Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания

Политропа расширения строится аналогично построению линии сжатия, но с помощью лучей ОС и ОЕ, а за начало линии расширения принимается точка Z.

Полученная диаграмма  а с z в а является теоретической индикаторной диаграммой, из которой расчетное индикаторное давление определяется по выражению

,

где fаczba – площадь диаграммы в мм2;   - масштаб давлений.

Значение , полученное по этой формуле, должно быть равно значению , полученному в результате теплового расчета.

Действительная индикаторная диаграмма а/ c/ с// z/ b/ b// a/ отличается от теоретической, так как в реальном двигателе за счет опережения зажигания рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в в.м.т. и повышает давление в конце процесса сжатия. Процесс видимого сгорания происходит при постоянно изменяющемся объеме. Действительное давление конца видимого сгорания

.

Открытие выпускного клапана до прихода поршня в в.м.т. снижает давление в конце расширения и при положения поршня в в.м.т. имеют место процессы выпуска и наполнения цилиндра. Положение точки С/ зависит от угла опережения зажигания, а положение точки С// ориентировочно определяется выражением

.

Расстояние точки z/ от оси ординат определяется жесткостью работы двигателя и находится в пределах 10…150 поворота кривошипа от в.м.т.

Положение точки в/ определяет угол предварения выпуска, а точку в// обычно располагают между расчетными точками «в» и «а».

По индикаторной диаграмме для проверки теплового расчета определяются среднее индикаторное давление Рi и среднее давление насосных потерь

;     .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Динамический расчет

 

Основной задачей динамического расчета является определение сил, действующих в кривошипно – шатунном механизме проектируемого двигателя.

 

3.1. Построение индикаторной диаграммы в Р–φ координатах

 

1) Скругленную индикаторную диаграмму, построенную по результатам теплового расчета двигателя, необходимо перестроить из Р – V координат в

Р – φ координаты, где φ – угол поворота коленчатого вала. Перестроение выполняют методом Брикса с учетом поправки на длину шатуна

  

где R =S/2 = 41,5мм – радиус кривошипа,

Перестроенная диаграмма представляет собой диаграмму избыточных сил давления газов в цилиндре. За начало отсчета принимается точка r.

На отрезке АВ, проведенном параллельно оси абсцисс индикаторной диаграммы, описывается полуокружность радиусом R с центром О. Затем через 20…300 из этого центра проводится лучи (радиусы).

От центра О вправо откладывается величина и из полученной точки О/ проводятся лучи, параллельные радиусам, проведенным из центра О. Из точек пересечения этих лучей с полуокружностью возводятся вертикали до пересечения с линиями индикаторной диаграммы

Измеряются отрезки вертикалей от атмосферной линии до линий индикаторной диаграммы и переносятся на соответствующие углы поворота на абсциссу φ диаграммы в Р – φ координатах. Затем полученные точки обводятся плавной кривой, которая будет характеризовать избыточное давление в цилиндре за все четыре цикла. В случае необходимости на отдельных участках находят давления газов в промежуточных точках между лучами, проведенными из точки О/.

2) Руководствуясь найденными размерами  Dц, S, R и lш и пользуясь статистическими данными и соотношениями размеров прототипов, делают эскиз кривошипного механизма двигателя с прикидкой основных размеров поршня, шатуна и коленчатого вала с целью определения величины движущихся масс поршня mп и шатуна mш, а также mi исходя из выбранных конструктивных масс этих деталей. Веса поршневого комплекта и верхней головки шатуна необходимо принимать согласно таблице, в которой приведены данные некоторых двигателей.

Массу возвратно – поступательно движущихся частей кривошипно – шатунного механизма можно определить по выражению

где g = 9,81 м/с2 .

3) Выбирают значение λ и вычисляют значения сил инерции возвратно – поступательно движущихся масс Рj , пользуясь таблицей, в которой приведены значения выражения cosφ+λcos2φ для для различных значений углов φ поворота коленчатого вала. Результаты рекомендуется вносить в сводную таблицу динамического расчета.

   Значение λ выбирают исходя из компоновочной схемы: .  λ=0,25.

Сила инерции  возвратно – поступательно движущихся масс, отнесенная к единице площади поршня (1 см2), определяется по формуле:

,

где Fп – площадь поршня, см2; R – радиус кривошипа (R = 1/2 S), м;

 ω= Пn/30 = 3,14*(5000/60)/30= 8,72  1/c – угловая скорость коленчатого вала, 1/сек ; λ – отношения радиуса кривошипа к длине шатуна; φ – угол поворота кривошипа.

1. Строят развернутую диаграмму для Рj по углу поворота коленчатого вала и графическим суммированием находят кривую суммарной силы , приложенной к оси поршневого пальца

. Значения вносят в сводную таблицу

2. Пользуясь таблицами геометрических функций определяют значения боковой, тангенциальной и радиальной сил

; ; .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сводная таблица динамического расчета
0	0,2	1,25	-4,32	-4,12	0	0	1	-4,12	0	0
30	-0,1	0,991	-3,42	-3,52	0,126	-0,44	0,803	-2,8	0,609	-2,14
60	-0,1	0,375	-1,29	-1,39	0,2218	-0,308	0307	-0,43	0,977	-1,35
90	-0,1	-0,250	0,86	0,76	0,2582	0,19	-0,258	-0,2	1	0,76
120	-0,1	-0,625	2,15	2,05	0,2218	0,45	-0,692	-1,42	0,755	1,54
150	-0,1	-0,741	2,55	2,45	0,126	0,309	-0,929	-2,3	0,391	0,95
180	-0,05	-0,750	2,58	2,53	0	0	-1	-2,53	0	0
210	0,05	-0,741	2,55	2,6	-0,126	-0,33	-0,929	-2,4	-0,391	-1,0
240	0,15	-0,625	2,15	2,3	-0,2218	-0,51	-0,692	-1,6	-0,755	-1,7
270	0,2	-0,250	0,86	1,06	-0,2582	-0,27	-0,258	-0,27	-1	-1,06
300	0,35	0,375	-1,29	-0,94	-0,2218	0,208	0307	-0,28	-0,977	0,9
330	1,0	0,991	-3,42	-2,42	-0,126	0,305	0,803	-1,94	-0,609	1,47
360	1,8	1,250	- 4,32	-2,52	0	0	1	-2,52	0	0
390	4,7	0,991	-3,42	1,28	0,126	0,16	0,803	1,02	0,609	0,78
420	1,7	0,375	-1,29	0,41	0,2218	0,09	0307	0,12	0,977	0,4
450	0,85	-0,250	0,86	1,71	0,2582	0,44	-0,258	-0,44	1	1,71
480	0,6	-0,625	2,15	2,75	0,2218	0,61	-0,692	-1,9	0,755	2,06
510	0,4	-0,741	2,55	2,95	0,126	0,37	-0,929	-2,74	0,391	1,15
540	0,35	-0,750	2,58	2,93	0	0	-1	-2,93	0	0
570	0,35	-0,741	2,55	2,9	-0,126	-0,36	-0,929	-2,7	-0,391	-1,13
600	0,35	-0,625	2,15	2,5	-0,2218	-0,55	-0,692	-1,73	-0,755	-1,9
630	0,35	-0,250	0,86	1,21	-0,2582	-0,3	-0,258	-0,3	-1	-1,21
660	0,35	0,375	-1,29	-0,94	-0,2218	0,21	0307	-0,28	-0,977	0,9
690	0,35	0,991	-3,42	-3,07	-0,126	0,38	0,803	-2,46	-0,609	1,87
720	0,35	1,250	- 4,32	-3,97	0	0	1	-3,97	0	0

 

Все силы в данном расчете подсчитываются как удельные силы, отнесенные к 1 см2 площади поршня и строятся в одинаковом масштабе , как и для давления газов.

Пересчет удельных сил в полные силы на данном этапе проекта можно не производить, а ограничиться лишь подсчетом масштаба:

.

3. График изменения тангенциальной силы в масштабе

 выражает индикаторный крутящий  момент одного цилиндра, поэтому  строить специальный график крутящего  момента одного цилиндра не  следует, достаточно указать масштаб  на графике изменения силы .

Диаграмма суммарного индикаторного момента многоцилиндрового двигателя получается графическим суммированием кривых крутящего момента его цилиндров. При суммировании кривая крутящего момента для одного цилиндра за один цикл делится для двигателя с равномерным чередованием вспышек на i частей, где i – число цилиндров двигателя.

Полученные отрезки кривой сдвигают на участок диаграммы, длина которого равна периоду изменения крутящего момента θ0, т.е. 720/ i – для 4-х тактных (и 360/ i- для 2-х тактных) двигателей, а затем складываются.

При выборе кривошипной схемы коленчатого вала следует учитывать то, что равномерное чередование рабочих ходов (вспышек) в однорядных двигателях с числом цилиндров i обеспечивается для 4-х тактных двигателей при условии 720/i=δ, где δ – угол между коленами вала.

Пользуясь кривой суммарного индикаторного крутящего момента двигателя, следует определить его среднее значение и сравнить полученное значение со значением, подсчитанным при тепловом расчете. Расхождение не должно быть больше 5 %.

Мкр = Т ср * mp *  Fn * R = 0,12 * 0,025 * 51,5 * 0,0415 = 1,785

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Прочностной расчет детали

 

Расчет  шатунного болта бензинового двигателя.  

Из  расчета кривошипной головки шатуна имеем: максимальную силу инерции, разрывающую   кривошипную  головку   и   шатунные  болты: 0,0186 МН. Принимаем: номинальный диаметр болта 6 мм; шаг резьбы количество болтов Материал — сталь 40Х.

По табл. для легированной стали 40Х определяем: – пределы прочности текучести и усталости при растяжении-сжатии

коэффициент  приведения   цикла  при   растяжении-сжатии 

    

Сила предварительной затяжки

Суммарная сила, растягивающая болт:

где   Максимальные и минимальные напряжения, возникающие в болте:

  МПа;

МПа,

где                         

Среднее напряжение и амплитуды цикла

МПа;

МПа;

 МПа,

 

где

   

 

  

10 мм;

Так   как  , то запас прочности болта определяется по пределу текучести:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

 

1. Строков В.Л. Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания: Учебное пособие/ ВолгГТУ.- Волгоград, 2005. – 48с.
2. Артамонов М.Д., Морин М.М. Основы теории и конструирования автотракторных двигателей в 2-х частях. М: Высшая школа, 1973. – 136 и 205с.
3. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. М: Высшая школа, 2002. – 496с.