Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Притолщине слоя до 0,3–0,4 мм, остающегося после зачистки иливозникающего в предварительнообработанной детали после ее нагрева под закалку, неблагоприятное разупрочнение может бытьполностью компенсировано обдув207кой поверхности стальной дробью(наклепа дробью).При растягивающих напряжениях в стержне более 20 МПа, характерных для шатунов четырехтактных двигателей повышеннойбыстроходности, резко возрастаетопасность развития усталостныхтрещин в поверхностном слое ослабленного и поврежденного металла и возникновения последующих поломок.
Поэтому необходимопочти полное удаление обезуглероженного слоя и проведение компенсирующей обработки чистойповерхности шатуна стальной дробью для устранения возможноговлияния остатков дефектного слояв готовой детали.Особое внимание следует уделять выбору технологии обработки стержней главных шатунов Vобразных двигателей (четырех идвухтактных) ввиду появления вотдельных сечениях значительных напряжений изгиба от действия прицепных шатунов.Проведенные исследования иопыт эксплуатации двигателей показали, что для шатунных болтов, атакже для других болтовых соединений с большим усилием затяжкине следует применять легированные стали 18Х2Н4МА, 20ХНЗА идругие с низким содержанием углерода, чтобы при длительной работене накапливались пластические деформации (вытяжки) и не ослабевали усилия затяжки.У двухтактных двигателей приналичии в стержне только напряжений сжатия ослабляющий эффект "черной" поверхности практически не проявляется, поэтому дополнительная обработка ее можетбыть минимальной (устранениеокалины и очистка).В отдельных случаях шатуныбыстроходных двигателей изготавливают из легких алюминиевых иреже магниевых сплавов.
Масса таких шатунов меньше массы стальных на 20–25 %.Значительный интерес для изготовления шатунов форсированныхдвигателей представляют титановые сплавы. Обладая сравнимымисо сталями прочностными свойствами, они имеют почти вдвое меньшую плотность. При этом усталостные свойства у титановых сплавов даже несколько выше, чем усталей.В последнее время появилисьтитановые сплавы с повышеннымсодержанием алюминия (7,5–14 %массовых долей). В этом случае всплаве выделяется интерметаллидтитана Ti3Al, который упрочняетсплав и повышает его жесткостныесвойства. Так, при увеличении содержания алюминия с 7,5 до 14 %массовых долей модуль упругости Евозрастает со 120 до 150 ГПа. Учитывая, что сжимающие нагрузки,действующие на шатун, значительно превосходят растягивающие,лучшее сопротивление напряжениям сжатия титановых сплавов является еще одним преимуществомэтих материалов.К недостаткам титановых сплавов следует отнести невысокую износостойкость, склонность к ползучести при нормальной температуре, бо' льшее снижение пределавыносливости по сравнению состалями при увеличении числациклов нагружения свыше 107.К перспективным материаламмогут быть отнесены композиционные материалы: полимерные волокнистые и металломатричныедисперсноупрочненные частицами керамики (Si3N4, Al2O3, B4C)размером 5–20 мкм, количествокоторых может колебаться от 5 до30 % объема материала.208Шатунные болты разъемных головок шатунов современных двигателей изготовляют в основном из легированных конструкционных сталей,малооборотных двигателей (в первуюочередь двухтактных) – из углеродистых конструкционных сталей 35, 40,45 и других, а также хромоникелевыхсреднеуглеродистых сталей.
Эти жематериалы используют для штоковМОД. Стали 45, 50, а также хромомолибденовые и хромоникелевые среднеуглеродистые стали применяют дляизготовления поперечин с последующей термической обработкой. Ползуны малооборотных двигателей выполняют литьем из сталей 20Л50Л.Шатунные болты тепловозных двигателей и быстроходных форсированных изготавливают из наиболеепрочных и вязких хромоникельмолибденовых и хромоникельмолибденованадиевых сталей 30Х, 35ЧЦ,40ХН2МА, 40Х2Н2МА, 38ХНЗМА,36Х2Н2МФА, а автомобильных итракторных двигателей – из легированных сталей 40Х, 45Х, 30ХМА,35ХМ, 40ХН2МА 40ХНМА.Втулки верхних головок и наружных обойм игольчатых подшипников изготавливают из сталей ШХ15Ш или ЭИ 347 (8Х4В9Ф2Ш).5.2.
Показатели материалов для изготовления шатунов двигателей внутреннего сгоранияНаименованиеПлотность r, г/см3Твердость, НВСталь40ХН7,85СтальТитановый Алюминие КомпозитСталь40ХН2МАсплав Ti6Al4V вый сплав Д16Т +18Х2Н4МА(SAE4349)(США)Д16Т16 % SiC7,85200–320 217–3337,954,432,82,9262–400255–340105Предел прочности прирастяжении sв, МПа9101000940–1470³930460547Предел текучести прирастяжении s0,2, МПа710850710–1170³862300465Предел текучести присжатии s0,2, МПа710850710–1170917285–Модуль нормальнойупругости при растяжении E×10-3, МПа204204150105–11571110Предел выносливости 392–490s-1, МПа447475–774560135Удельная прочностьпри растяженииs0,2/g*×10-3, м8,310,88,3–14,719,4610,716Удельная прочностьпри сжатииs-0,2/g*×10-3, м8,310,88,3–14,720,710,18–Удельная жесткостьЕ/g*×10-3, м2600260018902370–260025303800Удельная выносливость s-1/g*×10-3, м5–6,245,76–9,712,644,8–П р и м е ч а н и е.
g = rg, где r – плотность; g = 9,81 м/с2.209В качестве антифрикционныхматериалов для втулок используются следующие бронзы: оловянистофосфористые БрОФ7,00,2 (НВ75 –90), допускающие максимальныедавления до 90 МПа; алюминиевожелезистые БрАЖ94 (НВ 110);оловянистоцинковыеБрОЦ102(НВ 110); бронза МЦХТ, легированная цинком, хромом, титаном иимеющая НВ > 130.Механические свойства некоторых материалов представлены втабл. 5.2.5.5. Моделированиенапряженнодеформированногосостояния, многоуровневаясистема математических моделейшатунной группы5.5.1.
Общие положенияРасчет напряженнодеформированного состояния шатуна можетбыть выполнен с различной степенью детализации особенностей конструкции и условий нагружения.При этом применяются математические модели разных уровней по глубине и полноте отражения особенностей формы, условий нагружения,свойств материала и др.Эскизная разработка шатунавыполняется на основе статистических данных по конструкциям,аналогичным проектируемой. Расчет шатуна в настоящее время предусматривает использование какпростейших методов сопротивления материалов в рамках одномерной теории, так и уточненных математических моделей с решениемплоских и пространственных задачтеории упругости численными методами (модели второго и третьегоуровней).В эксплуатации шатун подвергается действию переменных по времени сил, изменяющихся в широких пределах.
На рис. 5.31 показаноРис. 5.31. Изменение нагрузки, действующей на шатун на различных режимах:а, б и в – по внешней скоростной характеристике (ВСХ); г – холостого хода; r – коэффициент асимметрии цикла, r = Кmin/Кmax210изменение силы К, действующейна шатун дизеля ЧН10,2/12,2, (рz == 12,5 МПа, ne = 2300 мин-1).5.5.2. Упрощенная методика оценкиНДС шатунаВ рамках модели первого уровнярассмотрена общепринятая методика расчета основных элементовшатуна на прочность методами сопротивления материалов.Стержни шатунов рассчитываютв двух сечениях (рис. 5.32): А–А подпоршневой головкой и Б–Б посередине между осями головок.
В четырехтактных двигателях растягивающее напряжение в сечении А–А определяют по формулеs p = -P j F min ,(5.1)где Fmin – площадь сечения А–А подпоршневой головкой; Рj – силаинерции при движении масс поршневой группы и верхней головкишатуна в ВМТ.Сжимающее напряжение в сечении под поршневой головкойs сж = P F min ,(5.2)где Р = -(Рz + Рj) – суммарная сила,действующая в сечении А–А.Аналогично рассчитывают штокималооборотных двигателей на сжатие максимальной силой от давления газов. Напряжение сжатия в минимальном сечении 100–150 МПа.При расчете среднего сечениястержня шатуна сила Рj включаетсилу инерции поршневой группы,поршневой головки шатуна и силуинерции части шатуна от расчетного с ечения до поршневой головки:P j = -mw2 R(1 + l),(5.3)где m – масса указанных выше деталей.Растягивающее напряжение всреднем сечении стержня определяют по формуле (5.1) с учетом Рj изамены Fmin на Fcp.Напряжение, сжимающее стержень шатуна в среднем сечении сучетом изгиба соответственно вплоскости качания шатуна и в плоскости, перпендикулярной плоскости качания, может быть определено по формулам Тетмайера,s x сж = PK x F cp ; s yсж = PK y F cp ,где K x = 1 + CL2 i x2 ; K y = 1 + CL12 (4i y2 )(здесь С = sт /(p Е); С = 0,0002–0,0005и зависит от марок сталей для изготовления шатунов; i x2; y = Jxx; yy /Fcp – соответственно квадрат радиуса инерциисреднего сечения относительно осейхх или уу, см.
рис. 5.8, а); L1 = L - 0,5(d1 + d) (здесь d1 и d – соответственно диаметр отверстий в поршневойи кривошипной головках шатуна).Коэффициенты запаса прочности для среднего сечения и сеченияА–А (рис. 5.32) с учетом перемен2Рис. 5.32. Расчетные сечения шатуна211ной нагрузки определяют по формуле (2.147).Для существующих конструкцийКх » Ку » 1,1–1,15 с тенденцией к снижению, что объясняется уменьшением L1 за счет увеличения диаметровшатунных шеек коленчатого вала.Величина sсж в выполненныхконструкциях может достигать 160–250 МПа.Приведенный расчет построенна предположении о возможностивозникновения напряжений продольного изгиба. Исследованиямиустановлено, что в коротких шатунах даже при больших сжимающихнагрузках продольный изгиб практически не возникает.
Для длинныхшатунов с гибкостью L/ix » L1/iy > 30коэффициент запаса по устойчивости принимают 2,5–4,0.На рис. 5.33 показан шатун автомобильного двигателя при потереустойчивости в результате заклинивания поршня.Рис. 5.33. Шатун автомобильного двигателяпри потере устойчивости:а – в плоскости качания шатуна; б – в плоскости коленчатого валаРасчет стержней центральных, атакже прицепных шатунов не отличается от расчета шатунов рядныхдвигателей. При расчете следует определить напряжения в стержне шатуна для положения поршня в ВМТ вглавном цилиндре (см.
рис. 5.22, а) идля положения поршня в ВМТ илиблизкого к ВМТ в боковом цилиндре(см. рис. 5.22, б), когда сила давлениягазов в главном и боковом цилиндрахимеет наибольшее значение.Сила KL, действующая вдоль осиприцепного шатуна и вызывающаядополнительную реакцию Nб отстенки главного цилиндра,K L b = N б a,где а и b – плечи моментов сил Nб иKL; а = L для схемы (см. рис. 5.22, а);KL = Pz (см. рис.
5.22, б).При положении кривошипа, соответствующем схеме на рис. 5.22, а,сила Nб вызывает изгиб стержня главного шатуна; при положении кривошипа, как показано нарис. 5.20, б, силу Nб раскладываютна две составляющие: силу Nбcosb,изгибающую стержень шатуна, исилу Nбsinb, сжимающую стержень.Для некоторых положений шатунасоставляющая, действующая вдольего оси, может быть и растягивающей.
Изгибающая сила также может иметь другое направление, чтовызывает изменение знака напряжений на противоположных кромках стержня (точки m и n сечений).Суммарные напряжения в среднем сечении находят в точке m –напряжения сжатия от действия силPz + Рj и Nб для схемы рис. 5.22, а иот действия сил Nбcosb, Nбsinb иP /cosb для схемы рис. 5.22, б (здесьP = -(Рz + Рj); Рz – сила давлениягазов при данном положении кривошипа; Рj – сила инерции поршневойгруппы и части шатуна). Силы, вы212зывающие растяжение стержня, везде принимают положительными.Напряжения в среднем сечениисоответственно в точках n и m сечения (см. рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
