Народного хозяйства и государственной службы 4 страница

Рис. 72. Головка цилиндра четырехтактного двигатели

Напряжение разрыва в кольцевом сечении цилиндра

т-Ь')^кГ/см'- где P_t — наибольшая сила давления газов в кГ:; О, — наружный диаметр цилиндра в см\ D — внутренний диаметр цилиндра в см. Напряжение изгиба

= кГ/см',

■ я

где IP. «я g [": - момент сопротивления кольцевого се­чения изгибу в сдЛ Суммарное нормальное напряжение

°r,. = °, + 0..

Суммарное нормальное напряжение, определенное этим спосо­бом, превышает действительное, так как Р, и N_m.. действуют не одновременно.

Ввиду того, что чугун, из которого изготовляют цилиндры, плохо сопротивляется разрыву и изгибу, напряжении a_trm не долж­ны превышать 300—350 кГ/см ^!.

Шпильки крепления фланца цилиндра рассчитывают на растя­жение силой Р.. Напряжение в шпильках определяют по формуле

^кГ/СМ*'

где d — внутренний диаметр резьбы шпильки в см; i_m — число шпилек.

Коэффициент 1.2 вводят для учета предварительной затяжки шпилек. Допускаемое напряжение для шпилек цилиндра прини­мают 1000-1*500 кГим¹.

При креплении цилиндра н головки к картеру сквозными длин­ными шпильками цилиндр разгружается от растягивающих нагру­зок. которые воспринимаются шпильками. Расчетной нагрузкой является сила давления газов

P = p_tF_K кГ,

где

_ яD*

= площадь сечения камеры сгорания в плоскости стыка

в см*;

(D_K — наружный диаметр центрирующего буртика гильзы цилиндра в см) Напряжение растяжения в шпильках

а_р = 1,25 кГ /см*.

Такой величины достигает напряжение в сквозных шпильках холодного двигателя. У прогретого двигателя из-за разных коэф­фициентов теплового расширения цилиндра, головки и шпилек и шпильках возникают значительные дополнительные температур­ные напряжения.

Удлинение цилиндра и части головки относительно шпильки при прогреве двигателя вычисляют, например, по формуле

К ⁼ ~

где L„„ — длина рабочей части шпильки в см;

а_ал — коэффициент линейного расширения материала ци­линдра и головки (алюминия); а_гт — коэффициент линейного расширения материала шпильки (стали);

1_Ы — приращение температуры цилиндра (принимаем для упрощения, что шпилька нагревается до той же темпе­ратуры).

Допускают, что изменение длины цилиндра и шпильки компен­сируется на 25% сжатием цилиндра, а на 75?о — растяжением шпильки. Тогда удлинение шпилек)._шп = 0,75)._щ см.

Теоретическое напряжение в шпильках определяют, согласно закону Гука, по формуле

о_вя=^ кГ/см^г.

Суммарное напряжение в шпильке

<><,м°Ор + <>шп-

Сквозные шпильки изготовляют из высокопрочной легированной стали, и поэтому а_гуя = 3000 -г- 4000 кГ/см

§ 57. ПОРШЕНЬ, ПОРШНЕ8ЫЕ КОЛЬЦА И ПОРШНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Поршень. Поршень воспринимает давление расширяющихся газов и, двигаясь прямолинейно вдоль цилиндра, передает это давление через поршневой палец шатуну.

Поршни мотоциклетных двигателей изготовляют из алюминие­вых сплавов, обладающих высоким коэффициентом теплопровод­ности и малой плотностью. Поршни отливают в металлические форх-ы (кокилн). Заготовки поршней термически сбрабатывают.

Поршень состоит из верхней части, в которой находится днище и канавки для поршневых колец, боковых стенок или юбки, и бо­бышек для установки поршневого пальца. Днища поршней могут быть: плоскими (двигатель К-750), выпуклыми (двигатели ИЖ «Планета»), сильно выпуклыми с углублениями под клапаны (порш­ни гоночных двигателей); кроме того, днища могут быть с направ­ляющим козырьком (дефлектором); последние применены на не­которых двухтактных двигателях.

Поршень четырехтактного двигателя чаще всего имеет три канавки для поршневых колец. Назначение юбки — направлять движение поршня в цилиндре.

Поршень двухтактного двигателя является также золотником газораспределения, поэтому на юбке поршня сделаны вырезы или окна для направления струй свежей горючей смеси. У этих поршней в канавках имеются стопоры, препятствующие повороту поршневых колец и фиксирующие замок (разрез) каждого кольца в определенном положении. Вследствие этого замки поршневых колец не попадают в окна цилиндра во время движения поршня.

Тепло от днища поршня отводится значительно хуже, чем от головки и стенок цилиндра. В результате этого температура поршня (особенно дншца и верхней части) намного выше темпе­ратуры цилиндра и достигает 300—350° С. Кроме того, коэффициент теплового расширения материала поршня значительно больше, чем у чугунного цилиндра. Поэтому при работе двигателя поршень расширяется от нагревания намного больше цилиндра; чтобы из­бежать заклинивания поршня в цилиндр, между ними предусмат­ривают зазор.

Зазор лслают не одинаковым по высоте поршня. В зоне колец, т. с. в наиболее нагретой части, зазор равен 0,16—0,25 мм. в верх­ней части юбки 0,08—0,12 мм, в нижней части юбки 0,03—0,06 мм (средние значения).

Как показывает опыт, силы, действующие на поршень, а также неравномерный его нагрев приводят к неодинаковой деформации поршня в разных направлениях. Поршень больше расширяется в вертикальной плоскости, проходящей через ось поршневого паль­ца. Учитывая это, во многих конструкциях юбку поршня делают овальной, т. е. диаметр нижней части поршня в плоскости качания шатуна больше диаметра в плоскости оси поршневого пальца на 0.06—0,08 мм. Чтобы предотвратить заклинивание поршня, во многих конструкциях на поверхности юбки в зоне отверстий для поршневого пальца предусматривают углубления прямоугольной формы, называемые холодильниками. Для той же цели юбка порш­ня иногда имеет косой разрез (двигатель И Ж-49). С внутренней стороны днище поршня соединяется с бобышками поршневого пальца ребрами жесткости. Бобышки имеют кольцевые канавки для сто­порных колец поршневого пальца, а также каналы для подачи смазки на поверхности трения.

Днище поршня, выдерживающее давление горячих газов, должно быть достаточной толщины. Увеличение прочности днища, а также улучшение теплоотвода достигается с помощью ребер, соединяющих днище с бобышками. Тепло от днища передается боковым стенкам поршня, н большая часть этого тепла (приблизительно 80%) отво­дится через поршневые кольца к стенкам цилиндра. Часть тепла через ребра передается на бобышки, поршневой палец и малую го­ловку шатуна, что вредно влияет на смазку поршневого пальца. Количество тепла, отводимого днищем к боковым стенкам поршня, возрастает по направлению от центра к краям днища.

Изгибающий момент от давления газов по краям дннща больше, чем в центре. Поэтому толщина днища должна увеличиваться от его центра к краям. В некоторых современных двигателях стремятся изолировать поршневой палец от теплового потока, и бобышки порш­ня соединяют ребрами не с днищем, а с юбкой, увеличивая ее жест­кости.

Расчет дннща поршня на изгиб носит весьма условный характер. Предполагают, что днище представляет собой круглую пластинку, защемленную по краям, на которую действует равномерно распре­деленное давление газов в момент воспламенения смеси (рис. 73). Напряжение изгиба определяют по формуле

о. = 0,68 кГ/см*,

где р. — давление газов в кГ/см

D„, — внутренний диаметр поршня в см\ Ь_0н — толщина днища (без учета радиусов перехода) в см.

Напряжение изгиба, подсчитанное по этой формуле. о_в««Лг 400 4-600 кГ/см⁹. Наличие ребер жесткости, радиусов перехода, а также выпуклостей днища поршня так искажают данные расчета, что практическая ценность его мала.

Днище поршня чаше всего разрушается в результате детонации прн высокой форенровке двигателей спортивных мотоциклов или вследствие перегрева от обеднения смеси, или в случаях приме­нения неподходящей по калильному числу свечи зажигания.

В высокофорснрованных двигателях гоночных мотоциклов пре­делом повышения мощности часто становится тепловая стойкость поршней. В этом случае прини­мают специальные меры лля охлаждения поршня, например на днище поршня изнутри на­правляют струю свежей смеси или масла, применяют сплавы с большим коэффициентом тепло­проводности и т. д.

Для поршней четырехтакт­ных двигателей сохраняют при­близительно следующее сотно- шенне между основными разме­рами: высота поршня //„ равна его диаметру D„\ расстояние от днища поршня до оси поршне­вого пальца Л„ 0.5//,; высота юбки поршня /»„, = 0,85 Н_п. В существующих конструкциях эти соотношения отклоняются в обе стороны.

Направляющую часть порш­ня по высоте проверяют на удельное давление, которое характеризует износостойкость поршня, по следующей формуле: дг

В существующих двигателях ^» 3 -f 5 кГ/см *. Практически износ юбки поршня невелик, и поршень чаще всего заменяют вслед­ствие износа зеркала цилиндра кольцами, а также из-за износа канавок лля поршневых колен.

Рис. 73. Обозначение расчетных раз­меров поршня

Поршень двухтактного двигателя является деталью механизма газораспределения, и поэтому высота поршня зависит от расположе­ния и высоты окон газораспределения, а также от его хода (рис. 74). В и. м. т. верхняя кромка поршня должна совпадать с нижней кромкой продувочных и выпускных окон. В в. м. т. юбка поршня должна закрывать продувочные и выпускные окна и изолировать их от кривошипной камеры, поэтому необходимо, чтобы нижняя
кромка поршня перекрывала нижние кромки этих окон. Таким образом, высота поршня лолжиа быть больше хода поршня на неко­торую величину

-M₀ = S 4-а*,

где S — ход поршня;

а„ — величина перекрытия, равная 3—6 мм.

В табл. 13 и 14 даны конструктивные соотношения размеров и массы (G и g) поршня, пор­шневого пальца (mi) и порш­невой группы (лг).

Поршневые кольца. Порш­невые кольца устанавливают в канавках на наружной по­верхности поршни. В четы­рехтактных двигателях (рис. 75,а) устанавливают компрес­сионные / и маслосъемные 2 кольца.

Поршневые кольца выпол­няют следующие функции:

1) препятствуют проник­новению газов из простран­ства выше поршня в картер коленчатого вала;

2) равномерно распреде­ляют масло по рабочей по­верхности цилиндра и в то же время препятствуют проник­новению излишнего масла в камеру сгорания, ограничи­вая тем самым расход масла;

3) отводят от днища порш­ня тепло к стенкам цилиндра.

Компрессионные кольца, расположенные в верхних канавках, служат главным образом для обеспечения герметичности и отвода тепла.

Маслосьемное кольцо, установленное в нижней, более широкой канавке, собирает со стенок цилиндра излишки масла, которое затем проходит через щели в кольце и отверстия в канавке поршня и поступает в картер. Однако компрессионные катьца также пре­пятствуют попаданию масла в камеру сгорания. Одним из призна­ков износа компрессионных колен является появление дыма из глу­шителя и повышение расхода масла.

Рис. 74. Схема для определения высоты поршня двухтактного двигателя

Поршневые кольца изготовляют из индивидуальных чугунных отливок, имеющих минимальные припуски на обработку. Для порш­невых колец применяют специальный чугун, в состав которого входит хром и никель.

Ы I § S S g 8 8 $

4"

' " ' — — pi pi Pf —

iiiiii шртршш

>oooooooooooi

Sliil i iiilli?!

- COOP О О О ООО оооооооо

Ш**я яшшишя*

«V

5 8 Ж? I I tfjffl

о о о с о о ооооооооооооес

ШЩ §§§§

оооооо оооо

ЦШЦ!

ооооооос

О О О О О С

оооооооооо

Я/-5 ^ о О О* ' " ~ " "" ~

|spi«ЩЦР!|Р§

i о о о о*

п А х л х v ^ v Q Q- Q - —г—г

оооооо оооо

инюнмшишг

С, о S § ^ ^ ^ й § ir! § S -3 С^ §

-V

о — о — о о ООО — оооооо* — оо —

оооооо

ШМРШЩШЖ

оооооооооо

til§11 оооооо

"чНПГ

С!? N и ш i- з? гс

ОООООО

ПЁ I

?с ffii

я*

2 а «г :

= s а: з- г и

Щ|

оооо

IWla

оооо

ОООООО о' ООО"

сшштаг

оооооо — о о —

Si S c|g

>-»<«l:u

sllihll

= СО ЕС

г S ^ a: ia ci

Таблица И

Масса поршневых групп мотоциклетных двигателей ¹

	Параметры
Моток...	Ч				J	Я	*
	_И		:	i	•	■	-	•
	Q	<9	о	о	аа	«а	г at"
ИЖ.Юпитер.	61,72					9.73		51,4
ИЖ «Планета.	72,0				7.71	9.95		37.1
Ковровсц-175'	61,72	'206			6,89	8.36		.54.3
MZ 175	511.0				7,08	9,47		611,8
ЯВА 250	65.0	—		—	—		42,2	56,22
М-63 («Урал»)	78.0	•295			М7	8.27
С-364	411,0	96,5		130,')	5.12	6,92	78,2
ВП-150	57,0		:4б		6.2	8ДЗ	21.6	36.7
Т-ЗООМ	62.0					0.61	26.5	42.0
MZ-12S					6.36	8.38	41.5	71.5
ЯВЛ-350	58.0				0,25	8,79
Кение-350	60.49	18.16			6,43	8.12	81,5
ДКВ Хумме.тв	40,0	68.8	15,52		5.18	7,17	33.1	85.7
Судтукп.М-15	41,0	66.18	16,53	89,08	5,01	6,75	31,8	81.0
Хонда 125	41.0	7Z4	17,6	104,6	5,09	6.88	49.3
Пежо ВВ-1СИ		53.95	18,85	79,87	4.29	6,35	17,51	44,9
Иух-175	42.0	I3U3	30.0	167,4	«38	12.08	44.4	71.6
ПСУ (ФРГ)	62,0		43,8	268.15	6.79	8,88
В«лосетт-350	72,0	288,0	95,0		гов		71,2	82,8
Хокда-С-102	10,0	68,53	14,46		.5,46			91,8
1 Г.укяоВ 0 обозначен, абсолютная масса	. буянов с - коштрукм	иная.
* Материал поршня — алюминиВ.

Поршневые кольца должны обладать большой упругостью и сохранять ее при повышении температуры до 250—300° С; кроме того, они должны мало изнашивать цилиндр, хорошо к нему при­рабатываться и мало изнашиваться сами. Твердость материала поршневого кольца должна быть несколько выше твердости мате­риала цилиндра, чтобы предохранить от износа зеркало цилиндра.

Например, поршневые кольца двигателя мотоцикла ИЖ «Пла­нета» имеют твердость по Брннслю HRB 230—250, а твердость цилиндра HRB 210—230.

Основной причиной абразивного износа цилиндра и колец является попадание твердых частиц кварцевой и металлической пыл ей в цилиндр из воздуха и масла. Эти частицы, попадая между поверхностями цилиндра н кольца, вдавливаются в более мягкую поверхность цилиндра, поэтому влияние их на износ цилиндра уменьшается.

Поршневые кольца во время работы расширяются от нагревания, поэтому в замке поршневого кольца предусматривают темпера­
турный зазор, равный 0,15—0.30 мм. Радиальную толщину кольца и глубину канавки поршня выбирают так, чтобы кольцо несколько утопало в канавке. В замке поршневого кольца двухтактного дви­

гателя (рис. 75,6) предусмотрена выемка для стопора, препятствую­щего повертыванию кольца в канавке. У некоторых мотоциклетных двигателей верхнее компрессноннное кольцо подвергают пористому

хромированию, что значнтель-»о уменьшает износ кольца

¹¹ цилиндра.

/ 1<А ^ Поршневые кольца совре­

менных двигателей изготов­ляют с таким расчетом, чтобы давление кольца на стенки цилиндра не было постоян­ным по окружности кольца, а изменялось по определенному закону. Давление у замка в таком кольце значительно выше, чем на остальных уча­стках (рис. 76). Это позво­ляет кольцу хорошо приле­гать к зеркалу цилиндра даже I прн большом износе.

В кольце возникают на- Рис. 76. Распределение удельного давле- пряжения при его обработке ния в поршневом кольце надевании на поршень и вве

денин кольца в цилиндр. Be личина напряжении зависит от радиальной толщины t_k кольца, зазора а₃ в замке в свободном состоянии, а также от способов об­работки и надевания кольца на поршень.

Величину t_K определяют из формулы

at 8) Рис. 78. Поршневые кольца двигателей: а — четырехтактного: 6 — двухтактного

«. -2 -w+wJj + j/^.

где D — диаметр цилиндра в.ил;

т_к — коэффициент, зависящий от способа надевания кольца на поршень (когда прн надевании кольца разводит за концы, т_к =*» 1); Е — модуль упругости (для чугуна £= 11000 4- 13 000 кГ/мм ');

о, — допускаемое напряжение на изгиб (о. „„ = 4000 кГ 1см'). Коэффициент Н, вычисляют по формуле

^{Н, =} йЬ ^{+ т}"

где g, — коэффициент, зависящий от способа обработки (при двойной обточке g_K =■ 1,25); С, — коэффициент, зависящий от эпюры давления кольца (С, = 1,74).

Пользуясь отношением р. находят радиальную толщину для данного диаметра цилиндра.

Зазор а, в замке в свободном состоянии определяют по формуле

8 =-------------.

В этой формуле коэффициент, зависящий от эпюры давления \„ - 0.196.

Определив В„ и зная t_g, а=, находим зазор а, в замке. Напряжения в кольце: при работе

о I _ кГ1мм»•

при обработке

прн надевании на поршень „

"¹«^а«(««—1.4) ' Среднее удельное давление на поверхности кольца

Давление на стенку цилиндра в любой точке по окружности кольца Р = р,*„

где — коэффициент изменения давления по окружности кольца.

Ниже приведены значения этого коэффициента для риных углов, отсчитываемых от точки, расположенной на окружности на стороне, противоположной замку.

Углы и грод
Ко^фнциснг	1.05I	1,017	1,137		0,451		2.861

Необходимо заметить, что кольца с неравномерным давлением изготовляют не все автомобильные и мотоциклетные заводы. Боль­шое применение находят поршневые кольца, у которых удельное давление на поверхность ци­линдра по окружности кольца остается постоянным.

Методы механических испы­таний поршневых кален опреде­лены ГОСТом 7295-63. Соглас­но ГОСТу испытания на упру­гость производят по схемам а и б (рис. 77).

По схеме а кольцо нагружают силой Q,, направленной перпен­дикулярно диаметру кольца, проходящему через замок, до тех пор, пока расстояние между концами кольца не станет равным температурному зазору.

По схеме б кольцо охватывают тонкой стальной лентой толщиной не более 0,15 мм, к концам которой приклепаны жесткие планки; к ним прикладывают силу Q₃. стягивающую ленту и сжимающую кольцо. Сила Q, должна быть направлена перпендикулярно диа­метру кольца, проходящему через середину зазора.

При испытании определяют условный модуль упругости Е в кГ/мм¹. Во время испытаний по схеме а модуль Е вычисляют по формуле

'Г.

радиальная толщина кольца в «л; полная высота кольца в мм: разность между зазором кольца в замке в свобод­ном состоянии и зазором сжатого кольца в мм.

коэффициент приведения моментов инерции;

момент ннерцин несимметричного сечения кольца относительно нейтральной оси в мм

момент ннерцин кольца с прямоугольным сечением

Рис. 77. Схеыы нагиужения колец по ГОСТу 7295—63

г,— ' Л- . Mi

В JH.M¹.

Прн испытании по схеме б величину Е вычисляют по формуле

Пользуясь прн расчете этими формулами, обычно упругостью поршневого кольца задаются (Я = 7000 -г- 10 ООО кГ!мм^г).

В этом случае формулы лля определения нагрузок принимают вид:

Qx

Величина среднего удельного давления на поверхность кольца

Р = °'⁷⁶ГЪ ^кГ,мм*

или

Из приведенных формул видно, что напряжение и среднее удель­ное давление не зависят от высоты кольца Ь_к.

С увеличением высоты кольца увеличивается работа трения кольца, а также ударная нагрузка на канавки поршня от силы инер­ции самого кольца, что приводит к чрезмерному износу поршня и цилиндра. В современных мотоциклетных двигателях высоту порш­невого компрессионного кольца принимают равной 1,5—2 мм.

Поршневой палец. Поршневой палец шарнирно соединяет пор­шень с шатуном. Передавая силы от поршня к шатуну, поршневой палец испытывает большие нагрузки. Поэтому он должен обладать большой прочностью на изгиб и высокой поверхностной твердостью. Так как поршневой палец участвует в возвратно-поступательном движении поршня, он должен быть легким, чтобы не увеличивать силы инерции крнвошнпно-шатунного механизма.

Поршневой палец — это пустотелый стержень (трубка) со стен­кой толщиной 2—3 мм, изготовленный из цементуемой стали (чаще всего из хромистой стали I5X или хромоннкелевой стали 12ХНЗ) или из калящихся сталей 45 или 40Х с индукционной закалкой поверхности. Наружную поверхность пальца цементуют на глубину 0,4—0,7 мм, после чего закаливают до твердости HRC 58—62. Рабочую поверхность пальца обрабатывают до чистоты VII, а раз­меры выдерживают по 1-му классу точности.

Готовые поршневые пальцы сортируют на несколько групп и подбирают с большой точностью к малой головке шатуна н отвер­стиям бобышек поршня.

Поршневые пальцы фиксируют только в осевом направлении; они могут поворачиваться в головке шатуна и в отверстиях бобы­шек поршня (так называемый «плавающий» палец). Осевому пере­мещению пальца препятствуют пружинные проволочные или штам­
пованные стопорные кольца /, которые устанавливают в канавках бобышек поршня 2 (рис. 78).

Рис. 78. Плавающий поршневой шлеп с осевой фиксацией при по­мощи пружинных колеи

J

Поршневой палец прн расчете на изгиб рассматривают как балку, свободно лежащую на двух опорах, нагруженную равномерно распределенной нагрузкой на длине 1_т (рис. 79). Опасное сечение расположено посредине пальца. В бэбышках действуют реакции, равные Нагрузка распределяется равномерно на длине/.. Для определения изгибающего момента в опасном сечении нужно найти сумму моментов всех сил, дейст­вующих по одну сторону от этого сечения. Реакция у действует на плече у, равнодействующая от

JEEEEEE

ТГ1

Рис. 79. Обозначение расчетных размеров поршневого пальца

равномерно распределенной нагрузки, равной тоже действует в обратном направлении на плече. Отсюда максимальный изги­бающий момент в опасном сечении пальца

М,

где /i — расстояние между серединами опор пальца о см;

/„ — длина опорной поверхности малой головки шатуна в см. Момент сопротивления изгибу полого поршневого пальца

я ihu — dkn.

СМ»,

где Ам — наружный диаметр поршневого пальца в cjm; d_HIU — внутренний диаметр поршневого пальца в см.

Напряженке изгиба

= кГ/см*.

В существующих конструкциях о_в 2000 -г 2500 кГ/см* и выше.

Для предотвращения выдавливания смазки поршневой палец проверяют на удельное давление, возникающее между пальцем и втулкой малой головки шатуна, а также между пальцем и бобыш­ками поршня.

Удельное давление:

на втулку малой головки шатуна

в отверстиях бобышек поршня

Р.

где 1_б — рабочая длина одной бобышки.

В современных мотоциклетных двигателях <7 — 350 кГ/см

§ 58. ШАТУН

Шатун передает силу от поступательно движущегося поршня коленчатому валу.

Малая головка / (рис. 80) шатуна соединена шарнирно с порш­нем при помощи поршневого пальца. В большинстве конструкций в малой головке устанавливают бронзовую втулку; в отдельных конструкциях втулка отсутствует. Иногда в этом сопряжении при­меняют игольчатый подшипник.

Для подвода смазки к трущимся поверхностям поршневого пальца и втулки или к рабочей поверхности малой головки ша­туна, когда втулка отсутствует, в головке имеются отверстия. Такая простая конструкция допустима, так как в этом сопряжении происходит взаимное перемещение на небольшой угол втулки и пальца с незначительной скоростью.

Большая головка 2 шатуна соединена с помощью роликопод­шипника или подшипника скольжения с кривошипным пальцем коленчатого вала. Если в большой головке применяют подшипник скольжении, то ее изготовляют с отъемной крышкой, кренящейся к шатуну двумя болтами.