Расчет карбюраторного V-образного четырехцилиндрового двигателя на шасси автомобиля ЗАЗ-968М

Министерство образования

Российской Федерации

Вологодский государственный технический университет

Факультет: ФПМ

Кафедра: А и АХ

Дисциплина: АД

РАСЧЕТНО(ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ

Тема: расчет карбюраторного V-образного четырехцилиндрового двигателя на шасси автомобиля ЗАЗ(968М

(Ne=60 л.с. (44,1 кВт), n=4500 мин-1, (=7,5, воздушное охлаждение)

Выполнил:
Дроздов Д. В.

Группа: МАХ-41

Принял: к.т.н.
Яковицкий А. А.

Вологда, 2001 г.

Содержание

Введение

Задание на курсовой проект

1. Тепловой расчет

2. Построение внешней скоростной характеристики двигателя

3. Сравнение параметров проектируемого двигателя и прототипа

4. Расчет кинематики и динамики двигателя

1. Кинематический расчет

2. Динамический расчет

5. Анализ компьютерного расчета на ЭВМ

6. Уравновешивание двигателя

7. Расчет основных деталей двигателя

8. Спец. разработка ( система охлаждения)
Заключение
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

На наземном транспорте наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания. Эти двигатели отличаются компактностью, высокой экономичностью, долговечностью и применяются во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время особое внимание уделяется уменьшению токсичности выбрасываемых в атмосферу вредных веществ и снижению уровня шума работы двигателей.

Специфика технологии производства двигателей и повышение требований к качеству двигателей при возрастающем объеме их производства, обусловили необходимость создания предполагаемые показатели цикла, мощность и экономичность, а также давление газов, действующих в надпоршневом пространстве цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала. По данным расчета можно установить основные размеры двигателя (диаметр цилиндра и ход поршня) Успешное применение двигателей внутреннего сгорания, разработка опытных конструкций и повышение мощностных и экономических показателей стали возможны в значительной мере благодаря исследованиям и разработке теории рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания.

Выполнение задач по производству и эксплуатации транспортных двигателей требует от специалистов глубоких знаний рабочего процесса двигателей, знания их конструкций и расчета двигателей внутреннего сгорания.

Рассмотрение отдельных процессов в двигателях и их расчет позволяют определить и проверить на прочность его основные детали.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По заданным параметрам двигателя произвести тепловой расчет, по результатам расчета построить индикаторную диаграмму, определить основные параметры поршня и кривошипа. Разобрать динамику кривошипно-шатунного механизма. Построить график средних крутящих моментов.

Параметры двигателя:

1.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ [1, с.72(94]

1.1. Выбор исходных данных

1.1.1. Топливо

Степень сжатия проектируемого двигателя ( =7,5. В качестве топлива выбираем бензин марки А(76.

Элементарный состав топлива: С+Н+О=1 где C=0,855; H=0,145; О=0.

Молекулярная масса топлива: МT=115 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания топлива:

Нu=33,91C+125,60H(10,89(O(S)(2,51(9H+W);

Нu=33,91(0,855+125,60(0,145(2,51(9(0,145)=43930 кДж/кг.

1.1.2. Параметры рабочего тела

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

кг возд./кг топл.

кмоль возд./кг топл.

Коэффициент избытка воздуха ? принимаем равным 0,96 для получения оптимального соотношения экономичности и мощности проектируемого двигателя.

Количество горючей смеси: М1 = (Lo+1/ mт = 0,96(0,516+1/115= 0,5050 кмоль.

При неполном сгорании топлива ( ((1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО2) , водяного пара
(Н2О), свободного водорода (Н2) , и азота (N2) . Количество отдельных составляющих продуктов сгорания и их сумма при К=0,5 (К(постоянная зависящая от отношения количества водорода к окиси углерода, содержащихся в продуктах сгорания):

МСО =2([(1(()/(1+K)](0,208(Lo;

МСО =2([(1(0,96)/(1+0,5)](0,208(0,517=0,0057 кмоль/кг топл.

МСО=С/12-2([(1(()/(1+K)](0,208(Lo;

МСО=0,855/12(2([(1-0,96)/(1+0,5)](0,208(0,517=0,0655 кмоль/кг топл.

МН=2(К([(1(()/(1+K)](0,208(Lo;

МН=2(0,47([(1(0,96)/(1+0,5)](0,208(0,517=0,0029 кмоль/кг топл.

МНО=Н/2(2(К([(1-()/(1+K)] (0,208(Lo;

МНО=0,145/2-2(0,47([(1(0,96)/(1+0,5)](0,208(0,517=0,0696 кмоль/кг топл.

МN=0,792((Lo;

МN=0,792(0,96(0,517=0,393 кмоль/кг топл.

Суммарное количество продуктов сгорания:

М2 =МСО+МСО+МН + МНО + МN;

М2 =0,0073+0,063+0,0034+0,069+0,388=0,5367 кмоль/кг топл.

Проверка:

М2 =С/12+Н/2+0,792(((Lo;

М2=0,855/12+0,145/2+0,792(0,96(0,517=0,5367 кмоль/кг топл.

1.1.3. Параметры окружающей среды и остаточных газов

Атмосферное давление и температура окружающей среды: po=0,101 МПа;
To=293 К. Температуру остаточных газов принимаем на основании опытных данных [1,с.43]:

Тr =1040 К; pr =1,16(po =1,16(0,101=0,11716 МПа.
Давление остаточных газов Рr можно получить на номинальном режиме:

РrN=1,18(Р0=0,118 Мпа

Ар=(РrN - Р0(1,035) (108/(nN2(Р0)=0,716
Находим давление остаточных газов Рr:

Рr= Р0( (1.035+ Ар(10-8(n2)

Рr=0,101( (1,035+0,716(10-8(45002)=0,118 МПа

1.2. Процесс впуска

Температуру подогрева свежего заряда принимаем на основании опытных данных [1,с.44]: (Т=8 0 C.

Плотность заряда на впуске: ?о= р0 (106 /(RВ(TО) =0,101(106/(287(293)
=1,189 кг/м3, где р0 =0,101 МПа; Т0 =293 К; RВ ( удельная газовая постоянная равная 287
Дж/(кг( град(.

Давление заряда в конце наполнения Ра принимаем на основании рекомендаций [1,с.44] в зависимости от средней скорости поршня
Сп=S(n/30, где S ( ход поршня, n-заданная частота вращения коленвала двигателя: Сп =0,092 (4500/30=9,51 м/с.

Принимаем ра=0,0909 МПа.

Коэффициент остаточных газов:

?r=, где (оч ( коэффициент очистки; (доз (коэффициент дозарядки (без учета продувки и дозарядки (оч=1; (доз=0,95).

?r==0,07.

Температура заряда в конце впуска:

Та =(To +(Т + ?r(Тr)/(1+ ?r);

Та =(293+8+0,07(1040)/(1+0,07)= 349,3 К.

Коэффициент наполнения:

;

=0,73.

1.3. Процесс сжатия

Средние показатели адиабаты сжатия при работе двигателя на номинальном режиме определяем по номограмме [1,с.48] при ( =7,5 и Та
=349,3 К: k1=1,3775; средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше k1 : n1= k1-0,02=1,3575.

Давление в конце сжатия: рс = ра( ( n 1; рс =0,085(7,51,3575 = 1,31 МПа.

Температура в конце сжатия:

Тс = Та((( n 1-1) ;

Тс =349,3(7,5(1,3575-1) =717,85 К. tc=Тс –273; tc=717,85(273=444,85 0C.

Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия: свежей смеси:

(mC)=20,6+2,638(10-3(tc=20,6+2,638(10-3(444,85=21,77 кДж/(моль( град( ( остаточных газов:

(mC)=23,805 кДж/(моль( град( -определяем методом экстрополяции (1, табл.7) рабочей смеси:

(mC)=(mC)=1/(1+?r)(((mC)+
?r((mC))=21,903 кДж/(моль( град(

Число молей остаточных газов:

Мr =(((r(L0;

Мr =0,96(0,07(0,517=0,0347 кмоль/кг топл.

Число молей газов в конце сжатия до сгорания:

Мс=М1+Мr ;

Мс=0,505+0,0347=0,5397 кмоль/кг топл.

1.4. Процесс сгорания

Химический коэффициент молекулярного изменения:

(о=М2/М1, где М1 ( количество горючей смеси, отнесенное к 1кг топлива; М2 ( количество продуктов сгорания, отнесенное к 1кг топлива.

(о=0,5367 / 0,505=1,0628.

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

(= ((о+?r)/(1+?r);

(=(1,0628+0,07)/(1+0,07)=1,0587 .

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

(Ни=119950((1(()(L0;

(Ни=119950((1(0,96)(0,517=2480,57 кДж/кг топл.

Теплота сгорания рабочей смеси:

Н раб. см.=(Ни((Ни)/(М1((1+?r )(;

Н раб. см.=(43930(2480,57)/(0,505((1+0,07)(=76708,5 кДж/кг топл.

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

(mC)=(1/М2)((МCО(mC)+МСО(mC)+МН( mC)+МНО(mC)+

+МN( mC)(;

(mC)=(1/0,5367)((0,0057((22,49+0,0143(tz)+0,0655((39,123+0,

003349(tz)+0,0029(

((19,678+0,001758(tz)+0,0699((26,67+0,004438(tz)+0,393((21,951+0,0014

57(tz)(=

=(24,652+0,002076(tz ) кДж/(моль( град(;

Коэффициент использования теплоты ( z определяем по рис.37 [1,с.77] исходя из скоростного режима двигателя: ( z =0,93 .

Температура в конце видимого периода сгорания:

( z( Н раб. см. + (mC)( tc=(( (mC)(tz;

0,93(76708,5+21,903(445=1,0587((24,652+0,002076(tz)(tz;;

0,002198 ( tz2+ 26,099( tz –81085,74=0; tz =((26,099+)/(2(0,002198)= 2556,45 0С;

Tz= tz+273=2556,45+273 =2829,45 K.

Максимальное теоретическое давление в конце процесса сгорания: рz = pc(((Tz /Tc; рz =1,31(1,0587(2829,45 /717,85=5,4665 МПа.

Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания: рzд =0,85(рz; рzд =0,85(5,4665=4,6465 МПа.

Степень повышения давления:

( =рz / рс ;

( =5,4665/1,31=4,173.

1.5. Процессы расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты расширения k2 определяем по номограмме (см. рис.29 [1,с.57]) при заданном ( =7,5 для соответствующих значений Tz и ?
, а средний показатель политропы расширения n2 оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k2=1,2511: n2=1,251.

Давление и температура в конце процесса расширения: pb=pz /? n2 ; pb=5,7665/7,51,251=0,43957 МПа.

Tb=TZ / ? n2-1;

Tb=2829/7,51,251(1=1706 К.

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

;

=1100 К.

Погрешность составит: ?=100((1100-1040)/1040=5,65 %.

1.6. Индикаторные параметры рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление определяем по формуле:

МПа.

Для определения среднего индикаторного давления примем коэффициент полноты индикаторной диаграммы равным (и=0,96 , тогда: рi =(и(рi’
=0,96(1,0406=1,0 МПа.

Индикаторный к.п.д.:

(i = pi( l0( ( / (Ни( (0 ((v );

(i = (1,0 (14,957(0,96)/(43,93(1,189(0,73) =0,3766.

Индикаторный удельный расход топлива: gi = 3600/( Ни((i); gi = 3600/( 43,93(0,3766)= 218 г/(кВт( ч).

1.7. Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь для карбюраторного двигателя с числом цилиндров до 6 и отношением S/D(1: pм=0,034+0,0113(Vп;
Предварительно приняв ход поршня S равным 70 мм, получим:

Vп=S(n/3(104

Vп =70(4500/3(104=10,35 м/с. pм=0,034+0,0113(10,35=0,151 МПа.

Среднее эффективное давление и механический к.п.д.: pе=pi ( pм ; pе =1,0(0,151=0,849 МПа.

(м = ре / рi ;

(м =0,849/1,0=0,849.

Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива:

(е=(i((м ;

(е=0,3766(0,849=0,3198. ge=3600/(Ни((е); ge=3600/(43,93(0,3198)=256 г/(кВт( ч).

1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя

а. Литраж двигателя: Vл=30(((Nе/(ре( n)=30(4(44,1/(0,849(4500)=1,3852 л. б. Рабочий объем цилиндра: Vh=Vл / i =1,3852/4=0,3463 л. в. Диаметр цилиндра: D=2(103?(Vh/(?(S))=2(103(((0,3463/(3,14(70))=96,8 мм.

Окончательно принимаем: S=70 мм и D=80 мм. Основные параметры и показатели двигателя определяются по окончательно принятым значениям S и D: а. Литраж двигателя: Vл=((D2(S(i / (4(106) =3,14(802 (70(4/(4(106)=1,41 л. б. Площадь поршня: Fп=(D2 / 4=3,14(802/4=5024 мм2 =50,24 см2. в. Эффективная мощность: Nе=ре(Vл(n/(30(()=0,849(1,41(4500/(30(4)=44,89 кВт.
Расхождение с заданной мощностью: (=100((Nе з(Nе)/ Nе з=100((44,1-
44,89)/44,89=0,017 (. г. Эффективный крутящий момент:
Ме=(3*104/()((Ne/n)=(3(104/3,14)((44,89/4500)=95,3 Н( м. д. Часовой расход топлива: Gт=Ne (ge (10(3 =44,89(256(10(3=11,492 кг/ч. е. Литровая мощность двигателя: Nл=Ne/Vл=44,89/1,41=31,84 кВт/л.

1.9. Построение индикаторной диаграммы

Режим двигателя: Ne=44,89 кВт, n=4500 об/мин.

Масштабы диаграммы: хода поршня Ms=0,7 мм в мм, давлений Mp=0,035 МПа в мм.

Величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

АВ=S/Ms=70/0,7=100 мм;

ОА=АВ / (((1)=100/(7,5(1)=15,38 мм.

Масштабная высота диаграммы (т. Z):

Pz/Мр=5,4665/0,035=156,2 мм.

Ординаты характерных точек: ра / Мр=0,085/0,035=2,4 мм; рс / Мр=1,31/0,035=37,4 мм; рb / Мр=0,4395/0,035=12,6 мм; рr / Мр=0,118/0,035 =3,4 мм; ро / Мр=0,1/0,035=2,9 мм.

Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом: а. Политропа сжатия: рх=ра((Vа / Vх )n1. Отсюда рх / Мр=(ра/Мр)((ОВ/ОХ)n1 мм, где ОВ= ОА+АВ=15,38+100=115,38 мм; n1 1,3575 . б. Политропа расширения: рх = рb((Vb / Vх)n2. Отсюда рх /
Мр=(pb/Мр)((ОВ/ОХ)n2 мм, где ОВ=115,38; n2=1,251.
Данные расчета точек политроп приведены в табл.1.1.

Теоретическое среднее индикаторное давление: рi’=F1(Mp/AB=2950(0,035/100=1,0325 МПа, где F1=2950 мм2 ( площадь диаграммы aczba на рис.1.1.
Величина рi’ =1,0325 МПа полученная планиметрированием индикаторной диаграммы очень близка к величине рi’=1,0406 МПа полученной в тепловом расчете.

Таблица 1.1.

| | |ОВ/ОХ |Политропа сжатия |Политропа расширения |
|№ |ОХ, | | | |
|точек|мм | | | |
| | | | | |
|r’ |10° до в.м.т.|10 |0,0195 |0,975 |
|a' |10° после |10 |0,0195 |0,975 |
| |в.м.т. | | | |
|a'' |46° после |134 |1,7684 |88,42 |
| |н.м.т. | | | |
|c' |35° до в.м.т.|35 |0,2245 |11,225 |
|f |30° до в.м.т.|30 |0,1655 |8,275 |
|b' |46° до н.м.т.|134 |1,7684 |88,42 |

Положение точки с’’ определяется из выражения: pc’’ =(1,15...1,25)(pc; pc’’ =1,25(1,31=1,638 МПа; pc’’/Мp=1,638/0,035=46,8 мм.

Действительное давление сгорания: pzд=0,85(рz; pzд=0,85(5,4665=4,6465 МПа. pzд/МP=4,6465/0,035=132,8 мм.

1.10.Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом:

Qo=Hи(Gт/3,6;

Qo=43930(11,492/3,6=140234 Дж/с.

Теплота, эквивалентная эффективной работе:

Qе=1000(Nе;

Qе=1000(44,89=44890 Дж/с.

Теплота , передаваемая охлаждающей среде:

Qв=c( i (D1+2m (nm((Hи-(Hи)/(((Hи), где c=0,5 ( коэффициент пропорциональности для четырехтактного двигателя; m=0,62(показатель степени для четырехтактного двигателя; i = 4 ( число цилиндров; n=4500 об/мин ( частота вращения коленвала.

Qв=0,5(4(81+2*0,62 (45000,62((43930-2480,54)/(0,96(43930)=38144 Дж/с.

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

Qг=(Gт/3,6)((M2((mC)+8,315(tr-M1(((mC)+8,315(to(, где (mC)=25,176 кДж/(кмоль(град) ( теплоемкость остаточных газов,

(mC)=20,775 кДж/(кмоль( град) ( теплоемкость свежего заряда (для воздуха) определяем по табл.5,7(1,с.16,18(.

Qг=(11,492/3,6)
((0,5307((25,176+8,315((767(0,505((20,775+8,315((20(=43071,8 Дж/с.

Теплота, потерянная из(за химической неполноты сгорания топлива:

Qн.с.= (Hи(Gт/3,6;

Qн.с.=2480,54(11,492/3,6=7918 Дж/с.

Неучтенные потери теплоты:

Qост.= Q0-( Qе+ Qв+ Qг+ Qн.с).=6210,2

Составляющие теплового баланса представлены в табл.1.3.

Таблица 1.3.

|Составляющие теплового |Q, Дж/с |q,% |
|баланса | | |
|Теплота, эквивалентная эффективной |44890 |32 |
|работе | | |
|Теплота, передаваемая охлаждающей |38144 |27,2 |
|среде | | |
|Теплота, унесенная с отработавшими |43071 |30,7 |
|газами | | |
|Теплота, потерянная из-за химической|7918 |5,6 |
|неполноты сгорания топлива | | |
|Неучтенные потери теплоты |6210,2 |4,5 |
|Общее количество теплоты, введенное |140234 |100 |
|в двигатель с топливом | | |

2.ВНЕШНЯЯ СКОРОСТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ДВИГАТЕЛЯ [1, с.106(112]

Эффективная мощность двигателя определяется по формуле:

Nex=Ne, где Ne=44,89 кВт ; nN=4500 об/мин.

Эффективный крутящий момент:

Mex=3(104( Nex/(((nx);

Удельный эффективный расход топлива : gex= geN(, где geN=256 г/(кВт( ч).

Часовой расход топлива:

Gтx= gex( Nex(10-3;

Значение ( принимаем постоянным ((=0,96) на всех скоростных режимах кроме минимального ((=0,86).

Коэффициент наполнения:

(vx=pex (lo((x(gex/(3600(( k);

Коэффициент приспосабливаемости: k=Me max/Me N=118,2/95,3=1,24.

K – коэффициент приспособливаемости, служит для оценки приспособляемости двигателя к изменению внешней нагрузки.

Расчеты произведены для всех скоростных режимов двигателя и представлены в табл.2.1.

Таблица 2.1.

|nx , |Ne , кВт|Me , |ge , |Gt , |(v |( |
|об/мин | |Н* м |г/(кВт*ч|кг/ч | | |
| | | |) | | | |
|1000 |11,70 |111,8 |252 |2,948 |0,8742 |0,86 |
|2700 |33,40 |118,2 |215 |7,181 |0,9174 |0,96 |
|4500 |44,89 |95,3 |256 |11,492 |0,8752 |0,96 |
|5000 |43,82 |83,5 |282 |12,329 |0,8633 |0,96 |

По данным табл. 2.1. строим графики зависимости Ne, Me, pe, ge, Gt, (v и
( от частоты вращения коленчатого вала двигателя n (рис.2.1.).

3.СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЕКТИРУЕМОГО

ДВИГАТЕЛЯ И ПРОТОТИПА

Основные параметры проектируемого двигателя и прототипа представлены в табл.3.1.

Таблица 3.1.

|№ |Наименование и размерность |Обознач-ие|Проектируемый|Прототип |
| |показателей |показателя|двигатель |(ЗАЗ-968М) |
|1 |Диаметр цилиндра, мм |D |80 |76 |
|2 |Литраж, л |i*Vh |1,385 |1,197 |
|3 |Число цилиндров |i |4 |4 |
|4 |Степень сжатия |( |7,5 |7,2 |
|5 |Частота вращения коленвала |n |4500 |4400 |
| |(номинальный режим), об/мин | | | |
|6 |Ход поршня, мм |S |70 |66 |
|7 |Максимальная мощность |Ne |44,89 |30,8 |
| |(номинальный режим), кВт | | | |
|8 |Удельный эффективный расход |ge |256 |- |
| |топлива (номинальный режим), | | | |
| |г/(кВт* ч) | | | |
|9 |Максимальный крутящий момент |Me max |118,2 |92,3 |
| |(номинальный режим), Н* м | | | |
|10 |Частота вращения коленвала, |nM |2700 |3000 |
| |соответствующая максимальному| | | |
| |моменту, об/мин | | | |
|11 |Среднее эффективное давление |Pe |0,849 |0,7 |
| |(номинальный режим), МН/м2 | | | |
|12 |Литровая мощность, кВт/л |Ne л |31,84 |25,73 |
|13 |Минимальный удельный |ge min |215 |333 |
| |эффективный расход топлива, | | | |
| |г/(кВт* ч) | | | |

При сравнении показателей двигателей видно, что разрабатываемый двигатель имеет большую мощность и крутящий момент, более высокую частоту вращения коленчатого вала и более экономичен.

4.КИНЕМАТИКА И ДИНАМИКА [1, с.115(173]

4.1.Кинематический расчет двигателя

Перемещение поршня рассчитывается по формуле:

Sx =R(, где R(радиус кривошипа (R=35 мм), ( ( отношение радиуса кривошипа к длине шатуна ((=0,285),
( ( угол поворота коленчатого вала.

Расчет производится через каждые 10° угла поворота коленчатого вала.

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

(=((n/30=3,14(4500/30=471 рад/с.

Скорость поршня:

Vп=((R((sin(+( sin2()=471(0,035( (sin(+( sin2() м/с.

Ускорение поршня: j=(2(R((cos(+(( cos2()=4712(0,0,35((cos(+0,285( cos2() м/с2.

Результаты расчетов занесены в табл.4.1.

Таблица 4.1.

| |1-й |2-й |3-й |4-й | |
| |T |K |Pк |Rш.ш |KРк |Rк |
|0 |0 |-6,823 |-11,06|11,06|-18,08|18,08|
| | | |2 | |1 | |
|30 | | | | | | |
| | | | | | | |
|60 | | | | | | |
| | | | | | | |
|90 | | | | | | |
| | | | | | | |
|120 | | | | | | |
| | | | | | | |
|150 | | | | | | |
| | | | | | | |
|180 | | | | | | |
| | | | | | | |
|210 | | | | | | |
| | | | | | | |
|240 | | | | | | |
| | | | | | | |
|270 | | | | | | |
| | | | | | | |
|300 | | | | | | |
| | | | | | | |
|330 | | | | | | |
| | | | | | | |
|360 | | | | | | |
| | | | | | | |
|370 | | | | | | |
| | | | | | | |
|390 | | | | | | |
| | | | | | | |
|420 | | | | | | |
| | | | | | | |
|450 | | | | | | |
| | | | | | | |
|480 | | | | | | |
| | | | | | | |
|510 | | | | | | |
| | | | | | | |
|540 | | | | | | |
| | | | | | | |
|570 | | | | | | |
| | | | | | | |
|600 | | | | | | |
| | | | | | | |
|630 | | | | | | |
| | | | | | | |
|660 | | | | | | |
| | | | | | | |
|690 | | | | | | |
| | | | | | | |
|720 | | | | | | |
| | | | | | | |
|0 | | | | | | |
|30 |-3,715 |-4,727 |-8,966|9,83 |-15,98|16,45|
| | | | | |5 | |
|60 |-2,453 |-0,694 |-4,933|5,45 |-11,95|12,05|
| | | | | |2 | |
|90 |1,318 |-0,376 |-4,615|4,75 |-11,63|11,63|
| | | | | |4 | |
|120 |2,506 |-2,435 |-6,674|7,17 |-13,69|13,94|
| | | | | |3 | |
|150 |1,456 |-3,642 |-7,881|7,79 |-14,90|14,85|
| | | | | |0 | |
|180 |0 |-3,936 |-8,175|8,11 |-15,19|15,05|
| | | | | |4 | |
|210 |-1,592 |-3,972 |-8,211|8,30 |-15,23|15,21|
| | | | | |0 | |
|240 |0,000 |-2,832 |-7,071|7,52 |-14,09|14,32|
| | | | | |0 | |
|270 |-2,071 |-0,590 |-4,829|5,18 |-11,84|11,91|
| | | | | |8 | |
|300 |0,956 |-0,271 |-4,510|4,58 |-11,52|11,51|
| | | | | |9 | |
|330 |1,834 |-2,334 |-6,573|6,7 |-13,59|13,85|
| | | | | |2 | |
|360 |0,000 |-0,794 |-5,033|5,03 |-12,05|12,03|
| | | | | |2 | |
|370 |3,655 |16,071 |11,832|0,75 |4,813 |6,03 |
|380 |5,216 |10,901 |6,662 |6,30 |-0,357|5,24 |
|390 |5,314 |6,761 |2,522 |5,85 |-4,497|6,85 |
|420 |4,232 |1,198 |-3,041|4,72 |-10,06|9,89 |
| | | | | |0 | |
|450 |4,985 |-1,421 |-5,660|7,50 |-12,67|13,51|
| | | | | |9 | |
|480 |4,290 |-4,169 |-8,408|9,41 |-15,42|15,97|
| | | | | |7 | |
|510 |2,059 |-5,150 |-9,389|9,50 |-16,40|16,45|
| | | | | |8 | |
|540 |0 |-4,740 |-8,979|8,98 |-15,99|16,03|
| | | | | |8 | |
|570 |-1,644 |-4,113 |-8,352|8,41 |-15,37|15,31|
| | | | | |1 | |
|600 |-2,803 |-2,724 |-6,963|7,45 |-13,98|14,04|
| | | | | |2 | |
|630 |-1,730 |-0,493 |-4,732|5,06 |-11,75|11,81|
| | | | | |1 | |
|660 |1,854 |-0,525 |-4,764|5,17 |-11,78|11,91|
| | | | | |3 | |
|690 |3,427 |-4,360 |-8,599|9,21 |-15,61|15,91|
| | | | | |8 | |
|720 |0 |-7,049 |-11,06|11,06|-18,30|18,08|
| | | |2 | |7 | |

По развернутой диаграмме Rш.ш определяем:

Rш.ш ср=F(Мр/ОВ=17500(0,1/240=8,125 кН, где ОВ(длина диаграммы, F(площадь под кривой Rш.ш , мм.

Rш.ш max=11,0,6 кН Rш.ш min=0,45 кН.;

По полярной диаграмме строим диаграмму износа шатунной шейки (рис.
4,12). Сумму сил Rш.ш ,действующих по каждому лучу диаграммы износа, определяем с помощью табл.4.5.. По данным табл.4.5. в масштабе Мр=25 кН в мм по каждому лучу откладываем величины суммарных сил ( Rш.ш от окружности к центру.

По диаграмме износа определяем положение оси масляного отверстия
((м=67°).

Таблица 4.5.
|Rшшi |Значения Rшшi, кН, для лучей |
|1 |Теоретическое среднее |Рi’ |0,9958 |1,041 |
| |индикаторное давление, МПа | | | |
|2 |Среднее индикаторное |Рi |0,956 |1 |
| |давление, МПа | | | |
|3 |Индикторный КПД |(i |0,3317 |0,351 |
|4 |Удельный индикаторный |gi |242,6 |218 |
| |расход топлива, г/(кВт*ч) | | | |
|5 |Среднее эффективное |Pe |0,809 |0,849 |
| |давление | | | |
|6 |Эффективный КПД |(е |0,286 |0,32 |
|7 |Механический КПД |(м |0,847 |0,849 |
|8 |Удельный эффеrтивный расход|gе |286,595 |256 |
| |топлива, г/(кВт*ч) | | | |
|9 |Литраж, л |i*Vh |1,81 |1,385 |
|10 |Мощность двигателя, кВт |Ne |56,142 |44,89 |
|11 |Крутящий момент при |Me |116,548 |95,3 |
| |максимальной мощности, Н*м | | | |
|12 |Давление механических |Рм |0,147 |0,151 |
| |потерь | | | |
|13 |Диаметр цилиндра, мм |D |80 |80 |
|14 |Ход поршня, мм |S |90 |70 |

6. Уравновешивание двигателя

Силы и моменты, действующие в КШМ непрерывно изменяются и если их не уравновешивать, то возникают сотрясения и вибрация двигателя.
Уравновешивание сил инерции 1-го и 2-го порядка достигается подбором определенного числа цилиндров, их расположением и выбором соответствующей схемы коленчатого вала. В двигателе силы инерции (Pj () первого порядка и центробежные силы (РС) взаимно уравновешаны:

( Pj (=0, (РС=0.

Силы инерции второго порядка приводятся к равнодействующей в вертикальной плоскости:

( Pj ((=2(2mi(R((2
(((cos2(=2(2(0,709(0,035(4712(0,285(cos2(=4437,58(cos2(

Значения ( Pj (( приведены в таблице 6.1.

Порядок работы цилиндров: 1-3-4-2.

Таблица 6.1.

(0 |0 |30 |60 |90 |120 |150 |180 |210 |240 |270 |300 |330 |360 | |Pj ((

|4437 |2219 |-2219 |-4437 |-2219 |2219 |4437 |2219 |-2219 |-4437 |-2219
|2219 |4437 | |

V-образный 4-х цилиндровый двигатель имеет неуравновешанный момент от сил инер-ции 1-го порядка, для уравновешивания которого предусмотрен балансирный механизм и уравновешивающие массы. Равнодействующий момент от сил 1-го порядка действует в горизонтальной плоскости В-В (рис.6.1.), проходящей через ось коленчатого вала.

Мi 1=(2(mi(R((2 (cos((a=0,0031(cos(

Задаваясь из конструктивных соображений величинами ( и l определяем mур: mур= Мi 1/((l)=0,33 кг.

Момент от сил инерции 2-го порядка действуют в горизонтальной плоскости и в следствии его незначительности не учитывается.

Мi 2=(2(mi(R((2 (cos((b

Момент от центробежных сил действует во вращающейся плоскости, отстоящей от плоскости 1-го кривошипа на 450.

Мс=(2(mR(R((2 ( a.

Момент Мс легко уравновесить при помощи противовесов с массой каждого противовеса mz , расположенных на продолжении щек коленчатого вала. mz= (2(mR(R((2 ( a/((с)=1,59 кг. а- расстояние между центрами шатунных шеек, b- расстояние между центрами тяжести противовесов,

(- расстояние центра тяжести противовеса до оси коленчатого вала.

7. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ [1, с.197(222, 245(261]

7.1. Расчет поршня

На основании данных теплового расчета, скоростной характеристики и динамического расчета получили: диаметр цилиндра D=80 мм; ход поршня: S=70 мм; действительное максимальное давление сгорания: pZд=4,647 МПа; площадь поршня: Fп=50,24 см2; наибольшая нормальная сила: Nmax=0,0015 МН при (=4500 масса поршневой группы: mп=0,5024 кг; частота вращения: nmax =4500 об/мин; отношение радиуса кривошипа к длине шатуна: (=0,285.

В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений, приведенных в табл.50 (1,с.206(, принимаем: толщина днища поршня: (=6 мм; высота поршня: H=84 мм; высота юбки поршня: hю=52 мм; высота верхней части поршня h1=32 мм; внутренний диаметр поршня: di=60,4 мм; диаметр бобышки: dб=32 мм; расстояние между торцами бобышек: b=32 мм; расстояние до первой поршневой канавки: e=8 мм; радиальная толщина кольца: tК= tМ=3 мм; радиальный зазор кольца в канавке поршня: (t=0,8 мм; толщина стенки головки поршня: s=6 мм; толщина стенки юбки поршня: (ю=3 мм; величина верхней кольцевой перемычки: hп=4 мм; число и диаметр масляных каналов в поршне: nm’=10 и dm=1 мм.

Схема поршня представлена на рис.7.1.

Материал поршня ( алюминиевый сплав, (п=22(10-6 1/К; материал гильзы цилиндра ( чугун, (ц=11(10(6 1/К.

Напряжение изгиба в днище поршня: (из=pZд((r1/()2, где r1=D/2((s+t+(t)=80/2((6+3+0,8)=30,2 мм.

(из=4,647((30,2/6)2=117,73 МПа.

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, т.к. (из(25 Мпа.

Напряжение сжатия в сечении x(x :

(сж=PZд/Fx(x, где Pzд=pZд(Fп=4,647(0,005024=0,0233 МН;

(сж=0,0233/0,00119=19,56 МПа .

Fx(x=((/4)((dk2(di2)(nm’(( dk(di )(dm/2;

Fx(x=((3,14/4)((72,42(60,42)(10(6))(10-6=0,00119 м2. dk=D(2((t+(t); dk=80(2((3+0,8)=72,4 мм.

Напряжение разрыва в сечении x(x: максимальная угловая скорость холостого хода: (х.х max=((n х.х max/30;

(х.х max=3,14(5300/30=555 рад/с. масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения x(x: mx(x=0,5(mп; mx(x=0,5(0,5024=0,2512 кг. максимальная разрывающая сила: Pj=mx(x(R((2х.х max ((1+()(10(6;

Pj=0,2512(0,035(5552((1+0,285)10-6 =0,00348 МН. напряжение разрыва: (р=Pj/Fx(x;

(р=0,00348/0,00119=2,924 МПа.

Напряжение в верхней кольцевой перемычке: среза: (=0,0314(pZд(D/hп; (=0,0314(4,647(80/3=3,89 МПа. изгиба: (из=0,0045(pZд((D/hп)2; (из=0,0045(4,647((80/3)2=14,87 МПа. сложное: ((=(((из2+4((2); ((=((14,872+4(3,892)=16,78 МПа.

Удельное давление поршня на стенку цилиндра: q1=Nmax/(hю(D); q1=0,293(0,005024/(0,056(0,080)=0,32 МПа. q2=Nmax/(H(D); q2=0,293(0,005024/(0,084(0,080)=0,22 МПа.
Диаметры головки и юбки поршня:

Dг=D((г; Dг=80(0,56=79,44 мм.

Dю=D((ю; Dю=80(0,16=79,84 мм. где (г=0,007(D=0,007(80=0,56 мм; (ю=0,002(D; (ю=0,002(80=0,16 мм.

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

(г’=D(1+(ц((Тц(Т0)((Dг(1+(п((Тг(Т0)(;

(г’=80((1+11(10(6((450(293)((79,44((1+22(10(6((650(293)(=0,074 мм;

(ю’=D(1+(ц((Тц(Т0)((Dю(1+(п((Тю(Т0)(;

(ю’=80((1+11(10(6((450(293)((79,84((1+22(10-6((550(293)(=0,02 мм, где Тц=450 К, Тг=650 К, Тю=550 К приняты с учетом воздушного охлаждения двигателя [1,с.203];

(ц =11(10(6 1/К и (п=22(10(61/К (коэффициенты линейного расширения материалов цилиндра и поршня.

7.2. Расчет поршневого кольца

Параметры кольца (1,с.206(: радиальная толщина кольца: t=3 мм; радиальный зазор кольца в канавке поршня: (t=0,8 мм; высота кольца: а=3 мм; разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и в рабочем состоянии:

А0=10 мм. материал кольца: серый чугун, Е=1,0(105 МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

;

МПа.
Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности: p=pср((к.

Значения (к для различных углов ( приведены на с.213 [1].

Результаты расчетов р представлены в табл.7.1. По данным табл.7.1. строим эпюру давлений компрессионного кольца на стенку цилиндра (рис.7.2.).

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:
(из1=2,61(рср((D/t(1)2;

(из1=2,61(0,112((80/3(1)2=192,6 МПа.

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:(из2=, где m=1,57 ( коэффициент, зависящий от способа монтажа кольца.

Таблица 7.1.

(° |0 |30 |60 |90 |120 |150 |180 | |(к |1,05 |1,05 |1,14 |0,90 |0,45 |0,67
|2,85 | |р , МПа |0,118 |0,118 |0,128 |0,101 |0,05 |0,075 |0,319 | |

(из2= МПа.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца: (к=(к’+(D[(к (Тк(Т0)( (ц
(Тц(Т0)], где (к’=0,08 мм (минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя;
(к =11(10(6 1/К и (ц=11(10-6 1/К ( коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра; Тц=450 К, Тк=550 К и Т0=293 К.

(к=0,07+3,14(80([11(10-6((550(293)(11(10-6((450(293)]=0,356 мм.

7.3. Расчет поршневого пальца

Параметры поршневого пальца принимаем по табл.50 [1,c.206]: наружный диаметр пальца: dп=20 мм; внутренний диаметр пальца: dв=14 мм; длина пальца: lп=66 мм; длина втулки шатуна: lш=30 мм; расстояние между торцами бобышек: b=32 мм; материал поршневого пальца: сталь 15Х, Е=2(105 МПа.

Палец плавающего типа.

Действительное максимальное давление: pz max=pZд=4,647 МПа .

Расчетная сила, действующая на поршневой палец: газовая: Pz max=pz max(Fп; Pz max=4,647(0,005024=0,0233 МН. инерционная: Pj=(mп((2(R((1+()(10-6, где ( =((n м/30=3,14(2700/30=282,6 рад/с;

Pj=(0,5024(282,62(0,035((1+0,285)=(0,001805 МН. расчетная: P=Pz max+k(Pj, где k=0,8 ( коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.

P=0,0233(0,8(0,001805=0,0219 МН.

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна: qш=P/(dп(lш); qш=0,0219/(0,02(0,03)=36,5 МПа.

Удельное давление пальца на бобышки: qб=P/[dп(lп-b)]; qб=0,0219/[0,02((0,066(0,032)]=32,21 МПа.

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца: (из=, где (=dв/dп=14/20=0,7 – отношение внутреннего диаметра кольца к наружному.

(из= МПа.
Касательное напряжение среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

(=;

(= МПа.

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

(dп max=;

(dп max=0,0297 мм.

Напряжение овализации на внешней поверхности пальца: в горизонтальной плоскости (рис.7.3. точки 1, (=0°):

(а 0°=;

(а 0°115,45 МПа; в вертикальной плоскости (рис.7.3. точки 3, (=90°):

(а 90°;

(а 90°(199,78 МПа.

Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца: в горизонтальной плоскости (рис.7.3. точки 2, (=0°):

(i 0°;

(i 0° (291,14 МПа. в вертикальной плоскости (рис.7.3. точки 4, (=90°):

(i 90°=;

(i 90°166,18 МПа.

Расчетная схема поршневого пальца приведена на рис. 7.3.

7.4. Расчет коленчатого вала

На основании данных динамического расчета имеем: центробежная сила инерции вращающихся масс: KR=(11,258 кН; вал с симметричными коленами и с противовесами, расположенными на концах вала; радиус кривошипа: R=35 мм.

С учетом соотношений, приведенных в табл.56 [1,с.247], и анализа существующих двигателей, принимаем следующие основные размеры колена вала: шатунная шейка: наружный диаметр: dш.ш=48 мм; длина: lш.ш=37 мм; коренная шейка: наружный диаметр: dк.ш=50 мм; длина: lк.ш=37 мм; расчетное сечение А(А щеки: ширина: b=80 мм; толщина: h=20 мм.

Материал вала: сталь 40Г.

Расчетная схема коленчатого вала представлена на рис. 7.4.

По табл.45 [1,с.200] и соотношениям, приведенным в §43 [1,с.197(204], определяем: пределы прочности: (в=700 МПа и текучести (условные) (т=360 МПа и (Т=210
МПа; пределы усталости (выносливости) при изгибе ((1=250 МПа, растяжении(сжатии
((1р=180 МПа и кручении (-1=150 МПа; коэффициенты приведения цикла при изгибе ((=0,16 и кручении ((=0,04.

По формулам (213)((215) [1,с.198] определяем: при изгибе: ((=(-1/(Т=250/360=0,69 и (((-
(()/(1((()=(0,69(0,16)/(1(0,69)=1,71; при кручении: ((=(-1/(Т=150/210=0,71 и (((-
(()/(1((()=(0,71(0,04)/(1(0,71)=2,31; при растяжении-сжатии: ((=(-1р/(Т=180/360=0,5 и (((-
(()/(1((()=(0,5(0,16)/(1(0,5)=0,68.

Удельное давление на поверхности: шатунных шеек: kш.ш.ср=Rш.ш.ср/(dш.ш(l’ш.ш); kш.ш.ср=8125(10(6/(0,031(0,048)=5,46 МПа. kш.ш.max=Rш.ш.max/(dш.ш(l’ш.ш); kш.ш.max=11060(10(6/(0,031(0,048)=7,43 МПа. где Rш.ш.ср=8125 Н и Rш.ш.max=11060 Н ( средняя и максимальная нагрузка на шатунную шейку; l’ш.ш.(l ш.ш.(2rгал=37(2(3=31 мм(рабочая ширина шатунного вкладыша; rгал =3 мм(радиус галтели.

Момент сопротивления кручению шатунной шейки: W( ш.ш=((/16)(dш.ш;

W( ш.ш=(3,14/16)(483(10(9=21,7(10-6 м3.

Моменты, изгибающие шатунную шейку (табл.7.2.):

MT=T’1(l/2=((0,5(T1)((2lш.ш+lк.ш+3(h)/2

Изгибающий момент, действующий на шатунную шейку в плоскости кривошипа:

МZ=Z’((l/2+Рпр (а Н( м;

Z’(=K’pк +Р’пр=(-0,5(Kpк)(Рпр

Для упрощения расчета Рпр не учитываем.

МZ=K’p(l/2 Н( м;

Изгибающий момент, действующий в плоскости оси масляного отверстия:

М(м=MT(sin(м(М((cos(м , где (м=67 °.

Таблица 7.2.

(° |T1', Н |MT, Н* м |MT(sin(m |Kpк', Н |Z(', Н |MZ, Н* м |MZ(cos(m
|M(m, Н* м | |0 |0 |0 |0 |9040,4 |9040,4 |863,4 |337,3 |-337,3 | |30 |-
1858 |-177,4 |-163,3 |7992,7 |7992,7 |763,3 |298,2 |-461,5 | |60 |-1227 |-

117,1 |-107,8 |5976,1 |5976,1 |570,7 |223,0 |-330,8 | |90 |658,8 |62,9
|57,9 |5816,8 |5816,8 |555,5 |217,1 |-159,1 | |120 |1252,9 |119,7 |110,1
|6846,4 |6846,4 |653,8 |255,5 |-145,3 | |150 |727,97 |69,5 |64,0 |7449,9
|7449,9 |711,5 |278,0 |-214,0 | |180 |0 |0 |0 |7597,0 |7597,0 |725,5 |283,5
|-283,5 | |210 |-796 |-76,0 |-70,0 |7614,8 |7614,8 |727,2 |284,1 |-354,1 |
|240 |-1457 |-139,2 |-128,1 |7045,0 |7045,0 |672,8 |262,9 |-391,0 | |270 |-

1036 |-98,9 |-91,0 |5924,2 |5924,2 |565,8 |221,1 |-312,1 | |300 |478,24
|45,7 |42,0 |5764,3 |5764,3 |550,5 |215,1 |-173,1 | |330 |917,1 |87,6 |80,6

|6796,0 |6796,0 |649,0 |253,6 |-173,0 | |360 |0 |0 |0 |6026,0 |6026,0
|575,5 |224,9 |-224,9 | |390 |2656,7 |253,7 |233,5 |2248,4 |2248,4 |214,7
|83,9 |149,6 | |420 |2115,9 |202,1 |186,0 |5030,2 |5030,2 |480,4 |187,7 |-

1,7 | |450 |2492,6 |238,0 |219,1 |6339,4 |6339,4 |605,4 |236,6 |-17,4 |

|480 |2145,1 |204,9 |188,6 |7713,3 |7713,3 |736,6 |287,8 |-99,2 | |510
|1029,4 |98,3 |90,5 |8203,9 |8203,9 |783,5 |306,1 |-215,6 | |540 |0 |0 |0
|7999,0 |7999,0 |763,9 |298,5 |-298,5 | |570 |-822,1 |-78,5 |-72,3 |7685,5
|7685,5 |734,0 |286,8 |-359,1 | |600 |-1402 |-133,9 |-123,2 |6990,8 |6990,8
|667,6 |260,9 |-384,1 | |630 |-864,8 |-82,6 |-76,0 |5875,5 |5875,5 |561,1
|219,2 |-295,3 | |660 |927,2 |88,5 |81,5 |5891,4 |5891,4 |562,6 |219,8 |-
138,3 | |690 |1713,3 |163,6 |150,6 |7809,2 |7809,2 |745,8 |291,4 |-140,8 |

|720 |0 |0 |0 |9153,4 |9153,4 |874,1 |341,6 |-341,6 | |

Максимальное и минимальное нормальные напряжения асимметричного цикла шатунной шейки:

(max= М( max/W( ш.ш=149,6(10-6/0,00001085=13,73 МПа;

(min= М( min/W( ш.ш=(461,5(10-6/0,00001085=(42,53 МПа, где W( ш.ш=0,5(W( ш.ш=0,5(21,7(10-6=10,85(10-6 м3.

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

(m=((max+(min)/2=(13,73-42,53)/2=(28,8 МПа;

((=((max ((min)/2= (13,73+42,53)/2=28,13 МПа;

((к=(а(k(/((м(((п()=28,13(1,8/(0,76(1,2)=55,52 МПа, где k(=1+q((к((1)=1+0,4((3-1)=1,8 (коэффициент концентрации напряжений; q=0,4(коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений принимаем по данным §43[1,с.197(204]; (к(=3 ( теоретический коэффициент концентрации напряжений принимаем по табл.47 [1,с.201]; (м(=0,76 ( масштабный коэффициент определяем по табл.48 [1,с.203] при dш.ш=65 мм;
(п(=1,2 ( коэффициент поверхностной чувствительности определяем по табл.49
[1,с.203] с учетом закалки шатунных шеек токами высокой частоты на глубину2(3 мм.

Запас прочности шатунной от нормальных напряжений шейки определяем по пределу усталости (при (m

Вернуться