Поршневой палец

Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воз­действию переменных нагрузок, приводящих к возникновению на­пряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условиями работы к материалам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляются требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементирован­ные малоуглеродистые и легированные никелем и хромом стали с твердой поверхностью и вязкой основой.

Основные конструктивные размеры поршневых пальцев (см. рис. 12.1) обычно принимаются по статистическим данным (см. табл. 12.1) или по данным прототипов с последующей проверкой расче­том. Большинство бензиновых двигателей имеют поршневые паль­цы диаметром 20 «*г 23 мм с цилиндрическим внутренним отверсти­ем. Пальцы диаметром 17 — 19 мм имеют двигатели малого рабо­чего объема. В современных высокофорсированных двигателях на­блюдается тенденция увеличения толщины стенок пальцев и умень­шения их длины, особенно при использовании способа фиксации шатуна от осевого перемещения в бобышках поршня. Поршневые пальцы дизелей имеют диаметр в основном в пределах 24 — 30 мм, но в 1, 5 — 2 раза более толстые стенки в целях обеспечения их жесткости и прочности. Основные типы поршневых пальцев пред­ставлены на рис. 12.8.

Расчет поршневого пальца включает определение удельных дав­лений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений от изгиба, среза и овализации.

Максимальные напряжения в пальцах бензиновых двигателей возникают при работе на режиме максимального крутящего момен­та, а в пальцах дизелей — при работе на номинальном режиме.

Расчетная сила (МН), действующая на поршневой палец:

, (5.39)

Для бензиновых двигателей: р_z.max - максимальное давле­ние газов на режиме максимального крутящего момента, МПа; k = 0, 76…0, 86 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца; - сила инерции поршневой груп­пы при n = n_M, МН; для дизелей: р_z.max - ма­ксимальное давление газов на номинальном режиме, МПа; k = 0, 68…0, 81 - ко­эффициент, учитывающий мас­су поршневого пальца; - си­ла инерции поршневой груп­пы при n = n_M, n = n_N, MH.

Рис. 12.8. Основные типы поршневых па­льцев: а - палец с цилиндрическим отверстием и от­носительно тонкими стенками для среднефор­сированных двигателей; б - палец с увеличен­ной жесткостью в среднем сечении; в - корот­кий палец с толстыми стенками для высокофо­рсированных двигателей; г - палец для дизе­ля с толстыми стенками; д - палец «равного сопротивления изгибу» с коническими отвер­стиями

Удельное давление (МПа) пальца на втулку поршневой головки шатуна

, (5.40)

где d_п - наружный диаметр пальца, м;

l_ш - длина опор­ной поверхности пальца в головке шатуна, м.

Удельное давление плавающего пальца на бобышки

, (5.41)

где l_п - общая длина пальца, м;

b - расстояние между торцами бобышек, м;

(l_п - b) - длина опорной поверхности пальца в бобыш­ках, м.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q_Ш = 20…60 МПа и q_б = 15…50 МПа. Нижние пределы относятся к трак­торным двигателям.

Напряжение изгиба пальца (МПа) при условии распределе­ния нагрузки по длине пальца согласно эпюре, приведенной на рис. 22:

, (5.42)

где α = d_В/d_П - отношение внутреннего диаметра пальца к наруж­ному.

Для автомобильных и тракторных двигателей [σ _ИЗ] = 100…250 МПа.

Касательные напряжения (МПа) от среза пальца в сечениях, расположенных между бобышками и головкой шатуна:

, (5.43)

Для автомобильных и тракторных двигателей [τ ] = 60…250 МПа. Нижние пределы относятся к тракторным двигателям, а верх­ние - к пальцам, изготовленным из легированной стали.

Вследствие неравномерного распределения сил, приложенных к пальцу (принимается синусоидальное распределение нагрузки по поверхности пальца - рис. 22, а), при работе двигателя проис­ходит деформация сечения пальца (овализация). Возникающие при этом напряжения имеют различные значения по длине пальца и его •речению.

Рис. 22. Расчетная схема поршневого пальца:

а - распределение нагрузки; б - эпюры напряжений

Максимальная овализация пальца (наибольшее увеличение гори­зонтального диаметра Δ d_п.max, мм) наблюдается в его средней, на­иболее напряженной части:

, (5.44)

где Е - модуль упругости материала пальца (для стали Е_П =(2, 0…2, 3)·10⁵ МПа).

Значение Δ d_п.max не должно быть больше 0, 02…0, 05 мм.

Напряжения, возникающие при овализации пальца на внешней и внутренней поверхностях (рис. 22, б), определяют для горизон­тальной (точки 1 и 2 при φ = 0°) и вертикальной (точки 3 и 4 при φ = 90°) плоскостей по следующим формулам:

- на внешней поверхности пальца в горизонтальной плоскости

(точ­ки 1, ψ = 0)

; (5.45)

- на внешней поверхности пальца в вертикальной плоскости

(точки 3, ψ = 90˚)

; (5.46)

- на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости (точки 2, ψ =0°)

; (5.47)

- на внутренней поверхности пальца в вертикальной плоскости

(точки 4, ψ =90°)

; (5.48)

Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости. Это напряжение, подсчитанное по формуле (5, 47), не должно превышать 300…350 МПа.