Розрахунок шатунної групи

У пояснювальній записці потрібно навести наступні відомості з конструкції шатунної групи:

- конструктивну схему відповідно до рисунка 4.8;

- конструктивні параметри згідно зі схемою і матеріал деталей у вигляді таблиці 4.2. Усі параметри визначаються конструктивно за даними прототипа або (при їх відсутності або неявності) за статистичними даними (Додаток Б);

- спосіб фіксації кришки (болти, шпильки) та спосіб попередження бокового зсуву кришки.

Шатун. Високі вимоги до якостей шатуна щодо міцності можна задовольнити, використовуючи для його виготовлення спеціальні сталі (марганцовисті, хромисті, хромонікелеві зі змістом вуглецю 0, 3…0, 45%) об’ємним штампуванням з наступною термічною і механічною (обдув дробом) обробками. Матеріали, що використовують для виготовлення деталей, наведені у Додатку А, механічні характеристики матеріалів – у Додатку В.

Розрахункові елементи шатунної групи – верхня і нижня головки, стрижень шатуна і шатунні болти.

Верхню головку шатуна розраховують на розрив у перетині A-A (рисунок 4.8) від дії сил інерції мас поршневого комплекту і верхньої головки шатуна, що рухаються поступально. Напруження розтягування σ _раз, МПа, обчислюють за формулою:

(4.23)

де Р_{п. mах} – сила інерції поршневого комплекту, що діє на верхню головку шатуна, Н;

Р_{п. mах} = -10^-3 × m_п × w_{х.х. max}²× R × (1 +l); (4.24)

[ σ _раз ] – припустимі напруження розтягування, МПа, [ σ _раз ] = 35 МПа.

Стрижень шатуна розраховується на міцність утомлення від дії знакоперемінних сумарних сил, що виникають при роботі двигуна. При цьому розрахунок проводиться на розтягування від сили інерції і на стиск від максимального значення сумарних сил у середньому перетині В-В (рисунок 4.8).

Рисунок 4.8 – Схема шатунної групи:

а – шатун з прямим роз’ємом, б – шатун з косим роз’ємом

Таблиця 4.2 – Величини конструктивних параметрів шатунної групи

Розрахунок проводиться на розтягування від сили P_р = - P_{j max} і на стиск від сили Р_сж = Р _max.

Hапруження стиску з урахуванням подовжнього вигину для стрижня шатуна σ _cж, МПа, обчислюють за формулою:

(4.25)

де m ' – коефіцієнт нерівномірності розподілу навантаження в перетині шатуна при стиску, m ' = 1, 3;

f – площа поперечного переріза стрижня шатуна, мм² (у перетині В-В):

f = h _ш · b _ш – (b _ш – a _ш) · (h _ш – 2 t _ш). (4.26)

Напруження розтягування σ _р, МПа, обчислюють за формулою:

(4.27)

де m '' – коефіцієнт нерівномірності розподілу навантаження в перетині шатуна при розтягуванні, m '' = 1, 2.

Середні напруження за цикл (з урахуванням знаків) σ _cр, МПа, визначають за формулою:

(4.28)

Амплітуду циклу (з урахуванням знаків) σ _а, МПа, обчислюють за формулою:

(4.29)

Запас міцності стрижня шатуна n_cт визначають з урахуванням напружень утомленості матеріалу:

(4.30)

де s _-1 – межа утомленості матеріалу шатуна при симетричному циклі на розтягування, МПа (див. Додаток В);

e '' – технологічний коефіцієнт (див. Додаток Г);

a _σ – коефіцієнт приведення (див. Додаток Г).

Запас міцності повинен бути не менше 2, 5.

Найбільш небезпечними напруженнями для кришки нижньої головки шатуна є напруження вигину. Вони визначаються в середньому її перетині від дії сили інерції мас, що рухаються поступально, які лежать вище площини рознімання кришки (рисунок 4.8). Силу Р_j.p, Н, обчислюють за формулою:

(4.31)

Напруження вигину кришки σ _в, МПа, визначаються з урахуванням спільної деформації вкладишів, за формулою:

(4.32)

де [ σ _в ] – припустимінапруження вигину, МПа, [ σ _в ] = 300 МПа.

При розрахунку шатунних болтів (шпильок) необхідно враховувати, що вони повинні мати високу механічну міцність і надійність, оскільки піддаються розтягуванню від дії сил інерції мас, що рухаються поступально, які розташовані над площиною рознімання кривошипної головки шатуна, а також від попереднього затягування.

Силу попереднього затягування болтів Р_пз, Н, розраховують за формулою:

(4.33)

де i_б – кількість болтів.

Сумарну силу, що розтягує болт, Р_б, Н, обчислюють за формулою:

(4.34)

де c – коефіцієнт основного навантаження нарізного сполучення, c = 0, 15…0, 25.

Мінімальні і максимальні напруження, що виникають у шатунному болті, необхідно визначати для перетину по внутрішньому діаметру різьби за формулами:

а) максимальні напруження σ _max, МПа:

(4.35)

б) мінімальні напруження σ _min, МПа:

, (4.36)

де f _min – мінімальний перетин болта, мм² (див. Додаток Д).

Тоді середні напруження за цикл s_ср дорівнюють напівсумі максимального s _mах і мінімального s _min напружень, а амплітуда напружень s_а дорівнює напіврізниці цих напружень:

(4.37)

(4.38)

Запас міцності болта п обчислюють за формулою:

(4.39)

де s _{-1 р} – межа міцності матеріалу на розтягування, МПа (Додаток Б);

k_s – коефіцієнт концентрації напружень у різьбі, k_s =3÷ 4, 5 (менші значення коефіцієнта k_s приймаються для болтів з різьбою, що виконана накатуванням, більші – при нарізанні різцем чи плашкою);

ε = ε ′ · ε ′ ′ – добуток масштабного і технологічного коефіціентів (Додаток Г);

α _σ – коефіцієнт приведення (Додаток Г).

Запас міцності має бути не менше 2.

Технічні вимоги і приклади креслень наведені у Додатку Е.