Внимание! diplom-portal.ru не продает дипломы, аттестаты об образовании и иные документы об образовании. Все услуги на сайте предоставляются исключительно в рамках законодательства РФ.
Складская логистика изучает направления в работе склада -экономное и полное использование складских площадей. Транспортная логистика занимается планированием работы транспортно-экспедиционной службы
Изменения происходят не только в политике и экономике, но и в сознании людей. Общество обратило внимание на искусство, поняв необходимость гуманизации. Проблемы нравственно-эстетического воспитания
Обращение к России как к путеводной звезде, пусть порой скрывавшейся за туманом, проходит через всё творчество поэта. Этот образ в душе Блока «был светел навсегда», он укорял и призывал, рождал волю к
Данное явление связано с тем, что с недавнего времени, деятельность предприятий во всём мире характеризуется ростом управленческого аппарата и затрат на него, ростом объёма административной (офисной)
Немаловажную роль здесь играют и вопросы, связанные с порядком налогообложения внешнеэкономической деятельности. От государства в данной ситуации требуется создание таких условий функционирования, кот
Внешняя политика России до 1812 года. Войны с Францией. Отечественная война 1812 года начальный период. Отечественная война 1812 года. Разгром армии Наполеона. Влияние Отечественной войны 1812 год
Потоком сети называется неотрицательная функция f (1) такая, что f ( e ) меньше или равно c ( e ). (Поток не может превышать пропускную способность дуги.) Дуга "; echo ''; называется насыщенной поток
Списываются общехозяйственные расходы на основное производство Предан в течение отчётного периода на склад инструмент для нужд собственного производства по фактической себестоимости 15 % от объёма про
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 Кинематический расчет 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 :
Номинальная мощность, л.с. (кВт) | Число цилиндров, i | Расположение цилиндров | Тип двигателя | Частота вращения коленвала, об/мин -1 | Степень сжатия |
60 (44,1) | 4 | V -образное | карбюраторный | 4500 | 7,5 |
Низшая теплота сгорания топлива: Н u =33,91C+125,60H - 10,89(O - S) - 2,51(9H+W); Н u =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: М 1 = a L o +1/ m т = 0,96 * 0,516+1/115= 0,5050 кмоль. При неполном сгорании топлива ( a 1 ) продукты сгорания представляют собой смесь окиси углерода (СО), углекислого газа (СО 2 ) , водяного пара (Н 2 О), свободного водорода (Н 2 ) , и азота ( N 2 ) . 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): М СО =2 * [(1 - a )/(1+K)] * 0,208 * L o ; М СО =2 * [(1 - 0,96)/(1+0,5)] * 0,208 * 0,517=0,0057 кмоль/кг топл. М СО =С/12-2 * [(1 - a )/(1+ K )] * 0,208 * L o ; М СО =0,855/12 - 2 * [(1-0,96)/(1+0,5)] * 0,208 * 0,517=0,0655 кмоль/кг топл. М Н =2 * К * [(1 - a )/(1+ K )] * 0,208 * L o ; М Н =2 * 0,47 * [(1 - 0,96)/(1+0,5)] * 0,208 * 0,517=0,0029 кмоль/кг топл. М Н =Н/2 - 2 * К * [(1- a )/(1+ K )] * 0,208 * L o ; М Н =0,145/2-2 * 0,47 * [(1 - 0,96)/(1+0,5)] * 0,208 * 0,517=0,0696 кмоль/кг топл. М N =0,792 * a L o ; М N =0,792 * 0,96 * 0,517=0,393 кмоль/кг топл.
Суммарное количество продуктов сгорания: М 2 =М СО +М СО +М Н + М Н + М N ; М 2 =0,0073+0,063+0,0034+0,069+0,388=0,5367 кмоль/кг топл.
Проверка: М 2 =С/12+Н/2+0,792 * a * L o ; М 2 =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: p o =0,101 МПа; T o =293 К. Температуру остаточных газов принимаем на основании опытных данных [1,с.43]: Т r =1040 К; p r =1,16 * p o =1,16 * 0,101=0,11716 МПа.
Давление остаточных газов Р r можно получить на номинальном режиме: Р rN =1,18 * Р 0 =0,118 Мпа А р =(Р rN - Р 0 * 1,035) * 10 8 /( n N 2 * Р 0 )=0,716 Находим давление остаточных газов Р r : Р r = Р 0 * (1.035+ Ар * 10 -8 * n 2 ) Р r =0,101 * (1,035+0,716 * 10 -8 * 4500 2 )=0,118 МПа 1.2. Процесс впуска Температуру подогрева свежего заряда принимаем на основании опытных данных [1,с.44]: D Т=8 0 C . Плотность заряда на впуске: о = р 0 * 10 6 /( R В * T О ) =0,101 * 10 6 /(287 * 293) =1,189 кг/м 3 , где р 0 =0,101 МПа; Т 0 =293 К; R В - удельная газовая постоянная равная 287 Дж/ ( кг * град ) . Давление заряда в конце наполнения Р а принимаем на основании рекомендаций [1,с.44] в зависимости от средней скорости поршня С п = S * n /30, где S - ход поршня, n -заданная частота вращения коленвала двигателя: С п =0,092 * 4500/30=9,51 м/с.
Принимаем р а =0,0909 МПа.
Коэффициент остаточных газов: r = где j оч - коэффициент очистки; j доз - коэффициент дозарядки (без учета продувки и дозарядки j оч =1; j доз =0,95). r = Температура заряда в конце впуска: Т а =(T o + D Т + r * Т r )/(1+ r ); Т а =(293+8+0,07 * 1040)/(1+0,07)= 349,3 К. Коэффициент наполнения: 1.3. Процесс сжатия Средние показатели адиабаты сжатия при работе двигателя на номинальном режиме определяем по номограмме [1,с.48] при e =7,5 и Т а =349,3 К: k 1 =1,3775; средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше k 1 : n 1 = k 1 -0,02=1,3575. Давление в конце сжатия: р с = р а * e n 1 ; р с =0,085 * 7,5 1,3575 = 1,31 МПа.
Температура в конце сжатия: Т с = Т а * e ( n 1-1) ; Т с =349,3 * 7,5 (1,3575-1) =717,85 К. t c =Т с –273; t c =717,85 - 273=444,85 0 C . Средняя мольная теплоемкость в конце сжатия: свежей смеси: ( mC ) * 10 -3 * t c =20,6+2,638 * 10 -3 * 444,85=21,77 кДж/(моль * град ) ; остаточных газов: ( mC ) кДж/(моль * град ) -определяем методом экстрополяции (1, табл.7) рабочей смеси: ( mC ) mC ) r ) * (( mC ) r * ( mC ) кДж/(моль * град ) Число молей остаточных газов: М r = a * g r * L 0 ; М r =0,96 * 0,07 * 0,517=0,0347 кмоль/кг топл. Число молей газов в конце сжатия до сгорания: М с =М 1 +М r ; М с =0,505+0,0347=0,5397 кмоль/кг топл. 1.4. Процесс сгорания Химический коэффициент молекулярного изменения: m о =М 2 /М 1 , где М 1 - количество горючей смеси, отнесенное к 1кг топлива; М 2 - количество продуктов сгорания, отнесенное к 1кг топлива. m о =0,5367 / 0,505=1,0628. Действительный коэффициент молекулярного изменения: m = ( m о+ r )/(1+ r ); m =(1,0628+0,07)/(1+0,07)=1,0587 . Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива: D Н и =119950 * (1 - a ) * L 0 ; D Н и =119950 * (1 - 0,96) * 0,517=2480,57 кДж/кг топл.
Теплота сгорания рабочей смеси: Н раб. см. =(Н и - D Н и )/ [ М 1 * (1+ r ) ] ; Н раб. см. =(43930 - 2480,57)/ [ 0,505 * (1+0,07) ] =76708,5 кДж/кг топл.
Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания: ( mC ) 2 ) * [ М C О ( mC ) СО ( mC ) Н ( mC ) Н ( mC ) +М N ( mC ) ] ; ( mC ) * [ 0,0057 * (22,49+0,0143 * t z )+0,0655 * (39,123+0,003349 * t z )+0,0029 * * (19,678+0,001758 * t z )+0,0699 * (26,67+0,004438 * t z )+0,393 * (21,951+0,001457 * t z ) ] = =(24,652+0,002076 * t z ) кДж/(моль * град ) ; Коэффициент использования теплоты x z определяем по рис.37 [1,с.77] исходя из скоростного режима двигателя: x z =0,93 . Температура в конце видимого периода сгорания: x z * Н раб. см . + (mC * t c = m * (mC * t z ; 0,93 * 76708,5+21,903 * 445=1,0587 * (24,652+0,002076 * t z ) * t z; ; 0,002198 * t z 2 + 26,099 * t z –81085,74=0; t z =( - 26,099+ )/(2 * 0,002198)= 2556,45 0 С; T z = t z +273=2556,45+273 =2829,45 K . Максимальное теоретическое давление в конце процесса сгорания: р z = p c * m * T z / T c ; р z =1,31 * 1,0587 * 2829,45 /717,85=5,4665 МПа.
Действительное максимальное давление в конце процесса сгорания: р z д =0,85 * р z ; р z д =0,85 * 5,4665=4,6465 МПа.
Степень повышения давления: l =р z / р с ; l =5,4665/1,31=4,173. 1.5. Процессы расширения и выпуска Средний показатель адиабаты расширения k 2 определяем по номограмме (см. рис.29 [1,с.57]) при заданном e =7,5 для соответствующих значений T z и , а средний показатель политропы расширения n 2 оцениваем по величине среднего показателя адиабаты k 2 =1,2511: n 2 =1,251. Давление и температура в конце процесса расширения: p b =p z / n 2 ; p b =5,7665/7,5 1,251 =0,43957 МПа . T b = T Z / n 2 - 1 ; T b =2829/7,5 1,251 - 1 =1706 К. Проверка ранее принятой температуры остаточных газов: 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 j и =0,96 , тогда: р i = j и * р i ’ =0,96 * 1,0406=1,0 МПа.
Индикаторный к.п.д.: h i = p i * l 0 * a / ( Н и * r 0 * h v ); h i = (1,0 * 14,957 * 0,96)/(43,93 * 1,189 * 0,73) =0,3766. Индикаторный удельный расход топлива: g i = 3600/( Н и * h i ); g i = 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: p м = 0,034+0,0113 * V п ; Предварительно приняв ход поршня S равным 70 мм, получим: V п =S * n/3 * 10 4 V п =70 * 4500/3 * 10 4 =10,35 м/с. p м = 0,034+0,0113 * 10,35=0,151 МПа.
Среднее эффективное давление и механический к.п.д.: p е =p i - p м ; p е =1,0 - 0,151=0,849 МПа. h м = р е / р i ; h м =0,849/1,0=0,849. Эффективный к.п.д. и эффективный удельный расход топлива: h е = h i * h м ; h е =0,3766 * 0,849=0,3198. g e =3600/(Н и * h е ); g e =3600/(43,93 * 0,3198)=256 г/(кВт * ч). 1.8. Основные параметры цилиндра и двигателя а.
Литраж двигателя: V л =30 * t * N е /(р е * n )=30 * 4 * 44,1/(0,849 * 4500)=1,3852 л. б.
Рабочий объем цилиндра: V h = V л / i =1,3852/4=0,3463 л. в.
Диаметр цилиндра: D =2 * 10 3 ( V h /( * S ))=2 * 10 3 * ( 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: V л = p * D 2 * S * i / (4 * 10 6 ) =3,14 * 80 2 * 70 * 4/(4 * 10 6 )=1,41 л. б.
Площадь поршня: F п = p D 2 / 4=3,14 * 80 2 /4=5024 мм 2 =50,24 см 2 . в.
Эффективная мощность: N е =р е * V л * n /(30 * t )=0,849 * 1,41 * 4500/(30 * 4)=44,89 кВт.
Расхождение с заданной мощностью: D =100 * ( N е з - N е )/ N е з =100 * (44,1-44,89)/44,89=0,017 % . г.
Эффективный крутящий момент: М е =(3*10 4 / p ) * ( N e / n )=(3 * 10 4 /3,14) * (44,89/4500)=95,3 Н * м . д.
Часовой расход топлива: G т = N e * g e * 10 - 3 =44,89 * 256 * 10 - 3 =11,492 кг/ч. е.
Литровая мощность двигателя: N л = N e / V л =44,89/1,41=31,84 кВт/л. 1.9. Построение индикаторной диаграммы Режим двигателя: N e =44,89 кВт, n =4500 об/мин.
Масштабы диаграммы: хода поршня M s =0,7 мм в мм, давлений M p =0,035 МПа в мм.
Величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания: АВ =S/M s =70/0,7=100 мм ; ОА=АВ / ( e - 1)=100/(7,5 - 1)=15,38 мм.
Масштабная высота диаграммы (т. Z ): P z /М р =5,4665/0,035=156,2 мм.
Ординаты характерных точек: р а / М р =0,085/0,035=2,4 мм; р с / М р =1,31/0,035=37,4 мм; р b / М р =0,4395/0,035=12,6 мм; р r / М р =0,118/0,035 =3,4 мм; р о / М р =0,1/0,035=2,9 мм.
Построение политроп сжатия и расширения аналитическим методом: а.
Политропа сжатия: р х =р а * ( V а / V х ) n 1 . Отсюда р х / М р =(р а /М р ) * (ОВ/ОХ) n 1 мм , где ОВ= ОА+АВ=15,38+100=115,38 мм; n 1 1,3575 . б.
Политропа расширения: р х = р b * ( V b / V х ) n 2 . Отсюда р х / М р =( p b /М р ) * (ОВ/ОХ) n 2 мм , где ОВ=115,38; n 2 =1,251. Данные расчета точек политроп приведены в табл.1.1. Теоретическое среднее индикаторное давление: р i ’ = F 1 * M p / AB =2950 * 0,035/100=1,0325 МПа, где F 1 =2950 мм 2 - площадь диаграммы aczba на рис.1.1. Величина р i ’ =1,0325 МПа полученная планиметрированием индикаторной диаграммы очень близка к величине р i ’ =1,0406 МПа полученной в тепловом расчете.
Таблица 1.1.
№ точек | ОХ, мм | ОВ/ОХ | Политропа сжатия | Политропа расширения | ||||
(ОВ/ОХ) 1,3575 | Р х /М р , мм | Р х ,МПа | (ОВ/ОХ) 1,251 | Р х /М р , мм | Р х ,МПа | |||
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 | 15,4 16,5 17,8 19,2 21,0 23,1 25,6 28,9 33,0 38,5 46,2 57,7 76,9 115,4 | 7,5 7 6,5 6 5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 | 15,41 14,04 12,69 11,39 10,12 8,89 7,70 6,57 5,48 4,44 3,47 2,56 1,73 1 | 37,0 33,6 30,4 27,4 24,3 21,3 18,5 15,7 13,1 10,7 8,3 6,1 4,2 2,4 | 1,30 (точка с) 1,18 1,06 0,96 0,85 0,75 0,65 0,55 0,46 0,37 0,29 0,21 0,15 0,08 (точка a) | 12,44 11,40 10,40 9,41 8,44 7,49 6,56 5,66 4,79 3,95 3,15 2,38 1,66 1 | 156,5 143,6 130,6 118,8 106,2 94,3 82,9 71,2 60,3 49,7 39,6 30,0 20,9 12,6 | 5,48 (точка z ) 5,03 4,57 4,16 3,72 3,30 2,90 2,49 2,11 1,74 1,39 1,05 0,73 0,441 |
Обозначе-ние точек | Положение точек | ° | AX, мм | ||
r’ | 10° до в.м.т. | 10 | 0,0195 | 0,975 | |
a' | 10° после в.м.т. | 10 | 0,0195 | 0,975 | |
a'' | 46° после н.м.т. | 134 | 1,7684 | 88,42 | |
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 |
Действительное давление сгорания: p z д =0,85 * р z ; p z д =0,85 * 5,4665=4,6465 МПа. p z д /М P =4,6465/0,035=132,8 мм. 1.10.Тепловой баланс Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом: Q o =H и * G т /3,6; Q o =43930 * 11,492/3,6=140234 Дж/с.
Теплота, эквивалентная эффективной работе: Q е =1000 * N е ; Q е =1000 * 44,89=44890 Дж/с.
Теплота , передаваемая охлаждающей среде: Q в =c * i * D 1+2m * n m * (H и - D H и )/( a * H и ), 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. Q в =0,5 * 4 * 8 1+2*0,62 * 4500 0,62 * (43930-2480,54)/(0,96 * 43930)=38144 Дж/с.
Теплота, унесенная с отработавшими газами: Q г =(G т /3,6) * { M 2 [ (mC +8,315 ] t r -M 1 * [ (mC +8,315 ] t o } , где ( mC ) кДж/(кмоль * град) - теплоемкость остаточных газов, ( mC ) кДж/(кмоль * град) - теплоемкость свежего заряда (для воздуха) определяем по табл.5,7 [ 1,с.16,18 ] . Q г =(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: Q н.с. = D H и * G т /3,6; Q н.с. =2480,54 * 11,492/3,6=7918 Дж/с.
Неучтенные потери теплоты: Q ост. = Q 0 -( Q е + Q в + Q г + Q н.с ) . =6210,2 Составляющие теплового баланса представлены в табл.1.3. Таблица 1.3.
Составляющие теплового баланса | Q, Дж/с | q,% |
Теплота, эквивалентная эффективной работе | 44890 | 32 |
Теплота, передаваемая охлаждающей среде | 38144 | 27,2 |
Теплота, унесенная с отработавшими газами | 43071 | 30,7 |
Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива | 7918 | 5,6 |
Неучтенные потери теплоты | 6210,2 | 4,5 |
Общее количество теплоты, введенное в двигатель с топливом | 140234 | 100 |
Эффективный крутящий момент: M ex =3 * 10 4 * N ex /( p * n x ); Удельный эффективный расход топлива : g ex = g e N * , где g e N =256 г/(кВт * ч) . Часовой расход топлива: G т x = g ex * N ex * 10 -3 ; Значение a принимаем постоянным ( a =0,96) на всех скоростных режимах кроме минимального ( a =0,86). Коэффициент наполнения: h vx = p ex * l o * a x * g ex /(3600 * r k ); Коэффициент приспосабливаемости: k = M e max / M e 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.
n x , об/мин | N e , кВт | M e , Н м | g e , г/(кВт ч) | G t , кг/ч | h v | a |
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 |
№ | Наименование и размерность показателей | Обознач-ие показателя | Проектируемый двигатель | Прототип (ЗАЗ-968М) |
1 | Диаметр цилиндра, мм | D | 80 | 76 |
2 | Литраж, л | i*V h | 1,385 | 1,197 |
3 | Число цилиндров | i | 4 | 4 |
4 | Степень сжатия | e | 7,5 | 7,2 |
5 | Частота вращения коленвала (номинальный режим), об/мин | n | 4500 | 4400 |
6 | Ход поршня, мм | S | 70 | 66 |
7 | Максимальная мощность (номинальный режим), кВт | N e | 44,89 | 30,8 |
8 | Удельный эффективный расход топлива (номинальный режим), г/(кВт* ч) | g e | 256 | - |
9 | Максимальный крутящий момент (номинальный режим), Н* м | M e max | 118,2 | 92,3 |
10 | Частота вращения коленвала, соответствующая максимальному моменту, об/мин | n M | 2700 | 3000 |
11 | Среднее эффективное давление (номинальный режим), МН/м 2 | P e | 0,849 | 0,7 |
12 | Литровая мощность, кВт/л | N e л | 31,84 | 25,73 |
13 | Минимальный удельный эффективный расход топлива, г/(кВт* ч) | g e min | 215 | 333 |
Расчет производится через каждые 10° угла поворота коленчатого вала.
Угловая скорость вращения коленчатого вала: w = p * n /30=3,14 * 4500/30=471 рад/с.
Скорость поршня: V п = w * R * ( sin j + * sin2 j )=471 * 0,035 * ( sin j + * sin2 j ) м / с . Ускорение поршня: j= w 2 * R * ( cos j + l * cos2 j )=471 2 * 0,0,35 * ( cos j +0,285 * cos2 j ) м / с 2 . Результаты расчетов занесены в табл.4.1. Таблица 4.1.
j ° | S x , мм | V n , м/с | cos j + l cos2 j | j, м / с 2 | ||
0 | 0 | 0 | 0 | 0,0000 | 1,2850 | 9977 |
10 | 0,0195 | 0,6821 | 0,2224 | 3,6660 | 1,2526 | 9726 |
20 | 0,0770 | 2,6942 | 0,4336 | 7,1482 | 1,1580 | 8991 |
30 | 0,1696 | 5,9360 | 0,6234 | 10,2769 | 1,0085 | 7831 |
40 | 0,2928 | 10,2492 | 0,7831 | 12,9098 | 0,8155 | 6332 |
50 | 0,4408 | 15,4292 | 0,9064 | 14,9417 | 0,5933 | 4607 |
60 | 0,6069 | 21,2406 | 0,9894 | 16,3108 | 0,3575 | 2776 |
70 | 0,7838 | 27,4334 | 1,0313 | 17,0008 | 0,1237 | 960 |
80 | 0,9646 | 33,7594 | 1,0335 | 17,0380 | -0,0942 | -731 |
90 | 1,1425 | 39,9875 | 1,0000 | 16,4850 | -0,2850 | -2213 |
100 | 1,3119 | 45,9148 | 0,9361 | 15,4311 | -0,4415 | -3428 |
110 | 1,4679 | 51,3748 | 0,8481 | 13,9809 | -0,5603 | -4351 |
120 | 1,6069 | 56,2406 | 0,7426 | 12,2420 | -0,6425 | -4989 |
130 | 1,7264 | 60,4244 | 0,6257 | 10,3148 | -0,6923 | -5375 |
140 | 1,8249 | 63,8723 | 0,5025 | 8,2829 | -0,7166 | -5564 |
150 | 1,9017 | 66,5578 | 0,3766 | 6,2081 | -0,7235 | -5618 |
160 | 1,9564 | 68,4727 | 0,2504 | 4,1282 | -0,7214 | -5601 |
170 | 1,9891 | 69,6187 | 0,1249 | 2,0591 | -0,7170 | -5567 |
180 | 2,0000 | 70,0000 | 0,0000 | 0,0000 | -0,7150 | -5552 |
190 | 1,9891 | 69,6187 | -0,1249 | -2,0591 | -0,7170 | -5567 |
200 | 1,9564 | 68,4727 | -0,2504 | -4,1282 | -0,7214 | -5601 |
210 | 1,9017 | 66,5578 | -0,3766 | -6,2081 | -0,7235 | -5618 |
220 | 1,8249 | 63,8723 | -0,5025 | -8,2829 | -0,7166 | -5564 |
230 | 1,7264 | 60,4244 | -0,6257 | -10,3148 | -0,6923 | -5375 |
240 | 1,6069 | 56,2406 | -0,7426 | -12,2420 | -0,6425 | -4989 |
250 | 1,4679 | 51,3748 | -0,8481 | -13,9809 | -0,5603 | -4351 |
260 | 1,3119 | 45,9148 | -0,9361 | -15,4311 | -0,4415 | -3428 |
270 | 1,1425 | 39,9875 | -1,0000 | -16,4850 | -0,2850 | -2213 |
280 | 0,9646 | 33,7594 | -1,0335 | -17,0380 | -0,0942 | -731 |
290 | 0,7838 | 27,4334 | -1,0313 | -17,0008 | 0,1237 | 960 |
300 | 0,6069 | 21,2406 | -0,9894 | -16,3108 | 0,3575 | 2776 |
310 | 0,4408 | 15,4292 | -0,9064 | -14,9417 | 0,5933 | 4607 |
320 | 0,2928 | 10,2492 | -0,7831 | -12,9098 | 0,8155 | 6332 |
330 | 0,1696 | 5,9360 | -0,6234 | -10,2769 | 1,0085 | 7831 |
340 | 0,0770 | 2,6942 | -0,4336 | -7,1482 | 1,1580 | 8991 |
350 | 0,0195 | 0,6821 | -0,2224 | -3,6660 | 1,2526 | 9726 |
360 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0000 | 0,0000 | 1,2850 | 9977 |
Центробежная сила инерции вращающихся масс: K R = - m R * R * w 2 = - 1,45 * 0,035 * 471 2 * 10 - 3 = - 11,258 кН . Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна: K R ш = - m ш к * R * w 2 = - 0,546 * 0,035 * 471 2 * 10 - 3 = - 4,239 кН. Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа: K R к = - m к * R * w 2 = - 0,904 * 0,035 * 471 2 * 10 - 3 = - 7,019 кН. 4.2.4.Удельные суммарные силы Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца (гр.5 табл.4.2.): p = D p г + р j . Удельная нормальная сила (гр.7 табл. 4.2.): p N =p * tg b , где значения tg b определяем для l =0,285 по табл.22 [ 1,с.130 ] и заносим в гр.6. Удельная сила, действующая вдоль шатуна (гр.9 табл. 4.2.): p s =p * (1/cos b ). Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа (гр.11 табл. 4.2.): p к =p * cos( j + b )/cos b . Удельная тангенциальная сила (гр.13 табл. 4.2.): p T = p * sin( j + b )/cos b . Полная тангенциальная сила (гр.14): T = p T * F П = p T * 0,0073898 * 10 3 . Таблица 4.2.
j 0 | D Р Г | I , м/с 2 | Р i , МПа | Р, МПа | tg b | P N , МПа | 1/cos b | P S , МПа | cos j + b /cos b | р К , МПа | sin j + b /cos b | Р Т , МПа | Т, кН | М КР. Ц., Н*м |
0 | 0,05 | 9977 | -1,408 | -1,358 | 0 | 0 | 1 | -1,358 | 1 | -1,358 | 0 | 0 | 0 | 0 |
30 | -0,08 | 7831 | -1,105 | -1,185 | 0,143 | -0,169 | 1,01 | -1,197 | 0,794 | -0,941 | 0,624 | -0,739 | -3,715 | -130,03 |
60 | -0,1 | 2776 | -0,392 | -0,492 | 0,253 | -0,124 | 1,031 | -0,507 | 0,281 | -0,138 | 0,993 | -0,488 | -2,453 | -85,86 |
90 | -0,05 | -2213 | 0,312 | 0,262 | 0,295 | 0,077 | 1,043 | 0,274 | -0,285 | -0,075 | 1 | 0,262 | 1,318 | 46,12 |
120 | -0,03 | -4989 | 0,704 | 0,674 | 0,252 | 0,170 | 1,031 | 0,695 | -0,719 | -0,485 | 0,74 | 0,499 | 2,506 | 87,70 |
150 | -0,02 | -5618 | 0,793 | 0,773 | 0,145 | 0,112 | 1,01 | 0,781 | -0,938 | -0,725 | 0,375 | 0,290 | 1,456 | 50,96 |
180 | 0 | -5552 | 0,783 | 0,783 | 0 | 0 | 1 | 0,783 | -1 | 0,783 | 0 | 0 | 0 | 0 |
210 | 0,05 | -5618 | 0,793 | 0,843 | -0,143 | -0,121 | 1,01 | 0,851 | -0,938 | -0,791 | -0,375 | -0,316 | -1,588 | -55,57 |
240 | 0,08 | -4989 | 0,704 | 0,784 | -0,253 | -0,198 | 1,031 | 0,808 | -0,719 | -0,564 | -0,74 | -0,580 | -2,915 | -102,02 |
270 | 0,1 | -2213 | 0,312 | 0,412 | -0,295 | -0,122 | 1,043 | 0,430 | -0,285 | -0,118 | -1 | -0,412 | -2,071 | -72,5 |
300 | 0,2 | 2776 | -0,392 | -0,192 | -0,252 | 0,048 | 1,031 | -0,198 | 0,281 | -0,054 | -0,993 | 0,190 | 0,956 | 33,48 |
330 | 0,52 | 7831 | -1,105 | -0,585 | -0,145 | 0,085 | 1,01 | -0,591 | 0,794 | -0,465 | -0,624 | 0,365 | 1,834 | 64,2 |
360 | 1,25 | 9977 | -1,408 | -0,158 | 0 | 0 | 1 | -0,158 | 1 | -0,158 | 0 | 0 | 0 | 0 |
370 | 4,65 | 9726 | -1,373 | 3,277 | 0,049 | 0,161 | 1,001 | 3,281 | 0,976 | 3,199 | 0,222 | 0,728 | 3,655 | 127,94 |
390 | 2,8 | 7831 | -1,105 | 1,695 | 0,143 | 0,242 | 1,01 | 1,712 | 0,794 | 1,346 | 0,624 | 1,058 | 5,314 | 185,97 |
420 | 1,24 | 2776 | -0,392 | 0,848 | 0,253 | 0,215 | 1,031 | 0,875 | 0,281 | 0,238 | 0,993 | 0,842 | 4,232 | 148,12 |
450 | 0,68 | -2213 | 0,312 | 0,992 | 0,295 | 0,293 | 1,043 | 1,035 | -0,285 | -0,283 | 1 | 0,992 | 4,985 | 174,48 |
480 | 0,45 | -4989 | 0,704 | 1,154 | 0,252 | 0,291 | 1,031 | 1,190 | -0,719 | -0,830 | 0,74 | 0,854 | 4,290 | 150,16 |
510 | 0,3 | -5618 | 0,793 | 1,093 | 0,145 | 0,158 | 1,01 | 1,104 | -0,938 | -1,025 | 0,375 | 0,410 | 2,059 | 72,06 |
540 | 0,16 | -5552 | 0,783 | 0,943 | 0 | 0 | 1 | 0,943 | -1 | 0,943 | 0 | 0 | 0 | 0 |
570 | 0,08 | -5618 | 0,793 | 0,873 | -0,143 | -0,125 | 1,01 | 0,882 | -0,938 | -0,819 | -0,375 | -0,327 | -1,644 | -57,55 |
600 | 0,05 | -4989 | 0,704 | 0,754 | -0,253 | -0,191 | 1,031 | 0,777 | -0,719 | -0,542 | -0,74 | -0,558 | -2,803 | -98,11 |
630 | 0,032 | -2213 | 0,312 | 0,344 | -0,295 | -0,102 | 1,043 | 0,359 | -0,285 | -0,098 | -1 | -0,344 | -1,730 | -60,54 |
660 | 0,02 | 2776 | -0,392 | -0,372 | -0,252 | 0,094 | 1,031 | -0,383 | 0,281 | -0,104 | -0,993 | 0,369 | 1,854 | 64,91 |
690 | 0,012 | 7831 | -1,105 | -1,093 | -0,145 | 0,158 | 1,01 | -1,104 | 0,794 | -0,868 | -0,624 | 0,682 | 3,427 | 119,94 |
720 | 0,005 | 9977 | -1,408 | -1,403 | 0 | 0 | 1 | -1,403 | 1 | -1,403 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Период изменения крутящего момента четырехтактного двигателя с равными интервалами между вспышками: =720/ i =720/4=180°. Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется табличным методом (табл. 4.3.) через каждые 30° угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая М кр (рис. 4.9.). Таблица 4.3.
j 0 | цилиндры | М КР , Н*м | |||||||
1-й | 2-й | 3-й | 4-й | ||||||
j 0 кривошипа | М КР. Ц. , Н*м | j 0 кривошипа | М КР. Ц. , Н*м | j 0 кривошипа | М КР. Ц. , Н*м | j 0 кривошипа | М КР. Ц. , Н*м | ||
0 | 0 | 0 | 180 | 0 | 360 | 0 | 540 | 0 | 0 |
30 | 30 | -130,032 | 210 | -55,574 | 390 | 185,974 | 570 | -57,552 | -57,2 |
60 | 60 | -85,860 | 240 | -102,017 | 420 | 148,116 | 600 | -98,113 | -137,9 |
90 | 90 | 46,120 | 270 | -72,496 | 450 | 174,483 | 630 | -60,539 | 87,6 |
120 | 120 | 87,703 | 300 | 33,477 | 480 | 150,162 | 660 | 64,907 | 336,2 |
150 | 150 | 50,958 | 330 | 64,197 | 510 | 72,059 | 690 | 119,937 | 307,2 |
180 | 180 | 0 | 360 | 0 | 540 | 0 | 720 | 0 | 0 |
Значения R ш.ш для различных j заносим в табл.4.4. и по ним строим диаграмму R Ш.Ш. в прямоугольных координатах (рис.4.11.). Таблица 4.4.
j ° | Полные силы, кН | |||||||||||||||||||||||||||||||
T | K | P к | R ш . ш | K Рк | R к | |||||||||||||||||||||||||||
| 0 | -6,823 | -11,062 | 11,06 | -18,081 | 18,08 | ||||||||||||||||||||||||||
30 | -3,715 | -4,727 | -8,966 | 9,83 | -15,985 | 16,45 | ||||||||||||||||||||||||||
60 | -2,453 | -0,694 | -4,933 | 5,45 | -11,952 | 12,05 | ||||||||||||||||||||||||||
90 | 1,318 | -0,376 | -4,615 | 4,75 | -11,634 | 11,63 | ||||||||||||||||||||||||||
120 | 2,506 | -2,435 | -6,674 | 7,17 | -13,693 | 13,94 | ||||||||||||||||||||||||||
150 | 1,456 | -3,642 | -7,881 | 7,79 | -14,900 | 14,85 | ||||||||||||||||||||||||||
180 | 0 | -3,936 | -8,175 | 8,11 | -15,194 | 15,05 | ||||||||||||||||||||||||||
210 | -1,592 | -3,972 | -8,211 | 8,30 | -15,230 | 15,21 | ||||||||||||||||||||||||||
240 | 0,000 | -2,832 | -7,071 | 7,52 | -14,090 | 14,32 | ||||||||||||||||||||||||||
270 | -2,071 | -0,590 | -4,829 | 5,18 | -11,848 | 11,91 | ||||||||||||||||||||||||||
300 | 0,956 | -0,271 | -4,510 | 4,58 | -11,529 | 11,51 | ||||||||||||||||||||||||||
330 | 1,834 | -2,334 | -6,573 | 6,7 | -13,592 | 13,85 | ||||||||||||||||||||||||||
360 | 0,000 | -0,794 | -5,033 | 5,03 | -12,052 | 12,03 | ||||||||||||||||||||||||||
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 | -10,060 | 9,89 | ||||||||||||||||||||||||||
450 | 4,985 | -1,421 | -5,660 | 7,50 | -12,679 | 13,51 | ||||||||||||||||||||||||||
480 | 4,290 | -4,169 | -8,408 | 9,41 | -15,427 | 15,97 | ||||||||||||||||||||||||||
510 | 2,059 | -5,150 | -9,389 | 9,50 | -16,408 | 16,45 | ||||||||||||||||||||||||||
540 | 0 | -4,740 | -8,979 | 8,98 | -15,998 | 16,03 | ||||||||||||||||||||||||||
570 | -1,644 | -4,113 | -8,352 | 8,41 | -15,371 | 15,31 | ||||||||||||||||||||||||||
600 | -2,803 | -2,724 | -6,963 | 7,45 | -13,982 | 14,04 | ||||||||||||||||||||||||||
630 | -1,730 | -0,493 | -4,732 | 5,06 | -11,751 | 11,81 | ||||||||||||||||||||||||||
660 | 1,854 | -0,525 | -4,764 | 5,17 | -11,783 | 11,91 | ||||||||||||||||||||||||||
690 | 3,427 | -4,360 | -8,599 | 9,21 | -15,618 | 15,91 | ||||||||||||||||||||||||||
720 | 0 | -7,049 | -11,062 | 11,06 | -18,307 | 18,08 |
R шшi | Значения R шшi , кН, для лучей | ||||||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||||
R шш0 | 11,06 | 11,06 | 11,06 | 11,06 | 11,06 | ||||||||||
R шш30 | 9,83 | 9,83 | 9,83 | 9,83 | |||||||||||
R шш60 | 5,45 | 5,45 | 5,45 | 5,45 | |||||||||||
R шш90 | 4,75 | 4,75 | 4,75 | 4,75 | |||||||||||
R шш120 | 7,17 | 7,17 | 7,17 | 7,17 | |||||||||||
R шш150 | 7,79 | 7,79 | 7,79 | 7,79 | |||||||||||
R шш180 | 8,11 | 8,11 | 8,11 | 8,11 | 8,11 | ||||||||||
R шш210 | 8,30 | 8,30 | 8,30 | 8,30 | |||||||||||
R шш240 | 7,52 | 7,52 | 7,52 | 7,52 | |||||||||||
R шш270 | 5,18 | 5,18 | 5,18 | 5,18 | |||||||||||
R шш300 | 4,58 | 4,58 | 4,58 | 4,58 | |||||||||||
R шш330 | 6,7 | 6,7 | 6,7 | 6,7 | |||||||||||
R шш360 | 5,03 | 5,03 | 5,03 | 5,03 | 5,03 | ||||||||||
R шш390 | 5,85 | 5,85 | 5,85 | 5,85 | |||||||||||
R шш420 | 4,72 | 4,72 | 4,72 | 4,72 | |||||||||||
R шш450 | 7,50 | 7,50 | 7,50 | 7,50 | |||||||||||
R шш480 | 9,41 | 9,41 | 9,41 | 9,41 | |||||||||||
R шш510 | 9,50 | 9,50 | 9,50 | 9,50 | |||||||||||
R шш540 | 8,98 | 8,98 | 8,98 | 8,98 | 8,98 | ||||||||||
R шш570 | 8,41 | 8,41 | 8,41 | 8,41 | |||||||||||
R шш600 | 7,45 | 7,45 | 7,45 | 7,45 | |||||||||||
R шш630 | 5,06 | 5,06 | 5,06 | 5,06 | |||||||||||
R шш660 | 5,17 | 5,17 | 5,17 | 5,17 | |||||||||||
R шш690 | 9,21 | 9,21 | 9,21 | 9,21 | |||||||||||
R шш | 162,16 | 154,66 | 90,38 | 5,85 | 10,57 | 18,07 | 115,53 | 161,43 | |||||||
Сравнение данных представлены в таблице 5.1. Данные компьютерного расчета представлены в таблицах 5.2., 5.3., 5.4., 5.5., 5.6., 5.7., 5.8., 5.9. Таблица 5.1.
№ | Наименование и размерность показателей | Обозначение показателя | Расчет на ЭВМ с использованием специальной программы | Расчет без использования специальной программы |
1 | Теоретическое среднее индикаторное давление, МПа | Р i ’ | 0,9958 | 1,041 |
2 | Среднее индикаторное давление, МПа | Р i | 0,956 | 1 |
3 | Индикторный КПД | h i | 0,3317 | 0,351 |
4 | Удельный индикаторный расход топлива, г/(кВт*ч) | g i | 242,6 | 218 |
5 | Среднее эффективное давление | P e | 0,809 | 0,849 |
6 | Эффективный КПД | h е | 0,286 | 0,32 |
7 | Механический КПД | h м | 0,847 | 0,849 |
8 | Удельный эффеrтивный расход топлива, г/(кВт*ч) | g е | 286,595 | 256 |
9 | Литраж, л | i*V h | 1,81 | 1,385 |
10 | Мощность двигателя, кВт | N e | 56,142 | 44,89 |
11 | Крутящий момент при максимальной мощности, Н*м | M e | 116,548 | 95,3 |
12 | Давление механических потерь | Р м | 0,147 | 0,151 |
13 | Диаметр цилиндра, мм | D | 80 | 80 |
14 | Ход поршня, мм | S | 90 | 70 |
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 ( P j I ) первого порядка и центробежные силы (Р С ) взаимно уравновешаны: P j I =0, Р С =0. Силы инерции второго порядка приводятся к равнодействующей в вертикальной плоскости: P j I I =2 2m i * R * w 2 * l * cos2 j =2 2 * 0,709 * 0,035 * 471 2 * 0,285 * cos2 j =4437,58 * cos2 j Значения P j I I приведены в таблице 6.1. Порядок работы цилиндров: 1-3-4-2. Таблица 6.1.
j 0 | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 180 | 210 | 240 | 270 | 300 | 330 | 360 |
P j I I | 4437 | 2219 | -2219 | -4437 | -2219 | 2219 | 4437 | 2219 | -2219 | -4437 | -2219 | 2219 | 4437 |
Равнодействующий момент от сил 1-го порядка действует в горизонтальной плоскости В-В (рис.6.1.), проходящей через ось коленчатого вала. М i 1 = 2 * m i * R * w 2 * cos j * a=0,0031 * cos j Задаваясь из конструктивных соображений величинами r и l определяем m ур : m ур = М i 1 /( r l )=0,33 кг.
Момент от сил инерции 2-го порядка действуют в горизонтальной плоскости и в следствии его незначительности не учитывается. М i 2 = 2 * m i * R * w 2 * cos j * b Момент от центробежных сил действует во вращающейся плоскости, отстоящей от плоскости 1-го кривошипа на 45 0 . М с = 2 * m R * R * w 2 * a. Момент М с легко уравновесить при помощи противовесов с массой каждого противовеса m z , расположенных на продолжении щек коленчатого вала. m z = 2 * m R * R * w 2 * a/( r с )=1,59 кг . арасстояние между центрами шатунных шеек, b - расстояние между центрами тяжести противовесов, r - 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: p Z д =4,647 МПа; площадь поршня: F п =50,24 см 2 ; наибольшая нормальная сила: N max =0,0015 МН при j =450 0 масса поршневой группы: m п =0,5024 кг; частота вращения: n max =4500 об/мин; отношение радиуса кривошипа к длине шатуна: l =0,285. В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом соотношений, приведенных в табл.50 [ 1,с.206 ] , принимаем: толщина днища поршня: d =6 мм; высота поршня: H =84 мм; высота юбки поршня: h ю =52 мм; высота верхней части поршня h 1 =32 мм; внутренний диаметр поршня: d i =60,4 мм; диаметр бобышки: d б =32 мм; расстояние между торцами бобышек: b =32 мм; расстояние до первой поршневой канавки: e =8 мм; радиальная толщина кольца: t К = t М =3 мм; радиальный зазор кольца в канавке поршня: D t =0,8 мм; толщина стенки головки поршня: s =6 мм; толщина стенки юбки поршня: d ю =3 мм; величина верхней кольцевой перемычки: h п =4 мм; число и диаметр масляных каналов в поршне: n m ’=10 и d m =1 мм. Схема поршня представлена на рис.7.1. Материал поршня - алюминиевый сплав, a п =22 * 10 -6 1/К; материал гильзы цилиндра - чугун, a ц =11 * 10 - 6 1/К. Напряжение изгиба в днище поршня: s из = p Z д * ( r 1 / d ) 2 , где r 1 =D/2 - (s+t+ D t)=80/2 - (6+3+0,8)=30,2 мм . s из =4,647 * (30,2/6) 2 =117,73 МПа. Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, т.к. s из > 25 Мпа.
Напряжение сжатия в сечении x - x : s сж = P Z д / F x - x , где P z д = p Z д * F п =4,647 * 0,005024 =0,0233 МН; s сж =0,0233/0,00119=19,56 МПа . F x - x =( p /4) * (d k 2 - d i 2 ) - n m ’ * ( d k - d i ) * d m /2; F x - x =( (3,14/4) * (72,4 2 - 60,4 2 ) - 10 * 6)) * 10 -6 =0,00119 м 2 . d k =D - 2 * (t+ D t); d k =80 - 2 * (3+0,8)=72,4 мм.
Напряжение разрыва в сечении x - x : максимальная угловая скорость холостого хода: w х.х max = p * n х.х max /30; w х.х max =3,14 * 5300/30=555 рад/с. масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения x - x : m x - x =0,5 * m п ; m x - x =0,5 * 0,5024=0,2512 кг. максимальная разрывающая сила: P j = m x - x * R * w 2 х.х max * (1+ l ) * 10 - 6 ; P j =0,2512 * 0,035 * 555 2 * (1+0,285)10 -6 =0,00348 МН. напряжение разрыва: s р = P j / F x - x ; s р =0,00348/0,00119=2,924 МПа.
Напряжение в верхней кольцевой перемычке: среза: t =0,0314 * p Z д * D / h п ; t =0,0314 * 4,647 * 80/3=3,89 МПа. изгиба: s из =0,0045 * p Z д * ( D / h п ) 2 ; s из =0,0045 * 4,647 * (80/3) 2 =14,87 МПа. сложное: s S = ( s из 2 +4 * t 2 ); s S = (14,87 2 +4 * 3,89 2 )=16,78 МПа.
Удельное давление поршня на стенку цилиндра: q 1 = N max /( h ю * D ); q 1 =0,293 * 0,005024/(0,056 * 0,080)=0,32 МПа. q 2 =N max /(H * D); q 2 =0,293 * 0,005024/(0,084 * 0,080)=0,22 МПа . Диаметры головки и юбки поршня: D г = D - D г ; D г =80 - 0,56=79,44 мм. D ю = D - D ю ; D ю =80 - 0,16=79,84 мм . где D г =0,007 * D =0,007 * 80=0,56 мм; D ю =0,002 * D ; D ю =0,002 * 80=0,16 мм.
Диаметральные зазоры в горячем состоянии: D г ’= D [ 1+ a ц * (Т ц - Т 0 ) ] - D г [ 1+ a п * (Т г - Т 0 ) ] ; D г ’=80 * [ 1+11 * 10 - 6 * (450 - 293) ] - 79,44 * [ 1+22 * 10 - 6 * (650 - 293) ] =0,074 мм; D ю ’= D [ 1+ a ц * (Т ц - Т 0 ) ] - D ю [ 1+ a п * (Т ю - Т 0 ) ] ; D ю ’=80 * [ 1+11 * 10 - 6 * (450 - 293) ] - 79,84 * [ 1+22 * 10 -6 * (550 - 293) ] =0,02 мм, где Т ц =450 К, Т г =650 К, Т ю =550 К приняты с учетом воздушного охлаждения двигателя [1,с.203]; a ц =11 * 10 - 6 1/К и a п =22 * 10 - 6 1/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: D t =0,8 мм; высота кольца: а=3 мм; разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и в рабочем состоянии: А 0 =10 мм. материал кольца: серый чугун, Е=1,0 * 10 5 МПа.
Среднее давление кольца на стенку цилиндра: МПа.
Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности: p = p ср * m к . Значения m к для различных углов y 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: s из1 =2,61 * р ср * ( D / t - 1) 2 ; s из1 =2,61 * 0,112 * (80/3 - 1) 2 =192,6 МПа.
Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень: s из2 = где m =1,57 - коэффициент, зависящий от способа монтажа кольца.
Таблица 7.1.
y ° | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 150 | 180 |
m 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 |
Монтажный зазор в замке поршневого кольца: D к = D к ’+ p D [ a к (Т к - Т 0 ) - a ц (Т ц - Т 0 )], где D к ’=0,08 мм - минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя; a к =11 * 10 - 6 1/К и a ц =11 * 10 -6 1/К - коэффициенты линейного расширения материала кольца и гильзы цилиндра; Т ц =450 К, Т к =550 К и Т 0 =293 К. D 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: d п =20 мм; внутренний диаметр пальца: d в =14 мм; длина пальца: l п =66 мм; длина втулки шатуна: l ш =30 мм; расстояние между торцами бобышек: b =32 мм; материал поршневого пальца: сталь 15Х, Е=2 * 10 5 МПа. Палец плавающего типа.
Действительное максимальное давление: p z max = p Z д =4,647 МПа . Расчетная сила, действующая на поршневой палец: газовая: P z max = p z max * F п ; P z max =4,647 * 0,005024=0,0233 МН . инерционная: P j = - m п * w 2 * R * (1+ l ) * 10 -6 , где w = p * n м /30=3,14 * 2700/30=282,6 рад/с; P j = - 0,5024 * 282,6 2 * 0,035 * (1+0,285)= - 0,001805 МН. расчетная: P = P z max + k * P j , 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: q ш = P /( d п * l ш ); q ш =0,0219/(0,02 * 0,03)=36,5 МПа.
Удельное давление пальца на бобышки: q б = P /[ d п ( l п - b )]; q б =0,0219/[0,02 * (0,066 - 0,032)]=32,21 МПа.
Напряжение изгиба в среднем сечении пальца: s из = где a = d в / d п =14/20=0,7 – отношение внутреннего диаметра кольца к наружному. s из = МПа.
Касательное напряжение среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна: t = t = МПа.
Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации: D d п max = ; D d п max = мм . Напряжение овализации на внешней поверхности пальца: в горизонтальной плоскости (рис.7.3. точки 1, y =0°): s а 0° = s а 0° МПа; в вертикальной плоскости (рис.7.3. точки 3, y =90°): s а 90° s а 90° - 199,78 МПа.
Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца: в горизонтальной плоскости (рис.7.3. точки 2, y =0°): s i 0° ; s i 0° - 291,14 МПа . в вертикальной плоскости (рис.7.3. точки 4, y =90°): s i 90° = ; s 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: K R = - 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: d ш.ш =48 мм; длина: l ш.ш =37 мм; коренная шейка: наружный диаметр: d к.ш =50 мм; длина: l к.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: s в =700 МПа и текучести (условные) s т =360 МПа и t Т =210 МПа ; пределы усталости (выносливости) при изгибе s - 1 =250 МПа, растяжении - сжатии s - 1р =180 МПа и кручении t -1 =150 МПа; коэффициенты приведения цикла при изгибе a s =0,16 и кручении a t =0,04. По формулам (213) - (215) [1,с.198] определяем: при изгибе: b s = s -1 / s Т =250/360=0,69 и ( b s - a s )/(1 - b s )=(0,69 - 0,16)/(1 - 0,69)=1,71; при кручении: b t = t -1 / t Т =150/210=0,71 и ( b t - a t )/(1 - b t )=(0,71 - 0,04)/(1 - 0,71)=2,31; при растяжении-сжатии: b s = s -1р / s Т =180/360=0,5 и ( b s - a s )/(1 - b s )=(0,5 - 0,16)/(1 - 0,5)=0,68. Удельное давление на поверхности: шатунных шеек: k ш.ш.ср = R ш.ш.ср /( d ш.ш * l ’ ш.ш ); k ш.ш.ср =8125 * 10 - 6 /(0,031 * 0,048)=5,46 МПа. k ш.ш. max = R ш.ш. max /( d ш.ш * l ’ ш.ш ); k ш.ш. max =11060 * 10 - 6 /(0,031 * 0,048)=7,43 МПа. где R ш.ш.ср =8125 Н и R ш.ш. max =11060 Н - средняя и максимальная нагрузка на шатунную шейку; l ’ ш.ш. » l ш.ш. - 2 r гал =37 - 2 * 3=31 мм - рабочая ширина шатунного вкладыша; r гал =3 мм - радиус галтели.
Момент сопротивления кручению шатунной шейки: W t ш.ш =( p /16) * d ш.ш ; W t ш.ш =(3,14/16) * 48 3 * 10 - 9 =21,7 * 10 -6 м 3 . Моменты, изгибающие шатунную шейку (табл.7.2.): M T = T ’ 1 * l /2=( - 0,5 * T 1 ) * (2 l ш.ш + l к.ш +3 * h )/2 Изгибающий момент, действующий на шатунную шейку в плоскости кривошипа: М Z = Z ’ S * l /2+Р пр * а Н * м ; Z ’ S = K ’ p к +Р’ пр =(-0,5 * K p к ) - Р пр Для упрощения расчета Р пр не учитываем. М Z = K ’ p * l /2 Н * м ; Изгибающий момент, действующий в плоскости оси масляного отверстия: М j м = M T * sin j м - М S * cos j м , где j м =67 °. Таблица 7.2.
j ° | T 1 ', Н | M T , Н* м | M T * sin j m | K pк ', Н | Z S ', Н | M Z , Н* м | M Z * cos j m | M j 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 |
Интенсивность воздушного охлаждения зависит от количества и температуры охлаждающего воздуха, его скорости, размеров поверхности охлаждения и расположения ребер относительно потока воздуха . Количество тепла (Дж/с), отводимого от двигателя системой воздушного охлаждения, определяется из уравнения: Q возд =Т возд * С возд * ( Т возд вых - Т возд вх ) В расчетах принимают, что от стенок цилиндров отводится 25-40 % общего количества тепла Q возд , остальная часть – от головок двигателя.
Количество охлаждающего воздуха, подаваемого вентилятором, определяется исходя из общей величины отводимого от двигателя тепла Q возд : Т возд = Q возд /( С возд * ( ( Т возд вых - Т возд вх )) Т возд =48617,47/(1000 * (363-293))=69,45 кг/с Поверхность охлаждения ребер цилиндра: F цил = Q цил /((К в * (Т цил о -Т цил вх )) Q цил – количество тепла, отводимого воздухом от цилиндра двигателя (Дж/с) К В – коэффициент теплоотдачи поверхности цилиндра , Т цил о – средняя температура у основания ребер цилиндра К В =1,37(1+0,0075Т ср )( w в /0,278) 0,73 Т ср – среднее арифметическое температур ребра и обдувающего воздуха, w в – скорость воздуха в межреберном пространстве, при D =75-125 мм, w в =20-50 м/с.
Поверхность охлаждения ребер головки цилиндров: F гол = Q гол /(К В (Т цил гол - Т цил вх ) Q гол – количество тепла, отводимого воздухом от головки цилиндров, Т цил гол – средняя температура у основания ребер головки.
Заключение В результате проделанной работы были рассчитаны индикаторные параметры рабочего цикла двигателя, по результатам расчетов была построена индикаторная диаграмма тепловых характеристик.
оценка легковых автомобилей в Белгороде