Кривошипно-шатунный механизм

Содержание

 

Введение 3

1 Тепловой расчет двигателя 4

1.1   Тепловой расчет 4

1.2   Праметры рабочего тела 4

1.3    Коэффициент избытка воздуха 4

1.4    Параметры окружающей среды и остаточные газы 5

1.5    Расчет процесса Впуска 5

1.6   Расчет процесса сжатия 7

1.7   Расчет процесса сгорания 7

1.8   Расчет процесса расширения  и выпуска 8

1.9   Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя 9

1.10 Эффективные показатели,основные размеры цилиндра и   двигателя 10

1.11   Тепловой баланс двигателя 11

2.Расчет и  построение индикаторной диаграммы 13

3.Построение внешней скоростной                             характеристики 17

4.  Расчет деталей двигателя на прочность 19

4.1 Приведение масс кривошипно-шатунного механизма 19

4.2 Удельные и полные силы инерции 20

1.3 Расчет поршня 20

4.5 Расчет шатуна на прочность 24

4.6 Расчет поршневой головки шатуна 24

4.7  Расчет кривошипной головки шатуна 30

4.8 Расчет стержня шатуна 32

4.9  Расчет шатунных болтов 34

Заключение 36

Список использованных источников 37

 

 

 

Введение

Основными направлениями развития двигателестроения  являются повышение удельных мощностей  за счет газотурбинного наддува и  применение более высоко калорийных топлив, повышение экономичности, надежности и ресурса двигателя, снижение металлоемкости.

Требование  повышения мощности двигателя связано  с повышением производительности труда, с ростом энерговооруженности средств  производства. Так же всвязи с непрерывным  ростом сложности топлива и масла  значимость параметров g_е и g_м также возрастает. Поэтому при создании двигателя следует стремиться к оптимальным расходам топлива и масла. Однако возможности снижения g_е и g_м связаны со схемой, быстроходностью и другими параметрами двигателя.

При оценке требований к новому двигателю  и выборе значений, определяющих параметры, необходимо учитывать развитие существующих двигателей с учетом времени, необходимого на создание нового двигателя (5-7 лет) и  срока его службы не менее 15 лет.

В представленном курсовом проекте приведен расчет 4-х  тактного 8-ми цилиндрового V-образного  бензинового двигателя, за прототип принят двигатель автомобиля ГАЗ-53.

 

1. Тепловой расчет двигателя

1.1   Тепловой расчет

Исходные  данные для расчета:

Двигатель 4-х  тактный, бензиновый,

Число цилиндров: i = 8,

Диаметр цилиндра: D = 0,092 м,

Ход поршня: S = 0,08 м,

Степень сжатия: ε = 6.8;

Частота вращения коленчатого вала: n = 3200 об/мин.;

Мощность: Ne=81.6 кВт (111л.с.);

Рабочий объем: 4,25 л;

 

Бензин  марки А-72

Элементарный  состав топлива:

Н=0,145 кг/кмоль, С=0,855 кг/кмоль

Необходимая теплота сгорания топлива:

Hu=33,91С+125,6Н-10,89(О-S)-2,51(9H+W)=33,91·0,855+125,6·0,145-2,51(9·0,145)=44000 кДж/кг топлива

1.2   Праметры рабочего тела

 

Теоретически  необходимое количества воздуха для сгорания 1 кг топлива:

 В килограммах

1.3    Коэффициент избытка воздуха

 

Коэффициент избытка воздуха α = 0,92;

Расчитаем количество горючей смеси:

= α0,92 0,512=0,471

Где:–количество горючей смеси

Количество  отдельных компонентов продуктов  горения

 

 

 

 

 

 

Общее количество продуктов сгорания:

 

 

1.4    Параметры окружающей среды и остаточные газы

 

- = 0,1033 МПа;

- = 288 К;

-относительная  влажность 70 %.;

Параметры остаточных газов:

- = 1,13×10⁵ Па;

-Т_г = 960 К;

-коэффициент  остаточных газов γ = 0,07;

Коэффициент использования тепла в точке Z для n = 3200 об/мин.:

- ;

1.5   Расчет процесса Впуска

 

  С целью получения хорошего  наполнения двигателя на номинальном  скоростном режиме принимаеться =8°C

Плотность заряда на впуске:

 

 

 

1,01 МПа,

Где 287 Дж/кг·град-удельная газовая постаянная воздуха.

Потери давления на впуске в двигателе.

      В соответствии со скоростным режимом : n = 3200 оби при учете качественой обработки внутрених поверхностей впускных систем можно принять:.

Тогда:

=,

 

 

 

0,015 МПа

Давление в  конце наполнения:

;

где δ-коэффициент  гидравлических потерь (δ=0,15).

Температура в конце наполнения:

 

где =15 К – подогрев заряда от стенок цилиндра,

=1,11 – коэффициент, учитывающий  разницу в теплоёмкостях остаточных  газов и свежей смеси.

Коэффициент наполнения:

 

 

где =1,05-коэффициент дозарядки.

 

;

 

Принятое  значение γ практически совпадает  с расчётным.Для дальнейших расчетов принимаем γ=0,07.

Давление  в цилиндре в конце наполнения с учётом коэффициента дозарядки:

 

1.6   Расчет процесса сжатия

 

Показатель  политропы сжатия определяется через показатель адиабаты сжатия , рассчитываемого по уравнению:

 

;

 

Подбором  находим:

Давление  и температура в конце процесса сжатия:

 

Теплоемкости  мольные (средние):

воздуха:

;

продуктов сгорания:

смеси газов при сжатии:

1.7  Расчет процесса сгорания

 

Теоретический коэффициент молекулярного изменения  свежей смеси:

=^=1,18

Действительный  коэффициент молекулярного изменения 

 

;

Количество  теплоты,потерянное в следствии  химической неполноты сгорания и  теплота сгорания рабочей смеси:

 

;

 

Температура газов в конце видимого сгорания:

 

;

 

 

Решая уравнение относительно Тz, определяем

 

;

 

где - коэффициенты использования теплоты в начале процесса сгорания,

 

Степень повышения давления

 

Максимальное давление сгорания

1.8   Расчет процесса расширения  и выпуска

 

Показатель  политропы расширения n₂ находим по показателю адиабаты расширения К₂, для которого известно уравнение:

;

 

;

Давление и  температура в конце расширения

 

 

 

 

Проверка ранее  принятой температуры остаточных газов

 

1.9   Индикаторные и эффективные показатели работы двигателя

 

Среднее теоретическое  и действительное индикаторное давление:

где -коэффициент скругления индикаторной диаграммы

Индикаторный  КПД 

Индикаторный удельный расход топлива

1.10 Эффективные показатели,основные размеры цилиндра и двигателя

 

Среднее эффективное  давление

         

Механический  КПД двигателя

;

Эффективный КПД и эффективный расход топлива   

 

 

 

Литраж двигателя 

;

 

где Ne=111л.с=81,6кВт по заданию.

Рабочий объем  цилиндра

 

 

Диаметр и  ход поршня принимаем из условия S/D=0,87

 

;

Окончательно  принимаем D = 102,71мм, S = 102,71∙0,87 = 89.358 мм.

  По окончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

Литраж двигателя:

;

Площадь поршня:

 

;

 

Мощность двигателя  при принятых размерах цилиндра:

 

          ;

 

Крутящий момент:

 

 

 

Литровая мощность двигателя:

 

             

Часовой расход топлива:

 

1.11   Тепловой баланс двигателя

Общее количество теплоты, введенной в двигатель при номинальном скоростном режиме:

 

 

 

Теплота, эквивалентная  эффективной работе за 1 секунду:

 

=1000·81,6=81600     ··

Теплота передаваемая охлаждающей среде:

 

 

 

=

121105;

Где С-коэффициент  пропорциональности, С=0,43-0,53;

       i - число цилиндров;

     D-диаметр цилиндра, см;

       m- показатель степени, m=0,65;

       n- частота вращения коленчатого вала двигателя, мин.

Теплота, унесенная  с отработанными газами:

 

,

 

79433,8

 

 

где -теплоемкость отработавших газов (определена методом интерполяции при а = 0,92 и = — 273 = 960 — 273 = 687 K);

теплоемкость свежего заряда (определена методом интерполяции при   = — 273 = 15 К

 

Теплота, потерянная из-за неполноты сгорания топлива:

=99781,7  

Неучтенные  потери теплоты:

 

= 366018,8 - (81600 + 121105 + 79433,8 + 99781,7) = 15901,7

2.Расчет и  построение индикаторной диаграммы

         Масштабы диаграммы: масштаб хода  поршня =1 мм в мм, масштаб давления =0,05 МПа в мм. 

Исходные  данные к построению диаграммы:

Степень сжатия 

Показатель  политропы сжатия

Показатель  политропы расширения

Давление в  конце впуска

Давление в  конце сжатия

Давление сгорания

Давление в  конце расширения       

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

AB===80 мм,

 

OA===9,76 мм.

 

Максимальная  высота диаграммы (точка z)

 

==97,64 мм,

 

Ординаты характерных  точек:

 

==2 мм,

 

==2,26 мм,

 

==1,84 мм,

 

= =23,28 мм,

 

= = 8,88 мм.

 

Построение  политроп сжатия и расширения аналитическим методом:

а) политропа сжатия

 

 

 

 

 

где

OB=AB+OA=80+9,76=89,76 мм

 

б) политропа расширения

 

 

 

 

 

 

 

Составляем таблицу ординат  линий сжатия и расширения.

Таблица 1

№ точек	ОХ, мм	Политропа сжатия			Политропа расширения
		(ОВ/ОХ	Рх/Мр. мм	Рх,МПа	(ОВ/ОХ	Рх/Мр. мм	Рх,МПа
1	9,76	18,83	34,61	0,692	16,01	97,64	1,952
2	20	7,27	13,41	0,268	6,53	57,48	1,149
3	30	4,12	7,84	0,157	3,93	34,89	0,697
4	40	2,69	5,36	0,107	2,24	19,89	0,397
5	55	1,91	3,51	0,070	2,07	18,38	0,367
6	60	1,7	3,13	0,062	1,65	14,69	0,293
7	70	1,38	2,55	0,051	1,36	12,07	0,241
8	80	1,3	2,39	0,047	1,15	10,21	0,204
9	89,76	1	1,84	0,016	1	8,88	0,177

 

В соответствии с принятыми  фазами газораспределения и углом  опережения зажигания определяют положение точек г', а', а", с', и b' по формуле для перемещения поршня:

АХ =

где-отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

  Выбор величины производится при проведении динамического расчета, а при построении индикаторной диаграммы предварительно принимается = 0,285.

Расчеты координат точек г', а', а", с', и b' сведены в таблице 2.

таблица 2

Обозначение точек	Положение точек			Расстояние  точек от в.м.т. (АХ), мм
b'	67° до н.м.т	113	1,511	60,44
г'	310 до в.м.т	31	0,108	4,32
а´	47° после в.м.т	47	0,394	15,76
а'´	83° после н.м.т	97	1,262	50,48
с'	35° до в.м.т	35	0,227	9,08
f	30° до в.м.т	30	0,169	6,76

                               р_с=1,25р_с =1,26 МПа

Действительное  давление сгорания:

                   Рzd = Рz • 0,85 = 4,88 • 0,85 =4,14МПа,

 

= = 82,8 мм.

Соединяя плавными кривыми точки г с а', с' с с" и далее с z_д и кривой расширения, b' с b" (точка b" располагается обычно между точками b и а) и линией выпуска b"r'r, получим скругленную действительную индикаторную диаграмму r aˈacˈfcˈˈz_дbˈbˈˈr

Теперь  наносим на координатное поле все  характерные точки, затем наносим  по табличным данным точки линий  сжатия и расширения. Соединяем точки  плавными линиями в нужной последовательности. В результате получается индикаторная диаграмма.

 

3.Построение внешней скоростной                             характеристики

 

Ha основании теплового расчета, проведенного для четырех скоростных режимов, необходимые данные для построения внешней скоростной характеристики сведены в таблицу 3.