3. Побудова теоретичної зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

З метою наступного динамічного розрахунку автомобіля, за результатами теплового розрахунку двигуна будуються відповідні до типу двигуна теоретичні характеристики: регуляторна характеристика дизеля або швидкісна характеристика двигуна з іскровим запалюванням. Вихідними даними для їхньої побудови є: тип двигуна (із запаленням від стиску або з іскровим запалюванням), номінальна потужність у кВт, номінальна частота обертання в хв^-1, питома у г/(кВт*год) і годинна в кг/год витрати палива на номінальному режимі роботи двигуна.

1. Вибираються масштаби для побудови графіка. Масштаб по осі абсцис графіка (масштаб частоти обертання) вибирають орієнтуючись на значення , і .

Номінальна частота обертання двигуна = 3400 хв^-1 за завданням, частота = 0,2 = 0,2∙3400 = 680 хв^-1. Частота обертання визначимо залежністю:

хв^-1. (3.1)

Проміжні точки значень потужності карбюраторного двигуна знаходять із виразу, задаючись значеннями (таблиця 3):

, кВт. (3.2)

Значення крутного моменту підраховуємо за залежністю:

, Hм. (3.3)

Питому ефективну витрату палива карбюраторного двигуна підраховуємо за залежністю:

, г/(кВт·год), (3.4)

де: – питома ефективна витрата палива при номінальній потужності,

= 350 г/кВт·год.

Годинну витрату палива визначимо за формулою:

. (3.5)

Результати розрахунків зводимо в таблицю 3.

Таблиця 3. Дані для побудови теоретичної швидкісної характеристики

№	n, хв-1	Ne, кВт	Mк, Нм	ge, г/кВт год	Gт, кг/год
1	720	20,88	276,95	358,4388	5,782716
2	1440	44,64	296,05	321,9903	13,21567
3	2160	66,96	296,05	310,6547	19,82351
4	2880	83,52	276,95	324,4318	23,13086
5	3600	90	238,75	363,3218	21,4875

4. Динамічний розрахунок двигуна

Мета динамічного розрахунку двигуна – визначення сил і моментів, що навантажують деталі кривошипно-шатунного механізму (КШМ) і визначення необхідного моменту інерції й маси маховика. Розрахунки виконуються стосовно центрального КШМ.

Правило знаків для сил і моментів, що діють у КШМ, показані на рис. 1.

4.1. Визначення сил, що діють на поршень і поршневий палець

На поршень і поршневий палець діють сили тиску газів і сили інерції .

Силу тиску газів визначаємо за формулою

, Н. (4.1)

де p_x – поточне значення тиску газів по індикаторній діаграмі, МПа;

D – діаметр циліндра, м.

Для подальших розрахунків потрібно виразити силу P_Г у функції від кута повороту колінчатого вала.

На ділянках графіка:

0...180° (такт впуску) p_x = p_a = const; (4.2)

540...720° (такт випуску) p_x = p_r = const. (4.3)

На тактах стиску-розширення для різних значень послідовно визначаємо шляхи поршня S_x в (м) і поточне значення об’єму циліндра V_x в (м³):

; (4.4)

, (4.5)

і для відповідних ділянок графіка визначаємо значення p_x:

180...360° (такт стиску) ; (4.6)

360...540° (такт розширення) . (4.7)

Тут V_a = V_h + V_c; V_z = , у карбюраторних двигунів = 1, а V_z =V_c. Підраховані значення газової сили Р_Г при різних кутах повороту колінчатого вала через прийнятий крок заносяться в таблицю 4.1. Рекомендується ухвалювати крок кута повороту колінчатого вала 30° – в інтервалі 0…330° і 390…720, а в інтервалі 330…390° (процес згоряння) – крок 10°.

Сила інерції мас, що поступально рухаються, кривошипно-шатунного механізму з врахуванням правила знаків:

. (4.8)

Вхідна в ці рівняння маса m може бути при орієнтовних розрахунках представлена сумою , (4.9)

де – маса поршневого комплекту (приймаємо = 0,7 кг);

– маса шатуна (приймаємо = 0,8 кг).

Тоді m = m = 0,7 + 0,275∙0,8 = 0,92 кг. (4.10)

Кутова частота обертання колінчатого вала береться при номінальному швидкісному режимі двигуна, тобто

рад/с.

Результати розрахунків сил = зводимо в таблицю 4 і будуємо графіки. Значення результуючої сили знаходимо як суму з врахуванням правила знаків.

4.2. Визначення сил, що діють на шатунну шийку колінчатого вала

На шатунну шийку діють дві сили (рис.4.1): спрямована по шатуну сила P_t, як складова сили P_рез, прикладена до поршневого пальця; відцентрова сила інерції P_с, створювана частиною маси шатуна.

Геометрична сума P_t і P_c дає результуючу силу R_ш, діючу на шатунну шийку від одного циліндра.

Сили P_t і P_c підраховуємо за формулами:

, Н, (4.11)

де – кут відхилення осі шатуна від осі циліндра при повороті колінчатого вала на кут ; ; з врахуванням правила знаків

, Н, (4.12)

Н.

Сила P_t розкладається на дві складові: силу Z, спрямовану по радіусу кривошипа, і тангенціальну силу T, перпендикулярну радіусу кривошипа:

, Н, (4.13)

, Н. (4.14)

Сила T на плечі, рівному радіусу кривошипа R, створює крутний момент на валу двигуна. Сила T і крутний момент уважаються позитивними, якщо їх напрямок збігається з напрямком обертання колінчатого вала.

Значення тригонометричних величин, що входять у ці формули для різних значень кутів a повороту колінчатого вала й – відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна ( =1/3,6), наведені в таблиці (додаток 3).

Силу R_ш підраховуємо за формулою

, Н. (4.15)

За результатами розрахунків будуємо графік сумарної сили R_ш, що навантажує шатунну шийку.

Отримані значення шуканих сил при різних кутах повороту колінчатого вала заносимо в таблицю 4.

Таблиця 4. Результати динамічного розрахунку

Сили, Н
	Pг	Pj	Pрез	Pt	Z	T	Rш
0	-142	-8861,39	-9003,39	-9003,39	-9003,39	0,00	13375,39
30	-142	-6969,08	-7111,08	-7180,68	-5653,31	-4419,54	10956,24
60	-142	-2504,31	-2646,31	-2726,37	-756,58	-2619,58	5758,86
90	-142	1926,389	1784,39	1857,491	-515,87	1784,39	5203,39
120	-142	4430,694	4288,69	4418,444	-3064,70	3182,64	8089,11
150	-142	5042,692	4900,69	4948,652	-4588,03	1854,91	9150,02
180	-142	5008,611	4866,61	4866,61	-4866,61	0,00	9238,61
210	-52,5887	5042,692	4990,10	5038,938	-4671,73	-1888,75	9238,86
240	183,0864	4430,694	4613,78	4753,369	-3297,01	-3423,89	8398,61
270	805,5725	1926,389	2731,96	2843,88	-789,81	-2731,96	5840,20
300	2607,303	-2504,31	103,00	106,1162	29,45	-101,96	4343,75
330	8710,71	-6969,08	1741,63	1758,675	1384,60	-1082,42	3177,46
340	12649,5	-7992,47	4657,03	4678,191	4223,93	-2010,44	2015,89
350	16739,87	-8639,86	8100,01	8109,45	7908,85	-1791,72	3964,80
360	18631,13	-8861,39	9769,74	9769,74	9769,74	0,00	5397,74
370	54653,42	-8639,86	46013,56	46067,18	44927,64	10178,20	41813,35
380	42685,56	-7992,47	34693,09	34850,73	31466,63	14977,01	30958,52
390	30911,8	-6969,08	23942,72	24177,04	19034,46	14880,40	20890,53
420	11870,64	-2504,31	9366,33	9649,707	2677,84	9271,73	9425,25
450	5888,038	1926,389	7814,43	8134,563	-2259,15	7814,43	10248,78
480	3736,241	4430,694	8166,94	8414,03	-5836,09	6060,68	11871,69
510	2903,054	5042,692	7945,75	8023,514	-7438,81	3007,46	12187,70
540	2679,397	5008,611	7688,01	7688,01	-7688,01	0,00	12060,01
570	109	5042,692	5151,69	5202,109	-4823,01	-1949,92	9399,49
600	109	4430,694	4539,69	4677,038	-3244,07	-3368,91	8327,90
630	109	1926,389	2035,39	2118,774	-588,43	-2035,39	5361,78
660	109	-2504,31	-2395,31	-2467,78	-684,82	2371,11	5585,12
690	109	-6969,08	-6860,08	-6927,22	-5453,76	4263,54	10710,90
720	109	-8861,39	-8752,39	-8752,39	-8752,39	0,00	13124,39

Будуємо графіки сил, значення котрих при різних кутах повороту колінчатого вала беруться з таблиці 4.

Графік сил

Графік сил

За результатами динамічного розрахунку визначаємо параметри деталей КШМ і ГРМ, систем двигуна і трансмісії.