Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технико-экономический анализ и обоснование конструкции проектируемого двигателя

За прототип проектируемого автомобильного двигателя был принят двигатель ВАЗ-21011. Материалом блока цилиндров, коленчатого вала служит чугун, головки блока цилиндров, поршней - алюминиевый сплав.

Таблица 1 - Сравнительные параметры проектируемого двигателя и прототипа

Номер показателя по порядку	Наименование показателя, размерность	Обозначение показателя	Проекти-руемый двигатель	Двигатель-прототип
1	Диаметр цилиндра, мм	D	79	76
2	Ход поршня, мм	S	70	66
3	Литраж, л	Vл	0,69	1,2
4	Число цилиндров	i	2	4
5	Степень сжатия	е	8,5	8,5
6	Номинальная мощность, кВт	Ne	28 (38,08 л.с.)	47
7	Частота вращения коленвала при номинальной мощности, мин-1	nн	5700	5600
8	Максимальный крутящий момент, Н·м	Mк max	58,76
9	Частота вращения коленвала при максимальном крутящем моменте, мин-1	nMk max	2000
10	Среднее эффективное давление, МПа	Pe	0,857
11	Литровая мощность, кВт/л	Nл	40,8
12	Минимальный удельный расход топлива, г/кВт·ч	ge min	301



2. Тепловой расчет двигателя

2.1 Определение параметров рабочего тела

В соответствии с заданной степенью сжатия е = 8,5 можно использовать бензин марки АИ-93.

Средний элементарный состав и молекулярная масса топлива:

С = 0,855; Н = 0,145; m_т = 115 кг/моль.

Низшая теплота сгорания топлива:

Н_u=33,91С+125,60Н - 10,89(О - S) -2,51•(9H+W)= =33,91•0,855+125,6•0,145-2,51•9•0,145= 43,93МДж/кг=43930кДж/кг

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

,

кг возд./кг топл.

\

Принимаем значение коэффициента избытка воздуха б = 0,96 при частоте вращения коленчатого вала двигателя n = 5700 об/мин.

Количество горючей смеси:

.

Количество отдельных компонентов продуктов сгорания при K = 0,5:

,

,

,

,

..

Общее количество продуктов сгорания:

=

Проверка:

2.2 Определение параметров заряда на впуске и в процессе наполнения

Давление и температура окружающей среды при работе двигателя без наддува Р_к=Р_о=0,1МПа и Т_к=Т_о=293К

Температура остаточных газов определяется по графику ([1], стр106, рис. 5.1): при б = 0,96 и n = 5700 об/мин принимается T_r = 1070 К.

Давление остаточных газов

Давление остаточных газов определяется в результате вычислений:

,

.

С целью получения хорошего наполнения двигателя на номинальном скоростном режиме принимается ДТ_N = 8°C.

Плотность заряда на впуске:

,

где - универсальная газовая постоянная для воздуха.

Потери давления на впуске определяются:

,

В соответствии со скоростным режимом двигателя (n = 5700 об/мин) и при условии качественной обработки внутренней поверхности впускной системы можно принять = 2,8 и = 95 м/с.

Давление в конце впуска:

.



Коэффициент остаточных газов:

,

где - коэффициент очистки;

- коэффициент дозарядки на номинальном скоростном режиме

Принимается = 1, = 1,1.

Температура в конце впуска:

Коэффициент наполнения:

2.3 Определение параметров процесса сжатия

По номограмме для определения показателя адиабаты сжатия, т.к.

n = 5700 об/мин и = 337 К, то показатель адиабаты сжатия принимается k₁ = 1,3773, а средний показатель политропы сжатия принимается n₁ = 1,376.

Давление в конце сжатия:

.



Температура в конце сжатия:

Средняя мольная теплоемкость свежей смеси (воздуха) в конце сжатия:

,

где .

Средняя мольная теплоемкость остаточных газов в конце сжатия определяется методом экстраполяции по таблице средней мольной теплоемкости продуктов сгорания (б = 0,96; :

Средняя мольная теплоемкость рабочей смеси:

.



2.4 Определение параметров процесса сгорания

Коэффициент молекулярного изменения горючей и рабочей смеси соответственно:

Количество теплоты, потерянное вследствие химической неполноты сгорания топлива:

Теплота сгорания рабочей смеси:

Средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания:

Величина коэффициента использования теплоты е_z определяется исходя из графика исходных параметров для теплового расчета карбюраторного двигателя. При n = 5700 об/мин принимается е_z = 0,9.

Температура в конце видимого процесса сгорания вычисляется при решении уравнения:

В соответствии с уравнением:

;

;

.

Максимальное давление сгорания теоретическое:

Максимальное давление сгорания действительное:

.

Степень повышения давления:



2.5 Определение параметров процессов расширения и выпуска

По номограмме для определения показателя адиабаты расширения, т.к. n = 5700 об/мин, б = 0,96 и = 2827 К, то принимается средний показатель адиабаты расширения k₂ = 1,2547, а средний показатель политропы расширения n₂ = 1,253.

Давление и температура в конце процесса расширения соответственно:

Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:

=.

Погрешность расчета:

Д = 100 · (1070 - 1066) / 1066 = + 0,4 %.

Погрешность расчета мала, значит температура остаточных газов принята достаточно удачно.

2.6 Определение индикаторных показателей цикла

Теоретическое среднее индикаторное давление:



.

Коэффициент полноты диаграммы принимается

Среднее индикаторное давление:

Индикаторный к. п. д. и индикаторный расход топлива соответственно:

=

2.7 Определение эффективных показателей цикла

Предварительно принимается ход поршня S = 70 мм.

Средняя скорость поршня:

Среднее давление механических потерь:

.



Среднее эффективное давление и механический к. п. д.:

Эффективный к. п. д. и эффективный удельный расход топлива:

,

2.8 Определение основных размеров цилиндра и двигателя

Литраж двигателя:

где - число тактов двигателя.

Рабочий объем одного цилиндра:

Ход поршня:



Площадь поршня:

Крутящий момент:

.

Часовой расход топлива:

Литровая мощность двигателя:

.

2.9 Построение индикаторной диаграммы

Масштабы диаграммы: масштаб хода поршня масштаб давлений .

Приведенные величины, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:

Максимальная высота диаграммы (точка z):



Ординаты характерных точек:

Таблица 2 - Результаты расчета точек политроп

№ точек	OX, мм	OB / OX	Политропа сжатия	Политропа расширения
				, мм			, мм
1	9,33	8,5	19,01	32,32	1,62	14,61	127,11	6,36
2	12,0	6,6	13,42	22,82	1,14	10,64	92,57	4,63
3	15,3	5,2	9,67	16,44	0,82	7,89	68,64	3,43
4	19,6	4,06	6,88	11,7	0,59	5,79	50,37	2,52
5	30,5	2,6	3,72	6,32	0,32	3,31	28,8	1,44
6	43,0	1,85	2,33	3,96	0,2	2,16	18,79	0,94
7	49,2	1,61	1,93	3,28	0,17	1,82	15,84	0,79
8	55,2	1,44	1,65	2,81	0,14	1,82	15,84	0,79
9	60,6	1,31	1,45	2,47	0,12	1,4	12,18	0,61
10	65,5	1,21	1,3	2,21	0,11	1,27	11,05	0,55
11	69,7	1,14	1,2	2,04	0,1	1,18	10,27	0,51
12	73,2	1,08	1,11	1,89	0,1	1,1	9,57	0,48
13	75,9	1,05	1,07	1,82	0,09	1,06	9,22	0,46
14	79,3	1	1	1,7	0,09	1	8,7	0,44

Построение политропы сжатия аналитическим методом:

,

,



где

В соответствии с формулой:

Построение политропы расширения аналитическим методом:

,

.

В соответствии с формулой:

Таблица 3 - Результаты расчета ключевых точек индикаторной диаграммы

Обозначе-ние точек	Положение точек	ц°	(1 - cosц) + · (1 - cos2ц)	Расстояние точек от в. м. т. (AX), мм
r'	18° до в. м. т.	18	0,06255	2,3
a'	25° после в. м. т.	25	0,11914	4,3
a”	60° после в. м. т.	120	1,6069	56,2
c'	35° до в. м. т.	35	0,2277	8,1
f	30° до в. м. т.	30	0,1695	5,9
b'	55° до н. м. т.	125	1,6669	58,3

Учитывая быстроходность двигателя, угол опережения зажигания И принимается равным 35°, а продолжительность периода задержки воспламенения Д. При построении индикаторной диаграммы предварительно принимается л = 0,28.

Положение точки c” определяется из выражения:

.

Принимается

Действительное давление сгорания:

Нарастание давления от c” до :

или .

Индикаторная диаграмма представлена на рис.1.

2.10 Тепловой баланс

Общее количество теплоты, введенной в двигатель с топливом:



Теплота, эквивалентная эффективной работе за 1 с:

.

Теплота, передаваемая охлаждающей среде:

где - коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей;

- показатель степени для четырехтактных двигателей.

Принимается и .

Теплота, унесенная с отработавшими газами:

где - теплоемкость остаточных газов, определяемая методом интерполяции из таблицы средней мольной теплоемкости продуктов сгорания (при б = 0,96; = 793 °C).

Расчет методом интерполяции:



Теплота, потерянная из-за химической неполноты сгорания топлива:

.

Неучтенные потери теплоты:

.

Таблица 4 - Составляющие теплового баланса

Составляющие теплового баланса	Q, Дж/с	q, %
	28000	27,2
	31491	30,6
	32872	31,96
	5891	5,73
	4616	4,51
УQ	102870	100

2.11 Построение внешней скоростной характеристики двигателя

При расчете двигателя задаемся диапазоном частот вращения коленчатого вала от до и шагом



Пример расчета к таблице 5:

двигатель технический экономический анализ

;

г/(кВт·ч);

;

;

Таблица 5 - Результаты расчета внешней скоростной характеристики

Частота вращения коленчатого вала n, об/мин	Параметры внешней скоростной характеристики
	, кВт	, г/(кВт·ч)	, Н·м	, кг/ч
600	3,24	327	51,6	1,06	0,93	0,86
1000	5,64	307	53,9	1,73	0,91	0,96
1500	8,82	287	56,2	2,53	0,99	0,96
2000	12,1	272	57,8	3,29	0,96	0,96
2500	15,35	261	58,7	4	0,94	0,96
3000	18,46	255	58,8	4,7	0,92	0,96
3500	21,33	253	58,2	5,4	0,9	0,96
4000	23,83	256	56,9	6,1	0,8958	0,96
4500	25,85	263	54,9	6,81	0,89	0,96
5000	27,29	276	52,2	7,54	0,88	0,96
5500	28,01	293	48,7	8,2	0,88	0,96
5700	28	0	47,1	0		0,96
6000	27,92	314	44,6	8,78	0,86	0,96



3. Динамический расчет двигателя

3.1 Определение сил давления газов, сил инерции поступательно движущихся и вращающихся масс КШМ, суммарных сил, действующих в одном цилиндре, в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Построим развернутую индикаторную диаграмму. Силы давления газов в Р - ц координатах были рассчитаны при построении индикаторной диаграммы. Отметим, что при построении развертки индикаторной диаграммы в Р - ц координаты, просчитаем все значения Р через каждые 30° п.к.в.

Следует учесть, что на развернутой диаграмме показывается избыточное давление над поршнем , таким образом произведем смещение на величину атмосферного давления. Также следует отметить, что значения давления на впуске и выпуске постоянны и на диаграмме представляют собой прямолинейные участки, поэтому примем значения давлений на данных участках равными соответствующим характерным точкам. Все значения представлены в таблице 6.

3.2 Приведение масс деталей КШМ

По таблице 8.1 ([1], стр.166) с учётом диаметра цилиндров, отношения S/D, рядного расположения цилиндров и достаточно высокого значения устанавливаются: Для расчета элементов КШМ принимаются следующие значения конструктивных масс в соответствии с материалом, из которого изготовлен данный элемент и рекомендациями - , , .

Масса поршневой группы:



=150•0,004899=0,735 кг.

Масса шатуна:

.

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов:

=180•0,004899 =0,882 кг.

Масса шатунной группы, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

=.

Масса шатунной группы, сосредоточенная на оси кривошипа:

.

Масса сосредоточенных масс, частично динамически эквивалентных КШМ, сосредоточенной на оси поршневого пальца и имеющей возвратно-поступательное движение:

.

Масса сосредоточенных масс, частично динамически эквивалентных КШМ, сосредоточенной на оси кривошипа и имеющей вращательное движение:



.

2.3 Силы инерции

Сила инерции возвратно - поступательно движущихся масс определяется по формуле:

полные силы:

где R - радиус кривошипа, м; щ - угловая скорость коленчатого вала, 1/сек;

л - отношения радиуса кривошипа к длине шатуна; ц - угол поворота коленчатого вала.

Радиус кривошипа:

Если принять условие, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью, то она определяется из формулы:

.

Значения p_j, просчитанные через каждые 30° п.к.в. представлены в таблице 6. Кривая удельных сил инерции p_j представлена на рис. 3.

Центробежная сила инерции вращающихся масс:



Сила инерции вращающихся масс шатуна:

Сила инерции вращающихся масс кривошипа:

3.4 Определение удельных сил, действующих в КШМ

Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца , представлена на рис.3.

Удельная нормальная сила:

,

где значение определяем для л=0,28 по таблице 8.2 ([1], стр.169)

Удельная сила, действующая вдоль шатуна, воздействующая на него и передающаяся кривошипу:

Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:

.

Удельная и полная тангенциальные силы:



Среднее значение тангенциальной силы за цикл:

.

Таблица 6 - Полные и удельные силы

°	pг, МПа	j, м/с2	pj, МПа	p, МПа	pN, МПа	pS, МПа	pK, МПа	pT, МПа	T, кН	Мкр.ц., Н•м
0	0,018	15967	-3,276	-3,258	0	-3,258	-3,28	0	0	0
30	-0,015	12549	-2,575	-2,590	-0,365	-2,564	-2,059	-1,611	-7,892	-276,2
60	-0,015	4491	-0,922	-0,937	-0,232	-0,909	-0,267	-0,927	-4,542	-159,0
90	-0,015	-3493	0,717	0,702	0,203	0,674	-0,203	0,702	3,438	120,3
120	-0,015	-7984	1,638	1,623	0,403	1,576	-1,161	1,205	5,901	206,5
150	-0,015	-9056	1,858	1,843	0,260	1,825	-1,727	0,697	3,413	119,5
180	-0,015	-8981	1,843	1,828	0	1,828	-1,828	0	0,000	0
210	-0,015	-9056	1,858	1,843	-0,260	1,825	-1,727	-0,697	-3,413	-119,5
240	-0,015	-7984	1,638	1,623	-0,403	1,576	-1,161	-1,205	-5,901	-206,5
270	0,17	-3493	0,717	0,887	-0,256	0,852	-0,256	-0,887	-4,344	-152,0
300	0,32	4491	-0,922	-0,602	0,149	-0,584	-0,171	0,596	2,918	102,1
330	0,65	12549	-2,575	-1,925	0,271	-1,906	-1,53	1,197	5,866	205,3
360	2,00	15967	-3,276	-1,276	0	-1,276	-1,276	0	0	0
370	5,3797	15567	-3,191	2,189	0,107	2,19	2,137	0,484	2,37	82,95
390	5,4	12549	-2,575	2,825	0,398	2,797	2,246	1,757	8,608	301,3
420	1,4	4491	-0,922	0,478	0,119	0,465	0,136	0,474	2,32	81,2
450	0,75	-3493	0,717	1,467	0,424	1,409	-0,424	1,467	7,186	251,5
480	0,4	-7984	1,638	2,038	0,506	1,979	-1,457	1,512	7,409	259,3
510	0,25	-9056	1,858	2,108	0,297	2,087	-1,975	0,797	3,904	136,6
540	0,1	-8981	1,843	1,943	0	1,943	-1,943	0	0	0
570	0,17	-9056	1,858	2,028	-0,286	2,008	-1,901	-0,767	-3,756	-131,5
600	0,018	-7984	1,638	1,656	-0,411	1,608	-1,184	-1,229	-6,021	-210,7
630	0,018	-3493	0,717	0,735	-0,212	0,706	-0,212	-0,735	-3,6	-126,0
660	0,018	4491	-0,922	-0,904	0,224	-0,877	-0,258	0,895	4,382	153,4
690	0,018	12549	-2,575	-2,557	0,361	-2,532	-2,033	1,59	7,792	272,7
720	0,018	15967	-3,276	-3,258	0	-3,258	-3,258	0	0	0



3.5 Расчет суммарного крутящего момента развернутого двигателя

Крутящий момент одного цилиндра:

.

Период изменения крутящего момента для четырёхтактного двигателя с 2-мя цилиндрами и равными интервалами между вспышками:

Суммарный крутящий момент определим в таблице 7 по следующей формуле: .

По полученным данным строим кривую , которая представлена на рисунке 4.

Таблица 7 - Определение суммарного крутящего момента двигателя

°	Цилиндры	М кр. Н*м
	1	2
	°крив. ц	М кр.ц. Н*м	° крив. ц	М кр.ц. Н*м
0	0	0	360	0	0
10	10	-102,6	370	85,5	-17,1
20	20	-171,5	380	222,2	50,7
30	30	-276,1	390	301,5	25,4
40	40	-290,6	400	247,9	-42,7
50	50	-299,2	410	153,9	-145,3
60	60	-295,6	420	81,27	-214,33
70	70	-213,7	430	128,2	-85,5
80	80	-17,1	440	179,5	162,4
90	90	93,6	450	251,4	345
100	100	145,3	460	265	410,3
110	110	179,5	470	256,4	435,9
120	120	194,3	480	259,3	453,6
130	130	188,1	490	230,8	418,9
140	140	153,9	500	188,1	342
150	150	114,6	510	136,7	251,3
160	160	76,9	520	68,4	145,3
170	170	34,2	530	34,2	68,4
180	180	0	540	0	0
190	190	-34,2	550	-42,7	-76,9
200	200	-76,9	560	-94,02	-170,92
210	210	-114,6	570	-131,4	-246
220	220	-153,9	580	-162,4	-316,3
230	230	-171,5	590	-188,1	-359,6
240	240	-194,3	600	-209,6	-403,9
250	250	-196,6	610	-188,1	-384,7
260	260	-179,5	620	-153,9	-333,4
270	270	-151,9	630	-124,5	-276,4
280	280	-76,9	640	-51,3	-128,2
290	290	-8,6	650	76,9	68,3
300	300	102	660	154,7	256,7
310	310	145,3	670	205,2	350,5
320	320	179,5	680	247,9	427,4
330	330	205,1	690	273,3	478,4
340	340	171,5	700	188,1	359,6
350	350	71,6	710	85,5	157,1
360	360	0	720	0	0

Среднее значение суммарного крутящего момента определяется по площади, заключенной между кривой и линией :

,

где - соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой и линией определенные методом планиметрирования площади под кривой.

Действительный эффективный крутящий момент, снимаемый с вала двигателя:

где - механический к. п. д. двигателя.

3.6 Построение полярной диаграммы сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

Аналитически результирующая сила, действующая на шатунную шейку рядного двигателя:

,

где - сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу, Н.

Сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу:

.

Значения и полученные при различных углах п.к.в. представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Силы, действующие на шатунные шейки и на колено коленчатого вала

	T, кН	K, кН	Рк, кН	Rшш, кН	Крк, кН	Rк, кН
0	0	-15,963	-24,82	24,82	-35,82	-35,82
30	-7,892	-10,082	-18,944	20,52	-29,944	-30
60	-4,542	-1,308	-10,165	11,13	-21,165	-21,75
90	3,438	-0,994	-9,851	10,43	-20,851	-21,25
120	5,901	-5,686	-14,543	15,7	-25,543	-26,25
150	3,413	-8,461	-17,318	17,65	-28,318	-28,5
180	0,000	-8,955	-17,812	17,81	-28,812	-28,812
210	-3,413	-8,461	-17,318	17,65	-28,318	-28,25
240	-5,901	-5,686	-14,543	15,7	-25,543	-25,75
270	-4,344	-1,255	-10,112	11	-21,112	-21,75
300	2,918	-0,84	-9,697	10,13	-20,697	-21
330	5,866	-7,489	-16,355	17,38	-27,355	-28
360	0	-6,253	-15,11	15,11	-26,11	-26,11
390	8,608	11,002	2,145	8,87	-8,855	-12,5
420	2,32	0,668	-8,189	8,51	-19,189	-19,5
450	7,186	-2,077	-10,934	13,08	-21,934	-23,25
480	7,409	-7,14	-15,997	17,63	-26,997	-28
510	3,904	-9,678	-18,535	18,94	-29,535	-29,88
540	0	-9,518	-18,375	18,38	-29,375	-29,38
570	-3,756	-9,311	-18,168	18,55	-29,168	-29,5
600	-6,021	-5,802	-14,659	15,85	-25,659	-26,5
630	-3,6	-1,04	-9,897	10,53	-20,897	-21,38
660	4,382	-1,262	-10,119	11,03	-21,119	-22
690	7,792	-9,959	-18,816	20,37	-29,816	-30,75
720	0	-15,963	-24,820	24,82	-35,82	-35,82

Графическое построение силы в зависимости от угла п.к.в. осуществляется в виде полярной диаграммы, которая представлена на рис. 5.

Таблица 9 - Силы, действующие на шатунную шейку

	RШШ, МПа	Лучи
		1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
0	24,82	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	*	*
30	20,52	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
60	11,13	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
90	10,43	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
120	15,7	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
150	17,65	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
180	17,81	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	*	*
210	17,65	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
240	15,7	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
270	11	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
300	10,13	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
330	17,38	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
360	15,11	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	*	*
390	-	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*	*	*
420	8,51	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
450	13,08	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*	*
480	17,63	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
510	18,94	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
540	18,38	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	*	*
570	18,55	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
600	15,85	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
630	10,53	*	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*
660	11,03	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
690	20,37	*	*	-	-	-	-	-	-	-	-	*	*
	357,9	344,82	197,05	0	0	0	0	0	8,87	21,95	245,84	366,77

3.7 Расчет уравновешенности двигателя

Силы инерции 1-го порядка

Выбран двухцилиндровый рядный двигатель с кривошипами, направленными в одну сторону. Порядок работы двигателя 1-2. Промежутки между вспышками равны 360. Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы, направленный в одну сторону. При принятой схеме расположения кривошипов для каждого цилиндра будут одинаковыми силы Равнодействующие этих сил для первого и второго цилиндров соответственно:

Неуравновешенных моментов нет, так как действующие силы и плечи приложения этих сил одинаковы: ; и .

Для уравновешивания центробежной силы вращающихся масс на продолжении щёк устанавливают два одинаковых противовеса, центры тяжести которых расположены на расстоянии с от оси коленчатого вала.



Полное уравновешивание силы достигается при условии

за счет подбора и .

По конструктивным соображениям не уравновешивают силу инерции второго порядка, а действие неуравновешенной силы инерции первого порядка частично (обычно ) переносят из вертикальной плоскости в горизонтальную установкой противовесов.

Масса противовесов (кг)

.

Таким образом, общая масса каждого противовеса будет

).

Расчёт поршня

Таблица 10 - Исходные данные

Параметр	Буквенное обозначение	Численное значение	Единица измерения
Диаметр цилиндра	D	79	мм
Ход поршня	S	70	мм
Максимальное давление сгорания	PzД	5,3797	МПа
Площадь поршня	Fп	48,99	см2
Наибольшая нормальная сила	Nmax	0,0025	МН
Масса поршневой группы	mп	0,735	кг
Частота вращения	nx.x.max	6000	мин-1
Отношение R/L		0,28	-



В соответствии с существующими аналогичными двигателями и с учетом известных соотношений принимаем:

Таблица 11 - Принятые размеры

Параметр	Буквенное обозначение	Численное значение	Единица измерения
Высота поршня	H	103	мм
Высота юбки поршня	hю	48	мм
Радиальная толщина кольца	t	3,2	мм
Радиальный зазор кольца в канавке поршня	Дt	0,8	мм
Толщина верхней кольцевой перемычки	hп	4	мм
Толщина стенки головки поршня	s	8	мм
Диаметр масляных каналов	dм	1	мм
Количество масляных каналов	nм	10	шт
Материал поршня	-	=0,000022	алюминиевый сплав
Материал гильзы цилиндра	-	=0,000011	чугун
Толщина днища поршня		7,9	мм

Напряжение изгиба в днище поршня

где r_i=D/2-(s+t+t)=79/2-(8+3,2+0,8)=27,5 мм - внутренний радиус днища.

Так как , то днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости.([1], стр. 259)

Тепловые напряжения охлаждаемых алюминиевых поршней обычно определяются термометрированием при экспериментальных исследованиях. Головка поршня в сечении х - х (рисунок 7) ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжение сжатия в сечении х - х: (МПа),

где площадь сечения х-х:

Максимальная сжимающая сила

;

Напряжение сжатия:

Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов составляют .



Напряжение разрыва в сечении х-х: (МПа),

где - максимальная разрывающая сила,

где максимальная угловая скорость холостого хода:

,

масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х

.

Максимальная разрывающая сила:

Напряжение разрыва:

Допустимые напряжения на разрыв для поршней из алюминиевых сплавов составляют .

Напряжения в верхней кольцевой перемычке:

среза:

изгиба:

сложное:

Допускаемые сложные напряжения в верхних кольцевых перемычках для поршней из алюминиевых сплавов составляют

Удельные давления юбки поршня h_ю и всей высоты Н поршня на стенку цилиндра соответственно:

Для современных автомобильных двигателей q₁=0,3…1,0 и q₂=0,2…0,7 МПа

В целях предотвращения заклинивания поршней при работе двигателя размеры диаметров головки и юбки поршня определяют, исходя из наличия необходимых монтажных зазоров.

Диаметры головки и юбки поршня

где

Диаметральные зазоры в горячем состоянии



где T_ц= 383 К, T_г= 593 К, T_ю= 413 К приняты с учетом водного охлаждения двигателя, T₀= 293 К - начальная температура цилиндра и поршня.

Расчет компрессионного кольца

Таблица 12 - Исходные данные для расчета компрессионного кольца

Параметр	Буквенное обозначение	Численное значение	Единица измерения
Радиальная толщина кольца	t	3	мм
Материал гильзы цилиндра	-	=0,000011	чугун
Материал кольца	-	=0,000011 E=1•105МПа	серый легированный чугун

Среднее давление кольца на стенку цилиндра

где - разность между величинами зазоров кольца в свободном и рабочем состоянии.

Допустимое среднее радиальное давление для компрессионных колец составляет p_ср =0,11 - 0,37 МПа

Давление (МПа) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности :

Результаты расчета давления кольца на стенку цилиндра p, а также переменного коэффициента для различных углов приведены ниже:

Таблица 13 - Результаты расчёта кольца

,град	0	30	60	90	120	150	180
	1,05	1,04	1,02	1,0	1,02	1,27	1,50
p, МПа	0,12	0,12	0,13	0,103	0,051	0,076	0,352

Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:

Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

Допустимые напряжения при изгибе кольца составляют =220 - 450 МПа.

Монтажный зазор в замке поршневого кольца:

где мм - минимальный допустимый зазор в замке кольца во время работы ДВС, Т_ц= 383 К, Т_к=493 К, Т₀= 293 К.

Расчет поршневого пальца

Таблица 14 - Исходные данные

Параметр	Буквенное обозначение	Численное значение	Единица измерения
Наружный диаметр пальца	dп	20	мм
Внутренний диаметр пальца	dв	14	мм
Длина пальца	lп	55	мм
Длина втулки шатуна	lш	32	мм
Расстояние между торцами бобышек	b	40	мм
Материал поршневого пальца	Сталь 15Х	E= 2•105	МПа

Расчётная сила, действующая на поршневой палец:

Газовая:

Инерционная:

где щ_м=р•n_M/30=р•3000/30= 314рад/с

Расчётная:

где k=0,82 - коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца([1], стр 273)

Удельное давление пальца на втулку поршневой головки шатуна:



Удельное давление пальца на бобышки:

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q_ш=20 - 60 МПа и q_б=15 - 50 МПа

Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:

где - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.

Для автомобильных и тракторных двигателей

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

Для автомобильных и тракторных двигателей

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации

Допустимые значения для

Напряжения овализации на внешней поверхности пальца:

В горизонтальной плоскости (точки 1, ):

В вертикальной плоскости (точки 3, ):

Напряжения овализации на внутренней поверхностти пальца:

В горизонтальной плоскости (точки 2, ):

В вертикальной плоскости (точки 4, ):



Наибольшее напряжение овализации возникает на внутренней поверхности пальца в горизонтальной плоскости. Это напряжение не должно превышать 300…350 МПа.



4 Условия и мероприятия по технике безопасности, улучшению условий труда и охране окружающей среды

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными двигателями, вырабатывающими механическую энергию, необходимую для привода в действие различных видов транспортных средств и других механизмов.

В настоящее время, для двигателей, устанавливаемых на легковые автомобили существуют следующие основные тенденции оптимизации конструкции и показателей направленных на:

· снижение потребления горюче-смазочных материалов;

· увеличение моторесурса;

· удобство эксплуатации, простоту и удобство технического обслуживания;

· снижение себестоимости двигателя;

· снижение выброса вредных веществ;

· снижение уровня шума;

· быструю приспособляемость к работе на переменных режимах в зависимости от условий эксплуатации;

· улучшение технико-экономических показателей систем обслуживающих двигатель;

· оптимизация массогабаритных показателей двигателя путем увеличения удельных мощностей и применения материалопоглощающих технологий.

Для улучшения показателей двигателя необходимо применение современных устройств, повышающих как экономические показатели двигателя(уменьшение расхода топлива, запасных частей и т.п.), так и экологические(уменьшение выброса токсичных веществ). Для этого необходимо применение каталитического нейтрализатора, применение качественных экологических топлив, качественных смазочных материалов и т.п.

Для улучшения условий труда, а так же повышению безопасности эксплуатации автомобилей, силовой агрегат необходимо оптимизировать, а именно предусмотреть защиту человека от деталей, которые могут нанести вред здоровью. К примеру, предусмотреть защитные кожухи, устанавливаемые на все вращающиеся и перемещающиеся детали двигателя.

Также необходимо обеспечить легкий доступ к деталям, требующим частого обслуживания.



Список литературы

1. Автомобильные двигатели: учебник для вузов / под ред. Ховаха М. С. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977 - 591с.

2. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособ. для студ. вузов / А.И. Колчин, В.П. Демидов. - М.: Высш. шк., 203. - 496с.

3. Единая система конструкторской документации: спр. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во стандартов, 1989. - 348с.

Размещено на Allbest.ru