Структурный кинематический и силовой анализ кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Министерство образования и науки Российской Федерации

Карельский Государственный Педагогический Университет

Факультет технологии и предпринимательства

Структурный кинематический и силовой анализ кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания

Выполнил

студент гр.632 ОЗО ТиП (Басенкова М.С.)

Принял

КТЦ, доцент (Сущук А.С.)

Петрозаводск 2006

Введение

Данная работа по Технологии Механизмов и Машин (далее ТММ), посвящена структурному кинематическому и силовому анализу кривошипно-шатунному механизма (далее КШМ), т. к. КШМ является самым распространённым механизмом в технике, при этом в работе вычерчивалась кинематическая схема КШМ с учётом заданных и определённых размеров.

Работа КШМ исследовалась в пределах 1го оборота ведущего звена для более подробного анализа оборот развивался на 12ть положений ведущего звена, поэтому кинематические параметры КШМ - путь S (м), скорость V (м \ сек), ускорение а (м/ сек?) определились для каждого из 12ти положений. Эти кинематические параметры в работе представлены на листе 1 в виде планов положений, планов скоростей, планов ускорений. Определяются эти кинематические параметры методами теоретической механики.

Аналогичным образом с использованием методов теоретической механики определились инерционные силы, возникшие в звеньях при работе механизмов и реакции в кинематических парах. Силовой анализ КШМ заключается в определении инерционных сил и реакций в кинематических парах и мощности приводного устройства для 1го из 12ти положений КШМ. Результаты силового анализа представлены на листе 2 приложения.

Параметры кинематического и силового анализа зависят от особенностей работы двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) и размеров его звеньев.

Рассмотрим это более подробно.

1. Общие устройство и работа двигателя внутреннего сгорания

Размеры звеньев кривошипно-шатунного механизма.

Общее устройство ДВС и схема его КШМ представлена на рис.1, работа ДВС заключается в том, что внутри цилиндра двигателя сгорает топливо и нагревает газы внутри цилиндра двигателя их давление резко возрастает и он начинает давить на поршень (3) под действием давления газа, поршень начинает совершать прямолинейно возвратно поступательное движение, перемещаясь между крайними положениями именуемых ВМТ (верхней мёртвой точкой) и НМТ (нижней мёртвой точкой) путь S (м) пройденный поршнем между мёртвыми точками называется ходом поршня. Размер кривошипа R и длина шатуна L зависят от хода поршня S и влияют на размеры двигателя в целом и его надёжность и выходные параметры.

КШМ нужен для превращения прямолинейного движения поршня (3) во вращательное движение звена (1). Параметры и размеры звеньев КШМ 1го и 2го и хода поршня S связаны между собой следующими зависимостями:

S=2R (1)

Любое КШМ характеризуется очень важным параметром, обозначаемым:

? = L (2)

R

2. Структурный анализ кинематической схемы КШМ и определение степени его подвижности по формуле Чебышева П.

Если рассмотрим движение механизма относительно неподвижности звена, то из общего количества звеньев надо вычесть число подвижных звеньев:

n = к + 1 (1)

тогда степень подвижности пространства механизма относительно стойки определяется по формуле:

W= 6n - 5p5 - 4p4 - 3p3 - 2p2 - p1 (2)

Формула (2) называется формулой Малышева.

· Классификация механизмов

Структурная формула плоских механизмов. Все механизмы классифицированы по семействам, класс семейства определяется числом общих связей наложенных на механизм. Если на механизм наложить общую связь, то получим механизм 1го семейства.

W=5n - 4p5 - 3p4 - 2p3 - p2 (3)

Если наложить 2 общие связи, то

W= 4n - 3p5 - 2p4 - p3 (4)

Если наложить 3 общие связи: плоский механизм, формула Чебышева

W = 3n - 2p5 - p4 (5)

Кинематический анализ плоских механизмов подразумевает изучение движения звеньев механизма, любое движение характеризуется 3мя величинами, дающую возможность охарактеризовать каждое движение и отличить одно от другого. Кинематический анализ заключается в определении 3х кинематических параметров характерных параметрам каждого звена механизма.

Изучение кинематического параметра осуществляется в рамках 1го оборота ведущего звена, при этом траектория ведущего звена за 1й оборот разбивают на 12ть положений, 24ре положения, 36ть положений и т.д.

Положения остальных звеньев механизма, зависят (определяются) положением ведущего звена.

3. Построение плана положений кривошипно-шатунного механизма и методика его построения

кривошипный шатунный двигатель кинематический

План положения механизмов, план скоростей механизмов, план ускорений механизмов выполняем на стандартном листе миллиметровой бумаги формата А3, (далее приложение). Лист приложения делится на три части и обозначаем эти части буквами А; В; С соответственно под буквами чертим:

А. план положения механизмов

В. план скоростей механизмов

С. план ускорений механизмов

А. План положений механизмов.

Для построения плана положение механизма надо иметь его кинематическую схему размеры звеньев.

Изображение кинематической схемы механизма, соответствуя 12ти положениям ведущего звена, называется планом механизма. Планы положения механизма строят в определённом масштабе µl м/мм, строятся пунктиром лишь одно положение жирной линией.

µ l м\мм = Rм

ОА1 мм

4. Построение плана скоростей точек А; В; С кривошипно-шатунного механизма

Скоростью точек звеньев КШМ мы будем определять аналитически по формулам теоретической механики, путём построения планов скоростей точек звеньев КШМ. Необходимо определить скорости точек А, В, С КШМ. Скорость точек механизма определяется в зависимости от того, в каком движении участвовало звено и точка, находящиеся в этом звене.

Звенья КШМ, которые участвуют либо в поступательном движении, либо во вращательном движении, либо в сложном движении. В движении вместе с точкой А звена 1 и во вращательном движении вокруг точки А получим формулу (1)

VВ = VА2 + VВ2 А2 (1)

Векторная величина характеризуется числом напряжения, по формуле (2)

VС2 = VА2 + V С2 А2 (2)

Определение скорости ВА2

VА2 = ? х R (3)

На плане скоростей, скорости откладываем в масштабе µv, которое определяется по формуле (3)

µV = VА2 м/с

ра2 мм,

где ра2 это расстояние от полюса до точки А2

5. Определение ускорений точек А; В; С звеньев КШМ

Ускорение точек А, В и С КШМ мы будем определять аналитически по формула теоретической механики и графическим методом планов. Для определения ускорения точек А, В и С необходимо иметь план 12ти положений механизма (рис.1), план скоростей точек А, В и С (рис. 2)

Определение ускорения точки А ведущего звена ……КШМ

Рассмотрим определение ускорения в точке А … для 2го положения КШМ (рис.1). ускорение в точке А зависит от вида движения звена, точка А принадлежит звену 1 участвующему во вращательному движению, тогда вращательное движение определим по формуле теоретической механики

a = a? + a (4)

Из курса теоретической механики известно, что любое ускорение состоит из нормального ускорения и тангинсального ускорения, нормальное ускорение направлено по радиусу вращения, а тангинсальное ускорение направлено ….

Из теоретической механики известно, что

a? = ?? х R (5)

определим ускорение точки ……… для 2го положения

Определение ускорения точки В ведущего звена …… КШМ

Точка В принадлежит звену 2 которое участвует в сложном движении, вместе с точкой А2 и во вращательном движении точки В2 вокруг точки А2 , тогда:

aВ2 = aА2 + aВ2А2 , где (6)

aВ2А2 - ускорение вращательного движения вокруг А2

aВ2А2 = a? В2А2 + a В2А2 (7)

тогда уравнение (6) приобретает вид:

aВ2 = aА2 + a? В2А2 + a В2А2

Определение ускорения точки С ведущего звена …… КШМ

6. Определение инерционных сил звеньев КШМ

Для определения инерционных сил звеньев КШМ, необходимо иметь схему КШМ. Силы инерции звеньев будем определять по формуле (9). Данная формула приемлема для определения сил инерции звеньев 1,2 и 3:

Рu = - m * a, (9)

где Рu - сила инерции звена, Ньютон; m - масса звена, кг; a - ускорение центра тяжести, м\ сек?;

знак (-) в формуле (9) показывает, что вектор инерционной силы Рu направлен в сторону противоположную направлению вектора направления звена.

Направление вектора направления любого звена можно найти на плане ускорения, рассмотрим план ускорений:

aВ = aА + a В2А2 (уравнение 1)

aВ = aА + a? В2А2 + a В2А2 (уравнение 2)

a? В2А2 = V? В2А2

L

Перейдём к определению 3х звеньев

Определение инерционной силы звена 1.

Формула (9) для определения инерционной силы звена Рu = - m * a (9), применим её к звену 1, получим

Рu1 = - m1 * a ц.т., где (10)

a ц.т. - ускорение центра тяжести

µp - масштаб

1е звено представляет собой деталь в виде стержня, масса 1го звена определяется по формуле (11)

m = l * q, где (11)

l - длина рассматриваемого звена, (м)

q - масса 1 метра длины детали типа стержень, (кг/м)

q = 10 кг/м распрастранённая масса деталей типа стержень

В нашем случае звено имеет длину l, если l = R = 0,1, тогда m = ……*10 кг/м

V = ? х R

а = ?? х R

Ускорение центра тяжести (далее ЦТ) равна ? ускорению точки А2, или:

а ц.т. = ?* aА2

Значения m1 и а ц.т.1 подставим в формулу (10), тогда получим числовые значения инерционной силы 1го звена. Полученное значение вектора Up1 откладываем на графике (рис.5) в масштабе µp.

Определение инерционной силы Рu2 звена 2.

Звено 2 имеет длину l, определим массу m2 звена 2 по выражению:

m2 = l * q = L * q;

l = L

Масса m2 вместе с звеном 2 участвует в 2х движениях, вместе с точкой А2 и во вращательном движении вокруг точки 2, следовательно инерционная сила Pu2, должна состоять из 2х инерционных сил:

Pu2 = Pu2' + Pu2”, (12)

Где Pu2' - это движение массы m2 с ускорением точки а2; Pu2” - это движение с ускорением вращательного движения массы m2 вокруг точки А2

Ускорение вращательного движения проходит через центр качания К2, который находится выше С2 - центра тяжести звена.

aВ2 = aА2 + aВ2А2 ; aВ2А2 = a? В2А2 + a В2А2

Числовое значение инерционной силы Pu2 можем найти по формуле:

Pu2 = - m2 * аС2, где (13)

аС2 - ускорение точки С2, которое совпадает с расположением массы m2 звена 2.

C2K2 = J?_____ = 0.1 * m2 * L?

m2 * r? m2 * A2 C2 (14)

где r? - это расстояние от центра вращения стержня 2, до середины стержня, т.е. расстояние точек А2С2.

Момент инерции детали типа стержень найдём по формуле:

J? = 0, 1 * m * ??

Через точку К2 идёт ускорение вращательного движения точки аС2А, затем перейдём к определению силы инерционного звена 3.

Определение инерционной силы звена 3.

Pu3 определим по формуле (9) и получим формулу (15):

Pu3 = - m3 * аВ2, где (15)

аВ2 - ускорение точки В2, которое совпадает с расположением массы m2 звена 3.

В нашем случае с таблицей аВ2 = м/с. Массу поршня m3 определим по формуле:

m3 = mП * Fn, (16)

где mП - масса поршня карбюратора или дизетельного двигателя, кг\м?; Fn - площадь днища поршня нами выбранного двигателя, м?

F = ?D? м?

4

7. Определение реакции в кинематических парах А В Вх1 О

Приступать для определения реакции для 1го КШМ. Всё построения ведём на миллиметровой бумаги, построение назовём: СИЛОВОЙ АНАЛИЗ КШМ. Реакция кинематических парах ОА2 В2Вх (Рис.8). Определяем после того как выяснится величина направления инерционных сил возникших в звеньях КШМ. Мы будем пользоваться принципами Даламбера, который заключается в том, что определять силы и реакции возникающиеся в движущемся механизме (динамика). Суть принципа Даламбера заключается в том, что если ко всем силам механизма прибавить силы инерции то реакции и прочие силы можно определить для неподвижного механизма, т.е. статика.

Кинематическая схема КШМ для определения реакции:

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис.8.

Определение реакции в кинематических парах А В Вх

для определения реакции точки А мы отбросим звено 1 действующее на звено 2 и заменим его реакцией F1,2 . Аналогичным образом мы поступим с кинематической парой Вх2, т.е. отбросим звено 4 и заменим его действие на звено 3 реакцией.

Разложим силу F1,2 по двум направлением: вдоль звена 2 и перпендикулярно звену 2, мы вынуждены определить величину и направление её ? составляющих, т.е. F1,2 и F1,2n , чтобы после по ним определить F1,2 - реакцию. Для определения F1,2; F1,2n и F3,4 составим условие равновесия группы звеньев 2 и 3 представленных на рис. 9, для этого на рис.9 перенесём силы инерции с рис. 8, в том же масштабе, Pu1 и Pu2 - непереносим, т.к. звено 1 отброшено. Составим уравнение равновесной группе звеньев 2 и 3 векторной формы для определения искомых реакций векторное уравнение равновесия звеньев 2 и 3. В уравнение (1) войдут известные силы и искомые реакции в уравнении (1) в начале запишем силы известные силы:

Pu2 + Pu3 + F3,4 + F1,2 = 0 (1)

Схема определения реакции F1,2 и F3,4:

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

т.к. F1,2 силу - заменим 2мя составляющими, то получим:

Pu2 + Pu3 + F3,4 + F1,2 + F1,2 = 0 (1,1)

Уравнение 1,1 - векторные уравнение равновесия, будем решать графическим методам. В уравнение 1,1 имеются три вектора, которые надо замкнуть. Для получения замкнутости многоучастных сил есть возможность определить составляющих F1,2 рассмотрим условие равновесии только звена 2. ?

Определение реакции F1,2 - из рассмотренного равновесия звена 2 условие равновесия звена 2, : ? МВ2 = 0

±F1,2 * LАВ + Pu*h2 = 0 (2)

(+) - по часовой стрелки

(-) - против часовой стрелки

F1,2 = - Pu*h2 измеряется в Ньютонах

LАВ

Принятое первоначальное направление реакции F1,2 изменяем на противоположное.

Вернёмся к графическому решению уравнения 1,1 на рис.10:

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис. 10.

Определение реакции в кинематической паре В.

Схема определения реакции в точке В

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис.11.

Реакцию в точке В определяем по принципу Даламбера для этого отбросим звено 2 и его действие на звено 3 заменим реакцией F2,3.

Векторное уравнение равновесия звена 3

Pu3 = F3,4 + F2,3.= 0 (3)

Уравнение равновесия (3) решаем графически, принятое первоначально направление реакции изменяем согласно рис.11

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис.12.

Определение реакции в кинематической паре точки О.

Для определения реакции точки О отбросим неподвижное звено 4 (опору коленчатого вала) и заменим её действия на звено 1 реакции F4,1 (см. рис. 13)

Схема определения реакции F4,1 в точке О

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис.13. ( из рис.11)

Составим векторное условие равновесия звена 1:

Р4,1 + F2,1 + F4,1 = 0 (4)

Векторное уравнение решаем графически

Графическое решение уравнения (4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

Рис.14.

Перейдём к определению мощности электродвигателя, потребного для вращения КШМ.

8. Определение мощности электродвигателя для привода КШМ

Схема для определения мощности двигателя представлена на рис. 11. Электродвигатель должен быть подсоединён к точке О звена 1, для этого он должен иметь вращающий момент больший или равный момента сопротивления на звене 1, т.е. Мэл.дв.ОВ ? Мсопративления. Может сопротивление будет создаваться 2 силами, действующими на звено 1. Р4,1 и F1,2 относительно точки О, т.е. Мсопр = ?Мо (F1,2, Р u1)

Мсопр = F1,2 * h1 (5)

Момент сопротивления, который должен определять электродвигатель, уравнение (5). h1 - плечо Схема для определения мощности электродвигателя:

Размещено на http://www.allbest.ru/

5

рис.15.

Определим полезную мощность электродвигателя по формуле (6):

Nсопр = Mсопр * ? м/с (6)

Измеряется в Вт

Мощность электродвигателя больше Nсопр и определяется по формуле (7) с учётом потерь в приводе, который учитывает Кпд привода

N = Nсопр / ?мех (7),

Где ?мех - механический коэффициент КПД, в нашем случае ?мех = 0,85…..0,95

Размещено на Allbest.ru