Курсовая работа: Расчет двигателей внутреннего сгорания

3.1 Силы давления газов

Площадь поршня определяем по формуле:

(3.2)

Результаты расчета заносим в табл. 4.

Таблица 4 - Значение сил, действующих в КМШ

3.2 Силы инерции

Силы инерции, действующие на КМШ, разделяются на две группы. К первой группе относятся силы инерции Pj, кН, масс, совершающих возвратно-поступательное движение. Это массы поршневой группы mп и верхней части шатуна mш, которые условно приведены к оси поршневого пальца. двигатель сжатие коленчатый вал

Для б=0°:

(3.3)

где - масса деталей, совершающих возвратно-поступательное движение

- полная масса поршня;

j - ускорение поршня;

- часть массы шатуна, приведённая к оси поршневого пальца;

- полная масса шатуна;

R - радиус кривошипа, м;

- угловая скорость вращения кривошипа, 1/с;

n - число оборотов коленвала.

Расчёты заносятся в таблицу 4.

Удельные массы поршня, шатуна и коленвала приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Удельные массы

(3.4)

(3.5)

(3.6)

(3.7)

(3.8)

(3.9)

Ко второй группе относятся силы инерции KR, кН, масс, совершающих вращательное движение.

Силы инерции вращающихся масс шатуна:

(3.10)

где mшк - масса шатуна, приведённая к оси кривошипа.

mшк = 0,725 • mш (3.11)

3.3 Суммарная сила и ее составляющие

Суммарную силу, действующую в кривошипно-шатунном механизме и сосредоточенную на оси поршневого пальца, определяют путём алгебраического сложения силы давления газов и силы инерции возвратно-поступательного движения масс, кН:

Для б=0°:

(3.12)

Результаты вычислений заносят в таблицу 4. После чего строится график изменения сил P, Pг, Рj на диаграмме P-.

Сила N, кН, действующая перпендикулярно оси цилиндра, называется нормальной. Она считается положительной, если создаваемый ею момент относительно оси кривошипа будет направлен в сторону, противоположную направлению вращения коленвала:

(3.13)

Результаты расчётов заносят в таблицу 4.

Сила, действующая по оси шатуна, кН:

(3.14)

Она считается положительной, если сжимает шатун, и отрицательной , если его растягивает. Результаты расчётов заносят в таблицу 4.

Для значений N и S строят график общей компановки.

От действия силы S на шатунную шейку возникают две составляющие силы К и Т, кН.

Сила направленная по радиусу кривошипа, радиальная сила и тангенсальная сила, направленная по касательной к окружности радиуса кривошипа:

Для б=0°:

(3.15)

(3.16)

Сила К считается положительной, если она сжимает щёки колена. Сила Т положительна, если создаваемый ею момент имеет направление, совпадающее с направлением вращения коленчатого вала.

Результаты расчётов заносят в таблицу 4, после чего строят совмещённый график этих сил.

3.4 Суммарный крутящий момент

Крутящий момент Mk, Н•м, развиваемый в одном цилиндре двигателя, определяется как произведение тангенсальной силы Т, Н, на радиус кривошипа R, м.

Величина R постоянна, поэтому зависимость крутящего момента от угла поворота кривошипа будет иметь тот же характер, что и сила Т.

Для 4-тактного двигателя суммарный крутящий момент будет периодически изменяться через:

(3.17)

где - число цилиндров.

Суммарный крутящий момент можно определить табличным способом. Для этого составляют суммирующую таблицу (Табл. 6) и записывают в неё величины отрезков, соответствующих значений силы Т, Н, через 10 от 0 до чередования вспышек в цилиндрах двигателя. Затем построчно складывают показания для соответствующих значений угла, умножают на радиус кривошипа R. По полученным данным строят кривую изменения суммарного крутящего момента по углу поворота коленвала.

По графику определяют средний крутящий момент двигателя, Нм:

(3.18)

где F1 и F2 - соответственно положительная и отрицательная площади, мм2, заключённые между кривой Мк и осью абсцисс,

Мм - масштаб момента.

Таблица 6 - Значение силы

Оценивают точность расчётов и графического построения, сравнивая подсчитанный с величиной эффективного крутящего момента, полученной в тепловом расчёте.

Ошибка:

(3.19)

где - механический КПД двигателя.

Ошибка не должна превышать 5%.

3.5 Силы, действующие на шатунные шейки коленвала

Результирующую силу Rшш, нагружающую шатунную шейку, находят графическим сложением силы S, действующей по оси шатуна, с центробежной силой инерции вращающихся масс шатуна KRш

Вначале строят полярную диаграмму силы S, так как она является суммирующей двух сил К и Т.

Суммарную силу, действующую на колено и вызывающую изгиб коренной шейки, определяют как сумму сил и ( -- сила инерции вращающихся масс кривошипа).

Полярная диаграмма нагрузок на шатунную шейку строится для определения величин, направления и точек приложения сил, действующих на шейку при различных положениях коленчатого вала.

Для расчета коленвала на прочность необходимо определить средние Rшш ср и максимальные Rшш max значения сил, действующих на шатунную шейку.

Для этого полярную диаграмму с полюсом в точке перестраивают в прямоугольные координаты.

(3.20)

где площадь развернутой диаграммы нагрузок на шатунную шейку, мм2;

отрезок от 0° до 720°, мм.

4. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ

Расчёты на прочность деталей двигателей до настоящего времени являются приблизительными. Применяемые для расчёта методы и формулы не дают возможности точно определить действительные напряжения в деталях. Это объясняется следующим:

сложностью конструктивных форм рассчитываемых деталей;

трудность определения действительных величин сил, нагружающих детали, условной работы деталей и расчётных режимов;

сложностью точного учёта знакопеременной нагрузки;

трудностью оценки влияния температурных нагрузок;

отсутствием методики расчёта деталей двигателя на жёсткость и устойчивость.

Материалами для изготовления поршней служат чугун, легкие сплавы и сталь. Чугун и сталь по сравнению с легкими сплавами обладают более высокой прочностью и износостойкостью. а также малым коэффициентом линейного расширения. Преимуществами поршней из легких сплавов по сравнению с чугунными являются меньшая масса (на 30-50%) и более высокая теплопроводность (в 3-3,5 раза), при этом повышается коэффициент наполнения, уменьшается вероятность возникновения детонации. Применение поршней из легких сплавов позволяет повысить на 10-20% мощность двигателя и уменьшить расход топлива и масла. Поршни изготавливают путем литья в кокиль или штамповкой. Из легких сплавов применяют преимущественно алюминиевые : АЛ1 , АЛ 10В, АЛ 19 и др. Наибольшее распространение получили кремнеалюминиевые сплавы (13-26% кремния) с присадками никеля и меди.

Основные параметры поршня представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Параметры поршня

Проверочный расчет днища поршня, стенки головки и опорной поверхности юбки выполняют для условия действия на поршень постоянных нагрузок. Величина переменных нагрузок учитывается при установлении допустимых напряжений. Днище поршня рассчитывают на изгиб как круглую пластину, защемленную по краям и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой. Для двигателей с воспламенением от искры наибольшее давление газов достигается при работе на режиме максимального крутящего момента. Это давление условно принимают равным расчетному давлению газов в конце сгорания Pz max = Pz, т. е. без учета скругления индикаторной диаграммы.