Гільза циліндра

Гільзи циліндрів є одною з найбільш навантажених деталей двигуна. Вони витримують напруження від дії сил газів, бокового тиску поршня і теплових навантажень.

Важкі умови роботи гільз циліндрів призводять до необхідності використати для їх виготовлення сірий чавун CЧ28-48 і СЧ35-56 або азотовану сталь 38ХМЮА.

Основні конструктивні розміри гільз встановлюють з врахуванням отримання необхідної міцності й жорсткості, яка б забезпечувала відсутність овалізації циліндра у разі складання двигуна і під час його роботи. Товщину d_г стінки гільзи зазвичай приймають за експериментальними даними.

Товщину стінки гільзи, вибрану конструктивно, перевіряють за формулою

,

(6.1)

де s_z – допустиме напруження розтягу, для чавунних втулок 50...60 МПа, а для сталевих втулок – 80...100 МПа.

У випадку розрахунку гільзи циліндрів на міцність визначають напруження тільки від основних навантажень: максимального тиску газів, бокового тиску поршня і перепаду температур у стінці.

Найбільш небезпечним навантаженням є максимальний тиск згорання , який викликає напруження розтягу по твірній циліндра і по його кільцевому перерізу (рис. 6.1).

Напруження розтягу від дії сил тиску газів визначають за наближеною залежністю, яка не враховує нерівномірності розподілу напружень за товщиною гільзи:

,

(6.2)

де D – діаметр циліндра; – максимальний тиск газів, умовно приведений до нижнього положення (НП) поршня; – товщина стінки гільзи циліндра.

Допустимі навантаження для гільз циліндрів, виконаних з чавуну, змінюються в межах 30...60 МПа, а для стальних – 80...120 МПа.

Напруження розтягу по кільцевому перерізу гільзи визначають в основному для несучих гільз двигунів повітряного охолодження

,

(6.3)

Напруження внаслідок дії нормальної сили F_{N max}, що діє на несучу гільзу (рис.6.1), визначають у двигунах з окремими циліндрами. Згинальний момент від сили F_{N max}, що прикладена до середини поршневого пальця (див. [11, §56]),

,

(6.4)

де F_{N max} – максимальне значення нормальної сили, що визначається із динамічного розрахунку; a – віддаль від осі пальця до ВП; b – віддаль від осі пальця до НП.

Рис. 6.1. Розрахункова схема гільзи циліндра

Напруження згину

,

(6.5)

де W – момент опору поперечного перерізу гільзи,

,

(6.6)

де D₁і D – зовнішній і внутрішній діаметр гільзи.

Сумарне напруження від розтягу і згину у стінках несучого циліндра

,

(6.7)

Для чавунних гільз величина s_S не повинна перевищувати 60 МПа, а для стальних – 110 МПа.

Під час роботи двигуна між внутрішньою й зовнішньою поверхнями гільзи виникає значний перепад температур, що викликає теплові напруження

,

(6.8)

де Е – модуль пружності матеріалу, для сталі Е = 2,2×10⁵ МПа, а для чавуну Е = 1,0×10⁵ МПа; – коефіцієнт лінійного розширення, для чавуну
a_ц = 1,1×10^–6град^-1; Dt – перепад температур, за дослідними даними для верхньої частини втулки Dt = 100...150 °С; μ – коефіцієнт Пуассона, для сталі μ = 0,25...0,33 і для чавуну – μ = 0,23...0,27.

Напруженням розтягу на зовнішній поверхні гільзи відповідає знак плюс, а напруженням стиску на внутрішній поверхні – знак мінус.

Сумарні напруження від тиску газу й перепаду температур:

на зовнішній поверхні гільзи циліндра

;

(6.9)

на внутрішній поверхні

.

(6.10)

Сумарне напруження в чавунній гільзі не повинно перевищувати
100...130 МПа, а в стальній – 180...200 МПа.