Реферат: Разработка четырехтактного автомобильного двигателя

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПООБРАЗОВАНИЮ

Государственноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования

Брянский государственныйтехнический университет

Кафедра: «Автомобильный транспорт»

Курсовой проект

по дисциплине «Автомобилии двигатели» раздела «Двигатели»

тема проекта:

«Разработка четырехтактногоавтомобильного двигателя»

2009

Содержание

Задание

Введение

1. Тепловой расчетдвигателя

1.1    Выбор параметров ктепловому расчету

1.2 Расчет процессанаполнения

1.3    Расчет процессасжатия

1.4    Расчет процессасгорания

1.5    Расчет процессарасширения

1.6 Индикаторные иэффективные показатели работы двигателя

1.7 Эффективныепоказатели основные размеры цилиндра и двигателя

1.8 Построениеиндикаторной диаграммы

2. Динамический расчет

2.1 Приведение масскривошипно-шатунного механизма

2.2 Построение диаграммыудельных сил инерции

2.3 Удельные и полныесилы инерции

2.4 Построение диаграммыизменения сил, действующих в КШМ

2.5 Построение полярнойдиаграммы сил, действующих на шатунную шейку

2.6 Построение диаграммыпредполагаемого износа шатунной шейки

2.7 Расчет сил имоментов, действующих на коленчатый вал

3. Расчет деталейдвигателя на прочность

3.1 Расчет поршня

3.2 Расчет поршневогопальца на прочность

3.3 Расчет шатуна на прочность

3.3.1 Расчет поршневойголовки шатуна

3.3.2 Расчет кривошипнойголовки шатуна

3.3.3 Расчет стержняшатуна

3.3.4 Расчет шатунныхболтов

3.4 Расчет коленчатоговала на прочность

3.4.1 Расчет кореннойшейки

3.4.2 Расчет шатуннойшейки

3.4.3 Расчет щеки

Список использованнойлитературы

Приложения

Задание
Введение

Основныминаправлениями развития двигателестроения являются повышение удельных мощностейза счет газотурбинного наддува и применение более высоко калорийных топлив, повышениеэкономичности, надежности и ресурса двигателя, снижение металлоемкости.

Требованиеповышения мощности двигателя связано с повышением производительности труда, сростом энерговооруженности средств производства. Так же всвязи с непрерывнымростом сложности топлива и масла значимость параметров gе и gм такжевозрастает. Поэтому при создании двигателя следует стремиться к оптимальнымрасходам топлива и масла. Однако возможности снижения gе и gм связанысо схемой, быстроходностью и другими параметрами двигателя.

При оценкетребований к новому двигателю и выборе значений, определяющих параметры,необходимо учитывать развитие существующих двигателей с учетом времени,необходимого на создание нового двигателя (5-7 лет) и срока его службы не менее15 лет.

Впредставленном курсовом проекте приведен расчет 4-х тактного 8-ми цилиндровогоV-образного бензинового двигателя, за прототип принят двигатель автомобиляГАЗ-53.

/>/>1. Тепловой расчет двигателя

Исходныеданные

Из двигателя– прототипа:

Двигатель 4-хтактный, бензиновый,

Числоцилиндров: i = 8,

Диаметрцилиндра: D = 0,092 м,

Ход поршня: S= 0,08 м,

Данные длярасчета:

Степеньсжатия: ε = 6.8;

Частотавращения коленчатого вала: n = 4000 об/мин.;

Мощностьпрототипа: 84.56 кВт (115л.с.);

Рабочий объемпрототипа: 4,25 л;

Мощность:140кВт=190,4лс.

/>1.1 Выборпараметров к тепловому расчету

/>л.с.;

/>л;

/>л;

/>мм;

/>мм;

Параметрыокружающей среды:

-Р0 = 0,1033 МПа;

-Т0 = 288 К;

-относительнаявлажность 70 %.;

Коэффициентизбытка воздуха α = 0,92;

Средняяскорость поршня:

/>;

Параметрыостаточных газов:

-Рг = 1,13×105 Па;

-Тг= 960 К;

-коэффициентостаточных газов γ = 0,07;

Коэффициентиспользования тепла в точке Z для n = 4000 об/мин.:

-/>;

Коэффициентскругления индикаторной диаграммы φд = 0,96;

Механическиепотери в двигателе:

/>;

Элементарныйсостав топлива:

Н=0,145кг/кмоль, С=0,855 кг/кмоль

Теплотворнаяспособность топлива Hu=44000 кДж/кг топлива

Теплоемкостимольные (средние):

· воздуха:

/>;

· продуктовсгорания:

/>

· смесигазов при сжатии:

/>

Теоретическинеобходимое количества воздуха для сгорания 1 кг топлива:

/>;

/>1.2 Расчет процессанаполнения

Давление вконце наполнения:

/>;

гдеδ-коэффициент гидравлических потерь (δ=0,15).

Температура вконце наполнения:

/>

где />=15 К –подогрев заряда от стенок цилиндра,

/>=1,11 – коэффициент,учитывающий разницу в теплоёмкостях остаточных газов и свежей смеси.

Коэффициентнаполнения:

/>

где />=1,05-коэффициент дозарядки.

/>;

Принятоезначение γ практически совпадает с расчётным.Для дальнейших расчетовпринимаем γ=0,07.

Давление вцилиндре в конце наполнения с учётом коэффициента дозарядки:

/>

/>1.3 Расчетпроцесса сжатия

Показательполитропы сжатия />определяется через показательадиабаты сжатия />, рассчитываемого по уравнению:

/>;

Подборомнаходим:

/>

Давление итемпература в конце процесса сжатия:

/>

/>1.4 Расчетпроцесса сгорания

Действительнонеобходимое количество воздуха для сгорания топлива:

/>

Теоретическийкоэффициент молекулярного изменения свежей смеси:

/>

Действительныйкоэффициент молекулярного изменения

/>;

Температурагазов в конце видимого сгорания:

/>;

/>

Решаяуравнение относительно Тz, определяем

/>;

где /> - коэффициентыиспользования теплоты в начале процесса сгорания,

/> — потери теплаот неполного сгорания топлива

/>;

Степеньповышения давления

/>

Максимальноедавление сгорания

/>

/>1.5 Расчетпроцесса расширения

Показательполитропы расширения n2 находим по показателю адиабаты расширения К2,для которого известно уравнение:

/>;

/>;

/>

Давление итемпература в конце расширения

/>

/>1.6 Индикаторные иэффективные показатели работы двигателя

Среднеетеоретическое и действительное индикаторное давление:

/>

где />-коэффициентскругления индикаторной диаграммы

ИндикаторныйКПД

/>

Индикаторныйудельный расход топлива

/>

/>1.7 Эффективныепоказатели основные размеры цилиндра и двигателя

Среднееэффективное давление

/>;

МеханическийКПД двигателя

/>;

ЭффективныйКПД и эффективный расход топлива

/>

/>

Литраждвигателя

/>;

гдеNe=190,4л.с=140кВт по заданию.

Рабочий объемцилиндра

/>

Диаметр и ходпоршня принимаем из условия S/D=0,87

/>;

Окончательнопринимаем D = 102,71мм, S = 102,71∙0,87 = 89.358 мм.

Поокончательно принятым значениям D и S определяются основные параметры ипоказатели двигателя:

· Литраждвигателя:

/>;

· Площадьпоршня:

/>;

· Мощностьдвигателя при принятых размерах цилиндра:

/>;

Погрешностьмощности:

/>;

· Литроваямощность двигателя:

/>

/>1.8 Построениеиндикаторной диаграммы

Исходныеданные к построению диаграммы:

Степеньсжатия  />

Показательполитропы сжатия />

Показательполитропы расширения />

Давление вконце впуска />

Давление вконце сжатия />

Давлениесгорания />

Давление вконце расширения />

Принимаем:

/>

Масштаб />

Составляемтаблицу ординат линий сжатия и расширения.

Значение

величин

Коэффициент доли рабочего объема 0,01 0,02 0,04 0,08 0,16 0,32 0,58 0,82 1

/>

21,16 22,32 24,64 29,28 38,56 57,12 87,28 115,12 136

/>

10,808 10,071 8,836 7,033 4,886 2,905 1,658 1,149 0,922

/>

21,16 22,32 24,64 29,28 38,56 57,12 87,28 115,12 136

/>

45,498 42,562 37,613 30,316 21,489 13,149 7,740 5,476 4,446

/>; />

/>; />

Теперьнаносим на координатное поле все характерные точки, затем наносим по табличнымданным точки линий сжатия и расширения. Соединяем точки плавными линиями внужной последовательности. В результате получается индикаторная диаграмма.

2. Динамический расчет/>/>2.1 Приведение масс кривошипно-шатунного механизма

Определяемплощадь поршня

/>

Массапоршневой группы (для поршня из алюминиевого сплава />)

/>

Масса шатуна(/>)

/>

Масса шатуна,сосредоточенная на оси поршневого пальца:

/>

Масса шатуна,сосредоточенная на оси кривошипа:

/>

Массанеуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (/>)

/>

Массы,совершающие возвратно-поступательные движения:

/>

Массысовершающие вращательное движение:

/>

/>/> 2.2Построение диаграммы удельных сил инерции

1)Определение удельных сил инерции:

а) в ВМТ

/>

где:

/>

б) в НМТ:

/>

в) в точке Е:

/>

/>

Построениедиаграммы удельных сил инерции производят методом Толе.

/>/>2.3 Удельные и полные силы инерции

1)Удельнаясила инерции поступательно движущихся масс

/>

где />-поступательно движущаяся масса

F=/>= — площадьпоршня

R=0,044679м — радиус кривошипа

/>

2) Силыинерции вращающихся масс

/>

3) Силыинерции вращающихся масс шатуна

/>

/>/>2.4. Построение диаграммы изменения сил,/>/>действующих в КШМ

Послепостроения индикаторной диаграммы и диаграммы удельных сил инерции строятдиаграмму изменения сил, действующих в КШМ. Для этого индикаторную диаграмму«разворачивают» по методу Брикса, получая развернутую индикаторную диаграмму.Данный метод заключается в следующем: под индикаторной диаграммой проводятгоризонтальную прямую АВ, равную ходу поршя. Из середины отрезка АВ проводятокружность радиуса R=S/2=118/2=58мм на расстоянии ОО1=Rλ/2=58×0,28/2=8,12 мм получаютцентр О1, из которого проводят лучидо пересечения с окружностью через углы />. Из точек пересечения лучей сокружностью восстанавливают перпендикуляры к АВ, продолжая их до пересечения синдикаторной диаграммой. Точки пересечения перпендикуляров с соответствующимикривыми давления дают значения давления при соответствующих углах поворотакривошипа. Полная сила, действующая на поршень включает силу давления газов /> и силу инерции/>, ееопределяют аналитически />.          Найденное значение /> для каждогоугла поворота КВ сносим в табл.2.1. Затем соединяем плавной кривой полученныеточки, определяющие искомую диаграмму.

Таблица 2.1.

а, град Рг, Н Рj, Н Рсум, Н N, Н Рш, Н Z, Н Т, Н -13460,6 -13460,6 -13460,6 -13460,6 30 -173,304 -10579,5 -10752,8 -1516,14 -10646,3 -8548,45 -6688,22 60 -173,304 -3785,8 -3959,1 -981,857 -3843,79 -1128,34 -3919,51 90 -173,304 2944,50 2771,20 800,878 2662,06 -800,878 2771,204 120 -173,304 6730,30 6557 1626,13 6366,01 -4688,26 4865,294 150 -173,304 7634,95 7461,65 1052,09 7387,77 -6991,57 2820,504 180 -173,304 7571,59 7398,28 7398,28 -7398,29 210 -125,9691 7634,95 7508,98 -1058,77 7434,64 -7035,92 -2838,4 240 44,4216 6730,30 6774,72 -1680,13 6577,40 -4843,93 -5026,85 270 465,9537 2944,50 3410,46 -985,623 3276,14 -985,623 -3410,46 300 1598,604 -3785,8 -2187,19 542,423 -2123,49 -623,349 2165,319 330 4785,954 -10579,5 -5793,51 816,884 -5736,15 -4605,84 3603,563 360 11607,957 -13460,6 -1852,65 -1852,65 -1852,65 370 33503,946 -13123,3 20380,68 998,6532 20360,32 19891,54 4504,13 390 23101,324 -10579,5 12521,86 1765,582 12397,88 9954,879 7788,597 420 10452,248 -3785,8 6666,452 1653,28 6472,284 1899,939 6599,788 450 5605,737 2944,508 8550,245 2471,021 8213,492 -2471,02 8550,245 480 3701,883 6730,304 10432,19 2587,182 10128,34 -7459,01 7740,683 510 2644,131 7634,956 10279,09 1449,351 10177,31 -9631,5 3885,495 540 1446,5904 7571,592 9018,182 9018,182 -9018,18 570 440,8545 7634,956 8075,81 -1138,69 7995,852 -7567,03 -3052,66 600 107,9664 6730,304 6838,27 -1695,89 6639,097 -4889,36 -5074 630 2944,508 2944,508 -850,963 2828,538 -850,963 -2944,51 660 -3785,8 -3785,8 938,8774 -3675,53 -1078,95 3747,938 690 -10579,5 -10579,5 1491,704 -10474,7 -8410,67 6580,426 720 -13460,6 -13460,6 -13460,6 -13460,6

По найденнымзначениям /> длякаждого угла поворота КВ определяют все остальные силовые факторы, действующиев КШМ:

— удельнаянормальная сила:

/>

— удельнаясила, действующая вдоль шатуна:

/>

— удельная сила,действующая по радиусу кривошипа:

/>

-удельнаятангенциальная сила:

/>

значения />,/>,/>,/>берем из [1].

Значения всехрасчетов сводим в табл.2.1. Графики зависимости представлены на лист 1.

Диаграмма /> одновременно всоответствующем масштабе является диаграммой крутящего момента создаваемого 1цилиндром.

Дляопределения крутящего момента строим диаграмму суммарной силы />.

Из этогографика получаем

/>;

Среднийкрутящий момент:

/>

По среднемукрутящему моменту определяем индикаторную мощность

/>

Определиммощность и сравним ее с результатом теплового расчета

/>

/>

Ошибканаходится в пределах нормы.

/>/>2.5 Построение полярной диаграммы сил,/>/>действующих на шатунную шейку

На шатуннуюшейку воздействуют силы, вызванные давлением газов и силой инерциипоступательно движущихся масс, а так же силой инерции вращающихся масс шатуна.Для проведения расчета результирующей силы, действующей на шатунную шейкудвигателя, составляем таблицу (табл.1)

Суммарнаясила, действующая на шатунную шейку, находится по формуле:/>Результирующая сила />, действующаяна шатунную шейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил T, Z и РRШпри построении полярной диаграммы. При построении предполагается, что шейканеподвижна, а ось цилиндра вращается вокруг нее. Для построения выбираем полюсдиаграммы (т.О) и проводим систему координат T-Z, причем плюсовая координата Т- вправо, Z — вниз. Для заданного угла поворота коленчатого вала из табл.2.1 откладываемпо соответствующим осям в принятом масштабе значение сил T и Z. Соединяяпоследовательно точки плавной кривой, получаем полярную диаграмму без учетасилы РRШ. Для ее учета из точки О в положительном направлении Zоткладываем ее величину в принятом масштабе /> и получаем точку /> - действительный полюсдиаграммы. Для получения действующей результирующей силы, действующей нашатунную шейку, полюс /> соединяют вектором с точкойполярной диаграммы, соответствующей этому углу поворота. Полученный векторопределяет и величину, и направление действующей силы.

/>

Диаграмманагрузки на шатунную шейку в прямоугольных координатах представлена вприложении 1.

/>/>2.6. Построение диаграммы предполагаемого износа/>/>шатунной шейки

На основанииимеющейся полярной диаграммы нагрузок, действующих на шейку, можно построитьдиаграмму предполагаемого износа шатунной шейки. Принимают следующие допущения:

— износ шейкипрямо пропорционален действующей силе;

-действиесилы распространяется от точки ее приложения по дуге в 60˚, в обе стороныпо поверхности шейки.

Способпостроения состоит в следующем: в т.О проводят окружность произвольного радиусаи делят ее на равные части. Из т.А окружности откладывают отрезок /> и т.д. Откаждой точки А1, А2…Аn(n=24) в обе стороны по поверхности шейки откладываем угол 60˚. Затем строятновую окружность и делят ее на такое же количество частей и в определенноммасштабе в направлении к центру окружности откладывают суммарную толщину полос;соединяя полученные точки определяем диаграмму предполагаемого износа шейки.

Видпредполагаемого износа представлен на листе 1, а его построение и приложении 2;при этом на диаметральных линиях диаграммы указаны суммарные толщины.

Полученнаядиаграмма дает возможность определить положение масляного отверстия – самое ненагруженное место шейки. Для нашего расчета />.

/>/>2.7. Расчет сил и моментов, действующих на коленчатый вал

Кривошипколенчатого вала многоцилиндрового двигателя нагружен силами /> и крутящим моментом,который включает две составляющие: момент, обусловленный силой Т данного цилиндра,и момент от предыдущих цилиндров. Коленчатый вал рассчитываемого двигателя –полноопорный с кривошимами, расположенными под углом />. Порядок работы двигателя1-5-4-2-6-3-7-8. Схема коленчатого вала представлена на рис. 2.1.

/>

Рис. 2.1 Схемаколенчатого вала

Длянаглядного представления о совместной работе цилиндров строят диаграммусовместной работы цилиндров, которая представляет собой ряд чередующихся цикловработы каждого цилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Диаграммасовместной работы цилиндров

 0˚      180˚ 360˚ 540˚ 720˚

1 ВП СЖ РХ Вып 0˚ 2 РХ Вып ВП СЖ РХ 450˚ 3 СЖ РХ Вып ВП СЖ 270˚ 4 Вып ВП СЖ РХ 540˚ 5 Вып ВП СЖ РХ Вып 630˚ 6 РХ Вып ВП СЖ 360˚ 7 СЖ РХ Вып ВП 180˚ 8 ВП СЖ РХ Вып ВП 90˚ /> /> /> /> /> /> /> /> /> />

Построеннаядиаграмма позволяет определить угол поворота любого кривошипа при положениипервого кривошипа в 0˚.

Через шейкиколенчатого вала от первого до последнего цилиндра передается крутящий моментсвой от каждого цилиндра. Следовательно, в любой момент времени крутящий моментна каждой шейке оказывается различным. Для выполнения ра счетов на прочность иоценки крутящего момента на каждой шейке, строят таблицу набегающих моментов.

Таблицанабегающих моментов показывает изменение крутящего момента на каждой шейкеколенчатого вала по мере перемещения от первой до последней шейки в зависимостиот угла поворота. Последний столбец таблицы представляет собой изменениеполного (суммарного) момента на выходе из двигателя. Моменты на промежуточныхшейках отличается от полного, как по величине, так и по направлению.

Расчеттангенциальных сил (а следовательно и моментов) для V-образного двигателяпредставлен в табл. 2.2.

Изменениенабегающих моментов представлено в табл. 2.3. и 2.4.

Таблица 2.2.

Расчеттангенцальных сил для V-образного двигателя (Н)

α T1 T5 T1,5 T2 T6 T2,6 T3 T7 T3,7 0,00 -2944,51 -2944,51 8550,25 0,00 8550,25 -3410,46 0,00 -3410,46 30 -6688,22 3747,94 -2940,28 7740,68 7788,60 15529,28 2165,32 -2838,40 -673,08 60 -3919,51 6580,43 2660,92 3885,49 6599,79 10485,28 3603,56 -5026,85 -1423,28 90 2771,20 0,00 2771,20 0,00 8550,25 8550,25 0,00 -3410,46 -3410,46 120 4865,29 -6688,22 -1822,93 -3052,66 7740,68 4688,03 7788,60 2165,32 9953,92 150 2820,50 -3919,51 -1099,00 -5074,00 3885,49 -1188,50 6599,79 3603,56 10203,35 180 0,00 2771,20 2771,20 -2944,51 0,00 -2944,51 8550,25 0,00 8550,25 210 -2838,40 4865,29 2026,90 3747,94 -3052,66 695,28 7740,68 7788,60 15529,28 240 -5026,85 2820,50 -2206,34 6580,43 -5074,00 1506,43 3885,49 6599,79 10485,28 270 -3410,46 0,00 -3410,46 0,00 -2944,51 -2944,51 0,00 8550,25 8550,25 300 2165,32 -2838,40 -673,08 -6688,22 3747,94 -2940,28 -3052,66 7740,68 4688,03 330 3603,56 -5026,85 -1423,28 -3919,51 6580,43 2660,92 -5074,00 3885,49 -1188,50 360 0,00 -3410,46 -3410,46 2771,20 0,00 2771,20 -2944,51 0,00 -2944,51 390 7788,60 2165,32 9953,92 4865,29 -6688,22 -1822,93 3747,94 -3052,66 695,28 420 6599,79 3603,56 10203,35 2820,50 -3919,51 -1099,00 6580,43 -5074,00 1506,43 450 8550,25 0,00 8550,25 0,00 2771,20 2771,20 0,00 -2944,51 -2944,51 480 7740,68 7788,60 15529,28 -2838,40 4865,29 2026,90 -6688,22 3747,94 -2940,28 510 3885,49 6599,79 10485,28 -5026,85 2820,50 -2206,34 -3919,51 6580,43 2660,92 540 0,00 8550,25 8550,25 -3410,46 0,00 -3410,46 2771,20 0,00 2771,20 570 -3052,66 7740,68 4688,03 2165,32 -2838,40 -673,08 4865,29 -6688,22 -1822,93 600 -5074,00 3885,49 -1188,50 3603,56 -5026,85 -1423,28 2820,50 -3919,51 -1099,00 630 -2944,51 0,00 -2944,51 0,00 -3410,46 -3410,46 0,00 2771,20 2771,20 660 3747,94 -3052,66 695,28 7788,60 2165,32 9953,92 -2838,40 4865,29 2026,90 690 6580,43 -5074,00 1506,43 6599,79 3603,56 10203,35 -5026,85 2820,50 -2206,34 720 0,00 -2944,51 -2944,51 8550,25 0,00 8550,25 -3410,46 0,00 -3410,46

Таблица 2.3.

Таблицанабегающих моментов на шатунные шейки (Н) 

α Т1,5 Т2,6/2 Т1,5+Т2,6/2 Т3,7/2 Т1,5+Т2,6+ +Т3,7/2 Т4,8/2

Т1,5+Т2,6+

+Т3,7+Т4,8/2

-2944,51 4275,12 1330,61 -1705,23 3900,50 1385,60 30 30 -2940,28 7764,64 4824,36 -336,54 12252,46 906,32 60 60 2660,92 5242,64 7903,56 -711,64 12434,56 -1126,75 90 90 2771,20 4275,12 7046,33 -1705,23 9616,22 -1472,25 120 120 -1822,93 2344,01 521,09 4976,96 7842,06 454,77 150 150 -1099,00 -594,25 -1693,26 5101,68 2814,17 776,79 180 180 2771,20 -1472,25 1298,95 4275,12 4101,82 -1705,23 210 210 2026,90 347,64 2374,54 7764,64 10486,82 -2261,45 240 240 -2206,34 753,21 -1453,13 5242,64 4542,73 -157,97 270 270 -3410,46 -1472,25 -4882,72 4275,12 -2079,85 1385,60 300 300 -673,08 -1470,14 -2143,22 2344,01 -1269,35 6326,95 330 330 -1423,28 1330,46 -92,82 -594,25 643,38 4710,15 360 360 -3410,46 1385,60 -2024,86 -1472,25 -2111,51 4275,12 390 390 9953,92 -911,46 9042,45 347,64 8478,63 2451,14 420 420 10203,35 -549,50 9653,85 753,21 9857,56 -570,68 450 450 8550,25 1385,60 9935,85 -1472,25 9849,19 -1705,23 480 480 15529,28 1013,45 16542,7 -1470,14 16086,03 -443,67 510 510 10485,28 -1103,17 9382,11 1330,46 9609,40 -735,22 540 540 8550,25 -1705,23 6845,01 1385,60 6525,39 -1472,25 570 570 4688,03 -336,54 4351,49 -911,46 3103,48 5768,27 600 600 -1188,50 -711,64 -1900,14 -549,50 -3161,29 6590,11 630 630 -2944,51 -1705,23 -4649,74 1385,60 -4969,37 4275,12 660 660 695,28 4976,96 5672,24 1013,45 11662,65 526,23 690 690 1506,43 5101,68 6608,11 -1103,17 10606,61 -17,01 720 720 -2944,51 4275,12 1330,61 -1705,23 3900,51 1385,60

Таблица 2.4.

Таблицанабегающих моментов на коренные шейки (Н)

α Т1,5 Т2,6 Т1,5+Т2,6 Т3,7

Т1,5+Т2,6+

+Т3,7

Т4,8

Т1,5+Т2,6+

+Т3,7+Т4,8

-2944,51 8550,25 5605,74 -3410,46 2195,27 2771,20 4966,48 30 -2940,28 15529,28 12589,00 -673,08 11915,92 1812,64 13728,56 60 2660,92 10485,28 13146,20 -1423,28 11722,92 -2253,49 9469,42 90 2771,20 8550,25 11321,45 -3410,46 7910,99 -2944,51 4966,48 120 -1822,93 4688,03 2865,10 9953,92 12819,01 909,54 13728,56 150 -1099,00 -1188,50 -2287,51 10203,35 7915,84 1553,58 9469,42 180 2771,20 -2944,51 -173,30 8550,25 8376,94 -3410,46 4966,48 210 2026,90 695,28 2722,18 15529,28 18251,46 -4522,90 13728,56 240 -2206,34 1506,43 -699,91 10485,28 9785,37 -315,95 9469,42 270 -3410,46 -2944,51 -6354,97 8550,25 2195,28 2771,20 4966,48 300 -673,08 -2940,28 -3613,36 4688,03 1074,67 12653,89 13728,56 330 -1423,28 2660,92 1237,63 -1188,50 49,13 9420,29 9469,42 360 -3410,46 2771,20 -639,26 -2944,51 -3583,77 8550,25 4966,48 390 9953,92 -1822,93 8130,99 695,28 8826,27 4902,29 13728,56 420 10203,35 -1099,00 9104,35 1506,43 10610,78 -1141,35 9469,42 450 8550,25 2771,20 11321,45 -2944,51 8376,94 -3410,46 4966,48 480 15529,28 2026,90 17556,18 -2940,28 14615,89 -887,34 13728,56 510 10485,28 -2206,34 8278,94 2660,92 10939,86 -1470,43 9469,42 540 8550,25 -3410,46 5139,78 2771,20 7910,99 -2944,51 4966,48 570 4688,03 -673,08 4014,95 -1822,93 2192,02 11536,53 13728,56 600 -1188,50 -1423,28 -2611,79 -1099,00 -3710,79 13180,21 9469,42 630 -2944,51 -3410,46 -6354,97 2771,20 -3583,77 8550,25 4966,48 660 695,28 9953,92 10649,20 2026,90 12676,09 1052,46 13728,56 690 1506,43 10203,35 11709,78 -2206,34 9503,44 -34,01 9469,42 720 -2944,51 8550,25 5605,74 -3410,46 2195,28 2771,20 4966,48
/>3. Расчет деталей двигателя на прочность/>/> 3.1 Расчетпоршня

Поршеньработает в тяжелых условиях, так как подвергается воздействию как механическихнагрузок от давления газов и сил инерции, так и термических из-за необходимостиотвода теплоты от нагретой газами головки в охлаждающую среду. Кроме того,направляющая часть работает на износ при высоких температурах. Основныетребования к материалу поршня:

- хорошаятеплопроводность;

- малыезначения коэффициента линейного расширения;

- высокаямеханическая прочность и жаростойкость;

- малыйудельный вес.

Дляуменьшения износа юбка поршня имеет бочкообразный профиль по образующей иовальный профиль в поперечном сечении. Днище поршня имеет выемку, а в бобышках сделаныотверстия для прохода масла к поршневому пальцу.

Материалпоршня – алюминиевый сплав.

Исходныеданные:

Толщина днищапоршня d=7,5мм                            

Высота поршня                                                 Н=94,6мм

Высота юбкипоршня                                       hю=67мм

Толщинастенки головки поршня                    S=7,25мм

Величинаверхней кольцевой перемычки        hn=3мм

Числомасляных канавок в поршне                 nм=6

Диаметрмасляных канавок                              dм=0,6мм

Наружныйдиаметр пальца                              dn=27мм

Длина втулкишатуна                                       lш=34мм

Длина пальца                                                     ln=70мм

Расстояниемежду торцами бобышек              в=36мм

/>

Рис.3.1.Расчетная схема поршня

Напряжения,возникающие по контору заделки

/>

/>,

где t –радиальный зазор маслосъемного кольца (t = 3,225 мм);

∆t –радиальный зазор компрессионного кольца (∆t = 0,8 мм).

/>

Напряжения вцентре днища

/>

Рассчитаем сечениеХ-Х

Напряжениясжатия

/>

Напряжениеразрыва в сечении Х-Х

/>

/>

/>

Напряжения вверхней кольцевой перемычке.

а) среза

/>

б) изгиба

/> 

в) суммарное

/> 

Удельноедавление на стенку цилиндра

/>

/>

/>/> 3.2 Расчетпоршневого пальца на прочность

Во времяработы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок,приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации.

Поршневойпалец — стальной, трубчатого сечения. Для повышения износостойкости егонаружную поверхность цементируют и закаливают.

Материалпальца – Ст15Х ГОСТ 4543-71

Исходныеданные:

Наружныйдиаметр пальца                              dn=27мм    

Внутреннийдиаметр пальца                                      dв=18мм

Длина пальца                                                              lп=70мм

Длина втулкишатуна                                       lш=34мм

Расстояниемежду торцами бобышек                        b=36мм

     Расчетнаясила, действующая на поршневой палец:

— газовая:

/>

-инерционная:

/>

/>

Рис.3.2. Расчетнаясхема поршневого пальца а- распределение нагрузки, б- эпюры напряжений

-расчетная:

/>    

где k=0,83 –коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца

/>

Удельноедавление пальца на втулку поршневой головки шатуна

/>

Удельноедавление пальца на бобышки

/>

Напряжениеизгиба в среднем сечении пальца

/>

/>

Касательныенапряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна.

/>

Наибольшееувеличение горизонтального диаметра пальца при овализации

/>

Напряжениеовализации на внешней поверхности кольца в горизонтальной плоскости (т.1 j=0°)

/>

Ввертикальной плоскости (т.3, j=9

/>

Напряжениеовализации на внутренней поверхности кольца в горизонтальной плоскости (т.2, j=

/>

Ввертикальной плоскости (т.4, j=9

/>

Наибольшиенапряжения овализации возникают на внешней поверхности пальца в вертикальнойплоскости. Они не должны превышать 300-350 МПа.

Условиевыполняется.

/>/>3.3 Расчет шатуна на прочность

Шатун подвергаетсявоздействию знакопеременных газовых инерционных сил. Помимо напряжения сжатия встержне шатуна возникают напряжения изгиба и растяжения.

Дляизготовления шатуна должны быть выбраны высококачественные материалы,обладающие высокой прочностью, относительным удлинением, сопротивлением удару,пределом усталости.

Необходимотакже учитывать одно из основных требований к конструкции шатуна – получениеминимальной массы при необходимой прочности и надежности.

Шатунстальной, кованный, двутаврового сечения. В нижней головке шатуна выполненоотверстие, через которое масло разбрызгивается на поверхность цилиндра.

Материалшатуна: Ст 45Г2 ГОСТ 4543-71

/>/>3.3.1 Расчет поршневой головки шатуна

Исходныеданные:

Массапоршневой группы             mп=0,99337кг

Массашатунной группы                         mш=1,245кг

Частотавращения                                             n=4000 об/мин

Ход поршня                                                      S=0,089м

Площадьпоршня                                              Fп=0,0083м2

Диаметрверхней головки шатуна:

Наружный                                                dг=35

Внутренний                                                       d=26мм

Радиальнаятолщина стенки головки />

Для стали45Г2 имеем:                  

Предел прочности                                             />

Пределусталости при изгибе                           />

Пределтекучести                                              />

Расширение-сжатие                                           />

Коэффициентприведения цикла при изгибе aσ=0,17

Коэффициентприведения цикла при растяжении-сжатии aσ=0,12

При изгибе:

/>

Прирастяжении-сжатии:

/>

/>

Рис.3.3. Расчетнаясхема шатунной группы

Расчетсечения I-I

Максимальноенапряжение пульсирующего цикла

/>

Среднеенапряжение и амплитуда напряжения.

/>

/>

eм=0,86 – масштабный коэффициент

en=0,9-коэффициент поверхностной чувствительности (чистоеобтачивание внутренней поверхности головки)

/>

то запаспрочности в сечении I-I определяем по пределу усталости

/>

Напряжения отзапрессованной втулки:

удельноедавление на поверхности соприкосновения втулки с головкой

/>

где /> — коэффициентПуассона;

/> - суммарныйнатяг.

Напряжения отсуммарного натяга на внешней поверхности головки

/>

напряжения отсуммарного натяга на внутренней поверхности головки

/>

/>

Рис.3.4.Расчетная схема головки шатуна

а- прирастяжении; б- при сжатии

Расчет наусталостную прочность сечения перехода головки шатуна в стержень.

-Максимальнаясила, растягивающая головку

/>

-Нормальнаясила и изгибающий момент в верхней части шатуна

/>

-Нормальнаясила и изгибающий момент в расчетном сечении от растягивающей силы

/>

-Напряженияна внешнем волокне от растягивающей силы

/> -

Суммарнаясила, сжимающая головку:

/> 

-Нормальнаясила и изгибающий момент в расчетном сечении от сжимающей силы.

/>

-Напряжениена внешнем волокне от сжимающей силы

/>

-Максимальноеи минимальное напряжение а симметричного цикла

/>

-Среднеенапряжение и амплитуда напряжений

/>

то запаспрочности в сечении перехода головки шатуна в стержень определяем по пределутекучести

/>

/>/>3.3.2 Расчет кривошипной головки шатуна

Исходныеданные

Массашатунной группы:  mш = 1,245 кг

Масса шатуна,сосредоточенная на оси поршневого пальца mшп = 0,342 кг

Масса шатуна,сосредоточенная на оси кривошипа mшк = 0,903 кг

Масса крышкикривошипной головки mкр = 0,25 mш=0,311 кг

Диаметршатунной шейки dшш = 60мм

Толщинастенки вкладыша tb = 3,14 мм

Расстояниемежду шатунными болтами сб = 77 мм

Длинакривошипной головки lk = 27 мм

Максимальнаясила инерции

/>

Моментсопротивления расчетного сечения:

/>

Моментинерции вкладыша и крышки

/>

Напряженияизгиба крышки и вкладыша.

/>;

/>

/>/>3.3.3 Расчет стержня шатуна

Длина шатуна:lш = 166 мм

Размерысечения шатуна: bш=15,75 мм, aш=7,5 мм, tш=4мм,hш=30 мм

Внутреннийдиаметр головки d1 =67мм

Издинамического расчета имеем:

/>

Площадь имомент инерции расчетного сечения В – В

/>

/>

Максимальноенапряжение от сжимающей силы в плоскости качания шатуна

/>

В плоскостиперпендикулярной плоскости качания шатуна

/>

L1– длина стержня шатуна между расточками верхней и нижней головок шатуна.

L0–расстояние между осями головок шатуна.

Минимальноенапряжение осей растягивающей силы

/>

Средниенапряжения и амплитуды цикла:

/>

/>

где /> - эффективныйкоэффициент концентрации напряжений;

т.к. />                           

и />                           

запаспрочности в сечении определяется по пределу усталости

/>  

/>     

/>/>3.3.4 Расчет шатунных болтов

Из расчетакривошипной головки шатуна имеем: максимальная сила инерции, растягивающаякривошипную головку и шатунный болт Pjp=0,0122МH

Принимаем:

номинальныйдиаметр болта          d=11 мм                                        

шаг резьбы                                     t=1мм                                            

количествоболтов                          iб=2                                                 

материалболта Сталь 40Х ГОСТ4543 – 71

Для указаннойстали имеем: σв = 800 МПа

                                                                                              σт = 700МПа

                                                                                              σ-1р =260 МПа

                                                                                              ασ =0,12

/>  ;                                                                

/>   ;                                                      

Силапредварительной затяжки

/>;                                                  

Суммарная сила,растягивающая болт

/>, Н;                                                                                

где х = 0,2 –коэффициент основной нагрузки резьбового соединения

/>;

Максимальноеи минимальное напряжение, возникающее в болтах:

/> 

Среднеенапряжение и амплитуда цикла

/>;

/>;

/> 

т.к. />, то запаспрочности

определяетсяпо пределу текучести

/>      

 

/>/>3.4 Расчет коленчатого вала на прочность

Коленчатыйвал – наиболее сложная в конструктивном отношении и наиболее напряженная детальдвигателя, воспринимающая периодические нагрузки от сил давления газов, силинерции и их моментов.

Исходныеданные:

Радиускривошипа  R=44,7мм

Наружныйдиаметр коренной шейки />

Длинакоренной шейки                                     />

Наружныйдиаметр шатунной шейки />

Длинашатунной шейки />

         Длястали 50Г имеем:           

Пределпрочности                                             />

Пределусталости при изгибе                           />

Пределтекучести                                              />, />

Расширение-сжатие                                           />

Пределусталости при кручении />

Коэффициентприведения цикла при изгибе aσ=0,18

Коэффициентприведения цикла при растяжении-сжатии aσ=0,14

Коэффициентприведения цикла при кручении />

При изгибе:

/>

Прирастяжении-сжатии:

/>

При кручении:

/>

/>/> 3.4.1 Расчет коренной шейки

Моментсопротивления коренной шейки кручению

/>

Максимальноеи минимальное касательное напряжения знакопеременного цикла для наиболеенагруженной 3-й коренной шейки (см. табл. 2.4)

/>

/>

/>

Среднее напряжениеи амплитуда напряжений:

/>

/>-

коэффициентконцентрации напряжений

/>-коэффициентповерхностной чувствительности

/>– масштабныйкоэффициент

q=0.71-коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений

/> 

то запаспрочности коренной шейки определяют по пределу усталости:

/>

/>/>3.4.2 Расчет шатунной шейки

Моментсопротивления кручению шатунной шейки

/>

Максимальноеи минимальное касательное напряжения знакопеременного цикла для наиболеенагруженной 3-й шатунной шейки (см. табл. 2.3)

/>

/>

/>

Среднее напряжениеи амплитуда напряжений:

/>

/>-

коэффициентконцентрации напряжений

/>-коэффициентповерхностной чувствительности

/>– масштабныйкоэффициент

q=0.71-коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений

/> 

то запаспрочности коренной шейки определяют по пределу усталости:

/>

Моменты,изгибающие шатунную шейку однопролётного коленчатого вала в плоскости,перпендикулярной плоскости кривошипа:

/>

/>

где />

Масляноеотверстие на шатунной шейке целесообразно сделать в горизонтальной плоскости(φм=45˚)

/>

расчетмоментов приведен в табл.3.1.

Максимальныеи минимальные нормальные напряжения ассиметричного цикла в шатунной шейке:

/>

/>

где />

Таблица 3.1.

φ МТ Мz Мφм 330,29 -628,77 -211,33 30 941,63 -397,87 384,12 60 840,91 -51,86 557,69 90 603,44 -38,34 399,40 120 588,32 -220,89 259,59 150 270,26 -328,38 -41,27 180 268,22 -347,61 -56,31 210 682,74 -328,38 250,28 240 351,12 -228,25 86,72 270 -33,05 -49,52 -58,39 300 -46,51 -22,70 -48,94 330 2,44 -162,15 -112,98 360 -109,17 -37,41 -103,63 390 688,86 864,01 1098,10 420 672,44 160,21 588,63 450 617,49 -162,42 321,57 480 1134,37 -417,83 506,23 510 729,89 -525,43 144,22 540 452,81 -439,70 9,02 570 199,00 -344,15 -102,79 600 -157,90 -228,21 -273,04 630 -245,75 -41,32 -202,93 660 836,05 -48,97 556,30 690 703,98 -389,74 221,89 720 330,29 -628,77 -211,33 min -273,04 max 1098,10

Среднее напряжениеи амплитуда напряжений:

/>

/> — коэффициентконцентрации напряжений

/>-коэффициентповерхностной чувствительности

/>– масштабныйкоэффициент

q=0,71- коэффициентчувствительности материала к концентрации напряжений

Запаспрочности шатунной шейки от нормальных напряжений определяется по пределуусталости:

/>

Общий запаспрочности шатунной шейки:

/>

/>/> 3.4.3 Расчет щеки

Проверканеобходимости расчета щеки. Если выполняется условие:

/>,

то проводитьпроверочный расчет щеки нет необходимости:

/>,

55,5 мм > 41,05 мм → значит проверять щеки на прочность нет необходимости.

/>/>Список использованнойлитературы

1.  Воробьев В.И.Автомобильные двигатели. Расчет и конструирование автомобильного двигателя.Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов дневнойформы обучения специальности 1505 «Автомобили и автомобильное хозяйство»-Брянск БИТМ – 1990 – 42 с.

2.  Колчин А.И. Демидов В.П.Расчет автотракторных двигателей. М, «Высшая школа» 1979, 345 с.

3.  Ховак М.С. Маслов Т.С.Автомобильные двигатели изд. 2-е пер. и доп. М «Машиностроение», 1971, 4456 с.

/>Приложения

Развёрнутаядиаграмма износа шатунной шейки

/>