Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

Курсовий проект

з дисципліни: Конструкція і динаміка ДВЗ

2011

1. Динамічний розрахунок двигуна

Дані для розрахунку

Рисунок 4.1 - Розміри колінчастого вала, які використовуються в розрахунку

d = 48мм; мм; D = 51 мм; мм; a = 17 мм;

b = 18 мм; c = 27 мм; H = 100 мм; h = 70 мм.

Маса поршня кг;

маса шатуна кг;

довжина шатуна L = 121 мм;

відношення .

1.1 Аналіз зрівноваженості та зрівноваження двигуна

Для забезпечення рівномірності крутного моменту циліндри двигуна повинні працювати через інтервал



Як відомо, найкращу зрівноваженість має дзеркально - симетрична форма колінчастого вала. К.В. двигуна-прототипу має саме таку форму (рис4.2.1). Порядок роботи циліндрів 1-3-4-2.

Рисунок 4.2.1 - Схема колінчастого вала Проведемо дослідження зрівноваженості двигуна векторно-графічним методом

Потрібно, щоб виконувалась умова:

; ; ; ; ; .

Рисунок 4.2.2 - Сили і моменти від сил першого порядку

Так як , то сили і моменти від сил першого порядку врівноважені: і (рис. 4.3). По аналогії і .



Рисунок 4.2.3 - Сили та моменти від сил другого порядку

Так як , то моменти від сил другого порядку врівноважені, а сили - незрівноважені:

; (рис. 4.4).

Силу другого порядку на практиці не зрівноважують.

Рисунок 4.2.4 - Схема сил противаг

Сила від противаги, кН

,

де -- коефіцієнт зрівноваження.

Також недоліком дзеркально-симетричних валів є перенавантаження середньої корінної шийки та підшипника. Для розвантаження шийки та підшипника 2, 3 на її щоки встановлюють розвантажуючи противаги. Розрахункова схема для визначення сили від противаги, а також визначення самої сили наведені у пункті 4.6. Щоб не порушувати зовнішню врівноваженість, на щоки крайніх шийок встановлюють такі точно противаги (рис. 4.5).

Рисунок 4.2.5 - Схема колінчастого вала з противагами

1.2 Визначення постійних величин, рознесення мас КШМ, розрахунок сил інерції

Площа поршня, м2

.

Радіус кривошипа, м

.

Кінематичний параметр

.

Кутова частота обертання колінчастого валу, с-1

.

Зосереджені маси в КШМ.

Маса, що рухається зворотно-поступально, кг

.

Маса шатуна, що рухається по колу, кг

.

Маса шатунної шийки, приведена до її осі, кг

Маса щоки, приведена до осі шатунної шийки, кг

Маса кривошипу, приведена до точки В, кг

.

Маса, що рухається по колу (точки В), кг

.

Сила інерції обертальних мас, кН

.

1.3 Розрахунок сил та крутних моментів у кривошипно шатунному механізмі

Цей розрахунок виконується за схемою, зображеною на рис. 4.6. Для розрахунку сил та крутного моменту використовують наступні залежності.

Рисунок 4.6 - Сили в аксіальному КШМ

Сила тиску газів на поршень, кН

Прискорення маси, що рухається зворотно-поступально, м/с

.

Сила інерції маси, що рухається зворотно-поступально, кН

.

Сумарна сила в точці А, кН

.

Нормальна сила, яка передається на стінку циліндра, кН

.

Сила, що передається по шатуну на кривошип, кН

.

Радіальна складова сили на кривошипі, кН

.

Повна радіальна сила, кН

.

Тангенціальна складова сили на кривошипі, кН

.

Крутний момент на кривошипі, кН.м

.

Розрахунок сил та моментів представлений у таблиці 4.1.

Перевірка для таблиці 4.1: Крутний момент за результатами теплового розрахунку, кН.м

Середній момент, Н.м

.

Похибка

%.

Похибка не перевищує 5%.

Графіки сил , , представлені на рис.4.7.

Графіки сил , , представлені на рис.4.8.

Таблиця 4.1 Сили та моменти в кривошипно - шатунному механізмі

ц, град	pг - 0.1	Pг, кН	PiА, кН	PА, кН	в	NА, кН	QА, кН	TА, кН	ZА, кН	Z,кН	Мкр, кН·м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
0	0,001	0,007	-9,243	-9,236	0,000	0,000	-9,236	0,000	-9,236	-30,460	0,000
10	0,001	0,007	-9,016	-9,009	2,920	-0,460	-9,021	-2,017	-8,792	-30,016	-0,072
20	0,001	0,007	-8,349	-8,342	5,759	-0,841	-8,384	-3,644	-7,551	-28,775	-0,129
30	0,001	0,007	-7,284	-7,277	8,435	-1,079	-7,356	-4,573	-5,762	-26,986	-0,162
40	0,001	0,007	-5,891	-5,884	10,870	-1,130	-5,992	-4,648	-3,781	-25,005	-0,165
50	0,001	0,007	-4,267	-4,260	12,988	-0,983	-4,372	-3,895	-1,986	-23,209	-0,138
60	0,001	0,007	-2,527	-2,520	14,719	-0,662	-2,605	-2,513	-0,687	-21,910	-0,089
70	0,001	0,007	-0,794	-0,787	16,003	-0,226	-0,819	-0,817	-0,057	-21,281	-0,029
80	0,001	0,007	0,811	0,818	16,794	0,247	0,854	0,848	-0,101	-21,325	0,030
90	0,001	0,007	2,193	2,200	17,061	0,675	2,301	2,200	-0,675	-21,899	0,078
100	0,001	0,007	3,293	3,300	16,794	0,996	3,447	3,077	-1,554	-22,778	0,109
110	0,001	0,007	4,094	4,101	16,003	1,176	4,266	3,451	-2,508	-23,732	0,123
120	0,001	0,007	4,620	4,627	14,719	1,215	4,784	3,399	-3,366	-24,590	0,121
130	0,001	0,007	4,920	4,927	12,988	1,136	5,056	3,044	-4,037	-25,261	0,108
140	0,001	0,007	5,057	5,064	10,870	0,973	5,157	2,510	-4,505	-25,729	0,089
150	0,001	0,007	5,094	5,101	8,435	0,756	5,157	1,895	-4,796	-26,020	0,067
160	0,001	0,007	5,082	5,089	5,759	0,513	5,115	1,258	-4,958	-26,182	0,045
170	0,001	0,007	5,060	5,067	2,920	0,258	5,073	0,625	-5,035	-26,258	0,022
180	0,001	0,007	5,050	5,057	0,000	0,000	5,057	0,000	-5,057	-26,280	0,000
190	0,002	0,012	5,060	5,072	-2,920	-0,259	5,079	-0,626	-5,040	-26,264	-0,022
200	0,007	0,039	5,082	5,121	-5,759	-0,517	5,147	-1,266	-4,989	-26,213	-0,045
210	0,007	0,039	5,094	5,133	-8,435	-0,761	5,190	-1,907	-4,826	-26,050	-0,068
220	0,013	0,070	5,057	5,127	-10,870	-0,985	5,221	-2,542	-4,561	-25,784	-0,090
230	0,021	0,111	4,920	5,031	-12,988	-1,160	5,163	-3,108	-4,123	-25,347	-0,110
240	0,032	0,169	4,620	4,788	-14,719	-1,258	4,951	-3,518	-3,483	-24,707	-0,125
250	0,047	0,248	4,094	4,342	-16,003	-1,245	4,517	-3,654	-2,655	-23,879	-0,130
260	0,068	0,359	3,293	3,652	-16,794	-1,102	3,815	-3,405	-1,720	-22,943	-0,121
270	0,097	0,513	2,193	2,706	-17,061	-0,831	2,831	-2,706	-0,831	-22,054	-0,096
280	0,138	0,731	0,811	1,542	-16,794	-0,465	1,610	-1,599	-0,190	-21,414	-0,057
290	0,197	1,039	-0,794	0,245	-16,003	-0,070	0,255	-0,254	0,018	-21,206	-0,009
300	0,290	1,530	-2,527	-0,997	-14,719	0,262	-1,031	0,994	-0,272	-21,495	0,035
310	0,434	2,294	-4,267	-1,973	-12,988	0,455	-2,025	1,804	-0,919	-22,143	0,064
320	0,649	3,426	-5,891	-2,466	-10,870	0,473	-2,511	1,948	-1,584	-22,808	0,069
330	0,981	5,178	-7,284	-2,106	-8,435	0,312	-2,129	1,323	-1,667	-22,891	0,047
340	1,483	7,832	-8,349	-0,517	-5,759	0,052	-0,519	0,226	-0,468	-21,691	0,008
350	3,060	16,160	-9,016	7,144	-2,920	-0,364	7,153	-1,599	6,972	-14,252	-0,057
360	5,648	29,826	-9,243	20,583	0,000	0,000	20,583	0,000	20,583	-0,641	0,000
370	6,948	36,690	-9,016	27,674	2,920	1,412	27,710	6,196	27,009	5,785	0,220
380	5,648	29,826	-8,349	21,477	5,759	2,166	21,586	9,381	19,441	-1,783	0,333
390	3,967	20,952	-7,284	13,668	8,435	2,027	13,818	8,590	10,824	-10,400	0,305
400	2,848	15,043	-5,891	9,152	10,870	1,757	9,319	7,229	5,881	-15,343	0,257
410	2,064	10,899	-4,267	6,632	12,988	1,530	6,806	6,063	3,091	-18,133	0,215
420	1,545	8,157	-2,527	5,630	14,719	1,479	5,821	5,616	1,534	-19,690	0,199
430	1,199	6,334	-0,794	5,540	16,003	1,589	5,764	5,750	0,402	-20,822	0,204
440	0,960	5,070	0,811	5,881	16,794	1,775	6,143	6,100	-0,727	-21,951	0,217
450	0,794	4,191	2,193	6,384	17,061	1,959	6,678	6,384	-1,959	-23,183	0,227
460	0,675	3,564	3,293	6,857	16,794	2,069	7,162	6,393	-3,229	-24,452	0,227
470	0,559	2,952	4,094	7,046	16,003	2,021	7,330	5,930	-4,309	-25,532	0,211
480	0,457	2,415	4,620	7,034	14,719	1,848	7,273	5,168	-5,118	-26,341	0,183
490	0,377	1,991	4,920	6,911	12,988	1,594	7,092	4,270	-5,663	-26,887	0,152
500	0,309	1,634	5,057	6,691	10,870	1,285	6,813	3,317	-5,952	-27,175	0,118
510	0,244	1,291	5,094	6,385	8,435	0,947	6,455	2,372	-6,003	-27,227	0,084
520	0,190	1,002	5,082	6,084	5,759	0,614	6,115	1,504	-5,927	-27,151	0,053
530	0,152	0,801	5,060	5,860	2,920	0,299	5,868	0,723	-5,823	-27,047	0,026
540	0,122	0,643	5,050	5,692	0,000	0,000	5,692	0,000	-5,692	-26,916	0,000
550	0,087	0,461	5,060	5,521	-2,920	-0,282	5,528	-0,681	-5,486	-26,710	-0,024
560	0,054	0,287	5,082	5,369	-5,759	-0,542	5,396	-1,328	-5,231	-26,454	-0,047
570	0,024	0,129	5,094	5,223	-8,435	-0,775	5,280	-1,941	-4,911	-26,135	-0,069
580	0,007	0,036	5,057	5,093	-10,870	-0,978	5,186	-2,525	-4,530	-25,754	-0,090
590	-0,003	-0,016	4,920	4,904	-12,988	-1,131	5,032	-3,029	-4,018	-25,242	-0,108
600	-0,003	-0,016	4,620	4,603	-14,719	-1,209	4,759	-3,382	-3,349	-24,573	-0,120
610	-0,003	-0,016	4,094	4,078	-16,003	-1,170	4,242	-3,432	-2,494	-23,717	-0,122
620	-0,003	-0,016	3,293	3,277	-16,794	-0,989	3,423	-3,055	-1,543	-22,767	-0,108
630	-0,003	-0,016	2,193	2,177	-17,061	-0,668	2,277	-2,177	-0,668	-21,892	-0,077
640	-0,003	-0,016	0,811	0,795	-16,794	-0,240	0,830	-0,824	-0,098	-21,322	-0,029
650	-0,003	-0,016	-0,794	-0,811	-16,003	0,233	-0,843	0,841	-0,059	-21,283	0,030
660	-0,003	-0,016	-2,527	-2,543	-14,719	0,668	-2,629	2,536	-0,693	-21,917	0,090
670	-0,003	-0,016	-4,267	-4,284	-12,988	0,988	-4,396	3,917	-1,997	-23,220	0,139
680	-0,003	-0,016	-5,891	-5,908	-10,870	1,134	-6,016	4,666	-3,796	-25,020	0,166
690	-0,003	-0,016	-7,284	-7,300	-8,435	1,083	-7,380	4,588	-5,781	-27,004	0,163
700	-0,003	-0,016	-8,349	-8,365	-5,759	0,844	-8,407	3,654	-7,572	-28,796	0,130
710	-0,003	-0,016	-9,016	-9,032	-2,920	0,461	-9,044	2,022	-8,815	-30,039	0,072
									2,0828	0,0343	0,0351

2. Розрахунок крутних моментів, які передаються корінними шийками

Крутний момент на корінній шийці 1,2 складається з моменту на носку вала та моменту , який створюється на першому кривошипі, тобто .

Далі відповідно і .

Розрахунок крутних моментів розглядається у таблиці 4.2. В першу чергу заповнюють графу кутів та початкові значення кутів .

Наступні значення записують по порядку їх проходження і згідно з ними заповнюють графи при відповідних кутах, привласнюючи їм значення з таблиці 4.1.

Крутний момент на останній корінній шийці, який є підсумковим крутним моментом двигуна, визначають за формулою .

Графік представлений на рис.4.9.

Перевірка для таблиці 4.2:

Крутний момент за результатами теплового розрахунку, кН.м

Середній момент, кН.м

.

Похибка

%.

Похибка не перевищує 5%.

2.1 Розрахунок навантажень на шатунні шийки та підшипники, побудова годографів їх навантажень

В однорядному двигуні шатунна шийка навантажена силою , яка в точці замінюється силами і , а також силою інерції маси шатуна, що рухається по колу.

Радіальна складова навантаження на шийку, кН

.

Тангенціальна складова навантаження, кН

.

Повне навантаження на шатунну шийку, кН

.

Одержані значення навантажень та використовують для визначення навантажень на шатунний підшипник.

Складові навантажень та визначають формулами

;

.

Розрахунок навантажень на шатунну шийку та підшипник представлений у таблиці 4.3.

Годограф навантажень на шатунну шийку та підшипник представлений на рис.4.10 та рис.4.11 відповідно.

2.2 Розрахунок навантажень на корінні шийки та підшипники, побудова годографів навантажень

В розрахунках навантажень на корінну опору 1, 2 колінчастого вала використовують модель розрізної балки, що дозволяє вважати систему статично визначеною і враховувати тільки ті сили, які діють на суміжних з опорою кривошипах 1 та 2. При цьому доцільно розглядати окремо навантаження на опори від змінних сил та навантаження від сил інерції противаг.

Розглянемо навантаження на корінну шийку та підшипник

Обидва кривошипа приходять до ВМТ через кут .

Розміри, що використовуються в розрахунках, м

;

;

;

;

.

Навантаження від противаг, кН

;

.

Змінні навантаження від сил і , кН

;

Загальні навантаження на корінну шийку та визначаємо у вигляді алгебраїчних сум змінних та постійних навантажень, кН

;

.

Повне навантаження на корінну шийку, кН

.

Навантаження на корінний підшипник, кН

;

.

Розрахунок навантажень на корінну шийку та підшипник представлений у таблиці4.4. Годограф навантажень на корінну шийку та підшипник представлений на рис.4.13 та рис.4.14.

Розрахунок маховика виконують для визначення його масового моменту інерції Jм за умови зрушення автомобіля з місця та забезпечення припустимих значень коефіцієнта нерівномірності обертання колінчастого вала двигуна. Розміри маховика при проектуванні автомобільного двигуна визначають виходячи з:

1) габаритних розмірів;

2) установкою зчеплення;

3) масового моменту інерції Jм.

2.3 Визначення масового моменту інерції маховика

Масовий момент інерції маховика, кг·м2 дорівнює:

,

де - масовий момент інерції рухомих мас КШМ в одному відсіку, кг·м2; - число відсіків двигуна. Для оцінки , кг·м2, використовують емпіричну формулу В.П.Терських:



де - радіус кривошипа, м; - число противаг, які приходяться в середньому на один кривошип; - діаметр циліндра, м; - число циліндрів у відсіках; - середня довжина кривошипа, м; d = 0,048 - діаметр шатунної шийки, м. Значення ступеня нерівномірності не виходить за межі допустимих значень, що повинно забезпечити рівномірну роботу двигуна [3].

За умови зрушення автомобіля з місця, масовий момент інерції маховика повинен бути не менше 0.058 кг·м2.

2.4 Оцінка нерівномірності обертання колінчастого вала

Оцінка зводиться до визначення ступеня нерівномірності обертання колінчастого вала за формулою

,

де - надлишкова робота сумарного крутного моменту двигуна, кН·м;

- кутова швидкість обертання колінчастого вала на розрахованому режимі, с-1.

Надлишкову роботу А визначають за графіком сумарного крутного моменту Мк, який розрахований в останній графі таблиці 1.2. Для цього на графік Мк (рис. 1.3) наносять лінію його середнього значення Мсер. Між лінією поточних значень Мк та лінією його середнього значення Мсер утворюють площі фігур F, які в масштабі зображають надлишкову або недостатню роботу Мк . Визначають площу F найбільшої фігури, см2 і підставляють у формулу

,

де - масштаб по осі ординат, кН·м/см; - масштаб по осі абсцис, рад/см. Для сучасних автомобільних двигунів значення д повинно лежати в інтервалі д =0,003…0,02.

Значення д не виходить за межі допустимого, значить знайдене значення J0 правильне.

2.5 Визначення масового моменту інерції маховика

Масовий момент інерції маховика, кг·м2 дорівнює:

- маса маховика, кг; - радіус до центра мас маховика,



3. Розрахунок на міцність основних деталей двигуна

3.1 Розрахунок гільзи циліндра

Рисунок 5.1 - Розрахункова схема гільзи циліндра

Розрахункова товщина стінки гільзи, м

,

де D = 0,082 м, - діаметр циліндра; уz - допускне напруження на розтягування (для сталевих втулок уz = 80 - 100 МПа) [3].

По конструкції двигуна товщина гільзи циліндра дорівнює 4,3 мм, що більш ніж 3,9 мм. Напруження розтягу вздовж твірної циліндра від дії максимального тиску газів визначається за формулою

МПа.

Допускне напруження для чавунних стальних циліндрів змінюється в межах 30 - 60 МПа. Напруження розтягу в кільцевому перетині циліндра, МПа

Напруження від нормальної сили Nmax , МПа, що діє перпендикулярно осі поршневого пальця, визначається за формулою

,

де Мзб - момент, що вигинає стінку гільзи під дією нормальної сили Nmax, прикладеної посередині осі поршневого пальця, Нм

а - відстані від осі пальця до ВМТ, м. Визначається за формулою

,

R = 0,0355 м, - радіус кривошипа. Визначається даними прототипу; = 380° - значення кута повороту колінчастого вала, відповідно Nmax, за даними теплового розрахунку;

м;

b = S - a = 0,071 - 0,003 = 0,068 м, - відстань від осі поршневого пальця до НМТ.

м3,

W - момент опору поперечного перерізу гільзи, м3; D1 - зовнішній діаметр гільзи.

МПа.

Допускна величина для гільз циліндрів, виготовлених з чавуну, 60 МПа. Під час роботи двигуна між внутрішньою і зовнішньою поверхнями гільзи виникає перепад температур, що викликає теплове напруження

МПа,

де Е - модуль пружності матеріалу, МПа (для сталі Е = 2,1·10 5 , для чавуну Е = 1,0·10 5) [4]; бц - коефіцієнт лінійного розширення (для чавуну бц = 11·10 - 6 1/К) [4]; ДT = 110 К - температурний перепад між внутрішньою і зовнішньою поверхнями гільзи, К (за експериментальними даними для верхньої частини гільзи ДT = 80 - 150 К) [3]; м = 0,23 - коефіцієнт Пуассона (для чавуну м = 0,23 - 0,27) [4]. Сумарні напруження в гільзі від тиску газів і перепаду температур, МПа:

- на зовнішній поверхні

 ;

- на зовнішній поверхні

Сумарне напруження в чавунній гільзі не повинне перевищувати 100 - 130 МПа.

Використовуємо матеріал - СЧ28-48

Шпильки головки циліндрів

Коли двигун холодний і не працює, силові шпильки навантажені силою попереднього затягування Рп , МН, яку визначають формулою

,

де m - коефіцієнт затягування шпильки; величина m змінюється в межах 1,5 - 2,0, а в поєднанні з прокладками вона підвищується до 5 і більше. Приймаємо m = 1,6;

ч - коефіцієнт основного навантаження нарізного з'єднання. За дослідними даними ч = 0,15 - 0,25 [4]; приймаємо ч = 0,18;

Р`zmax - сила тиску газів при згорянні, яка діє на одну шпильку, МН. Визначається за формулою

,

pzд = 6,6 МПа, - дійсний максимальний тиск при згорянні;

Fk - проекція камери згоряння на площину, перпендикулярну осі циліндра, м2. При верхньому розташуванні клапанів

 [4];

Fп - площа поршня, м2. Визначається за формулою

,

і = 4 - кількість шпильок на один циліндр.

м2.

Сумарна сила, що розтягує шпильку, МН

.

Максимальні і мінімальні напруження, МПа, що виникають у шпильці, визначають у перетині шпильки, враховуючи внутрішній діаметр різі

;

.

де dв = d - 1,4·t = 0,01 - 1,4·0,001 = 0,0066 - внутрішній діаметр різі шпильки, м; d = 0,01 м, - номінальний діаметр шпильки; t = 0,001 м, - крок різі. Середні напруження і амплітуда циклу, МПа

 ;

Запас міцності шпильки

,

де у-1р = 250 МПа, - межа втоми матеріалу за розтягом-стиском; Ку = 4 - коефіцієнт концентрації напруження в різі;

е = 1,2 - коефіцієнт, що враховує вплив чистоти обробки.

Запас міцності більш ніж 2, що задовольняє умови міцності.

Використовуємо матеріал - Сталь 40Х

Поршнева група

Поршень

Рисунок 5.2 - Схема поршня

Днище поршня розраховують на вигин від дії сили тиску газів як рівномірно навантажену круглу плиту, що вільно спирається на циліндр, за формулою

Мпа,

де мм, - внутрішній радіус днища поршня;

дп = 6,97 мм, - товщина днища поршня;

S = 20 мм, - товщина стінки головки поршня без урахування площини канавки під компресійне кільце;

t = 3,5 мм, - радіальна товщина компресійного кільця;

Дt = 1 мм, - зазор між стінками кільця і канавки.

Так як для поршнів з алюмінієвих сплавів без ребер жорсткості в днищі значення допускних напружень дорівнює 20-25 Мпа, то днище поршня витримає навантаження.

Напруження стиску в перетині х - х, Мпа,

,

де Pzд = pzд·Fп - максимальна сила тиску газів на днище поршня, МН;

Fп - площа поршня, м2;

Fх-х - площа перетину х - х;

м2;

Pzд = 7·0,005281 = 0,037 МН;

м2;

dk = D - 2(t + Дt) = 0,082 - 2(0,0035 + 0,001) = 0,073 м,

діаметр поршня по дну канавок;

di = 2·ri = 2·0,017 = 0,034 м,

внутрішній діаметр поршня;

n`м = 8 - число каналів у поршні;

F` - площа діаметрального перетину каналу, м2;

,

dм = 0,01 м, - діаметр каналу для відведення мастила.

Уст = 11,777 Мпа < [уст] = 40 Мпа, - допускне напруження на стиснення для алюмінієвих сплавів.

Напруження розриву в перетині х-х, Па

,

де Pj - сила інерції мас, що рухається зворотно-поступально, визначається для режиму максимальної частоти обертання на холостому ході двигуна, Н

;

mx-x = 0,6·mп = 0,6·0,39= 0,234 кг, - маса головки поршня з кільцями, що рухаються вище перетину х - х;

mп= 0,39 кг, - маса поршневої групи;

с-1,

nx-xmax = 6099 хв-1, - максимальна частота обертання на холостому ході;

щx-xmax - максимальна кутова швидкість двигуна на холостому ході.

Ур = 1.396 Мпа < [ур] = 10 Мпа - поршень витримає навантаження.

Напруження, Мпа, у верхній кільцевій перемичці:

- зрізу

;

- вигину

;

- складне, за третьою теоремою міцності

.

Максимальні питомі тиски, Мпа, юбки поршня hю і бокової поверхні Н поршня на стінку циліндра визначається відповідно з рівнянь

 ;

,

де Nmax = 2069 Н - найбільша нормальна сила, що діє на стінку циліндра при роботі двигуна в режимі максимальної потужності.

Для сучасних двигунів q1 = 0,3 - 1,0 і q2 = 0,2 - 0,7 Мпа [3].

З метою запобігання заклинювання поршнів при роботі двигуна розміри діаметрів головки Dг і юбки Dю поршня визначають, виходячи з наявності необхідних зазорів Дг і Дю між стінками циліндра і поршня в холодному стані.

Дг = 0,0069·D = 0,0069·0,082 = 0,000565м;

Дю = 0,002·D = 0,002·0,082 = 0,000164м;

Dг = D - Дг = 0,082 - 0,000565 = 0,081м;

Dю = D - Дю = 0,082 - 0,000164 = 0,082м.

Відповідність установлених розмірів перевіряють за формулами

;

м;

;

м,

де Тц, Тг і Тю - відповідно температура стінок циліндра, головки і юбки поршня в робочому стані;

двигун внутрішній згоряння шатунний

Тц = 388 К; Тг = 650 К;

Тю = 410 К;

То = 293 К - температура циліндра і поршня непрацюючого двигуна;

бц = 11·10-6 ;бп =22·10-6 1/К - коефіцієнти лінійного розширення матеріалів циліндра і поршня.

Розрахунок компресійного кільця

Середній тиск на стінку циліндра, Мпа

,

де Ао - різниця між розмірами зазорів замка кільця у вільному і робочому станах. Для дизельних двигунів

Ао = 3·t = 3·3,5 = 1.3 мм;

t - радіальна товщина кільця;

Е = 105 Мпа - модуль пружності сірого чавуну.

Напруження вигину кільця у робочому стані, Мпа

;

.

Допускне напруження при вигині кільця складає 450 Мпа.

Використовуємо матеріал - Легований чавун

Розрахунок поршневого пальця

Розрахункова сила, що навантажує поршневий палець, МН

,

де Рzmax = рzд·Fп = 7·0,005281= 0,037 МН - максимальна сила тиску газів на днище поршня;

Fп - площа поршня, м2;

Н;

- сила інерції поршневої групи, МН;

k = 0,86 - коеф., що враховує масу поршневого пальця.

Питомий тиск пальця на втулку поршневої головки шатуна, МПа

,

де dп = 0,023 м - зовнішній діаметр пальця; lш = 0,028 м - довжина втулки шатуна.

Питомий тиск пальця на бобики поршня, МПа

,

де lп = 0,068 м - довжина пальця; b = 0,025 м - відстань між торцями боби шок.

Для сучасних автомобільних і тракторних двигунів qш = 20 - 60 і qб = 15 - 50 МПа [3].

Напруження вигину в середньому перерізі пальця, МПа

де - відношення внутрішнього діаметра пальця до зовнішнього.

Для автомобільних і тракторних двигунів [узг] = 100 - 250 МПа.

Дотичне напруження, МПа, зрізу в перетинах, розташованих між бобиками і головкою шатуна

.

Для автомобільних двигунів [ф] = 60 - 250 МПа [3].

Використовуємо матеріал Цементована хромонікелева сталь

Максимальна овалізація пальця, м

;

,

де Е = 2,15·105 МПа - модуль пружності сталі;

не перевищує критичного значення = 0,05 мм.

Напруження, МПа, що виникають при овалізації пальця на зовнішній і на внутрішній поверхнях:

- у горизонтальній площині

;

;

 - у вертикальній площині

;

На внутрішній поверхні пальця:

- у горизонтальній площині

;

;

- у вертикальній площині

;

Найбільше напруження овалізації виникає на внутрішній поверхні пальця в горизонтальній площині. Це не перевищує 300 - 350 МПа.

Розрахунок шатунної групи

Рисунок 5.3 - Розрахункова схема шатунної групи

Верхня головка шатуна розраховується на розрив у перетині 1-1 (рис. 5.3) від дії сил інерції мас поршневого комплекту, що рухаються зворотньо-поступально, і верхньої головки шатуна, яка розташована вище перетину 1-1.

Максимальне напруження розтягу визначається за формулою

;

МПа,

де mn = 0,39 кг - маса поршневого комплекту; mвг = 0,06· mш = 0,06·0,70 = 0,053- маса частини головки вище перерізу 1-1, кг; mш - маса шатуна, кг; lш = 0,028м - довжина поршневої головки шатуна;

м

радіальна товщина стінки головки;

= 0,03 м - зовнішній діаметр головки; d - внутрішній діаметр головки;

Напруження розриву не повинно бути більше за 35 МПа [3].

Розрахунок стрижня шатуна

Розтяг шатуна

МН.

Стиск шатуна

МН.

Напруження від сили, що стискає стрижень

МПа,

де Fср = hш·bш - (bш - aш)·(hш - 2tш) - площа середнього перетину шатуна, м2

Fср = 0,025·0,015 - (0,015 - 0,004)(0,025 - 2·0,004) = 0,0001856.

Напруження від сили, що розтягує стрижень, МПа

.

Середні напруження і амплітуда за цикл, МПа

;

.

Запас міцності в перетині В-В визначається за межею утомленості:

,

де у-1р = 180 МПа - межа утомленості під час розтягу-стиску для вуглецевих сталей;

Використовуємо матеріал Сталь 40

еу = 1,2 -коефіцієнт, який враховує вплив чистоти обробки;

бу = 0,12 - коефіцієнт, що залежить від характеристики матеріалу.

Розрахунок кривошипної головки

Максимальна сила розриву, МН

,

де mн - маса поршневої групи, кг; mшп і mшк - відповідно маси шатунної групи, що здійснюють зворотно-поступальний і обертовий рухи, кг;

mкр = 0,2· mш = 0,24·0,71= 0,168 кг - маса кришки кривошипної головки;

mш = mL = 0,7 кг - маса шатунної групи.

 МН.

Напруження вигину кришки, МПа, з урахуванням спільної деформації вкладишів

,

де Сб = 0,061 м - відстань між шатунними болтами;

м4,

lk = 0,027 м - довжина кривошипної головки;

tв = 0,0018 м - товщина стінки вкладиша;

м4;

м;

dшш = 0,0417 м - діаметр шатунної шийки;

r1 - внутрішній радіус кривошипної головки шатуна;

м3,

Wзг - момент опору розрахункового перетину кришки без урахувань ребер жорсткості;

 м2;

Fг - сумарна площа кришки і вкладиша у розрахунковому перерізі, м2.

МПа.

Значення [] = 100 - 300 МПа [3].

Розрахунок шатунних болтів

Сила попереднього затягування, МН

,

де іб = 2 -кількість шатунних болтів.

Сумарна сила, що розтягує болт, МН

,

де ч = 0,2 - коефіцієнт основного навантаження нарізного з'єднання;

Максимальні і мінімальні напруження, МПа, що виникають і болті, визначають у перетині по внутрішньому діаметрі нарізки

;

,

де dв = d - 1,4·t = 0,008 - 1,4·0,001 = 0,0066 м;

d = 0,008 м - номінальний діаметр болта;

t = 0,001 м - крок нарізки.

Середні напруження і амплітуда циклу, МПа

;

.

Запас міцності болта

,

де у-1р = 250 МПа - межа утомленості при розтягу-стиску

Ку = 4 -коефіцієнт концентрації напруження у нарізі;

е1 = 1,2 - коефіцієнт, що враховує вплив чистоти обробки.

Запас міцності повинен бути не менше 2 [3]. Використовуємо матеріал Сталь 40ХНМА

Розрахунок колінчастого вала

Визначення реакцій на опорах

Вал розглядають в положенні коли K = max і Т = max. Розглядаються сили Р, К і Т, величини яких отримані при виконанні динамічного розрахунку.

а) К = max при 0о ;

К= 15,51 кН; Т = 6,196 кН;

МН;

МН;

;

;

б) Т = max при 380о ;

Т = 9,381 кН; К= 19 кН;

МН;

МН;

МН;

МН;

Розрахунок шатунної шийки

а) Напруження вигину в площині кривошипа, МПа

,

де Мвк - момент, що вигинає, МН·м. Визначається за формулою

,

Wв - момент опору вигину, м3;

,

dшшн = 0,046 м - зовнішній діаметр шатунної шийки;

dшшвн = 0,01 м - внутрішній діаметр шатунної шийки.

Напруження вигину в площині, яка перпендикулярна кривошипу, МПа

,

де Мвm - момент, що вигинає.

МН·м.

Сумарне напруження вигину, МПа

.

Напруження крутіння, МПа

,

де Мкр - момент, що крутить, МН·м

;

Wкр - момент опору крутінню, м3

.

Зведене напруження, МПа

.

Допускне напруження для колінчастих валів із чавуну дорівнює 100 МПа.

Використовуємо матеріал Сталь 45Г2

б) Напруження вигину в площині кривошипа, МПа

,

де Мвк - момент, що вигинає, МН·м. Визначається за формулою

;

Wв - момент опору вигину, м3

.

Напруження вигину в площині, яка перпендикулярна кривошипу, МПа

,

де Мвm - момент, що вигинає.

МН·м.

Сумарне напруження вигину, МПа

.

Напруження крутіння, МПа

,

де Мкр - момент, що крутить, МН·м

;

Wкр - момент опору крутінню, м3

.

Зведене напруження, МПа

.

Допускне напруження для колінчастих валів із чавуну дорівнює 100 МПа.

Так як при куті повороту колінчастого валу ц = 0о напруження більші ніж при куті повороту ц = 380о, то далі розрахунки будемо вести для ц = 0о де:

К= 15,51 кН;

Т = 6,48 кН.

Розрахунок щоки

Напруження стиску, МПа

.

Напруження вигину в площині кривошипа від сили К, МПа

,

де МН·м;

Wвк - момент опору вигину, м3

.

Напруження вигину в площині, що перпендикулярна кривошипу, від сили Т, МПа

,

де МН·м;

Wвm - момент опору вигину, м3

.

Допускне напруження для колінчастих валів із чавуну дорівнює 80 - 100 МПа.

Напруження крутіння від сили Т, МПа

- на широкому боці щоки

,

де МН·м;

м3;

ш = 0,291 - коефіцієнт, який залежить від відношення h/b;

- на вузькому боці щоки

МПа;

k = 0,74 - коефіцієнт, який залежить від відношення h/b [4].

Размещено на Allbest.ru