Расчет двигателя

 

Положение шатуна на компоновочной  схеме определяется точками А  и Б в ходе разметки кривошипно-шатунного  механизмаю. Учитывая, что одним  из требований к конструкции шатуна является возможность его демонтажа  через цилиндр, рекомендуется следующая последовательность отработки его конструктивных элементов.

 

 

Рис 7.3. Компоновка шатунной группы

 

Откладывают на компоновочной  схеме ширину нижней головки шатуна а_гш и, обозначив плоскость разъема, намечают внутри голвки перемычки D_шн и диаметры болтов d_шб. Отложив от каждого отверстия под болты в направлении оси шатунной шейки перемычку и толщину вкладыша d_шв, находят размер шатунной шейки d_ш. Ориентировочно

d_ш=(0,63…0,75)D=73,02 мм – для дизельных двигателей

Компоновка верхней  головки шатуна выполняется на базе бобышки поршня. Выбрав наружный диаметр пальца d_п и толщину втулки верхней головки шатуна d_вт, из точки А проводят две окружности радиусами d_п /2 и d_п /2 +d_вт, одна из которых будет изображать наружный контур поршневого пальца, а вторая - наружный контур втулки верхней головки шатуна. Затем из того же центра окружностью радиусом d_г/2 вычерчивается наружный контур верхней головки шатуна.

Стержень шатуна имеет  двутавровое сечение. Полки сходятся к верхней головке. Задавшись высотой сечений шатуна, проводят линии, ограничивающие наружный контур шатуна и контуры его полок. Затем эти линии сопрягаются плавными кривыми с соответствующими элементами верхней и нижней головок.

Расчет шатуна. Шатун  подвергается действию асимметричной  нагрузки, в результате чего возникают напряжения сжатия, растяжения и изгиба. Верхняя головка шатуна подвергается воздействию от сил инерции и сил давления газов. При проверочном расчете верхней головки шатуна можно ограничиваться расчетом на растяжение.

 

,

 

Где F_a.мах – максимальная сила инерции деталей поршневой группы, определенная по результатам динамического расчета;

l_вгш – длина верхней головки шатуна ;

d_вгш – толщина стенки головки

 

 

 

=(15…35) МПа, (для изготовления шатунов  используются материалы: стали марок 40Р).

Расчет шатунных болтов. Шатунные болты нагружаются переменной разрывающей силой инерции поршневой  и шатунной групп, а также испытывают значительное напряжение от предварительной затяжки гаек и изгиба, возникающего при перекосе опорных площадок род головкой и гайкой.

Диаметр шатунных болтов принимается при проектировании, а наружный диаметр головки болта принимается: d_гб=(1,3…1,5)d_шб =1,4*13,92 =19,488 мм.

Расчет шатунных болтов сводится к определению напряжения растяжения на режиме максимальной частоты вращения с учетом их предварительной затяжки:

 

,

 

Где F_пр – сила предварительной затяжки болта:

 

F_пр=(0,7…0,8)F_a.мах=0,75*8,816=6,612 кН

 

c - коэффициент, учитывающий податливость болта и крышки шатуна, c=0,2…0,3, принимаем c=0,25

f_шб – минимальное сечение шатунного болта,

 

f_шб=p*d_шб²/4=3,14*13,92²/4=152,11 мм²

 

i_б=2 – число шатунных болтов.

 

=(120…250)МПа.

 

3. Компоновка и расчет цилиндра

На основании анализа  преимуществ и недостатков различных  конструктивных форм блока цилиндров  и исходя из назначения двигателя выбирается тип блока цилиндров (с мокрыми или сухими гильзами, без гильз). Выбираем тип блока цилиндров с мокрыми гильзами. Это обеспечит лучший тепловой режим для пуска двигателя зимой.

Длина цилиндра (зеркала) находится по формуле:

 

L_ц = S+Н_п - d_н.в.= 119+139,2-15 = 243,2 мм_,

 

Где d_нв= 15 мм – нижний выбег ( выход юбки поршня из цилиндра при нахождении его в НМТ).

На компоновочной схеме на расстоянии D/2 от оси цилиндра проводится линия, изображающая зеркало цилиндра, от которой откладывается толщина стенки (d_ст.г) и вычерчивается контур рубашки охлаждения.

Одновременно с контуром рубашки охлаждения определяются посадочные гнезда и уплотнение гильзы. Рекомендуется отработку посадочных поясов начинать с нижнего посадочного пояса, где наносится выбранное значение d¹_ст..г и определяется диаметр D¹_п. Прибавив к нему 1…2 мм, получают диаметр верхнего посадочного пояса D_п, после чего определяют диаметр бурта гильзы D_б. Задавшись высотой бурта h_б и посадочных поясов, вычерчивают гильзу и ее уплотнение. Необходимые соотношения для этого берутся из табл.14.

Таблица 14 Основные размеры блока цилиндров и гильз современных автотракторных двигателей

Наименование размера	Обозначение	Предел значений размеров
		Значения, мм
Толщина стенки мокр. гильзы	dст.г	6,96
Диаметр посадочного пояса	Dп	127,6
Диаметр бурта	Dб	139,2
Высота бурта	hб	6,96
Нижний выбег поршня	d2	15
Величина промежутка рубашки охлаждения	b	5
Толщина стенки мокрой гильзы в нижнем поясе	d1cт..г	4,64
Разность между диаметрами посадочных поясов	Dп-D1п	2

 

Для проверки размера L_ц и его окончательного выбора в процессе компоновки выполняется контрольное проворачивание кривошипно-шатунного механизма. В V-образных двигателях кривошипно-шатунный механизм проворачивается для обоих блоков. Зона движения шатунов позволяет определить также контуры картера и компоновки в нем вспомогательных агрегатов.

Расчет цилиндра. Расчетное  напряжение разрыва стенки цилиндра (гильзы) по образующей от воздействия  максимального давления газов определяется по формуле:

 

;

 

допускаемые напряжения: =80…120МПа –стальная гильза.

 

 

4. Компоновка коренных подшипников

Выбирают диаметр коренной шейки d_к и толщину вкладыша d_вк (табл15), очерчивают контуры коренной шейки и вкладышей. Затем выбирают диаметр болтов крышки коренного подшипника и намечают их оси. После нанесения осей вычерчиваются контуры болтов и изображается крышка.

 

Рис 7.5. Компоновка коренных подшипников

 

Таблица 15 Основные размеры коренных подшипников

Наименование размера	Обознач	Предел значений размеров
		Значения, мм
Диаметр коренной шейки	dк	92,8
Толщина вкладыша коренного подшипника	dвк	4,06
Толщина перемычки между  болтом крышки и вкладыш.		4
Диаметр болтов крышки коренного  подшипника	dбк	15,08
Толщина перемычки между  болтом и наружн.стенкой крышки		8
Высота сечения крышки коренного подшипника	ак.к	46,4
Длина ввернутого в картер конца болта крышки	hбк	36,192

 

 

Компоновка механизма газораспределения

Компоновка механизма  газораспределения начинается с  выбора типа камеры сгорания и схемы  привода клапанов. Выбрав форму камеры сгорания, необходимо увязать ее размеры с размерами впускных и выпускных клапанов.

За основной размер в  механизме газораспределения принимается  диаметр горловины впускного патрубка d^вп _г.

 

 мм,

 

Где F_г- проходное сечение в горловине:

 

F_г=(1,1…1,2)F_кл,=1,2*11,55=13,86 мм²

 

F_кл- проходное сечение клапан-седло:

 

, см²,

 

С_п.ср - средняя скорость поршня

 

С_п.ср=S n/30=119*2300/30=9,12, м/с,

 

i_кл =1- число одноименных клапанов,

w_вп - скорость заряда на впуске: w_вп=80 м/с.

Диаметр горловины выпускного патрубка:

 

d^вып_г=0,8d^вп_г=0,8*42,02=33,62мм.

 

Размеры элементов клапанов определяются следующими соотношениями

 

внутренний диаметр  головки впускного клапана – d_вп.в=d^вп_г=42,02 мм,

наружный диаметр головки  впускного клапана – d_вп.н=1,15d^вп_г=48,32мм,

внутренний диаметр головки выпускного клапана - d_вып.в=0,8d_вп.в=33,62мм,

наружный диаметр головки  выпускного клапана d_вып.н=0,8d_вп.н,=38,656 мм

диаметр стержня клапана  – d_с=0,3d^вп_г=12,61 мм,

длина стержня клапана  – l_с=3d^вп_г = 126,06 мм,

толщина головки у  фаски - d_г=0,1d^вп_г=4,202 мм,

ширина фаски – b=0,11 d^вп_г=4,62 мм,

высота подъема клапана  – h_к.мах = 0,3 d^вп_г=12,61 мм.

 

Нанеся контуры камеры сгорания, намечают оси клапанов (кк), затем, выбрав размеры основных элементов  клапанов, изображают больший по размерам клапан и наносят внутренний контур стенок камеры сгорания. При головках из алюминиевых сплавов обязательна установка вставных седел для обоих клапанов, поэтому вслед за клапаном изображается и седло. После изображения клапана и его седла вычерчивают клапанный патрубок. Намечают положение верхней стенки головки блока и обрисовывают контуры ее наружных и внутренних стенок. Для современных двигателей с верхними клапанами высота головки обычно составляет H_гол=0,8D=92,8 толщина стенки камеры сгорания головок из алюминиевых сплавов может быть до 10…12мм. Завершив оформление контуров головки, переходят к установке клапанных пружин, длина пружины принимается равной (1,0…1,4)d_вп.н=1,1d_вп.н=46,222 мм. Средний диаметр пружины d_cр принимается равным (0,8…0,9)d^вп_г=0,8d^вп_г=33,62 мм. Диаметр проволоки для клапанных пружин составляет 4…6 мм, число витков 8…14.

Наметив габаритные размеры  пружины, вычерчивают на ее верхнем  конце тарелку с деталями крепления, затем вычерчивается направляющая клапана, в месте пересечения которой с рубашкой охлаждения выполняется прилив.

Следующим этапом компоновки является разработка привода клапанов. Начинается этот этап с выбора расположения распределительного вала и его размеров. Применяем верхнеклапанное газораспределение с нижним расположением распределительного вала.

Радиус начальной окружности кулачка распределительного вала

 

r_{o =} (1,5…2)h_Т=2*9,21=18,42 мм

 

где h_Т - высота подъема толкателя, при отсутствии коромысла (непосредственное воздействие кулачка на клапан).

Радиус рабочего профиля  кулачка:

 

r₁ = (10…12)h_Т =10*9,21=92,1 мм_.

 

При наличии в приводе  клапанов коромысла, необходимо учитывать  следующее соотношение:

 

h_Т = h_к.мах

 

где l_T, l_k – плечи коромысла можно принимать =0,6…0,7, принимаем 0,73.

 

h_Т = h_к.мах =12,61*0,73=9,21 мм.

 

При верхнем расположении распределительных валов механизм привода клапанов имеет сравнительно простую конструкцию.

Вычертив детали механизмов газораспределения, заканчивают компоновку головки двигателя, для чего уточняют конфигурацию стенок головки, патрубков, форсунку, оформляют контуры камеры для штанг привода клапанов (при нижнем расположении распределительного вала),намечаются контуры крышки головки.

 

2. Компоновка корпуса двигателя

 

Этот этап является заключительной частью компоновки двигателя. На компоновочной схеме уже вычерчены цилиндр, рубашка охлаждения, головка блока, коренные подшипники, поршневая и шатунная группы, подшипники распределительного вала, детали клапанного механизма. Чтобы закончить отработку корпуса двигателя необходимо определить стенки картера (в последние годы освоено литье блоков с толщиной стенки 2,5…3,5 мм), нанести плоскость разъема картера с поддоном (желательно ниже оси коленчатого вала). Поддон или нижняя половина картера выполняется чаще всего штампованным из листовой стали толщиной 1,5…2мм. Размеры поддона определяются зоной движения деталей шатунной группы а также заправочной емкостью смазочной системы. Сверху механизм газораспределения закрывается крышкой. Необходимо отметить, что в процессе проектирования и компоновки используются соответствующие конструктивные элементы уже существующих двигателей, близких по типу и назначению. Компоновочные схемы двигателей, которые могут быть оформлены как сборочные чертежи при выполнении следующих требований: