Расчет двигателя

 

 

Рис.3. Диаграммы сил, действующих в КШМ двигателя

 

д). Строим диаграмму вращающего момента, снимаемого с коленчатого вала (рис.4.)

 

Т_e = F_t × r ,

 

где r – радиус кривошипа, r = S/2.

 

Рис.4. Диаграмма вращающего момента одного цилиндра двигателя

 

 

Рис 5 Диаграмма восьми цилиндрового двигателя

 

Для построения диаграммы суммарного вращающего момента многоцилиндрового двигателя производим алгебраическое сложение величин Т_е одноцилиндрового двигателя с угловым сдвигом 720/i = 720/8 = 90 (i- число цилиндров).

Таким образом, диаграмму  величин Т_е (рис.4.) необходимо разделить на 8 частей и алгебраически сложить их ординаты независимо от порядка работы цилиндров.

 

 

Рис. 6 Диаграммы суммарного вращающего момента

 

е). Строим диаграмму износа шатунной шейки 

Результирующая сила R_шш, приложенная к шатунной шейке, определяется графическим сложением силы F_s , действующей по оси шатуна, с центробежной силой вращающихся масс кривошипа F_сш:

 

m_шк=0,725m_ш=0,725*3,697=2,6803 кг ,

F_сш= – m_шк × rw² = – 2,6803*0,0595*241² = –9262,6 Н = – 8,262 кН _.

 

Rшш,кН	Те,Нм
23,20886502	0	0
18,69463662	-407,8047819	30
9,515735961	-158,9324809	60
11,35036281	350,2773543	90
17,81341194	495,5397166	120
20,35443957	291,7049536	150
20,72813416	0	180
20,36548798	-291,9662165	210
18,16570225	-512,1282532	240
12,61415021	-448,8296656	270
7,875677496	-177,3068394	300
8,885765867	-499,3626286	330
69,12382879	0	360
41,68145723	1714,25467	390
14,47118737	832,4270446	420
17,74005073	800,7077164	450
22,19906702	699,628986	480
23,71932279	371,1288565	510
20,72813416	0	540
20,35443957	-291,7049536	570
17,81341194	-495,5397166	600
11,35036281	-350,2773543	630
9,515735961	158,9324809	660
18,69463662	407,8047819	690
23,20886502	0	720

 

Графическое построение силы R_шш в зависимости от угла поворота кривошипа производится в виде полярной диаграммы с полюсом в точке О_ш. Сначала строят полярную диаграмму силы F_S откладывая в прямоугольных координатах с полюсом О ее составляющие F_τ, F_к для различных углов j поворота коленчатого вала. Полученные точки конца вектора F_τ, последовательно в порядке углов соединяют плавной кривой, которая является полярной диаграммой силы F_τ с полюсом в точке О. Чтобы получить полярную диаграмму нагрузки на шатунную шейку, достаточно переместить на полученной полярной диаграмме силы F_τ полюс О по вертикали на величину вектора F_сш в точку О_ш. Проекция на вертикаль любого вектора полярной диаграммы дает значение нормальной силы, действующей на шатунную шейку и направленную по радиусу кривошипа. Полярная диаграмма, перестроенная в прямоугольные координаты R_шш и j, позволяет определить среднее значение R_шш.cp. Пользуясь полярной диаграммой, можно построить так называемую диаграмму износа шейки. Для построения диаграммы под углом 60° к направлению каждой силы R_шш в обе стороны проводят кольцевые полоски, высота которых пропорциональна соответствующей силе R_шш . Суммарная площадь этих полосок в итоге представляет собой диаграмму износа. Из диаграммы износа шейки видна зона наименьших давлений на нее. Следовательно, в этом месте должно находиться отверстие для подвода масла к подшипнику.

 

 

 

 

 

 

7. КОМПОНОВКА ДВИГАТЕЛЯ

 

1. Компоновка кривошипно-шатунного механизма (КШМ) двигателя

 

При компоновке V-образного двигателя проводятся под углом g/2 оси левого и правого цилиндров по отношению к вертикальной оси. В одном из цилиндров намечается положение осей шатунной шейки и поршневого пальца при нахождении поршня этого цилиндра в ВМТ, а положение оси поршневого пальца другого цилиндра определяется засечкой на ось этого цилиндра из точки В дугой радиуса, равный длине его шатуна l_ш. Угол развала g блока цилиндров определяется из соотношения: g=kj/2, где k-целое число (1,2); j-угол между кривошипами (j=720/i); i- число цилиндров в одном ряду блока.

 

7.1.1 Компоновка и расчет деталей поршневой группы

Компоновку начинаем с отработки головки поршня (Приложение 5). Учитывая конструкцию двигателя-прототипа и установившиеся тенденции в мировом двигателестроении выбираем количество поршневых колец (по прототипу 3), их размеры (h_k, h_m, t) и расположение, определяем размеры жарового пояса (с) и перемычек между поршневыми кольцами (h_м.к.). Исходя, из этих данных намечаем высоту головки поршня (Н_г). Задавшись затем толщиной днища (d) и формой его внутренней части, очерчиваем контур камеры сгорания. Выбрав основные размеры поршня наносим его контур на компоновочную схему и намечаем положение оси поршневого пальца, отложив по оси цилиндра от основания юбки расстояние Н₁. Вокруг полученного центра вычерчиваем контур бобышки и, проведя силовые ребра к внутренней поверхности днища, окончательно вычерчиваем внутренний контур головки и юбки поршня. Изобразив на схеме поршневые кольца, каналы для отвода масла от маслосъемных колец оформляем внешний контур деталей поршневой группы.

После компоновки поршневой группы выполняем проверочные расчеты на прочность.

Расчет поршня. При  работе двигателя в поршне возникают сложные напряжения от сил давления газов, инерционных и термических нагрузок. Вместе с тем определяющим параметром при расчете на прочность являем толщина днища (d) поршня. Приближенная проверка прочности днища поршня, как круглой пластинки, защемленной по краям и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой, может быть определена по формуле:

 

 £ [ ] ,

 

Где р_z –максимальное давление газов в цилиндре, МПа.

 

 

Рис 7.1 Компоновка поршневой группы

 

Допускаемое напряжение изгиба для поршней из алюминиевых сплавов АЛ10; АК 4 - [ ] =40…60 МПа без оребрения днища поршня, с оребрением – [ ] =50…150 МПа. Следовательно, на днище поршня применяем оребрение.

Юбку поршня проверяем  по удельному давлению от максимальной боковой силы по формуле:

 

 

Где =0,5…1,0 МПа,

Н_ю - высота юбки поршня, Н_ю=Н_п – Н_г.= 139,2-52,896 = 86,304 мм

 

Относительные размеры деталей  поршневой группы в таблице  11.

 

Таблица 11 Относительные размеры деталей поршневой группы

Наименование размера	Обозначение		Предел значений размеров
		Значение, мм
Высота поршня	Нп		139,2
Высота жарового пояса	c		20,88
Толщина днища	d		17,4
Высота компрессионных колец	hk		2,9
Высота маслосъемных колец	hm		5,22
Ширина поршневых колец	t		4,64
Высота перемычки между  канавками под поршневые кольца	hм.к		5,22
Высота головки поршня	Нг		52,896
Расстояние от нижней кромки юбки до оси поршневого пальца	Н1		55,68
Толщина стенки юбким	dю		3,48
Диаметр бобышек	db		58
Наружный диаметр поршневого пальца	dн.п		46,4
Внутренний диаметр  поршневого пальца	dв.п		29

Расчет поршневого пальца. Проверяемся удельные давления во втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня.

Удельное давление во втулке верхней головки шатуна:

 

,

 

Где F_S - суммарная сила, действующая на поршень,

l_г.ш – длина верхней головки шатуна, для бензиновых двигателей и дизелей

 

l_г.ш =0,3D=0,3*119=34,8 мм.

 

Удельное давление в  бобышках поршня:

 

Где l_б – длина бобышки поршня, для бензиновых двигателей и дизелей:

 

l_б =0,98D/2 - l_г.ш – 2=0,98*119/2-40,6-2=20,04 мм.

 

В современных двигателях допускаемые удельные давления равны (материал-сталь 20,15Х,15ХН): для дизельных двигателей – =32…40 Мпа; =30…35 Мпа.

Расчет поршневых колец. Размеры кольца определяем на основе нормативов, установленных ГОСТ на поршневые кольца.

Последовательность расчета  следующая.

а). Задаемся величиной D/t=20…25 =25, определяющей упругость кольца.

б). Определяем зазор в  замке кольца S₀ при его установке в цилиндр из соотношения S₀/t=2,5…4,0 = 4 → S₀=4*4,64=18,56 мм.

в). Определяем среднее давление кольца на стенку цилиндра (для грушевидной эпюры давления), МПа:

 

 

Где Е – модуль упругости материала кольца (для чугуна Е=1,2*10⁵ МПа).

 

 

Давление ( МПа ) кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной формы  эпюры давления.

 

 

г). Строим эпюру радиальных давлений кольца на стенку цилиндра по данным таблицы 12.

 

Таблица 12 Относительные радиальные давления для грушевидной эпюры

Угол φ град	0	30	60	90	120	150	180
μж	1,05	1,05	1,14	0,9	0,45	0,67	2,85
p	0,222	0,222	0,241	0,1899	0,09495	0,1414	0,601

 

 

Рис 7.2. Эпюра радиальных давлений кольца на стенку цилиндров

 

2. Компоновка и расчет деталей шатунной группы

Конструктивные размеры  деталей этой группы приведены в  табл. 13.

 

Таблица 13 Основные размеры деталей шатунной группы

Наименование размера	Обозначение	Предел значений размеров
		Значения, мм
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна	l	0,26 (по прототипу)
Внутренний диаметр верхней головки шатуна	dв	46,4
Толщина втулки верхней головки шатуна	dвт	2,9
Наружный диаметр верхней  головки шатуна	dг	58
Длина верхней головки  шатуна	lвгш	40,6
Высота стержня шатуна у верхней головки	Нв	34,8
Высота стержня шатуна в средней части	Нср	34,8
Толщина стержня шатуна	t	4,872
Толщина шатунного вкладыша	dшв	3,48
Толщина перемычки между  отверстием под болт и вкладышем	Dшв	1
Толщина перемычки между  отверстием под болт и наружной стенкой  нижней головки шатуна	Dшн	2
Диаметр шатунных болтов	dшб	13,92
Толщина стенки нижней крышки шатуна	aкш	16,24
Ширина нижней головки  шатуна	агш	110,2
Растояние между шатунными болтами	lшб	95,12