И.А. Холмянский

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Конспект лекций

Омск – 2010

Министерство науки и образования РФ

ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная

академия (СибАДИ)»

И.А. Холмянский

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Конспект лекций

Омск

СибАДИ

2010

УДК 658.562:691 (075)

ББК -88

Рецензенты - Доктор техн. наук, профессор кафедры «Авиа и ракетостроения» ОмГТУ В.И. Кузнецов; канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой технологии машиностроения и технического сервиса АПК ФГОУ ВПО Ом ГАУ О.М. Кирасиров; ген. директор ЗАО ППСРО «Агропромдорстрой» В.В. Привалов

Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве курса лекций для специальностей 140501 «Двигатели внутреннего сгорания» направления 140500 «Энергомашиностроение»,190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования», 190601 «Автомобили и транспортное хозяйство».

Холмянский И.А.

Конструирование двигателей внутреннего сгорания: конспект лекций. – Омск, СибАДИ, 2010. – с.

Даны описания всех основных конструкций двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Приведены методики расчетов деталей, узлов и систем, обеспечивающих работу двигателей, а также основных нормативных документов, которые необходимо учитывать при проектировании ДВС.

Предназначен для студентов очной и заочной форм обучения по специальностям 140501 «Двигатели внутреннего сгорания» направления 140500 «Энергомашиностроение», 190603 «Сервис транспортных и технологических машин и оборудования», 190601 «Автомобили и транспортное хозяйство».

Ил.94. Табл. 19. Прил.1. Библиогр.: 8 назв.

.

1SBN © ГОУ «СибАДИ», 2010

Содержание

Лекция 1. Конструирование двигателя внутреннего сгорания………………...	4
Лекция 2. Проектирование ДВС. Общая компоновка…………………….........	14
Лекция 3. Численные методы исследования напряженно-деформированного состояния деталей ДВС. Метод конечных элементов…………………………	30
Лекция 4. Метод конечных разностей. Метод граничных элементов ………..	37
Лекция 5. Основы конструирования двигателей внутреннего сгорания. Конструирование поршней…………………………………………………………..	40
Лекция 6. Расчеты поршня……………………………………………………….	43
Лекция 7. Расчеты поршневого пальца ……………………………………........	47
Лекция 8. Шатунная группа ….………………………………………………….	54
Лекция 9. Расчет поршневой головки…….……………………………………..	57
Лекция 10. Расчет кривошипной головки……………………………………….	60
Лекция 11. Коленчатые валы……………………………………………………..	62
Лекция 12. Расчет шатунных шеек ……………………………………………...	67
Лекция 13. Неравномерность вращения коленчатых валов. Маховик………..	75
Лекция 14. Корпусные элементы двигателей внутреннего сгорания…………	78
Лекция 15. Механизм газораспределения (МГР) ……………………………...	86
Лекция 16. Пружины клапанов ……………………………………………….	92
Лекция 17. Профилирование кулачков …………… ……………………………	97
Лекция 18. Система смазки ……………………………………………………...	103
Лекция 19. Расчет подшипников скольжения …………………………….……	111
Лекция 20. Системы охлаждения ………………………………………………..	116
Лекция 21. Радиаторы …...……………………………………………………….	120
Лекция 22. Вентиляторы …………………………………………………………	125
Лекция 23. Воздушные системы охлаждения …………………………………..	129
Лекция 24. Художественное конструирование. Анализ конструкций и перспектива развития поршневых двигателей …………...………………….……..	133
Библиографический список	139
Приложение	140

Лекция 1. Конструирование двигателя внутреннего сгорания. Введение

Что такое конструирование или проектирование двигателя? В результате конструирования инженер выпускает чертежи какого-либо изделия. Прежде чем инженер возьмет карандаш или сядет за компьютер, он должен знать, какими свойствами должно обладать изделие и в каких условиях оно будет работать. Это означает, что он должен определить, какие силы, температура, влажность и другие параметры будут воздействовать как на само изделие, так и на его элементы или узлы. Причем эти параметры подразделяются на внутренние и внешние. Внутренние  воздействуют на изделие при работе, а внешние  постоянно от окружающей среды. Только при наглядном представлении всех реальных воздействий можно создать работоспособную конструкцию. И здесь конструктору помогает его интуиция и пространственное (в образах) мышление. В том случае, если изделие уже эксплуатировалось, инженер анализирует его недостатки и какие новые требования выдвигает жизнь или рынок.

Определим требования, предъявляемые к автомобильному двигателю при его проектировании:

1. Экономичность на всех режимах работы (небольшой удельный расход топлива).

2. Крутящий момент на валу двигателя или мощность, хорошая приемистость при изменении режима (быстрое повышение частоты вращения, быстрый запуск).

3. Высокая удельная мощность и малые габариты.

4. Удобство эксплуатации и простота технического обслуживания.

5. Низкая токсичность отработавших газов.

6. Высокая надежность, большой ресурс или время безаварийной работы до ремонта.

При проектировании инженер должен обеспечить выполнение всех этих требований. Проблеме как достигается это при конструировании ДВС. посвящен данный курс лекций. Рассмотрим упрощенную схему (рис. 1). Давление газов в надпоршневом пространстве образующихся при сгорании топлива воздействует на поршень и на головку цилиндра и через нее на болты крепления головки. От поршня суммарная сила газов передается к пальцу, где она раскладывается на две силы: одна направлена по шатуну S, а вторая – на стенку цилиндра N. Величины этих сил находят из треугольника разложения сил. Сила S передается через кривошипную головку шатуна на шейку кривошипа. Здесь она раскладывается на две силы – Т и К. Сила T создает крутящий момент на валу двигателя, а сила К приходит на коренные шейки коленчатого вала и через корпусные детали разлагается на вертикальные и горизонтальные составляющие К_х, К_у и передается на опоры крепления двигателя и раму автомобиля.

Кроме газовых сил на детали двигателей действуют силы инерции, движущихся масс: поршней, шатунов и кривошипов и маховика, которые служат аккумулятором момента вращения для снижения крутильных колебаний во всех системах двигателя.

. Курсовой проект, выполняемый студентом по данному курсу, содержит:

1. Конструкцию и расчет поршневой группы (поршня, поршневых колец, пальца).

2. Конструкцию и расчет шатунной группы (стержня шатуна, поршневой головки, кривошипной головки и болтов).

3. Конструкцию и расчет коленчатого вала (коренных и шатунных шеек, щек; особенности расчета для рядного и V-образного двигателей).

4. Расчет корпусов двигателей; расчет газового стыка.

5. Конструкцию и расчет газораспределения.

6. Конструкцию и расчет подшипников.

7. Конструкцию и расчет смазочной системы.

8. Конструкцию и расчет систем впуска, наддува и выпуска отработанных газов двигателя.

9. Конструкцию и расчет деталей системы охлаждения.

Исходные данные для конструирования получают из теплового, кинематического и динамического расчетов.

Остановимся на основных требованиях, предъявляемых к выполнению курсового проекта. Как чертежи, так и порядок выполнения всех расчетов определяется требованиями ГОСТов. Поэтому на первом практическом занятии необходимо ознакомиться с требованиями на составление технического задания по проектированию нового двигателя, затем изучить требования к чертежам деталей сборочных единиц, оформлением спецификации к чертежам в соответствии с ЕСКД.

Чертеж детали по ЕСКД должен иметь, кроме конфигурации детали, все размеры и допуски на каждый размер, сведения о чистоте механической обработки всех поверхностей; ГОСТ на материал, из которого изготавливается деталь, и технические условия, определяющие точность изготовления сопряженных поверхностей, вид термической обработки (твердость поверхности и сердцевины), виды химических покрытий.

С борочный чертеж обязательно должен иметь, кроме конфигурации, посадочные размеры всех деталей, которыми они присоединяются к другим узлам, допуски и посадки для замыкающих размеров, получаемые из расчета размерных цепей, а также технические условия, определяющие сборку и монтаж узла на изделие. Все виды обязательной конструкторской документации по ЕСКД приведены на рис. 2.

На рис. 3, 4 приведен общий вид двигателя КамАЗ-740, а на рис. 5, 6 – общий вид двигателя ВАЗ (продольный и поперечный разрезы).

На рис. 7 и 8 показаны рабочие заводские чертежи впускного и выпускного клапанов.

Лекция 2. Проектирование ДВС. Общая компоновка

Проектирование ДВС начинается с изучения требований потребителей в различных отраслях промышленности: авиации, автомобильном транспорте, судостроении, энергомашиностроении и для агрегатов специального назначения. Обычно свойства ДВС оформляются в виде проспекта (рис. 8, 9).

Среди этих свойств отмечаются обычно следующие показатели:

1. Номинальная мощность N_е, кВт.

2. Экономичность или эффективная мощность N_л, кВт.

3. Среднее эффективное давление Р_е, МПа.

4. Рабочий объем iV_л, л; i – число цилиндров; V_л – рабочий объем одного цилиндра.

5. Частота вращения: а) при полной нагрузке, мин^-1;

б) минимальная при холостом ходе, мин^-1.

6. Диаметр поршня D, м.

7. Ход поршня S, м, или отношение S/D.

8. Максимальный крутящий момент, Нм.

9. Чистый сухой вес с маховиком, кг; удельная масса m_N, кг/кВт.

10. Габариты, мм.

11. Тактность двигателя, .

Кроме этого обязательно учитываются: уменьшение объема и массы, срок службы, снижение расходов и трудоемкости обслуживания.

При любом проектировании решается комплекс проблем и ищется оптимальное решение.

Обычно проектирование начинается с определения основных параметров нового ДВС: номинальной мощности N_е, литровой мощности N_л, поршневой мощности N_п, быстроходности С_m и удельной массы m_N.

1. Номинальная мощность равна N_е = p_еniV_л /30, кВт, (2.1)

р_е – среднее эффективное давление, (МПа).

Для заданного S/D и N_е можно найти D:

(2.2)

Варьируя i и S/D, изменяют объем двигателя.

2. Очень часто в качестве одного из основных параметров, особенно применительно к быстроходным автомобильным двигателям, рассматривается литровая мощность.

N_л = p_e n/30, кВт/л; (2.3)

тогда диаметр цилиндра . (2.4)

В современных дизелях N_л =70 – 80 кВт/л.

По литровой мощности судят об эффективности использования рабочего объема и уровня форсирования двигателя.

3. Рассматривают также поршневую мощность, кВт,

N_п = p_eC_m/10, (2.5)

а также мощность, отнесенную к диаметру D цилиндра, которая характеризует уровень форсирования двигателя (тепловую напряженность его поршневой группы).

4. Быстроходность определяют как С_m = Sn/30; м/с. (2.6)

5.Удельная масса двигателя , кг/кВт. (2.7)

Основные показатели, характеризующие конструкцию ДВС, приведены в табл. 1.

Отношение S/D хода поршня к диаметру цилиндра определяет протекание важнейших физических процессов в цилиндре, а также габаритные размеры и массу двигателя. В высокооборотных двигателях с принудительным зажиганием при уменьшении S/D до определенного предела (до 1) повышаются технико-экономические показатели двигателя в связи с повышением средней скорости поршня, повышением механического КПД, снижением высоты двигателя, повышением жесткости его элементов, упрощением размещения деталей гидрораспределения в головке цилиндров.

В дизелях отношение S/D увеличилось для обеспечения качественного протекания рабочих процессов из-за более удачных соотношений размеров камеры сгорания и улучшения процессов газообмена, в особенности для двухтактных двигателей. У последних отношение S/D выросло до 4…4,2, что обеспечило существенный рост экономичности.

Для четырехтактных дизелей значение S/D стало несколько выше единицы (1,05…1,25).

Число цилиндров i связано с диаметром D, т.к. они определяют литраж двигателя и соответственно мощность при заданных эффективном давлении и частоте вращения.

Таблица 1

Основные показатели, характеризующие конструкцию поршневого двигателя

Тип двигателя	е, МПа	n мин-1	Сm, м/с	S/D	i	Nл, кВт/л	mN, кг/кВт
Автомобильный четырехтактный с принудительным воспламенением	0,75… 1,8	4500… 6500	13,3… 17,3	0,85… 1,00	3…8	50…75	1…2,5
Автомобильный четырехтактный дизель (автомобили малой грузоподъемности, легковые)	1,2…2,0	3500… 4200	10,0… 13,5	1,0… 1,2	3…8	30…50	2,2…3,5
Автомобильный четырехтактный дизель (автомобили большой грузоподъемности)	1,5…2,0	1800… 2700	9,5… 11,0	1,0… 1,3	3… 12	22… 30	2,2… 4,4
Тракторный четырехтактный дизель	1,1…1,5	1800… 2100	8,5… 9,5	1,10… 1,35	3…12	17…26	3,8…5,5
Тепловозный четырехтактный дизель	0,8…2,4	750… 1100	6,5…9,5	1,0…1,2	4…20	19…21,5	4,1…5,9
Тепловозный двухтактный дизель	0,67… 0,93	750… 850	7,5…8,5	1,23… 1,3	10…16	10,8… 12,9	6,1…7,8
Судовой быстроходный четырехтактный дизель	1,2…1,35	1500… 2000	10,5… 11,3	1,06… 1,11	6…56	18…20	2,0…2,4
Судовой среднеоборотный четырехтактный дизель	2,2…3,0	375… 1000	8,2… 9,5	1,1…1,6	5…20	6,9…8,3	8…22
Судовой малооборотный двухтактный дизель	1,8…1,9	61…120	7,8…8,5	2,6…4,2	4…9(14)	1,9…4,0	15…45
Специального назначения четырехтактный дизель	1,8…2,5	2000… 3000	12…15	1,0…1,3	6…12	60…70	3,6…5,9
Специального назначения двухтактный дизель	0,95…1,25	2600… 2800	10,5… 11,2	1…1,25	3…6	45…54	1,3…1,6
Авиационный четырехтактный с принудительным воспламенением	1,3…1,8	2500… 5500	9…14	0,77… 1,24	4…9	30…70	0,6…1,22

С уменьшением D и увеличением числа цилиндров i можно увеличить частоту вращения n коленвала и снизить массогабаритные показатели, кроме того, улучшается равномерность вращения, но снижается надежность, усложняется техническое обслуживание. У V-образных двигателей специального назначения число цилиндров может доходить до 20.

Выбрав размеры диаметра поршня D и его ход S, приступают к проектированию кривошипного механизма, вычерчивая его схему для поперечного разреза двигателя по оси цилиндра. При этом производится выбор длинновых размеров шатуна и кривошипа с последующим конструктивным оформлением и прочностным расчетом всех элементов.

Выбор отношения =R/l зависит от длины хода поршня S и характеристики рабочего процесса. Обычно  назначают в диапазоне от ¹/₃ до ¹/₁₂ с учетом соотношения углов  – качания шатуна и  – угла поворота кривошипа: sin  = l sin , .

Тогда крутящий момент коленчатого вала, Нм, равен

М_к = . (2.8)

Дальнейшие расчеты проводят по ранее приведенным методикам.

В настоящее время для проектирования ДВС широко применяют системы автоматизации проектирования (САПР), которые включают модули CAE (расчет и анализ конструкции), CAD (компьютерное конструирование и оформление конструкторской документации) и CAM (автоматизированная подготовка производства). Управление проектированием двигателя в целом осуществляется программным продуктом PDM, который обеспечивает процесс сквозного проектирования в условиях единого информационного пространства с участием различных предприятий в создании и производстве новых двигателей.

В соответствии с ЕСКД процесс разработки включает выпуск технического задания, технического приложения, эскизного технического и рабочего конструкторского проекта. После изготовления опытных образцов производятся их испытания и доводочные работы, разрабатываются технические условия на поставку и эксплуатацию.

Техническое задание (ТЗ) составляется разработчиком головного изделия на базе обоснованных технико-экономических требований заказчика или на основе исследований рынка. На основании ТЗ, согласованного с разработчиком ДВС и заводом-изготовителем, составляется договор, в котором указываются этапы выполнения работ. Затем создается конструкторская документация об устройстве двигателя и собираются все необходимые материалы для разработки конструкции, изготовления, контроля, приемки, испытаний, эксплуатации и ремонта.

После утверждения технического задания составляется техническое предложение, которое содержит обоснование и оценку технико-экономического содержания ТЗ, возможных вариантов, проверку на патентную чистоту и конкурентоспособность и т.п.

Затем выполняются конструкторские эскизный, технический и рабочий проекты.

На каждом этапе производится дальнейшая детализация элементов конструкции и комплектующих узлов предприятий смежников, испытания узлов и снятие их характеристик с последующими уточнениями конструкции.

После изготовления первых образцов ДВС один или несколько ставятся на заводские длительные доводочные испытания. Затем, после доводки, производятся эксплуатационные испытания на заявленный ресурс. И наконец, по завершении последних проводятся приемочные межведомственные или межгосударственные испытания. По итогам этих испытаний утверждаются технические документы для серийного производства.

Далее продолжается изучение опыта эксплуатации, доработка технической документации и дальнейшее совершенствование конструкции двигателя, пока двигатель находится в производстве.