- •Г.В.Штайн расчет теплового двигателя
- •Isbn © Государственное образовательное
- •Введение
- •1.Тепловой расчет двигателя
- •1.1. Процессы впуска и выпуска
- •2. Построение расчетной индикаторной диаграммы
- •После планиметрирования площади индикаторной диаграммы расчетного цикла соответствующего двигателя определяют среднее индикаторное давление газов:
- •3. Построение эксплуатационных характеристик двигателя
- •3.1. Построение внешней скоростной характеристики двигателя
- •Коэффициенты для построения скоростной характеристики
- •Показатели двигателя для построения скоростной характеристики
- •3.2.Построение регуляторной характеристики дизеля
- •3.3. Построение нагрузочной характеристики двигателя
- •4. Кинематический расчет двигателя
- •5. Динамический расчет двигателя
- •Расчет сил, действующих в кшм двигателя
- •Компоновка механизма газораспределения
- •Компоновка корпуса двигателя
- •7. Примеры теплового расчета двигателя
- •Расчет процессов впуска и выпуска
- •Процесс сжатия
- •Процесс сгорания
- •Процесс расширения
- •Индикаторные показатели цикла
- •Эффективные показатели двигателя
- •Определение основных размеров двигателя
- •Расчет сил, действующих в кшм двигателя
- •9. Расчет смазочной системы
- •Расчет подшипника скольжения
- •Расчет масляного насоса
- •Расчет масляного радиатора
- •10. Расчет системы охлаждения
- •Расчет радиатора
- •Для двигателей с искровым зажиганием – (140…180 Вт/м2·град);
- •Приложение 1
- •Приложение 2
- •Литература
- •Содержание
- •Штайн Геннадий Вольфович расчет теплового двигателя
- •625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
- •625039, Тюмень, ул. Киевская,52
Расчет сил, действующих в кшм двигателя
ОбозначПредел030…720 значений размеров Рис.10. Диаграммы сил, действующих в КШМ двигателя
д). Строят диаграмму вращающего момента, снимаемого с коленчатого вала (рис.11.) Тe = F r , (60) где r– радиус кривошипа,r = S/2.
Рис.11. Диаграмма вращающего момента одноцилиндрового двигателя
Для построения диаграммы суммарного вращающего момента многоцилиндрового двигателя следует произвести алгебраическое сложение величин Теодноцилиндрового двигателя с угловым сдвигом (i-число цилиндров). Таким образом, диаграмму величин Те (рис.11.) необходимо разделить на i частей и алгебраически сложить их ординаты независимо от порядка работы цилиндров. е). Строят диаграмму износа шатунной шейки. Результирующая сила FRш, приложенная к шатунной шейке, определяется графическим сложением силыFs ,действующей по оси шатуна, с центробежной силой вращающихся масс кривошипаFсш(рис.12.б): Fсш= - mшк r2,mшк=0,725mш. Графическое построение силы FRшв зависимости от угла поворота кривошипа производится в виде полярной диаграммы с полюсом в точке Ош(рис.12.а). Сначала строят полярную диаграмму силыFSоткладывая в прямоугольных координатах с полюсом О ее составляющиеFt, Fкдля различных угловповорота коленчатого вала (рис. 12.а). Полученные точки конца вектораFt, последовательно в порядке углов соединяют плавной кривой, которая является полярной диаграммой силыFtс полюсом в точке О. Чтобы получить полярную диаграмму нагрузки на шатунную шейку, достаточно переместить на полученной полярной диаграмме силыFtполюс О по вертикали на величину вектораFсш в точку Ош. Проекция на вертикаль любого вектора полярной диаграммы дает значение нормальной силы, действующей на шатунную шейку и направленную по радиусу кривошипа. Полярная диаграмма, перестроенная в прямоугольные координатыFRши(рис. 12.б), позволяет определить среднее значениеFRш.cp.Пользуясь полярной диаграммой, можно построить так называемую диаграмму износа шейки. Для построения диаграммы под углом 60° к направлению каждой силыFRш в обе стороны проводят кольцевые полоски, высота которых пропорциональна соответствующей силеFRш (рис. 12.в). Суммарная площадь этих полосок в итоге представляет собой диаграмму износа (рис. 12.г). Из диаграммы износа шейки видна зона наименьших давлений на нее. Следовательно, в этом месте должно находиться отверстие для подвода масла к подшипнику.
кН кН кН |
кН |
| |
Бензиновые и газовые двигателиДизели
кН | |||
Высота поршня |
Нп |
(0,9…1,3)D |
(0,8…1,4)D |
Высота жарового пояса |
c |
(0,06…0,09)D |
(0,104…0,20)D |
Толщина днища |
|
(0,05…0,08)D |
(0,10…0,20)D |
Высота компрессионных колец |
hk |
(0,02…0,03)D |
(0,025…0,032)D |
Высота маслосъемных колец |
hm |
(0,05…0,055)D |
(0,045…0,050)D |
Ширина поршневых колец |
t |
(0,04…0,05)D |
(0,04…0,055)D |
Высота перемычки между канавками под поршневые кольца |
hм.к |
(0,03…0,05)D |
(0,040…0,065)D |
Высота головки поршня |
Нг |
(0,25…0,33)Нп |
(0,30…0,38)Нп |
Расстояние от нижней кромки юбки до оси поршневого пальца |
Н1 |
(0,40…0,50)Нп |
(0,38…0,50)Нп |
Толщина стенки юбки |
ю |
(0,022…0,044)D |
(0,028…0,05)D |
Диаметр бобышек |
db |
(0,4…0,6)D |
(0,4…0,6)D |
Наружный диаметр поршневого пальца |
dн.п |
(0,25…0,30)D |
(0,28…0,40)D |
Внутренний диаметр поршневого пальца |
dв.п |
(0,16…0,21)D |
(0,2…0,3)D |
Расчет поршневого пальца. Проверяются удельные давления во втулке верхней головки шатуна и в бобышках поршня.
Удельное давление во втулке верхней головки шатуна:
, (63)
где F - суммарная сила, действующая на поршень,
lв.г.ш – длина верхней головки шатуна, для бензиновых двигателей и дизелей: lв.г.ш =(0,30…0,40)D (см. рис. 15)
Удельное давление в бобышках поршня:
, (64)
где lб – длина бобышки поршня, для бензиновых двигателей и дизелей:
Рис.15. Компоновка поршневого пальца
В современных двигателях допускаемые удельные давления равны (материал - сталь 20,15Х,15ХН):
для бензиновых двигателей - =23…32 МПа;=20…29 МПа;
для дизелей - =32…40 МПа;=30…35 МПа;
Расчет поршневых колец. Размеры кольца определяются на основе нормативов, установленных ГОСТ на поршневые кольца.
Последовательность расчета следующая.
а). Задаются величиной D/t=20…25, определяющей упругость кольца (значения t принимаются из табл. 11).
б). Определяют зазор в замке кольца S0 при его установке в цилиндр из соотношения S0/t=2,5…4,0.
в). Определяют среднее давление кольца на стенку цилиндра (для грушевидной эпюры давления), МПа:
, (65)
где Е – модуль упругости материала кольца (для чугуна Е=1,2105 МПа).
г). Строят эпюру радиальных давлений кольца на стенку цилиндра рис.16 по рекомендациям ГОСТ, приведенных в табл. 12.
Таблица 12
Относительные радиальные давления для грушевидной эпюры
поршневого кольца
Угол град. |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
р/рср |
1,05 |
1,05 |
1,14 |
0,90 |
0,45 |
0,67 |
2,85 |
Рис.16. Эпюра давлений поршневого кольца на стенки цилиндра
6.1.2. Компоновка и расчет деталей шатунной группы
Конструктивные размеры деталей этой группы приведены в табл. 13, а компоновочная схема показана на рис. 17.
Рис. 17. Компоновочная схема шатунной группы
Таблица 13
Основные размеры деталей шатунной группы
Наименование размера |
Обознач |
Предел значений размеров | |
Бензиновые и газовые двигатели |
Дизели | ||
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна |
|
0,25…0,3 |
0,25…0,28 |
Внутренний диаметр верхней головки шатуна |
dв |
(0,26…0,32)D |
(0,35…0,45)D |
Толщина втулки верхней головки шатуна |
вт |
(0,008…0,015)D |
(0,023…0,030)D |
Наружный диаметр верхней головки шатуна |
dг |
(0,38…0,42)D |
(0,42…0,60)D |
Длина верхней головки шатуна |
lв.г.ш |
(0,28…0,34)D |
(0,33…0,40)D |
Высота стержня шатуна у верхней головки |
Нв |
(0,22…0,29)D |
(0,28…0,34)D |
Высота стержня шатуна в средней части |
Нср |
(0,22…0,29)D |
(0,28…0,34)D |
Толщина стержня шатуна |
t |
(0.037…0,050)D |
(0,036…0,058)D |
Толщина шатунного вкладыша |
шв |
(0,019…0,024)D |
(0,024…0,036)D |
Толщина перемычки между отверстием под болт и вкладышем |
шв |
(0,5…1,0)мм |
до 2мм |
Толщина перемычки между отверстием под болт и наружной стенкой нижней головки шатуна |
шн |
2…3мм |
2…3мм |
Диаметр шатунных болтов |
dшб |
(0,108…0,130)D |
(0,117…0,140)D |
Толщина стенки нижней крышки шатуна |
aкш |
(0,09…0,14)D |
(0,09…0,14)D |
Ширина нижней головки шатуна |
агш |
(0,96…0,99)D |
(0,88…0,99)D |
Растояние между шатунными болтами |
lшб |
(0,8…0,84)D |
(0,8…0,84)D |
Положение шатуна на компоновочной схеме определяется точками А и Б (рис.13) в ходе разметки кривошипно-шатунного механизмаю. Учитывая, что одним из требований к конструкции шатуна является возможность его демонтажа через цилиндр, рекомендуется следующая последовательность отработки его конструктивных элементов.
Откладывают на компоновочной схеме ширину нижней головки шатуна агш и, обозначив плоскость разъема, намечают внутри голвки перемычки шн и диаметры болтов dшб. Отложив от каждого отверстия под болты в направлении оси шатунной шейки перемычку и толщину вкладышашв, находят размер шатунной шейки dш. Ориентировочно: dш = (0,60…0,67)D – для бензиновых двигателей, dш = (0,63…0,75)D – для дизелей.
Компоновка верхней головки шатуна выполняется на базе бобышки поршня. Выбрав наружный диаметр пальца dн.п и толщину втулки верхней головки шатуна вт (рис.17), из точки А проводят две окружности радиусами dн.п /2 и
dн.п /2 +вт, одна из которых будет изображать наружный контур поршневого пальца, а вторая - наружный контур втулки верхней головки шатуна. Затем из того же центра окружностью радиусом dг/2 вычерчивается наружный контур верхней головки шатуна.
Стержень шатуна имеет обычно двутавровое сечение. Полки его могут быть или параллельными, или сходиться к верхней головке. Задавшись высотой сечений шатуна (табл.13), проводят линии, ограничивающие наружный контур шатуна и контуры его полок. Затем эти линии сопрягаются плавными кривыми с соответствующими элементами верхней и нижней головок.
Расчет шатуна. Шатун подвергается действию асимметричной нагрузки, в результате чего возникают напряжения сжатия, растяжения и изгиба. Верхняя головка шатуна подвергается воздействию от сил инерции и сил давления газов. При проверочном расчете верхней головки шатуна можно ограничиваться расчетом на растяжение.
, (66)
где Fa.мах – максимальная сила инерции деталей поршневой группы, определенная по результатам динамического расчета;
lв.г.ш – длина верхней головки шатуна ;
в.г.ш – толщина стенки головки: ;
=(15…35) МПа, (для изготовления шатунов используются следующие материалы: стали марок 40,45, 45Г2, 40Х, 18ХНВА).
Расчет шатунных болтов. Шатунные болты нагружаются переменной разрывающей силой инерции поршневой и шатунной групп, а также испытывают значительное напряжение от предварительной затяжки гаек и изгиба, возникающего при перекосе опорных площадок род головкой и гайкой.
Диаметр шатунных болтов принимается при проектировании (табл.13), а наружный диаметр головки болта принимается: dгб=(1,3…1,5)dшб.
Расчет шатунных болтов сводится к определению напряжения растяжения на режиме максимальной частоты вращения с учетом их предварительной затяжки:
, (67)
где Fпр – сила предварительной затяжки болта: Fпр=(0,7…0,8)Fa.мах
- коэффициент, учитывающий податливость болта и крышки шатуна, =0,2…0,3,
fш.б – минимальное сечение шатунного болта, iб – число шатунных болтов.
=(120…250)МПа.
6.1.3. Компоновка и расчет цилиндра
На основании анализа преимуществ и недостатков различных конструктивных форм блока цилиндров и, исходя из назначения двигателя выбирается тип блока цилиндров (с мокрыми или сухими гильзами, без гильз).
Длина цилиндра (зеркала) находится по формуле:
Lц = S+Нп - н.в., (68)
где нв – нижний выбег( выход юбки поршня из цилиндра при нахождении его в НМТ).
На компоновочной схеме (рис.18) на расстоянии D/2 от оси цилиндра проводится линия, изображающая зеркало цилиндра, от которой откладывается толщина стенки (ст.г) и вычерчивается контур рубашки охлаждения.
Одновременно с контуром рубашки охлаждения определяются посадочные гнезда и уплотнение гильзы. Рекомендуется отработку посадочных поясов начинать с нижнего посадочного пояса, где наносится выбранное значение 1ст..г и определяется диаметр D1п. Прибавив к нему 1…2 мм, получают диаметр верхнего посадочного пояса Dп, после чего определяют диаметр бурта гильзы Dб. Задавшись высотой бурта hб и посадочных поясов, вычерчивают гильзу и ее уплотнение. Необходимые соотношения для этого берутся из табл.14.
Рис. 18. Компоновочная схема цилиндра (гильзы)
Таблица 14
Основные размеры блока цилиндров и гильз современных автотракторных двигателей
Наименование размера |
Обознач |
Предел значений размеров | |
Бензиновые и газовые двигатели |
Дизели | ||
Толщина стенки мокр. гильзы |
ст.г |
(0,055…0,070)D |
(0,055…0,070)D |
Диаметр посадочного пояса |
Dп |
(1,09…1,15)D |
(1,07…1,18)D |
Диаметр бурта |
Dб |
(1,15…1,3)D |
(1,2…1,3)D |
Высота бурта |
hб |
(0,01…0,06)D |
(0,06…0,1)D |
Нижний выбег поршня |
2 |
15…30мм |
15…30мм |
Величина промежутка рубашки охлаждения |
b |
4…12мм |
4…12мм |
Толщина стенки мокрой гильзы в нижнем поясе |
1cт..г |
0,045D |
(0,035…0,06)D |
Разность между диаметрами посадочных поясов |
Dп-D1п |
2…4мм |
2…4мм |
Для проверки размера Lц и его окончательного выбора в процессе компоновки выполняется контрольное проворачивание кривошипно-шатунного механизма (рис.19). С этой целью изготавливается картонный шаблон, точно соответствующий контуру шатуна. Перемещая этот шаблон таким образом, чтобы его точка А двигалась по оси цилиндра, а точка В - по окружности радиусом r. Обведя этот контур огибающей (пунктирная линия), получают зону движения шатуна. Эта зона не должна пересекаться нижней кромкой цилиндра, В противном случае цилиндр необходимо укоротить. В V-образных двигателях кривошипно-шатунный механизм проворачивается для обоих блоков. Зона движения шатунов позволяет определить также контуры картера и компоновки в нем вспомогательных агрегатов.
Рис.19. Контрольное проворачивание кривошипно-шатунного механизма
Расчет цилиндра. Расчетное напряжение разрыва стенки цилиндра (гильзы) по образующей от воздействия максимального давления газов определяется по формуле:
; (69)
допускаемые напряжения:=40…60МПа – чугунные гильзы;=80…120МПа - стальные гильзы.
6.1.4 Компоновка коренных подшипников
Учитывая данные табл.15, выбирают диаметр коренной шейки dк и толщину вкладыша вк, очерчивают контуры коренной шейки и вкладышей (рис.20). Затем выбирают диаметр болтов крышки коренного подшипника и намечают их оси. После нанесения осей вычерчиваются контуры болтов, изображается крышка в соответствии с данными табл.15
Таблица 15
Основные размеры коренных подшипников
Наименование размера |
Обознач. |
Предел значений размеров | |
Бензиновые и газовые двигатели |
Дизели | ||
Диаметр коренной шейки |
dк |
(0,65…0,80)D |
(0,72…0,90)D |
Толщина вкладыша коренного подшипника |
вк |
(0,020…0,035)D |
(0,03…0,042)D |
Толщина перемычки между болтом крышки и вкладыш. |
2…5мм |
2…5мм | |
Диаметр болтов крышки |
dбк |
(0,12…0,15)D |
(0,12…0,15)D |
Толщина перемычки между болтом и наружн.стенкой крышки |
7…10мм |
7…10мм | |
Высота сечения крышки |
ак.к |
(0,35…0,40)dк |
(0б=,5…0,9)dк |
Длина ввернутого в картер конца болта крышки |
hбк |
(2…2,7)dбк |
(2…2,7)dбк |
Рис.20. Компоновка коренного подшипника