Расчёт поршневого кольца

Расчёт поршня

Поршень вместе с кольцами, пальцем и деталями стопорения пальца составляют поршневую группу, которая выполняет следующие функции:

1. воспринимает силу давления газов и передает ее шатуну;

2. передает нормальную силу от шатуна к цилиндру;

3. уплотняет внутрицилиндровое пространство;

4. обеспечивает отвод теплоты;

5. выполняет роль золотника в двухтактных двигателях.

При работе поршень воспринимает значительные механические и тепловые нагрузки. В настоящее время поршни выполняются из эвтектических (содержание кремния 11-14 %) и заэвтектические (содержание кремния 17-25 %) алюминиевых сплавов с присадками Cu, Ni, Mn, Mg, Fe.

Днище поршня рассчитывается на изгиб как равномерно нагруженная круглая пластина, свободно опирающаяся на цилиндр:

,

где − изгибающий момент, МН·м; – момент сопротивления изгибу плоского днища, ; − максимальное давление сгорания, МПа; – внутренний радиус уплотняющей части поршня, м.

Допустимые значения напряжений изгиба днища поршней без ребер из алюминиевых сплавов лежат в пределах 20-25 МПа, при наличии ребер 50-150 МПа.

Термические (тепловые напряжения) изучались в охлаждаемых чугунных поршнях.

Головка поршня в сечении х-х, ослабленная отверстиями для отвода масла, рассчитывается на сжатие и разрыв.

Напряжения сжатия (МПа)

,

где – максимальная сила давления газов на днище поршня, МН; − площадь сечения х-х, м²; − площадь продольного диаметрального сечения масляного канала, м²; − число масляных каналов.

Допустимые значения для поршней из алюминиевых сплавов лежат в пределах 30-40 МПа.

Сила инерции возвратно-поступательно движущейся массы (МН) головки поршня с кольцами расположенной выше сечения х-х на режиме максимальной частоты вращения холостого хода

,

где – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Напряжение разрыва (МПа) в сечении х-х

.

Допустимые напряжения разрыва для поршней из алюминиевых сплавов лежат в пределах 4-10 МПа.

Первая межкольцевая перемычка рассматривается как кольцевая пластина, защемленная по окружности основания канавки диаметром и нагруженная по всей площади давлением газов сверху, равным и снизу .

Напряжения изгиба в основании перемычки

.

Напряжения среза

.

Сложное напряжение по третьей теории прочности

.

Допустимые значения для поршней и алюминиевого сплава лежат в пределах 30-40 МПа.

Максимальные удельные давления (МПа) поршня на стенку цилиндра:

; ,

где – максимальная нормальная сила при работе двигателя на режиме номинальной мощности, МН.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей МПа.

Расчёт поршневого кольца

По назначению поршневые кольца подразделяют на компрессионные (уплотняющие) и маслосъемные. Компрессионные кольца (особенно первое из них) работают в тяжелых условиях. Максимальная температура первого компрессионного кольца в зоне замка достигает 200-250˚C/

Поршневые кольца должны обеспечивать герметизацию внутрицилиндрового пространства, отвода определенной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра и рационального распределения масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла во внутрицилиндровое пространство.

Расчет колец сводится к определению среднего давления кольца на стенку цилиндра, построению эпюры давления кольца по окружности, определению напряжений изгиба при надевании кольца на поршень и в рабочем состоянии и определении монтажных зазоров в замке кольца.

Среднее давление (МПа) кольца на стенку цилиндра

,

где E – модуль упругости материала кольца (для серого чугуна МПа, для легированного чугуна МПа, для стали МПа); − разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состояниях (для двигателей с искровым зажиганием , для дизелей ).

Допустимое среднее радиальное давление , для компрессионных колец 0,11-0,37 МПа, для маслосъемных 0,2-0,4 МПа.

При низкой частоте вращения и больших диаметрах цилиндра величина должна иметь значение ближе к нижнему пределу.

Для обеспечения хорошей приработки кольца и надежного уплотнения давление кольца на стенку цилиндра у замка должно быть повышенным. Это повышение должно составлять для колец двигателей с искровым зажиганием (1,4-2,0) , для дизелей (1,8-2,5) . Эпюра давления кольца на стенку цилиндра может иметь грушевидную или каплевидную форму. Значительное повышение давления у замка способствует равномерному износу кольца по окружности.

Напряжения изгиба кольца (МПа) в сечении, противоположном замку:

в рабочем состоянии 2,61 ;

при монтаже на поршень ,

– коэффициент, зависящий от способа монтажа кольца на поршень (при расчете принимается равным 1,57);

Допустимые значения напряжений при изгибе кольца лежат в пределах220-450 МПа.

Монтажный зазор (мм) в прямом замке поршневого кольца в холодном состоянии

,

где мм − минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя; и − коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра; , и − соответственно температура кольца, стенок цилиндра в рабочем состоянии и температура этих деталей =20 К при сборке двигателя. При жидкостном охлаждении , К, при воздушном , К.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: