Основой любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные виды энергии в механическую работу.
Приоритетными задачами при проектировании новых двигателей и модификации старых являются: повышение топливной экономичности, повышение литровой мощности, снижение вредных выбросов в отработавших газах, максимальная унификация запасных частей, уменьшение вибраций и шума при работе двигателя на всех режимах, внедрение новых технологий облегчающих эксплуатацию и диагностирование, переход двигателей на альтернативные виды топлива.
Большинство двигателей не проектируются с «чистого листа», а проектируются на базе старых моторов. При таком подходе снижаются финансовые затраты, снижается количество «детских болезней», так как по сути модифицируется старый двигатель который хорошо изучен и ясно видно направление для модернизации.
1. Тепловой расчет двигателя ВАЗ-2112
двигатель внутреннего сгорания
1.1 Исходные данные
- прототипом рассчитываемого двигателя является ВАЗ-2112;
- число оборотов двигателя на номинальном режиме ;
- эффективная мощность двигателя ;
- двигатель является четырехцилиндровый: с рядным расположением;
- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна =34,5/121=0,285;
- четырехтактный ;
- степень сжатия: .
1.2 Выбор топлива
В соответствии с заданной степенью сжатия можно использовать бензин марки АИ-93.
Средний элементарный состав и молекулярная масса бензина
; ;.
Низшая теплота сгорания топлива рассчитывается по формуле:
, (1)
где, -низшая теплота сгорания, МДж/кг;
- С — массовая доля углерода, кг;
- Н — массовая доля водорода, кг;
- О — массовая доля кислорода, кг;
- S — массовая доля серы, кг;
- W — количество водяных паров, кг.
Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:
, (2)
где — объемное количество воздуха,
, (3)
где — массовое содержание воздуха, .
Т.к. мы стремимся получить двигатель достаточно экономичный и с меньшейтоксичностью продуктов сгорания, по графику «Исходные параметры для теплового расчета» [1. рис.5.1.] коэффициент избытка воздуха принимаем: , так как при этом достигается полное сгорание смеси и минимальное количество отработавших газов.
Количество горючей смеси:
, (4)
где — количество горючей смеси,;
- коэффициент избытка воздуха;
- молекулярная масса паров топлива, .
Количество отдельных компонентов продуктов сгорания:
, (5)
, (6)
, (7)
, (8)
Общее количество продуктов сгорания:
, (9)
1.3 Процесс впуска
Атмосферное давление и температура окружающей среды:
Температуру остаточных газов определяем по графику [1. рис.5.1.]:
/
Давление остаточных газов:
, (10)
МПа;
Температура подогрева свежего заряда:
- Так как двигатель высокооборотный, то подогрев смеси минимальный на номинальных скоростных режимах, принимаем ;
Плотность заряда на впуске:
, (11)
где — удельная газовая постоянная для воздуха,.
Потери давления на впуске:
, (12)
где — суммарный коэффициент, учитывающий уменьшение скорости заряда и сопротивление впускной системы, отнесенный к сечению впускного клапана;
- геометрическая характеристика впускной системы;
- частота вращения коленчатого вала, об/мин;
- средняя скорость движения заряда в наименьшем сечении впускной системы.
Принимаем , так как отсутствует карбюратор, короткая по длине впускная система и два впускных клапана на цилиндр, а так как впускной тракт достаточно широкий и двигатель не высокооборотный.
, (1.13)
Давление в конце впуска:
Коэффициент остаточных газов:
, (14)
где — коэффициент остаточных газов;
- коэффициент отчистки;
- коэффициент дозарядки.
Коэффициент очистки принимаем , а коэффициент дозарядки принимаем , так как при меньших значениях на номинальном режиме неучтенные потери в тепловом балансе имеют отрицательные значения.
Температура в конце впуска:
, (15)
Коэффициент наполнения:
, (16)
где — коэффициент наполнения.
1.4 Процесс сжатия
Средний показатель адиабаты сжатия (при, а также рассчитанном значении ) определяется по номограмме [1. рис.4.4.], а средний показатель политропы сжатия принимаем несколько меньше . При выборе учитывается, что с уменьшением частоты вращения теплоотдача от газов в стенки цилиндра увеличивается, а уменьшается по сравнению с более значительно.
Давление в конце сжатия:
, (17)
где — давление в конце сжатие.
Температура в конце сжатия:
, (18)
где Тс — температура в конце сжатия.
Средняя мольная теплоёмкость в конце сжатия:
а) Свежей смеси:
, (19)
где — средняя мольная теплоемкость воздуха,;
- температура в конце сжатия, .
б) Остаточных газов — определяется методом интерполяции по таблице [1. табл.3.8.]:
в) Рабочей смеси
1.5 Процесс сгорания
Коэффициент молекулярного изменения горючей смеси:
, (1.20)
где — коэффициент молекулярного изменения горючей смеси.
Коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси:
, (1.21)
где — коэффициент молекулярного изменения рабочей смеси.
Теплота сгорания рабочей смеси:
, (22)
где — теплота сгорания рабочей смеси, МДж;
- теплота потерянная в следствии неполноты сгорания, МДж.
Так как равен 1, то равен нулю.
Средняя мольная теплоёмкость продуктов сгорания:
(23)
определяется по эмпирическим формулам, приведенным в [1. табл.3.6.] для интервала температур от 1501 до 2800 0 С:
Коэффициент использования теплоты о z выбирается по опытным данным в зависимости от конструктивных особенностей двигателя по графику [1. рис.5.1.].
Двигатель внутренного сгорания
... в процессе теплового расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, резко повышается давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня ...
Температура в конце видимого процесса сгорания:
, (24)
или .
Решив данное квадратное уравнение, получаем:
Максимальное теоретическое давление сгорания:
, (25)
Максимальное действительное давление сгорания:
, (26)
Степень повышения давления:
, (27)
1.6 Процесс расширения и выпуска
Средний показатель адиабаты определяется по номограмме [1. рис.4.8.]при, а также рассчитанном значении , а средний показатель расширения политропы расширения оценивается по величине среднего
показателя адиабаты:
,/
Давление и температура в конце процесса расширения:
, (28)
, (29)
/
Проверка ранее принятой температуры остаточных газов:
- (30)
Погрешность расчета составляет:
1.7 Индикаторные показатели рабочего цикла
Теоретическое среднее индикаторное давление:
, (31)
Среднее индикаторное давление:
, (32)
где — коэффициент полноты диаграммы.
Индикаторный КПД:
, (33)
где — индикаторный КПД.
Индикаторный удельный расход топлива:
, (34)
где — индикаторный удельный расход топлива, .
1.8 Эффективные показатели двигателя
Среднее давление механических потерь Рм для бензиновых двигателей с числом цилиндров до шести и отношением :
(35)
приняв ход поршня , получим значение средней скорости поршня:
, (36)
Среднее эффективное давление Ре :
, (37)
Механический КПД :
, (38)
Эффективный КПД :
, (39)
Эффективный удельный расход топлива , :
, (40 )
1.9 Основные показатели цилиндра и двигателя
Литраж двигателя:
, (41)
где Vл — объем двигателя, л;
- число цилиндров.
Диаметр цилиндра.
Так как ход поршня был принят S=71мм,D=82мм, рассчитаем диаметр цилиндра проектируемого двигателя:
, (42)
где D — расчетный диаметр проектируемого двигателя, мм;
- (S/D) — конструктивное отношение хода поршня к диаметру цилиндра для двигателя прототипа.
Пересчитываем ход поршня, мм:
Еще раз пересчитываем скорость и проверяем, погрешность расчета не должна превышать 5%.
Окончательно принимаем S=69мм, D=80мм.
Основные параметры и показатели двигателей определяются по окончательно принятым значениям S и D
Площадь поршня:
, (43)
Литраж двигателя:
, (44)
Мощность двигателя:
, (45)
Литровая мощность двигателя :
, (46)
Крутящий момент :
, (47)
Часовой расход топлива :
, (1.48)
1.10 Тепловой баланс двигателя
Внешний тепловой баланс двигателя может быть представлен в виде следующих составляющих:
, (49)
где — общее количество теплоты , введенной в двигатель с топливом, Дж/с:
, (50)
Теплота, эквивалентная эффективной работе двигателя за 1с, Дж/с:
, (51)
Теплота, потерянная с отработавшими газами, Дж/с:
, (52)
Теплота, передаваемая окружающей среде, Дж/с:
, (53)
где с — коэффициент пропорциональности для четырехтактных двигателей, с=0,5;
- m — показатель степени для четырехтактных двигателей.
Для двигателей с впрыском топлива m=0,66.
Неучтенные потери теплоты, Дж/с:
- где — теплота потерянная при химической неполноте сгорания, Дж/с;
- =0 так как коэффициент избытка воздуха равен единице.
1.11 Построение индикаторной диаграммы
Индикаторную диаграмму строим к координатах P-V (давление объем), для номинального режима, т.е. при N e =78кВт и n=5950об/мин, аналитическим методом.
Масштаб диаграммы:
Масштаб хода поршня М s =0,4м в 1мм; масштаб давления Мр =0,035МПа в 1мм.
Величины в приведенном масштабе, соответствующие рабочему объему цилиндра и объему камеры сгорания:
, (54)
, (55)
Максимальная высота диаграммы (точка z):
Ординаты характерных точек:
Построение политропы сжатия и расширения производится аналитическим методом:
а) политропа сжатия . Отсюда:
, (56)
где ОВ=ОА+АВ=172,5+18,15=190,65мм.
б) политропа расширения . Отсюда
Результаты расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Значения расчетных точек индикаторной диаграммы
|
№ |
ОХ, мм |
Рх, МПа |
Рх, МПа |
||||||
|
1 |
18,15,4 |
10,5 |
22,82 |
56,36 |
1,9 |
18,68 |
26,1 |
9,15 |
|
|
2 |
24,5 |
4,48 |
7,36 |
18 |
0,63 |
6,48 |
90,6 |
3,17 |
|
|
3 |
67,5 |
2,82 |
3,97 |
9,8 |
0,34 |
3,64 |
50,9 |
1,8 |
|
|
4 |
92,5 |
2,06 |
2,61 |
6,4 |
0,226 |
2,46 |
34,4 |
1,2 |
|
|
5 |
117,5 |
1,62 |
1,9 |
4,7 |
0,16 |
1,82 |
25,4 |
0,89 |
|
|
6 |
142,5 |
1,33 |
1,47 |
3,6 |
0,12 |
1,43 |
19,9 |
0,7 |
|
|
7 |
165 |
1,14 |
1,19 |
2,9 |
0,1 |
1,18 |
16,5 |
0,58 |
|
|
8 |
190,6 |
1 |
1 |
2,4 |
0,0866 |
1 |
13,98 |
0,49 |
|
, (57)
где л-отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, л=0,285.
Таблица 2 — Значения характерных точек индикаторной диаграммы
|
Точка |
Положение точек |
ц? |
Расстояние точек от в.м.т. (АХ),мм |
||
|
35?до в.м.т. |
35? |
0,2276 |
19,58 |
||
|
18?после в.м.т. |
18? |
0,0625 |
5,39 |
||
|
77?после н.м.т. |
103? |
1,36 |
117,3 |
||
|
40?до в.м.т. |
40? |
0,2927 |
25,25 |
||
|
35?до в.м.т. |
35? |
0,2276 |
19,58 |
||
|
49?до н.м.т. |
131? |
1,737 |
149,83 |
||
Теоретически среднее индикаторное давление:
, (58)
где F 1 =6420мм2 — площадь диаграммы aczba.
Положение точки определяется из выражения:
, (59)
Действительное давление сгорания:
(60)
1.12 Оценка результатов теплового расчета
Таблица 3 — Сравнение показателей проектируемого двигателя и двигателя прототипа
|
Показатель |
Условное обозначение |
Двигатель- прототип |
Проектируемый двигатель |
|
|
Номинальная мощность, кВт |
N е |
78 |
79,67 |
|
|
Номинальная частота вращения, об/мин |
n е |
5950 |
5950 |
|
|
Степень сжатия |
е |
10,5 |
10,5 |
|
|
Эффективное давление, МПа |
p е |
1,1589 |
||
|
Литраж, л |
V л |
1,5 |
1,4 |
|
|
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра |
S/D |
0,8658 |
0,8625 |
|
|
Диаметр цилиндра, мм |
D |
82 |
80 |
|
|
Ход поршня, мм |
S |
71 |
69 |
|
|
Средняя скорость поршня, м/с |
V п.ср. |
14,03 |
13,68 |
|
|
Максимальный крутящий момент, Н•м |
M е.мах |
128,3 |
127,93 |
|
|
Удельная мощность, кВт/л |
N л |
52 |
58,716 |
|
|
Удельный расход топлива г/кВт•ч |
g е |
280 |
240 |
|
В результате сравнительного анализа мы выяснили, что проектируемый двигатель отличается от прототипа по всем параметрам и показателям рабочего цикла, но полностью удовлетворяет допустимым значениям для двигателей с впрыском топлива.
2. Внешняя скоростная характеристика
2.1 Исходные данные
Исходные данные принимаются из предыдущего расчета — теплового баланса.
- частота вращения коленчатого вала n=5950 об/мин;
- литраж двигателя V=1,4 л;
- средняя скорость поршня v=13,68;
- номинальная эффективная мощность N=79,67 кВт;
- тактность двигателя ;
- плотность заряда на впуске .
2.2 Расчет скоростной характеристики
Все значения рассчитываем в интервале 800-7200об/мин, через каждые 800об/мин. Полученные значения сводим в таблицу 4. По данным таблицы строим скоростную характеристику двигателя
(см. Приложение).
Расчетные точки кривой эффективной мощности:
, (61)
где Nex — мощность двигателя приданной частоте вращения, кВт;
- nx — частота вращения коленчатого вала принятая за расчетную, об/мин.
Точки кривой эффективного крутящего момента Mex , кВт:
, (62)
Удельный эффективный расход топлива в искомой точке скоростной характеристики:
, (63)
где — удельный эффективный расход топлива у двигателя прототипа, г/кВтч.
Часовой расход топлива GTx , кг/ч:
, (64)
Для определения коэффициента наполнения необходимо определить коэффициент избытка воздуха [1. рис.5.1.]:
, (65)
По скоростной характеристики определяем коэффициент приспособляемости К:
, (66)
где — максимальный крутящий момент из расчета внешней скоростной характеристики, Нм;
- крутящий момент из теплового расчета, Нм.
Полученный коэффициент не превышает допустимых значений: для бензиновых двигателей (1,20ч1,35).
Таблица 4 — Параметры внешней скоростной характеристики
|
nx, об/мин |
N e , кВт |
М e , Н•м |
g e , г/кВт•ч |
G Т , кг/ч |
Ре , МПа |
|||
|
800 |
11,95 |
142,81 |
254,25 |
3,04 |
1,294 |
1,103 |
0,96 |
|
|
1600 |
25,63 |
153,07 |
228,47 |
5,85 |
1,387 |
1,106 |
1 |
|
|
2400 |
39,86 |
158,71 |
211,4 |
8,42 |
1,438 |
1,06 |
1 |
|
|
3200 |
53,49 |
159,72 |
203,03 |
10,86 |
1,447 |
1,026 |
1 |
|
|
4000 |
65,36 |
156,11 |
203,36 |
13,29 |
1,414 |
1 |
1 |
|
|
4800 |
74,29 |
147,87 |
212,38 |
15,77 |
1,340 |
0,994 |
1 |
|
|
5600 |
79,13 |
135,01 |
230,11 |
18,2 |
1,223 |
0,983 |
1 |
|
|
5950 |
79,67 |
127,92 |
240,6 |
19,16 |
1,159 |
0,974 |
1 |
|
|
6400 |
78,72 |
117,52 |
256,53 |
20,19 |
1,064 |
0,954 |
1 |
|
|
7200 |
71,89 |
95,4 |
291,65 |
20,96 |
0,864 |
0,863 |
0,98 |
|
3.Кинематический расчет
Расчет кинематических показателей
Перемещение поршня, мм:
, (67)
где R — радиус кривошипа, мм;
- угол поворота коленчатого вала, град.
Значения для при различных ц взяты из [1. табл. 7.1.], л=0,285.
Угловая скорость вращения коленчатого вала:
, (68)
где — угловая скорость вращения коленчатого вала, 1/c ;
- n — частота вращения коленчатого вала, об/мин.
Скорость поршня, м/с:
, (69)
Значения для взяты из таблицы [1. табл. 7.2.].
Ускорение поршня, м/:
, (70)
Значения для взяты из [1. табл. 7.3.].
Таблица 5 — Значение перемещения, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала при номинальной частоте вращения
|
ц, град |
S,мм |
V,м/с |
j, м/ |
|
|
10 |
0,672 |
4,779 |
16762,145 |
|
|
20 |
2,656 |
9,317 |
15496,004 |
|
|
30 |
5,852 |
13,395 |
13495,325 |
|
|
40 |
10,104 |
16,827 |
10912,479 |
|
|
50 |
15,210 |
19,475 |
7938,288 |
|
|
60 |
20,939 |
21,260 |
4782,672 |
|
|
70 |
27,043 |
22,159 |
1653,854 |
|
|
80 |
33,279 |
22,207 |
-1261,516 |
|
|
90 |
39,418 |
21,485 |
-3815,079 |
|
|
100 |
45,261 |
20,111 |
-5908,488 |
|
|
110 |
50,643 |
18,221 |
-7498,894 |
|
|
120 |
55,439 |
15,954 |
-8597,751 |
|
|
130 |
59,562 |
13,442 |
-9263,251 |
|
|
140 |
62,961 |
10,794 |
-9587,516 |
|
|
150 |
65,607 |
8,090 |
-9680,246 |
|
|
160 |
67,495 |
5,380 |
-9650,964 |
|
|
170 |
68,624 |
2,683 |
-9592,142 |
|
|
180 |
69,000 |
0,000 |
-9565,343 |
|
|
190 |
68,624 |
-2,683 |
-9592,142 |
|
|
200 |
67,495 |
-5,380 |
-9650,964 |
|
|
210 |
65,607 |
-8,090 |
-9680,246 |
|
|
220 |
62,961 |
-10,794 |
-9587,516 |
|
|
230 |
59,562 |
-13,442 |
-9263,251 |
|
|
240 |
55,439 |
-15,954 |
-8597,751 |
|
|
250 |
50,643 |
-18,221 |
-7498,894 |
|
|
260 |
45,261 |
-20,111 |
-5908,488 |
|
|
270 |
39,418 |
-21,485 |
-3815,079 |
|
|
280 |
33,279 |
-22,207 |
-1261,516 |
|
|
290 |
27,043 |
-22,159 |
1653,854 |
|
|
300 |
20,939 |
-21,260 |
4782,672 |
|
|
310 |
15,210 |
-19,475 |
7938,288 |
|
|
320 |
10,104 |
-16,827 |
10912,479 |
|
|
330 |
5,852 |
-13,395 |
13495,325 |
|
|
340 |
2,656 |
-9,317 |
15496,004 |
|
|
350 |
0,672 |
-4,779 |
16762,145 |
|
|
360 |
0,000 |
0,000 |
17195,501 |
|
4. Динамический расчет
4.1 Исходные данные
Все данные приняты из предыдущих расчетов, а так же согласно прототипу двигателя [2].
- конструктивная масса поршневой группы = 0,356 кг;
- конструктивная масса шатуна = 0,683 кг;
4.2 Расчет усилий в кривошипно-шатунном механизме
Силы давления газов
Индикаторную диаграмму, полученную в тепловом расчете, развертываем по углу поворота кривошипа по методу Брикса.
Поправка Брикса:
, (4.1)
где М s — масштаб хода поршня на индикаторной диаграмме.
Масштаб развернутой диаграммы.
Давлений и удельных сил М р =0,035МПа; полных сил Мр = Мр •Fn =0,035•0,005024=175,8Н в мм, угла поворота кривошипа Мц =3? в мм.
По развернутой диаграмме через каждые 30? угла поворота кривошипа определяем значения ДР Г и заносим в таблицу 6.
Приведение масс частей кривошипно-шатунного
Масса шатуна сосредоточенная на оси поршневого пальца и масса шатуна сосредоточенная на оси кривошипа берется из [2] и соответственно равны = 0,188 кг, = 0,495 кг.
Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов:
, (4.2)
;
Массы, совершающие возвратно-поступательное движение:
, (4.3)
Массы, совершающие вращательное движение:
, (4.4)
Удельные и полные силы инерции
Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс:
, (4.5)
Центробежная сила инерции вращающихся масс:
, (4.6)
Центробежная сила инерции вращающихся масс шатуна:
, (4.7)
Центробежная сила инерции вращающихся масс кривошипа:
, (4.8)
Удельные суммарные силы
Удельная сила, сосредоточенная на оси поршневого пальца:
(4.9)
Удельная нормальная сила:
(4.10)
Значение tgв определяем по таблице [1. табл. 8.2.] для л=0,285.
Удельная сила, действующая вдоль шатуна:
(4.12)
Значение (1/сosв) определяем по таблице [1. табл. 8.3]
Удельная сила, действующая по радиусу кривошипа:
(4.12)
Значение (сos(ц+в)/cos в) определяем по таблице [1. табл. 8.4]
Удельная тангенциальная сила:
(4.13)
Значение (sin(ц+в)/cos в) определяем по таблице [1. табл. 8.5]
Полная тангенциальная сила:
- (4.14)
По данным таблицы 6 строим график изменения удельных сил в зависимости от угла поворота коленчатого вала ц
Среднее значение тангенциальной силы за цикл по данным теплового расчета:
- (4.15)
Таблица 6 — Расчетные значения сил действующих в двигателе за полный цикл
|
ц,? |
ДР Г, кН |
Р J , кН |
Р, кН |
tgв |
Р N, кН |
1/cosв |
Р S, кН |
Р K, кН |
Р T, кН |
T, кН |
M кр.ц, Нм |
|||
|
0 |
0,05 |
-9,35 |
-9,30 |
0,00 |
0,00 |
1,00 |
-9,30 |
1,00 |
-9,30 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
|
30 |
-0,67 |
-7,34 |
-8,01 |
0,14 |
-1,16 |
1,01 |
-8,09 |
0,79 |
-6,36 |
0,63 |
-5,01 |
-5,01 |
-172,82 |
|
|
60 |
-0,67 |
-2,6 |
-3,27 |
0,25 |
-0,85 |
1,03 |
-3,38 |
0,28 |
-0,92 |
0,99 |
-3,25 |
-3,25 |
-112,20 |
|
|
90 |
-0,67 |
2,075 |
1,40 |
0,30 |
0,43 |
1,04 |
1,46 |
-0,30 |
-0,41 |
1,00 |
1,40 |
1,40 |
48,38 |
|
|
120 |
-0,67 |
4,677 |
4,00 |
0,25 |
1,04 |
1,03 |
4,13 |
-0,72 |
-2,88 |
0,74 |
2,96 |
2,96 |
102,22 |
|
|
150 |
-0,67 |
5,266 |
4,59 |
0,14 |
0,67 |
1,01 |
4,64 |
-0,94 |
-4,31 |
0,37 |
1,73 |
1,73 |
59,58 |
|
|
180 |
-0,67 |
5,203 |
4,53 |
0,00 |
0,00 |
1,00 |
4,53 |
-1,00 |
-4,53 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
|
210 |
-0,67 |
5,266 |
4,59 |
-0,14 |
-0,67 |
1,01 |
4,64 |
-0,94 |
-4,31 |
-0,37 |
-1,73 |
-1,73 |
-59,58 |
|
|
240 |
-0,67 |
4,677 |
4,00 |
-0,25 |
-1,04 |
1,03 |
4,13 |
-0,72 |
-2,88 |
-0,74 |
-2,96 |
-2,96 |
-102,22 |
|
|
270 |
0,467 |
2,075 |
2,54 |
-0,30 |
-0,77 |
1,04 |
2,65 |
-0,30 |
-0,75 |
-1,00 |
-2,54 |
-2,54 |
-87,63 |
|
|
300 |
1,256 |
-2,6 |
-1,35 |
-0,25 |
0,35 |
1,03 |
-1,39 |
0,28 |
-0,38 |
-0,99 |
1,34 |
1,34 |
46,10 |
|
|
330 |
5,124 |
-7,34 |
-2,22 |
-0,14 |
0,32 |
1,01 |
-2,24 |
0,79 |
-1,76 |
-0,63 |
1,39 |
1,39 |
47,80 |
|
|
360 |
11,45 |
-9,35 |
2,10 |
0,00 |
0,00 |
1,00 |
2,10 |
1,00 |
2,10 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
|
370 |
39,07 |
-9,12 |
29,96 |
0,05 |
1,50 |
1,001 |
29,99 |
0,976 |
29,24 |
0,222 |
6,65 |
6,65 |
229,44 |
|
|
390 |
20,59 |
-7,34 |
13,26 |
0,14 |
1,92 |
1,01 |
13,39 |
0,79 |
10,53 |
0,63 |
8,29 |
8,29 |
285,85 |
|
|
420 |
8,999 |
-2,6 |
6,39 |
0,25 |
1,65 |
1,03 |
6,59 |
0,28 |
1,80 |
0,99 |
6,35 |
6,35 |
218,95 |
|
|
450 |
4,421 |
2,075 |
6,50 |
0,30 |
1,97 |
1,04 |
6,78 |
-0,30 |
-1,92 |
1,00 |
6,50 |
6,50 |
224,13 |
|
|
480 |
2,838 |
4,677 |
7,52 |
0,25 |
1,94 |
1,03 |
7,75 |
-0,72 |
-5,40 |
0,74 |
5,56 |
5,56 |
191,88 |
|
|
510 |
1,959 |
5,266 |
7,23 |
0,14 |
1,05 |
1,01 |
7,30 |
-0,94 |
-6,78 |
0,37 |
2,72 |
2,72 |
93,73 |
|
|
540 |
0,728 |
5,203 |
5,93 |
0,00 |
0,00 |
1,00 |
5,93 |
-1,00 |
-5,93 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
|
570 |
0,2 |
5,266 |
5,47 |
-0,14 |
-0,79 |
1,01 |
5,52 |
-0,94 |
-5,13 |
-0,37 |
-2,06 |
-2,06 |
-70,92 |
|
|
600 |
0,05 |
4,677 |
4,73 |
-0,25 |
-1,22 |
1,03 |
4,87 |
-0,72 |
-3,40 |
-0,74 |
-3,50 |
-3,50 |
-120,69 |
|
|
630 |
0,05 |
2,075 |
2,13 |
-0,30 |
-0,65 |
1,04 |
2,22 |
-0,30 |
-0,63 |
-1,00 |
-2,13 |
-2,13 |
-73,33 |
|
|
660 |
0,05 |
-2,60 |
-2,55 |
-0,25 |
0,66 |
1,03 |
-2,63 |
0,28 |
-0,72 |
-0,99 |
2,53 |
2,53 |
87,41 |
|
|
690 |
0,05 |
-7,34 |
-7,29 |
-0,14 |
1,06 |
1,01 |
-7,36 |
0,79 |
-5,79 |
-0,63 |
4,56 |
4,56 |
157,22 |
|
|
720 |
0,05 |
-9,35 |
-9,30 |
0,00 |
0 |
1,00 |
-9,30 |
1,00 |
-9,30 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
0,00 |
|
Среднее значение тангенциальной силы за цикл по площади, заключенной между кривой р т и осью абсцисс:
, (4.16)
- ошибка
Крутящие моменты
Крутящий момент одного цилиндра, Нм:
, (4.17)
Период изменения крутящего момента:
Суммирование значений крутящих моментов всех четырех цилиндров двигателя осуществляется через каждые 30? угла поворота коленчатого вала. Все значения сводятся в таблицу 7. По полученным значениям строится кривая М кр , в масштабе ММ =10Нм в мм.
Таблица 6 — Значения крутящего момента в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала
|
ц? |
Цилиндры |
?М кр , Нм. |
||||||||
|
первый |
второй |
третий |
четвертый |
|||||||
|
ц?, град |
М кр.ц , Нм. |
ц?, град |
М кр.ц , Нм. |
ц?, град |
М кр.ц ,Нм. |
ц?, град |
М кр.ц , Нм. |
|||
|
0 |
0 |
0 |
180 |
0 |
360 |
0 |
540 |
0 |
0 |
|
|
30 |
30 |
-172,8 |
210 |
-59,57 |
390 |
285,8 |
570 |
-70,9 |
-17,46 |
|
|
60 |
60 |
-112,2 |
240 |
-102,2 |
420 |
218,9 |
600 |
-120,69 |
-116,1 |
|
|
90 |
90 |
48,37 |
270 |
-87,63 |
450 |
224,1 |
630 |
-73,33 |
111,5 |
|
|
120 |
120 |
102,2 |
300 |
46,1 |
480 |
191,8 |
660 |
87,41 |
427,6 |
|
|
150 |
150 |
59,57 |
330 |
47,1 |
510 |
93,72 |
690 |
157,2 |
348,3 |
|
|
180 |
180 |
0 |
360 |
0 |
540 |
0 |
720 |
0 |
0 |
|
Средний крутящий момент двигателя по данным теплового расчета:
, (4.18)
Средний крутящий момент двигателя по площади, заключенной под кривой М кр.
- ошибка
Максимальный и минимальный крутящие моменты:
Силы, действующие на шатунную шейку коленчатого вала
Суммарная сила, действующая на шатунную шейку по радиусу кривошипа
(4.19)
где
Результирующая сила R ш.ш. , действующая на шатунную шейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил Т и Рк. при построении полярной диаграммы. Масштаб сил на полярной диаграмме для суммарных сил Мр = 0,2кН в мм
Все рассчитанные силы сводятся в таблицу 8. Также туда переносятся значения Т из таблицы 6.
Таблица 8.
|
ц? |
Полные силы, кН |
||||||
|
Т, кН |
К, кН |
Р к , , кН |
R ш.ш кН |
К Рк , кН |
R К , |
||
|
0 |
0 |
-6,62 |
-9,30 |
16 |
-18,26 |
-2,26 |
|
|
30 |
-5,01 |
-6,62 |
-6,36 |
14 |
-15,32 |
-1,32 |
|
|
60 |
-3,25 |
-6,62 |
-0,92 |
9,2 |
-9,88 |
-0,68 |
|
|
90 |
1,4 |
-6,62 |
-0,41 |
7,6 |
-9,37 |
-1,77 |
|
|
120 |
2,96 |
-6,62 |
-2,88 |
10 |
-11,84 |
-1,84 |
|
|
150 |
1,72 |
-6,62 |
-4,31 |
11,2 |
-13,27 |
-2,07 |
|
|
180 |
0 |
-6,62 |
-4,53 |
11,2 |
-13,49 |
-2,29 |
|
|
210 |
-1,72 |
-6,62 |
-4,31 |
11,2 |
-13,27 |
-2,07 |
|
|
240 |
-2,96 |
-6,62 |
-2,88 |
10 |
-11,84 |
-1,84 |
|
|
270 |
-2,54 |
-6,62 |
-0,75 |
7,8 |
-9,71 |
-1,91 |
|
|
300 |
1,33 |
-6,62 |
-0,38 |
7 |
-9,34 |
-2,34 |
|
|
330 |
1,38 |
-6,62 |
-1,76 |
8,6 |
-10,72 |
-2,12 |
|
|
360 |
0 |
-6,62 |
2,10 |
4,2 |
-6,86 |
-2,66 |
|
|
370 |
4,69 |
-6,62 |
20,64 |
14,8 |
11,68 |
26,48 |
|
|
390 |
8,28 |
-6,62 |
10,53 |
9,4 |
1,57 |
10,97 |
|
|
420 |
6,34 |
-6,62 |
1,80 |
8 |
-7,16 |
0,84 |
|
|
450 |
6,49 |
-6,62 |
-1,92 |
11 |
-10,88 |
0,12 |
|
|
480 |
5,56 |
-6,62 |
-5,40 |
13,6 |
-14,36 |
-0,76 |
|
|
510 |
2,72 |
-6,62 |
-6,78 |
14 |
-15,74 |
-1,74 |
|
|
540 |
0 |
-6,62 |
-5,93 |
12,6 |
-14,89 |
-2,29 |
|
|
570 |
-2,05 |
-6,62 |
-5,13 |
12 |
-14,09 |
-2,09 |
|
|
600 |
-3,5 |
-6,62 |
-3,40 |
10,6 |
-12,36 |
-1,76 |
|
|
630 |
-2,125 |
-6,62 |
-0,63 |
7,4 |
-9,59 |
-2,19 |
|
|
660 |
2,5336 |
-6,62 |
-0,72 |
8 |
-9,68 |
-1,68 |
|
|
690 |
4,55 |
-6,62 |
-5,79 |
13,4 |
-14,75 |
-1,35 |
|
|
720 |
0 |
-6,62 |
-9,30 |
16 |
-18,26 |
-2,26 |
|
По полярной диаграмме строим диаграмму износа шатунной шейки. Сумму сил R ш.ш. , действующих по каждому лучу диаграммы износа, определяем с помощью таблицы 9. По данным этой же таблицы в масштабе Мр = 50кН в мм по каждому лучу откладываем величины суммарных сил Rш.ш. , от окружности к центру. По лучам 4 и5 силы не действуют, а по лучам 6, 7 и 8 действуют только в интервале 360?<ц<390?. По диаграмме определяют расположение оси масляного отверстия (ц м =68?).
Силы, действующие на колено вала
Суммарная сила, действующая на колено вала по радиусу кривошипа
(4.20)
Результирующая сила, действующая на колено вала
(4.21)
Таблица 9 — Значение силы R ш.ш действующей на колено вала в зависимости от угла поворота коленчатого вала
|
R ш.ш. i |
Значение R ш.ш. i , кН, для лучей |
||||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
||
|
R ш.ш.0 |
16 |
16 |
16 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
16 |
16 |
|
|
R ш.ш.30 |
14 |
14 |
14 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
14 |
|
|
R ш.ш.60 |
9,2 |
9,2 |
9,2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
9,2 |
|
|
R ш.ш. 90 |
7,6 |
7,6 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
7,6 |
7,6 |
|
|
R ш.ш.120 |
10 |
10 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
10 |
10 |
|
|
R ш.ш.150 |
11,2 |
11,2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
11,2 |
11,2 |
|
|
R ш.ш.180 |
11,2 |
11,2 |
11,2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
11,2 |
11,2 |
|
|
R ш.ш.210 |
11,2 |
11,2 |
11,2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
11,2 |
|
|
R ш.ш.240 |
10 |
10 |
10 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
10 |
|
|
R ш.ш.270 |
7,8 |
7,8 |
7,8 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
7,8 |
|
|
R ш.ш.300 |
7 |
7 |
7 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
7 |
|
|
R ш.ш.330 |
8,6 |
8,6 |
8,6 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
8,6 |
8,6 |
|
|
R ш.ш.360 |
4,2 |
4,2 |
4,2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
4,2 |
4,2 |
|
|
R ш.ш.390 |
9,4 |
9,4 |
9,4 |
— |
— |
— |
— |
9,4 |
9,4 |
9,4 |
9,4 |
— |
|
|
R ш.ш.420 |
8 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
8 |
8 |
8 |
|
|
R ш.ш.450 |
11 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
11 |
11 |
11 |
11 |
|
|
R ш.ш.480 |
13,6 |
13,6 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
13,6 |
13,6 |
|
|
R ш.ш.510 |
14 |
14 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
14 |
14 |
|
|
R ш.ш.540 |
12,6 |
12,6 |
12,6 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
12,6 |
12,6 |
|
|
R ш.ш.570 |
12 |
12 |
12 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
12 |
|
|
R ш.ш.600 |
10,6 |
10,6 |
10,6 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
10,6 |
|
|
R ш.ш.630 |
7,4 |
7,4 |
7,4 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
7,4 |
|
|
R ш.ш.660 |
8 |
8 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
8 |
8 |
|
|
R ш.ш.690 |
13,4 |
13,4 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
13,4 |
13,4 |
|
|
R ш.ш.720 |
16 |
16 |
16 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
16 |
16 |
|
|
?R ш.ш. i |
254,6 |
235,6 |
157,8 |
— |
— |
— |
— |
9,4 |
20,4 |
28,4 |
174,8 |
264 |
|
4.3 Уравновешивание двигателя
Центробежные силы инерции рассчитываемого двигателя и их моменты полностью уравновешены: ?К R =0; ?МR =0.
Силы инерции первого порядка и их моменты тоже уравновешены ?Р j 1 =0; ?МR =0.
Рисунок 1 — Силы действующие на коленчатый вал
Силы инерции второго порядка для всех цилиндров направлены в одну сторону
(4.22)
Рисунок 2 — Силы действующие на колено вала.
Уравновешивание сил инерции второго порядка в рассчитываемом двигателе не целесообразно, ибо применение двухвальной системы с противовесами для уравновешивания ?Р j 11 значительно усложнит конструкцию двигателя.
Так как все силы в сумме уравновешены, то есть равны нулю, мы рассмотрим часть коленчатого вала и подберем массу противовесов. Расчет проведем при ц=0, следовательно cosц=1. Все данные берем из предыдущего расчета.
Сила инерции первого порядка:
, (4.23)
Центробежная сила инерции вращающихся масс:
, (4.24)
Сила инерции противовеса:
, (4.25)
Принимаем радиус кривизны противовеса с=20мм, тогда
Масса противовеса:
, (4.26)
4.4 Подбор маховика
Равномерность крутящего момента:
, (4.27)
Избыточная работа крутящего момента:
, (4.28)
где F abc =2867мм2 — площадь над прямой среднего крутящего момента;
Масштаб угла поворота вала на диаграмме М кр
в мм.
Равномерность хода двигателя принимаем =0,015.
Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала:
, (4.29)
Момент инерции маховика:
, (4.30)
Средний диаметр маховика:
Маховый момент:
, (4.31)
откуда, масса маховика:
По результатам расчета внешний диаметра маховика принимаем:
D м =0,248 м.
Плотность чугуна кг/мі
Объем маховика:
, (4.32)
Масса маховика:
, (4.33)
Площадь маховика:
(4.34)
Т.к. ранее мы высчитали массу маховика, можем составить квадратное уравнение из которого найдем диаметр выреза в маховике:
где Н- толщина маховика.
Таким образом мы подобрали маховик со следующими габаритами:
- Диаметр маховика D=0,248м;
- Диаметр выреза в маховике d=0,029м;
- Ширина маховика Н=0,019м.
5.
Конструктивный расчет. Система смазки. Масляный насос
Для расчета масляного насоса используем данные из теплового расчета.
Количество отводимой теплоты от двигателя маслом Qм берется в пределах 1,5-3%. В своем расчете я взял три процента. Это обусловлено высокими температурами летом, охлаждения поршня маслом:
, (5.1)
Циркуляционный расход масла, м/:
, (5.2)
где — циркуляционный расход масла, м/;
- плотность масла, равная 900кг/;
- средняя теплоемкость масла, равная 2,094кДж/кгК;
- температура нагрева масла.
Температуру нагрева масла принимаем 15С из-за высокого отвода тепла маслом и высоких летних температур.
Для стабилизации давления циркуляционный расход масла увеличивают в два раза:
, (5.3)
В связи с утечками масла через торцевые и радиальные зазоры насоса расчетную производительность определяют с учетом объемного коэффициента подачи :
, (5.4)
Коэффициент подачи выбираем равный 0,6 в связи тем, чтобы насос и система смазки выполняла свой функции даже при самых худших условиях эксплуатации.
Модуль зуба m=6 мм;
- число зубьев ведомой шестерни z=9 принимаем исходя из целесообразности создать компактный насос;
- число зубьев ведомой шестерни z=14;
- высота зуба h=2m=12мм;
- делительный диаметр ведущей шестерни Do1=zm=мм;
- диаметр внешней окружности шестерни D1=m(z+2)=0,006(9+2)=0,066м.
диаметр делительный ведомой шестерни Do2=zm=мм;
- диаметр внешней окружности шестерни D2=m(z+2)=0,006(14+2)=0,096м.
Окружная скорость на внешнем диаметре принимаем равную 10 м/с, тогда частота вращения шестерни насоса:
, (5.5)
Длина зуба шестерни насоса, м:
, (5.6)
Рабочее давление масла принимаем максимально возможное для двигателя прототипа р=450кПа, а КПД насоса принимаем 0,85, наименьшее, исходя из предположения, что насос будет работать в наихудших условиях:
Мощность, затрачиваемая на привод насоса, кВт:
, (5.7)
Заключение
В ходе проведенного расчета, мною были получены практические навыки по расчету теплового баланса, кинематики и динамики двигателя внутреннего сгорания на основе двигателя-прототипа ВАЗ-2112, так же расчет системы смазки, в частности масляного насоса.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/konstruktsiya-i-osnovyi-rascheta-energeticheskih-ustanovok/
1. Колчин, А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: Учеб. Пособие для вузов./А. И. Колчин, В.П. Демидов — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 2003.-496 с.: ил.
2. Автомобиль ВАЗ-2110,ВАЗ-2111,ВАЗ-2112 и их модификации. Руководство по техническому обслуживанию, эксплуатации и ремонту. 2002/ — 208 с.: ил.
3. Ховах, М.С. Автомобильные двигатели. Под ред. М.С. Ховаха. — М., «Машиностроение», 1977. — 591с.: ил.
4. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 томах. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина.- 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 2005. — 497с. — Т1.
5. Луканин, В.Н. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 томах. Динамика и конструирование: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин, И.В. Алексеев, М.Г. Шатров и др.; Под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова.- 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 2005. — 400с. — Т2.
6. Масино М.А. Автомобильные материалы. Справочник инженера-механика./ М.А. Масино, В.Н. Алексеев, Г.В. Мотовилин. — М., «Транспорт», 1971. — 296 с.
7. Анухин, В.И. Допуски и посадки. Учебное пособие. 3-е изд. / В.И. Анухин. — СПб.: Питер, 2004. — 207 с.:ил.
8. Дунаев П.Ф. Конструирование узлов и деталей машин: Учебное пособие для машиностроит. спец. ВУЗов./П.ф, Дунаев, О.П. Леликов. — 4 — е изд. — М.: Высшая школа. — 1985 г. — 416 с.:ил.
