Расчет и конструирование автомобильного двигателя

 

По данным таблицы 9 построены  графики s_x в масштабе М_s=2 мм, v_П – в масштабе М_v=1м/с, j_П – в масштабе М_j=500м/с² в мм. Масштаб угла поворота коленчатого вала М_φ=3⁰ в мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Расчет динамики  кривошипно-шатунного механизма

 

4.1 Силы давления  газов

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для  упрощения динамического расчета  заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени (угла φ) по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя, или по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета.

Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете (рисунок 4), развертывают по углу поворота кривошипа по методу Брикса.

Поправка Брикса:

где М_S – масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.

Масштабы развернутой  диаграммы: давлений и удельных сил М_р=0,05 МПа в мм, угла поворота кривошипа М_φ = 3⁰ в мм.

По развернутой диаграмме  через каждые 10⁰ угла поворота кривошипа определяем значения ∆р_r и заносим в сводную таблицу 10 динамического расчета.

 

4.2 Приведение  масс частей КШМ

По таблице с учетом диаметра цилиндра, отношения S/D, рядного расположения цилиндров и достаточно высокого значения р_z устанавливаются:

1. Масса поршневой  группы (для поршня из алюминиевого  сплава принято m_п^/=100кг/м²)

2. Масса шатуна (для стального кованного шатуна принято m_ш^/=150 кг/м²:

3. Масса неуравновешенных  частей одного колена вала  без противовесов (для литого  чугунного вала принято m_к^/=140 кг/м²:

4. Масса шатуна, сосредоточенная  на оси поршневого пальца:

5. Масса шатуна, сосредоточенная  на оси кривошипа:

6. Массы, совершающие  возвратно-поступательное движение:

7. Массы, совершающие  вращательное движение:

 

4.3 Удельные  и полные силы инерции

Из таблицы 9 переносим  значения j в таблицу 10 и определяем значения удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс по формуле:

Центробежная сила инерции  вращающихся масс:

Центробежная сила инерции  вращающихся масс шатуна:

Центробежная сила инерции  вращающихся масс кривошипа:

 

4.4 Суммарные  силы и моменты, действующие  в КШМ

1. Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца определяется по формуле:

2. Удельная нормальная  сила, МПа:  Значение tgβ определяем для λ=0,285 по таблице [1].

3. Удельная сила, действующая  вдоль шатуна, МПа:

4. Удельная сила, действующая  по радиуса кривошипа:

5. Удельная и полная  тангенциальные силы:

По данным таблицы 10 строим графики изменения удельных сил  р_j, р, р_S, р_N, р_К и р_Т в зависимости от изменения угла поворота коленчатого вала φ.

6. Среднее значение  тангенциальной силы за цикл:

по данным теплового  расчета:

по площади, заключенной  между кривой р_Т и осью абсцисс:

Ошибка: .

 

7. Крутящие моменты одного цилиндра:

Период изменения крутящего  момента четырехтактового двигателя  с равными интервалами между  вспышками:

 

 

 

Таблица 10 – Расчетные  данные динамического расчета 

φ0	∆рТ, МПа	j, м/с	рj, МПа	р, МПа	tgβ	рN, МПа		рS, МПа		рК, МПа		рТ, МПа	Т, кН	Мкр.ц, Н∙м
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 370 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720	+0,018 -0,015 -0,015 -0,015 -0,015 -0,015 -0,015 -0,015 -0,015 +0,020 +0,205 +0,660 +1,650 +4,625 +2,860 +1,325 +0,660 +0,465 +0,315 +0,205 +0,025 +0,018 +0,018 +0,018 +0,018 +0,018	+17209 +13506 +4788 -3817 -8605 -8689 -9576 -9689 -8605 -3817 +4788 +13506 +17209 +16775 +13506 +4788 -3817 -8605 -9689 -9576 -9689 -8605 -3817 +4788 +13506 +17209	-2,426 -1,904 -0,675 +0,538 +1,213 +1,366 +1,350 +1,366 +1,213 +0,538 -0,675 -1,904 -2,426 -2,365 -1,904 -0,675 +0,538 +1,213 +1,366 +1,350 +1,366 +1,213 +0,538 -0,675 -1,904 -2,426	-2,408 -1,919 -0,690 +0,523 +1,198 +1,351 +1,335 +1,351 +1,198 +0,558 -0,470 -1,244 -0,776 +2,260 +0,956 +0,650 +1,198 +1,678 +1,681 +1,555 +1,391 +1,231 +0,556 -0,657 -1,886 -2,408	0,000 +0,144 +0,253 +0,295 +0,253 +0,144 0,000 -0,144 -0,253 -0,295 -0,253 -0,144 0,000 +0,050 +0,144 +0,253 +0,295 +0,253 0,144 0,000 -0,144 -0,253 -0,295 -0,253 -0,144 0,000	0,000 -0,276 -0,175 +0,154 +0,303 +0,195 0,000 -0,195 -0,303 -0,165 +0,119 +0,179 0,000 +0,113 +0,138 +0,164 +0,353 +0,425 +0,242 0,000 -0,200 -0,311 -0,164 +0,166 +0,272 0,000	1,000 1,010 1,031 1,043 1,031 1,010 1,000 1,010 1,031 1,043 1,031 1,010 1,000 1,001 1,010 1,031 1,043 1,031 1,010 1,000 1,010 1,031 1,043 1,031 1,010 1,000	-2,408 -1,938 -0,711 +0,545 +1,235 +1,365 +1,335 +1,380 +1,235 +0,582 -0,485 -1,256 -0,776 +2,262 +0,966 +0,670 +1,250 +1,730 +1,700 +1,555 +1,405 +1,269 +0,580 -0,677 -1,905 -2,408	+1,000 +0,794 +0,281 -0,295 -0,719 -0,938 -1,000 -0,938 -0,719 -0,295 +0,281 +0,794 +1,000 +0,976 +0,794 +0,281 -0,295 -0,719 -0,938 -1,000 -0,938 -0,719 -0,295 +0,281 +0,794 +1,000	-2,408 -1,524 -0,194 -0,154 -0,861 -1,267 -1,335 -1,267 -0,861 -0,165 -0,132 -0,988 -0,776 +2,206 +0,759 +0,183 -0,353 -1,206 -1,577 -1,555 -1,305 -0,885 -0,164 -0,185 -1,497 -2,408	0,000 +0,625 +0,993 +1,000 +0,740 +0,376 0,000 -0,376 -0,740 -1,000 -0,993 -0,625 0,000 +0,222 +0,625 +0,993 +1,000 +0,740 +0,376 0,000 -0,376 -0,740 -1,000 -0,993 -0,625 0,000	0,000 -1,199 -0,685 +0,523 +0,887 +0,508 0,000 -0,508 -0,887 -0,558 +0,467 +0,778 0,000 +0,502 +0,598 +0,645 +1,198 +1,242 +0,632 0,000 -0,523 -0,911 -0,556 +0,652 +1,179 0,000	0 -5,726 -3,272 +2,498 +4,236 +2,426 0 -2,426 -4,236 -2,665 +2,230 +3,716 0 +2,398 +2,856 +3,081 +5,722 +5,932 +3,018 0 -2,498 -4,351 -2,655 +3,114 +5,631 0	0 -223,3 -127,6 +97,4 +165,2 +94,6 0 -94,6 -165,2 -103,9 +87,0 +144,9 0 +93,5 +111,4 +120,2 +223,2 +231,3 117,7 0 -97,4 -169,7 -103,5 +121,4 +219,6 0

 

Кривая изменения силы Т(φ) является также и кривой изменения  М_кр.ц(φ), но в масштабе М_М=М_р∙r, МНм/мм. Для построения кривой суммарного крутящего момента М_К многоцилиндрового двигателя графически суммировать кривые моментов каждого цилиндра, сдвигая одну кривую относительно другой на угол поворота кривошипа между вспышками. В связи с идентичностью процессов в каждом цикле двигателя для подсчета суммарного момента достаточно иметь кривую крутящего момента одного цилиндра.

При построении кривой М_кр(φ) кривую крутящего момента одного цилиндра разбивают на число участков равное числу цилиндров. Все участки совмещают, суммируют и получают результирующую кривую суммарного крутящего момента М_кр(φ).

Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров  двигателя осуществляется табличным методом (таблица 11) через каждые 10⁰ угла поворота коленчатого вала и по полученным данным строится кривая М_кр в масштабе М_М=10 Н∙м в мм.

 

Таблица 11 – Суммирование значений крутящих моментов.

φ0	Цилиндры								Мкр, Н∙м
	1-й		2-й		3-й		4-й
	φ0 кривошипа	Мкр.ц, Н∙м	φ0 кривошипа	Мкр.ц, Н∙м	φ0 кривошипа	Мкр.ц, Н∙м	φ0 кривошипа	Мкр.ц, Н∙м
0 30 60 90 120 150 180	0 30 60 90 120 150 180	0 -223,3 -127,6 +97,4 +165,2 +94,6 0	180 210 240 270 300 330 360	0 -94,6 -165,2 -103,9 +87,0 +144,9 0	360 390 420 450 480 510 540	0 +111,4 +120,2 +223,2 +231,3 +117,7 0	540 570 600 630 660 690 720	0 -97,4 -169,7 -103,5 +121,4 +219,6 0	0 -303,9 -342,3 +113,2 +604,9 +576,8 0

 

 

Средний крутящий момент двигателя:

По данным теплового  расчета:

По площади, заключенной  под кривой М_кр и линией ОА:

где F₁ и F₂ – соответственно положительная и отрицательная площади.

 

Ошибка:

Максимальный и минимальный  крутящие моменты:

М_кр.max = +630 Н∙м

М_кр.min = -350 Н∙м

 

 

4.5 Равномерность крутящего момента и равномерность хода двигателя

 

1. Равномерность крутящего  момента:

2. Избыточная работа  крутящего момента:

Где F_abs – площадь над прямой среднего крутящего момента;

 рад в мм – масштаб  угла поворота вала на диаграмме  М_кр.

3. Равномерность хода  двигателя принимаем δ=0,01.

4. Момент инерции движущихся  масс двигателя, приведенных к  оси коленчатого вала:

 

4.6 Расчет маховика

 

Основное назначение маховика – обеспечение равномерности  хода двигателя и создание необходимых  условий для трогания машины с  места.

Для автомобильных двигателей, работающих обычно с большой недогрузкой, характерен облегченный разгон машины и поэтому маховик автомобильного двигателя, как правило, имеет минимальные размеры.

Расчет маховика сводится к определению момента инерции  маховика, махового момента  основных размеров и максимальной окружной скорости.

Для расчета можно  принять, что момент инерции маховика со сцеплением автомобильного двигателя составляет 80 – 90% от момента инерции J₀ двигателя.

Маховый момент:

где - масса маховика, кг; - средний диаметр маховика, м.

по величине махового момента осуществляют подбор основных размеров маховика, руководствуясь в  основном соображениями конструктивного  характера. Так, диаметр маховика выбирают с учетом габаритов двигателя, возможности  размещения механизма сцепления и т.д. для приближенных расчетов можно принять:

 

 

 

 

 

5 Расчет и  конструирование основных групп  деталей двигателя

 

5.1 Расчет поршневой группы

 

Расчет поршня бензинового двигателя

 

1. На основании данных  расчетов получили: диаметр цилиндра D=78мм, ход поршня S=78мм, действительное максимальное давление сгорания р_zд = 5,304МПа при n = 3300 об/мин, площадь поршня F_П=47,76 см², наибольшую нормальную силу N_max=0,0018МН при φ=480⁰, масса поршневой группы m_П=0,478 кг, частота вращения n_x.х.max=6000мин^-1 и λ=0,285.

2. В соответствии с  существующими аналогичными двигателями  и с учетом соотношений приведенных   в таблице [1], принимаем:

толщину днища поршня δ=7,5мм;

высоту поршня Н=88мм;

высоту юбки поршня h_ю = 58мм;

радиальную толщину кольца t = 3,5 мм;

радиальный зазор кольца в канавке поршня на верхней кольцевой  перемычке ∆t = 0,8 мм;

толщину стенки головки  поршня s = 5 мм;

величину верхней кольцевой  перемычки h_П = 3,5 мм;

число и диаметр масляных каналов в поршне = 10 и d_М = 1 мм.

Материал поршня –  эвтектический алюминиевый сплав  с содержанием кремния около 12%, а_П = 22∙10^-6 1/К; материалы гильзы цилиндра – серый чугун, а_П = 11∙10^-6 1/К.

3. Напряжение изгиба  в днище поршня:

где

4. Напряжение сжатия  в сечении х-х:

где

       

       

       

5. Напряжение разрыва  в сечении х-х:

Максимальная угловая скорость холостого хода:

Масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения  х-х:

Максимальная разрывающая  сила:

Напряжение разрыва:

6. Напряжения в верхней кольцевой перемычке:

среза:

изгиба:

сложное:

7. Удельное давление  поршня на стенку цилиндра:

8. Диаметры головки  и юбки поршня с учетом монтажных зазоров:

 

Где

      

9. Диаметральные зазоры  в горячем состоянии:

где Т_ц=383К, Т_Г=593К, Т_Ю=413К, приняты с учетом жидкостного охлаждения двигателя.

 

Расчет поршневого кольца

 

Материал кольца –  серый легированный чугун, Е =1,2∙10⁵ МПа.

1. Среднее давление  кольца на стенку цилиндра:

где .

2. Давление кольца  на стенку цилиндра в различных  точках окружности: