Коэффициент неравномерности крутящего момента :
; .
Эффективный крутящий момент двигателя в Н∙м:
Расхождение между полученным по графику и рассчитанным в тепловом расчете значениями :
; <.
5 Расчет деталей на прочность
5.1 Поршень
Таблица 5.1― Размеры элементов поршневой группы
Элементы поршневой группы
Расчетные зависимости для карбюраторного двигателя
Значения
размеров,
мм
Высота поршня
1,05∙D
104
Расстояние от верхней кромки поршня до оси пальца
0,6∙D
60
Толщина днища поршня
0,06∙D
5
Высота юбки поршня
0,7∙D
70
Диаметр бобышки
0,4∙D
40
Расстояние между торцами бобышек
Толщина стенки юбки поршня
3
Толщина стенки головки поршня
0,07∙D
7
Расстояние до первой кольцевой канавки
0,1∙D
10
Толщина первой кольцевой перемычки
0,04∙D
4
Радиальная толщина кольца :
- компрессионного
- маслосъемного
0,0425∙D
0,0425D
4,2
Высота кольца
Радиальный зазор кольца в канавке поршня
0,85
0,9
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии
3.1∙t
13
Внутренний диаметр поршня
D-2(s+t+Δt)
74,6
Число масляных отверстий в поршне
Диаметр масляного канала
0,4∙a
1,2
Наружний диаметр пальца
0,25∙D
25
Внутренний диаметр пальца
0,7∙dn
17,5
Длина пальца
0,83∙D
82
Длина втулки шатуна
Принимаем материал поршня – алюминиевый сплав.
5.1 – Расчетная схема поршневой группы
5.1.1 Днище поршня
Максимальное напряжение изгиба в диаметральном сечении днища поршня в МПа:
где МПа.
Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости, поскольку расчетные напряжение превышает допускаемые 20…25 МПа.
5.1.2 Головка поршня
Головка поршня в сечении , ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.
Для определения напряжения сжатия определяем:
- диаметр поршня по дну канавок в м:
- площадь продольного диаметрального сечения масляного канала в м2:
- площадь сечения головки поршня в м2:
;
.
- максимально сжимающую силу в МН:
Напряжение сжатия в МПа:
Рассчитанное напряжение сжатия не превышает допустимые значения напряжений на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов – (30…40)МПа
Для определения напряжения разрыва в сечении определяем:
- максимальную угловую скорость вращения коленчатого вала при холостом ходе в рад∕с:
- массу головки поршня с кольцами в кг:
где кг – масса поршневого комплекта из динамического расчета
Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс в МН определяется для режима максимальной частоты вращения при холостом ходе двигателя:
где м ― отношение радиуса кривошипа к длине шатуна из динамического расчета.
Напряжение разрыва в МПа:
Рассчитанное напряжение разрыва не превышает допустимые значения напряжений на разрыв для поршней из алюминиевых сплавов – (4…10) МПа.
5.1.3 Юбка поршня
Юбка поршня проверяется на износостойкость по удельному давлению в МПа на стенку цилиндра от максимальной боковой силы :
Рассчитанное значение удельного давления не превышает допустимые значения напряжений для современных двигателей – (0,33…0,96) МПа
5.2 Поршневое кольцо
Проводим расчет компрессионного кольца. Материал кольца – серый чугун.
Среднее давление в МПа кольца на стенку цилиндра определяется по формуле:
где =1∙105 – модуль упругости чугуна
Рассчитанное среднее радиальное давление не превышает допустимые значения, которые составляют (0,11…0,37) МПа.
Для обеспечения хорошей приработки кольца и надежного уплотнения давления кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности должно изменяться по эпюре с повышением давления у замка.
где ― значение отношения давления кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности к среднему давлению.
Таблица 5.2― Построение эпюры давления кольца двигателя на стенку цилиндра
, град
0
30
90
120
150
180
1,05
1,04
1,02
1,0
1,27
1,5
Р, МПа
0,183
0,182
0,178
0,175
0,222
0,262
Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии в МПа:
Напряжение изгиба кольца при надевании его на поршень в МПа:
где ― коэффициент зависящий от способа надевания кольца.
Рассчитанные напряжения при изгибе кольца не превышает допустимые значения, которые составляют (220…450) МПа.
Рисунок 5.2 ― Эпюра давлений компрессионного кольца на стенку цилиндра
5.3 Шатун
Принимаем материал шатуна – Сталь 40.
Материал втулки – Бронза.
Таблица 5.3 ― Размеры элементов шатуна
Элементы шатуна
Значения размеров, мм
Наружный диаметр пальца
Внутренний диаметр поршневой головки
со втулкой
1,2∙
Наружный диаметр головки
1,4∙
38
Минимальная радиальная толщина стенки
головки
(-)/2
Радиальная толщина стенки втулки
2,5
0,385∙D
Диаметр шатунной шейки
0,65∙D
65
Толщина стенки вкладыша
0,04∙
Расстояние между шатунными болтами
1,7∙
110
Длина кривошипной головки
0,75∙
50
Размеры среднего сечения В-В шатуна:
-
0,50∙
1,22∙
0,55∙
4,0…7,5
52
67
19
5.3.1 Поршневая головка
Минимальная частота вращения коленчатого вала холостого хода в мин-1:
Максимальная угловая скорость вращения коленчатого вала при холостом ходе в рад/с:
Рисунок 5.3 – Схема шатунной группы
Разрывающая сила инерции в Н при :
где ― масса поршневого комплекта, кг,
― масса верхней части головки шатуна, кг
Площадь в мм2 опасного сечения верхней головки шатуна:
Напряжение разрыва а МПа:
Из условия обеспечения достаточной жесткости поршневой головки напряжение разрыва не превышает максимальных значений (20…50)МПа.
5.3.2 Кривошипная головка
Максимальная величина силы инерции в МН:
где ― масса отъемной крышки кривошипной головки,
; кг
Для определения напряжения изгиба крышки в МПа находим:
- внутренний радиус кривошипной головки в м:
- момент инерции расчетного сечения крышки в м4:
- момент инерции расчетного сечения вкладыша в м4:
- суммарную площадь крышки и вкладыша в расчетном сечении в м2:
- момент сопротивления расчетного сечения крышки без учета ребер жесткости в м2:
Напряжение изгиба в МПа:
Крышка кривошипной головки должна быть усилена ребрами жесткости, так как расчетное напряжение превышает допускаемые (100…300) МПа.
5.3.3 Стержень шатуна
Сила, сжимающая шатун в МН по результатам динамического расчета:
Сила, растягивающая шатун в МН по результатам динамического расчета:
Площадь среднего сечения шатуна в м2:
Минимальное напряжение в МПа, возникающее в сечении В-В от растягивающей силы:
От сжимающей силы в МПа в сечении В-В возникают максимальные напряжения сжатия и продольного изгиба:
- в плоскости качания шатуна:
; МПа,
где ― коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости качания шатуна,
- в плоскости перпендикулярной плоскости качания шатуна:
; МПа.
где ― коэффициент, учитывающий влияние продольного изгиба шатуна в плоскости, перпендикулярной плоскости качанию шатуна,
Напряжения и не превышают предельных значений для углеродистых сталей (160…250) МПа.
6 Расчет системы жидкостного охлаждения
6.1 Емкость системы охлаждения
в дм3 выберем из диапазона значений:
Принимаем дм3.
6.2 Жидкостный насос
Принимаем:
- количество теплоты отводимой охлаждающей жидкостью от двигателя Дж/с;
- средняя теплоемкость жидкости Дж/(кг∙К);
- средняя плотность жидкости кг/м3;
- температурный перепад жидкости в радиаторе К.
Циркуляционный расход жидкости в системе охлаждения двигателя в м2/с:
Принимаем коэффициент подачи насоса
Расчетная производительность насоса в м3/с:
- скорость жидкости на входе в насос м/с;
- радиус ступицы крыльчатки м;
Радиус выходного отверстия крыльчатки в м:
- углы между направлениями скоростей , и : и ;
- гидравлический КПД .
Окружная скорость потока жидкости на входе колеса в м/с:
Передаточное отношение ременного привода тот коленчатого вала принимаем .
Частота вращения насоса в мин-1:
Радиус крыльчатки колеса на входе в м:
Окружная скорость входа потока в м/с:
Угол между скоростями и принимается .
Угол ; .
Принимаются:
- число лопаток на крыльчатке ;
- толщина лопатки у входа м;
- толщина лопатки у выхода м.
Ширина лопатки на входе в м:
Радиальная скорость потока на выходе из колеса в м/с:
Ширина лопатки на выходе в м:
Принимаем механический КПД насоса .
Мощность потребляемая жидкостным насосом в кВт:
6.3 Жидкостный радиатор
- количество теплоты, отводимой от двигателя через охлаждающую жидкость к окружающему воздуху Дж/с;
- средняя теплоемкость воздуха Дж/(кг∙К);
- объемный расход жидкости, проходящей через радиатор
- температурный перепад К;
- температура перед радиатором К.
Количество воздуха, проходящего через радиатор в кг/с:
Массовый расход жидкости, проходящей через радиатор в кг/с:
Средняя температура охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор, в К:
- оптимальное значение температуры К.
Средняя температура жидкости в радиаторе в К:
Коэффициент теплопередачи радиатора принимаем Вт/(м2∙К).
Поверхность охлаждения радиатора в м2:
6.4 Вентилятор
- массовый расход воздуха, подаваемый вентилятором кг/с;
- средняя температура воздуха К;
- напор, создаваемый вентилятором Па.
Плотность воздуха при средней его температуре в радиаторе в кг/м3:
Производительность вентилятора в м3/с:
Задаем скорость воздуха перед фронтом радиатора без учета скорости движения автомобиля м/с.
Фронтовая поверхность радиатора в м2:
Диаметр вентилятора ; м.
Окружная скорость вентилятора ; м/с.
где ― коэффициент, зависящий от формы лопастей: для криволинейных .
Частота вращения вентилятора в мин-1:
Мощность в кВт, затрачиваемая на привод вентилятора:
где ― КПД вентилятора, - для литого вентилятора.
Приложения
Приложение 1
Таблица сравнения показателей рассчитанного двигателя с прототипом
Показатели
Тип двигателя
Прототип
Рассчитанный
Коэффициент избытка воздуха α
0,85…0,98
Давление остаточных газов , МПа
1,05…1,25
1,12
Температура остаточных газов , K
900…1100
1000
Степень подогрева заряда
0…20
15
Коэффициент остаточных газов γr
0,04…0,10
0,061
Температура в конце впуска , К
340…370
347,8
Коэффициент наполнения
0,70…0,90
0,764
Показатель политропы сжатия
1,34…1,38
1,36
Температура в конце сжатия , К
600…800
751,5
Давление в конце сжатия , МПа
0,9…2,0
1,56
Степень повышения давления цикла
3,2…4,2
3,76
Степень предварительного расширения
Температура конца видимого сгорания , К
2400…3100
2630
Максимальное давление сгорания , МПа
3,5…7,5
5,86
Показатель политропы расширения
1,23…1,30
1,258
Температура в конце расширения , К
1200…1700
1514,1
Давление в конце расширения , МПа
0,35…0,6
0,397
Средняя скорость поршня , м/с
9…16
13,5
Среднее эффективное давление , МПа
0,6…1,1
0,75
Эффективный КПД
0,23…0,38
0,29
Механический КПД
0,75…0,92
0,80
Эффективный удельный расход топлива , г/(кВт·ч)
2300…3100
282,6
Отношение
0,86…1,07
1,95
Относительная теплота , %
23…38
29,00195604
24..32
24,09538035
30…55
28,01157978
0…21
14,11670973
3…10
4,774374102
Фазы газораспределения:
-открытие впускного клапана до ВМТ , град
10…35
27
-закрытие впускного клапана после НМТ , град
40…85
-открытие выпускного клапана до НМТ , град
40…70
55
-закрытие выпускного клапана после ВМТ , град
10…50
35
Критерий Гинцбурга , кВт/см
1,3…2,8
2,03
Критерий Костина
3,5…9,0
8,97
Масса двигателя в кг
152,6…450
281,05
Приложение Б
Техническая характеристика двигателя
1. Тип двигателя – карбюраторный..
2. Число тактов – 4.
3. Число и расположение цилиндров – 4, рядное.
4. Порядок работы цилиндров –
5. Расположение и число клапанов в цилиндре – верхнее, по два в цилиндре.
6. Рабочий объем двигателя, дм3 – 2,9.
7. Диаметр цилиндра, мм – 98,8.
8. Ход поршня, мм – 95.
9. Степень сжатия – 8,5.
10. Номинальная мощность, кВт – 80,3.
11. Максимальная рабочая частота вращения, мин-1 – 4400.
12. Габаритные размеры двигателя, мм – 770х525х725.
13. Направление вращения коленчатого вала – правое.
14. Максимальное среднее эффективное давление, МПа – 0,94.
15. Максимальный эффективный крутящий момент, Н∙м – 217,8.
16. Минимальная частота вращения коленчатого вала, мин-1 – 600.
17. Частота вращения при максимальном крутящем моменте, мин-1 – 2200.
18. Сорт топлива – бензин А-76 по ГОСТ 2084-77.
19. Минимальный удельный расход топлива, г/(кВт∙ч) – 250,8.
20. Фазы газораспределения: впуск (начало, конец), выпуск (начало,
конец) – (27, 60), (55, 35).
21. Наличие наддува – нет.
22. Тип системы охлаждения – жидкостный, закрытый с принудительной
циркуляцией.
23. Объем смазочной системы, дм3 – 6.
24. Объем жидкостной системы охлаждения, дм3 – 18.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
