Расчет на прочность элементов шатуна с применением программы MATHCAD методические указания к вып. курсовой работы по дисц. «Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания» для студ., обуч. по спец. 140501.65 «Двигатели внутреннего сгорания» очно

48 Pages·01.745 MB·Russian

by  МАМИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)»

УНИВЕРСИТЕТ МАШИНОСТРОЕНИЕ

П.Р. Вальехо Мальдонадо,
Д.К. Гришин, Н. Д. Чайнов

РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ШАТУНА
С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММЫ MATHCAD

Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине
«Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания»
для студентов, обучающихся по специальности 140501.65 «Двигатели
внутреннего сгорания» очной и очно-заочной форм обучения

Одобрено методической комиссией по направлению 140000 «Энергетика,
Энергетическое машиностроение и Электротехника»

Москва
2013
2

Разработано в соответствии с Государственным образовательным
стандартом ВПО 2000 г. для специальности 140501.65 «Двигатели внут-
реннего сгорания» на основе примерной (рабочей) программы дисциплины
«Динамика двигателя».

Рецензенты: канд. техн. наук, доцент кафедры «Поршневые двигате-
ли» МГТУ им. Н.Э. Баумана А. Н. Краснокутский.

канд. техн. наук, доцент кафедры «Поршневые двигате-
ли» МГТУ им. Н.Э. Баумана Л. Л. Мягков.

Работа подготовлена на кафедре «Автомобильные и тракторные дви-
гатели»

П. Р. Вальехо Мальдонадо, Д. К. Гришин, Н. Д. Чайнов. Расчет на
прочность элементов шатуна с применением программы mathcad: Учебно-
методическое пособие для выполнения практических и лабораторных ра-
бот, курсовых и дипломных проектов. – М. : МГМУ «МАМИ», 2013. 48
стр.

В учебно-методическом пособии рассматривается пример расчета на
прочность элементов шатуна.

©Вальехо Мальдонадо П.Р., Гришин Д.К.,
©Н.Д. Чайнов.
© МГМУ «МАМИ», 2013
3

Содержание

Расчет на прочность элементов шатуна 4
1 Поршневая головка шатуна 7
2 Стержень шатуна 23
3 Расчет кривошипной головки 29
4 Расчет шатунных болтов 37
5 Результаты расчета на прочность шатуна высокооборотного 45
малоразмерного дизеля МД-6 с непосредственным впрыски-
ванием методом конечных элементов.
Литература 47
4
РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ШАТУНА

Шатуны испытывают большое число циклов напряжений, поэтому
следует выполнять расчёт на выносливость.
Расчёт проводится для поршневой головки, стержня, кривошипной
головки и шатунных болтов.
Эскиз шатуна (рис. 1) выполняется на основе статистических данных
по аналогичным конструкциям (табл. 1) .

Рис. 1. Геометрические параметры шатуна.

Таблица 1.
Соотношение относительных размеров элементов шатуна
Двигатель
Величина С принудительным Дизели
воспламенением
Внутренний диаметр поршневой головки
d :
1
d d d d
без втулки, м 1 п 1 п
со втулкой, м (1,10 ÷ 1,25) d (1,10 ÷ 1,25)d
п п
Наружный диаметр головки d , м (1,25 ÷ 1,65)d (1,30 ÷ 1,70)d
г п п
Длина поршневой головки шатуна l :
гш
(0,28 ÷ 0,32)D (0,28 ÷ 0,32)D
с закреплённым пальцем, м с плавающим
(0,33 ÷ 0,45)D (0,33 ÷ 0,45)D
пальцем, м
Минимальная радиальная толщина стен-
ки поршневой головки шатунаh , м (0,16 ÷ 0.27)d (0,16 ÷ 0,27)d
г п п
Радиальная толщина стенки втулки S , м (0,055÷0,085)d (0,070 ÷0,085)d
в п п
5

Рис. 2. Общий вид шатуна высокооборотного дизеля МД-6

Исходные данные:

m - масса поршневой группы, кг
п
m -масса шатуна, кг
ш
L -длина поршневой головки шатуна, мм
гш
h - радиальная толщина стенки поршневой головки, мм
Г
6
L – длина шатуна, мм
ш
R - радиус кривошипа, мм
λ- отношение R к длине шатуна
nн - номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1
n - максимальная частота вращения холостого хода, мин-1
х-хмах
d - наружный диаметр поршневой головки шатуна, мм
г
d - внутренний диаметр поршневой головки шатуна, мм
1
d - диаметр поршневого пальца, мм
п
P - максимальное давление сгорания, МПа
z
D - диаметр цилиндра, мм
S – ход поршня, мм
t - толщина стенки вкладыша, мм
в
d - диаметр шатунной шейки, мм
шш

Таблица. 1, а
Механические свойства легированных сталей
№ Марка стали σ , σ , σ , σ ,
в Т -1 -1р
МПа МПа МПа МПа
1 40Х 750-1050 650-950 320-480 240-340
2 45Х 850-1050 700-950 400-500 -
3 40ХН 1000-1450 800-1300 460-600 320-420
4 40ХНМА 1150-1700 850-1600 550-700 -

№ τ , НВ Е ·10-5, δ,% μ α ·106, 1/°С
-1 ш ш ш
МПа МПа при 100°С
1 210-260 13,4
2 170...210 207-240 2,0-2,1 9-12 0,25-0,30 -
3 - 11,8
4 300-400 217-229 11,7
7
Таблица. 1, б
Механические свойства бронзы
№ Марка бронзы σ , Е ·10-5, μ НВ α ·106, 1/°С
в в в в
МПа МПа
1 БрОФ7,0,2 450 1,7 0,32-0,35 90 11,5
2 БрАЖ9-4 450 1,6 110 11,6

Материал шатуна: сталь 40ХH

Материал втулки: БрОФ7, 0,2

σ - предел текучести материала шатуна, МПа
Т
σ - предел прочности материала шатуна, МПа
В
σ - предел усталости при растяжении-сжатии для материала шатуна,
-1р
МПа
σ -предел усталости при изгибе для материала шатуна, МПа
-1
Е - модуль упругости материала шатуна, МПа
ш
Е - модуль упругости бронзовой втулки, МПа
в
α - температурный коэффициент расширения бронзовой втулки, 1/К
в
α - температурный коэффициент расширения материала шатуна, 1/К
ш
μ - коэффициент Пуассона для материала шатуна
ш
μ - коэффициент Пуассона для бронзовой втулки
в

m – масса части головки шатуна выше сечения Б-Б (рис. 1), кг.
вг'
m =(0,06 – 0,09)·m
вг' ш

1. Поршневая головка шатуна

1.1. Расчет на растяжение.
8
Максимальная угловая скорость при максимальной частоте вращения
коленчатого вала, [рад/с]

Инерционная сила комплекта поршня и части поршневой головки шату-
на выше сечения Б-Б, [МН] (рис. 1).

Максимальное напряжение растяжение, [МПа]

- Допускаемое напряжение для поршневой головки шатуна

- Для алюминиевого сплава σ 10...15 МПа
Рмах
- Для сталей σ 30...60МПа
Рмах

Среднее напряжение для пульсирующего цикла, [МПа]

Амплитуда напряжения для пульсирующего цикла, МПа

Амплитуда напряжения  (с учетом эффективной концентрации
ак1
напряжения К , масштабного ε и технологического ε факторов)
σ мσ пσ

без резких переходов

ε - определяется в зависимости от L , (табл. 2).
мσ ГШ
9
Таблица 2
Масштабный коэффициент
Масштабные Размеры детали, мм
коэффициенты 10 10-15 15-20 20-30
ε 1 1- 0,95 0,95-0,90 0,90-0,85
σм
ε 1 1- 0,94 0,94-0,88 0,88-0,83
τм
Масштабные Размеры детали, мм
коэффициенты 30-40 40-50 50-100 100-300
ε 0,85-0,80 0,80-0,75 0,75-0,65 0,65-0,55
σм
ε 0,83-0,78 0,78-0,72 0,72-0,60 0,60-0,50
τм

При

ε - определяется в зависимости от обработки поверхности (при грубом
пσ
обтачивании, табл. 3).

Таблица 3
Технологический фактор
Вид обработки или поверхностного упрочнения ε  ε
σп τп
Без обработки поверхности и без поверхностно-
го упрочнения 0,50-0,76
Грубое обтачивание и без поверхностного
упрочнения 0,60-0,88
Чистовое обтачивание и без поверхностного
упрочнения 0,80-0,94
Обдувка дробью 1,1-2,0
Обкатка роликом 1,1-2,2
Цементация 1,2-2,5
Закалка ТВЧ 1,2-2,8
Азотирование 1,2-3,0

При грубом обтачивании:

Запас прочности при растяжении-сжатии определяется относитель-
1
но предела выносливости

 -коэффициент приведения ассиметричного цикла к симметричному
σ
при нормальных напряжениях растяжений-сжатия ( табл. 4)
10
Таблица 4
Значения коэффициентов чувствительности материала к асимметрии
цикла в зависимости от предела прочности σ .
В
Коэффициент σ 102, МПа
В
чувствительности
3,5-5,2 5,2-7,2 7,2-10 10-12 12-14
ψ (изгиб и растяжение) 0 0,05 0,1 0.2 0,25
σ
ψ (кручение) 0 0 0,05 0,1 0,15
τ

Допустимые значения для автотракторных двигателей не менее 2.5 - 5.
1

1.2. Расчет на изгиб в сечении В-В

Рис. 3. Расчётная схема нагруже-
ния тонкостенной поршневой го-
ловки шатуна при действии сил
инерции.

Угловая скорость при номинальной частоте вращения коленчатого вала,
[рад/с]

Максимальная инерционная сила массы поршневой группы на такте
впуска, [Н].