Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

1. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

1.1 Расчет силовых факторов действующих в кривошипно-шатунном механизме

Изменения давления газа на днище поршня представляется в виде индикаторной диаграммы.

Для удобства выполнения последующих рас-четов индикаторная диаграмма представляется в координаты (- угол поворота кривошипа).

Перестроение индикаторной диаграммы производится графически по методу профессора Ф.А. Брикса, взяв значение давления через каждые 30 угла поворота кривошипа (для дизельных при =390).

Поправка Брикса равна:

Сила давления газов в Н определяется по формуле:

(4.1)

где - индикаторное давление газов (давление над поршнем) при заданном угле поворота кривошипа, МПа;

- давление в картере двигателя(под поршнем),МПа; принимается равным атмосферному =0,1 МПа;

- площадь поршня, м; определяется из выражения.

.

Поскольку силу на поршень создает избыточное давление газов, отсчет ординат на индикаторной диаграмме при перестроении следует производить от атмосферного давления. Развернутая индикаторная диаграмма в соответствующем масштабе является графиком изменения сил давления газов. Определение силы давления газов таким образом сводится к умножению ординат графика на масштаб сил .

Результаты расчета сводим в таблицу 4.1

Для определения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс необходимо определить массу в кг частей кривошипно-шатунного механизма совершающих возвратно-поступательное движение.

(4.2)

где - масса поршневого комплекта (поршень, палец, поршневые кольца, детали стопорения пальца), кг;

- часть массы шатуна в сборе, отнесенная к поступательно движущимся массам, кг.

Для большинства существующих конструкций автомобильных двигателей

=(0,25…0,30) ,

где - масса шатуна в сборе.

Массы и рассчитываются по чертежам деталей или выбираются по статическим данным по следующим зависимостям:

 (4.3)

(4.4)

где и - удельные массы соответственно поршневого комплекта и шатуна.

Сила инерции возвратно- поступательно движущихся масс в МПа определяется по формуле:

(4.5)

где - радиус кривошипа, м.;

- угловая скорость коленчатого вала:

.

Результаты расчета сводятся в таблицу 4.1.

Суммарная сила в МПа, действующая на поршневой палец, определяется алгебраическим сложением сил давления газов, и сил инерции возвратно- поступательно движущихся масс по формуле:

(4.6).

Результаты расчета сводятся в таблицу 4.1.

От действия суммарной силы возникают следующие силы:

- суммарная нормальная (боковая) сила в МПа, направленная перпендикулярно оси цилиндра; определяется по формуле:

(4.7).

- суммарная радиальная сила в МПа, направленная по радиусу кривошипа; определяется по формуле:

(4.8).

- суммарная тангенсальная сила в МПа, направленная перпендикулярно к радиусу кривошипа; определяется по формуле:

(4.9).

- суммарная сила, действующая вдоль шатуна в МПа; определяется по формуле

(4.10),

где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра.

Результаты расчета сил сводятся в таблицу 4.1.

Суммарный (индикаторный) крутящий момент в Нм, развиваемый одним цилиндром двигателя:

(4.11).

Центробежная сила инерции вращающей части шатуна в МПа , направленная по радиусу кривошипа и нагружающая шатунную шейку:

(4.12),

где - часть массы шатуна, отнесенная к вращающимся массам, кг,

;

.

Результирующая сила действующая на шатунную шейку представляет собой геометрическую сумму:

(4.13).

Абсолютное значение этой силы в Н определяется по формуле:

(4.14).

Результаты вычисления силы сводятся в таблицу 4.1.

1.2 Построение графиков сил и моментов

Для ориентирования силы относительно шатунной шейки построения ее осуществляется также и в полярных координатах.

Целесообразно первоначально произвести построение полярной диаграммы силы. Так как , то полярную диаграмму для этой силы получают откладыванием в прямоугольных координатах значений сил и для различных углов.

По графику силы в прямоугольной системе координат определяются ее среднее значение по формуле:

(4.15),

где - площадь, ограниченная кривой и осью абсцисс;

- длина диаграммы по оси , мм;

- принятый в динамическом расчете масштаб сил, МПа/мм.

.

Среднее значение Кривая тангенсальных сил в масштабе в Нм/мм является кривой изменения индикаторного крутящего момента, развиваемого одним цилиндром. Построение графика суммарного индикаторного крутящего момента многоцилиндрового двигателя (с равномерным чередованием одноименных процессов) сводится к суммированию крутящих моментов от всех цилиндров с учетом чередования вспышек. Так как величины и характер изменения крутящего момента по углу поворота коленчатого вала одинаковы и отличаются лишь угловыми интервалами, равным угловым интервалам между вспышками в отдельных цилиндрах, то для подсчета суммарного крутящего момента достаточно иметь значения крутящего момента одного цилиндра. При разных интервалах между вспышками крутящий момент будет периодически изменяться.

Построение кривой суммарного крутящего момента осуществляется графическим способом. Для этого кривую крутящего момента одного цилиндра разбиваем на столько равных частей по длине, сколько цилиндров в двигателе. Все участки кривой сводятся на новой координатной сетке и графически суммируются ординаты.

Результирующая кривая показывает изменение суммарного крутящего момента двигателя в зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала.

Сумма индикаторного крутящего момента двигателя (индикаторный крутящий момент) в Нм определяется графоаналитическим способом по формуле:

(4.16),

где -площади ограниченные кривой соответственно выше оси абсцисс в пределах одного периода, мм;

- длина графика в пределах одного периода, мм.

.

.

Эффективный крутящий момент двигателя в Нм:

 (4.17),

где - механический КПД двигателя:

.

Полученное значение не должно отличаться более чем на =5% от рассчитанного в тепловом расчете значения.

.

2. Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

Принимаем расчетные точки скоростной характеристики: ; ; ; ;; ;;;;.

Мощность в расчетных точках определяется по формуле:

(5.1)

Эффективный крутящий момент определяется по формуле:

(5.2).

Удельный эффективный расход топлива определяется по формуле:

(5.3).

Часовой расход топлива определяется по формуле:

(5.4).

Результаты расчетов сводим в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 - Внешние скоростные характеристики двигателя

3. Оценка надежности проектируемого двигателя

При проектировании двигателя ориентировочная оценка надежности двигателя может быть осуществлена определением следующих критериев:

- критерий Б.Я. Гинцбурга:

(6.1),

где - номинальная мощность, кВт;

I- число цилиндров;

D- диаметр цилиндра, см;

.

.

4. Подбор автотранспортного средства к двигателю

Подбор автотранспортного средства к проектируемому двигателю включают определение типа АТС, полной массы.

Тип АТС выбирается по номинальной мощности двигателя:

Так как 80 кВт - грузовой автомобиль.

Для ориентировочной оценки полной массы АТС в кг пользуются статическими данными по удельным мощностям двигателя по формуле:

(7.1),

где - максимальная (номинальная) мощность двигателя, кВт;

- удельная мощность двигателя, кВт/кг.

для грузовых - ;

.

5. Порядок компоновки двигателя

Компоновка является первым этапом разработки конструкции двигателя. Уточнение и детализацию компоновки двигателя производят на последующих этапах проектирования.

В процессе компоновки получают наиболее рациональный вариант относительно расположения механизмов, агрегатов и отдельных деталей двигателя с одновременной увязкой их основных размеров.

Из всех агрегатов автомобиля двигатель является наиболее крупным механизмом. Конструктор стремится сделать его наиболее компактным, исходя из условия размещения на автомобиле. V- образные двигатели нашли широкое применение на грузовых автомобилях. Именно на таких машинах наиболее полно проявляются их преимущества: малые массы и габариты(компактность); повышенный срок службы, обусловленный высокой жесткостью корпусных деталей коленчатого и кулачкового валов.

Наиболее рациональной компоновочной схемой будет та, которая обеспечит достижение наилучшего сочетания укрупненных технико-экономических показателей проектируемого двигателя.

Работа начинается с разметки кривошипно-шатунного механизма на поперечном разрезе.

При компоновке рядных двигателей наносится вертикальная ось цилиндра X-X и на ней отмечается точка О- центр кривошипа. Через эту точку проходит горизонтальная ось Y-Y. Проводится окружность с центром в точке О радиусом R- траектория движения центра шатунной шейки. На этой окружности в произвольном месте отмечается точка В, которая соответствует положению центра шатунной шейки при данном угле поворота кривошипа. Отложив из точки В до пересечения с осью X-X отрезок, равный длине шатуна находят положение оси поршневого пальца (точка А). Наносят на чертеже стенки цилиндра проводят две линии, параллельные оси X-X и отстоящие от нее на расстоянии D/2. Получив исходную разметку, приступают к компоновке деталей кривошипно-шатунного механизма.

Компоновку поршневой группы начинают с определения высоты поршня. Затем находят расстояние на верхней кромки поршня до оси пальца. Далее с учетом размещения предварительно выбранного числа колец прорисовывают элементы поршневой группы по размерам, определенным по таблице 8.1.

Таблица 8.1 - Размеры элементов поршневой группы

Компоновку цилиндра выполняют следующим образом. При положении поршня в ВМТ его днище обычно находится на уровне верхней кромки цилиндра, т.е. верхний выбег поршня . В большинстве двигателей длина цилиндра такова, что при положении поршня в НМТ кромка его юбки выходит из цилиндра. Нижний выбег достигает 15…30 мм. При размещении на юбке маслосъемных колец выбираются таким, чтобы кольца не выходили из цилиндра. Зазор между торцом верхней головки шатуна и торцом бобышки поршня обычно составляет 1,5..2,5 мм.

Основные размеры шатуна определяется по соотношениям, представленными в таблице 8.2.

Таблица 8.2 - Размеры элементов шатуна

Для окончательной проверки длины зеркала цилиндра следует определить минимальный зазор между стержнем шатуна и нижней кромкой цилиндра (при больших значениях возможно задевание им нижней кромки цилиндра). Минимальный зазор составляет мм.

Таблица 4.1 - Результаты вычисления сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме