Структурный анализ, проектирование, кинематический и силовой расчет кривошипно-ползунного механизма двигателя внутреннего сгорания с V- о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: “Теория механизмов и машин”.

 

 

 

 

Структурный анализ, проектирование, кинематический и силовой расчет

кривошипно-ползунного механизма  двигателя внутреннего сгорания

с V- образным расположением цилиндров.

 

 

 

 

 

 

Специальность:

Группа:

Студент:

Преподаватель:

Вариант: 18

 

 

 

 

2008 г.

 

 

Задание на курсовую работу.

Выполнить структурный  анализ, проектирование, кинематический и силовой расчет кривошипно-ползунного механизма. Кинематическая схема кривошипно-ползунного механизма V-образного двигателя внутреннего сгорания показана на рис. I, а в табл. I   приведены   исходные данные  для расчета 7-го  варианта. На схеме обозначено: 1 - кривошип, 2,4 — шатуны, 3,5— поршни (ползуны), 6 - неподвижная часть механизма - стойка. Стрелкой показано направление угловой скорости ω1 .Точки S2, S4 - центры масс шатунов. Длины шатунов одинаковы, т.е. l _АВ = l _АС. В цилиндре В рабочий ход, в цилиндре С—выпуск, Р₅ = О. При силовом расчете вес звеньев G₂ = G₄ = G₃ = G₅ = 0 (не учитывать).

Исходные данные для  варианта №7

Параметры, общие для  всех вариантов:

Длины шатунов одинаковы: l_AB = l_AC;

Давление в цилиндре С: Р_С =Р₅ = 0;

Таблица 1

Таблица исходных данных (вариант 18)

№	Параметр	Обозначение	Числовое  значение	Р Размерность
1	Полный ход поршня	Н	70	мм.
2	Отношение длины кривошипа  к длине шатунов	l	0,29	-
3	Диаметр поршня	Dn	82	мм.
4	Угол поворота кривошипа	j1	45	град.
5	Угол развала цилиндров	b	90	град.
6	Частота вращения кривошипа	n	3400	об/мин
7	Отношения, определяющие положения центров масс	lAS2 / lAB lAS4 / lAС	0,33 0,33	- -
8	Давление в цилиндре В	РВ	50	Н/см2

 

 

 

 

 

1. Структурный анализ  механизма.

Цель: Определить подвижность механизма и расчленить его на структурные группы для облегчения силового расчета.

1. Описание механизма.

Рис.1.Кинематическая схема  кривошипно-ползунного механизма

Механизм представляет собой шестизвенный рычажный механизм.

звено 1 - кривошип ОА равномерно вращается вокруг неподвижной оси  Оz ,

звено 2 - шатун АВ совершает  плоскопараллельное движение,

звено 3 - ползун В движется поступательно вдоль прямой ОВ,

звено 4 - шатун АС совершает  плоскопараллельное движение,

звено 5 - ползун С движется поступательно вдоль прямой ОС,

звено 6 - неподвижная  стойка.

Ведущим звеном механизма  является кривошип 1.

 

2. Определение подвижности механизма.

Рассматриваемый механизм является плоским, т.е. движение всех звеньев  происходят в одной плоскости.

Подвижность плоского механизма  определяется по формуле Чебышева:

W = 3 · n - 2 · p_H - p_B, 

где   n - количество подвижных звеньев механизма,

     

  p_H - количество низших кинематических пар (контакт осуществляется по поверхности),

        p_B - количество высших кинематических пар (контакт осуществляется по линии или в точке).

         n = 5 (общее количество звеньев, не считая неподвижную стойку).

Кинематические  пары:

Соединяемые звенья	Вид пары	Класс пары
1 -6	вращательная В	низшая
1 - 2	вращательная В	низшая
1 - 4	вращательная В	низшая
2 - 3	вращательная В	низшая
3 - 6	поступательная П	низшая
4 - 5	вращательная В	низшая
5 - 6	поступательная П	низшая

 

Из таблицы видно, что все  кинематические пары рассматриваемого механизма низшие, то есть количество низших кинематических пар p_H = 7 (все кинематические пары, рассмотренные в таблице), а количество высших кинематических пар p_В = 0.

Итого: n = 5, p_H = 7, p_B = 0.

Определяем подвижность механизма:

W = 3 · n - 2 · p_H - p_B = 3 · 5 - 2 · 7 - 0 = 15 - 14 -0 = 1.

Величина подвижности (W = 1) говорит о том, что положение механизма в пространстве определяется одной обобщенной координатой. Такой механизм является оптимальным, так как он подвижен (W > 0) и его можно привести в движение одним приводом.

 

1.3 Выявление структурных  групп механизма.

Разбиение механизма  на структурные группы облегчает  выполнение силового расчета. Механизм разбивается на начальное звено (ведущее звено со стойкой) и структурные  группы Ассура. Характерной особенностью структурных групп Ассура является их неподвижность (подвижность равна нулю) и их статическая определимость.

1. Начальное звено состоит из кривошипа 1 и стойки 6. Подвижность этого звена

    W =1. (возможно вращение кривошипа вокруг стойки)

Рис. 2. Начальное звено 

2. Структурная группа Ассура, состоящая из звеньев 2, 3, 6. Подвижность группы W = 0.

Рис. 3. Диада 2-3

3. Структурная группа Ассура, состоящая из звеньев 4, 5, 6. Подвижность группы W = 0.

Рис. 4. Диада 4-5

Подвижность механизма  может быть также вычислена сложением подвижностей всех его частей: W = 1 + 0 + 0 = 1.

 

 

2. Проектирование механизма.

Цель: Определение геометрических и массо-инерционных характеристик механизма для последующего проведения его кинематического и силового расчетов.

1. Определение размеров кривошипа и шатунов.

Размер кривошипа определяется исходя из величины рабочего хода H.

Н = 70 мм.

При одном полном обороте  кривошип должен обеспечить рабочий  ход ползунов, поэтому рабочий  ход равен удвоенной длине  кривошипа (конструктивно):

2 · l_ОА = Н, отсюда  l_ОА = Н / 2 = 70 / 2 = 35 мм. l_ОА= r  = 35 мм.

Длины шатунов l_АВ = l_АС  = l определяются из соотношения l =  r / l , где r - длина кривошипа, l - длина шатунов.

Из исходных данных известно: l = 0,29

r = 35 мм.

l = r / l = 35 / 0,29 = 120,7 мм.

 

2. Построение кинематической схемы механизма.

Выбираем масштаб длин: поскольку построения будем вести  на листе А1 (841х596) пространство листа  позволяет вести построения в  масштабе 1:1, то есть масштаб: m_l = 1000 мм / м.

Тогда чертежные размеры:

кривошипа   - 35мм;

шатунов             - 120,7 мм.

Порядок построения кинематической схемы механизма при угле поворота  45˚:

1. Строим точку О в произвольном месте.
2. Из точки О строим под углом b / 2 = 90 / 2 = 45⁰ две осевые линии. Углы наклона этих линий к горизонту 45⁰ и 45⁰ + 90⁰=135⁰ так чтобы они были симметричны относительно вертикали. (b = 90⁰ по исходным данным)
3. Строим из точки О окружность, радиусом  равным длине кривошипа ОА = 35 мм.
4. Из точки О строим линию под углом j₁ = 45^О к левой осевой линии и на ее пересечении с окружностью получаем точку А.
5. Из точки А строим окружность радиусом равным длине кривошипа АВ = АС = 120,7 мм. На пересечении окружности с осевыми линиями получаем соответственно точки В и С.
6. Отложим на отрезке АВ расстояние 0,33 · l_АВ = 0,33 · 120,7 =39,8 мм (исходя из заданного соотношения l_AS2 / l_AB = 0,33). Получаем точку S₂ .
7. Отложим на отрезке АС расстояние 0,33 · l_АС = 0,33 · 120,7 = 39,8 мм (исходя из заданного соотношения l_AS4 / l_AС = 0,33). Получаем точку S₄ .

Порядок построения механизма в двух мертвых положениях точки В:

Механизм находится  в “мертвых” положениях, когда  кривошип ОА и шатун АВ вытянуты в одну линию.

1. Находим точки пересечения окружности радиусом, равным длине кривошипа, построенной из точки О с осевой линией, вдоль которой перемещается ползун В. Таких точек две. Это положения точки А в “мертвых” положениях механизма.
2. Из полученных двух точек строим окружности, радиусом, равным длине шатуна. Таких окружностей две. Находим пересечения этих окружностей с осевыми линиями, вдоль которых перемещаются ползуны В и С. Это положения точек В и С соответственно в “мертвых” положениях механизма.

 

 

3. Кинематический расчет механизма.

Цель: Найти скорости и ускорения центров масс шатунов и угловые скорости и угловые ускорения звеньев механизма.

3.1 Определение скоростей методом планов скоростей.

Угловая скорость кривошипа  определяется из его частоты вращения.

Частота вращения кривошипа задана: n = 3400 об/мин.

Угловая скорость кривошипа: w₁ = p · n / 30 = 3,14 · 3400 / 30 = 355,9 рад/сек.

3.1.1 Построение плана скоростей для  угла поворота

 j = 45⁰.

1.Выбираем полюс скоростей  (точка P_V) в произвольном месте.(см. приложение 2)

1. Находим скорость точки А: звено ОА совершает вращательное движение вокруг неподвижной оси Оz.  V_A = w₁ · l_OA = 355,9 · 0,035 = 12,46 м/сек.
2. Выбираем масштаб построения плана скоростей: исходя из того, что кривошип - самое быстроходное звено, выбираем  масштаб скоростей так, чтобы длина вектора скорости точки А была равна 82 мм. Тогда масштаб плана скоростей m_V = 82/12,46 = 6,58 мм/м/сек.
3. Вектор скорости точки А направлен перпендикулярно кривошипу ОА в сторону движения. Строим из полюса скоростей направление скорости точки А и откладываем на нем величину, равную p_Va =  m_V · V_A = 6,58 · 12,46 = 82 мм.
4. Движение точки В можно рассматривать как поступательное движение вместе с ползуном В. Вектор скорости точки В направлен вдоль направляющей ползуна, т.е. вдоль линии ОВ. Строим из полюса скоростей направление скорости точки В.
5. Движение точки В может также рассматриваться как плоское движение вместе с шатуном АВ. Тогда скорость точки В находится как скорость при плоском движении:  V_B = V_A + V_BA (векторно), где V_B - скорость точки В, V_А - скорость точки А, V_BА - скорость вращения точки В вокруг точки А в плоском движении. Из точки а (конец вектора скорости точки А) строим прямую, перпендикулярную шатуну АВ (скорость V_BА перпендикулярна шатуну АВ).
6. На пересечении направлений получаем точку b. Отрезок p_Vb определяет скорость точки В в масштабе m_V. Отрезок ab определяет скорость вращения точки В вокруг точки А в плоском движении.
7. Движение точки С можно рассматривать как поступательное движение вместе с ползуном С. Вектор скорости точки С направлен вдоль направляющей ползуна, т.е. вдоль линии ОС. Строим из полюса скоростей направление скорости точки С.
8. Движение точки С может также рассматриваться как плоское движение вместе с шатуном АС. Тогда скорость точки С находится как скорость при плоском движении:  V_С = V_A + V_СA (векторно),