Динамика и расчет двигателей

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Кафедра «Детали машин»

Курсовой проект

Динамика и расчет двигателей

Задание

Тип двигателя — дизельный;

Номинальная мощность — Ne =180 кВт

Номинальная частота вращения — п=2100мин-1

Число цилиндров — i=8

Охлаждение — жидкостное

Двигатель-ЯМЗ-238

1. Кинематографический отчёт двигателя

Для дальнейших расчетов необходимо выбрать длину шатуна lш и определить значение = r/lш .

Основными геометрическими параметрами, определяющими законы движения элементов КШМ, являются: rк. шрадиус кривошипа коленчатого вала r=S/2, 120/20=60 мм). Параметр = r/lш является критерием кинематического подобия КШМ. Для двигателя = 0,264. lш — длина шатуна (lш =265мм). Основываясь на табличные данные (лит.3 таб № 12.1,13.1,13.4,13.5.) определяем основные размеры Н=120мм., rш=40мм., R=120мм., rк. ш=60мм., D=130;S=140мм., rп =12,5 мм.

соответственно = 0,264.

Для номинального режима рассчитаем кинематические параметры к.ш.м.

а). Определяем по формулам перемещение Sx, скорость Vп и ускорение поршня jп в зависимости от угла поворота коленчатого вала (с интервалом 15о).

Пример расчета: при ?=00 имеем:

б). Полученные значения кинематических параметров оформляем в таблицу:

Таблица 1

По данным таблицы строим аналитическим методом графики перемещение Sx, скорость Vп и ускорение поршня jп.

поршень цилиндр зазор бобышка

2. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

2.1 Силу давления газов

Pг=(px-p0)· Fn; Fn=

где Fn-площадь поршня, мм;

рх-давлениев цилиндре при угле поворота коленчатого вала? х, Мпа, При ?=0

Fn==3,14· 1302/4=13 266,5 мм²;.Pг=(0,15−0,1)·13 266,5=663,325кН.

По результатам строится график Pг=f (?).

2.2 Сила инерции возвратно-поступательных движущихся масс

Масса поршневой группы:

где m’п — удельная масса поршня, Для поршня из алюминиевого сплава принято m’п = 260 кг/м2, Fn=132,66 см²

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов

=320 кг/м2 для стального кованого вала Масса шатуна:

где m’ш — удельная масса шатуна, m’ш = 300 кг/м2

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

Масса шатуна, совершающая вращательное движение:

Масса кривошипно-шатунного механизма, совершающие возвратно-поступательное движение:

Масса кривошипно-шатунного механизма, совершающие вращательное движение

Мпа;

Pj=Pj1+Pj2

Сила инерции первого рода:

Pj1=-mjr· cos?·?2

Сила инерции второго рода:

Pj2=-mj· r·?·cos2?·?2

При ?=00

Pj1=-mjr· cos?·?2=-5,05·0,06·219,82·cos0=-14 638,5Н

Pj2=-mj· r·?·cos2?·?2=-5,05·0,06·0.264·219,82·cos20=-3864,6Н

Pj=Pj1+Pj2=-14 638,5−3864,6=-18 503,1Н.

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

2.3 Сила инерции вращающихся масс

Pr=-mR· ?2R; Pr=mшк.· ?2R;

Pr=-mR· ?2R=7,09·219,8·0,06=-20 551Н;

Pr=mш· ?2R=3,96·219,8·0,06=-11 478 Н.

2.4 Сила действующая по оси цилиндра

При ?=00:

P1=Pг+ Pj=663−18 503=-17 840 Н Расчет проводится до ?=7200.Результаты вычислений табл.2

По результатам строится график P1=f (?)

На поршневом пальце суммарная сила Р раскладываются на две составляющие:

N-нормальная к поверхности цилиндра, прижимает поршень к поверхности цилиндра, вызывает механические потери и износ цилиндропоршневой группы.

Кдействуют вдоль оси шатуна, передает усилие поршня на коленчатый вал, вызывает деформации сжатия и растяжения в шатунах.

СилаN вычисляется по формуле:

Нормальная сила

N=Р1tg?

При? =0

N=P1−17 840· 0=0

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

Сила действующаяя по шатуну При ?=0

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

По результатам расчета строится графикK=f (?), N=f (?).

Радиальная сила При ?=0

H

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

Тангенциальная сила При ?=0.

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2.

Значения тригонометрических функций взяты из таблиц Брадисса. Рассчитываемые силы сведены в таблицу. Силы считаются положительными, если их направление соответствует началу процесса расширения.

3. Построение полярной и развернутой диаграмм сил.

3.1 Построение полярной и развернутой диаграмм сил, действующих на шатунную шейку

Равнодействующая R сил, действующих на шатунную шейку, складывается из сил P’r, Z, T и рассчитывается по формуле При? = 0°

Полярная диаграмма строится для определения направления действия силы в каждый момент времени.

Полученные значения силы R сведены в таблицу 2., характерные значения:

Rmax = 66 595,87Н;

Rmin = -6384,24Н;

Где Rmax, Rmin, Rср — максимальное, минимальное и среднее значения силы R;

Fд — площадь диаграммы, мм2, Fд = 12 662 мм²;

lд — длина диаграммы, мм, lд = 360 мм;

?R — масштаб силы R на диаграмме, Н/мм, ?R = 800 Н/мм.

3.2 Построение полярной диаграммы сил, действующих на коренную шейку

Сила действующая на коренной подшипник Rk от одного цилиндра складывается из силы действующей на шатунный подшипник R и и силы инерции вращающихся масс кривошипа Prk

где r — радиус центра масс неуравновешенной части кривошипа Полярную диаграмму силы Rk получим графическим построением Диаграмма износа коренной шейки: а) без противовесов; б) с противовесами

3.3 Построение диаграммы износа шатунной шейки

Диаграмма износа строится при следующих допущениях:

1. действие силы распределяется равномерно по подшипнику в секторе 120° (по 60° в обе стороны от точки приложения);

2. величина износа, то есть толщина снятого слоя металла, прямо пропорциональна величине действующей силы;

3. суммарный износ шатунной шейки в каждой точке в течение рабочего цикла равен сумме износов от действия отдельных сил.

К шатунной шейке прикладываем последовательно векторы силы R с учетом их направления, взятого из полярной диаграммы.

По построенной диаграмме износа выбирается место для подвода масла в зоне наименьших нагрузок. Выбранный угол между осью сверления и кривошипом составляет? = 90?.

Таблица 2

4. Расчет маховика

Расчет производится из условия неравномерности вращения.

Выполняется таблица протекания процессов рабочего цикла по цилиндрам с учетом порядка работы цилиндров двигателя и углового интервала между одноименными процессами в цилиндрах.

Табл. 3 Порядок работы цилиндров 1−5-4−2-6−3-7−8

С учетом таблицы 3 определяем, что период изменения суммарной тангенциальной силы T? составляет 180? поворота коленчатого вала двигателя.

Табл. 4

Диаграмма суммы Т

Определяется средняя тангенциальная сила:

Где Fд1 и Fд2 — соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой? Т и осью абсцисс диаграммы, мм2, Fд1 = 6219,6 мм², Fд2 = 751 мм² ;

lд — длина диаграммы, мм, lд = 90 мм;

?T — масштаб силы T на диаграмме, Н/мм, ?T = 200 Н/мм.

Проверятся правильность построения диаграммы и всего динамического расчета по уравнению

Избыточная работа определяется как

Где Fизб — избыточная площадь, определенная по графику T? = f (?), мм2, Fизб= 2888,4 мм²;

?l — масштаб по оси абсцисс в м. перемещения шатунной шейки на 1 мм диаграммы, м/мм.

Момент инерции маховика

Где? — степень неравномерности вращения, принимаем? = 0,015.

Масса маховика

Где Dср — диаметр центра тяжести обода сечения маховика (средний диаметр), Dср = 2,5•S = 2,5•0,14 = 0,32 м

5. Уравновешенность двигателя

Восьмицилиндровый рядный двигатель с кривошипами расположенными под углом 180?. Порядок работы двигателя 1−5-4−2-6−3-7−8.Промежутки между вспышками равны 90?. Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы расположенные под углом 180?.

Схема сил инерции, действующих в восьмицилиндровом V-образном двигателе

По такой схеме выполнено большинство восьмицилиндровых рядных двигателей.

Силы инерции первого порядка и их моменты при указанном расположении кривошипов взаимно уравновешиваются:

и

Силы инерции второго порядка для всех цилиндров равны и направлены в одну сторону. Их равнодействующая

Силы инерции второго порядка можно уравновесить лишь с помощью дополнительных валов. Суммарный момент этих валов равен нулю:

Центробежные силы инерции для всех цилиндров равны и направлены попарно в разные стороны. Равнодействующая этих сил и момент равны нулю:

и

Некоторые двигатели имеют коленчатый вал с противовесами для уменьшения центробежных сил, действующих на коренные подшипники.

6. Определение зазоров в сопряжениях кшм

6.1 Зазоры между поршнем и цилиндром

Где ?нп, ?вп — зазоры в холодном состоянии (монтажные) между цилиндром и юбкой и головкой поршня соответственно в плоскости качаний шатуна, мм;

?'нп, ?'вп — зазоры в горячем состоянии, мм, ?'нп = 0,001· D = 0,001· 130 = 0,13 мм, ?'вп = 0,0024· D = 0,0024· 130 =0,312 мм;

?ц, ?п — коэффициенты температурного расширения цилиндра и поршня, 1/К, ?ц = 12· 10−6 1/К, ?п = 19· 10−6 1/К;

tц, tнп, tвп, t0 — средние температуры цилиндра и поршня в нагретом состоянии, двигателя в холодном состоянии, ?C, tц = 150? C, tнп = 150? C, tвп = 280? C, t0 = 20? C.

6.2 Зазор в замке поршневого кольца

Где ?'з — минимально допустимый зазор при прогретом двигателе, мм,

?'з = 0,0012· D = 0,0012· 130 =0,156 мм;

?к — коэффициент температурного расширения кольца, 1/К, ?к = 12· 10−6 1/К;

tк — средняя температура кольца в нагретом состоянии, ?C, tк = 200?

6.3 Зазор между поршневым пальцем и бобышкой

Где ?'п — зазор в горячем состоянии, мм, ?'п = 0,001· dп = 0,001· 52 = 0,052 мм;

?пп — коэффициент температурного расширения пальца, 1/К, ?пп = 11· 10−6 1/К;

tпп — средняя температура пальца в нагретом состоянии, ?C, tпп = 130? C.

1. Колчин А. И. и др. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. — М.: Машиностроение, 2003. — 496 с.

2. Луканин В. Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 1. Теория рабочих процессов. — М.: Высшая школа, 1995.

3. Луканин В. Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2. Динамика и конструирование. — М.: Высшая школа, 1995.

.ur