2514
.pdf
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
Х -72
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроения» ОмГТУ В.И. Кузнецов;
канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой технологии машиностроения
итехнического 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.
Х-72 Конструирование двигателей внутреннего сгорания: конспект лекций. –
Омск: СибАДИ, 2010. – 153 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. 98. Табл. 19. Прил.1. Библиогр.: 8 назв.
© ГОУ «СибАДИ», 2010
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лекция 1. Конструирование двигателя внутреннего сгорания………………... |
4 |
Лекция 2. Проектирование ДВС. Общая компоновка……………………......... |
13 |
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. Кон- |
|
струирование 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 …...………………………………………………………. 121 Лекция 22. Вентиляторы ………………………………………………………… 126
Лекция 23. Воздушные системы охлаждения ………………………………….. 130 Лекция 24. Художественное конструирование. Анализ конструкций и пер-
спектива развития поршневых двигателей …………...………………….…….. |
133 |
Библиографический список |
139 |
Приложение |
140 |
3
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. 1.1). 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 ци-
4
линдра 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 Кх, Ку 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
5
Рис. 1.1. Взаимодействие газовых сил на элементы конструкции кри- вошипно-шатунного механизма
которого изготавливается деталь, и технические условия, определяющие точность изготовления сопряженных поверхностей, вид термической обработки (твердость поверхности и сердцевины), виды химических покрытий.
Сборочный 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. 1.2.
На рис. 1.3, 1.4 приведен общий вид двигателя КамАЗ740, а на рис. 1.5, 1.6 – общий вид двигателя ВАЗ (продольный
и поперечный разрезы).
На рис. 1.7 показан рабочий заводской чертеж впускного клапана.
6
Конструкторские документы
7
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Текстовые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Графические |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Проектные |
|
|
|
Рабочие |
|
|
|
|
|
Проектные |
|
Проектные |
|
|
|
Проектные |
|
|
|
Рабочие |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и рабочие |
|
|
|
|
|
|
|
|
и рабочие |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Производ |
- |
|
Эксплуа- |
|
|
Ремонтные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чертежи |
|
|
|
Схемы |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ственные |
|
тационные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Ведомость |
тех- |
|
|
Техническое описа- |
|
|
Общее руководство по |
|
|
|
Чертеж |
|
|
Теоретиче- |
|
Электри- |
|
Чертеж |
||||||||||||||||||||||||||||
|
нического пред- |
|
|
ние. |
|
|
|
|
ремонту. |
|
|
|
общего |
|
|
ский чертеж. |
|
ческая |
|
детали. |
|||||||||||||||||||||||||||
|
ложения. |
|
|
Инструкция по экс- |
|
|
Руководство по средне- |
|
|
|
вида |
|
|
Габаритный |
|
схема. |
|
Сбороч- |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Ведомость эскиз- |
|
|
плуатации. |
|
|
|
|
му ремонту. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чертеж |
|
|
Гидравли- |
|
ный чер- |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
ного проекта. Ве- |
|
|
Инструкция по техни- |
|
|
Руководство по капи- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ческая |
|
теж. |
||||||||||||||||||||
|
домость техниче- |
|
|
ческому обслужива- |
|
|
тальному ремонту. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схема. |
|
Монтаж- |
||||||||||||||||||||
|
ского проекта. |
|
|
нию. |
|
|
|
|
Общие технические ус- |
|
Ведомость покупных изделий. |
|
|
Пневма- |
|
ный чер- |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
Пояснительная |
|
|
Формуляр изделия. |
|
|
ловия на капитальный и |
|
Ведомость согласования приме- |
|
тическая |
|
теж |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
записка |
|
|
Паспорт изделия. |
|
|
(или) средний ремонт. |
|
нения покупных изделий. |
|
|
схема. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Этикетка изделия. |
|
|
Технические условия на |
|
Технические условия. |
|
|
Кинема- |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Ведомость запасных |
|
|
капитальный и (или) |
|
Карта технического уровня и ка- |
|
тическая |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
Спецификация. |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
частей, инструмента и |
|
|
средний ремонт. |
|
чества изделий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схема. |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
Ведомость специ- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
фикаций. |
|
принадлежностей |
|
|
Каталог деталей и сбо- |
|
Программа и методика испыта- |
|
|
Комбини- |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
(ЗИП). |
|
|
|
|
рочных единиц. |
|
ний. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рованная |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Ведомость ссылоч- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
ных документов. |
|
Ведомость эксплуата- |
|
|
Нормы расхода мате- |
|
Таблица. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
схема |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
ционных документов. |
|
|
риала. |
|
Расчет. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
Ведомость держате- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
лей подлинников |
|
Руководство по экс- |
|
|
Ведомость ремонтных |
|
Патентный формуляр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
плуатации |
|
|
|
|
документов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Рис. 1.2. Виды и состав конструкторских документов
8
1 – маслоприемник;
2 – масляный насос;
3 – насос системы охлаждения; 4 – топливный насос
высокого давления; 5 – компрессор;
6– фильтр тонкой очистки;
7– распределительный вал;
8– коленчатый вал;
9– маховик;
10– масляный поддон;
11– вентилятор
Рис. 1.3. Устройство двигателя КамАЗ – 740. Продольный разрез:
Рис. 1.4. Устройство двигателя КамАЗ – 740. Поперечный разрез:
1 – масляный насос; 2 – фильтр тонкой очистки; 3 – противовес коленчатого вала; 4 – фартук; 5 – распределительный вал; 6 – поршневой палец; 7 – поршень; 8 – форсунка; 9 – фильтр тонкой очистки; 10 – компрессор; 11 – бачок гидроусилителя руля; 12 – топливный насос высокого давления; 13 – штанга толкателя; 14 – клапан; 15 – головка цилиндра; 16 – гильза; 17 – блок цилинд-
ров; 18 – картер; 19 – масляный поддон
9