теплового расширения поршня за счет заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок;

— покрытие юбки поршня тонким (0,003—0,005 мм) слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава в целях быстрой приработки, а также уменьшения трения и снижения износа;

— уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальцев;

— переход на плавающие пальцы малой длины с фиксацией шатуна от осевых перемещений в бобышках поршня;

— снижение высоты колец;

— применение специальных конструктивных и технологических элементов, улучшающих смазку и уменьшающих износ пары: поршень — цилиндр.

Обработка результатов Определить напряжение изгиба в днище поршня по формуле:

(1)

где

— напряжение изгиба в днище поршня, МПа;

— максимальное давление сгорания, МПа;

— внутренний радиус поршня,, мм

s — толщина стенки поршня, мм. Выбирается из таблицы № 2;

t — радиальная толщина компрессионного кольца, мм. Выбирается из таблицы № 2;

t — радиальный зазор кольца в канавке поршня, мм. Выбирается из таблицы № 2;

— толщина днища поршня, мм. Выбирается из таблицы № 2.

Таблица № 2 — Размеры поршня.

Сравните напряжение изгиба с допустимым напряжением [из], МПа из таблицы № 3.

Таблица № 3- Допустимые значения напряжения.

При превышении допустимых значений сделайте предложения для усовершенствования поршня.

Определить напряжение сжатия

(2)

Где — максимальная сила давления газов на днище поршня, МН;

— площадь поршня, мм²;

рz — максимальное давление сгорания, МПа;

Fx-x — площадь в сечении х-х, м²:

(3)

где

— диаметр поршня по дну канавок, м;

di=D-2(s + t + t) — внутренний диаметр поршня, м;

— площадь продольного диаметрального сечения масляного канала, м².

Сравните напряжение на сжатие с допустимым напряжением [сж]. Для поршней из алюминиевых сплавов [сж] = 3040 МПа, для чугунных — [сж] = 6080 МПа.

Определить максимальную угловую скорость холостого хода

(4)

где

— максимальная угловая скорость холостого хода, рад/сек;

nx.x.max — максимальная частота вращения холостого хода, об/мин.

Определить массу головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х.

(5)

где

mп — масса поршня, кг.

Определить максимальную разрывающую силу

(6)

где

— максимальная разрывающая сила, МН;

— радиус кривошипа, м., м.

Определить напряжение разрыва

(7)

где Рj — максимальная разрывающая сила, МПа;

Fx-x — площадь в сечении х-х, м².

Определить напряжение среза в верхней кольцевой перемычке

(8)

Определить напряжение изгиба в верхней кольцевой перемычке

(9)

Определить сложное напряжение в верхней кольцевой перемычке

(10)

Сложное напряжение не должно превышать допустимого, которое лежит в пределах:

Для поршней из алюминиевых сплавов 30−40 МПа Для чугунных поршней 60−80 МПа Определить удельное давление юбки поршня на стенку цилиндра

(11)

где

Nmax — максимальная нормальная сила, Н;

hю — высота юбки поршня, м.

Определить удельное давление всего поршня на стенку цилиндра

(12)

H — высота поршня, м.

Определить диаметр головки поршня с учетом монтажного зазора

(13)

г = 0,007 D — монтажный зазор головки поршня, м.

Определить диаметр юбки поршня с учетом монтажного зазора

(13)

поршень цилиндр двигатель автотракторный ю = 0,002 D — монтажный зазор юбки поршня, м.

Определить диаметральные зазоры в горячем состоянии

(14)

где бц и бп — коэффициенты линейного расширения цилиндра и поршня. Для чугуна бц = бп = 11· 10 -6 1/К, для алюминиевого сплава бц = бп = 22 · 10−6 1/К.

Тц = 383 388 К, Тг = 473 723 К, То = 293 К — рабочая температура цилиндра, головки поршня и окружающей среды соответственно.

(15)

Сделайте вывод об пригодности к работе поршня в данных условиях и при необходимости мероприятия при которых поршень может эксплуатироваться.

При получении отрицательных значений /г и /ю поршень непригоден к работе. Для того чтобы он был пригоден необходимо пересчитать расчет, изменив г и ю, или внедрить некоторые мероприятия. При нормальной работе поршня диаметральные зазоры должны лежать в пределах /г = (0,0020,0025)· D и /ю = (0,50,0015)· D.

1. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов. / А. И. Колчин, В. П. Демидов — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2002. — 496 с.: ил.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990. 283 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983. 375 с.

4. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1985. 369 с.