![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Поршень
Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень (рис. 19), воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки. Его основными функциями являются уплотнение внутрицилиндрового пространства и передача газовых сил давления с наименьшими потерями кривошипно-шатунному механизму. Поршень представляет собой достаточно сложную деталь как в отношении самой конструкции, так и в отношении технологии и подбора материала при его изготовлении. Основными тенденциями совершенствования поршней современных двигателей является снижение их массогабаритных параметров, повышение прочности и износостойкости, а также снижение коэффициента линейного расширения, что очень важно для получения минимального теплового зазора между поршнем и цилиндром без заклинивания. Поршни автотракторных двигателей изготавливаются в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна. В качестве алюминиевых сплавов использовались эвтектические сплавы алюминия с кремнием, содержание которого в сплаве не превышало 12…13%. Однако постоянно растущий уровень форсирования двигателей, особенно двигателей с турбонаддувом и дизелей, требовал перехода на более термопрочные материалы для изготовления поршней. В настоящее время новые двигатели имеют поршни, изготовленные из заэвтектических сплавов алюминия с кремнием, содержание которого достигает 18 и более процентов. Для улучшения физико-механических свойств заэвтектических сплавов применяется Их легирование никелем, магнием, медью, хромом и специальные технологии литья или горячей штамповки. Рис. 19. Схема поршня
Чугунные поршни по сравнению с алюминиевыми обладают более высокими показателями твердости, износостойкости и жаропрочности, а также одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы цилиндра. Однако большая плотность чугунного поршня не позволяет его использовать для высокооборотных двигателей. В настоящее время все серийно выпускаемые двигатели легковых автомобилей имеют поршни из алюминиевых сплавов. Дальнейшее совершенствование поршней предусматривает широкое использование для их изготовления композиционных материалов. Основу этих материалов составляют легкие и не очень прочные материалы (например, алюминий), которые «насыщаются» высокопрочными полимерными, керамическими или металлическими волокнами. Эти волокна не только жестко связывают молекулы основного материала, но и воспринимают значительную нагрузку как механическую, так и тепловую. Перспективным является армирование элементов поршня керамическими волокнами из оксида алюминия Аl2О3 и диоксида кремния SiО2, что способствует высокой термической стабильности поршня. Основные конструктивные соотношения размеров элементов поршня (см. рис. 19) приведены в табл. 16. Величину верхней части поршня h1 выбирают, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла. Высота головки поршня hГ, включающая огневой пояс е, устанавливается исходя из обеспечения нормального температурного режима ее элементов — толщины днища поршня и размещения компрессионных и маслосъемного колец. Высота юбки hЮ определяется величиной необходимого теплового зазора между юбкой поршня и цилиндром. Чем меньше этот зазор, тем короче можно сделать юбку поршня, снизив ее массу. При работе двигателя температура потока горящей топливо-воздушной смеси, омывающей днище поршня, сильно меняется от минимальной при пуске и прогреве двигателя до максимальной на режимах наибольших нагрузок. При этом максимальную температуру имеет днище поршня, а минимальную - юбка. Распределение средней температуры при работающем двигателе по высоте поршня показано на рис. 20, а. С учетом такого распределения температуры профиль поршня по высоте выполняется одной из следующих форм: ступенчатой (рис. 20, б), конической или лекальной. Значительная часть теплового потока от днища и огневого пояса поршня быстро уходит в стенку цилиндра через поршневые кольца и только часть теплоты передается в бобышки, а затем и в юбку поршня. При этом отвод теплоты от бобышек значительно меньше, чем от стенок юбки, которые контактируют со стенками цилиндра. В результате по оси бобышек поршень расширяется значительно больше и становится овальным (рис. 20, в). Оптимальная форма поршня для вновь проектируемого двигателя подбирается в результате кропотливых и длительных экспериментов. Наиболее общими конструктивными и технологическими направлениями при разработке поршней современных двигателей является: · уменьшение расстояния от днища поршня до оси бобышек · уменьшение высоты юбки поршня и снижение веса за счет вырезов в наименее нагруженных местах (Х-образные поршни); · нанесение на днище и верхнюю канавку поршня износо- и термостойкого покрытия, преобразующего поверхностный слой алюминия в керамику Аl2О3; · снижение теплового расширения поршня за счет заливки в его тело стальных терморегулирующих вставок; · покрытие юбки поршня тонким (0, 003…0, 005 мм) слоем олова, свинца или оловянно-свинцового сплава в целях быстрой Приработки, а также уменьшения трения и снижения износа; · уменьшение внешнего и внутреннего диаметров пальцев; · переход на плавающие пальцы малой длины с фиксацией шатуна от осевых перемещений в бобышках поршня; · снижение высоты колец; · применение специальных конструктивных и технологических Элементов, улучшающих смазку и уменьшающих износ пары: поршень – цилиндр.
Рисунок 20. Изменение температуры по высоте поршня и зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра в разных сечениях: а - изменение температуры по высоте поршня; б - изменение зазоров между поршнем и зеркалом цилиндра; в - изменение площади поперечного сечения поршня; — - окружность цилиндра; — — — - профиль холодного поршня; - · - · - - рабочий режим; ········ - перегрев; А – места заклинивания юбки поршня в цилиндре при перегреве
Таблица 16. Размеры элементов поршня
Поверочный расчет элементов поршня осуществляется без учета переменных нагрузок, величина которых учитывается при установлении соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня. Днище поршня рассчитывается на изгиб от действия максимальных газовых усилий рz.max, как равномерно нагруженная круглая плита, свободно опирающаяся на цилиндр. Для бензиновых двигателей наибольшее давление газов достигается при работе на режиме максимального крутящего момента. Для дизелей максимальное давление газов обычно достигается при работе на режиме максимальной мощности. Напряжение изгиба (МПа) в днище поршня
где
рz.max = pz - максимальное давление сгорания, МПа;
При отсутствии у днища ребер жесткости допустимые значения напряжений [σ из] (МПа) лежат в пределах: · для поршней из алюминиевых сплавов ……… 20…25 · для чугунных поршней ………………………. 40…50 При наличии ребер жесткости [σ из] возрастают: · для алюминиевых поршней …………………… до 50…150 · для чугунных …………………………………… 80…200 Кроме напряжений от давления газов в днище поршня возникают тепловые напряжения из-за разности температур внутренней и наружной поверхностей. Тепловые напряжения (МПа) охлаждаемых чугунных поршней
где α = 11·10-6 - коэффициент линейного расширения чугуна, 1/град; Е = (1, 0…1, 2)·105 - модуль упругости чугуна, МПа; q - удельная тепловая нагрузка, Вт/м2; δ - толщина днища, см; λ теп = 58 - коэффициент теплопроводности чугуна, Вт/(м·К). Для четырехтактных двигателей приближенно
где n - частота вращения, мин-1 (для бензиновых двигателей n = nM, а для дизелей n = nN); рi - среднее индикаторное давление, МПа (для бензиновых двигателей при nM, а для дизелей при nN). Суммарное напряжение (МПа) в охлаждаемом чугунном днище
Из уравнения (5.23) следует, что с уменьшением толщины днища поршня тепловые напряжения уменьшаются, а напряжения от газовых сил увеличиваются. Допустимые суммарные напряжения в чугунных днищах автомобильных и тракторных двигателей находятся в пределах [σ Σ ] = 150…250 МПа. Тепловые напряжения охлаждаемых алюминиевых поршней обычно определяются термометрированием при экспериментальных исследованиях. Головка поршня в сечении х - х (см. рис. 15), ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв. Напряжение сжатия (МПа)
где P z.max = pz·FП - максимальная сила давления газов на днище поршня, МН; F X-X - площадь сечения х - х, м2:
где dK = D - 2(t + Δ t) - диаметр поршня по дну канавок, м2; F' = [(dK - di)/2]·dM - площадь продольного диаметрального сечения масляного канала, м2. Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов [σ сж] = 30…40 МПа, а чугунных - [σ сж] = 60…80 МПа. Напряжение разрыва (МПа) в сечении х - х
Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс (МН) определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя
где mX-X - масса головки поршня с кольцами, расположенная выше сечения х - х (см. рис. 19), определяемая по геометрическим размерам или mX-X = (0, 4…0, 6)·mП, кг; mП - масса поршневой группы, кг; R - радиус кривошипа, м; WX.X.MAX = π ·nX.X.MAX/30 - максимальная угловая скорость холостого хода двигателя, рад/с; λ = R/L - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Допустимые напряжения на разрыв для поршней из алюминиевых сплавов [σ P] = 4…10 МПа, а для чугунных - [σ P] = 8…20 МПа. Толщина верхней кольцевой перемычки hП (см. рис. 15) форсированных двигателей с высокой степенью сжатия рассчитывается на срез и изгиб от действия максимальных газовых усилий рZ.MAX. Перемычка рассчитывается как кольцевая пластина, защемленная до окружности основания канавки диаметром dK = D - 2·(t + Δ t) и равномерно нагруженная по площади FК.П = π ·(D2 - dK2) силой РK = 0, 9·pz.max·FК.П. Напряжение среза кольцевой перемычки (МПа)
где D и hП - диаметр цилиндра и толщина верхней кольцевой перемычки, мм. Напряжение изгиба кольцевой перемычки
Сложное напряжение по третьей теории прочности
Допускаемые напряжения σ Ʃ (МПа) в верхних кольцевых перемычках с учетом значительных температурных нагрузок находятся в пределах: · для поршней из алюминиевых сплавов 30…40 · для чугунных поршней 60…80 Максимальные удельные давления (МПа) юбки поршня hЮ и всей высоты Н поршня на стенку цилиндра определяются соответственно из уравнений:
где NMAX - наибольшая нормальная сила, действующая на стенку цилиндра при работе двигателя на режиме максимальной мощности и определяемая по данным динамического расчета. Для современных автомобильных и тракторных двигателей q1 = 0, 3…1, 0 и q2 = 0, 2…0, 7 МПа. В целях предотвращения заклинивания поршней при работе двигателя размеры диаметров головки DГ и юбки DЮ поршня определяют, исходя из наличия необходимых монтажных зазоров Правильность установленных размеров DГ и DЮ проверяют по формулам
и
где α Ц и α П - коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня. Для чугуна α Ц = α П = 11·106 1/К; для алюминиевых сплавов α Ц = α П = 22·106 1/К; ТЦ, ТГ, ТЮ - соответственно температура стенок цилиндра, головки и юбки поршня в рабочем состоянии. При жидкостном охлаждении ТЦ = 383…388, ТГ = 473…723 и ТЮ = 403…473 К, а при воздушном ТЦ = 443…463, ТГ = 573…873 и ТЮ = 483…613 К; Т0 =293 К - начальная температура цилиндра и поршня. При получении отрицательных значений
|