Компоновка кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя

Начальным этапом разработки компоновочной схемы на поперечном разрезе двигателя является разметка КШМ (рис.13.). При разметке КШМ рядных двигателей (рис.13.а) наносятся:

- вертикальная и горизонтальная оси,

- траектория движения оси шатунной шейки (окружность радиусом r),

- положение оси шатунной шейки (точка В) и оси поршневого пальца (точка А) при нахождении поршня в ВМТ,

- стенки цилиндра (на расстоянии D/2 от оси цилиндра).

При компоновке V-образного двигателя (рис.13.б) проводятся под углом g оси левого и правого цилиндров. В одном из цилиндров намечается положение осей шатунной шейки и поршневого пальца при нахождении поршня этого цилиндра в ВМТ, а положение оси поршневого пальца другого цилиндра определяется засечкой на ось этого цилиндра из точки В дугой радиуса, равный длине его шатуна l_ш. Угол развала g блока цилиндров определяется из соотношения: g=kj /2, где k -целое число (1, 2); j -угол между кривошипами (j=720/i); i - число цилиндров в одном ряду блока,

Рис.13. Разметка кривошипно-шатунного механизма

6.1.1. Компоновка и расчет деталей поршневой группы

Практика конструирования двигателя устанавливает определенные соотношения между элементами поршня. Компоновку рекомендуется начинать с отработки головки поршня (рис.14). Учитывая конструкцию двигателя-прототипа и установившиеся тенденции в мировом двигателестроении выбирают количество поршневых колец, их размеры (h_k, h_m, t) и расположение, определяются размеры жарового пояса (с) и перемычек между поршневыми кольцами (h_м.к.). Исходя, из этих данных намечается высота головки поршня (Н_г). Относительные размеры деталей поршневой группы приведены в табл. 11. Задавшись затем толщиной днища (d) и формой его внутренней части, очерчивают контур камеры сгорания (в случае расположения ее в поршне) или контур наружной поверхности днища и наносят очертание внутренней поверхности днища.

Выбрав основные размеры поршня наносят его контур на компоновочную схему и намечают положение оси поршневого пальца, отложив по оси цилиндра от основания юбки расстояние Н₁. Вокруг полученного центра вычерчивают контур бобышки и, проведя силовые ребра к внутренней поверхности днища, окончательно вычерчивают внутренний контур головки и юбки поршня. Изобразив на схеме поршневые кольца, каналы для отвода масла от маслосъемных колец оформляют внешний контур деталей поршневой группы. При компоновке V-образного двигателя поршневая группа в разрезе изображается только в одном (правом или левом) цилиндре, во втором цилиндре поршень вычерчивается без разреза.

После компоновки поршневой группы выполняется проверочные расчеты на прочность.

Расчет поршня. При работе двигателя в поршне возникают сложные напряжения от сил давления газов, инерционных и термических нагрузок. Вместе с тем определяющим параметром при расчете на прочность является толщина (d) днища поршня. Приближенная проверка прочности днища поршня, как круглой пластинки, защемленной по краям и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, может быть определена по формуле:

£ [ ], (61)

где р_z – максимальное давление газов в цилиндре, МПа.

Допускаемое напряжение изгиба для поршней из алюминиевых сплавов АЛ10; АК 4 - [ ] =40…60 МПа.

Расчет юбки поршня производится по удельному давлению от максимальной боковой силы по формуле:

, (62)

где =0, 5…1, 0 МПа, Н_ю - высота юбки поршня, Н_ю = Н _п– Н_г.

Рис.14. Компоновка поршня

Таблица 11

Относительные размеры деталей поршневой группы

Расчет поршневого пальца. Проверяются удельные давления во втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня.

Удельное давление во втулке верхней головки шатуна:

, (63)

где F_S - суммарная сила, действующая на поршень,

l_в.г.ш – длина верхней головки шатуна, для бензиновых двигателей и дизелей: l_в.г.ш =(0, 30…0, 40)D (см. рис. 15)

Удельное давление в бобышках поршня:

, (64)

где l_б – длина бобышки поршня, для бензиновых двигателей и дизелей:

Рис.15. Компоновка поршневого пальца

В современных двигателях допускаемые удельные давления равны (материал - сталь 20, 15Х, 15ХН):

для бензиновых двигателей - =23…32 МПа; =20…29 МПа;

для дизелей - =32…40 МПа; =30…35 МПа;

Расчет поршневых колец. Размеры кольца определяются на основе нормативов, установленных ГОСТ на поршневые кольца.

Последовательность расчета следующая.

а). Задаются величиной D/t =20…25, определяющей упругость кольца (значения t принимаются из табл. 11).

б). Определяют зазор в замке кольца S₀ при его установке в цилиндр из соотношения S₀/t =2, 5…4, 0.

в). Определяют среднее давление кольца на стенку цилиндра (для грушевидной эпюры давления), МПа:

, (65)

где Е – модуль упругости материала кольца (для чугуна Е =1, 2.10⁵ МПа).

г). Строят эпюру радиальных давлений кольца на стенку цилиндра рис.16 по рекомендациям ГОСТ, приведенных в табл. 12.

Таблица 12

Относительные радиальные давления для грушевидной эпюры

поршневого кольца

Рис.16. Эпюра давлений поршневого кольца на стенки цилиндра

6.1.2. Компоновка и расчет деталей шатунной группы

Конструктивные размеры деталей этой группы приведены в табл. 13, а компоновочная схема показана на рис. 17.

Рис. 17. Компоновочная схема шатунной группы

Таблица 13

Основные размеры деталей шатунной группы

Положение шатуна на компоновочной схеме определяется точками А и Б (рис.13) в ходе разметки кривошипно-шатунного механизмаю. Учитывая, что одним из требований к конструкции шатуна является возможность его демонтажа через цилиндр, рекомендуется следующая последовательность отработки его конструктивных элементов.

Откладывают на компоновочной схеме ширину нижней головки шатуна а_гш и, обозначив плоскость разъема, намечают внутри голвки перемычки D_шн и диаметры болтов d_шб. Отложив от каждого отверстия под болты в направлении оси шатунной шейки перемычку и толщину вкладыша d_шв, находят размер шатунной шейки d_ш. Ориентировочно: d_ш = (0, 60…0, 67)D – для бензиновых двигателей, d_ш = (0, 63…0, 75)D – для дизелей.

Компоновка верхней головки шатуна выполняется на базе бобышки поршня. Выбрав наружный диаметр пальца d_н.п и толщину втулки верхней головки шатуна d_вт (рис.17), из точки А проводят две окружности радиусами d_н.п /2 и

d_н.п /2 +d_вт, одна из которых будет изображать наружный контур поршневого пальца, а вторая - наружный контур втулки верхней головки шатуна. Затем из того же центра окружностью радиусом d_г/2 вычерчивается наружный контур верхней головки шатуна.

Стержень шатуна имеет обычно двутавровое сечение. Полки его могут быть или параллельными, или сходиться к верхней головке. Задавшись высотой сечений шатуна (табл.13), проводят линии, ограничивающие наружный контур шатуна и контуры его полок. Затем эти линии сопрягаются плавными кривыми с соответствующими элементами верхней и нижней головок.

Расчет шатуна. Шатун подвергается действию асимметричной нагрузки, в результате чего возникают напряжения сжатия, растяжения и изгиба. Верхняя головка шатуна подвергается воздействию от сил инерции и сил давления газов. При проверочном расчете верхней головки шатуна можно ограничиваться расчетом на растяжение.

, (66)

где F_a.мах – максимальная сила инерции деталей поршневой группы, определенная по результатам динамического расчета;

l_в.г.ш – длина верхней головки шатуна;

d_в.г.ш – толщина стенки головки: ;

=(15…35) МПа, (для изготовления шатунов используются следующие материалы: стали марок 40, 45, 45Г2, 40Х, 18ХНВА).

Расчет шатунных болтов. Шатунные болты нагружаются переменной разрывающей силой инерции поршневой и шатунной групп, а также испытывают значительное напряжение от предварительной затяжки гаек и изгиба, возникающего при перекосе опорных площадок род головкой и гайкой.

Диаметр шатунных болтов принимается при проектировании (табл.13), а наружный диаметр головки болта принимается: d_гб=( 1, 3…1, 5) d_шб.

Расчет шатунных болтов сводится к определению напряжения растяжения на режиме максимальной частоты вращения с учетом их предварительной затяжки:

, (67)

где F_пр – сила предварительной затяжки болта: F_пр =(0, 7…0, 8) F_a.мах

c - коэффициент, учитывающий податливость болта и крышки шатуна, c=0, 2…0, 3,

f_ш.б – минимальное сечение шатунного болта, i_б – число шатунных болтов.

=(120…250)МПа.

6.1.3. Компоновка и расчет цилиндра

На основании анализа преимуществ и недостатков различных конструктивных форм блока цилиндров и, исходя из назначения двигателя выбирается тип блока цилиндров (с мокрыми или сухими гильзами, без гильз).

Длина цилиндра (зеркала) находится по формуле:

L_ц = S+Н_п - d_{н.в. ,} (68)

где d_нв – нижний выбег(выход юбки поршня из цилиндра при нахождении его в НМТ).

На компоновочной схеме (рис.18) на расстоянии D/2 от оси цилиндра проводится линия, изображающая зеркало цилиндра, от которой откладывается толщина стенки (d_ст.г) и вычерчивается контур рубашки охлаждения.

Одновременно с контуром рубашки охлаждения определяются посадочные гнезда и уплотнение гильзы. Рекомендуется отработку посадочных поясов начинать с нижнего посадочного пояса, где наносится выбранное значение d¹_ст..г и определяется диаметр D¹_п. Прибавив к нему 1…2 мм, получают диаметр верхнего посадочного пояса D_п, после чего определяют диаметр бурта гильзы D_б. Задавшись высотой бурта h_б и посадочных поясов, вычерчивают гильзу и ее уплотнение. Необходимые соотношения для этого берутся из табл.14.

Рис. 18. Компоновочная схема цилиндра (гильзы)

Таблица 14

Основные размеры блока цилиндров и гильз современных автотракторных двигателей

Для проверки размера L_ц и его окончательного выбора в процессе компоновки выполняется контрольное проворачивание кривошипно-шатунного механизма (рис.19). С этой целью изготавливается картонный шаблон, точно соответствующий контуру шатуна. Перемещая этот шаблон таким образом, чтобы его точка А двигалась по оси цилиндра, а точка В - по окружности радиусом r. Обведя этот контур огибающей (пунктирная линия), получают зону движения шатуна. Эта зона не должна пересекаться нижней кромкой цилиндра, В противном случае цилиндр необходимо укоротить. В V-образных двигателях кривошипно-шатунный механизм проворачивается для обоих блоков. Зона движения шатунов позволяет определить также контуры картера и компоновки в нем вспомогательных агрегатов.

Рис.19. Контрольное проворачивание кривошипно-шатунного механизма

Расчет цилиндра. Расчетное напряжение разрыва стенки цилиндра (гильзы) по образующей от воздействия максимального давления газов определяется по формуле:

; (69)

допускаемые напряжения: =40…60МПа – чугунные гильзы; =80…120МПа - стальные гильзы.

6.1.4 Компоновка коренных подшипников

Учитывая данные табл.15, выбирают диаметр коренной шейки d_к и толщину вкладыша d_вк, очерчивают контуры коренной шейки и вкладышей (рис.20). Затем выбирают диаметр болтов крышки коренного подшипника и намечают их оси. После нанесения осей вычерчиваются контуры болтов, изображается крышка в соответствии с данными табл.15

Таблица 15

Основные размеры коренных подшипников

Наименование размера	Обознач.	Предел значений размеров
Бензиновые и газовые двигатели	Дизели
Диаметр коренной шейки	dк	(0, 65…0, 80)D	(0, 72…0, 90)D
Толщина вкладыша коренного подшипника	dвк	(0, 020…0, 035)D	(0, 03…0, 042)D
Толщина перемычки между болтом крышки и вкладыш.		2…5мм	2…5мм
Диаметр болтов крышки	dбк	(0, 12…0, 15)D	(0, 12…0, 15)D
Толщина перемычки между болтом и наружн.стенкой крышки		7…10мм	7…10мм
Высота сечения крышки	ак.к	(0, 35…0, 40) dк	(0б=, 5…0, 9) dк
Длина ввернутого в картер конца болта крышки	hбк	(2…2, 7) dбк	(2…2, 7) dбк

Рис.20. Компоновка коренного подшипника