3413

Тепловой расчет двигателя на режиме максимальной мощности

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Целью курсового проекта по дисциплине «Автомобильные двигатели» является закрепление знаний, полученных студентами при изучении всех разделов дисциплины. В первой части проекта требуется произвести тепловой расчет двигателя на режиме максим...

Русский

2012-10-31

938.05 KB

95 чел.

Введение

Целью курсового проекта по дисциплине «Автомобильные двигатели» является закрепление знаний, полученных студентами при изучении всех разделов дисциплины.

В первой части проекта требуется произвести тепловой расчет двигателя на режиме максимальной мощности, составить тепловой баланс, построить индикаторную диаграмму, рассчитать скоростную характеристику.

Вторая часть проекта посвящена силовому анализу работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Предусматривает определение сил и моментов, действующих на детали КШМ, построение графиков их изменения в течения одного цикла в цилиндрах двигателя.

Третья часть включает расчет на прочность четырех деталей: поршня, поршневого кольца, поршневого пальца и стержня шатуна на основе результатов теплового и динамического расчетов.

В четвертой части проекта производится расчет двух обслуживающих систем двигателя: смазки и охлаждения.

Также выполняется сравнение рассчитанного двигателя с прототипом, выявляются сходства и отличительные характеристики. В конце выполненной работы приводится заключение и выводы.

Ориентировочно объем курсового проекта до 30 страниц пояснительной записки формата А4, 3 листа графической части формата А1, в т.ч. 1 лист (на миллиметровой бумаге) по результатам теплового расчета и динамических расчетов, 2 листа машиностроительных чертежей: общий вид разрабатываемого двигателя (продольный и поперечный разрезы).

Принятые обозначения:

1. D - диаметр цилиндра, м; 2. S = 2R - ход поршня, м;

3. R - радиус кривошипа, м;4. ВМТ - верхняя мертвая точка;

5. НМТ - нижняя мертвая точка; 6.  - число тактов в цикле;

7.  - угол поворота кривошипа (отсчет - от ВМТ такта впуска);

8. - рабочий объем цилиндра, м3;

9. Va=Vh+Vc - полный объем цилиндра, м3;

10. - объем камеры сгорания, м3;

11. - степень сжатия;

12. - степень предварительного расширения для дизеля;

13. Р0, Т0, 0 - давление, температура, плотность атмосферы;

14. Pk, Tk , k - давление, температура, плотность при наддуве;

15. k - степень повышения давления при наддуве;

16. Т - подогрев воздуха во впускном тракте, К;

17. Тохл - охлаждение воздуха за компрессором, К;

18. Ра, Та, а - давление, температура, плотность в начале сжатия;

19. Рс, Тс, с - давление, температура и плотность в конце сжатия;

20. Рz, Tz, z - давление, температура, плотность в конце сгорания;

21. Рb, Тb, b – те же величины в конце расширения;

22. Рr, Тr, r- давление, температура и плотность остаточного газа;

23. М0 - количество свежего воздуха в цилиндре, кмоль/кг;

24. M1- количество свежей смеси в цилиндре на кг топлива;

25. М2- количество продуктов сгорания на кг топлива;

26. Mr - количество остаточного газа в цилиндре на кг топлива;

27. l0 - теоретически необходимое количество воздуха (кг) для сгорания 1 кг топлива;

28. L0 - теоретически необходимое количество молей воздуха для сгорания 1 кг топлива;

29.  - коэффициент избытка воздуха;

30. Ра - аэродинамические потери во впускном тракте, МПа;

31. V - коэффициент наполнения;

32. - коэффициент остаточного газа;

33. дз - коэффициент дозарядки, учитывающий поступление свежего заряда за счет инерционного наддува;

34. оч - коэффициент очистки цилиндра, учитывающий уменьшение массы остаточного газа за счет продувки цилиндра;

35. n1, n2, - показатели политроп сжатия и расширения в цилиндре;

36. nk - показатель политропы сжатия в турбокомпрессоре;

37. U- внутренняя энергия продуктов сгорания, кДж/кмоль;

38. I- энтальпия продуктов сгорания, кДж/кмоль;

39. г - степень повышения давления при cгopании;

40. L - длина шатуна, м;

41. -  отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

42. mп - масса поршня, кг; 43. Fп - площадь поршня, м2;

44. - удельная масса поршня, кг/м2;

45. mш - масса шатуна, кг;

46. - удельная масса шатуна, кг/м2;

47. - удельные массы КШМ, совершающие возвратно -поступательное движение, кг/м2;

48. -удельные массы, совершающие вращательное движение, кг/м2;

49.  - удельная масса шатунной шейки, кг/м2;

50. - удельная масса щеки коленвала, приведенная к радиусу кривошипа, кг/м2;

51. щ- расстояние центра масс щеки от оси вращения, м;

52.  =n/30 - угловая скорость, рад/с;

53. nном=пNe – номинальная частота вращения коленчатого вала, соответствующая максимальной мощности двигателя, мин-1.

Примечание. Единицы измерения давления - МПа, температуры - К, плотности - кг/м3.

Таблица 1 - Исходные данные для теплового расчета двигателя

Исходные параметры

1

Тип двигателя и его назначение

дизель

2

Диаметр цилиндра D, м

0,130

3

Ход поршня S, м

0,140

4

Число цилиндров i

V-8

5

Частота вращения номинальная n, об/мин

2100

6

Число клапанов на цилиндр iкл

2

7

Тип охлаждения

Жидкостн.

8

Давление окружающей атмосферы Р(), МПа

0,1

9

Температура окружающей атмосферы Т0, К

293

10

Средняя скорость заряда в клапане wкл, м/сек

55

11

Коэффициент сопротивления при впуске  +2

2,4

12

Коэффициент избытка воздуха

1,4

13

Коэффициент дозарядки доз

1,06

14

Коэффициент очистки оч

0,97

15

Повышение давления в компрессоре при наддуве к

1,0

16

Охлаждение воздуха после компрессора Тохл, К

0

17

Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

0,264

18

Состав топлива

Μт=190 кг/моль

19

Низшая теплота сгорания Нн, кДж/кг

42000

20

Степень сжатия

17,1

21

Давление остаточного газа Рг, МПа

0,104

22

Температура остаточного газа Тг, К

600…900

23

Подогрев при впуске Т, К

17

24

Угол начала открытия впускного клапана

25

Угол конца закрытия впускного клапана

26

Угол начала открытия выпускного клапана

27

Угол конца закрытия выпускного клапана

28

Угол, при котором подается искра (топливо)

Состав дизельного топлива С = 0,870; Н = 0,126; О =0,004;

т  = 190 кг/кмоль.

Низшая теплота сгорания дизтоплива Нн = 42000 кДж/кг.

Параметры окружающей атмосферы Р0 = 0,1 МПа, Т0 = 293 К.

Охлаждение воздуха после компрессора ∆Тохл = 0 К.

Молекулярная масса воздуха μВ = 28,97 кг/кмоль.

Удельная газовая постоянная воздуха Rв= 287 кДж/(кгК)

1. Тепловой расчет двигателя

На основании исходных данных, приведенных в таблице 1, производим  следующие  расчеты,  предварительно  заполнив таблицу 2.

1.1. Параметры рабочего тела

1.1.1. Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:  кмоль воздуха/кг топлива;

воздуха/кг топлива;

1.1.2. Рассчитываем количество свежего заряда (воздуха):

кмоль воздуха /кг топлива;

1.1.3. Рассчитываем количество горючей смеси:

кмоль/кг;

1.2. Параметры отработавших газов

1.2.1. При  количество отдельных компонентов продуктов сгорания в расчете на 1 кг топлива:

оксида углерода   кмоль;

углекислого газа   кмоль;

водорода  кмоль;

водяного пара    кмоль;

азота   кмоль;

кислорода  кмоль.

1.2.2. Общее количество продуктов сгорания дизельного топлива:

кмоль/кг.

1.2.3. Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:

; о=1,02…1,06 – для  дизельного ДВС.

1.3. Расчет первого такта (впуск- 0 ≤ φ ≤ 180º)

1.3.1. Определяем потери давления во впускном тракте при впуске:

МПа.

1.3.2. Рассчитываем давление в конце впуска в цилиндре двигателя:

Без наддува    МПа,

1.3.3. Рассчитываем коэффициент остаточного газа в двигателе:

Без наддува

Предварительно принимаем Тr =800 К, т. к. Тr = 600…900 К – для дизелей с без наддува.

1.3.4. Определяем температуру в конце впуска в двигателе:

Без наддува   К;

1.3.5. Рассчитываем коэффициент наполнения двигателя:

Без наддува .

1.4. Расчет второго такта (сжатие 180º ≤φ≤360º)

1.4.1. Давление в конце сжатия: МПа,

1.4.2. Температура в конце сжатия: К,

ºС,

где n1 - показатель политропы сжатия.

1.4.3. Показатель политропы сжатия п1 определяется по эмпирической зависимости:

,

где — номинальная частота вращения коленчатого вала двигателя, с-1.

Показатель политропы сжатия п1 для дизелей без наддува п1= 1,34…1,42.

1.5. Расчет участка подвода тепла

1.5.1.Определение параметров процесса сгорания в бензиновых двигателях.

1.5.1.1. Температура газов в конце процесса сгорания tz определяется из уравнения сгорания:

D = 902,763 (- =1620,547

1.5.1.2. Коэффициент действительного молекулярного изменения рабочей смеси определяется из уравнения:

Для дизеля =1,01…1,05 (принимаем 1,03), т.е. число молей продуктов сгорания и остаточных газов до 5% больше числа молей свежего заряда и остаточных газов.

(6

1.5.1.3. - средняя мольная теплоемкость продуктов свежего заряда:

кДж/(кмоль град).

1.5.1.4.  - средняя мольная теплоемкость продуктов сгорания дизельного топлива при постоянном давлении:

 

1.5.1.5. Средняя мольная теплоемкость при постоянном объеме для продуктов сгорания жидкого (дизельного) топлива при температуре до 3000 0С и

 

гz/Pc – степень повышения давления зависит от типа камеры сгорания.

Рz =8,469

г=1,8

В уравнении сгорания для дизелей  коэффициент использования тепла принимаем

После определения  расчитываем

1.5.1.6. Определяем давление в цилинтре после подвода тепла:

Рz=гРс=1,8МПа

1.6. Расчет третьего такта (расширение - 360º ≤ φ ≤ 540º)

1.6.1. Показатель политропы расширения п2 может быть определен по эмпирической зависимости:

В этих формулах nном подставляется в с-1. 

1.6.2. Определяем степень предварительного расширения:

=1,475

1.6.3. Определяем степень последующего расширения:

=11,83

1.6.5. Давление и температуру в конце расширения:

=0,376 МПа

=1175,436 К.

1.6.6. Для оценки точности теплового расчета проводится проверка ранее принятой температуры отработавших газов :

=765,856

Определяем погрешность ∆= %.

1.7. Расчет четвертого такта (очистка цилиндра-540º≤φ≤720º)

Задано , МПа

1.8. Индикаторные параметры рабочего цикла

1.8.1. Для дизельного двигателя, работающего по смешанному циклу, теоретическое среднее индикаторное давление равно:

МПа.

Действительное среднее индикаторное давление всех типов ДВС

,

здесь - коэффициент, учитывающий «скругление» индикаторной диаграммы (φ=0,97)

1.8.2. Рассчитываем индикаторную мощность и индикаторный крутящий момент двигателя: кВт;

, л

 Нм

1.8.3. Определяем индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива:

, г/кВтч

1.9. Эффективные параметры рабочего цикла

1.9.1. Рассчитываем среднее давление механических:

 

где Ам и Вм- коэффициенты зависящие от числа цилиндров и от отношения хода поршня к диаметру цилиндра и типа камеры сгорания;

Четырехтактный дизель с нераздельными камерами: Ам=0,089; Вм=0,0118

- средняя скорость поршня, м/с.

Рм=0,089+0,0118  9,8 = 0,205 МПа

1.9.2. Рассчитываем среднее эффективное давление (эффективную работу, снимаемую с единицы рабочего объема):

.

1.9.3. Рассчитываем механический кпд:

Его величина составляет для дизельных ДВС без наддува м = 0,70…0,82.

1.9.4. Определяем эффективную мощность: кВт.

1.9.5. Определяем эффективный кпд:; он составляет для дизельных ДВС е = 0,35…0,40.

1.9.6. Определяем эффективный удельный расход топлива:

г/кВтч;

для дизельных ДВС gе=190…240 г/кВтч.

1.9.7. Эффективный крутящий момент: Нм.

Здесь пном подставляется в об/мин.

1.9.8. Расход топлива: кг/час.

1.9.9. Литровая мощность: кВт/дм3.

1.10. Построение индикаторных диаграмм в координатах (Р-V)

После определения параметров рабочего тела в характерных точках цикла строится теоретическая индикаторная диаграмма в координатах р—V. На оси абсцисс (рисунки 1,2,3) откладывается произвольный отрезок, изображающий в каком-либо масштабе объем камеры сжатия Vc; этот отрезок принимается за единицу. Далее откладываются в принятом масштабе объемы:

  и

Vh=

Vc=

Va=Vh+Vc=1,965

Vz=ρVz=0,10

Выбрав масштаб давления, на оси ординат откладывают величины рo, pa,  pz, pв и рr. Обычно масштаб давлений выбирают так, чтобы высота диаграммы была больше длины в 1,2…1,5 раза. Можно рекомендовать масштаб объема из следующих соображений: абсолютное значение объема камеры сгорания принять за единицу: 10 мм – для индикаторной диаграммы дизеля. Через точки z/ и z, r, a проводят прямые, параллельные оси абсцисс. Точки с и z/, в и а соединяют прямыми, параллельными оси ординат. Точка а и с соединяются линией процесса политропы сжатия, а точки z и в - линией процесса политропы расширения. Построение линий процессов политропного сжатия и расширения может быть выполнено аналитическим или графическим методом.

Для построения линий процессов политропного сжатия а с и расширения z — в необходимо определить давление в нескольких промежуточных точках между а и с, z и в. Для этого необходимо задаться несколькими промежуточными значениями объема в интервале рабочего хода поршня, например,, и т. д.

Рисунок 1 – Индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля

Рисунок 2 – Аналитический метод построения индикаторной диаграммы четырехтактного дизеля.

Тогда давления для этих значений объемов составляют:

Для процесса политропного сжатия:

А для процесса политропного расширения:

Через точки а, с и полученные промежуточные точки х1, х2, х3 и т.д. проводят (с помощью лекала) плавную кривую – политропу сжатия. Через точки в, z и полученные промежуточные точки и т.д. проводят другую плавную кривую — политропу расширения.

1.11. Тепловой баланс

1.11.1. Доля теплоты, затраченная на полезную работу, определена в тепловом расчете ηе.

1.11.2. Доля теплоты, унесенная с отработавшими газами:

Рассчитываем температуру отработавших газов:

ºС.

Определяем энтальпию отработавших газов дизелей в соответствии с α и .

кДж/кмоль.

Для дизельного двигателя рассчитываем энтальпию поступившей смеси:

 кДж/кг

кДж/кг

1.12. Скоростная характеристика двигателя

1.12.2. Построение внешней скоростной характеристики дизельных двигателей ведется в интервале nmin n хnmax , например, шагом 500 мин-1, где nmin = (350 ÷600) мин-1; (nmax = nном= nNe) мин-1, по следующим эмпирическим соотношениям.

Мощность двигателя для дизелей с неразделенными камерами сгорания: , кВт.

Крутящий момент:

Среднее эффективное давление четырехтактного двигателя:

Среднее индикаторное давление: МПа.

Среднее давление механических потерь:

Удельный эффективный расход топлива:

Часовой расход топлива:

Полученные данные заносятся в таблицу 4, по ним строится внешняя характеристика двигателя.

Таблица 6 – Результаты расчета внешней скоростной характеристики

nх, об/мин

Nех,кВт

Meх, Нм

Pех, МПа

Pмх, МПа

Piх, МПа

geх, г/кВт·ч

Gтх, кг/ч

пмин=350

700

1050

1400

1750

пном=2100

пмах=2100

Рисунок 3а – Скоростная характеристика двигателя

По табличным данным строится внешняя скоростная характеристика двигателя (рисунок 3а): зависимости Ne, Me, Pе, Gт, ge от частоты вращения коленчатого вала(nx). На скоростной характеристике необходимо выделить четыре характерных режима, соответствующие: максимальной частоте вращения (пмах); максимальной мощности (пном); максимальному крутящему моменту (); наименьшей устойчивой частоте вращения (пмiп). 

2. Динамический расчет

Динамический расчет автомобильного двигателя производится на режиме максимальной мощности по результатам теплового расчета.  

Рисунок 4 – Схема действия сил в кривошипно-шатунном механизме.

В результате расчета необходимо определить следующие силы и моменты,  действующие  в  кривошипно-шатунном  механизме  двигателя (рисунок 4):

- избыточное давление газов над поршнем ∆рг, МПа;

- удельную суммарную силу, действующую на поршень Р, МПа;

- удельную суммарную силу, воспринимаемую стенками цилиндра (нормальное давление) РN, МПа;

- удельную силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс Рj, МПа

- удельную силу, действующую вдоль шатуна Рs, МПа;

- удельную силу, действующую вдоль кривошипа Рk, МПа;

- удельную силу, направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа Рт, МПа;

- крутящий момент от одного цилиндра Мкр, Нм;

- крутящий момент от i цилиндров М, Нм;

- удельную центробежную силу инерции от неуравновешенных вращающихся масс, сосредоточенных на радиусе кривошипа КR,МПа;

- удельную силу, действующую на шатунную шейку Rшш, МПа.

Расчетные значения всех сил сводятся в таблицу 5, на основании данных которых строятся графики.

2.1. Расчет сил, действующих в КШМ

2.1.1.Построение развернутой индикаторной диаграммы в координатах р-.

Перестройку индикаторной диаграммы из р-V в развернутую диаграмму удельных давлений (в координатах р-), действующих на поршень, проще выполнить графическим методом Брикса. Метод Брикса заключается в том, что на длине хода поршня построенной индикаторной диаграммы в координатах р-V описывают полуокружность с центром в точке О (рисунок 5).

Для учета влияния длины шатуна откладывают от центра полуокружности

(точки О) по направлению нижней мертвой точки бицентровую поправку Брикса в масштабе диаграммы.

Тогда =

где R- радиус кривошипа; для центрального механизма;

λ = R/L отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Из точки О1 проводят ряд лучей (рекомендуется не менее 5) под углами α123= 30°…до пересечения с полуокружностью. Проекции концов этих лучей на линии процесса всасывания, сжатия, расширения и выпуска указывают, какие точки рабочего процесса соответствуют тем или иным углам поворота коленчатого вала. При построении развернутой индикаторной диаграммы после ее скругления определяются максимальные значения сил от давления газов и результирующей силы .

Рисунок 5 – Перестроение свернутой индикаторной диаграммы (в координатах p-V) в развернутую (в координатах р-) по методу Брикса.


2.1.2. Рассчитываем избыточное давление газов над поршнем:

МПа.

Пример дальнейшего расчета, веду для α=00

2.1.3. Определяем удельное значение силы инерции от возвратно-поступательного движения масс поршневой группы:

, МПа.

Здесь - определяется по статистическим данным (таблица 8), где  

;

Значения тригонометрической функции с учетом λ приведены в таблице 9

2.1.4. Рассчитываем удельную суммарную силу, действующую вдоль оси цилиндра:  МПа.

2.1.5. Определяем удельную суммарную силу, действующую на стенку цилиндра:  МПа.

Величина tg β приведена в таблице 10 мет указания.

2.1.6. Рассчитываем удельную суммарную силу, действующую вдоль шатуна: , МПа

Тригонометрическая функция приведена в таблице 11.

2.1.7. Определяем удельную силу, действующую вдоль кривошипа:

, МПа

Тригонометрическая функция приведена в таблице 12.

МПа

2.1.8. Рассчитываем удельную суммарную силу, действующую по касательной к кривошипу  , МПа

Величина тригонометрической функции приведена в таблице 13

2.1.9. Определяем крутящий момент от одного цилиндра:

, Нм.

Здесь Fп = πD2/4=3,14·(0,130)2/4=0,0132665 м2 – площадь поршня.

2.1.10. Определяем крутящий момент от i цилиндров, пользуясь таблицей 15 - для восьмицилиндрового двигателя.

Таблица 15 – Результаты расчета суммарного крутящего момента восьмицилиндрового двигателя (порядок работы цилиндров 15326478)

, град

Цилиндры

М, Нм

1

2

3

4

5

6

7

8

о

М, Нм

о

М, Нм

о

М, Нм

о

М, Нм

о

М, Нм

о

М, Нм

о

М,

Нм

о

М,

Нм

0

0

0

270

-305

180

0

450

818

90

219

360

0

540

0

630

-225

507

30

30

-407

300

-84

210

-215

480

612

120

228

390

1965

570

-209

660

-210

1684

60

60

-216

330

-348

240

-376

510

265

150

206

420

859

600

-357

690

403

436

90

90

219

360

0

270

-305

540

0

180

0

450

818

630

-225

720

0

507

Рисунок 9 – График суммарного крутящего момента четырехцилиндрового четырехтактного двигателя Ме

2.1.11. После построения графиков сил и моментов по рисунку 9 определяется средний индикаторный момент:

Мi кр. ср=, Нм

Приблизительно величина Мiкр.ср=. Здесь F1, F2 – площади диаграммы (мм2) суммарного крутящего момента (на рисунке 9 заштрихованы), расположенные над и под осью абсцисс соответственно; lд – длина диаграммы (мм), соответствующая периоду изменения суммарного крутящего момента;  - масштаб крутящего момента по оси ординат, Нм/мм.

2.1.12. Рассчитаем удельную центробежную силу инерции от вращающихся неуравновешенных масс, сосредоточенных на радиусе кривошипа:

, МПа,

где  кг/

2.1.13. Рассчитаем силу, действующую на поверхность шатунной шейки:

2.2. Построение развернутой диаграммы нагрузки

на поверхность шатунной шейки

В таблице 7 рассчитана сила Rшш, действующая на поверхность шатунной шейки. Строим ее диаграмму в зависимости от угла поворота кривошипа (рисунок 10) и определяем среднее значение:

, МПа             

22

20

24

16

18

14

12

10

8

6

4

2

0

Rшш

КR

Rшш.min

Rшш. ср

Rшш, МПа

Rшш. max

Рисунок 10 – Развернутая диаграмма сил, действующих на шатунную шейку Rшш = Rшш() (цифры на оси абсцисс соответствуют номерам положений кривошипа таблицы 5)

2.3. Построение полярной диаграммы сил, действующих

на шатунную шейку Rшш

2.3.1. Схема построения силы Rшш представлена на рисунке 11.

2.3.2. Строим  координатную  систему  Рт  и Рk с центром в точке 0, в которой отрицательная ось Рк направлена вверх.

2.3.3. В таблице 5 каждому значению  =0,30°, 60°…70° соответствует точка с координатами Рт Pk. Наносим на плоскость Рт и Рk эти точки по схеме рисунка 11. Последовательно соединяя точки, получим полярную диаграмму. Вектор, соединяющий центр О с любой точкой диаграммы, указывает направление вектора Рs и его величину в соответствующем масштабе.

2.3.4. Строим новый центр О1, отстоящий от О по оси Рк на величину удельной центробежной силы от вращающейся нижней части шатуна КR (п.2.1.12).

В этом центре условно располагают шатунную шейку с диаметром dшш (рисунок 11).

2.3.5. Вектор, соединяющий центр О1 с любой точкой построенной диаграммы, указывает направление действия силы Rшш на поверхность шатунной шейки и ее величину в соответствующем масштабе.

2.3.6. Касательные линии из центра О1 к верхней и нижней частям полярной диаграммы отсекают наиболее нагруженную от наименее нагруженной части поверхности шатунной шейки.

2.3.7. Маслоподводящее отверстие располагают в середине наименее нагруженной части поверхности шатунной шейки, для чего восстанавливают перпендикуляр к хорде, соединяющей точки пересечения касательных к верхней и нижней частям полярной диаграммы.

-Рт

-Рк

O

O1

O

O

KR

13

O1

12

1

19

20

8

7

6

18

24

17

23

16

a/

15

14

13

12/

a//

5

4

3

10

11

22

21

O

9

2

+Рт

+Рк

-Рк

+Рт

1

Рисунок 11 – Схема построения полярной диаграммы удельной силы Rшщ

3. Расчет деталей двигателя на прочность

В курсовом проекте предусмотрен расчет на прочность четырех деталей: поршня, поршневого кольца, поршневого пальца и стержня шатуна. Все расчеты производятся на основе данных теплового и динамического расчетов. Размеры элементов рассчитываемых деталей выбирают либо по прототипу, либо по статистическим данным, представленным в таблице 13 методического указания.

3.1. Расчет поршня

3.1.1. Рассчитываем напряжение изгиба на днище поршня от газовой силы:

МПа.

Рzмах – из таблицы 7, и – из таблицы 16. Обозначения параметров приведены на рисунке 12. 

t

D

а

dм

S

di

x

x

e

hв

dп

dБ

hS

h1

H

hю

dВ

LШ

b

Lп

LБ

ю

Рисунок 12 – Расчетная схема поршня

Допустимые напряжения. Если днище не имеет усиливающих ребер жесткости, то для алюминиевых поршней: [σиз] = (20…25) МПа, для чугунных - [σиз] = (40…45) МПа. Если днище поршня имеет ребра, то для алюминиевых поршней: [σиз] = (50…150) МПа, для чугунных - [σиз] = (80…200) МПа.

3.1.2. Рассчитываем напряжение сжатия от газовых

δю

Lш

сил в сечении Х–Х (рисунок 12), ослабленном маслоотводящими отверстиями:

МПа,

где - максимальная сила давления газов на днище поршня (из таблицы 7);

Fx-x – площадь расчетного сечения поршня с учетом ослабления его отверстиями для отвода масла:

,

где - площадь масляного канала;

(из таблицы 13). dm=0,9мм

3.1.3. Рассчитываем напряжение разрыва в сечении Х-Х от максимальной инерционной силы (при φ = 0):

 МПа,

где -сила инерции от масс поршневой группы, расположенной выше сечения Х-Х: , МПа.

Учитывая статистические данные таблицы 8, а также соотношения   кг/м2, получим  - в таблице 7;  - рассчитано в п 3.1.2.

Допустимые напряжения на разрыв: для алюминиевых сплавов

[σр] = (4…10) МПа; для чугуна [σр] = (8…10) МПа;

3.1.4. Напряжение в верхней кольцевой перемычке

- напряжение среза:   МПа.

-напряжение изгиба:   МПа.

Сложное напряжение по третьей теории прочности:

 МПа.

3.1.5. Удельное давление поршня, отнесенное к высоте юбки поршня:

 МПа, где МПа

Удельное давление поршня, отнесенное ко всей высоте поршня:

МПа, - из таблицы 5.

Для выполненных конструкций двигателей величины q1 и q2 находятся в пределах: q1 = (0,33…0,96) МПа, q2 = (0,22…0,42) МПа.

3.2. Расчет поршневого кольца

3.2.1. Рассчитываем среднее давление на стенку цилиндра:

, МПа.

Здесь Е – модуль упругости: для легированного чугуна Е = 1,2∙105 МПа и из таблицы 16. 

Среднее радиальное давление для колец: компрессионных Рср = (0,11…0,37) МПа; маслосъемных Рср = (0,2…0,4) МПа.

3.2.2. Рассчитываем эпюру давления кольца в различных точках окружности: , МПа,

где - коэффициент для различных углов ψ по окружности кольца.

Результаты расчета сводятся в таблице 17.

Таблица 17 – Результаты расчета эпюры удельного давления кольца

ψ, град

0

30

60

90

120

150

180

μк

1,06

1,06

1,14

0,90

0,46

0,67

2,85

Рψ,МПа

0,207

0,207

0,223

0,176

0,09

0,190

0,558

По данным таблицы 17 строим эпюру давлений кольца на стенку цилиндра (рисунок 13).

3.2.3. Рассчитываем напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:

Рисунок 13 – Эпюра давления кольца на стенку цилиндра

3.2.4. Рассчитываем напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:

 МПа,

где m = 1,57 – экспериментальный коэффициент, зависящий от способа надевания кольца.

Допустимое напряжение [σиз] = (220…450) МПа.

3.3. Расчет поршневого пальца

3.3.1. Рассчитываем удельное давление пальца на втулку верхней головки шатуна:

 МПа.

Здесь lш и dп из таблицы 16.

 МПа,

где - Рz и Рjφ=360 - из таблицы 7;

k – коэффициент, учитывающий уменьшение инерционной силы за счет вычета массы поршневого пальца;

k = (0,68…0,81) для дизелей.

3.3.2. Рассчитываем удельное давление пальца на бобышку:

 МПа.

Здесь  из таблицы 16.

Для современных автомобильных двигателей qб=(15…50) МПа.

3.3.3.Напряжение от изгиба поршневого пальца:

МПа.

где  - отношение внутреннего диаметра пальца к наружному 3.3.4. Рассчитываем касательные напряжения от среза пальца в сечениях, расположенных между бобышками и головкой шатуна (см. рисунок 12):

 МПа.

Для поршневых пальцев современных автомобильных двигателей, изготовленных из легированных сталей 15Х, 15ХА, 12ХНЗА, 18Х2Н4МА, [τ] = (60…250) МПа, [σиз] = (100…250) МПа.

3.3.5. Рассчитываем увеличение горизонтального диаметра пальца в его средней части (овализация пальца).

 мм.

Здесь Е = (2…2,3)∙105 МПа; D- диаметр поршня в мм.

Значение не должно быть больше (0,02…0,05) мм.

3.4. Расчет стержня шатуна

3.4.1. Рассчитываем напряжение сжатия в сечении В-В (рисунок 14) от сжимающей силы Рсж..

В плоскости качания шатуна:

Где кх=1,13 МПа

Здесь -суммарная сила (из таблицы 7):

;

где kx – коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания шатуна.

bш

dг

dп

tв

d

dшш

L1

hш

х

х

у

у

II

II

С

Lш

В

В

tш

аш

d

I

A

A

I

Рисунок 14 – Расчетная схема шатуна

3.4.2. Рассчитываем напряжение сжатия в сечении В-В от сжимающей силы Рсж в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

Для современных автомобильных двигателей kу = 1,08÷1,1.

3.4.3. Рассчитываем напряжение от действия растягивающей силы:

Р∑φ=0 из таблицы 7

3.4.4. Рассчитываем средние значения напряжения цикла:

- в плоскости качания шатуна:  МПа;

- в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

 МПа.

3.4.5. Рассчитываем амплитуды напряжений цикла:

- в плоскости качания шатуна:   МПа;

- в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

 МПа.

3.4.6. Рассчитываем амплитуды цикла с учетом концентраций напряжений в зависимости от размера и способа обработки поверхности детали:

- в плоскости качания шатуна:   МПа

- в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна

МПа.

Здесь kσ = 1,2+1,8∙10-4·(σв – 400)=1,38 – коэффициент концентрации напряжений;

σв – предел прочности материала шатуна;

εм=0,88 и 0,96 - коэффициент, учитывающий абсолютные размеры детали;

εп=1,2 – коэффициент, учитывающий способ обработки поверхности детали.

σв, εм, εп – определяются по таблицам 18, 19, 20,21.

εм выбираем: в плоскости качания – по hш, в плоскости, перпендикулярной плоскости качания – по вш.

Материал шатуна дизельных двигателей – 18Х2Н4МА, 40Х2Н2МА. Для стержня шатуна рекомендуется дробеструйная обработка.

3.4.7. Определяем запас прочности шатуна по пределу усталости:

- в плоскости качания шатуна:

- в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна:

.

Здесь - коэффициент приведения асимметрического цикла к равноопасному симметричному (таблица 22), - предел выносливости материала (таблицы 18,19).

4. Расчет систем двигателя

4.1. Расчет системы смазки

1- масляный радиатор; 2 – кран; 3 – центрифуга; 4 – масляный фильтр; 5 – перепускной клапан, 6 – ось коромысел; 7 – канал для смазки толкателя; 8 – распределительный вал; 9 – втулки коромысел; 10 – рабочая секция масляного насоса; 11 – приемник; 12 – масляный картер; 13 – радиаторная секция масляного насоса; 14 – редукционный клапан; 15 – дифференциальный редукционный клапан; 16 – главная магистраль; 17 – предохранительные клапаны.

4.1.1. Рассчитываем количества тепла, отводимого от двигателя маслом, учитывая, что в современных автомобильных и тракторных двигателях маслом отводится 1,5…3 % от общего количества теплоты, введенной двигатель с топливом.

кДж/сек.

4.1.2. Рассчитываем циркуляционный расход масла. Массовый циркуляционный расход масла равен: кг/сек,

где см = 2,094 кДж/кг К – удельная теплоемкость масла. Тм = (5…8) град.- перепад температуры масла на выходе и входе в систему смазки двигателя (нагрев масла)

4.1.3.Рассчитываем стабилизационный расход масла:

кг/сек.

4.1.4. Определяем расчетную производительность насоса с учетом утечек масла через радиальные и торцевые зазоры:

 кг/сек.

Здесь = (0,6…0,8) - кпд насоса.

4.1.5. Рассчитываем мощность, затрачиваемую на привод масляного насоса:

 кВт,

где Нм = (Р2 - Р1)м- напор в масляном насосе.

Избыточное давление масла в системе:

для дизельных двигателей Рм = Р2-Р1 = (0,3…0,7), МПа;

где - Р1 и Р2 – соответственно давление масла перед насосом и за насосом.

м3/сек - объемный расход масла;

где ρм – плотность масла в системе (ρм = 900 кг/м3);

ηмех = 0,85…0,9 – механический кпд насоса.

4.2. Расчет системы охлаждения

4.2.1. Рассчитываем количество тепла, отводимого от двигателя охлаждающей жидкостью:   кДж/сек,

где ηохл=- доля тепла, передаваемого охлаждающей жидкости;

Gт =53,224  кг/час=0,014 кг/сек- расход топлива,

Рис. 2.28. Система охлаждения двигателя:

1 – воздушный компрессор; 2 – насос; 3 – термостат; 4 – заливная пробка; 5 - расширительный бачок; 6 – радиатор; 7 – вентилятор; 8 – полости рубашки охлаждения; 9 – поясок; 10 – сливные краны; 11 – подогреватель; 12 – область охлаждения; 13 - соединительные патрубки.

4.2.2. Рассчитываем циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения: кг/сек,

где  сж – удельная  теплоемкость охлаждающей жидкости (для воды сж = 4,187 кДж/кг К, для антифриза сж = 2,093 кДж/кг.К); ΔТ = 8…10 град – перепад температуры охлаждающей жидкости на выходе и входе в двигатель.

4.2.3. Рассчитываем производительность насоса:

 кг/сек,

где ηн = 0,75…0,85 – коэффициент подачи насоса.

4.2.4. Рассчитываем мощность, потребляемую насосом, задаваясь величиной напора:

где ΔР = (0,05…0,15) МПа – перепад давления на выходе и входе насоса;

ρж – плотность охлаждающей жидкости (для воды ρж =1000 кг/м3).

кВт,

где ηм = (0,8…0,85) – механический кпд насоса;

м3/сек-объемный расход охлаждающей жидкости.

Список рекомендуемой литературы

1. Автомобильные двигатели /Под ред. М.С. Ховаха. М.: Машиностроение, 1977.

2. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: 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.: Высш. шк., 2005.- 392 с: ил.

3. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн 2. 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.: Высш. шк., 2005.- 400 с: ил.

4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн 3. Компьютерный практикум. Моделирование процессов в ДВС: 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.: Высш. шк., 2005.- 414 с: ил.

5. Двигатели внутреннего сгорания. /Под ред. В.Н. Луканина. М.: Высшая школа, 1985.

6. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.  М.: Машиностроение, 1980.

7. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1983.

8. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1984.

9. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1985.

10. Колчин А.И. , Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. Изд. 4-е. М.: Высшая школа, 2002.

11. Бейлин В.И., Орловская Е.В. Автомобильные двигатели. Контрольные задания и методические указания для студентов специальности 150200 - Автомобили и автомобильное хозяйство. М.: изд-во МГОУ, 2001.

12. Лиханов В.А., Плотников С.А. Автомобильные двигатели /Учебно-методическое пособие. – Киров: Вятская ГСХА, 2004.

13. Жолобов Л.А., Дыдыкин С.А. Тракторы и автомобили. Учебно - методическое пособие по выполнению курсовой работы. Н. Новгород, изд-во НГСХА, 2002.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

32096. Проблема установки в психологии и социологии. Структура и функции социальной установки. Социальные стереотипы и предрассудки 50.5 KB
  Проблема установки в психологии и социологии. Структура и функции социальной установки. Понятие соц установки. Значение исследований установки в школе Д.
32097. Ценностно – нормативная и социально-ролевая регуляция поведения личности 57 KB
  Ценностно – нормативная и социальноролевая регуляция поведения личности. Нормативная регуляция поведения: нормы в контексте культуры социальные групповые нормы внутриличностные нормы. Норма –это правила регулирующие соцое поведение передаются в процессе инкультурации. Ценностно – нормативная и социальная регуляция означает что индивиду задается должный вид поведения его форма тот или иной способ достижения цели реализации намерений и т.
32098. Факторы производства туристского продукта 79 KB
  Существуют три основные категории производственных ресурсов или факторов производства: природные и культурноисторические людские капитальные. Большинство природных ресурсов истощаются в процессе туристской эксплуатации.Организации отдыха предшествуют выявление и изучение природных туристских ресурсов которые завершаются их оценкой.
32099. Эстетическая география 32.65 KB
  Однако научное осмысление этого феномена и выявление объективных закономерно стей эстетической привлекательности ландшафтов сталкиваются с проблемой значительной доли субъ ективизма. Тем не менее очевидная практическая значимость ландшафтноэстетических исследований особенно ярко она проявляется при рекреационном освоении территории определяет растущий интерес к этой проблематике и появление различных подходов к оценке пейзажноэстетической привлекательности ландшафтов. История становления и развития эстетической...
32100. Влияние различных видов туризма на окружающую природную среду 18.59 KB
  Именно поэтому в туристской отрасли особенно важен жесткий контроль при организации туризма и отдыха в регионе. Рассмотрим влияние отдельные видов туризма на состояние окружающей среды и туристских ресурсов. Наиболее массовым из всех видов туризма является спортивнооздоровительный туризм: купальнопляжная рекреация которая наиболее популярна у отечественных и иностранных туристов а следовательно имеет наиболее высокую степень влияния на окружающую природную среду; отдых с использованием судов с подвесным лодочным мотором парусных и...
32101. ИСТОРИЯ ЗАПОВЕДНОГО ДЕЛА В СССР И РОССИИ 17.91 KB
  Уже тогда были научно определены место заповедников в системе рационального природопользования и их основные задачи т. дана основа для создания сети заповедников в стране режимов их использования и охраны.Петербург 1883 обосновал эталонное значение заповедников а также указал на то что объективное познание почв и закономерностей их развития возможно только на участках исключенных из хозяйственного использования. Основным предназначением заповедников называлось использование их в научноисследовательских целях.
32102. Туристский продукт 114.5 KB
  Продуктами являются физические объекты услуги идеи и т. набор услуг продаваемый туристам в одном пакете. Если спросить поставщиков что они производят перевозчики назовут транспортные услуги отели услуги по размещению тематические парки услуги развлечения и т. Для каждого из них продукт есть конкретный вид предоставляемых услуг.
32103. Объекты и схемы стандартизации в сфере услуг. Применение сертификации 28.5 KB
  Применение сертификации. Схема сертификации – это состав и последовательность действий третьей стороны при оценке соответствия продукции услуг систем качества и персонала. Как правило система сертификации предусматривает несколько схем. Схемы сертификации продукции применяемые в РФ приведены в приложении 5.
32104. Государственный контроль и надзор за соблюдением обяза 32.5 KB
  Проводят госнадзор должностные лица Госстандарта и подведомственных ему центров стандартизации и метрологии получивших статус территориальных органов госнадзора государственные инспекторы. Акт должен быть направлен руководству проверенной организации в РостестМосква который готовит обобщенную информацию о результатах работы госнадзора а если возникла необходимость применения мер воздействия в Госстандарт России где в соответствии с Законом О стандартизации и другими действующими законодательными положениями определяются конкретные...