Поршневые кольца, особенно 1-е поршневое кольцо, — наиболее нагруженные детали двигателя. При их расчетах на прочность обычно определяют:
- Максимальное напряжение изгиба в рабочем положении кольца в цилиндре двигателя (когда кольцо сжато);
- Максимальное напряжение изгиба при надевании кольца на головку поршня (при растяжении кольца);
- Удельное давление кольца на стенку цилиндра за счет сил упругости в его рабочем положении.
На рис. 1 показано поршневое кольцо в 3-х положениях:
- В рабочем положении;
- В свободном состоянии;
- При надевании на поршень.
В рабочем положении кольцо должно быть сжато от свободного состояния до рабочего размера — диаметра цилиндра D. Длина наружной окружности кольца при этом составляет: L = π D, стрела прогиба кольца F равна:
F’ = е — S , (№4)
E — зазор в замке в свободном состоянии кольца;
S — зазор в замке в рабочем состоянии.
При надевании на поршень кольцо должно быть растянуто так, чтобы его внутренний диаметр был равен наружному диаметру головки D. По сравнению с рабочим положением кольца длина его наружной окружности будет больше и составит: L» = π (D + 2Ь), где b — ширина кольца. Если обозначить: F» — стрела прогиба кольца от свободного состояния до растянутого положения, то разница длин окружности наружного диаметра кольца L» — L’ даст сумму прогибов при сжатии (F’) и растяжении (F»):
L» -L’ = F’ + F» = π (D + 2b) — π D. (№5)
Откуда:
F» = 2πb — F’ (№6)
С учетом возможности растяжения кольца при надевании на поршень на несколько больший диаметр, чем наружный диаметр головки, для расчета деформации кольца последняя формула принимается с некоторым запасом:
F» = 8b — F’ (№7)
В общем случае уравнение стрелы прогиба балки определяется равенством:
F = P L3 / k E J (№8)
Р — сила растяжения или сжатия;
L — длина пролета балки;
Е — модуль упругости материала;
J — момент инерции расчетного сечения;
K — коэффициент, учитывающий характер нагрузки и жесткость закрепления концов балки.
Рассматривая поршневое кольцо как одноопорную балку, последнее уравнение может быть преобразовано для расчета напряжений изгиба:
- в рабочем положении кольца:
σи = 0.425 Е F’ / b (D/b — 1)2 (№9)
- при надевании на поршень:
σи = 0.425 Е F» / b (D/b — 1)2 (№10)
Модуль упругости для чугуна может быть принят равным:
- при диаметре цилиндра менее 180 мм — Е = 105 МПа;
- при диаметрах D > 180 мм — Е = 0.825 105 МПа.
Для судовых двигателей допускаемые напряжения изгиба поршневых колец могут быть назначены в зависимости от диаметра цилиндра:
- при D < 175 мм — σи‘ = 190 МПа, σи» = 220 — 250 МПа;
- при 180 < D < 400 мм — σи‘ = 160 — 170 МПа, σи» = 175 — 185 МПа;
- при D > 410 мм — σи‘ = σи» = 140 — 150 МПа.
Давление поршневого кольца на стенку цилиндра за счет сил упругости Рц может быть найдено по величине расчетного напряжения изгиба кольца σи‘ в рабочем состоянии. После несложных преобразований можно найти:
Рц = 0.33 σи‘ b2 / D(D — b). (№11)
Эта величина обычно не превышает 0.1 МПа.
Смотрите также:
а) Шатунный болт
в) Анкерные связи, крепеж цилиндра
