Курсовая: Расчет двигателя внутреннего сгорания

Содержание:

I. Тепловой расчет двигателя

II. Построение индикаторной диаграммы

III. Кинематический расчет КШМ

IV. Динамический расчет КШМ

V. Уравновешивание двигателя

VI. Расчет на прочность основных деталей КШМ

VII.Система принудительного воздушного охлаждения двигателя

Литература

I. Тепловой расчет двигателя

Задание:

В курсовом проекте рассматривается двухтактный карбюраторный двухцилиндровый

мотоциклетный двигатель ИЖ-Планета-5

Рабочий объем двигателя W = 346 см3.

Количество цилиндров i = 2;

Диаметр цилиндра D = 72 мм = 0,072 м;

Ход поршня S = 85 мм = 0,085 м;

Наклон цилиндров 15° к вертикали;

Обороты максимальной мощности: ;

Геометрическая степень сжатия: ;

Доля хода, занятая продувочными окнами: .

Выбор и обоснование исходных данных:

Давление и температура окружающей среды:

; .

Коэффициент избытка воздуха для сгорания:

.

Коэффициенты полезного тепловыделения, для карбюраторных двигателей

выбираются из интервала 0,85.0,95 [4]:

; .

Коэффициент остаточных газов – отношение количества оставшихся в цилиндре от

предыдущего цикла газов к количеству поступившего свежего заряда. Для

двухтактного двигателя с петлевой продувкой

. Двигатели большей быстроходности характеризуются большим значением

[4]. Принимаем: .

Давление и температура остаточных газов:

; .

Подогрев заряда от стенок – температура подогрева за счет тепла стенок цилиндра,

которых касается газ при наполнении цилиндра, и температуры остаточных газов.

Для карбюраторных двигателей

[4]. Принимаем: .

Коэффициент скругления индикаторной диаграммы:

меньшие значения выбирают для дизелей, большие – для двигателей с электрическим

зажиганием) [2]. Принимаем:

.

Средняя молекулярная теплоемкость газов при постоянном объеме:

- топливная смесь [4];

- остаточные газы [4].

Механический к.п.д.:

.

Предварительный расчет:

Действительная степень сжатия:

. В дальнейшем при расчетах будем пользоваться действительной степенью сжатия.

Давление продувки (после компрессора – кривошипной камеры):

.

Показатель политропы сжатия в нагнетателе:

.

Коэффициент, учитывающий неодинаковость теплоемкостей смеси и остаточных газов:

.

Наполнение:

Температура воздуха перед впускными органами:

К.

Давление в начале сжатия:

.

Коэффициент наполнения:

Коэффициент наполнения, отнесенный к полному ходу поршня:

.

Температура рабочего тела в начале сжатия:

Сжатие:

Находим показатель политропы сжатия из уравнения:

, где ; ,

используя программу MathCAD .

Давление в конце сжатия:

.

Температура в конце сжатия:

.

Средняя теплоемкость при сжатии:

.

Сгорание:

Количество воздуха, теоретически необходимое для сгорания:

где С, Н, О определяются из среднего элементарного состава 1 кг бензина (кг)

или количество воздух в кг:

.

Молекулярный вес топлива:

Количество свежего заряда:

.

Количество продуктов сгорания (при ):

Теоретический коэффициент молекулярного изменения:

.

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

.

Коэффициент молекулярного изменения в точке z:

.

Низшая теплотворная способность бензина:

Потери от неполноты сгорания:

Находим среднюю мольную теплоемкость и температуру продуктов сгорания (при

) из системы уравнений:

где

используя программу MathCAD ; .

Степень повышения давления:

Теоретическое максимальное давление:

.

– действительное значение давления, в дальнейшем при расчетах будем брать .

Расширение:

Степень предварительного расширения для карбюраторных двигателей:

.

Степень последующего расширения для карбюраторных двигателей:

.

Показатель политропы расширения определяем по формуле НАТИ:

Температура в конце расширения:

.

Давление в конце расширения:

.

Проверка по формуле Е.К. Мазинга: температура остаточных газов (относительная

ошибка должна быть менее 15%):

– ошибка составила 1,7%.

II. Построение индикаторной диаграммы

Площадь поршня:

.

Часть рабочего хода занята продувочными окнами (

). Полный ход поршня S = 58 мм. Тогда угол поворота, соответствующий открытию

продувочного окна найдем из уравнения:

, используя программу MathCad получим , тогда:

- расширение;

- выпуск.

- впуск;

- сжатие;

А) процесс впуска:

;

Б) процесс сжатия:

;

– действительная степень сжатия;

где – рабочий объем цилиндра;

– полный объем цилиндра;

– объем камеры сгорания;

– текущий объем цилиндра;

В) сгорание:

.

Г) расширение:

.

По результатам расчетов строим индикаторную диаграмму в координатах

. Полученные значения заносим в таблицу.

Индикаторные показатели:

Среднее индикаторное давление теоретического цикла:

Среднее индикаторное давление действительного цикла для двухтактного двигателя:

.

Индикаторный к.п.д.:

.

Удельный индикаторный расход топлива:

.

Эффективные показатели:

Среднее эффективное давление и к.п.д.:

.

.

Удельный эффективный расход топлива:

.

Эффективная номинальная мощность:

где в МПа; W в л; m – коэффициент тактности (для двухтактных двигателей m = 2).

л.с.

Внешние скоростные характеристики:

Максимальные развиваемые обороты двигателя:

.

Произведем расчет для диапазона оборотов:

.

Эффективная мощность двигателя:

, результаты в таблицу [1].

Удельный расход топлива:

, результаты в таблицу [1].

Крутящий момент:

, результаты в таблицу [1].

III. Кинематический расчет КШМ

S – ход поршня (58 мм);

s – путь поршня;

a – угол поворота коленчатого вала;

b - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра;

R – радиус кривошипа (28 мм);

lш – длина шатуна;

– отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

п – угловая скорость вращения коленчатого вала.

Задача кинематического расчета – нахождение перемещений, скоростей и

ускорений в зависимости от угла поворота коленчатого вала. На основе

кинематического расчета проводятся динамический расчет и уравновешивание

двигателя.

Перемещение поршня:

шаг 10°.

, данные в таблицу [2].

Скорость поршня:

, данные в таблицу [2].

Определяем среднюю и максимальную скорости:

.

.

Ускорение поршня:

, данные в таблицу [2].

IV. Динамический расчет КШМ

Приведение масс деталей КШМ:

Приведение масс деталей поршневой группы:

Конструктивная масса поршневой группы:

;

масса поршневой группы (массы собственно поршня, поршневых колец, поршневого

пальца и заглушки):

.

Приведение масс деталей шатунной группы:

Конструктивная масса шатуна:

;

Масса шатуна:

.

Длина шатуна:

, принимаем.

Зная длину шатуна определяем длину от оси нижней головки шатуна до центра

тяжести из соотношения:

;

, принимаем .

Длина от оси верхней головки шатуна до центра тяжести:

.

Заменим массу шатуна на две эквивалентные массы, сосредоточенные на концах

шатуна. Тогда масса шатуна:

.

Найдем эквивалентные массы из системы соотношений:

В этом случае возникает дополнительный момент от пары сил. Ввиду

незначительности дополнительного момента – его учитывать не будем.

Приведение масс кривошипа:

Масса кривошипа:

,

где – масса шатунной шейки:

м – диаметр шатунной шейки;

м – длина шатунной шейки;

– плотность материала коленвала;

кг.

– масса щеки:

м – толщина щеки;

м – высота и ширина щеки;

кг.

м – расстояние от оси кривошипа до центра масс щеки.

кг.

Эквивалентная схема КШМ:

Вычисляем поступательно и вращательно движущиеся массы:

кг – поступательно движущиеся массы;

кг – вращательно движущиеся массы.

Силы и моменты, действующие в КШМ:

Силы инерции:

1. Сила инерции поступательно движущихся масс:

шаг 10°.

, данные в таблицу [2].

где – сила инерции первого порядка;

– сила инерции второго порядка.

Эти силы действуют по оси цилиндра и как и силы давления газов считаются

положительными, если направлены к оси коленчатого вала, и отрицательными,

если направлены от коленвала.

2. Сила инерции вращающихся масс:

.

Сила приложена в центре шатунной шейки, постоянна по величине и направлению и

направлена по радиусу кривошипа.

Силы давления газов:

Силы давления газов в цилиндре двигателя в зависимости от хода поршня

определяются по индикаторной диаграмме, построенной по данным теплового

расчета.

Сила давления газов на поршень действует по оси цилиндра:

, где

– давление газов в

цилиндре двигателя, определяемое для соответствующего положения поршня по

индикаторной диаграмме;

– давление в картере;

– площадь поршня.

Результаты заносим в таблицу.

Суммарная сила:

Суммарная сила – это алгебраическая сумма сил, действующих в направлении оси

цилиндра:

.

Сила, действующая вдоль шатуна:

, где

– угол наклона шатуна относительно оси цилиндра.

Сила перпендикулярная оси цилиндра:

Эта сила создает боковое давление на стенку цилиндра.

.

Сила, действующая вдоль кривошипа:

.

Сила, создающая крутящий момент:

.

Крутящий момент одного цилиндра:

.

Вычисляем силы и моменты, действующие в КШМ через каждые10° поворота

кривошипа. Результаты вычислений заносим в таблицу [3], строим графики сил и

моментов.

Крутящий момент двигателя:

Имеющийся график

отнесём к каждому из цилиндров в соответствии с порядком работы. Просуммировав

два полученных графика, получаем график суммарного крутящего момента

.

Опрокидывающий момент:

Момент стремящийся опрокинуть двигатель называется реактивным моментом. Он

всегда равен крутящему моменту двигателя но противоположен ему по

направлению.

V. Уравновешивание двигателя

В уравновешенном двигателе при установившемся режиме работы силы и моменты

сил, передаваемые на его опоры, постоянны по величине и направлению или равны

нулю.

Уравновешивание можно осуществить двумя способами:

1) расположение определенным образом цилиндров и выбором такой

кривошипной системы коленчатого вала, чтобы переменные силы инерции и их

моменты взаимно уравновешивались;

2) созданием с помощью дополнительных масс (противовесов) новых сил, в

любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению

основным уравновешиваемым силам.

Динамический расчёт показывает, что на КШМ действуют:

- силы инерции поступательно движущихся масс и ,

- центробежные силы инерции ,

- возникают моменты , , , .

Все эти силы и моменты вызывают неуравновешенность двигателя.

Следует учитывать, что опрокидывающий (крутящий) момент уравновесить

невозможно, так как двигатель имеет один коленчатый вал. Следовательно,

считаем двигатель уравновешенным, если выполняются следующие условия:

S=0, S=0,

S=0, S=0,

S=0,S =0.

Для двухтактного

двухцилиндрового рядного двигателя с кривошипами под углом 180° имеем:

S;

S.

Уравновешивание оставшихся сил и моментов:

1) Силы инерции второго порядка обоих цилиндров всегда имеют взаимно

одинаковое направление и поэтому не уравновешиваются, а дают свободную силу:

или

.

Эта сила действует по оси параллельной осям цилиндров и проходящей через

середину коленчатого вала, и может быть уравновешена только противовесами,

установленными на дополнительных валах, вращающихся навстречу друг другу с

угловой скоростью 2w:

радиус вала принимаем ;

Масса противовеса рассчитывается из условия:

;

где л – сила, возникающая при вращении уравновешивающего вала;

– диаметр уравновешивающего вала;

кг – масса противовеса на уравновешивающем валу.

2) Неуравновешенный момент от сил инерции первого порядка вызывает продольные

колебания двигателя. Уравновесим этот момент установкой двух валов с

противовесами, вращающимися в разные стороны с угловой скоростью w.

Момент на одном уравновешивающем валу будет равен:

,где

м – радиус уравновешивающего вала;

м - длина уравновешивающего вала.

Общую массу вала находим из:

кг,

так как масса на валу распределена по его концам на две равные части, то

каждая из них равна:

кг.

3) Величина момента от центробежных сил инерции, действующего во вращающей

плоскости коленчатого вала:

.

Этот момент может быть полностью уравновешен установкой противовесов с массой

на продолжении щек коленвала.

Масса ,

расположенная на расстоянии

от оси коленчатого вала, определяется аналогично предыдущему:

откуда

кг.

VI. Расчет на прочность основных деталей КШМ

Максимальная сила давления газов на поршень:

, где

– максимальное давление сгорания;

–площадь поршня;

ПОРШЕНЬ

При проектировании геометрические параметры поршня принимают на основе

эмпирических зависимостей и статических данных, приведенных в таблице [3].

Затем производим проверочный расчет на прочность и износостойкость элементов

поршня.

1. Напряжение изгиба.

, где

– внутренний диаметр поршня;

– толщина днища.

.

Предельное напряжение изгиба:

2. Проверочный расчет на сжатие.

, где

– площадь опасного сечения;

– толщина стенки поршня.

.

Предельное напряжение сжатия:

3. Наибольшее условное давление.

По нему проверяют поверхность отвердения под поршневой палец.

, где

– диаметр поршневого пальца;

– длина пальца в одном приливе.

.

Допустимое удельное давление.

ПОРШЕНЕВОЙ ПАЛЕЦ

Во время работы поршневой палец подвергается воздействию переменных по

величине нагрузок, носящих большей частью ударный характер. В поршневом

пальце появляются напряжения изгиба, среза и овализации, вызывающие его

поломку.

1. Износостойкость пальца оценивают по удельным давлениям между втулкой

шатуна и бобышками

поршня и опорными

поверхностями пальца.

, где

– сила инерции от массы поршневой группы.

– длина втулки шатуна.

.

, где

– сила инерции от массы поршневой группы без массы пальца, действующая на

бобышки;

;

– длина пальца в одном приливе.

.

Для современных двигателей:

, .

2. Напряжение изгиба в среднем сечение пальца:

, где

л – максимальная

сила давления газов, передаваемая через поршневой палец на шатун;

– рабочая длина пальца;

– расстояние между бобышкам;

– длина поршневой головки шатуна;

- отношение внутреннего диаметра поршневого пальца к внешнему диаметру.

.

.

3. Максимальные касательные напряжения:

4. Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

– модуль упругости материала поршневого пальца.

.

ПОРШЕНЕВОЕ КОЛЬЦО

Поршневые кольца работают на изгиб как при надевании на поршень, так и в

рабочем состоянии.

В свободном состоянии зазор в замке равен: .

В рабочем состоянии зазор в замке уменьшается до

. Толщина кольца в радиальном направлении

.

Напряжение изгиба в рабочем состоянии:

где – модуль упругости материала (чугун) поршневого кольца.

Напряжение изгиба при надевании:

Допускаемое напряжение .

Удельное давление кольца на стенку цилиндра:

допустимая величина .

ШАТУН

Конструктивные размеры шатуна

– ширина поперечного сечения стержня шатуна,

– высота поперечного сечения стержня шатуна;

– наружный диаметр поршневой головки,

–внутренний диаметр поршневой головки.

Стержень шатуна работает в условиях пульсирующего цикла нагрузки.

Максимальное напряжение цикла:

, где

– площадь среднего сечения стержня шатуна;

– коэффициент, соответствующий работе шатуна на сжатие.

.

Минимальное напряжение цикла:

, где

.

.

Среднее напряжение:

.

.

Запас прочности при асимметричном цикле:

, где

– масштабный коэффициент;

Коэффициент: ,

где – предел усталости от растяжения-сжатия при симметричном цикле;

– предел усталости при пульсирующем цикле.

.

Запас прочности должен быть не менее 1,8.2,0.

Проверим запас прочности также по пределу текучести:

.

Верхняя головка шатуна. При расчете шатуна можно ограничится определением

относительного уменьшения диаметра верхней головки по формуле:

, где

– сила инерции от массы поршневой группы;

– модуль упругости материала (сталь 40Г) шатуна;

– средний диаметр;

– момент инерции сечения верхней головки.

.

Величина не должна превышать .

КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ

Коренные шейки нагружаются главным образом крутящим моментом, поэтому запас

прочности оцениваем только по касательным напряжениям.

Диаметр коренной шейки .

л – момент сопротивления кручению шейки.

Максимальные и минимальные касательные напряжения подсчитываются по формулам:

определяем амплитудное и среднее значение в цикле:

.

.

Определяем запас прочности при асимметричном цикле нагружения:

Коэффициент: ,

где – предел выносливости материала (сталь) на кручение при симметричном цикле;

– предел выносливости при пульсирующем цикле.

.

Литература:

1. Автомобильные и тракторные двигатели. Ч.II. Конструкция и расчет

двигателей. Под ред. Ленина И.М.. Учебник для втузов. Изд. 2-е, доп. и

перераб. М.: «Высшая школа», 1976. – 280с.

2. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных

двигателей. Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего

сгорания» / Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др.; Под ред. Орлина

А.С., Круглова. М.Г. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: «Машиностроение»,

1983. – 372с.

3. Моргулис Ю.Б. Двигатели внутреннего сгорания (теория, конструкция и

расчет). – М.: «Государственное научно-техническое издательство

машиностроительной литературы», 1959. – 344с.

4. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. проф. д-ра техн. наук

Дьяченко Н.Х. Л.: «Машиностроение», 1974. – 552с.

5. Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. Двигатели внутреннего

сгорания: Учебник для вузов. – М.: «Высшая школа», 1978. – 280с.

Таблица 1

n,	Ne,	ge,	Me,
об/мин.	кВт.	кг/(кВт ч).	Н м.
1000	3.697	0.3449	35.3110
1500	5.786	0.3253	36.8369
2000	7.916	0.3105	37.7977
2500	9.998	0.3007	38.1933
3000	11.945	0.2957	38.0238
3500	13.666	0.2957	37.2891
4000	15.074	0.3007	35.9892
4500	16.079	0.3105	34.1242
5000	16.594	0.3253	31.6940
5500	16.528	0.3449	28.6987
6000	15.794	0.3695	25.1382

Таблица 2

, град	S, м	V,м/с	j,м/с2	Pi, Па
0	0	0	11007	4787689
10	0.0006	3.4984	10731	4335883
20	0.0022	6.8222	9925.2	3362214
30	0.0049	9.8105	8651.1	2426174
40	0.0085	12.328	7005.5	1735101
50	0.0127	14.274	5109.4	1269079
60	0.0176	15.591	3095.7	960359
70	0.0227	16.261	1096.7	753532
80	0.0279	16.308	-769.3	612037
90	0.0331	15.792	-2408	513067
100	0.038	14.796	-3756	442468
110	0.0425	13.418	-4786	411000
120	0.0466	11.761	-5504	411000
130	0.05	9.9199	-5946	411000
140	0.0529	7.9735	-6169	411000
150	0.0551	5.9812	-6243	411000
160	0.0567	3.98	-6236	411000
170	0.0577	1.9861	-6206	411000
180	0.058	0	-6191	411000
190	0.0577	-1.986	-6206	130000
200	0.0567	-3.98	-6236	130000
210	0.0551	-5.981	-6243	130000
220	0.0529	-7.974	-6169	130000
230	0.05	-9.92	-5946	130000
240	0.0466	-11.76	-5504	130000
250	0.0425	-13.42	-4786	130000
260	0.038	-14.8	-3756	147683
270	0.0331	-15.79	-2408	172735
280	0.0279	-16.31	-769.3	208191
290	0.0227	-16.26	1096.7	259457
300	0.0176	-15.59	3095.7	335392
310	0.0127	-14.27	5109.4	450488
320	0.0085	-12.33	7005.5	627277
330	0.0049	-9.811	8651.1	894471
340	0.0022	-6.822	9925.2	1263432
350	0.0006	-3.498	10731	1653712
360	0	0	11007	1836642

Таблица 3

, град	Pj, Н	P, Н	S, Н	K, Н	T, Н	N, Н	Mкр, Н м	Pг, Н
0	-3890.854	10257.684	10257.684	10257.684	0.000	0.000	0.000	14148.538
10	-3793.345	8991.160	9001.807	8778.562	1992.330	437.681	57.778	12784.505
20	-3508.411	6336.520	6365.777	5745.877	2740.075	609.623	79.462	9844.931
30	-3058.046	3960.914	4000.311	3150.230	2465.469	560.044	71.499	7018.959
40	-2476.365	2456.196	2496.971	1592.682	1923.077	449.406	55.769	4932.560
50	-1806.105	1719.503	1760.477	816.010	1559.938	377.609	45.238	3525.607
60	-1094.303	1499.257	1545.379	425.099	1485.762	374.735	43.087	2593.560
70	-387.650	1581.485	1639.245	135.603	1633.626	431.308	47.375	1969.135
80	271.952	1813.904	1887.065	-197.464	1876.705	520.351	54.424	1541.953
90	851.124	2094.279	2181.540	-610.831	2094.279	610.831	60.734	1243.154
100	1327.639	2357.649	2452.740	-1075.460	2204.386	676.334	63.927	1030.010
110	1691.648	2628.074	2724.057	-1572.367	2224.443	716.737	64.509	936.426
120	1945.427	2881.853	2970.509	-2064.734	2135.603	720.310	61.932	936.426
130	2101.697	3038.123	3110.518	-2463.959	1898.481	667.183	55.056	936.426
140	2180.772	3117.198	3168.946	-2754.525	1566.784	570.349	45.437	936.426
150	2206.921	3143.347	3174.612	-2944.441	1186.772	444.446	34.416	936.426
160	2204.413	3140.839	3155.341	-3054.772	790.280	302.173	22.918	936.426
170	2193.754	3130.180	3133.887	-3109.085	393.491	152.374	11.411	936.426
180	2188.606	3125.032	3125.032	-3125.032	0.000	0.000	0.000	936.426
190	2193.754	2300.796	2303.520	-2285.290	-289.230	-112.001	-8.388	107.041
200	2204.413	2311.454	2322.127	-2248.115	-581.595	-222.380	-16.866	107.041
210	2206.921	2313.962	2336.978	-2167.539	-873.638	-327.177	-25.335	107.041
220	2180.772	2287.813	2325.793	-2021.636	-1149.914	-418.597	-33.347	107.041
230	2101.697	2208.738	2261.370	-1791.317	-1380.210	-485.047	-40.026	107.041
240	1945.427	2052.468	2115.610	-1470.512	-1520.986	-513.008	-44.109	107.041
250	1691.648	1798.689	1864.381	-1076.149	-1522.439	-490.545	-44.151	107.041
260	1327.639	1467.672	1526.868	-669.490	-1372.264	-421.028	-39.796	140.033
270	851.124	1066.792	1111.241	-311.148	-1066.792	-311.148	-30.937	215.667
280	271.952	594.663	618.647	-64.736	-615.251	-170.590	-17.842	322.711
290	-387.650	89.836	93.117	7.703	-92.798	-24.500	-2.691	477.486
300	-1094.303	-387.562	-399.485	-109.889	384.074	96.870	11.138	706.741
310	-1806.105	-751.881	-769.797	-356.814	682.108	165.116	19.781	1054.224
320	-2476.365	-888.404	-903.153	-576.072	695.576	162.550	20.172	1587.960
330	-3058.046	-663.407	-670.005	-527.627	412.937	93.801	11.975	2394.639
340	-3508.411	0.149	0.149	0.135	-0.064	-0.014	-0.002	3508.560
350	-3793.345	893.497	894.555	872.370	-197.988	-43.495	-5.742	4686.842
360	-3890.854	1348.264	1348.264	1348.264	0.000	0.000	0.000	5239.119