Menu

Расчет шатуна

Шатуны современных двигателей изготовляют из сталей 40, 45, 45Г2, а для двигателей с высоким значением рz — из сталей 18ХНМА, 18ХНВА и 40ХНМА с высокими пределами прочности и текучести.

Конструкция шатунов разнообразна. Придавая шатуну ту или иную форму, стремятся при наименьшем весе сохранить необходимую прочность при знакопеременной нагрузке. Наиболее распространена форма шатуна, показанная на рис. 38.

В зависимости от способа закрепления пальца шатуны изготовляют с неразрезной верхней головкой для скользящей посадки пальца и с разрезной головкой, когда в ней закрепляют палец. В такой головке палец удерживается от скольжения стяжным болтом за счет уменьшения диаметра отверстия для пальца (рис. 39). Для уменьшения сил трения в неразрезные головки запрессовывают втулки, изготовляемые из алюминиево-железистой бронзы Бр. АЖ9-4 твердостью НВ 110 или оловянно-цинковой Бр. ОЦ10-2 твердостью НВ 80—90, бронзы Бр. ОЦС4-4-2.5 твердостью НВ 65—75, а также оловянно-фосфористой бронзы твердостью НВ 90—120.

Стержень шатуна чаще всего выполняют двутаврового сечения, для упрочнения поверхность стержня обрабатывают дробью, нормализуют, закаливают, отпускают и иногда полируют.

Нижние головки шатуна чаще всего изготовляют разъемными. Плоскость разъема делают под различным углом по отношению к плоскости, проходящей через ось симметрии шатуна (рис.40).

Нижнюю половину головки соединяют с верхней болтами или штифтами: 2÷4 болта на один шатун. Болты изготовляют

[image]

 

Рис. 38. Шатун автотракторного двигателя

 

из сталей 35Х, 40Х, 35ХМА, 37ХНЗА, 45Х, 4ХН. При больших напряжениях затяжки применяют стали 18ХНВА, 20ХНЗА, 40ХНМА.

В нижнюю головку шатуна помещают вкладыш с рабочей поверхностью, выполненной из антифрикционного материала. В настоящее время для отечественных автомобильных двигателей в качестве антифрикционного материала применяют сплав

С0С6-6 (5—6% олова, 5—6% сурьмы, остальное — свинец) баббит, АСМ, Бр.СЗ0.

В быстроходных дизелях в качестве антифрикционного материала применяют свинцовую бронзу Бр.СЗ0 (30% свинца) твердостью НВ 30 или АСМ. Толщина слоя антифрикционного материала 0,3÷0,7 мм.

 

[image]

 

Рис. 39. Различные формы верхних головок шатунов автотракторных

двигателей

 

Вкладыши делают тонкостенными двух- и трехслойными. Основой вкладыша служит стальная лента с омедненной поверхностью толщиной 1—1,5 мм. Омедненная поверхность защищает стальную ленту от коррозии и обеспечивает прочное припаивание антифрикционного материала. В тракторных двигателях применяют вкладыши с антифрикционным покрытием из сплава алюминий-сурьма-магний (АСМ) твердостью НВ 28—31,5.

Верхняя головка шатуна разрывается силой инерции [image] и сжимается силой

[image], (56)

где [image] — масса поршневой группы (поршень с кольцами и пальцем); R — радиус кривошипа.

Кроме напряжений от силы растяжения и сжатия в головке возникают напряжения от запрессованной в нее втулки и приращение напряжения в связи с изменением температуры.

Температурный натяг (мм)

[image], (57)

где d — внутренний диаметр головки шатуна; [image] 100—120°С — температура нагрева шатуна и втулки; [image] = 1,8·10—5— коэффициент линейного расширения  материала втулки, 1/град; [image]= 1,0·10—5 — коэффициент линейного расширения материала шатуна, 1/град.

От суммарного натяга на поверхности головки возникает давление (МПа)

[image] , (58)

где [image] — наружный диаметр головки; [image] = 0,3 — коэффициент Пуассона; [image] — внутренний диаметр втулки; [image] — внутренний диаметр головки

[image]

Рис. 40. Нижние головки шатунов:

а — с плоскостью разъема и углом наклона к горизонтали >0°; б — с разъемов в горизонтальной плоскости и фиксацией крышки болтами; в — фиксация крышки с разъемом в разных плоскостях; д — нижние головки шатунов V-образного двигателя с расположением головок на одной оси; е — нижняя головка шатуна V-образного двигателя с основным и прицепным шатунами головки; Евт, Еш — модули упругости материала втулки и шатуна; [image](бронза), [image] (сталь). Напряжение (МПа), возникающее на наружной поверхности головки.

[image] (59)

Напряжение на внутренней поверхности головки

[image] (60)

[image]и [image]достигают [image].

б)

 

[image]Разрывается верхняя шатунная головка силой инерции [image] без учета сил от давления газов в картере и разрежения в цилиндре.

Радиальное давление в головке шатуна принимают равномерно распределенным по полуокруж-ности

[image],

где [image]

Рис. 41. Расчетная схема верхней головки шатуна:

а - для растяжения; б - для сжатия

Напряжения подсчитывают по уравнениям кривого бруса малой кривизны. Принимают, что брус защемлен в местах перехода проушины в стержень, который не деформируется.

На участке от[image] до [image] (рис.41) изгибающий момент ([image]) и нормальная сила (Н) соответственно

[image]; (61)

[image]. (62)

Для участка [image] до угла заделки [image], максимальное значение которого [image],

[image]; (63)

[image], (64)

где момент и сила соответственно

[image]; (65)

[image]. (66)

В эти выражения [image]подставляют в градусах.

 

После нахождения момента и нормальной силы для данного сечения головки шатуна определяют напряжения от растяжения в наружном слое:

[image], (67)

во внутреннем слое:

[image], (68)

 

где аш — длина головки шатуна; h — толщина стенки головки; Ккоэффициент, учитывающий наличие запрессованной с натягом втулки:

[image] (69)

где Ешвт,— модуль упругости материала шатуна и втулки;

Fвт, Fш — площади сечений головки шатуна и втулки.

Максимальные напряжения во внешнем слое находят в местах заделки. Для уменьшения напряжений рекомендуется [image]. принимать не более 90°, тогда

[image] (70)

При определении напряжений в верхней головке шатуна от сжимающих сил предполагают, что распределение нагрузки на нижнюю часть головки косинусоидальное (Н):

[image] (71)

Расчетная схема такая же, как при определении напряжений от разрывающих сил.

Изгибающие моменты и нормальные силы .соответственно для нагруженного участка:

[image]

[image]; (72)

[image][image].(73)

Угол [image] фзад в выражение [image] подставляют в радианах.

Значения N0 и М0 находят из графика (рис. 42).

Наибольшие напряжения от сжимающей силы возникают в местах перехода головки в стержень. Минимальный запас прочности получается в наружном слое в месте перехода головки в стержень.

Максимальные и минимальные напряжения цикла:

[image].

61

[image]

Запас прочности

[image], (74)

где s-1p — предел выносливости для симметричного цикла при растяжении; для углеродистой стали s-1p =180÷250 МПа, для легированных сталей s-1p = 340÷380 МПа; sp.н — напряжение от силы растяжения в наружном слое; [image] — напряжение на внешней поверхности головки шатуна от запрессовки в нее втулки с натягом; sсж.н — напряжение от силы сжатия в наружном слое; [image]= 0,7÷1,0 — коэффициент, учитывающий влияние чистоты обработки на предел усталости; [image]= 1 соответствует полированной поверхности, при расчетах принимают [image]= 0,9 для деталей, механически чисто обработанных; as = 0,2 — коэффициент, зависящий от характеристики материала.

Для поршневых головок запас прочности ns = = 2,5÷5,0.

Стержень шатуна при работе растягивается силой инерции и сжимается силой от давления газов.

Сила (Н), сжимающая стержень шатуна,

[image],

где Fпор — площадь поршня; рz — максимальное давление газов в цилиндре.

Сила инерции (Н), растягивающая стержень шатуна,

Рис. 42. График к определению

М0 и N0

[image],

где mпор гр. — масса поршня, пальца, комплекта колец, кг; тш — масса части шатуна, находящаяся над расчетным сечением, кг.

При расчете определяют условное напряжение, учитывающее сжатие и продольный изгиб в среднем сечении стержня шатуна, в плоскости качания по формуле Ренкина:

[image] (75)

и в плоскости, перпендикулярной плоскости качания,

[image] (76)

где sв — предел выносливости материала шатуна; lш , l1 — длины элементов шатуна (рис. 38); Jx, JУ — моменты инерции расчетного сечения стержня относительно осей х и у; fш.ср — площадь расчетного сечения шатуна.

Значения [image]

Напряжения sx и sy достигают 160÷400 МПа; для шатунов, изготовленных из легированных сталей, — 200÷400 МПа.

Напряжение растяжения

[image] (77)

Так как значения sx , sy и sср переменны по величине и знаку, то амплитуда и среднее напряжение цикла будут

 

[image]

 

При определении напряжений sа и sср напряжение sр подставляют со знаком минус.

Запасы прочности стержня шатуна пх и пу определяют по формуле

[image]. (78)

Для шатунов автомобильных двигателей запас прочности n = 2÷2,5, для тракторных n = 2,5÷3,0.

В коротких шатунах, по данным исследований, напряжения от продольного изгиба малы, поэтому напряжения от сил, сжимающих шатун,

[image]. (79)

В этом случае напряжение по сравнению с суммарным окажется на 10—15% меньше, чем подсчитанное по (75) и (76).

Расчет нижней головки шатуна, в связи с тем что ее делают разъемной, сводится к расчету нижней отъемной крышки и болтов.

Нижняя крышка изгибается под действием силы инерции

[image] (80)

где mпор.гр — масса поршневой группы; тш — масса части шатуна, совершающая возвратно-поступательное движение; тш.вр — масса части шатуна, совершающая вращательное движение; ткр — масса отъемной крышки; R — радиус кривошипа; ω — угловая скорость коленчатого вала.

Давление на крышку от силы [image] подчиняется косинусоидальному закону

[image] (81)

Приближенная расчетная формула для определения напряжения в материале крышки

[image], (82)

У современных автомобильных двигателей вкладыши шатунных подшипников делаются тонкостенными и отношение Jвк /Jкр становится настолько малым, что практически можно для определения напряжения воспользоваться формулой

[image]. (83)

Здесь Jвк — момент инерции вкладыша; Jкр — момент инерции крышки; с — расстояние между осями шатунных болтов; Wσ — момент сопротивления изгибу крышки: Wσ=bh2/6 (b — ширина подшипника; h — толщина крышки подшипника); [image]площадь сечения крышки с вкладышем; [image] Fвк — площадь сечения вкладыша.

Допускаемые напряжения для крышки шатуна σ = 100÷300 МПа.

Шатунные болты растягиваются силой предварительной затяжки и переменной силой инерции [image]. Плотность стыка обеспечивается условием [image], где Рпр—сила предварительной затяжки; [image] — сила инерции, приходящаяся на один болт; z — число болтов.

Расчетная сила, растягивающая болт,

[image], (84)

где Рпр = 2÷3[image] — сила предварительной затяжки по опытным данным; χ=0,15÷0,25— коэффициент нагрузки от сил инерции:

[image]; (85)

Кш — податливость стягиваемых частей шатуна:

[image]; (86)

Кб — податливость шатунного болта:

[image], (87)

l — длина стягиваемых частей, равная длине болта; Еш, Еб— модули упругости материала болта и шатуна; Fб min, Fш — сечение болта и стягиваемых частей шатуна.

Запас прочности по минимальному сечению стержня болта или по внутреннему диаметру резьбы

[image], (88)

где [image] — амплитуда напряжений; [image] — среднее значение напряжения; Кσ — коэффициент концентрации напряжений; для болтов с метрической резьбой, изготовленных из сталей 20, 30, принимают Кσ =3÷4; для болтов, изготовленных из улучшенных сталей 38Х, 40Х, 40ХН и др., Кσ = 5÷6; eσ= 0,9— коэффициент, учитывающий масштабные и технологические факторы; aσ =

=0,2 — коэффициент, зависящий от характеристики материала.

Минимальные и максимальные напряжения в болтах:

[image]

Запас прочности шатунных болтов должен быть не менее 2.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5379 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8485 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5231 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Применение морфометрического метода при …

Морфометрический метод может найти широкое применение в геологоразведочном деле, а также при геоморфологических и геотектонических исследованиях. Ниже кратко излагается общая организация морфометрических работ, а также использования их при различных геологических работах. 1...

18-08-2010 Просмотров:5487 Морфометрический метод.

Расчет формул минералов по данным химиче…

В минералогии важно суметь рассчитать формулу минерала по результатам его химического анализа. В этом разделе приводится ряд примеров таких расчетов для разных минералов. Когда подсчеты произведены и получена структурная формула...

13-08-2010 Просмотров:19040 Генетическая минералогия

Обреченность

Нурмольская волость живет вопреки. Автобус доходит только до Нурмолицы (это южный край волости), дальше же – парадоксальный рейс, раз в месяц, каждый третий четверг месяца. Большие расстояния столь привычны для...

03-03-2011 Просмотров:4301 Комплексные географические характеристики