Проектирование и исследование механизмов двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия

имени академика Д. Н. Прянишникова»

Кафедра деталей машин

Расчетно-пояснительная записка

к курсовому проекту

По теории механизмов и машин

На тему: «Проектирование и исследование механизмов двигателя»



ЗАДАНИЕ

Задачей данного курсового проекта является проведение структурного, кинематического и силового исследования рычажного механизма двухтактного двигателя внутреннего сгорания, а также проектирования маховика.

Данные для проекта:

Длина кривошипа	1OA	м	0,042
Отношение длины кривошипа к шатуну	Х= 1 АB/ 1 OA		4
Угловая скорость кривошипа	?1	с'1	340
Масса кривошипа ОА	т 1	кг	3,0
Масса шатуна АВ	т 2	кг	3,8
Масса поршня В	т 3	кг	2,6
Моменты инерции звеньев относительно	J01	кгм2	0,11
осей, проходящий через их центры масс	Js2		0,022
Диаметр поршня	D	м	0,08
Максимальное давление газов	Ртах	МПа	4
Коэффициент неравномерности хода	?		0,025

Планы ускорений строим для положений № 11, 5, 9 механизма. Силовой расчет провести для положения № 11 механизма.



1. СИНТЕЗ, СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ И КИНЕМАТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

поршень силовой рычажный маховик

1.1 Проектирование кривошипно-шатунного механизма

Определяем длину шатуна АВ

1АВ= 1ОА*?=0,042*4= 0,168(м)

1.2 Структурный анализ механизма

Определяем степень подвижности механизма по формуле Чебышева

W= Зп -2р5 -р4 = 3*3 - 2*4 - 0 = 1

где: п =3 - число подвижных звеньев: 1 - кривошип ОА; 2 - шатун АВ; 3 поршень В;

ps =4 -- число кинематических пар пятого класса: 1 - стойка 0 - кривошип ОА; 2 - кривошип ОА- шатун АВ; 3 - шатун АВ - поршень В, 4 - поршень - стойка 0; р4 = 0 - число кинематических пар четвертого класса.

Механизм образуется путем последовательного присоединения к ведущему звену и стойке кинематических цепей с нулевой степенью подвижности (групп Ассура).

Входным (ведущим) звеном является кривошип 1, выходным звеном - поршень 3, совершающий возвратно-поступательное движение.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Проводим разложение механизма на структурные группы: ведущее звено является механизмом 1 класса, звенья 2-3 образуют структурную группу II класса, второго порядка, второго вида.

Структурный анализ показал, что механизм имеет одну степень свободы и относится ко II классу второго порядка.

Структурное строение механизма можно представить формулой: I -->II (2,3)

1.3 Построение схемы механизма

Полная длинна механизма;

L= 2*1ОА+1АВ= 2 * 0,042+ 0,168= 0,252 м

Масштаб;

М1=L(м)/350=0,252/350=0,00072

Длины звеньев на чертеже;

OA=1OA/e|=0,042/0,00072=58 мм

АВ= 1AB/e=0,168/0,00072=233 мм

Проверка;

2*ОА+АВ=350±1 мм => 2*58+233=349 мм

Строим 12 положений звеньев, для этого разделим траекторию движения, описываемую точкой А кривошипа ОА, на 12 равных частей. За нулевое принимаем положение кривошипа ОА, при котором точка В поршня 3 занимает крайнее верхнее положение, соответствующее началу рабочего хода. Из отмеченных на окружности точек А0, Аь А2 ... Ац раствором циркуля равным АВ делаем засечки на линии О-Х движения поршня 3, получаем точки В0, Вь В2 ... Вц. Соединив полученные точки прямыми линиями, получаем 12 положений механизма.

Положения точки центра тяжести звена 2 находим из условия

AS2= 0,З*АВ = 0,3 * 233 = 70 мм .

Положения точек центров тяжести S2звена АВ находим для каждого положения, соединив плавной кривой получим траекторию движения т. S2.

1.4 Построение планов скоростей

Определяем скорость точки А кривошипа ОА (? 1= const):

VA = ?1 * 1ОА = 340 * 0.042 = 14,28 (м/с)

Вектор скорости VAперпендикулярен к кривошипу ОА и направлен в сторону вращения кривошипа.

Затем для структурной группы ||2 (звенья 2-3) составляем векторное уравнение скоростей:

V = V + V

VВVАVВА

||ОВ_|_ОА _|_АВ

где VB- скорость точки В поршня 3, направлена параллельно оси О-Х;

VBA- скорость точки В относительно точки А, направлена перпендикулярно оси звена АВ.

Построение плана скоростей: из точки р (полюс плана скоростей Vp=0) проводим вектор ра= 100 мм, изображающий скорость VA. Затем из точки апроводим луч перпендикулярный АВ схемы, а из точки р - луч параллельный О-

Скорость точки центра тяжести звена 2 находим, используя подобие

(as2)=AS2=>(as2) =0.3(ab)

ab AB

Результаты расчетов оформляем в виде таблицы.

Таблица 1.1 - Значения скоростей точек механизма

Параметр	Размер.	Номер положения
		0; 12	1; 11	2; 10	3; 9	4; 8	5; 7	6
VA= ?1*1OA	м/с	14,28	14,28	14,28	14,28	14,28	14,28	14,28
?b	мм	100	86	52	0	52	86	100
VBA=?V * ?b	м/с	14,28	12,28	7,42	0	7,42	12,28	14,28
рb	мм	0	60	96	100	75	40	0
VB=?V * рb	м/с	0	8,56	13,70	14,28	10,71	5,71	0
Рs2	мм	70	80	95	100	88	76	70
VS2=?V*ps2	м/с	9,96	11,42	13,56	14,28	12,56	10,85	9,99

Размещено на http://www.allbest.ru/

с'1	85	73,09	44,16	0	44,16	73,09	85

Направление угловой скорости со, определяем следующий образом: мысленно прикладываем вектор Ъа в точку В и смотрим в какую сторону происходит вращение звена АВ относительно точки А.

Определяем кинетическую энергию звеньев второй группы для всех положений механизма

Tll=0.5*(m2*Vs22+Js2* ?22+m3*V32)

Где m2=3,8 кг; m3=2,6 кг; Js2--0,022 кг-м2

Таблица 1.2 - Расчет кинетической энергии звеньев второйгруппы

№ положения	Vs2	m2*Vs22	?2	Js2* ?22 J s2 ^2	VB	m3*VB2	Tll, Дж
0; 12	9,96	377	85	159	0	0	268
1; 11	11,42	495	73,09	117	8,56	190	401
2; 10	13,56	699	44,16	43	13,70	488	615
3; 9	14,28	775	0	0	14,28	530	652,5
4; 8	12,56	599	44,16	43	10,71	298	470
5; 7	10,85	447	73,09	117	5,71	85	324,5
6	9,99	379	85	159	0	0	269

1.5 Построение планов ускорений

Ускорение точки А кривошипа ОА:

аА = ?12*10А = 3402 * 0,042 = 4855 м/с2

Вектор ускорения аА направлен по звену ОА от точки А к точке О. Определяем масштаб плана ускорений:

a=аA/Па= 4855/ 100 = 48,55

Затем для структурной группы ||2 (звенья 2-3)составляем векторное уравнение ускорений :

aB=aA+aBA+aBA

||ОВ ||ОА ||ВА 1ВА

где: ав - ускорения точки В поршня 3, направлено параллельно оси О-В;

anAB=?22*1AB- нормальное ускорение точки В относительно точки А, направленное вдоль АВ от точки В к точки А;

Для 11 положения:

anBA=?22*1AB =73,092*0,168=897 м/с2

аrВА - тангенциальное ускорение точки В относительно точки А, направленное перпендикулярно к АВ.

Построение плана ускорений (для 11 положения): из точки ? (полюс плана ускорений а? =0 ) проводим вектор ?a=100 мм, изображающий ускорение аА.

Затем из точки а проводим луч ап (длина ап=anBA/?a=897/48.55=18.47 мм параллельный АВ (от точки В к точке А), затем из точки п - луч перпендикулярный АВ (направление ускорения атВА). Из полюса тг проводим луч параллельный О-Х. На пересечении лучей получаем точку Ь, которую соединяем с полюсом 7Г.Ускорение точки центра тяжести звена 2 находим, используяподобие:

(as2)=AS2=>(as2) =0.3(ab)=0,3*88=26,4 мм

ab AB



Таблица 1.3 - Значения ускорений точек механизма и углового ускорения,

Параметр	Размерность	Номер положения
		11	5	9
аА = w ?12*10А	м/с2	4855	4855	4855
anBA= ?22 * 1АВ	м/с2	897	897	0
аnBA ап=?a	мм	18,4	18,4	0
nв	мм	47	47	47
aTBA=?a*nв	м/с2	2281	2281	2281
Пb	мм	98	98	98
aB=?a*Пв	м/с2	4758	4758	4758
ав	мм	51	51	51
as2=?а*Пs2	м/с2	4660	4660	4660
Е2=аТВА 1АВ	с-2	13577	13577	13577

Направление углового ускорения е2 определяем следующий образом: мысленно прикладываем вектор Ьп в точку В и смотрим в какую сторону происходит вращение звена АВ относительно точки А.

1.6 Годограф скорости центра масс S2звена 2

Соединяем концы векторов ps2плавной кривой и получаем годограф скорости точки S2.



2. СИЛОВОЙ РАСЧЕТ РЫЧАЖНОГО МЕХАНИЗМА

На листе 2 строим план механизма для 11-го положения в масштабе 1 = 0,00072м/мм.

2.1 Определение силы давления газов на поршень в положении 11

Определение сил, действующих на звенья.

Силы тяжести звеньев:

G1 = m1* g= 3,0*10 = 30 Н G2=m2* g = 3,8*10 = 38 Н

G3= m3*g= 2,6*10 = 26 Н

Силы инерции звеньев:

|Ф1| = m1 *aS1= 0

|Ф2| = m2*aS2=3,8-4660 = 17708 Н

|Ф3| = m3 * аB1 = 2,6 * 4758 = 12370 Н

Силу Ф2 прикладываем в точку S3, силу Ф? прикладываем в точку В. Направления сил инерции противоположно направления ускорений центров тяжести соответствующих звеньев. Момент пары сил инерции:

U1=JO1*E1=0,11*0=0; ?1=const, E1=0,

U2=JS2*E2= 0,022*13577 = 298 Н*м

Направление действия момента МU2 пары сил инерции противоположно направлению угловому ускорению E2.

2.2 Силовой расчет структурной группы Н2 (звенья 2 и 3)

Сначала изображаем структурную группу в 2 положении, прикладывая к ее звеньям действующие на них силы Рд,G2,G3,Ф2, Ф3иМU2. Действие отброшенного ведущего звена и стойки заменяем реакциями R12и R03соответственно. Реакцию R12раскладываем на R12nи R12T.

Величину реакции R12tопределяем из суммы моментов всех сил, действующих на звено 2.

? MB (2) = 0;

RT12*AB+Ф2h1-MU2/M1=>RT12=(Ф2h1+(MU2/M1))/AB

RT12 =(17708*97+413888)/233 = 9148 H

Реакции Rn12и R03определяем построением силового многоугольника, решая векторное уравнение равновесия звеньев 2 и 3.

? Р(2:3) = 0 Rn12+RT12+Ф2+Ф3+Рg+Ro3 = 0

Построение плана сил. Из произвольной точки р в масштабе откладываем последовательно все известные силы RT12,G2,Ф2, G3, Ф3 Рg, R03 перенося их параллельно самим себе в план сил. Далее через конец вектора Рд проводим линию, перпендикулярную оси ОХ , а из начала вектора RT12- параллельную АВ. Точка пересечения этих прямых определит реакции R12и R03.

С плана сил находим

Rl2= P*(ga) =150*124 = 18600 Н

R03=P*(fg) = 150*1,5 = 225 Н



Реакцию R32во внутренней кинематической пареопределяем из условия равновесия звена 2:

R12+G2+Ф2+R32=0

Так как план сил при построении сгруппирован по звеньям, то достаточно соединить начало вектора R12с концом вектора Ф2, чтобы найти R32. С плана сил находим

R32= P * (cg)= 150 * 128 = 19200 Н

Расчет группы закончим определением плеча h3:

?MB(2)=R03*h3=0 =>h3=0 так какR03 ? 0

2.3 Силовой расчет ведущего звена

Изображаем кривошип в 11 положении и прикладываем к нему силы G1, силу реакции R21 =-R12,уравновешивающую силу Pv.Из уравнения моментов всех сил относительно точки О определяем уравновешивающую силу Ру. Определяем реакцию R01построением многоугольника сил согласно векторному уравнению равновесия звена 1.

R21+ G1+ Py+ R01= 0

План сил строим в масштабе:

С плана сил находим

R01=P*(ср)= 150*88 = 11000 Н



3. РАСЧЕТ МАХОВИКА ПО МЕТОДУ МЕРЦАЛОВА

3.1 Построение графиков приведенных моментов, работ и приращения кинетической энергии

3.1.1 Определяем приведенный к валу кривошипа 1 момент движущих сил без учета сил тяжести звеньев

MgП=Pg*VB/ ?1* cos(Pg*VB)

9043*8,56/340= - 227,6 Н*м

где ?1- 340 с"1 - угловая скорость кривошипа,

Полученные значения заносим в таблицу 3.1. По данным таблицы строим график = МgП= f(?)(1)

3.1.2 Методом графического интегрирования графика (1) получаем график работ движущих сил Ад =f(?)(2) в масштабе

А = M* ? *Н=5,06*0,035*50=8,85 Дж/мм

Соединяя начало и конец графика Ад =f(?)(2) прямой линией, получим график работ сил сопротивления Ас =f(?)(3).

Методом графического дифференцирования графика (3) получаем график постоянного приведенного момента сил сопротивления .

МсП=f(?)= const(4)

Для построения графика приращения кинетической энергии механизма ?T = f(?)(5) нужно алгебраически вычесть из ординат графика Ад =f(?)(2) ординаты графика Ас =f(?)(3)Масштаб графика Т= А= 8,85 Дж/мм

Таблица 3.1. - Расчетная таблица определения приведенного момента сил давления газов

№ полож.	Р/Рmax	Рд,Н	VB, м/с	(Pд VB), град	cos(Pд VB)	Мдn, Н*м
0	0,8	16077	0	-	-	0
1	1,0	20096	8,56	0	1	506
2	0,5	10048	13,70	0	1	404,9
3	0,25	5024	14,28	0	1	211
4	0,15	3014	10,71	0	1	94,9
5	0,05	1004	5,71	0	1	16,8
6	0	0	0	0	1	0
7	0,01	201	5,71	180	-1	-3,4
8	0,02	402	10,71	180	-1	-12,6
9	0,05	1005	14,28	180	-1	-42,21
10	0,15	3014	13,70	180	-1	-121,4
11	0,45	9043	8,56	180	-1	-227,6
12	0,8	16077	0	-	-	0

3.2 Построение графиков кинетической энергии. Определение момента инерции маховика

Определяем кинетическую энергию звеньев второй группы для всех положений механизма

Tll=0.5*(m2*Vs22+Js2* ?22+m3*VB2)

Tll=0.5*(495+117+190)=401

По результатам вычислений строим график Tll =f(?)(6) в масштабе.

Определяем изменение кинетической энергии звеньев первой группы ?Т1 = f(?)(7), для чего из ординат графика ?Т = f(?)(5) вычитаем ординаты Tll= f(?)(6).

К графику ?Т1 = f(?)(7) проводим две горизонтальные линии, касающиеся точек с минимальной и максимальной ординатами. Полученный отрезок АВ определяет максимальное значение кинетической энергии звеньев первой группы.

? Tlmax= MT * (АВ) -8.85 * 64 = 566,4 Дж

Определяем приведенный момент инерции звеньев первой группы.

Определяем момент инерции маховика.

JM = JП-J01 = 0,48996- 0,11 = 0,37996 кг/м2

Результаты сводим в таблицу 3.2.

3.3 Определение размеров и массы маховика

Выберем дисковый маховик из стали. Определяем геометрические размеры маховика:

D = 0,38* 5JM

D= 0,38*50,37996 = 0,38*0,82404= 0,313 м

dст= 0,25*D= 0,25 * 0,313 = 0,078 м

d1= 0,15*D= 0,15 * 0,313 = 0,047 м

b= 0,165*D= 0,165 * 0,313 = 0,051 м

bст= 1,5*b= 0,076 м

Масса обода маховика

m= 8 * JM/ D2=8* 0,37996/0,098= 31,017



Чертеж маховика выполняем в масштабе 1:2.

Проверим максимальную окружную скорость на ободе:

V= ?*(1+(/2))*D/2

V= 340*(1+(0.01/2))*0.313/2=53.47 м/с ?[V]=40…100 м/с

Таблица 3.2 - Результаты расчета маховика

№		МgП	Аg	Аc	МcП	?Т		T.	TM
полож.	MgП	ММ	MA	MA	MM	MT	Тll	MT	MT
	H*м	мм	мм	мм	мм	мм	Дж	мм	мм
0	0	0	0	0	12	0	268	30	-30
1	506	100	13	3	12	10	401	45	-35
2	405	80	33	6	12	27	615	69	-42
3	211	42	53	9	12	44	652.5	74	-30
4	95	19	60	12	12	48	470	53	-5
5	17	3	62	15	12	47	342.5	37	10
6	0	0	62	17	12	45	269	30	15
7	-3,4	-0,67	60	20	12	40	324.5	37	3
8	-16,6	-3,3	59	23	12	36	470	53	-17
9	-42	-8,3	55	26	12	29	652.5	74	-45
10	-121	-24	51	29	12	22	615	69	-47
11	-227	-44	41	31	12	10	401	45	-35
12	0	0	34	34	12	0	268	30	-30



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин, М., Наука, 1975.

2. Лачуга Ю.Ф. Теория механизмов и машин, Москва «КолосС», 2005.

Размещено на Allbest.ur