KRANK-BİYEL MEKANİZMASI PARÇALARININ MUKAVEMET HESABI

Silindir gömleğinin hesabı

Silindir gömlekleri motorun en çok zorlanan parçaları arasındadır. Yanma gazı kuvvetlerinden, pistonun yan itmesinden ve ısıl yüklerden kaynaklanan gerilmelere maruz kalırlar. Ağır çalışma koşulları, gömleklerin yüksek kaliteli alaşımlı dökme demirden (SCh28-48, SCh35-56) veya çelikten üretilmesini gerektirir. Mukavemet hesabı yalnızca temel yükleri dikkate alır: maksimum gaz basıncı, pistonun yan basıncı ve gömlek cidarındaki sıcaklık farkı. En kritik gerilme, silindiri hem ana doğrultusunda hem de halka kesiti boyunca geren maksimum yanma basıncı Pz'den kaynaklanır (şek. 5.1)

Gömleğin temel yapısal ölçüleri, motorun montajı ve çalışması sırasında ovalleşmeyi önleyecek mukavemet ve rijitliği sağlayacak şekilde seçilir. Önce tasarım geleneğine göre seçilen cidar kalınlığı, daha sonra silindirik kovanlar formülüyle doğrulanır.

Hesaplanan gömlek cidar kalınlığı, m

σ_z:

dökme demir için emniyetli çekme gerilmesi, MPa

p_z:

maksimum yanma basıncı, MPa;

δ_r:

prototip motorun silindir gömleği cidar kalınlığı, m

silindir çapı, m

Maksimum gaz basıncından gömlekteki çekme gerilmesi, MPa

σ_p:

Gömlekteki ısıl gerilme, MPa

ΔT

gömleğin iç ve dış yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı, K.

dökme demirin elastisite modülü, MPa;

α_c

doğrusal genleşme katsayısı;

Poisson oranı.

σ_t:

Gaz basıncı ve sıcaklık farkından gömlekte oluşan bileşik gerilme, MPa.

σ_max

emniyetli bileşik gerilme, MPa (dökme demir: 100–130 MPa; çelik: 180–200 MPa)

Dış yüzey

σ_∑`:

bileşik gerilme (çekme + ısıl), MPa

İç yüzey

σ_∑``:

bileşik gerilme (çekme − ısıl), MPa

Silindir kapağı saplamalarının hesabı

Silindir kapağını bloğa/karter gövdesine bağlamak için yük taşıyan saplamalar kullanılır. Durumları ön sıkma kuvvetinden, gaz basıncından ve kapak, blok ile silindir malzemelerinin sıcaklık farkı ve doğrusal genleşme katsayısından doğan yükten etkilenir. Saplama sayısı, ön sıkmaları ve yapısal ölçüleri, kapağın bloğa güvenli biçimde oturmasını sağlamalıdır. Saplama hesap şeması şek. 5.2'de gösterilmiştir.

Saplamalar yüksek elastikiyetli karbon çeliklerinden veya yüksek alaşımlı çeliklerden (18KhNMA, 18KhNVA, 40KhNMA) üretilir.

Motor soğukken ve çalışmazken saplamalar, aşağıdaki formülle belirlenen ön sıkma kuvvetiyle, MN, yüklenir

saplama sıkma katsayısı;

cıvatalı bağlantının temel yük katsayısı; deneysel olarak χ = 0,15–0,25, cıvata çapı küçüldükçe genellikle azalır.

i_shp

silindir başına saplama sayısı;

d_shp

saplama çapı, m

t_shp

saplama diş adımı, m

d_v

saplamanın iç çapı, m

Fk/Fp

projected combustion chamber surface area onto the plane perpendicular to the cylinder axis, m²; Fk/Fp ≈ 1.1

F_p

F_k

P_zmax`

tek bir saplamaya etkiyen yanma gazı basıncı kuvveti, MN. Aşağıdaki formülle belirlenir

P_p

ön sıkma kuvveti, MN,

P_pmax

Saplamayı geren toplam kuvvet, MN

Saplamada oluşan maksimum ve minimum gerilmeler, MPa, diş dibi çapı dikkate alınarak saplama kesitinde belirlenir

σ_max

σ_min

Ortalama gerilme ve çevrim genliği, MPa

σ_m

σ_a

Saplama emniyet katsayısı 2'den büyük olmalıdır

σ_-1p

çekme-basma yorulma sınırı, MPa;

K_σ

dişteki gerilme yığılma katsayısı;

yüzey işleme kalitesini hesaba katan katsayı.

n_shp

Piston grubunun hesabı

Piston hesabı

Şek. 5.3'te şematik olarak gösterilen piston, piston grubunun en çok zorlanan elemanıdır: yüksek gaz, atalet ve ısıl yüklere dayanır, bu nedenle malzemesinden yüksek özellikler beklenir. Çoğunlukla alüminyum alaşımlarından, nadiren dökme demirden yapılır.

Piston elemanlarının kontrol hesabı değişken yükler dikkate alınmadan yapılır; bunların etkisi ilgili emniyet gerilmelerine yansıtılır. Pistonun tepesi, gövde cidarı, üst segman kanalı köprüsü, yatak yüzeyi ve eteği hesaplanır.

d_m

yağ boşaltma deliğinin çapı, m;

δ_p

piston tepesi cidar kalınlığı, m;

segmanın radyal kalınlığı, m;

Δ_t

segmanın piston kanalındaki radyal boşluğu, m;

piston gövde cidar kalınlığı, m.

r_i

piston tepesinin iç yarıçapı, m

Piston tepesindeki eğilme gerilmesi, MPa

σ_{iz_max}

izin verilen maksimum eğilme gerilmesi, MPa

σ_iz

x-x kesitindeki basma gerilmesi, MPa

P_zd

piston tepesine etkiyen maksimum gaz basıncı kuvveti, MN

n_m`

pistondaki yağ kanallarının sayısı;

d_k

segman kanalı diplerindeki piston çapı, m

d_i

pistonun iç çapı, m

F_m`

longitudinal cross-sectional area of the oil channel, m²

F_x-x

cross-sectional area at x-x, m²

σ_{szh_max}

izin verilen maksimum basma gerilmesi, MPa

σ_szh

x-x kesitindeki çekme (kopma) gerilmesi, MPa

piston stroku, m

biyel uzunluğu, m

m_p

piston grubunun kütlesi, kg;

n_max

crankshaft rotation speed at idle, min⁻¹;

m_x-x

x-x kesitinin üzerindeki piston tepesinin kütlesi, kg

ω_x-x

maximum angular velocity, s⁻¹

krank yarıçapı, m

krank-biyel mekanizmasının kinematik parametresi;

P_j

doğrusal hareketli kütlelerin atalet kuvveti, N

σ_{r_max}

izin verilen maksimum çekme gerilmesi, MPa

σ_r

Üst segman kanalı köprüsündeki gerilmeler:

h_p

Üst segman kanalı köprüsünün kalınlığı, m

kayma gerilmesi, MPa

σ_iz

eğilme gerilmesi, MPa

σ_{∑ max}

izin verilen maksimum bileşik gerilme, MPa

σ_∑

bileşik eğilme/kayma (eşdeğer) gerilmesi, MPa

Piston eteğinin (h_ubk = 0,053 m) ve yan yüzeyin (H_ubk = 0,076 m) silindir cidarına maksimum özgül basıncı, MPa

h_ubk

piston eteği

yan yüzey

N_max

380° krank açısındaki maksimum normal kuvvet

q_{1 max}

modern otomotiv ve traktör motorlarında q1 = 0,3–1,0 MPa

q₁

q_{2 max}

modern otomotiv ve traktör motorlarında q2 = 0,2–0,7 MPa

q₂

Piston tepesi ve etek çapları, m

Motor çalışırken pistonun sıkışmasını önlemek için tepe çapı Dg ve etek çapı Du, soğuk durumda silindir ile piston cidarları arasında gereken Δg ve Δu boşluklarına göre belirlenir. İstatistiksel verilere göre, etekleri yarıksız alüminyum pistonlar için: Δg = (0,006–0,008)·D ve Δu = (0,001–0,002)·D; dökme demir pistonlar için: Δg = (0,004–0,006)·D ve Δu = (0,001–0,002)·D. Δg ve Δu belirlendikten sonra aşağıdaki ölçüler hesaplanır

α_c

piston malzemesinin doğrusal genleşme katsayısı

T_c

silindir cidarı sıcaklığı;

T_iu

piston eteği sıcaklığı;

T_g

piston tepesi sıcaklığı;

T₀

silindir ve pistonun başlangıç sıcaklığı, K

Δ_g

piston tepesindeki başlangıç boşluğu

Δ_iu

piston eteğindeki başlangıç boşluğu

D_g

Piston tepesi çapı, m

D_iu

Piston eteği çapı, m

Δ_g`

piston tepesindeki hesap boşluğu

Δ_iu`

piston eteğindeki hesap boşluğu

Piston segmanı hesabı

A_{0 coef}

A0 katsayısı

segmanın radyal kalınlığı, m;

segman malzemesinin elastisite modülü (gri dökme demir: E = 1,0×10⁵ MPa; alaşımlı dökme demir: E = 1,2×10⁵ MPa; çelik: E = (2,0–2,3)×10⁵ MPa) [3].

A₀

segman ağız aralığının serbest ve takılı (çalışma) durumdaki farkı;

p_cp

Segmanın silindir cidarına ortalama basıncı, MPa

segmanın takılma yöntemine bağlı katsayı [3].

σ_{iz_max}

izin verilen maksimum eğilme gerilmesi

σ_iz1

Çalışma durumunda segmanın eğilme gerilmesi, MPa

σ_iz2

Segman pistona takılırken oluşan eğilme gerilmesi, MPa

Segmanın silindir cidarına basıncı

ψ, °	0	30	60	90	120	150	180
μ_k	1.05	1.05	1.14	0.90	0.45	0.67	2.85
p, MPa

Piston pimi hesabı

piston pimi kütlesini hesaba katan katsayı. Karbüratörlü motorlarda k = 0,76–0,86, dizel motorlarda k = 0,68–0,81 [3].

P_j

piston grubunun atalet kuvveti, MN

Piston pimine etkiyen hesap kuvveti, MN

d_p

pimin dış çapı, m;

l_sh

biyel burcunun uzunluğu, m.

q_{sh_max}

modern otomotiv ve traktör motorlarında q_sh = 20–60 MPa

q_sh

Pimin biyel küçük başlık burcuna özgül basıncı, MPa

l_p

pim uzunluğu, m;

b_p

kulakçık alın yüzeyleri arasındaki mesafe, m.

q_{b_max}

modern otomotiv ve traktör motorlarında q_b = 15–50 MPa

q_b

Pimin piston kulakçıklarına özgül basıncı, MPa

d_pv

piston piminin iç çapı, m

pimin iç çapının dış çapına oranı

σ_{iz_max}

Otomotiv ve traktör motorları için [σ_bend] = 100–250 MPa [3].

σ_iz

Pimin orta kesitindeki eğilme gerilmesi, MPa

θ_max

Otomotiv ve traktör motorları için [τ] = 60–250 MPa [3]. Alt sınırlar traktör motorları için, üst sınırlar ise alaşımlı çelikten yapılmış pimler için geçerlidir [3].

Piston kulakçıkları ile biyel başlığı arasındaki kesitlerde kayma gerilmesi, MPa

çeliğin elastisite modülü, MPa;

Δd_{p_max}

Pimin maksimum ovalleşmesi 0,02–0,05 mm'yi aşmamalıdır [3].

Δd_p

Ovalleşme nedeniyle pimin yatay çapındaki en büyük artış, m

σ_max

izin verilen maksimum ovalleşme gerilmesi

Pimin dış yüzeyinde ovalleşme gerilmesi, MPa:

σ_α0

yatay düzlemde (nokta 1, α = 0°'de)

σ_α90

düşey düzlemde (nokta 3, α = 90°'de):

Pimin iç yüzeyinde ovalleşme gerilmesi, MPa:

σ_αi0

yatay düzlemde (nokta 2, α = 0°'de)

σ_αi90

düşey düzlemde (nokta 4, α = 90°'de):

Biyel grubunun hesabı

Küçük başlık (piston pimi) hesabı

Biyel grubunda hesaplanan elemanlar şunlardır: küçük başlık, büyük başlık, biyel gövdesi ve biyel cıvataları. Biyeller yüksek mukavemet ve akma sınırına sahip çeliklerden (40Kh, 18KhNVA, 49KhNMA) üretilir.

Biyelin küçük başlığı, piston grubunun ve küçük başlığın kendisinin doğrusal hareketli kütlelerinin atalet kuvvetleri altında I-I kesitinde (şek. 5.6) çekmeye karşı kontrol edilir.

m_sh

biyelin kütlesi

k_msh

(0,06–0,09);

d_gn

küçük başlığın dış çapı, m;

m_vg

(0,06–0,09)·m_sh — I-I kesitinin üzerindeki küçük başlık bölümünün kütlesi, kg;

h_g

(d_gn − d_p)/2 — küçük başlığın radyal cidar kalınlığı, m;

σ_max

Çekme gerilmesi 35 MPa'yı aşmamalıdır [3].

Çekme (kopma) gerilmesi

Büyük başlık (krank pimi) hesabı

m_shp

biyel grubunun doğrusal hareketli kütle payı, kg.

m_shk

biyel grubunun dönen kütle payı, kg.

m_kr

büyük başlık kapağının kütlesi, kg (biyel kütlesinin ≈0,25'i)

d_shsh

krank pimi muylu çapı, m;

t_v

yatak kovanı cidar kalınlığı, m;

l_k

büyük başlık uzunluğu, m.

c_b

biyel cıvataları arasındaki mesafe, m;

F_g

combined cross-sectional area of the cap and bearing shell at the calculated section, m²

I_v

yatak kovanının atalet momenti, m⁴

r_i

biyel büyük başlığının iç yarıçapı, m

I_k

kapağın atalet momenti, m⁴

W_iz

takviye kaburgaları hariç, hesaplanan kapak kesitinin mukavemet momenti, m³

P_p

Maksimum kopma kuvveti, MN

σ_{iz_max}

izin verilen maksimum gerilme, MPa

σ_iz

Kapak ve yatak kovanının eğilme gerilmesi, MPa

Biyel gövdesinin hesabı

Biyel gövdesi, motor çalışırken ortaya çıkan değişken bileşik kuvvetler altında yorulma mukavemeti bakımından kontrol edilir.

h_sh

b_sh

a_sh

t_sh

F_cp

cross-sectional area at section B-B, m²

P_szh

dinamik hesaptan alınan P_comp = P_max kuvvetinden basma, MN.

P_p

dinamik hesaptan alınan P_tens = -P_jmax kuvvetinden çekme, MN.

σ_czh

Basma kuvvetinden doğan gerilme, MPa

σ_r

Çekme kuvvetinden doğan gerilme, MPa

σ_cp

Çevrim boyunca ortalama gerilme, MPa:

σ_a

Çevrim boyunca gerilme genliği, MPa:

σ_-1p

çekme-basma yorulma sınırı, MPa.

ε_σ

yüzey işleme kalitesini hesaba katan katsayı;

α₁

malzeme özelliklerine bağlı katsayı;

Yorulma sınırından belirlenen B-B kesitindeki emniyet katsayısı (2,5'ten büyük olmalıdır)

Biyel cıvatalarının hesabı

Biyel cıvatalarının yüksek mukavemet ve güvenilirliğe sahip olması gerekir. 35Kh, 40Kh, 45KhMA çelik kalitelerinden üretilirler.

i_b

biyel cıvatalarının sayısı.

cıvatalı bağlantının temel yük katsayısı.

d_shb

cıvatanın anma çapı, m;

t_shb

diş adımı, m;

d_v

cıvata dişinin diş dibi çapı, m

P_pr

Ön sıkma kuvveti, MN

P_b

Cıvataları geren toplam kuvvet, MN

σ_max

Cıvatadaki maksimum gerilme, MPa

σ_min

Cıvatadaki minimum gerilme, MPa

σ_m

Ortalama çevrim gerilmesi, MPa

σ_a

Çevrim gerilme genliği, MPa

σ_-1p

çekme-basma yorulma sınırı, MPa.

K_σ

dişteki gerilme yığılma katsayısı;

yüzey işleme kalitesini hesaba katan katsayı;

n_b

Cıvata emniyet katsayısı 2'den büyük olmalıdır

Krank mili grubunun hesabı

Krank mili, değişken kuvvet ve momentler altında çalışan en karmaşık parçalardan biridir.

Krank mili için basitleştirilmiş bir hesap yapılır: krank pimi muylusundaki özgül basınç, ana ve krank pimi muylularının burulma emniyet katsayısı ve maksimum K ile T kuvvetlerinden krank pimi muylusu ile kolda oluşan gerilme belirlenir.

Örnek giriş verileri: kuvvetler K = 38,52 kN, T = 8,94 kN; krank pimi muylu çapları d_shsh = 0,053 m (dış), d_shsh_vn = 0,027 m (iç); kol uzunlukları L_kv = 0,091 m, l_kv_1 = 0,046 m, l_kv_2 = 0,046 m; a_kv_1 = 0,017 m; kol genişliği ve yüksekliği b_kv_sch = 0,023 m, h_kv_sch = 0,046 m; muylu bindirmesi X_kv = 0,024 m; krank yarıçapı R = 0,04 m; mil malzemesi — 45Kh çeliği.

l₁

l₂

d_shshvn

krank pimi muylusunun iç çapı, m.

σ_max

izin verilen maksimum bileşik gerilme, MPa

Mesnet tepkilerini belirleyin,

R_K₁

R_K₂

R_T₁

R_T₂

Krank pimi muylusunun hesabı

M_ik

eğilme momenti, MN·m

W_u

section modulus in bending, m³

σ_ik

Krank düzlemindeki eğilme gerilmesi, MPa

M_it

eğilme momenti, MN·m

σ_it

Kranka dik düzlemdeki eğilme gerilmesi, MPa

σ_iz

Bileşik eğilme gerilmesi, MPa

M_kr

moment, MN·m

W_u

section modulus in torsion, m³

Burulma gerilmesi, MPa

Eşdeğer (indirgenmiş) gerilme, MPa

Krank kolunun hesabı

Krank kolunda K kuvvetinden basma veya çekme gerilmesi, K kuvvetinden krank düzleminde eğilme gerilmesi, T kuvvetinden kranka dik düzlemde eğilme gerilmesi ve T kuvvetinden burulma gerilmesi oluşur.

a₁

a₂

muylu bindirmesi, m

krank kolu genişliği, m

krank kolu yüksekliği, m

Basma (çekme) gerilmesi,

σ_szh

MPa

K kuvvetinden krank düzlemindeki eğilme gerilmesi,

M_K1

MN·m

W_ik

section modulus in bending, m³

σ_{izg max}

Çelik: 120–180 MPa, Dökme demir: 80–100 MPa [6]

σ_K1

MPa

T kuvvetinden kranka dik düzlemdeki eğilme gerilmesi,

M_T1

MN·m

W_it

section modulus in bending, m³

σ_it

MPa

T kuvvetinden burulma gerilmesi,

M_kr

MN·m

katsayı (Tablo 4.1, h/b oranına bağlı)

W_kr

section modulus in torsion, m³

τ_max

Çelik: 120–180 MPa, Dökme demir: 80–100 MPa [6]

τ_max

krank kolunun geniş tarafında, MPa

τ_min

krank kolunun dar tarafında, MPa