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	-94	-7059,72	-7153,72	-7153,72	-7153,72	0,00	10636,72
30	-94	-5552,15	-5646,15	-5701,41	-4488,69	-3509,08	8709,85
60	-94	-1995,14	-2089,14	-2152,35	-597,28	-2068,04	4574,44
90	-94	1534,722	1440,72	1499,742	-416,51	1440,72	4157,15
120	-94	3529,861	3435,86	3539,811	-2455,27	2549,75	6462,53
150	-94	4017,429	3923,43	3961,828	-3673,11	1485,02	7308,57
180	-94	3990,278	3896,28	3896,28	-3896,28	0,00	7379,28
210	-42,1352	4017,429	3975,29	4014,196	-3721,67	-1504,65	7360,11
240	105,6644	3529,861	3635,53	3745,522	-2597,95	-2697,92	6652,57
270	496,3784	1534,722	2031,10	2114,308	-587,19	-2031,10	4548,83
300	1629,662	-1995,14	-365,48	-376,538	-104,49	361,79	3605,69
330	5490,241	-5552,15	-61,91	-62,5159	-49,22	38,48	3532,43
340	7996,708	-6367,47	1629,24	1636,643	1477,72	-703,34	2125,05
350	10610,78	-6883,23	3727,55	3731,894	3639,58	-824,53	839,27
360	11823,09	-7059,72	4763,37	4763,37	4763,37	0,00	1280,37
370	34647,22	-6883,23	27763,99	27796,35	27108,76	6141,39	24410,92
380	26997,57	-6367,47	20630,10	20723,84	18711,50	8906,02	17641,55
390	19502,77	-5552,15	13950,62	14087,15	11090,74	8670,31	11534,82
420	7452,014	-1995,14	5456,88	5621,977	1560,12	5401,76	5733,80
450	3685,883	1534,722	5220,61	5434,482	-1509,28	5220,61	7223,40
480	2334,029	3529,861	5863,89	6041,301	-4190,34	4351,59	8821,36
510	1811,009	4017,429	5828,44	5885,482	-5456,58	2206,06	9207,76
540	1670,655	3990,278	5660,93	5660,93	-5660,93	0,00	9143,93
570	72,3	4017,429	4089,73	4129,756	-3828,80	-1547,96	7473,87
600	72,3	3529,861	3602,16	3711,143	-2574,10	-2673,16	6620,75
630	72,3	1534,722	1607,02	1672,855	-464,59	-1607,02	4262,16
660	72,3	-1995,14	-1922,84	-1981,02	-549,74	1903,42	4459,37
690	72,3	-5552,15	-5479,85	-5533,48	-4356,48	3405,73	8547,31
720	72,3	-7059,72	-6987,42	-6987,42	-6987,42	0,00	10470,42

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.