Расчет шатуна

Расчет шатуна сводится к определению напряжений, деформаций и запасов прочности в поршневой головке, стержне, кривошипной головке и стяжных болтах (шпильках).

В качестве материалов для изготовления шатунов используются стали 40, 45, 45Г2, 18ХНМА, 18ХНВА, 40ХНМА). Шатунные болты изготовляют из сталей 35Х, 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМА, 37ХН3А

В бензиновых двигателях шатуны часто изготовляют из ковкого перлитного чугуна с содержанием углерода 0,85%.

Для втулок поршневых головок используют бронзы: алюминиево-железистую Бр. АЖ 9-4 (НВ 110), оловянно-цинковые Бр. ОЦ 10-2 (НВ 65-75) и ОЦС 4-4-2,5 (YD 65-75), оловянно-фосфористые (НВ 90-120).

Антифрикционные материалы для вкладышей подшипников: свинцовистые и оловянистые баббиты; сплав СОС 6-6; свинцовистая бронза Бр. С30(30% Pb), сплавы АСМ (алюминий-сурьма-магний), АО 22 (20% олова).

Расчет поршневой головки

Расчет поршневой головки шатуна сводится к определению усталостной прочности в сечении I−I от действия силы инерции (без учета запрессованной втулки) при работе двигателя на режиме максимальной частоты вращения холостого хода, напряжения от действия запрессованной втулки и усталостной прочности в сечении А−А (месте перехода головки шатуна в стержень) от действия суммарной силы и запрессованной в поршневую головку втулки. Расчет производится для режима работы двигателя, на котором амплитуда суммарной силы максимальна.

Максимальная сила, нагружающая поршневую головку в сечении I−I,

,

где − масса верхней части поршневой головки (выше сечения I−I).

1 Шатун

Максимальное напряжение в сечении I−I

.

Минимальное напряжение в сечении I−I .

Методика определения запасов прочности представлена в разделе «Расчет на прочность с учетом переменной нагрузки».

Допускаемая величина запаса прочности составляет 2,5 5.

Суммарный натяг (мм) от запрессовки в поршневую головку втулки и различия коэффициентов расширения материалов втулки и головки

=Δ+ ,

где Δ – натяг посадки бронзовой втулки, мм; =d – температурный натяг, мм, где d – внутренний диаметр поршневой головки, мм; =1,8· 1/К – термический коэффициент расширения бронзовой втулки; =1,0· 1/К – термический коэффициент расширения стальной головки шатуна; – средняя температура подогрева головки и втулки при работе двигателя.

Удельное давление (МПа) от суммарного натяга на поверхности сопряжения втулки с головкой

где , и − соответственно наружный и внутренний диаметры головки и внутренний диаметр втулки, мм; − коэффициент Пуассона; − модуль упругости стального шатуна; − модуль упругости бронзовой втулки.

Напряжение от суммарного натяга на внешней и внутренней поверхностях поршневой головки определяются по формулам Ляме:

; .

Значения и могут достигать 100-150 МПа.

2 Шатун

Сечение А−А поршневой головки нагружается переменной суммарной силой и постоянной силой от действия запрессованной втулки. Расчет производится или на номинальном режиме, или на режиме максимального крутящего момента. Суммарная сила, растягивающая поршневую головку, достигает максимального значения при положении поршня в ВМТ в начале такта впуска. Действием газовой силы в этом случае пренебрегают:

где - масса поршневой группы; - угловая скорость ( (рад/c) при расчете на режиме и (рад/c) − на режиме ).

Сравнением значений напряжений, полученных расчетом и экспериментально, было установлено, что радиальное давление от силы должно распределяться по внутренней поверхности головки равномерно (см. схему нагрузки).

В соответствии с расчетной схемой (см. рисунок) принимается, что нижняя часть головки не деформируется, а действие отброшенной правой части головки заменяется силой и изгибающим моментом :

;

.

где - угол заделки, град; – средний радиус поршневой головки.

На участке I, находящемся в интервале изменения угла от 0 до :

;

На участке II, находящемся в интервале изменения угла от до :