piston calcul
DESCRIPTION
dimensionare calculTRANSCRIPT
CAP.3 CALCULUL PISTONULUI3.1 Stabilirea dimensiunilor
Pistonul se dimensioneaza in raport cu solutiile constructiv-functionale alese, pe bazadatelor statistice (fig.4.70.a, fig.4.71, tab4.17). Este necesar ca operatia sa fie efectuata dupaproiectarea segmentilor si boltului.
Tinand cont de diametrul pistonul se vor determina dimensiunile relative ale pistonului:D 92 mm
Hc 0.6 D 55.2
Lm 0.8 D 73.6
δ 0.1 D 9.2H1 0.07 D 6.44
H 1.7H2 0.045 D 4.14
B 0.35 D 32.2
Diametrele in lungul pistonului se determina avand in vedere ca jocul diametral la cald D`reprezinta diferenta, in aceasta situatie, dintre diametrele cilindrului si pistonului. Pentruaceasta se considera parametrii
temperatura de functionare a cilindrului Tcil 390 K;
temperatura ambianta de montaj T0 293 K;
temperatura la capul pistonului Tcp 523 K;
temperatura la mantaua pistonului: Tm 393 K;
coeficientul de dilatare termica al materialelor cilindrului: αcil 12 106
(fonta);
coeficientul de dilatare termica al materialelor pistonului: αp 20 106
(aliaj usor);
jocul la cald al capului pistonului: Δ'cp 0.0025 D 0.23 mm;
jocul la cald al mantalei: Δ'm 0.00075 D 0.069 mm
Astfel obtinem:
Dcp
D 1 αcil Tcil T0 Δ'cp
1 αp Tcp T0 91.456 mm
Dm
D 1 αcil Tcil T0 Δ'm
1 αp Tm T0 91.854 mm
Diametrele rezultate trebuie sa asigure jocurile uzuale de montaj.La MAS, suprafata interioara a regiunii portsegmenti este de obicei cilindrica.Grosimea peretelui pentru automobile si tractoare se ia de:
Grosimea peretelui pentru automobile si tractoare se ia de: g 0.075 D 6.9 mmGrosimea peretelui mantalei pentru un motor rapid se considera: gm 0.03 D 2.76 mm
Pentru diametrul exterior al umerilor se de se recomanda: (1.3...1.6)d, unde d estediametrul orificiilor din umeri.
d 0.39 D 35.88 mm => de 1.4 d 50.232 mm
Profilul transversal al pistonului se stabileste conform indicatiilor. Daca forma periferieimantalei se apropie de o elipsa, ovalitatea maxima in dreptul axei umerilor se alege: δu 0.6 mm. Ovalitatea minima, la baza mantalei este: δm 0.07 mm
3.2 Verificarea solicitarilor
Capul pistonului se verifica la solicitari mecanice, termice si rezultante, asimilandu-l cu oplaca circulara incastrata pe contur (vezi fig.1.a), care are grosimea constanta δ si diametrul Dial suprafetei interioare a regiunii portsegmenti.
Pentru solicitarile mecanice se considera ca placa este incarcata de o sarcina uniformdistribuita, egala cu presiunea maxima a gazelor din cilindru pmax 6.688 MPa.
Eforturile unitare si tangentiale si calculeaza cu relatiile de mai jos fiind necesareurmatoarele marimi:
grosimea placii: δ H1 6.44 mm
adancimea canalului segmentului de compresiune: A 2.5 mmdiametrul pistonului pana la canalul segmentului: Ds Dcp 2 A 86.456 mm
diametrul suprafetei interioare a regiunii: Di Ds 2 g 72.656 mm
coeficientul lui Poisson: μ 0.34 (aliaj de aluminiu)
σrmarsup
3 pmax Di2
16 δ2
159.615 MPa σrmarinf
3 pmax Di2
16 δ2
159.615
MPa σtmarsup μ σrmarsup 54.269 MPa σtmarinf μ σrmarinf 54.269 MPa
Aceste eforturi se calculeaza si in centru, cu relatiile de mai jos si valori de semn contrar
, jfata de primele:
σrcsup
3 1 μ( ) pmax Di2
32 δ2
106.942 MPa
σrcinf
3 1 μ( ) pmax Di2
32 δ2
106.942 MPa
σtcsup
3 1 μ( ) pmax Di2
32 δ2
106.942 MPa
σtcinf
3 1 μ( ) pmax Di2
32 δ2
106.942 MPa
Solicitarile termice pot fi calculate presupunand ca grosimea δ este mica fata de razaplacii Ri=Di/2, astfel incat sa se negliheze variatia axiala a temperaturii; campul axial-simetriccaracteristic pistonului se reduce la o variatie a temperaturii numai dupa directia radiala,determinand o stare de temperaturi plana. Pentru un element al placii, situat la raza r de centru,care are latimea radiala dr si unghiul la centru dφ, eforturile unitare sun prezentate in figura 2.Conditia de echilibru dupa directia radiala este:
σr dσr r dr( ) dφ σr r dφ 2 σt sindφ
2
=0.
Admitand ca sin(dφ/2)~dφ/2 si neglihand infinitii mici de ordin superior, obtinem:σt=σr+r dσr/drVariatia temperaturii antreneaza modificarea dimensiunilor elementului considerat. La
temperatura de regim T, se constata urmatoarele:Tcentru 300 K
Tmar 220 K
E 7.5 104
N/mm2 - modulul de elasticitate (pentru aliaj din aluminiu)
Tinem cont ca: Ri
Di
236.328 mm si R
D
246
h R Ri δ 16.112
kδ
h
R2
Ri2
R2
Ri2
μ
1.861
Deoarece R'i>R"i actiuneaperetelui lateral se manifesta prin aplicarea unei presiuni p pe
Deoarece R i>R i, actiuneaperetelui lateral se manifesta prin aplicarea unei presiuni p peperiferia placii. Notand cu u' si u|" deplasarile radiale executate de periferia placii si respectiv, deperetele lateral, se obtine deplasarea totala u, ce indeplineste conditia |u|=|u'|+|u"|, in care u' siu" se calculeaza cu formula de la tuburi cu pereti grosi. Rezulta presiunea p: (Tc 721.293 K)
pαp E
2 1 μ k( )Tc Tmar 149.161 MPa
Eforturile unitare corectate σ'r=σr-p si σ't=σ't-p se obtin folosind relatiile de mai sus.Distributia eforturilor unitare arata ca valorile periculoase se inregistreaza la marginea si in
centrul placii, unde se aplica relatiile:
σ'rmarsup
αp E
2 1 μ k( )Tc Tmar 149.161 MPa
σ'tmarsup k μ( ) σ'rmarsup 226.809 MPa
σ'rmarinf
αp E
2 1 μ k( )Tc Tmar 149.161 MPa
σ'tmarinf k μ( ) σ'rmarinf 226.809 MPa
σ'rcsup3 μ k
2σ'rmarsup 337.146 MPa
σ'tcsup3 μ k
2σ'rmarsup 337.146 MPa
σ'rcinf3 μ k
2σ'rmarinf 337.146 MPa
σ'tcinf3 μ k
2σ'rmarinf 337.146 MPa
Considerandu-se:desitatea fluxului radial de caldura qr [W/m2]conductivitatea materialului pistonului λ 120 W/mK
qr
Tc Tmar
103
Ri2
4 δ λ 1.174 10
6
Pentru o evaluare mai completa a solicitarilor termice, se tine seama si de variatia axiala atemperaturii. Daca se admite ca temperatura scade liniar cu ∆T intre fibrele superioara siinferioara ale placii, valoarea absoluta a eforturilor unitare dupa orice directie este:
Tinem cont de densitatea fluxului axial de caldura: qa 0.25 qr 2.935 105
ΔT10
3qa δ
λ15.753
Obtinem astfel valoarea absoluta a eforturilor unitare:
σz αpE
2 1 μ( ) ΔT 17.902 MPa
Regiunea portsegmenti se verifica la solicitarea de compresiune datorata presiunii maximea gazelor. Sectiunea periculoasa este cea slabita de deschiderile prin care se evacueaza uleiulcolectat de segmentul de ungere.
Se noteaza cu Ωsu aria sectiunii periculoase. Daca aceasta sectiune contine ν 6 orificii
de dirijare a uleiului colectat (fig. 1,a) si tinand cont de Dsu D 2 A 87 mm, iar grosimea
radiala a segmentului de ungere , cu jocul sau radial a'su 0.07 , rezulta:
asu
Dcp Di 2 a'su
29.33 de unde:
Asu asu a'su 9.4 (grosimea radiala a segmentului de ungere)
Pentru dsu 1 mm se obtine:
Ωsuπ
4Dsu
2Di
2
ν dsu
Dsu Di
2 1.756 10
3
Efortul unitar de compresiune are expresia:
σc
π D2
pmax
4 Ωsu25.325 MPa
La motoarele rapide, aceasi sectiune se verifica si la intindere, sub actiunea fortei maximede inertie a masei mps din piston situata deasupra sectiunii periculoase. Pentru calculul acestei
forte avem nevoie de acceleratia maxima: mtr 0.86331 kg; ω 575.957 s-1; R 46
jpmax mtr R ω2
1.317 107
mps 0.4672128 kg
Fps 103
mps jpmax 6.155 103
Rezulta efortul unitar: ( Λ 0.3333 )
σi
103
mps R ω2
1 Λ( )
Ωsu5.415 MPa
Solicitari rezultante:
La margine:σrezrmarsup σrmarsup σ'rmarsup σz 7.447 MPa
σrezrmarinf σrmarinf σ'rmarinf σz 7.447 MPa
σreztmarsup σtmarsup σ'tmarsup σz 263.176 MPa
σreztmarinf σtmarinf σ'tmarinf σz 263.176 MPa
In centru:σrezrcsup σrcsup σ'rcsup σz 461.989 MPa
σrezrcinf σrcinf σ'rcinf σz 248.105 MPa
σreztcsup σtcsup σ'tcsup σz 461.989 MPa
σreztcinf σtcinf σ'tcinf σz 248.105 MPa
Cap.4 Boltul
Materiale utilizate in constructia boltului:oteluri laminate de calitate (OLC)oteluri aliate
Pentru diminuarea uzurii, pe suprafata exterioara a boltului se aplica un tratament terminc decementare sau calire CIF.
Materialul ales pentru constructia boltului este otel aliat 20MoNi35 cu rezistenta de rupere: σr 1400
Modulul de elasticitate longitudinal al otelului din care se fabrica boltul este:
E 2.1 105
N/mm2
Pentru MAS se recomanda utilizare boltului fix in piciorul bielei.
4.1 Dimensionare: