Что такое динамический расчет двигателя

Динамический расчет двигателя

Для расчета деталей кривошипно-шатунного механизма на прочность и выявление нагрузок на трансмиссию машин необходимо определить величины и характер изменения сил и моментов, действующих в двигателе. С этой целью проводят динамический расчет кривошипно-шатунного механизма в следующем порядке.

1. На листе бумаги формата А1 под диаграммой фаз газораспределения

строится схема кривошипно-шатунного механизма с указанием точек приложения и знаков (+, -) действия сил.

Рис. 5. Схемы КШМ с указанием точек приложения и знаков действия сил

2. Ниже свернутой индикаторной диаграммы и полуокружности наносятся координаты и строятся графики перемещения, скорости и ускорения поршня.

Для достижения этой цели в расчетно-пояснительной записке необходимо оформить таблицу значений перемещения, скорости и ускорения поршня, рассчитанных через 20 градусов поворота коленчатого вала.

При расчете значений следует воспользоваться формулами:

W=Rw(sin j+l/2´sin2j- klcosj);

J=Rw 2 (cos j+lcos2j+ klsinj),

где е — дезаксиал;

k=е/R — величина относительного смещения, k=0,05…0,15.

Значения тригонометрических функций для выбранного угла берутся из таблиц приложений.

Значения радиуса кривошипа берутся в зависимости от рассчитанного ранее значения хода поршня.

Значения l берутся из технической характеристики двигателя.

Ниже свернутой индикаторной диаграммы двигателя наносятся координатные оси. Принимая во внимание, что S=2R, проводятся вертикальные линии через точки ВМТ и НМТ на индикаторной диаграмме и горизонтальные линии, служащие осями абсцисс графиков. Значения углов поворота коленчатого вала от 0 до 360 градусов следует равномерно нанести между этими вертикальными линиями. Линия, проведенная через точку ВМТ, одновременно является осью ординат графиков.

Масштаб графиков выбирается с таким расчетом, чтобы равномерно заполнить имеющееся место.

На графиках обозначаются составляющие первого и второго порядков, а также их суммарные значения.

В расчетно-пояснительной записке проводится анализ полученных аналитических и графических данных.

В анализе следует отметить степень соответствия полученных данных перемещения поршня действительному значению, скорости поршня рекомендуемому для данного типа ДВС значению и влияние величины и характера изменения ускорения поршня на механические нагрузки двигателя.

В конце необходимо оценить влияние кинематических параметров КШМ на показатели надежности и долговечности двигателя.

3. Руководствуясь найденными размерами двигателя, определяется масса деталей, движущихся возвратно-поступательно, и масса деталей, совершающих вращательное движение. Для этой цели необходимо задаться удельными конструктивными массами поршневой и шатунной группы (кг/м 2 ), пользуясь найденным значением диаметра поршня D и данными таблицы 4.

Конструктивные массы деталей, отнесенные к площади поршня в кг/м 2

Элементы КШМ Конструктивная масса
Карбюраторный ДВС (D=60..100 мм) Дизельный ДВС (D=80..120 мм)
Поршень (алюминиевый сплав) mп Шатун (mш) Колено вала без противовесов (mк): — стальной кованый вал со сплошными шейками — чугунный литой вал с полыми шейками 80. 150 100. 200 150. 200 100. 200 150. 300 250. 400 200. 400 150. 300

Расчет полных действительных масс деталей (кг) производится умножением удельных значений масс на Fп (м 2 ).

4. Определяем значения масс поршня, шатуна и кривошипа mП, mШ и mК (кг).

5. Определяем массу частей, движущихся возвратно-поступательно:

6. Определяем массу вращающихся деталей:

7. Проверяем правильность значений определенных масс по значению удельной силы инерции

максимум которой не должен превышать следующих интервалов:

— для бензиновых двигателей с частотой вращения n≤4000 мин -1 , Pjmax= 1,4. 1,8 МПа;

— для бензиновых двигателей с частотой вращения n≥4000 мин -1 , Pj max= 1,6. 2,4 МПа;

— для дизелей при n≤2000 мин -1 , Pj max= 0,6. 1,4 МПа.

— для дизелей при n≥2000 мин -1 , Pj max= 1,2. 2,0 МПа.

8. Производим расчёт сил, действующих в КШМ, МН:

— силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

— центробежной силы инерции вращающихся масс

Рассчитанные значения заносятся в таблицу.

9. Определяем значение удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, отнесенной к единице площади поршня, Pj/Fп (МПа), заносим в таблицу.

10. Определяем значение суммарной силы РΣ=DРгазов+Pj/Fп, (МПа), заносим в таблицу.

11. На верхнем графике листа 1 уже построена развернутая индикаторная диаграмма — изменение сил давления газов DРгазов (МПа), там же строим графики удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Pj/Fп (МПа) и суммарной силы РΣ=DРгазов+Pj/Fп (МПа).

12. Умножаем имеющееся значение суммарной силы РΣ (МПа) на Fп (м 2 ), получаем значение РΣ (МН), данные заносим в таблицу.

13. Используя найденное значение РΣ (МН), определяем значения действующих сил:

Читайте также:  Вода работает на человека водяные двигатели технология 3 класс

— боковой силы, перпендикулярной оси цилиндра

— силы, действующей вдоль шатуна

— нормальной силы, действующей вдоль радиуса кривошипа

— тангенциальной силы, касательной окружности кривошипа

Данные расчетов сил для различных углов заносим в таблицу.

14. По рассчитанным данным ниже строятся графики сил в масштабе m=mР´Fп, МН/мм или кН/мм:

— боковой силы N, действующей на стенку цилиндра и силы S, действующей вдоль шатуна.

— нормальной силы К, действующей по оси кривошипа и тангенциальной силы Т.

Расчет всех действующих сил проводится через 20° поворота коленчатого вала. В интервале резкого повышения давления расчет ведется через 5°п.к.в. Значения тригонометрических функций для выбранных значений углов берутся из таблиц приложений.

На втором листе графической части строим полярную диаграмму нагрузки на шатунную шейку, развертку ее в прямоугольных координатах, диаграмму износа шатунной шейки и кривую суммарного крутящего момента.

1. Для построения полярной диаграммы наносятся прямоугольные координаты силы Т по горизонтали и силы К по вертикали. Для принятых в расчетах величин углов j поворота коленчатого вала (через 20 о ) строится полярная диаграмма силы S, то есть откладываются ее составляющие (Т – по горизонтали, К – по вертикали), получая последовательно концы вектора S. Полученные точки j, j20, j40 и т. д. последовательно, в порядке углов соединяют плавной кривой. Это и есть полярная диаграмма силы S c полюсом в точке О (рис. 6).

Рис. 6. Схема построения полярной диаграммы

2. Для нахождения результирующей силы RШ.Ш на шатунную шейку необходимо полюс О переместить по вертикали вниз на величину вектора КR.Ш (сила КR.Ш=-mш.к.Rw 2 , постоянна по величине и направлению) и обозначить эту точку ОШ. Затем вокруг точки ОШ проводится окружность любого радиуса, удобнее — радиусом шатунной шейки RШ.Ш.min. Точка ОШ соединяется с точками j, j20 и всеми остальными через 20 о тонкими прямыми линиями, конец которых должен выходить за пределы окружности. Вектор ОШ-j для каждого угла дает и направление и значение результирующей силы (нагрузки) RШ.Ш.=S+KR на шатунную шейку.

3. Для построения развертки диаграммы нагрузки RШ.Ш в прямоугольные координаты через точку ОШ проводится горизонтальная линия, служащая осью углов j. Углы j откладываются через выбранные 20 о в пределах 0-720 о и через эти точки проводятся вертикали. Для каждого угла j, j20, j40 и т.д. берется значение результирующей силы RШ.Ш с полярной диаграммы нагрузки и откладывается по вертикали, причем все значения RШ.Ш считаются положительными. Точки соединяются плавной кривой результирующей силы RШ.Ш.=S+KR.Ш. На графике развертки также обозначают точки (RШ.Ш)max, (RШ.Ш)min, (RШ.Ш)ср.

Средняя удельная нагрузка на подшипник, отнесенная к единице площади его диаметральной проекции, определится, как:

, МПа/м,

где: – диаметр шатунной шейки;

– рабочая ширина вкладыша (принимаем).

Если переместить центр ОШ вниз на значение силы КR, получим результирующую силу, действующую на колено вала.

4. Пользуясь полярной диаграммой, можно построить диаграмму износа шейки, дающую условное представление о характере износа в предположении, что износ пропорционален усилиям, действующим на шейку, и происходит в секторе ±60 о от мгновенного направления силы S.

Для этого ниже полярной диаграммы строится еще одна окружность, также удобнее радиусом RШ.Ш.min. К внешней стороне окружности прикладываются векторы усилий, параллельные соответствующим векторам Ош-j полярной диаграммы (параллельно силам S) так, чтобы линия действия их проходила через центр. Значение усилий RШ.Ш. для каждого угла j берется с развернутой диаграммы нагрузки, и под углом 60 о к направлению каждого усилия в обе стороны проводятся кольцевые полоски, высота которых пропорционально этому усилию. Суммарная площадь этих полосок в итоге представляет собой условную диаграмму износа. На диаграмме износа шейки видна зона наибольших и наименьших давлений на нее. В месте наименьших давлений проводится осевая линия, где должно выводиться отверстие подвода масла к подшипнику (рис. 7).

Рис. 7. Схема построения диаграммы износа шейки

5. Справа от диаграммы износа шатунной шейки строят кривую суммарного индикаторного крутящего момента. Для этого по оси абсцисс откладывают значение угла поворота кривошипа j в пределах q от 0 о до 720/i (i – число цилиндров) для четырехтактного или q=360/i для двухтактного двигателя.

По оси ординат откладывается значение крутящего момента, равное

значение силы Т берется с построенного на листе 1 графика.

Читайте также:  Что такое угол опережения на судовых двигателях

Предполагается, что крутящий момент в отдельных цилиндрах изменяется одинаково, лишь со сдвигом на угол q=720/i или q=360/i. Поэтому берется участок силы Т в пределах от 0 о до (720/i) о , значение ее умножается на радиус кривошипа и полученные значения крутящего момента откладываются на строящемся графике. Затем берется следующий равный участок силы Т и т.д. Таким образом, получается число кривых крутящего момента, равное i.

Кривая суммарного индикаторного крутящего момента многоцилиндрового двигателя на участке q получается путем графического суммирования полученного числа i кривых крутящих моментов для отдельных цилиндров. Среднее значение индикаторного момента определится, как

где F1 и F2 – положительная и отрицательная площади диаграммы.

Рис. 8. Схема построения кривой суммарного крутящего момента

Ввиду того, что при построении диаграммы индикаторного крутящего момента двигателя не учитывались затраты на трение, привод вспомогательных механизмов и т.д., для получения значения действительного эффективного крутящего момента необходимо учесть величину механического КПД:

значение ´hМ – принимается из расчета 0,85…0,95.

Полученное значение среднего эффективного крутящего момента следует сопоставить с расчетным значением

Отклонение графически полученного значения момента от его расчётного значения не должно превышать ±5%.

Все графики строятся в одном масштабе сил, принятом при построении развернутой индикаторной диаграммы.

Вид листов 1 и 2 показан в приложениях.

Дата добавления: 2016-02-04 ; просмотров: 2206 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Динамический расчет двигателя

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении сил и моментов, действующих во время работы двигателя. В течении каждого рабочего цикла силы непрерывно меняются по величине и направлению, поэтому для определения характера изменения их величины рассчитываются для ожидаемых положений коленчатого вала через каждые 30 градусов (в интервале 360 0 …390 0 рассчитывать через каждые 10 0 ).

Рис. Схема сил в КШМ: а – основные силы: инерционная, газовая, центробежная

б – проекция сил, образование тангенциальной силы Т

2.1. Построение диаграмм развернутой индикаторной, сил инерции, суммарной силы

Перестроение индикаторной диаграммы в развернутую по углу поворота коленвала производится по методу Ф.А.Брикса. Для этого под диаграммой строят вспомогательную полуокружность диаметром, равным отрезку объема Vs (рис 2.1).

Далее от центра полуокружности (точка О) вправо откладывают поправку Брикса, равную

где R = S/2 – радиус кривошипа, мм;

S – ход поршня, мм;

l = R/L — безразмерный кинематический параметр;

L — длина шатуна, мм.

Если нет данных о длине шатуна, то l принимается в пределах 0,24. 0,31.

Полуокружность делят лучами из центра 0 на 18 равных частей, через каждые 10 градусов, из точки 0¢ проводят линии параллельные этим точкам. Новые точки, полученные на окружности, соответствуют углам поворота коленвала a. Из этих точек проводят вертикальные линии до пересечения с линиями индикаторной диаграммы и полученные значения давлений откладывают на вертикалях развертки для соответствующих углов поворота коленвала.

В четырехтактных двигателях построение начинают с положения кривошипа, соответствующего ВМТ в начале такта впуска.

Следует учесть, что на свернутой диаграмме давление отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой следует показать избыточное давление над поршнем. Для этого на развернутой диаграмме ось абсцисс располагают на продолжении линии атмосферного давления. Это делают по той причине, что со стороны картера на поршень в течение всего цикла действует давление равное атмосферному.

На развернутой диаграмме, в том же масштабе строят диаграмму сил инерции возвратно-поступательного движения масс. При этом считают силы действующие от поршня к оси коленчатого вала положительными.

Pj = -mAw 2 R(сosa+l сos2a) × 10 -9 МПа,

где R — радиус кривошипа, мм;

w=pn/30 — угловая скорость коленвала, с -1 ;

n – частота вращения коленвала, мин -1 ;

mA — масса деталей, движущихся возвратно-поступательно, отнесенная к поршню, кг.

mn — масса поршневого комплекта, кг; mш — масса шатуна, кг (см. табл.2.3, 2.4).

Для справки: на автомобильных двигателях с искровым зажиганием имеем

mn = (80. 120) кг/м 2 — поршень из алюминиевого сплава, mш = (90. 200) кг/м 2 .

mn = (200. 250) кг/м 2 — поршень из алюминиевого сплава; mш = (300. 400) кг/м 2 .

Вдоль оси цилиндра на поршень действуют две силы:

Рг — сила давления газов, равная Рг = (pi — p)pD 2 /4, где pi – текущее значение давления газов в цилиндре, определяемое с использованием диаграммы Брикса, и p – атмосферное давление. Суммарную силу РS, действующую на поршень, определяют алгебраическим сложением силы давления газов и силы инерции

2.2. Построение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме (нормальной, радиальной, тангенциальной)

Суммарная сила РS раскладывается на соответствующие: нормальную N, направленную перпендикулярно оси цилиндра и силу Рш, действующую вдоль шатуна.

Читайте также:  Какие двигателя устанавливают на трактора хтз

где b — угол между осью цилиндра и шатуном, определяется по соотношению b = arcsin (l sina)

Сила Рш действует вдоль оси шатуна и передается на шатунную шейку. Эта сила может быть перенесена на линию действия в центр шатунной шейки и разложена на соответствующие: радиальную Z, направленную по радиусу кривошипа, и тангенциальную силу Т, действующую по касательной к окружности радиуса кривошипа.

Сила Z считается положительной, если она направлена к оси коленчатого вала, сила Т считается положительной, если создаваемый ей момент совпадает с направлением вращения коленчатого вала двигателя. Результаты расчета сводятся в таблицу 2.1.

a b рi, МПа рг, МПа Pг, Н сosa+l сos2a Pj, Н PS, Н T, Н Мi, Нм РN, н
.

По данным таблицы 2.1. на листе 1, под развернутой диаграммой с сохранением цены деления шкалы угла поворота коленчатого вала вычерчивают диаграмму силы N, силы Т, определяющей крутящий момент одного цилиндра, а также cилы Z (рис.2.2.).

На листе строится нормальная сила РN в зависимости от хода поршня (рис 2.3.). С учетом диаметра цилиндра и хода поршня изображается гильза цилиндра и наносятся координаторные оси, при этом положительная сила N должна быть направлена влево. Шкала угла поворота коленчатого вала нелинейная, деления шкалы рассчитываются по перемещению поршня.

,

где =1мм/мм — масштаб шкалы;

хa — перемещение поршня от ВМТ, соответствующее повороту коленчатого вала. Значения хa сводят в таблицу.

(на рисунке изображена индикаторная диаграмма бензинового двигателя без наддува)

График силы РN вычерчивают тонкими линиями. В предположении, что износ цилиндра пропорционален величине силы, строится эпюра износа методом графического суммирования.

2.3. Диаграммы крутящего момента двигателя

Кривая изменения тангенциальной силы Т в зависимости от угла a в определенном масштабе является кривой изменения крутящего момента одного цилиндра.

Для построения кривой суммарного момента многоцилиндрового двигателя с равномерным чередованием вспышек производят графическое суммирование кривых крутящих моментов каждого цилиндра, сдвигая одну кривую относительно другой на угол между вспышками.

где i — число цилиндров.

Диаграмма крутящего момента строится под индикаторной диаграммой в нижней левой части листа (рис.2.4.).

Индикаторный крутящий момент определяем по формуле:

где Т – тангенциальная сила, Н;

R — радиус кривошипа, м.

2.4. Диаграмма суммарного крутящего момента двигателя

Суммарный момент образуется в результате совместного действия нескольких цилиндров двигателя. В начале необходимо определить ширину полосы, на которой будет строится суммарный момент.

Ширина полосы ОА = 720 0 / i , где i – количество цилиндров двигателя

Например, построим таблицу суммарного момента для 8-ми цилиндрового двигателя

Ширина полосы 1-й цилиндр 5-й цилиндр 4-й цилиндр 2-й цилиндр 6-й цилиндр 3-й цилиндр 7-й цилиндр 8-й цилиндр Сумма значений момента построчно
0 0 0 0
90 0

Заполнить таблицу переносом значений М i, полученного по формуле (2), двигаясь по столбцам. При этом нужно соблюдать правило: последнее значение в столбце (например, на 90 0 , на 180 0 , на 270 0 и т.д.) должно переноситься в начало следующего столбца.

Сложить построчно значения моментов, в последнем столбце получим значения суммарного индикаторного момента. Построить график суммарного момента. Провести на графике линию среднего индикаторного момента М i. ср.

Среднее значение суммарного индикаторного крутящего момента можно определить по формуле:

,

где ОА – ширина полосы построения диаграммы;

— масштаб крутящего момента.

Провести проверку вычислений

где — частота вращения коленвала по заданию; ηм — механический КПД двигателя (см. 1.8.2) (0,7 – 0,85 – см. свой расчет ранее)

Полученная мощность двигателя не должна отличаться от заданной в задании на курсовой проект более чем на 10 %. Это свидетельствует об отсутствии грубых ошибок в проекте.

При неравномерном чередовании вспышек (рис.3.13), что характерно для некоторых автотракторных двигателей (например, V-образный шестицилиндровый двигатель с углом развала цилиндров 90° и тремя кривошипами под углом 120°) методика построения графика суммарного крутящего момента двигателя ∑Мкр — несколько иная.

У таких двигателей одноименные процессы (вспышки) в цилиндрах срабатывают один за другими с неравномерным чередованием через угловые интервалы θ1 и θ2 , определяемые конструктивной схемой двигателя (углы θ1 = 90° ; θ2 = 150°).

При этом период изменения суммарного крутящего момента двигателя θн удлиняется вдвое (по сравнению с двигателем, имеющим равномерное чередование вспышек) :

В этом случае при построении таблицы 2.1 значения момента Мi используются дважды: первый раз на 1-4-2 цилиндры, второй раз на 5-3-6.

Источник