Obliczenie tulei cylindrowej
Tuleje cylindrowe należą do najbardziej obciążonych elementów silnika. Poddawane są naprężeniom od sił ciśnienia gazów spalinowych, bocznego nacisku tłoka oraz obciążeń termicznych. Trudne warunki pracy wymagają wykonywania tulei z wysokiej jakości żeliw stopowych (SCh28-48, SCh35-56) lub stali. Obliczenie wytrzymałościowe uwzględnia jedynie obciążenia podstawowe: maksymalne ciśnienie gazu, boczny nacisk tłoka oraz gradient temperatury na grubości ścianki tulei. Najbardziej krytyczne jest naprężenie wywołane maksymalnym ciśnieniem spalania Pz, które rozciąga cylinder wzdłuż jego tworzącej oraz w przekroju obwodowym (rys. 5.1)
Główne wymiary konstrukcyjne tulei dobiera się tak, aby zapewnić wytrzymałość i sztywność niezbędną do zapobiegania owalizacji podczas montażu i pracy silnika. Grubość ścianki, wstępnie przyjęta na podstawie konwencji konstrukcyjnej, jest następnie weryfikowana za pomocą wzoru dla tulei cylindrycznych.
Obliczona grubość ścianki tulei cylindrowej, m
Naprężenie rozciągające w tulei od maksymalnego ciśnienia gazu, MPa
Naprężenie termiczne w tulei, MPa
Naprężenie złożone w tulei cylindrowej od ciśnienia gazu i różnicy temperatur, MPa.
Powierzchnia zewnętrzna
Powierzchnia wewnętrzna
Obliczenie śruby dwustronnej głowicy cylindra
Śruby dwustronne nośne służą do mocowania głowicy cylindra do bloku/skrzyni korbowej. Na ich stan wpływa siła wstępnego dokręcenia, ciśnienie gazu oraz obciążenie wynikające z różnic temperatur i współczynnika rozszerzalności liniowej materiałów głowicy, bloku/skrzyni korbowej i cylindra. Liczba śrub, ich wstępne dokręcenie oraz wymiary konstrukcyjne muszą zapewniać pewne osadzenie głowicy na bloku. Schemat obliczeniowy śruby przedstawiono na rys. 5.2.
Śruby dwustronne wykonuje się z wysokosprężystych stali węglowych lub wysokostopowych (18KhNMA, 18KhNVA, 40KhNMA).
Gdy silnik jest zimny i nie pracuje, śruby dwustronne są obciążone siłą wstępnego dokręcenia, MN, wyznaczaną wzorem
Maksymalne i minimalne naprężenia, MPa, powstające w śrubie dwustronnej wyznacza się w przekroju śruby, uwzględniając wewnętrzną średnicę gwintu
Naprężenie średnie i amplituda cyklu, MPa
Współczynnik bezpieczeństwa śruby dwustronnej musi być większy niż 2
Obliczenie zespołu tłokowego
Obliczenie tłoka
Tłok, przedstawiony schematycznie na rys. 5.3, jest najbardziej obciążonym elementem zespołu tłokowego: przenosi wysokie obciążenia gazowe, bezwładnościowe i termiczne, dlatego jego materiał podlega podwyższonym wymaganiom. Wykonuje się go głównie ze stopów aluminium, rzadziej z żeliwa.
Obliczenie sprawdzające elementów tłoka wykonuje się bez uwzględniania obciążeń zmiennych, których wartość jest zamiast tego odzwierciedlona w odpowiednich naprężeniach dopuszczalnych. Obliczane są: denko, ścianka głowicy, górny mostek międzypierścieniowy, powierzchnia nośna oraz płaszcz tłoka.
Naprężenie gnące w denku tłoka, MPa
Naprężenie ściskające w przekroju x-x, MPa
Naprężenie rozciągające (zrywające) w przekroju x-x, MPa
Naprężenia w górnym mostku międzypierścieniowym:
Maksymalny nacisk jednostkowy, MPa, płaszcza tłoka (h_ubk = 0,053 m) i powierzchni bocznej (H_ubk = 0,076 m) na ściankę cylindra
Średnice głowicy i płaszcza tłoka, m
Aby zapobiec zatarciu tłoka podczas pracy silnika, średnicę głowicy Dg i średnicę płaszcza Du wyznacza się na podstawie niezbędnych luzów Δg i Δu między ściankami cylindra i tłoka w stanie zimnym. Na podstawie danych statystycznych, dla tłoków aluminiowych z pełnym (nieużłobionym) płaszczem: Δg = (0,006–0,008)·D oraz Δu = (0,001–0,002)·D; dla tłoków żeliwnych: Δg = (0,004–0,006)·D oraz Δu = (0,001–0,002)·D. Po wyznaczeniu Δg i Δu obliczane są następujące wymiary
Obliczenie pierścienia tłokowego
Nacisk pierścienia na ściankę cylindra
| ψ, ° |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
| μk |
1.05 |
1.05 |
1.14 |
0.90 |
0.45 |
0.67 |
2.85 |
| p, MPa |
|
|
|
|
|
|
|
Obliczenie sworznia tłokowego
Naprężenie owalizacji na zewnętrznej powierzchni sworznia, MPa:
Naprężenie owalizacji na wewnętrznej powierzchni sworznia, MPa:
Obliczenie zespołu korbowodu
Obliczenie małego oczka (od strony sworznia tłokowego)
Obliczane elementy zespołu korbowodu to: małe oczko, duże oczko, trzon korbowodu oraz śruby korbowodowe. Korbowody wykonuje się ze stali o wysokiej wytrzymałości i granicy plastyczności (40Kh, 18KhNVA, 49KhNMA).
Małe oczko korbowodu jest sprawdzane pod kątem zniszczenia rozciągającego w przekroju I-I (rys. 5.6) pod działaniem sił bezwładności mas posuwisto-zwrotnych zespołu tłokowego oraz samego małego oczka.
Obliczenie dużego oczka (od strony czopa korbowego)
Obliczenie trzonu korbowodu
Trzon korbowodu jest sprawdzany pod kątem wytrzymałości zmęczeniowej przy zmiennych siłach złożonych występujących podczas pracy silnika.
Obliczenie śrub korbowodowych
Śruby korbowodowe muszą charakteryzować się wysoką wytrzymałością i niezawodnością. Wykonuje się je ze stali gatunków 35Kh, 40Kh, 45KhMA.
Obliczenie zespołu wału korbowego
Wał korbowy jest jedną z najbardziej złożonych części, pracującą pod działaniem zmiennych sił i momentów.
Wykonywane jest uproszczone obliczenie wału korbowego w celu wyznaczenia nacisku jednostkowego na czop korbowy, współczynnika bezpieczeństwa na skręcanie czopów głównych i korbowych oraz naprężeń w czopie korbowym i ramieniu wywołanych maksymalnymi siłami K i T.
Przykładowe dane wejściowe: siły K = 38,52 kN, T = 8,94 kN; średnice czopa korbowego d_shsh = 0,053 m (zewnętrzna), d_shsh_vn = 0,027 m (wewnętrzna); długości ramion L_kv = 0,091 m, l_kv_1 = 0,046 m, l_kv_2 = 0,046 m; a_kv_1 = 0,017 m; szerokość i wysokość ramienia b_kv_sch = 0,023 m, h_kv_sch = 0,046 m; zakładka czopów X_kv = 0,024 m; promień korby R = 0,04 m; materiał wału — stal 45Kh.
Wyznaczyć reakcje podpór,
Obliczenie czopa korbowego
Obliczenie ramienia wału korbowego
Ramię wału korbowego poddawane jest naprężeniu ściskającemu lub rozciągającemu od siły K, naprężeniu gnącemu w płaszczyźnie korby od siły K, naprężeniu gnącemu w płaszczyźnie prostopadłej do korby od siły T oraz naprężeniu skręcającemu od siły T.
Naprężenie ściskające (rozciągające),
Naprężenie gnące w płaszczyźnie korby od siły K,
Naprężenie gnące w płaszczyźnie prostopadłej do korby od siły T,
Naprężenie skręcające od siły T,