Рабочие процессы, конструирование и основы расчета энергетических установок

Размещено на http://allbest.ru

Рабочие процессы, конструирование и основы расчета энергетических установок

Задание

Двигатель прототип ВАЗ-2112;

Номинальная мощность N=78кВт;

Номинальное число оборотов n=5950 об/мин.

Введение

Основой любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка - двигатель, преобразующий различные виды энергии в механическую работу.

Приоритетными задачами при проектировании новых двигателей и модификации старых являются: повышение топливной экономичности, повышение литровой мощности, снижение вредных выбросов в отработавших газах, максимальная унификация запасных частей, уменьшение вибраций и шума при работе двигателя на всех режимах, внедрение новых технологий облегчающих эксплуатацию и диагностирование, переход двигателей на альтернативные виды топлива.

Большинство двигателей не проектируются с «чистого листа», а проектируются на базе старых моторов. При таком подходе снижаются финансовые затраты, снижается количество «детских болезней», так как по сути модифицируется старый двигатель который хорошо изучен и ясно видно направление для модернизации.

1. Тепловой расчет двигателя ВАЗ-2112

двигатель внутреннего сгорания

1.1 Исходные данные

- прототипом рассчитываемого двигателя является ВАЗ-2112;

- число оборотов двигателя на номинальном режиме ;

- эффективная мощность двигателя ;

- двигатель является четырехцилиндровый: с рядным расположением;

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна =34,5/121=0,285;

- четырехтактный ;

- степень сжатия: .

1.2 Выбор топлива

В соответствии с заданной степенью сжатия можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина

; ;.

Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле:

, (1)

где, -низшая теплота сгорания, МДж/кг;

С - массовая доля углерода, кг;

Н - массовая доля водорода, кг;

О - массовая доля кислорода, кг;

S - массовая доля серы, кг;

W - количество водяных паров, кг.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:

, (2)

,

где - объемное количество воздуха,

, (3)

,

где - массовое содержание воздуха, .

Т.к. мы стремимся получить двигатель достаточно экономичный и с меньшейтоксичностью продуктов сгорания, по графику «Исходные параметры для теплового расчета» [1. рис.5.1.] коэффициент избытка воздуха принимаем: , так как при этом достигается полное сгорание смеси и минимальное количество отработавших газов.

Количество горючей смеси:

, (4)

где - количество горючей смеси,;

- коэффициент избытка воздуха;

- молекулярная масса паров топлива, .

.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:

, (5)

,

, (6)

,

, (7)

,

, (8)

.

Общее количество продуктов сгорания:

, (9)



1.3 Процесс впуска

Атмосферное давление и температура окружающей среды:

Температуру остаточных газов определяем по графику [1. рис.5.1.]:

/

Давление остаточных газов:

, (10)

МПа;

Температура подогрева свежего заряда:

Так как двигатель высокооборотный, то подогрев смеси минимальный на номинальных скоростных режимах, принимаем ;

Плотность заряда на впуске:

, (11)

,

где - удельная газовая постоянная для воздуха,.

Потери давления на впуске:

, (12)

где - суммарный коэффициент, учитывающий уменьшение скорости заряда и сопротивление впускной системы, отнесенный к сечению впускного клапана;

- геометрическая характеристика впускной системы;

- частота вращения коленчатого вала, об/мин;

- средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.

Принимаем , так как отсутствует карбюратор, короткая по длине впускная система и два впускных клапана на цилиндр, а так как впускной тракт достаточно широкий и двигатель не высокооборотный.

, (1.13)

,

,

Давление в конце впуска:

.

Коэффициент остаточных газов:

, (14)

где - коэффициент остаточных газов;

- коэффициент отчистки;

- коэффициент дозарядки.

Коэффициент очистки принимаем , а коэффициент дозарядки принимаем , так как при меньших значениях на номинальном режиме неучтенные потери в тепловом балансе имеют отрицательные значения.

.

Температура в конце впуска:

, (15)

.

Коэффициент наполнения:

, (16)

где - коэффициент наполнения.

1.4 Процесс сжатия

Средний показатель адиабаты сжатия (при, а также рассчитанном значении ) определяется по номограмме [1. рис.4.4.], а средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше . При выборе учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а уменьшается по сравнению с более значительно.

,.

Давление в конце сжатия:

, (17)

где - давление в конце сжатие.

,

Температура в конце сжатия:

, (18)

где Тс - температура в конце сжатия.

,

Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:

а) Свежей смеси:

, (19)

где - средняя мольная теплоемкость воздуха,;

- температура в конце сжатия, .

,

б) Остаточных газов - определяется методом интерполяции по таблице [1. табл.3.8.]:

,

в) Рабочей смеси

1.5 Процесс сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

, (1.20)

где - коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.

.

Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:

, (1.21)

где - коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.

.

Теплота сгорания рабочей смеси:

, (22)

где - теплота сгорания рабочей смеси, МДж;

- теплота потерянная в следствии неполноты сгорания, МДж.

.

Так как равен 1, то равен нулю.

Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания:

(23)

определяется по эмпирическим формулам, приведенным в [1. табл.3.6.] для интервала температур от 1501 до 2800⁰С:

Коэффициент использования теплоты о_z выбирается по опытным данным в зависимости от конструктивных особенностей двигателя по графику [1. рис.5.1.].

Температура в конце видимого процесса сгорания:

, (24)

,

или .

Решив данное квадратное уравнение, получаем:

,

.

Максимальное теоретическое давление сгорания:

, (25)

.

Максимальное действительное давление сгорания:

, (26)

.

Степень повышения давления:

, (27)

.

1.6 Процесс расширения и выпуска

Средний показатель адиабаты определяется по номограмме [1. рис.4.8.]при, а также рассчитанном значении , а средний показатель расширения политропы расширения оценивается по величине среднего

показателя адиабаты:

,/

Давление и температура в конце процесса расширения:

, (28)

.

, (29)

/

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

. (30)

.

Погрешность расчета составляет:

.

1.7 Индикаторные показатели рабочего цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление:

, (31)

Среднее индикаторное давление:

, (32)

где - коэффициент полноты диаграммы.

Индикаторный КПД:

, (33)

где - индикаторный КПД.

.

Индикаторный удельный расход топлива:

, (34)

где - индикаторный удельный расход топлива, .

.

1.8 Эффективные показатели двигателя

Среднее давление механических потерь Рм для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением :

(35)

приняв ход поршня , получим значение средней скорости поршня:

, (36)

,

.

Среднее эффективное давление Ре :

, (37)

.

Механический КПД :

, (38)

.

Эффективный КПД :

, (39)

.

Эффективный удельный расход топлива , :

, (40 )

.

1.9 Основные показатели цилиндра и двигателя

Литраж двигателя:

, (41)

где Vл - объем двигателя, л;

- число цилиндров.

.

Диаметр цилиндра.

Так как ход поршня был принят S=71мм,D=82мм, рассчитаем диаметр цилиндра проектируемого двигателя:

, (42)

где D - расчетный диаметр проектируемого двигателя, мм;

(S/D) - конструктивное отношение хода поршня к диаметру цилиндра для двигателя прототипа.

.

Пересчитываем ход поршня, мм:

Еще раз пересчитываем скорость и проверяем, погрешность расчета не должна превышать 5%.

,

.

Окончательно принимаем S=69мм, D=80мм.

Основные параметры и показатели двигателей определяются по окончательно принятым значениям S и D

Площадь поршня:

, (43)

.

Литраж двигателя:

, (44)

.

Мощность двигателя:

, (45)

.

Литровая мощность двигателя :

, (46)

.

Крутящий момент :

, (47)

.

Часовой расход топлива :

, (1.48)

.

1.10 Тепловой баланс двигателя

Внешний тепловой баланс двигателя может быть представлен в виде следующих составляющих:

, (49)

где - общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом, Дж/с:

, (50)

.

Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1с, Дж/с:

, (51)

.

Теплота, потерянная с отработавшими газами, Дж/с:

, (52)

Теплота, передаваемая окружающей среде, Дж/с:

, (53)

где с - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей, с=0,5;

m - показатель степени для четырехтактных двигателей.

Для двигателей с впрыском топлива m=0,66.

Неучтенные потери теплоты, Дж/с:

,

где - теплота потерянная при химической неполноте сгорания, Дж/с;

=0 так как коэффициент избытка воздуха равен единице.

1.11 Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строим к координатах P-V (давление объем), для номинального режима, т.е. при N_e=78кВт и n=5950об/мин, аналитическим методом.

Масштаб диаграммы:

Масштаб хода поршня М_s=0,4м в 1мм; масштаб давления М_р=0,035МПа в 1мм.

Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

, (54)

,

, (55)

.

Максимальная высота диаграммы (точка z):

.

Ординаты характерных точек:

,

,

,

,

.

Построение политропы сжатия и расширения производится аналитическим методом:

а) политропа сжатия . Отсюда:

, (56)

,

где ОВ=ОА+АВ=172,5+18,15=190,65мм.

б) политропа расширения . Отсюда

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения расчетных точек индикаторной диаграммы

№	ОХ, мм				Рх, МПа			Рх, МПа
1	18,15,4	10,5	22,82	56,36	1,9	18,68	26,1	9,15
2	24,5	4,48	7,36	18	0,63	6,48	90,6	3,17
3	67,5	2,82	3,97	9,8	0,34	3,64	50,9	1,8
4	92,5	2,06	2,61	6,4	0,226	2,46	34,4	1,2
5	117,5	1,62	1,9	4,7	0,16	1,82	25,4	0,89
6	142,5	1,33	1,47	3,6	0,12	1,43	19,9	0,7
7	165	1,14	1,19	2,9	0,1	1,18	16,5	0,58
8	190,6	1	1	2,4	0,0866	1	13,98	0,49

, (57)

где л-отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, л=0,285.

Таблица 2 - Значения характерных точек индикаторной диаграммы

Точка	Положение точек	ц?		Расстояние точек от в.м.т. (АХ),мм
	35?до в.м.т.	35?	0,2276	19,58
	18?после в.м.т.	18?	0,0625	5,39
	77?после н.м.т.	103?	1,36	117,3
	40?до в.м.т.	40?	0,2927	25,25
	35?до в.м.т.	35?	0,2276	19,58
	49?до н.м.т.	131?	1,737	149,83

Теоретически среднее индикаторное давление:

, (58)

.

где F₁=6420мм² - площадь диаграммы aczba.

Положение точки определяется из выражения:

, (59)

Действительное давление сгорания:

(60)

1.12 Оценка результатов теплового расчета

Таблица 3 - Сравнение показателей проектируемого двигателя и двигателя прототипа

Показатель	Условное обозначение	Двигатель- прототип	Проектируемый двигатель
Номинальная мощность, кВт	Nе	78	79,67
Номинальная частота вращения, об/мин	nе	5950	5950
Степень сжатия	е	10,5	10,5
Эффективное давление, МПа	pе		1,1589
Литраж, л	Vл	1,5	1,4
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра	S/D	0,8658	0,8625
Диаметр цилиндра, мм	D	82	80
Ход поршня, мм	S	71	69
Средняя скорость поршня, м/с	Vп.ср.	14,03	13,68
Максимальный крутящий момент, Н•м	Mе.мах	128,3	127,93
Удельная мощность, кВт/л	Nл	52	58,716
Удельный расход топлива г/кВт•ч	gе	280	240

В результате сравнительного анализа мы выяснили, что проектируемый двигатель отличается от прототипа по всем параметрам и показателям рабочего цикла, но полностью удовлетворяет допустимым значениям для двигателей с впрыском топлива.

2. Внешняя скоростная характеристика

2.1 Исходные данные

Исходные данные принимаются из предыдущего расчета - теплового баланса.

- частота вращения коленчатого вала n=5950 об/мин;

- литраж двигателя V=1,4 л;

- средняя скорость поршня v=13,68;

- номинальная эффективная мощность N=79,67 кВт;

- тактность двигателя ;

- плотность заряда на впуске .

2.2 Расчет скоростной характеристики

Все значения рассчитываем в интервале 800-7200об/мин, через каждые 800об/мин. Полученные значения сводим в таблицу 4. По данным таблицы строим скоростную характеристику двигателя

(см. Приложение).

Расчетные точки кривой эффективной мощности:

, (61)

где Nex - мощность двигателя приданной частоте вращения, кВт;

nx - частота вращения коленчатого вала принятая за расчетную, об/мин.



Точки кривой эффективного крутящего момента Mex , кВт:

, (62)

.

Удельный эффективный расход топлива в искомой точке скоростной характеристики:

, (63)

где - удельный эффективный расход топлива у двигателя прототипа, г/кВтч.

Часовой расход топлива GTx , кг/ч:

, (64)

Для определения коэффициента наполнения необходимо определить коэффициент избытка воздуха [1. рис.5.1.]:

, (65)

.

По скоростной характеристики определяем коэффициент приспособляемости К:

, (66)

где - максимальный крутящий момент из расчета внешней скоростной характеристики, Нм;

- крутящий момент из теплового расчета, Нм.

Полученный коэффициент не превышает допустимых значений: для бензиновых двигателей (1,20ч1,35).

Таблица 4 - Параметры внешней скоростной характеристики

nx, об/мин	Ne, кВт	Мe, Н•м	ge, г/кВт•ч	GТ, кг/ч	Ре , МПа
800	11,95	142,81	254,25	3,04	1,294	1,103	0,96
1600	25,63	153,07	228,47	5,85	1,387	1,106	1
2400	39,86	158,71	211,4	8,42	1,438	1,06	1
3200	53,49	.159,72	203,03	10,86	1,447	1,026	1
4000	65,36	156,11	203,36	13,29	1,414	1	1
4800	74,29	147,87	212,38	15,77	1,340	0,994	1
5600	79,13	135,01	230,11	18,2	1,223	0,983	1
5950	79,67	127,92	240,6	19,16	1,159	0,974	1
6400	78,72	117,52	256,53	20,19	1,064	0,954	1
7200	71,89	95,4	291,65	20,96	0,864	0,863	0,98

3.Кинематический расчет

Расчет кинематических показателей

Перемещение поршня, мм:

, (67)

.

где R - радиус кривошипа, мм;

- угол поворота коленчатого вала, град.

Значения для при различных ц взяты из [1. табл. 7.1.], л=0,285.

Угловая скорость вращения коленчатого вала:

, (68)

где - угловая скорость вращения коленчатого вала, 1/c ;

n - частота вращения коленчатого вала, об/мин.

,

Скорость поршня, м/с:

, (69)



Значения для взяты из таблицы [1. табл. 7.2.].

Ускорение поршня, м/:

, (70)

Значения для взяты из [1. табл. 7.3.].

Таблица 5 - Значение перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала при номинальной частоте вращения

ц, град	S,мм	V,м/с	j, м/
10	0,672	4,779	16762,145
20	2,656	9,317	15496,004
30	5,852	13,395	13495,325
40	10,104	16,827	10912,479
50	15,210	19,475	7938,288
60	20,939	21,260	4782,672
70	27,043	22,159	1653,854
80	33,279	22,207	-1261,516
90	39,418	21,485	-3815,079
100	45,261	20,111	-5908,488
110	50,643	18,221	-7498,894
120	55,439	15,954	-8597,751
130	59,562	13,442	-9263,251
140	62,961	10,794	-9587,516
150	65,607	8,090	-9680,246
160	67,495	5,380	-9650,964
170	68,624	2,683	-9592,142
180	69,000	0,000	-9565,343
190	68,624	-2,683	-9592,142
200	67,495	-5,380	-9650,964
210	65,607	-8,090	-9680,246
220	62,961	-10,794	-9587,516
230	59,562	-13,442	-9263,251
240	55,439	-15,954	-8597,751
250	50,643	-18,221	-7498,894
260	45,261	-20,111	-5908,488
270	39,418	-21,485	-3815,079
280	33,279	-22,207	-1261,516
290	27,043	-22,159	1653,854
300	20,939	-21,260	4782,672
310	15,210	-19,475	7938,288
320	10,104	-16,827	10912,479
330	5,852	-13,395	13495,325
340	2,656	-9,317	15496,004
350	0,672	-4,779	16762,145
360	0,000	0,000	17195,501

4. Динамический расчет

4.1 Исходные данные

Все данные приняты из предыдущих расчетов, а так же согласно прототипу двигателя [2].

- конструктивная масса поршневой группы = 0,356 кг;

- конструктивная масса шатуна = 0,683 кг;

4.2 Расчет усилий в кривошипно-шатунном механизме

Силы давления газов

Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертываем по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Поправка Брикса:

, (4.1)

где М_s - масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштаб развернутой диаграммы.

Давлений и удельных сил М_р=0,035МПа; полных сил М_р= М_р•F_n=0,035•0,005024=175,8Н в мм, угла поворота кривошипа М_ц=3? в мм.

По развернутой диаграмме через каждые 30? угла поворота кривошипа определяем значения ДР_Г и заносим в таблицу 6.

Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Масса шатуна сосредоточенная на оси поршневого пальца и масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа берется из [2] и соответственно равны = 0,188 кг, = 0,495 кг.

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов:

, (4.2)

;

Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:

, (4.3)

Массы, совершающие вращательное движение:

, (4.4)

Удельные и полные силы инерции

Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс:

, (4.5)

Центробежная сила инерции вращающихся масс:

, (4.6)

Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:

, (4.7)

Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:

, (4.8)

Удельные суммарные силы

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

(4.9)

Удельная нормальная сила:

(4.10)

Значение tgв определяем по таблице [1. табл. 8.2.] для л=0,285.

Удельная сила, действующая вдоль шатуна:

(4.12)

Значение (1/сosв) определяем по таблице [1. табл. 8.3]

Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:

(4.12)

Значение (сos(ц+в)/cos в) определяем по таблице [1. табл. 8.4]

Удельная тангенциальная сила:

(4.13)

Значение (sin(ц+в)/cos в) определяем по таблице [1. табл. 8.5]

Полная тангенциальная сила:

. (4.14)

По данным таблицы 6 строим график изменения удельных сил в зависимости от угла поворота коленчатого вала ц

Среднее значение тангенциальной силы за цикл по данным теплового расчета:

. (4.15)

Таблица 6 - Расчетные значения сил действующих в двигателе за полный цикл

ц,?	ДРГ, кН	РJ, кН	Р, кН	tgв	РN, кН	1/cosв	РS, кН		РK, кН		РT, кН	T, кН	Mкр.ц, Нм
0	0,05	-9,35	-9,30	0,00	0,00	1,00	-9,30	1,00	-9,30	0,00	0,00	0,00	0,00
30	-0,67	-7,34	-8,01	0,14	-1,16	1,01	-8,09	0,79	-6,36	0,63	-5,01	-5,01	-172,82
60	-0,67	-2,6	-3,27	0,25	-0,85	1,03	-3,38	0,28	-0,92	0,99	-3,25	-3,25	-112,20
90	-0,67	2,075	1,40	0,30	0,43	1,04	1,46	-0,30	-0,41	1,00	1,40	1,40	48,38
120	-0,67	4,677	4,00	0,25	1,04	1,03	4,13	-0,72	-2,88	0,74	2,96	2,96	102,22
150	-0,67	5,266	4,59	0,14	0,67	1,01	4,64	-0,94	-4,31	0,37	1,73	1,73	59,58
180	-0,67	5,203	4,53	0,00	0,00	1,00	4,53	-1,00	-4,53	0,00	0,00	0,00	0,00
210	-0,67	5,266	4,59	-0,14	-0,67	1,01	4,64	-0,94	-4,31	-0,37	-1,73	-1,73	-59,58
240	-0,67	4,677	4,00	-0,25	-1,04	1,03	4,13	-0,72	-2,88	-0,74	-2,96	-2,96	-102,22
270	0,467	2,075	2,54	-0,30	-0,77	1,04	2,65	-0,30	-0,75	-1,00	-2,54	-2,54	-87,63
300	1,256	-2,6	-1,35	-0,25	0,35	1,03	-1,39	0,28	-0,38	-0,99	1,34	1,34	46,10
330	5,124	-7,34	-2,22	-0,14	0,32	1,01	-2,24	0,79	-1,76	-0,63	1,39	1,39	47,80
360	11,45	-9,35	2,10	0,00	0,00	1,00	2,10	1,00	2,10	0,00	0,00	0,00	0,00
370	39,07	-9,12	29,96	0,05	1,50	1,001	29,99	0,976	29,24	0,222	6,65	6,65	229,44
390	20,59	-7,34	13,26	0,14	1,92	1,01	13,39	0,79	10,53	0,63	8,29	8,29	285,85
420	8,999	-2,6	6,39	0,25	1,65	1,03	6,59	0,28	1,80	0,99	6,35	6,35	218,95
450	4,421	2,075	6,50	0,30	1,97	1,04	6,78	-0,30	-1,92	1,00	6,50	6,50	224,13
480	2,838	4,677	7,52	0,25	1,94	1,03	7,75	-0,72	-5,40	0,74	5,56	5,56	191,88
510	1,959	5,266	7,23	0,14	1,05	1,01	7,30	-0,94	-6,78	0,37	2,72	2,72	93,73
540	0,728	5,203	5,93	0,00	0,00	1,00	5,93	-1,00	-5,93	0,00	0,00	0,00	0,00
570	0,2	5,266	5,47	-0,14	-0,79	1,01	5,52	-0,94	-5,13	-0,37	-2,06	-2,06	-70,92
600	0,05	4,677	4,73	-0,25	-1,22	1,03	4,87	-0,72	-3,40	-0,74	-3,50	-3,50	-120,69
630	0,05	2,075	2,13	-0,30	-0,65	1,04	2,22	-0,30	-0,63	-1,00	-2,13	-2,13	-73,33
660	0,05	-2,60	-2,55	-0,25	0,66	1,03	-2,63	0,28	-0,72	-0,99	2,53	2,53	87,41
690	0,05	-7,34	-7,29	-0,14	1,06	1,01	-7,36	0,79	-5,79	-0,63	4,56	4,56	157,22
720	0,05	-9,35	-9,30	0,00	0	1,00	-9,30	1,00	-9,30	0,00	0,00	0,00	0,00

Среднее значение тангенциальной силы за цикл по площади, заключенной между кривой р_т и осью абсцисс:

, (4.16)

,

- ошибка

Крутящие моменты

Крутящий момент одного цилиндра, Нм:

, (4.17)

Период изменения крутящего момента:

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется через каждые 30? угла поворота коленчатого вала. Все значения сводятся в таблицу 7. По полученным значениям строится кривая М_кр, в масштабе М_М=10Нм в мм.

Таблица 6 - Значения крутящего момента в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала

ц?	Цилиндры	?Мкр, Нм.
	первый	второй	третий	четвертый
	ц?, град	Мкр.ц, Нм.	ц?, град	Мкр.ц, Нм.	ц?, град	Мкр.ц ,Нм.	ц?, град	Мкр.ц, Нм.
0	0	0	180	0	360	0	540	0	0
30	30	-172,8	210	-59,57	390	285,8	570	-70,9	-17,46
60	60	-112,2	240	-102,2	420	218,9	600	-120,69	-116,1
90	90	48,37	270	-87,63	450	224,1	630	-73,33	111,5
120	120	102,2	300	46,1	480	191,8	660	87,41	427,6
150	150	59,57	330	47,1	510	93,72	690	157,2	348,3
180	180	0	360	0	540	0	720	0	0

Средний крутящий момент двигателя по данным теплового расчета:

, (4.18)

Средний крутящий момент двигателя по площади, заключенной под кривой М_кр.

- ошибка

Максимальный и минимальный крутящие моменты:

Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала

Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа

 (4.19)

где

Результирующая сила R_ш.ш., действующая на шатунную шейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил Т и Р_к. при построении полярной диаграммы. Масштаб сил на полярной диаграмме для суммарных сил М_р= 0,2кН в мм

Все рассчитанные силы сводятся в таблицу 8. Также туда переносятся значения Т из таблицы 6.

Таблица 8.

ц?	Полные силы, кН
	Т, кН	К, кН	Рк, , кН	Rш.ш кН	КРк, кН	RК,
0	0	-6,62	-9,30	16	-18,26	-2,26
30	-5,01	-6,62	-6,36	14	-15,32	-1,32
60	-3,25	-6,62	-0,92	9,2	-9,88	-0,68
90	1,4	-6,62	-0,41	7,6	-9,37	-1,77
120	2,96	-6,62	-2,88	10	-11,84	-1,84
150	1,72	-6,62	-4,31	11,2	-13,27	-2,07
180	0	-6,62	-4,53	11,2	-13,49	-2,29
210	-1,72	-6,62	-4,31	11,2	-13,27	-2,07
240	-2,96	-6,62	-2,88	10	-11,84	-1,84
270	-2,54	-6,62	-0,75	7,8	-9,71	-1,91
300	1,33	-6,62	-0,38	7	-9,34	-2,34
330	1,38	-6,62	-1,76	8,6	-10,72	-2,12
360	0	-6,62	2,10	4,2	-6,86	-2,66
370	4,69	-6,62	20,64	14,8	11,68	26,48
390	8,28	-6,62	10,53	9,4	1,57	10,97
420	6,34	-6,62	1,80	8	-7,16	0,84
450	6,49	-6,62	-1,92	11	-10,88	0,12
480	5,56	-6,62	-5,40	13,6	-14,36	-0,76
510	2,72	-6,62	-6,78	14	-15,74	-1,74
540	0	-6,62	-5,93	12,6	-14,89	-2,29
570	-2,05	-6,62	-5,13	12	-14,09	-2,09
600	-3,5	-6,62	-3,40	10,6	-12,36	-1,76
630	-2,125	-6,62	-0,63	7,4	-9,59	-2,19
660	2,5336	-6,62	-0,72	8	-9,68	-1,68
690	4,55	-6,62	-5,79	13,4	-14,75	-1,35
720	0	-6,62	-9,30	16	-18,26	-2,26

По полярной диаграмме строим диаграмму износа шатунной шейки. Сумму сил R_ш.ш., действующих по каждому лучу диаграммы износа, определяем с помощью таблицы 9. По данным этой же таблицы в масштабе М_р= 50кН в мм по каждому лучу откладываем величины суммарных сил R_ш.ш., от окружности к центру. По лучам 4 и5 силы не действуют, а по лучам 6, 7 и 8 действуют только в интервале 360?<ц<390?. По диаграмме определяют расположение оси масляного отверстия (ц _м=68?).

Силы, действующие на колено вала

Суммарная сила, действующая на колено вала по радиусу кривошипа

(4.20)

Результирующая сила, действующая на колено вала

(4.21)

Таблица 9 - Значение силы R_ш.ш действующей на колено вала в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Rш.ш.i	Значение Rш.ш.i, кН, для лучей
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Rш.ш.0	16	16	16	-	-	-	-	-	-	-	16	16
Rш.ш.30	14	14	14	-	-	-	-	-	-	-	-	14
Rш.ш.60	9,2	9,2	9,2	-	-	-	-	-	-	-	-	9,2
Rш.ш.90	7,6	7,6	-	-	-	-	-	-	-	-	7,6	7,6
Rш.ш.120	10	10	-	-	-	-	-	-	-	-	10	10
Rш.ш.150	11,2	11,2	-	-	-	-	-	-	-	-	11,2	11,2
Rш.ш.180	11,2	11,2	11,2	-	-	-	-	-	-	-	11,2	11,2
Rш.ш.210	11,2	11,2	11,2	-	-	-	-	-	-	-	-	11,2
Rш.ш.240	10	10	10	-	-	-	-	-	-	-	-	10
Rш.ш.270	7,8	7,8	7,8	-	-	-	-	-	-	-	-	7,8
Rш.ш.300	7	7	7	-	-	-	-	-	-	-	-	7
Rш.ш.330	8,6	8,6	8,6	-	-	-	-	-	-	-	8,6	8,6
Rш.ш.360	4,2	4,2	4,2	-	-	-	-	-	-	-	4,2	4,2
Rш.ш.390	9,4	9,4	9,4	-	-	-	-	9,4	9,4	9,4	9,4	-
Rш.ш.420	8	-	-	-	-	-	-	-	-	8	8	8
Rш.ш.450	11	-	-	-	-	-	-	-	11	11	11	11
Rш.ш.480	13,6	13,6	-	-	-	-	-	-	-	-	13,6	13,6
Rш.ш.510	14	14	-	-	-	-	-	-	-	-	14	14
Rш.ш.540	12,6	12,6	12,6	-	-	-	-	-	-	-	12,6	12,6
Rш.ш.570	12	12	12	-	-	-	-	-	-	-	-	12
Rш.ш.600	10,6	10,6	10,6	-	-	-	-	-	-	-	-	10,6
Rш.ш.630	7,4	7,4	7,4	-	-	-	-	-	-	-	-	7,4
Rш.ш.660	8	8	-	-	-	-	-	-	-	-	8	8
Rш.ш.690	13,4	13,4	-	-	-	-	-	-	-	-	13,4	13,4
Rш.ш.720	16	16	16	-	-	-	-	-	-	-	16	16
?Rш.ш.i	254,6	235,6	157,8	-	-	-	-	9,4	20,4	28,4	174,8	264

4.3 Уравновешивание двигателя

Центробежные силы инерции рассчитываемого двигателя и их моменты полностью уравновешены: ?К_R =0; ?М_R =0.

Силы инерции первого порядка и их моменты тоже уравновешены ?Р_j1=0; ?М_R=0.

Рисунок 1 - Силы действующие на коленчатый вал

Силы инерции второго порядка для всех цилиндров направлены в одну сторону

(4.22)

Рисунок 2 - Силы действующие на колено вала.

Уравновешивание сил инерции второго порядка в рассчитываемом двигателе не целесообразно, ибо применение двухвальной системы с противовесами для уравновешивания ?Р_j11 значительно усложнит конструкцию двигателя.

Так как все силы в сумме уравновешены, то есть равны нулю, мы рассмотрим часть коленчатого вала и подберем массу противовесов. Расчет проведем при ц=0, следовательно cosц=1. Все данные берем из предыдущего расчета.

Сила инерции первого порядка:

, (4.23)

.

Центробежная сила инерции вращающихся масс:

, (4.24)



Сила инерции противовеса:

, (4.25)

Принимаем радиус кривизны противовеса с=20мм, тогда

Масса противовеса:

, (4.26)

4.4 Подбор маховика

Равномерность крутящего момента:

, (4.27)

Избыточная работа крутящего момента:

, (4.28)

где F_abc=2867мм² -- площадь над прямой среднего крутящего момента;

Масштаб угла поворота вала на диаграмме М_кр

в мм.

Равномерность хода двигателя принимаем =0,015.

Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала:

, (4.29)

Момент инерции маховика:

, (4.30)

Средний диаметр маховика:

Маховый момент:

, (4.31)

откуда, масса маховика:

По результатам расчета внешний диаметра маховика принимаем:

D_м=0,248 м.

Плотность чугуна кг/мі

Объем маховика:

 , (4.32)

Масса маховика:

, (4.33)

Площадь маховика:

(4.34)

Т.к. ранее мы высчитали массу маховика, можем составить квадратное уравнение из которого найдем диаметр выреза в маховике:

,

где Н- толщина маховика.

.

Таким образом мы подобрали маховик со следующими габаритами:

Диаметр маховика D=0,248м;

Диаметр выреза в маховике d=0,029м;

Ширина маховика Н=0,019м.

5. Конструктивный расчет. Система смазки. Масляный насос

Для расчета масляного насоса используем данные из теплового расчета.

Количество отводимой теплоты от двигателя маслом Qм берется в пределах 1,5-3%. В своем расчете я взял три процента. Это обусловлено высокими температурами летом, охлаждения поршня маслом:

, (5.1)

.

Циркуляционный расход масла, м/:

, (5.2)

где - циркуляционный расход масла, м/;

- плотность масла, равная 900кг/;

- средняя теплоемкость масла, равная 2,094кДж/кгК;

- температура нагрева масла.

Температуру нагрева масла принимаем 15С из-за высокого отвода тепла маслом и высоких летних температур.

.

Для стабилизации давления циркуляционный расход масла увеличивают в два раза:

, (5.3)

.

В связи с утечками масла через торцевые и радиальные зазоры насоса расчетную производительность определяют с учетом объемного коэффициента подачи :

, (5.4)

.

Коэффициент подачи выбираем равный 0,6 в связи тем, чтобы насос и система смазки выполняла свой функции даже при самых худших условиях эксплуатации.

Модуль зуба m=6 мм;

число зубьев ведомой шестерни z=9 принимаем исходя из целесообразности создать компактный насос;

число зубьев ведомой шестерни z=14;

высота зуба h=2m=12мм;

делительный диаметр ведущей шестерни Do1=zm=мм;

диаметр внешней окружности шестерни D1=m(z+2)=0,006(9+2)=0,066м.

диаметр делительный ведомой шестерни Do2=zm=мм;

диаметр внешней окружности шестерни D2=m(z+2)=0,006(14+2)=0,096м.

Окружная скорость на внешнем диаметре принимаем равную 10 м/с, тогда частота вращения шестерни насоса:

, (5.5)

.

Длина зуба шестерни насоса, м:

, (5.6)

Рабочее давление масла принимаем максимально возможное для двигателя прототипа р=450кПа, а КПД насоса принимаем 0,85, наименьшее, исходя из предположения, что насос будет работать в наихудших условиях:

Мощность, затрачиваемая на привод насоса, кВт:

, (5.7)

.

Заключение

В ходе проведенного расчета, мною были получены практические навыки по расчету теплового баланса, кинематики и динамики двигателя внутреннего сгорания на основе двигателя-прототипа ВАЗ-2112, так же расчет системы смазки, в частности масляного насоса.

Список литературы

1. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов./А. И. Колчин, В.П. Демидов - 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2003.-496 с.: ил.

2. Автомобиль ВАЗ-2110,ВАЗ-2111,ВАЗ-2112 и их модификации. Руководство по техническому обслуживанию, эксплуатации и ремонту. 2002/ - 208 с.: ил.

3. Ховах, М.С. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. - М., «Машиностроение», 1977. - 591с.: ил.

4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 томах. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 497с. - Т1.

5. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 томах. Динамика и конструирование: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова.- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2005. - 400с. - Т2.

6. Масино М.А. Автомобильные материалы. Справочник инженера-механика./ М.А. Масино, В.Н. Алексеев, Г.В. Мотовилин. - М., «Транспорт», 1971. - 296 с.

7. Анухин, В.И. Допуски и посадки. Учебное пособие. 3-е изд. / В.И. Анухин. - СПб.: Питер, 2004. - 207 с.:ил.

8. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для машиностроит. спец. ВУЗов./П.ф, Дунаев, О.П. Леликов. - 4 - е изд. - М.: Высшая школа. - 1985 г. - 416 с.:ил.

Размещено на Allbest.ru