Расчет рабочего цикла ДВС, расчет основных деталей на прочность, компоновка двигателя

3 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

 

 

3.1 Расчет силовых факторов действующих в кривошипно-шатунном механизме

 

Изменения давления газа на днище  поршня представляется в виде инди-каторной диаграммы . Для удобства выполнения последующих рас-четов индикаторная диаграмма представляется в координаты ( - угол поворота кривошипа)

Перестроение индикаторной диаграммы  производится графически по ме-тоду   профессора   Ф.А.  Брикса,  взяв значение давления через каждые 30 угла поворота кривошипа (для дизельных при =390.)

Поправка Брикса равна:

 

                                      .

 

Сила давления газов в Н определяется по формуле:

 

                                                                                      (3.1)

 

где   - индикаторное давление газов (давление над поршнем) при заданном угле поворота кривошипа, МПа;

      - давление в картере двигателя(под поршнем),МПа; принимается равным атмосферному =0,1 МПа

      - площадь поршня, м; определяется из выражения.

 

                             

 

       Поскольку силу на поршень создает избыточное давление газов, отсчет ординат на индикаторной диаграмме при перестроении следует производить от атмосферного давления. Развернутая индикаторная диаграмма в соответствующем    масштабе   Н/мм является  графиком изменения сил давления газов. Определение силы давления газов таким образом сводится к умножению   ординат графика на  масштаб сил . Результаты расчета сводим в таблицу 3.1.

Для определения сил инерции  возвратно-поступательно движущихся масс необходимо определить массу в кг частей кривошипно-шатунного меха-низма совершающих возвратно-поступательное движение.

 

                                                                                                        (3.2)

 

где - масса поршневого комплекта (поршень, палец, поршневые кольца, детали стопорения пальца), кг;

       - часть массы шатуна в сборе, отнесенная к поступательно дви-жущимся массам, кг.

Для большинства существующих конструкций автомобильных двигателей

 

                                   =(0,25…0,30) ,

 

где - масса шатуна в сборе.

Массы и   рассчитываются  по  чертежам   деталей или выбираются по статическим данным по следующим зависимостям

 

                                                                                                 (3.3)

 

                                                                                               (3.4)

 

где  и -  удельные   массы    соответственно поршневого комплекта и шатуна.

 

                              ,

 

                               ,

 

                              ,

 

                               .

 

 Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс в МПа оп-ределяется по формуле:

 

                                                            (3.5)

 

где – радиус кривошипа, м

      - угловая скорость коленчатого вала

 

                           

 

Результаты расчета сводятся в таблицу 3.1.

Суммарная сила в МПа, действующая  на поршневой палец, определя-ется алгебраическим сложением сил давления газов, и  сил  инерции возвратно- поступательно  движущихся масс по формуле:

 

                                                                                        (3.6)

 

Результаты расчета сводятся в таблицу 3.1

          От действия суммарной силы возникают следующие силы:

- суммарная нормальная (боковая) сила в МПа, направленная перпендикулярно оси цилиндра; определяется по формуле:

 

                                                                                                (3.7)

 

- суммарная радиальная сила  в МПа, направленная по радиусу кривошипа; определяется по формуле:

 

                                                                                           (3.8)

 

- суммарная тангенсальная сила  в МПа, направленная перпендикулярно  к радиусу кривошипа; определяется  по формуле:

 

                                                                                           (3.9)

 

-суммарная сила, действующая  вдоль шатуна в МПа; определяется  по формуле

 

                                                                                                        (3.10)

 

где – угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра.

Результаты расчета сил сводятся в таблицу 3.1

Суммарный (индикаторный) крутящий момент в Нм, развиваемый одним цилиндром двигателя

                                                                                                   (3.11)

 

Центробежная сила инерции вращающей части шатуна в МПа , направленная по радиусу кривошипа  и нагружающая шатунную шейку:

 

                                                                                       (3.12)

 

где  - часть массы шатуна, отнесенная к вращающимся массам, кг,

 

                                       ,

 

                                  ,

 

                            .

 

Результирующая сила действующая  на шатунную шейку представляет собой  геометрическую сумму:

 

                                                                                       (3.13)

 

Абсолютное значение этой силы в Н определяется по формуле

 

                                                                            (3.14)

 

Результаты вычисления силы  сводятся в таблицу 3.1    

                                                 

                                                                                                                     

3.2 Построение графиков сил и моментов.

 

 Для ориентирования силы относительно шатунной шейки построения ее осуществляется также и в полярных координатах.

 Целесообразно первоначально  произвести   построение  полярной  диаграммы  силы.  Так как , то полярную диаграмму для этой силы получают откладыванием  в  прямоугольных  координатах  значений  сил  и  для различных углов.

  По графику силы      в   прямоугольной  системе  координат определяются ее  среднее значение по формуле:

 

                                 ,                                                         (3.15)

 

 где  -  площадь, ограниченная кривой и осью абсцисс;

        - длина диаграммы по оси , мм;

       - принятый в динамическом расчете масштаб сил, Па/мм.

                

 

    Кривая тангенсальных  сил  в масштабе   в Нм/мм  является кривой изменения индикаторного  крутящего момента , развиваемого  одним цилиндром. Построение     графика    суммарного    индикаторного     крутящего     момента    многоцилиндрового двигателя (с равномерным чередованием одноименных процессов) сводится к суммированию крутящих моментов от всех цилиндров с учетом чередования вспышек. Так как величины и характер изменения крутящего момента по углу поворота коленчатого вала одинаковы и отличаются лишь угловыми интервалами, равным угловым интервалам между вспышками в отдельных цилиндрах, то для подсчета суммарного крутящего момента достаточно иметь значения крутящего момента одного цилиндра. При разных интервалах между вспышками крутящий момент будет периодически изменяться.

   Построение кривой  суммарного крутящего момента  осуществляется графическим способом.  Для  этого  кривую  крутящего  момента  одного  ци-линдра разбиваем на столько равных  частей  по  длине,  сколько  цилиндров  в двигателе. Все участки кривой сводятся на новой координатной сетке и гра-фически суммируются ординаты.

         Результирующая кривая показывает изменение суммарного крутящего момента двигателя в  зависимости  от  угла  поворота  кривошипа  коленчатого вала.

       Среднее значение суммарного индикаторного крутящего момента дви-гателя(индикаторный крутящий момент) в Нм определяется графоаналитичес-ким способом по формуле:

 

                                                                             (3.16)

 

где  F₁–площадь ограниченная кривой соответственно выше  оси абсцисс в пределах одного периода, мм

           - длина графика в пределах одного периода, мм.

 

                                         ,

 

                             .

 

       Эффективный крутящий момент двигателя в Нм

 

                                                                                  (3.17)

 

где  - механический КПД двигателя

 

                         

 

    Полученное значение не должно отличаться более чем на =5% от рассчитанного в тепловом расчете значения.

                                    .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          4 Расчет внешней скоростной характеристики двигателя

 

 

 Принимаем расчетные  точки скоростной характеристики:                      ; ; ; ; ; ; ; ; ; .

Расчетные точки кривой эффективной мощности в кВт и эффективного удельного расхода в г/(кВт∙ч) определяются по следующим эмпирическим зависимостям через каждые 1000 мин^-1:

 

                    (4.1)

 

                                                       (4.2)

 

 

где N_max– максимальная эффективная мощность, кВт; N_max =281,4 кВт;

  - удельный расход топлива, соответствующий максимальной расчетной мощности двигателя, г/(кВт∙ч);

      n_N - частота вращения коленчатого вала при максимальной эффективной мощности этой мощности, мин^-1; n_N =2150 мин^-1;

      N_ex – эффективная мощность при заданной (текущей) частоте вращения коленчатого вала n_x, кВт;

      n_x – частота вращения коленчатого вала  в искомой точке на кривой скоростной характеристики двигателя, мин^-1;

Результаты расчёта занесём в таблицу 41.

По рассчитанным точкам в масштабе μ_N строится кривая эффективной мощности.

Точки кривой эффективного крутящего момента (Н·м) определяются по формуле:

 

                                                                        (4.3)

 

 Часовой расход топлива для расчетных точек, кг/ч:

 

                                                                             (4.4)

 

Значение параметров скоростной характеристики рассчитываем по приведенным выше формулам и заносим  в таблицу 4.1

Таблица 4.1 Результаты расчета внешней скоростной характеристики.

Результаты расчетов сводим в таблицу 4.1                                   

                                                                   

Таблица 4.1 Внешние скоростные характеристики двигателя