Конструирование и расчет двигателей
.pdf5. СОДЕРЖАНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗДЕЛОВ ПРОЕКТА
5.1. Введение
Во введении отражаются мероприятия, направленные на развитие двигателестроения и тех отраслей народного хозяйства, для которых проектируется двигатель. Описывается ожидаемый экономический эффект от внедрения разрабатываемого двигателя или типажа аналогичных двигателей: повышение производительности труда, снижение затрат на производство и эксплуатацию, улучшение условий труда и т. п.
Кратко формулируется основная цель проектирования нового двигателя.
5.2. Расчет рабочего цикла двигателя
Расчет начинают с выбора следующих исходных данных: температуры окружающей среды – Т, К ; подогрева смеси от стенок – Т, К; давления остаточных газов – Рг, МПа; температуры остаточных газов – Тг, К; коэффициента использования теплоты – ξ; коэффициента полноты диаграммы – φп ; вида топлива (бензин или дизельное топливо); элементарного состава топлива по массе; молекулярной массы топлива – mт ;
низшей теплоты сгорания топлива – Нu, кДж/кг; степени повышения давления – k;
показателей политроп сжатия n1 и расширения n2 . В ходе расчета определяют следующие параметры:
термодинамические параметры рабочего тела (давление и температуру) процессов наполнения, сжатия, сгорания, расширения и выпуска;
показатели, характеризующие действительный рабочий цикл и двигатель в целом;
31
основныеразмерыдвигателя(диаметрцилиндра,ходпоршня); вспомогательные величины для построения индикаторной
диаграммы.
При выполнении расчета рабочего цикла необходимо обращать внимание на его точность, так как ошибка в подсчете одной величины влечет за собой ошибку в результатах всего расчета. В связи с этим рекомендуется основные показатели теплового расчета проектируемого двигателя сопоставлять с аналогичными показателями существующих прогрессивных моделей двигателей аналогичного класса.
5.3. Расчет динамики кривошипно-шатунного механизма
В кривошипно-шатунном механизме при работе двигателя возникают силы, которые создают напряжения в основных деталях и являются причиной их изнашивания или даже разрушения. Величина этих сил и характер их изменения могут быть определены на основании динамического исследования кривошипно-шатунного механизма (КШМ).
Динамическое исследование КШМ выполняется для режима максимальной мощности двигателя в диапазоне угла поворота коленчатого вала (ПКВ), соответствующего длительности одного рабочего цикла (от 0 до 720 град. ПКВ для четырехтактных и от 0 до 360 град. ПКВ для двухтактных двигателей).
Определение величин сил производится аналитическим или графическим методами через угловые интервалы в 30 град. ПКВ, а в местах резкого изменения величин нагрузки (360– 400 град.) – через 10 град. ПКВ.
Последовательность проведения динамического расчета следующая:
определение или выбор из статистических данных величины безразмерного геометрического параметра КШМ ( = R / L);
определение по индикаторной диаграмме сил давления газов напоршеньРГипостроениедиаграммы Рг = f (град. ПКВ);
32
вычисление или выбор из статистических данных величин масс движущихся деталей КШМ mj и mr;
вычисление силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Рj и центробежной силы инерции вращающейся части массы шатуна Кгш. Построение диаграммы Рj = f
(град. ПКВ);
вычисление суммарной силы Р , действующей на поршневой палец по направлению оси цилиндра. Построение диа-
граммы Р = f (град. ПКВ);
вычисление тангенциальной силы Т, действующей на шатунную шейку кривошипа. Построение диаграммы Т = f
(град. ПКВ);
вычисление нормальной силы К, действующей на шатунную шейку кривошипа. Построение диаграммыК = f (град. ПКВ);
построение диаграммы суммарного индикаторного крутя-
щего момента многоцилиндрового двигателя Мкр = f (град. ПКВ) и определение по нему среднего суммарного индика-
торного момента двигателя ( Мкр)ср. Вычисление среднего эффективного крутящего момента двигателя;
построение полярной диаграммы результирующих сил, действующих на шатунную шейку кривошипа.
По полученному среднему индикаторному моменту производится проверка правильности выполнения расчета. Для этого по среднему значению крутящего момента определяется мощность двигателя, которая сравнивается с заданной. Допустимые отклонения не должны превышать 5 %.
5.4.Расчет основных деталей
исистем двигателя
Вданном разделе проекта производится проверка выбранных размеров деталей путем расчета их на прочность. Расчет начинается с определения условий работы двигателя: величины, характера и места приложения нагрузки, материала дета-
33
ли, технологии изготовления, термообработки. Для каждой детали вычерчивается расчетная схема с нанесением основных приложенных нагрузок.
Полученные результаты расчетов необходимо сравнивать с допустимыми величинами. На основании такого сравнения делается вывод о надежности и долговечности спроектированной детали.
Расчету подлежат детали кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем питания (охлаждения, пуска и смазочной).
5.4.1. Кривошипно-шатунный механизм
Цилиндры. При расчете цилиндров и гильз цилиндров определяются напряжение на растяжение по образующей и температурное напряжение. Для конструкции с несущими цилиндрами определяют напряжение на растяжение по кольцевому сечению и напряжение на изгиб от нормальной силы.
Поршень. Плоское днище рассчитывается на изгиб; головка проверяется на растяжение и сжатие по канавке маслосъемного кольца; юбка проверяется на удельное давление от нормальной максимальной силы, первая межкольцевая перемычка – на изгиб и срез у ее основания. Производится расчет зазоров в соединениях.
Поршневые кольца. Определяются напряжение изгиба в рабочем состоянии и при надевании кольца на поршень. Строится эпюра давлений на стенки цилиндра. Производится расчет зазоров в соединениях.
Поршневой палец. Определяется удельное давление в бобышках и верхней головке шатуна; проверяется палец на напряжение изгиба, среза и овализации. Производится расчет зазоров в соединениях.
Шатун. Рассчитываются запасы прочности в поршневой головке, стержне, кривошипной головке и шатунных болтах.
34
Коленчатый вал. Определяются запасы прочности коренной шейки, шатунной шейки и щеки. При этом ведется расчет одного кривошипа, т. е. коленчатый вал рассматривается как разрезная балка.
Для определения максимальных и минимальных значений крутящих моментов за цикл строятся диаграммы набегающих моментов на коренные и шатунные шейки вала.
5.4.2. Газораспределительный механизм
Расчет механизма газораспределения начинается с определения основных параметров: диаметра горловины и проходного сечения клапана, максимального значения подъема клапана, фаз газораспределения, построения профиля кулачка, расчета «время – сечение» клапана, определения средней скорости газа в проходном сечении клапана.
На основании статистических данных определяются массы движущихся деталей механизма и выполняется их приведение к клапану и толкателю. Определяются силы, действующие в клапанном механизме: силы давления газов, силы инерции движущихся масс и силы упругости пружины. Строится характеристика пружины.
Производится расчет на прочность основных деталей: распределительного вала, клапанных пружин, штанг, коромысел, толкателей.
Для клапанных пружин определяются запас прочности, основныеразмеры(Dпр, d, ip,t) ичастотасвободных колебаний.
Распределительный вал рассчитывается на максимальный прогиб и величину контактного напряжения на поверхности кулачка.
Штанги рассчитываются на устойчивость от продольного изгиба, а наконечники проверяются на величину контактных напряжений.
При расчете толкателей проверяется боковая поверхность на удельную нагрузку от боковых сил.
35
Расчет коромысла. Сферическая поверхность регулировочного болта и цилиндрическая поверхность бойка проверяются на контактное напряжение; втулки рассчитываются на удельную нагрузку, ось коромысла на напряжение среза и изгиба.
5.4.3.Система смазывания
Всмазочной системе расчету подлежат количество масла, циркулирующего в системе и емкости системы; подшипники скольжения; масляный насос; масляный радиатор.
5.4.4.Система охлаждения
Рассчитывается: количество теплоты, отводимой в систему охлаждения от двигателя, параметры жидкостного насоса, жидкостного радиатора, вентилятора. Определяется емкость системы жидкостного охлаждения. Для двигателей воздушного охлаждения рассчитываются оребрение головки цилиндров, напор вентилятора.
5.4.5. Система питания
Бензиновый двигатель. Рассчитываются основные размеры карбюратора или форсунки и аккумулятора для двигателей с впрыском легкого топлива.
Дизельный двигатель. Рассчитывается цикловая подача топливного насоса; определяется объем его секции. По цикловой подаче устанавливается диаметр и ход плунжера. По данным расчета подбирается необходимый топливный насос.
Определяются количество и диаметр сопловых отверстий форсунки; подсчитывается площадь всех сопловых отверстий. По полученным данным подбирается необходимый тип и размер форсунки.
36
5.4.6. Система пуска
Производится расчет мощности пускового устройства. Подбирается его тип и марка (пусковой двигатель или электростартер).
5.5. Описание и анализ разрабатываемой системы или агрегата (узла) двигателя
В этом разделе пояснительной записки приводятся описание и особенности конструкции проектируемой системы или агрегата двигателя, дается анализ перспективности данного технического решения.
5.6. Техническая характеристика двигателя
Описывается техническая характеристика спроектированного двигателя в соответствии с ГОСТ-14846-81. Выполняется сравнительный анализ основных показателей спроектированного двигателя и прототипа.
Примерный образец технической характеристики двигателя:
1.типдвигателя (тактность,дизельный или карбюраторный).
2.способ смесеобразования;
3.число и расположение цилиндров;
4.порядок работы цилиндров;
5.диаметр цилиндра, мм;
6.ход поршня, мм;
7.рабочий объем, л;
8.степень сжатия;
9.максимальная мощность, кВт;
10.частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности, мин–1;
11.максимальный крутящий момент, Н*м;
37
12.частота вращения при максимальном крутящем моменте, мин–1;
13.минимальный удельный расход топлива, г/(кВт*ч);
14.зазоры в клапанах, мм;
15.фазы газораспределения, град;
16.сухая масса двигателя, кг;
17.технический ресурс до первого капитального ремонта, часов (км пробега);
18.основные заправочные емкости, л: а) смазочная система; б) система питания; в) система охлаждения.
Примечание. Массу двигателя принимают по данным прототипа.
5.7.Заключение
Вэтом разделе приводится сравнение спроектированного двигателя с аналогичными конструкциями данного класса. Отмечаются нововведения, сделанные в конструкции двигателя, указываются возможности его модернизации и форсирования. Указывается, что по результатам расчетов достигнута требуемая прочность и долговечность деталей двигателя при назначенных размерах и материалах деталей.
5.8.Список использованной литературы
Список литературы, использованный в процессе проектирования, составляется в алфавитном порядке по фамилии авторов. Все данные о литературном источнике приводятся с необходимой полнотой для возможности отыскания его в библиотеках.
38
6. ЗАЩИТА КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Выполненный курсовой проект допускается к защите решением консультанта, о чем он делает соответствующую надпись на обложке пояснительной записки: «К защите». Защита курсового проекта проводится в комиссии, в состав которой входят консультант курсового проекта и один-два преподавателя кафедры, назначенные заведующим кафедрой.
При защите курсового проекта студент должен раскрыть в своем докладе следующие основные вопросы:
назначение, область применения, конструкцию и техникоэкономическую характеристику разработанного ДВС;
методики расчета и методы проектирования; конструкцию и работу разработанной системы или агрегата
двигателя; полученные результаты и степень новизны принятых
решений.
Время отводимое студенту на доклад 5–8 мин.
Вопросы, задаваемые студенту членами комиссии, не должны выходить за рамки тематики курсового проекта и тех конкретных задач, которые решались студентом в процессе курсового проектирования.
Оценка курсового проекта осуществляется согласно действующему положению о курсовых экзаменах и зачетах в высших учебных заведениях в соответствии с утвержденными критериями оценок.
Студент, не представивший в установленный срок курсовой проект или не защитивший его, считается имеющим академическую задолженность. Продление срока защиты устанавливается деканом факультета по согласованию с кафедрой при наличии у студента уважительных причин к невыполнению проекта.
39
7. ПОРЯДОК ХРАНЕНИЯ ПРОЕКТОВ
После защиты курсовые проекты хранятся на кафедре у материально ответственного лица. Проект принимается на хранение в установленном кафедрой порядке, срок хранения – два года. Допускается увеличение срока хранения. По истечении срока хранения курсовые проекты, не представляющие для кафедры интереса, списываются по акту через архив БНТУ и сдаются в соответствии с утвержденным графиком.
Запрещается выдача курсового проекта студентам и посторонним организациям за исключением случаев, когда его содержание используется автором в других работах или представляет интерес для научно-исследовательской работы студентов. Во всех перечисленных случаях выдача курсового проекта оформляется с разрешения проректора по учебной работе.
Заведующему кафедрой предоставляется право выдачи автору хранящегося курсового проекта, если тот выполняет дипломный проект при условии, что результаты курсового проектирования являются составной частью задания или исходными данными для дипломного проекта. Перед защитой дипломного проекта студент должен вернуть выданный ему курсовой проект на кафедру.
40