Расчет конструкции двигателя внутреннего сгорания

Содержание

1. Кинематика

. Динамика

.1 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

.2 Удельные и полные силы инерции

.3 Удельные суммарные массы

.4 Крутящие моменты

. Поршневая группа

.1 Расчет поршня бензинового двигателя

.2 Расчет кольца поршневого бензинового двигателя

.3 Расчет пальца поршневого бензинового двигателя

. Шатунная группа

.1 Расчёт поршневой головки шатуна бензинового двигателя

.2 Расчёт кривошипной головки шатуна

.3 Расчет стержня шатуна бензинового двигателя

.4 Расчёт шатунного болта

. Расчет коленчатого вала

.1 Расчёт коленчатого вала рядного двигателя

.2 Расчет коренной шейки

.3 Расчет шатунной шейки

.4 Расчет щеки

. Расчёт корпуса двигателя

.1 Гильза цилиндра

.2 Расчет шпильки головки блока цилиндров

Список литературы

Приложение

1. Кинематика

Расчет четырехтактного четырехцилиндрового рядного карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Данные для расчета в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные

n,об/мин	τ	λ	Nе, кВт	Vh	i	pzд,МПа
5400	4	0,285	50	0,369	4	7,420

где: n - частота оборотов двигателя, τ - тактность двигателя, V^h - рабочий объем одного двигателя, N^e- мощность двигателя, i - количества цилиндров, p- максимальное давления.

Ход поршня предварительно выбираем:  .

Радиус кривошипа:

R = S/2= R = 38,5 мм. (1.1)

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

. (1.2)

Литраж двигателя:

, (1.3)

Среднее эффективное давление:

=, (1.4)

Диаметр цилиндра. Так как ход поршня предварительно был принят , то:

. (1.5)

Окончательно принимаем: S = , D = , R = .

Основные параметры и показатели двигателя:

площадь поршня:

; (1.6)

- крутящий момент:

; (1.7)

Среднее давление механических потерь:

, (1.8)

где: .

Среднее индикаторное давление:

 (1.9)

Механический КПД:

. (1.10)

В целях уменьшения высоты двигателя без значительного увеличения инерционных и нормальных сил отношение радиуса кривошипа к длине шатуна предварительно было принято . При этих условиях:

. (1.11)

Перемещение поршня:

. (1.12)

Расчёт  производится аналитически через каждые  угла поворота коленчатого вала.

Скорость поршня:

, (1.13)

Ускорения поршня:

. (1.14)

Таблица 2. Скорость, перемещение, ускорение.

φ°	φ, рад	SX, мм	VП, м/с	j, м/с 2
0	0,00	0,00	0,00	15820,08
20	0,35	2,96	9,44	14256,73
40	0,70	11,27	17,05	10040,32
60	1,05	23,36	21,54	4401,31
80	1,40	37,14	22,50	-1159,29
100	1,75	50,51	20,38	-5434,97
120	2,09	61,86	16,17	-7910,04
140	2,44	70,26	10,94	-8821,75
160	2,79	75,32	5,45	-8881,03
180	3,14	77,00	0,00	-8802,61
200	3,49	75,32	-5,45	-8881,03
220	3,84	70,26	-10,94	-8821,75
240	4,19	61,86	-16,17	-7910,04
260	4,54	50,51	-20,38	-5434,97
280	4,89	37,14	-22,50	-1159,29
300	5,24	23,36	-21,54	4401,31
320	5,59	11,27	-17,05	10040,32
340	5,93	2,96	-9,44	14256,73
360	6,28	0,00	0,00	15820,08
380	6,63	2,96	9,44	14256,73
400	6,98	11,27	17,05	10040,32
420	7,33	23,36	21,54	4401,31
440	7,68	37,14	22,50	-1159,29
460	8,03	50,51	20,38	-5434,97
480	8,38	61,86	16,17	-7910,04
500	8,73	70,26	10,94	-8821,75
520	9,08	75,32	5,45	-8881,03
540	9,42	77,00	0,00	-8802,61
560	9,77	75,32	-5,45	-8881,03
580	10,12	70,26	-10,94	-8821,75
600	10,47	61,86	-16,17	-7910,04
620	10,82	50,51	-20,38	-5434,97
640	11,17	37,14	-22,50	-1159,29
660	11,52	23,36	-21,54	4401,31
680	11,87	11,27	-17,05	10040,32
700	12,22	2,96	-9,44	14256,73
720	12,57	0,00	0,00	15820,08

Рисунок 1.1 - Перемещение поршня

Рисунок 1.2 - Скорость поршня

Рисунок 1.3 - Ускорение поршня

 

2. Динамика

 

.1 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Для элементов кривошипно-шатунного механизма бензинового двигателя с D=60 мм принимаем следующие конструктивные массы: , , . (2.1)

Масса поршневой группы (поршень из алюминиевого сплава) :

; (2.2)

Масса шатуна (стальной кованный шатун):

; (2.3)

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (литой чугунный вал):

; (2.4)

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

; (2.5)

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа:

; (2.6)

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

; (2.7)

Массы, совершающие вращательное движение:

 (2.8)

 

.2 Удельные и полные силы инерции

Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс:

 (2.9)

Центробежная сила инерции вращающихся масс:

. (2.10)

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:

. (2.11)

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:

. (2.12)

 

2.3 Удельные суммарные массы

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

. (2.13)

Удельная нормальная сила:

 (2.14)

(значения  берутся по таблице для )

Удельная сила, действующая вдоль шатуна:

. (2.15)

Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:

. (2.16)

Удельная и полная тангенциальные силы:

 (2.17)

. (2.18)

Результаты вычислений заносим в таблицу 5 и таблицу 6.

По данным таблицы строим графики изменения удельных сил  в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала .

Среднее значение тангенциальной силы за цикл:

. (2.19)

 

.4 Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра:

кНм. (2.20)

Период изменения крутящего момента четырёхтактного двигателя с равными интервалами между вспышками:

=180 . (2.21)

Средний крутящий момент двигателя:

. (2.22)

Суммирование значений крутящих моментов всех двух цилиндров двигателя осуществляется табличным методом через каждые  угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая  в масштабе  в .

Таблица 3. Суммирование значений крутящих моментов

ϕ°	Цилиндры								Мкр, Н*М
	1-й		2-й		3-й		4-й
	ϕ° кривош-а	Мкр.ц, Н*м	ϕ° кривош-а	Мкр.ц, Н*м	ϕ° кривош-а	Мкр.ц, Н*м	ϕ° кривош-а	Мкр.ц, Н*м
0	0	0,000	180	0,000	360	0,000	540	0	0,000
20	20	-95,857	200	-33,837	145,085	560	-34,816	-19,425
40	40	-122,552	220	-67,665	400	204,971	580	-68,805	-54,051
60	60	-68,847	240	-90,925	420	138,949	600	-91,287	-112,110
80	80	16,768	260	-82,629	440	128,336	620	-79,884	-17,409
100	100	76,529	280	-30,582	460	146,779	640	-20,488	172,237
120	120	88,634	300	40,883	480	131,746	660	65,279	326,542
140	140	67,009	320	71,977	500	91,712	680	119,730	350,429
160	160	33,728	340	29,326	520	44,971	700	94,298	202,322
180	180	0,000	360	0,000	540	0	720	0,000	0,000

Рисунок 2.1 Крутящий момент

Рисунок 2.2. Зависимости сил от угла поворота кривошипа ΔPг − избыточное давление над поршнем, P − удельная суммарная сила, Pj − удельная сила инерции.

Рисунок 2.3 Зависимость сил S и N от угла поворота кривошипа

Сила N, действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной силой и воспринимается стенками цилиндра.

Сила S, действующая вдоль шатуна, воздействует на него и далее передается кривошипу.

Рисунок 2.4. Удельная тангенциальная сила, р^т

Рисунок 2.5. Удельная сила, действующая по радиусу, р^к

Рисунок 2.6 Диаграмма нагрузки на шатунную шейку

Рисунок 2.7 Удельная сила, действующая по радиусу, р^к

3. Поршневая группа

 

.1 Расчет поршня бензинового двигателя

Диаметр цилиндра , ход поршня , действительное максимальное давление сгорания  при , площадь поршня , наибольшую нормальную силу ,массу поршневой группы , частоту вращения  и .

По таблице принимаем: толщина днища поршня , высота поршня , высота юбки поршня , радиальную толщину кольца , радиальный зазор кольца в канавке поршня , толщина стенки головки поршня , величина верхней кольцевой перемычки , число и диаметр масляных каналов в поршне и . Материал поршня - эвтектический алюминиевый сплав с содержанием кремния около 12%, ; материал гильзы цилиндра - серый чугун, .

Напряжение изгиба в днище поршня:

, (3.1)

где: . (3.2)

Днище поршня должно быть усилено рёбрами жёсткости. Кроме того, в целях повышения износо- и термостойкости поршня целесообразно осуществлять твёрдое анодирование днища и огневого пояса, что уменьшит возможности перегрева и прогорания верхнего компрессионного кольца.

.

Напряжение сжатия в сечении :

 (3.3)

где:

; (3.4)

; (3.5)

; (3.6)

 (3.7)

 (3.8)

 

Напряжение разрыва в сечении :

. (3.9)

.

где:

максимальная угловая скорость холостого хода

; (3.10)

масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения

; (3.11)

- максимальная разрывающая сила

 (3.12)

 

Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

среза

; (3.13)

изгиба

; (3.14)

сложное

. (3.15)

.

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

 (3.16)

 (3.17)

Ускорение приработки юбки поршня, а так же уменьшение трения и снижения износа пары - юкка поршня - стенка цилиндра - достигается покрытием юбки поршня тонким (0,003 - 0,005 мм) слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава.

Гарантированная подвижность поршня в цилиндре достигается за счёт установления диаметральных зазоров между цилиндром и поршнем при их неодинаковом расширении в верхнем сечении головки поршня  и нижнем сечении юбки .

Диаметры головки и юбки поршня с учётом монтажных зазоров:

 (3.18)

 (3.19)

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

 (3.20)

 (3.21)

где  приняты с учётом жидкостного охлаждения двигателя.

 

.2 Расчет кольца поршневого бензинового двигателя

Необходимые данные для расчёта кольца: диаметр цилиндра , действительное максимальное давление сгорания  при , площадь поршня , массу поршневой группы , частоту вращения  и .

По таблице принимаем: радиальная толщина кольца , коэффициент, зависящий от способа надевания кольца, . Материал кольца - серый легированный чугун, .

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

.(3.22)

Где

. (3.23)

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности определяется по формуле:

. (3.24)

Где  - переменный коэффициент, определяемый изготовлением в соответствии с принятой формой эпюры давления кольца на зеркало цилиндра. Для бензиновых двигателей можно принять грушевидную форму эпюры давления кольца со следующими параметрами:

Таблица 4. Данные для построения эпюры давления

0306090120150180
1,051,041,0211,021,271,5
p	0,214	0,212	0,207	0,203	0,207	0,258	0,305

По этим данным строится грушевидная эпюра давлений кольца на стенку цилиндра.

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:

. (3.25)

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

. (3.26)

.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца:

 (3.27)

где.

Рисунок 3.1. Грушевидная эпюра давления кольца бензинового поршневого двигателя

 

3.3 Расчет пальца поршневого бензинового двигателя

Данные для расчета пальца: диаметр цилиндра , ход поршня , площадь поршня , наибольшую нормальную силу , массу поршневой группы , , действительное максимальное давление сгорания  при . Принимаем: наружный диаметр пальца , внутренний диаметр пальца , длина пальца , длина втулки шатуна , расстояние между торцами бобышек . Материал поршневого пальца - сталь 15Х, . Палец закрепленного типа.

Сила, действующая на поршневой палец:

газовая

; (3.28)

инерционная

 (3.29)

где

; (3.30)

расчётная

. (3.31)

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна:

. (3.32)

Удельное давление пальца на бобышки:

 (3.33)

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:

 (3.34)

где

.

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

.(3.35)

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

 (3.36)

Напряжение овализации на внешней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости (точки 1, )

; (3.37)

в вертикальной плоскости (точки 3, )

 (3.38)

Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца:

в горизонтальной плоскости (точки 2, )

; (3.39)

.

в вертикальной плоскости (точки 4, )

. (3.40)

;

 

4. Шатунная группа

 

.1 Расчёт поршневой головки шатуна бензинового двигателя

Из расчётов имеем: давление сгорания ,массу поршневой группы ; массу шатунной группы ; максимальная частота вращения при холостом ходе ; ход поршня ; площадь поршня ; . Из расчёта поршневой группы имеем диаметр поршневого пальца ; длина поршневой головки шатуна . По таблице принимаем: наружный диаметр головки ; внутренний диаметр головки ; радиальная толщина стенки головки

_Г = (d_Г - d)/2 =(20-16,5)/2=1,75 мм;

радиальная толщина стенки втулки

_В = (d - d_П)/2 =(16,5-15)/2=0,8 мм.

Материал шатуна - углеродистая сталь 45Г 2;

.

Материал втулки - бронза; .

Для стали 45Г 2: предел прочности , пределы усталости при изгибе  и растяжении - сжатии , предел текучести , коэффициенты приведения цикла при изгибе и растяжении - сжатии .

при изгибе

 и ; (4.1)

при растяжении - сжатии

 и . (4.2)

Расчёт сечения I - I:

максимальное напряжение пульсирующего цикла

 (4.3)

где

 

масса части головки выше сечения I -I

рад/с (4.4)

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

, (4.5)

, (4.6)

где

 

- эффективный коэффициент концентрации напряжений (головка не имеет резких переходов и концентрация напряжений в основном зависит от качественной структуры материала);  - масштабный коэффициент, определяется по таблице;  - коэффициент поверхностной чувствительности, определяется по таблице.

Запас прочности в сечении I - I:

. (4.7)

Напряжения от запрессованной втулки:

суммарный натяг

, (4.8)

где  - натяг посадки бронзовой втулки;

Δ_t = d(α_В - α_Т)ΔТ = 0,0145 мм

температурный натяг; ΔТ =110 К- средний подогрев головки и втулки.

удельное давление на поверхности соприкосновения втулки с головкой

 (4.9)

где  - коэффициент Пуассона;

Напряжение от суммарного натяга на внутренней поверхности головки:

 (4.10)

σ'_i < [σ] =150 МПа.

Напряжение от суммарного натяга на внешней поверхности головки:

 (4.11)

σ'_a < [σ] =150 МПа.

Расчет сечения A - A на изгиб; максимальная сила, растягивающая головку:

 (4.12)

Где

ω = πn/30 = 3,1416 5400/30=565,49рад/с. (4.13)

Нормальная сила и изгибающий мамент в сечении О - О:

 (4.14)

 (4.15)

где =105 - угол заделки,

_ср = (d_Г + d)/4 = (20+16,5)/4=9,125 мм

средний радиус головки.

Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы:

 (4.16)

 (4.17)

Напряжение на внешнем волокне от растягивающей силы:

 (4.18)

, (4.19)

где _Г = (d_Г-d)l_Ш =(20-16,5)19=66,5 мм, (4.20)_В = (d - d_П)l_Ш =(16,5-15) 19=28,5мм. (4.21)

Суммарная сила сжимающая головку:

_сж = (p_zд - p₀)F_П - m_ПRω²(cosφ + λcos2φ) =(7,420-0,1) 28,274- 0,283 0,0385   (cos 10+0.285cos 20)=19165,475Н. (4.22)

Нормальная сила и изгибающий момент в расчетном сечении от сжимающей силы:

 (4.23)

где N_{сж 0}/P_ср=0,0005 и (N_{сж 0}/P_ср )=0,0001 (4.24)

 (4.25)

 0,002, (4.26)

 1,2588. (4.27)

Напряжение на внешнем волокне от сжимающей силы:

 (4.28)

Максимальное и минимальное напряжение асимметричного цикла:

 (4.29)

 (4.30)

Среднее напряжение и амплитуды напряжения:

 (4.31)

 (4.32)

 (4.33)

Так как

σ_ак/σ_m =71,438 /153,485=0,4654 < (β_σ - α_σ)/(1 - β_σ) =3,98,

то запас прочности в сечении А - А определяется по пределу текучести:

 . (4.34)

 

.2 Расчёт кривошипной головки шатуна

Из динамического расчёта и расчёта поршневой головки шатуна имеем: радиус кривошипа м, массу поршневой группы , массу шатунной группы , угловую частоту вращения , . Из таблицы: диаметр шатунной шейки , толщина стенки вкладыша , расстояние между шатунными болтами , длина кривошипной головки .

Максимальная сила инерции

 (4.35)

где m_кр = 0,25m_Ш =0,25 0,4241 =0,106кг.

Момент сопротивления расчётного сечения

 (4.36)

где

 

внутренний радиус кривошипной головки шатуна.

Моменты инерции вкладыша и крышки

; (4.37)

. (4.38)

Напряжение изгиба крышки и вкладыша

 (4.39)

где . (4.40)

 

.3 Расчет стержня шатуна бензинового двигателя

кинематика двигатель поршень шатун

Из динамического расчёта имеем:

, при φ =10, (4.41)

, при φ =0. (4.42)

Принимаю данные:_Ш = 135,1 мм;_{Ш min} =11 мм;_Ш =15,4 мм;_Ш =14,78 мм;_Ш =4 мм;_Ш =4 мм;

Материал шатуна сталь 45Г 2.

Площадь и моменты инерции расчетного сечения В-В:

(4.43)

 (4.44)

 (4.45)

Максимальное напряжение от сжимающей силы:

- в плоскости качания шатуна

 (4.46)

,

, (4.47)

σ_е = σ_В =800 МПа.

в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна

, (4.48)

, (4.49)

. (4.50)

Минимальное напряжение от растягивающей силы

 . (4.51)

Среднее напряжения и амплитуды цикла:

 (4.52)

 (4.53)

 (4.54)

 (4.55)

 (4.56)

 (4.57)

где k_σ = 1,2 + 1,8·10^-4(σ_В - 400) =1,272,

,  определяются по таблице.

Так как

 (4.58)

 (4.59)

Запас прочности в сечении В -В определяется по пределу усталости:

 (4.61)

 

.4 Расчёт шатунного болта

Из расчёта кривошипной головки шатуна имеем: максимальную силу инерции, разрывающую кривошипную головку и шатунные болты:

P_jp =0,01344 МН. Принимаем: номинальный диаметр болта d=10 мм, шаг резьбы t=1мм, число болтов , материал - сталь 40Х.

По таблице для легированной стали 40ХHMA определяем: пределы прочности , текучести  и усталости при растяжении - сжатии , коэффициенты приведения цикла при растяжении - сжатии .

 (4.62)

 (4.63)

Сила предварительной затяжки:

 (4.64)

Суммарная сила растягивающий болт:

 (4.65)

где

Максимальное и минимальное напряжение, возникающие в болте:

 (4.66)

 (4.67)

где d_В = d - 1,4t =10-1,4 1=8,6 мм=0,0086м. (4.68)

Среднее напряжения и амплитуды цикла:

 (4.69)

 (4.70)

 (4.71)

где k_σ = 1 + q(α_кσ - 1) =2,62, (1/стр. 251/табл. 11.6), (4.72)

α_кσ =3, =1 (1/стр. 253/табл. 11.7), q =0,81(1/стр. 252/рис 11.2), ε_П =2.2- обработка роликом.

Так как

 , (4.73)

то запас прочности болта определяется по пределу текучести:

 (4.74)

5. Расчет коленчатого вала

 

.1 Расчёт коленчатого вала рядного двигателя

На основании динамического расчёта имеем: коленчатый вал полноопоный с симметричными коленами, но с ассиметричным расположением противовесов; сила инерции противовеса, расположенного на продолжении щеки, P_пр=7.124; реакция на левой опоре от противовеса P'_пр= -5.143; центробежная сила инерции вращающихся масс K_R=-8.659 кН; радиус кривошипа R=38.5мм. С учётом соотношений и анализа существующих двигателей принимаем следующие основные размеры колена вала:

1) коренная шейка - наружный диаметр =42 мм, длина =44.4мм

) шатунная шейка - наружный диаметр =36 мм, длина =30мм

) расчётное сечение А -А щеки - ширина b =75 мм, толщина h =13.2мм.

Материал вала - легированная сталь 20.

Из таблицы и соотношений принимаем: пределы прочности  и текучести  и ; пределы усталости (выносливости) при изгибе, растяжении - сжатии  и кручении ; коэффициенты приведения цикла при изгибе  и кручении .

По формулам определяем:

при изгибе

 (5.1)

 (5.2)

При кручении:

 (5.3)

 (5.4)

Удельное давление на поверхности шатунных шеек:

 (5.5)

 (5.6)

Результирующие силы, действующие на шатунную шейку:

R_{ш.ш ср} =8348.11 Н,_{ш.ш max} =16520.82 Н.

Рабочая ширина шатунного вкладыша:'_ш.ш =l_ш.ш - 2r_гал =26 мм, (5.7)_гал =2 мм.

Коренных шеек:

Удельное давление на поверхности коренных шеек:

 (5.8)

 (5.9)

Рабочая ширина коренного вкладыша:

'_к.ш =l_к.ш - 2r_гал =44.4-2*2= 40.4 мм. (5.10)

 

.2 Расчет коренной шейки

Момент сопротивления коренной шейки кручению:

 (5.11)

Максимальное и минимальное касательное напряжение:

 (5.12)

 (5.13)

Скручивающие моменты:_max = 204.971 Нм,_min = -122.552 Нм

Среднее напряжение и амплитуда напряжений

 (5.14)

 (5.15)

 (5.16)

где - коэффициент концентрации напряжений,

=0,4- коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений, α_Кσ =3- теоретический коэффициент концентрации напряжений,

ε_Мτ =0,9- масштабный коэффициент,

ε_Пτ =1.5- коэффициент поверхностной чувствительности.

Так как

 , (5.17)

то запас прочности от касательных напряжений:

 (5.18)

 

.3 Расчет шатунной шейки

Момент сопротивления кручению шатунной шейки:

 (5.19)

Максимальное и минимальное касательные напряжения:

 (5.20)

 (5.21)

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

 (5.22)

 (5.23)

 (5.24)

Так как

  (5.25)

то запас прочности шатунной шейки от касательных напряжений определяют по пределу усталости:

 (5.26)

Максимальное и минимальное нормальное напряжения асимметричного цикла шатунной шейки:

 (5.27)

 (5.28)

Где:  (5.29)

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

 (5.30)

 (5.31)

 (5.32)

где ,

q =0,4, α_Кσ =3, ε_Пσ =1,2- определены при расчете коренной шейки, ε_Мσ =0,75- масштабный коэффициент.

Запас прочности шатунной шейки от нормальных напряжений определяется по пределу усталости:

 (5.33)

Общий запас прочности шатунной шейки:

 (от 2 до 3) (5.34)

5.4 Расчет щеки

Максимальный и минимальный моменты, скручивающие щеку:

 (5.35)

 (5.36)

где T'_max =2661,97Н, T'_min =-1597,59Н.

Максимальное и минимальное касательные напряжения:

 (5.37)

 (5.38)

где

момент сопротивления расчетного сечения А-А; μ =0,292 определен при b/h =5,68.

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

 (5.39)

 (5.40)

 (5.41)

где  0,672

- коэффициент концентрации напряжении, определенной по формулам q =0,4- коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений, r_гал/h=0,152, α_Кσ=1,3 - теоретический коэффициент концентрации, ε_Мτ =0,64- масштабный коэффициент, ε_Пτ =0,75- коэффициент поверхностной чувствительности.

Запас прочности от касательных напряжений определяем по пределу усталости:

 (5.42)

Максимальное и минимальное нормальные напряжения щеки

(5.43)

 (5.44)

где:

 (5.45)

(5.46)

 (5.47)

 (5.48)

где K_max =16537,9 Н, K_min = -6267,18 Н.

, (5.49)

. (5.50)

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

 (5.51)

 (5.52)

 (5.53)

где 1,12

- коэффициент концентрации напряжений;  - коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений; α_Кσ =1,3 - теоретический коэффициент концентрации напряжений,; ε_Мσ =0,64 - масштабный коэффициент, определённый по таблице при ; ε_Пσ =2.- коэффициент поверхностной чувствительности, определённый по таблице для необработанной щеки.

Так как

 (5.54)

то запас прочности щеки от нормальных напряжений определяют по пределу усталости:

 (5.55)

Суммарный запас прочности:

 (5.56)

 

6. Расчёт корпуса двигателя

 

.1 Гильза цилиндра

На основании проведённых расчётов имеем: диаметр цилиндра D=60 мм, максимальное давление сгорание p_zmax =7б 420 при n =5400 мин. Материал гильзы цилиндра - чугун СЧ 15-42: и .

Толщину стенки гильзы цилиндра выбирают конструктивно δг,=6мм.

Расчётная толщина стенки гильзы

 (6.1)

где  - допустимое напряжение на растяжение для чугуна.

Толщину стенки гильзы выбирают с некоторым запасом прочности, так как .

Напряжение растяжения в гильзе от действия максимального давления газов:

 (6.2)

Температурные напряжения в гильзе

 (6.3)

где  - температурный перепад между внутренней и наружной поверхностями гильзы.

Суммарные напряжения в гильзе от давления газов и перепада температур:

на наружной поверхности

 (6.4)

на внутренней поверхности

 (6.5)

 

.2 Расчет шпильки головки блока цилиндров

Диаметр цилиндра D = 60 мм; площадь поршня  F_п=28,274 мм² максимальное давление сгорания  p= 7б 420при  n=5400 об/мин. Число шпилек на один цилиндр  номинальный диаметр шпильки d = 9 мм; шаг резьбы t = 1 мм; внутренний диаметр резьбы шпильки

 

По конструкционным соображениям принимаем материал шпильки - сталь 20Х.

По табл. 11.2 и 11.3 (стр. 248) для легированной стали 20Х определяем:

пределы прочности =650 МПа; текучести =500  и усталости при растяжении - сжатии =230 МПа

коэффициент приведения цикла при растяжении - сжатии  a_s=0,14

 (6.6)

 (6.7)

Проекция поверхности камеры сгорания на плоскость, перпендикулярной плоскости оси цилиндра.

 (6.8)

Сила давления газов, приходящаяся на одну шпильку:

 (6.9)

Сила предварительной затяжки

 (6.10)

=3 коэффициент затяжки шпильки, =0,2 коэффициент основной нагрузки резьбового соединения.

Суммарная сила растягивающая шпильку без учета Pt:

 (6.11)

 (6.12)

Максимальные и минимальные напряжения в шпильке:

 (6.13)

 (6.14)

 м³

площадь сечения шпильки по внутреннему диаметру резьбы

Среднее напряжение и амплитуда цикла:

 (6.15)

 (6.16)

 (6.17)

 (6.18)

где  4, q=0,74,  0,82,  0,99.

Так как

 > (6.19)

То запас прочности шпильки определяются по пределу усталости

МПа

 (6.20)

должно входить в предел от 2 до 4.

 

Список литературы

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: [учебник для вузов по специальности "Двигатели внутреннего сгорания"] / В.П. Алексеев [ и др.] ; под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.- 4-е изд., перераб. и доп. - Москва: Машиностроение, 1990 .- 288 с. : ил.

 

Приложение

Таблица 5.Динамика

j, м/с²	PJ, МПа	p, МПА	tgβ	pN, МПа	1/cosβ	pS, МПа	cos(ϕ+β)/cosβ
5291,819	-0,747	9,780	0,000	0,000	1,000	9,780	1,000
5158,474	-0,729	10,306	0,050	0,511	1,001	10,319	0,976
4768,877	-0,674	7,559	0,098	0,740	1,005	7,596	0,906
4153,256	-0,587	5,130	0,144	0,739	1,010	5,183	0,794
3358,490	-0,474	3,490	0,186	0,650	1,017	3,550	0,646
2443,288	-0,345	2,485	0,224	0,556	1,025	2,546	0,471
1472,238	-0,208	1,891	0,255	0,482	1,032	1,951	0,279
509,404	-0,072	1,546	0,278	0,430	1,038	1,604	0,081
-387,782	0,055	1,347	0,292	0,394	1,042	1,403	-0,114
-1173,672	0,166	1,232	0,297	0,366	1,043	1,285	-0,297
-1818,000	0,257	1,162	0,292	0,340	1,042	1,211	-0,462
-2307,574	0,326	1,116	0,278	0,310	1,038	1,158	-0,603
-2645,910	0,374	1,079	0,255	0,275	1,032	1,113	-0,721
-2850,900	0,403	1,046	0,224	0,234	1,025	1,072	-0,814
-2950,878	0,417	1,016	0,186	0,189	1,017	1,033	-0,886
-2979,584	0,421	0,988	0,144	0,142	1,010	0,998	-0,938
-2970,708	0,420	0,966	0,098	0,095	1,005	0,970	-0,973
-2952,692	0,417	0,951	0,050	0,047	1,001	0,952	-0,993
-2944,475	0,416	0,946	0,000	0,000	0,946	-1,000
-2952,692	0,417	0,428	-0,050	-0,021	1,001	0,428	-0,993
-2970,708	0,420	0,433	-0,098	-0,042	1,005	0,435	-0,973
-2979,584	0,421	0,438	-0,144	-0,063	1,010	0,443	-0,938
-2950,878	0,417	0,440	-0,186	-0,082	1,017	0,448	-0,886
-2850,900	0,403	0,435	-0,224	-0,097	1,025	0,445	-0,814
-2645,910	0,374	0,418	-0,255	-0,106	1,032	0,431	-0,721
-2307,574	0,326	0,387	-0,278	-0,108	1,038	0,402	-0,603
-1818,000	0,257	0,341	-0,292	-0,100	1,042	0,355	-0,462
-1173,672	0,166	0,283	-0,297	-0,084	1,043	0,295	-0,297
-387,782	0,055	0,219	-0,292	-0,064	1,042	0,228	-0,114
509,404	-0,072	0,161	-0,278	-0,045	1,038	0,167	0,081
1472,238	-0,208	0,129	-0,255	-0,033	1,032	0,133	0,279
2443,288	-0,345	0,155	-0,224	-0,035	1,025	0,159	0,471
3358,490	-0,474	0,287	-0,186	-0,054	1,017	0,292	0,646
4153,256	-0,587	0,594	-0,144	-0,085	1,010	0,600	0,794
4768,877	-0,674	1,131	-0,098	-0,111	1,005	1,136	0,906
5158,474	-0,729	1,794	-0,050	-0,089	1,001	1,796	0,976
5291,819	-0,747	2,133	0,000	0,000	1,000	2,133	1,000

Таблица 6. Динамика

pK, МПа	sin(φ+β)/cos(β)	pT, МПа	T, кН	MКР.Ц, Нм	px, МПа	β	RШ.Ш, кН	среднее RШ.Ш, кН
-2,217	0,000	0,000	0,000	0,000	0,118	0,000	10,053	8,348
-1,838	0,434	-0,881	-2,490	-95,857	0,085	0,098	11,473	8,348
-0,926	0,786	-1,126	-3,183	-122,552	0,085	0,184	9,587	8,348
-0,178	0,993	-0,632	-1,788	-68,847	0,085	0,249	6,077	8,348
-0,017	1,036	0,154	0,436	16,768	0,085	0,284	4,269	8,348
-0,347	0,934	0,703	1,988	76,529	0,085	0,284	6,756	8,348
-0,794	0,739	0,814	2,302	88,634	0,085	0,249	8,333	8,348
-1,091	0,500	0,616	1,740	67,009	0,085	0,184	8,609	8,348
-1,206	0,250	0,310	0,876	33,728	0,085	0,098	8,072	8,348
-1,230	0,000	0,000	0,000	0,000	0,087	0,000	7,263	8,348
-1,210	-0,250	-0,311	-0,879	-33,837	0,089	-0,098	8,086	8,348
-1,101	-0,500	-0,622	-1,758	-67,665	0,097	-0,184	5,543	8,348
-0,815	-0,739	-0,835	-2,362	-90,925	0,113	-0,249	8,451	8,348
-0,375	-0,934	-0,759	-2,146	-82,629	0,145	-0,284	6,992	8,348
-0,031	-1,036	-0,281	-0,794	-30,582	0,208	-0,284	4,668	8,348
-0,106	-0,993	0,376	1,062	40,883	0,344	-0,249	5,146	8,348
-0,544	-0,786	0,661	1,870	71,977	0,676	-0,184	7,193	8,348
-0,562	-0,434	0,269	0,762	29,326	1,493	-0,098	6,137	8,348
0,001	0,000	0,000	0,000	0,000	2,336	0,000	3,783	8,348
5,849	0,222	1,333	3,768	145,085	8,270	0,050	16,521	8,348
3,931	0,434	1,883	5,324	204,971	6,452	0,098	12,653	8,348
1,050	0,786	1,276	3,609	138,949	0,184	4,425	8,348
0,273	0,993	0,971	2,745	105,667	1,699	0,249	5,758	8,348
-0,130	1,036	1,179	3,333	128,336	1,075	0,284	7,487	8,348
-0,666	0,934	1,348	3,812	146,779	0,776	0,284	9,482	8,348
-1,181	0,739	1,210	3,422	131,746	0,621	0,249	10,546	8,348
-1,493	0,500	0,843	2,382	91,712	0,539	0,184	10,388	8,348
-1,608	0,250	0,413	1,168	44,971	0,498	0,098	9,501	8,348
-1,629	0,000	0,000	0,000	0,000	0,486	0,000	3,785	8,348
-1,245	-0,250	-0,320	-0,904	-34,816	0,125	-0,098	8,210	8,348
-1,120	-0,500	-0,632	-1,787	-68,805	0,118	-0,184	8,739	8,348
-0,818	-0,739	-0,839	-2,371	-91,287	0,118	-0,249	8,470	8,348
-0,363	-0,934	-0,734	-2,075	-79,884	0,118	-0,284	6,886	8,348
-0,021	-1,036	-0,188	-0,532	-20,488	0,118	-0,284	4,376	8,348
-0,169	-0,993	0,600	1,696	65,279	0,118	-0,249	5,958	8,348
-0,905	-0,786	1,100	3,110	119,730	0,118	-0,184	9,454	8,348
-1,809	-0,434	0,866	2,449	94,298	0,118	-0,098	11,348	8,348
-2,217	0,000	0,000	0,000	0,000	0,118	0,000	10,053	8,348

Рис.1- Эпюра напряжения коленчатого вала.

Рис.2- Эпюра перемещения коленчатый вал.

Рис.3- Эпюра деформации коленчатого вала.

Рис.4-Эпюра напряжения шатуна.

Рис.5-Эпюра перемещения шатуна

Рис.6-Эпюра деформации шатуна.

Рис.7-Эпюра напряжения крышки шатуна.

Рис.8-Эпюра перемещения крышки шатуна.

Рис.9-Эпюра деформации крышки шатуна.

Рис.10-Эпюра напряжения поршня.

Рис.11-Эпюра перемещения поршня.

Рис.12-Эпюра деформации поршня.

Рис.13-Эпюра напряжения маслосъемного кольца.

Рис.14-эпюра перемещения маслосъемного кольца.

Рис.15-Эпюра деформации маслосъемного кольца.

Рис.16-Эпюра напряжения пальца.

Рис.17-Эпюра перемещения пальца.

Рис.18-Эпюра деформации пальца.