Тепловой и динамический расчет двигателя (прототип ЗиЛ-509)

 

По данным значениям строим внешнюю скоростную характеристику.

С помощью которой определяем максимальный эффективный крутящий момент Ме max = = 385,94 Н м и минимальный эффективный удельный расход топлива ge min = 302,56 г/кВт ч, а также коэффициент приспособляемости:

 

                                                                                                                                   (2.5)

 

где МеN - эффективный крутящий момент при номинальной мощности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателя

 

3.1 Расчет сил  давления газов

 

Сила давления газов:

                                                                                                                                   (3.1)

 

где FП – площадь поршня, м²;

           ΔрГ – избыточное давление газов над поршнем в любой момент времени, МПа

 

Величины ΔрГ снимаем с развернутой индикаторной диаграммы для требуемых φ и за-носим в таблицу 2. Соответствующие им силы РГ рассчитываем по формуле (3.1) и также заносим в таблицу 2.

Площадь поршня:

 

                                                                                                                                  (3.2)

 

 

 

Расчет приведем для φ =0°.

 

Масштаб построения графиков сил

 

      

где - масштаб построения сил действующих в КШМ

 

 

3.2 Приведение  масс частей кривошипно-шатунного механизма

 

Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяем эквивалентной системой сосредоточенных масс, которая состоит из массы mj , сосредоточенной на оси поршневого пальца и совершающей возвратно-поступательное движение, и массы mR, сосредоточенной на оси кривошипа и совершающей вращательное движение:

                                                                                                                              (3.3)

 

                                                                                                                              (3.4)

 

 

где mП - масса поршневой группы, кг;

      mШП -часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси поршневого пальца, кг;

      mШК - часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси кривошипа, кг;

 

Полная масса шатунной группы:

                                                                                                                             (3.5)

 

Откуда часть массы шатунной группы, сосредоточенной на оси кривошипа:

                                                                                                                             (3.6)

 

Часть массы шатунной группы, сосредоточенной  на оси поршневого пальца:

                                                                                                                            (3.7)

Для приближенного определения  значений , и можно использовать конструктивные массы т' (кг/м2), т.е. массы, отнесенные к площади поршня .

Исходя из определения конструктивных масс, значения т', выбранные по таблице, умножили на площадь (м2) для получения искомых величин т (кг).

 

,кг

 

,кг

 

,кг

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Расчет сил инерции

 

Силы инерции поступательно движущихся масс:

                                                                                                                            (3.8)

 

где j – ускорение поршня, м/с²

                                                                                                                            (3.9)

 

где R – радиус кривошипа, м;

      ω – угловая скорость вращения коленчатого вала для расчетного режима, рад/с;

      φ – угол поворота коленчатого вала, град

Угловая скорость:

                                                                                                                                    (3.10)

 

где n – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин^-1

  

 

       Расчет силы инерции поступательно движущихся масс приведем для φ =0°, а остальные значения сведем в таблицу 2.

 

 

 

Центробежная сила инерции вращающихся масс:

                                                                                                                               (3.11)

 

 

Эта сила является результирующей двух сил:

         силы инерции  вращающихся масс шатуна

                                                                                                                                (3.12)

 

 

 

         силы инерции  вращающихся масс кривошипа

                                                                                                                               (3.13)

 

 

3.4 Расчет суммарных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

 

Суммарные силы, действующие в КШМ:

                                                                                                                               (3.14)

 

Нормальная сила:

                                                                                                                                (3.15)

 

где β – угол отклонения шатуна от оси цилиндра, град

 

                                                                                                                                       (3.16)

 

Сила, действующая вдоль шатуна:

 

                                                                                                                                       (3.17)

 

От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы:

         сила, направленная  по радиусу кривошипа

 

 

                                                                                                                                  (3.18)

 

         тангенциальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа

 

                                                                                                                                   (3.19)

 

      Расчет сил приведем для φ =0°, а остальные значения сведем в таблицу 2.

                                         

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5 Расчет сил действующих на шатунную шейку коленчатого вала

 

Результирующая сила, действующая  на шатунную шейку рядного двигателя:

                                                                                                                                        (3.20)

 

где РК – сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу, Н

                                                                                                                               (3.21)

 

      Расчет силы приведем  для φ =0°, а остальные значения сведем в таблицу 2.

 

                                                                            

 

 

 

 

 

Таблица 2- Результаты вычисления сил, действующих в КШМ

φ, град	∆pГ, МПа	PГ, Н	Pj	P, Н	N, Н	S, Н	K, Н	T, Н	RШШ, Н
0	0,01	78,5	-9307,76	-9229,26	0	-9229,26	-9229,26	0	14286,26
30	-0,04	-314	-7342,81	-7656,81	-964,67	-7717,34	-6148,66	-4663,83	12137,47
60	-0,04	-314	-2692,42	-3006,42	-666,72	-3079,46	-925,81	-2937,00	6664,83
90	-0,04	-314	1961,46	1647,46	425,373	1701,49	-425,37	1647,46	5724,56
120	-0,0296	-232,36	4653,88	4421,52	980,544	4528,94	-3059,94	3338,88	8776,83
150	-0,0188	-147,58	5381,35	5233,77	659,393	5275,14	-4862,27	2045,83	10128,05
180	-0,0144	-113,04	5384,84	5271,80	0	5271,80	-5271,80	0	10328,80
210	-0,0132	-103,62	5381,35	5277,73	-664,93	5319,45	-4903,11	-2063,02	10171,52
240	0,0004	3,14	4653,88	4657,02	-1032,8	4770,16	-3222,92	-3516,71	8995,79
270	0,0472	370,52	1961,46	2331,98	-602,12	2408,46	-602,12	-2331,98	6120,76
300	0,174	1365,9	-2692,42	-1326,52	294,177	-1358,75	-408,49	1295,89	5617,02
330	0,5676	4455,66	-7342,81	-2887,15	363,747	-2909,97	-2318,47	1758,59	7582,23
360	1,35	10597,5	-9307,76	1289,74	0	1289,74	1289,74	0	3767,26
370	4,11	32263,5	-9077,86	23185,64	1007,49	23207,52	22658,45	5018,32	18302,86
390	2,7224	21370,84	-7342,81	14028,03	1767,37	14138,92	11264,95	8544,60	10561,66
420	1,1232	8817,12	-2692,42	6124,70	1358,25	6273,50	1886,07	5983,27	6771,59
450	0,5708	4480,78	1961,46	6442,24	1663,38	6653,52	-1663,38	6442,24	9309,46
480	0,376	2951,6	4653,88	7605,48	1686,64	7790,25	-5263,41	5743,22	11810,82
510	0,2632	2066,12	5381,35	7447,47	938,293	7506,34	-6918,84	2911,15	12324,59
540	0,1728	1356,48	5384,84	6741,32	0	6741,32	-6741,32	0	11798,32
570	0,0884	693,94	5381,35	6075,29	-765,41	6123,32	-5644,06	-2374,78	10961,40
600	0,0636	499,26	4653,88	5153,14	-1142,8	5278,34	-3566,26	-3891,35	9460,61
630	0,0592	464,72	1961,46	2426,18	-626,44	2505,75	-626,44	-2426,18	6179,63
660	0,0464	364,24	-2692,42	-2328,18	516,312	-2384,74	-716,95	2274,42	6205,76
690	0,0228	178,98	-7342,81	-7163,83	902,558	-7220,46	-5752,78	4363,55	11657,27
720	0,01	78,5	-9307,76	-9229,26	0	-9229,26	-9229,26	0	14286,26

 

3.6 Построение графиков сил, действующих в кривошипно-шатунном   механизме

 

  Графики изменения сил, действующих в КШМ, в зависимости от угла поворота кривошипа φ строим в прямоугольной системе координат по данным таблицы 2.

Все графики строим в одном масштабе, а координатные сетки располагаем одну под другой.

Масштаб по оси Р: МР = 314 Н/мм

Масштаб по оси φ:

 

                                                                                                                                      (3.22)

 

где L0-720 – значение двух оборотов кривошипа по оси φ, мм

 

 

 

Построение графика RШШ ведем в прямоугольной системе координат в тех же масштабах что и графики сил, действующих в КШМ и в виде полярной диаграммы с базовым направлением по кривошипу в масштабе МР = 314 Н/мм.

 

3.7 Построение диаграммы износа шатунной шейки

 

На основании полярной диаграммы  нагрузки на шатунную шейку коленчатого  вала производим построение диаграммы  износа. Для этого определяем величину каждой силы RШШ i, действующей в секторе лучей ОШ1 - ОШ12.

Для упрощения расчета составляем таблицу 4, в которую заносим значения сил RШШ I и их сумма.

      Таблица 3. Определение суммарных сил, обусловливающих характер износа шатунной

                     шейки

Rшш	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
0	14286,26	14286,26	14286,26	0	0	0	0	0	0	0	14286,26	14286,26
30	12137,47	12137,47	12137,47	0	0	0	0	0	0	0	0	12137,47
60	6664,83	6664,83	6664,83	0	0	0	0	0	0	0	0	6664,83
90	5724,56	5724,56	0	0	0	0	0	0	0	0	5724,56	5724,56
120	8776,83	8776,83	0	0	0	0	0	0	0	0	8776,83	8776,83
150	10128,05	10128,05	0	0	0	0	0	0	0	0	10128,05	10128,05
180	10328,80	10328,80	10328,80	0	0	0	0	0	0	0	10328,80	10328,80
210	10171,52	10171,52	10171,52	0	0	0	0	0	0	0	0	10171,52
240	8995,79	8995,79	8995,79	0	0	0	0	0	0	0	0	8995,79
270	6120,76	6120,76	6120,76	0	0	0	0	0	0	0	0	6120,76
300	5617,02	5617,02	0	0	0	0	0	0	0	0	5617,02	5617,02
330	7582,23	7582,23	0	0	0	0	0	0	0	0	7582,23	7582,23
360	3767,26	3767,26	3767,26	0	0	0	0	0	0	0	3767,26	3767,26
370	0	0	0	0	0	18302,86	18302,86	18302,86	18302,86	0	0	0
390	0	0	0	0	0	0	10561,66	10561,66	10561,66	10561,66	0,00	0,00
420	6771,59	0,00	0	0	0	0	0	0	0	6771,59	6771,59	6771,59
450	9309,46	0	0	0	0	0	0	0	0	9309,46	9309,46	9309,46
480	11810,82	11810,82	0	0	0	0	0	0	0	0	11810,82	11810,82
510	12324,59	12324,59	0	0	0	0	0	0	0	0	12324,59	12324,59
540	11798,32	11798,32	11798,32	0	0	0	0	0	0	0	11798,32	11798,32
570	10961,40	10961,40	10961,40	0	0	0	0	0	0	0	0,00	10961,40
600	9460,61	9460,61	9460,61	0	0	0	0	0	0	0	0	9460,61
630	6179,63	6179,63	6179,63	0	0	0	0	0	0	0	0	6179,63
660	6205,76	6205,76	0	0	0	0	0	0	0	0	6205,76	6205,76
690	11657,27	11657,27	0	0	0	0	0	0	0	0	11657,27	11657,27
720	14286,26	14286,26	14286,26	0	0	0	0	0	0	0	14286,26	14286,26
∑	221067,09	204986,04	125158,91	0,00	0,00	18302,86	28864,52	28864,52	28864,52	26642,71	150375,07	221067,09