2 Выбор типа, тактности, чисел оборотов и цилиндров и расположения цилиндров двигателя

Выбор этот производят ориентируясь на выполненные двигатели.

Тип двигателя (дизельный, ДсИЗ) выбирают с учетом его назначения и преимуществ и недостатков известных конструкций.

При выборе тактности следует учесть, что в двухтактных двигателях при прочих равных условиях:

- мощность может быть в два раза выше (из-за того, что рабочий ход поршня совершается в течение каждого оборота). В двигателях с кривошипно-камерной продувкой она оказывается выше только на 60...70 % (из-за потерь заряда при газообмене). Следует заметить, что с появлением наддува это достоинство двухтактных двигателей не стало иметь решающего значения;

- меньше деталей может быть (при кривошипно-камерной продув­ке);

- обеспечивается более равномерный крутящий момент (М_кр) и, в результате, ниже оказывается масса маховика.

Число цилиндров влияет на инерционные усилия и максимальный крутящий момент и во многом определяет весовые показатели двигателя (рисунок 1).С увеличением числа цилиндров удельный вес и габаритный объем обычно снижается. Расположение цилиндров во многом определяет длину двигателя и жесткость ряда его деталей, а также удельный вес, фронтальную площадь F и габаритный объем V_дв двигателя. Так, при V-образном расположении цилиндров жесткость блок-картера и коленчатого вала существенно возрастают, а длина двигателя сокращается на 30%. Частота вращения коленчатого вала п в отечественных карбюраторных двигателях достигает 5000…6000 мин^-1, а в дизелях – 3200 и больше.

С увеличением частоты вращения крутящий момент двигателя и, следовательно, размеры всех его основных деталей уменьшаются:

,

где п - мин^-1; К=716,2 – если N_е в л.с. и 945 – в кВт.

Двигатели с меньшим диаметром цилиндра являются, как правило, более быстроходными.

Частота вращения определяет и среднюю скорость поршня:

.

В современных двигателях С_т равна 10…13 м/с - в легковых автомобилях; 8...10 - в грузовых и 6,5...8 -в тракторах.

С увеличением С_т возрастают все инерционные усилия, т.е. механическая напряженность работы двигателя и, как следствие, снижается моторесурс двигателя.

3. Методика расчета и проектирования маховика.

Наружный диаметр маховика D выбирают, ориентируясь на допустимую максимальную окружную скорость: , м.с.

Обычно D=200…500 мм.

Если V70 м/с (п5000 мин^-1), то маховик изготавливают отливкой из чугуна (предел прочности 110 МПа), а если выше (п>5000 мин^-1) – отливкой или штамповкой из стали (200 МПа).

Из выражения (4) находим: .

С учетом того, что на маховик приходится 0,85…0,90 от момента инерции всех подвижных деталей получаем: J_м=(0,75…0,90)J.

Рисунок 5 Схема маховика двигателя Д-21А; кретиком обозначен центр тяжести сечения маховика

Момент инерции маховика связан с его конструктивными параметрами и массой выражением: , (7) где т – масса маховика; Dо - диаметр центра тяжести его сечения (рисунок 5). Величину называют маховым моментом. С увеличением числа цилиндров двигателя и при переходе с четырехтактных на двухтактные двигатели

L_изб уменьшается и в результате момент инерции маховика снижается. Средний диаметр обода маховика можно принять ориентируясь на опытные данные из соотношения D_ср=(2…3)S, где S – ход поршня. Наружный диаметр маховика примерно 350…500 мм в тракторных и 300…450 в автомобильных двигателях.

4. Расчет, выбор материала и проектирование поршневого пальца.

Рисунок 3 Схема пальца.Поршневой палец работает в условиях резко переменных нагрузок, высоких температур и полужидкостного трения. Наиболее широко применяются полые пальцы (рисунок 3) плавающего типа с наружной коркой с высокой твердостью и «вязкой» остальной части. Изгибающие нагрузки приводят к некоторой деформации отверстий в зоне выхода из бобышек и головки шатуна. При профилировании пальца по рисунку 4 (использовала фирма Mahle, Германия) эта деформация существенно уменьшается. Рисунок 4 Профилированный (канавками) палец

Пальцы изготавливают из сталей – 45, 20, 15ХН, 15Х, 20ХЗ и др. (таблица 2 и 3 Приложения III). Пальцы из малоуглеродистых сталей подвергают цементации на глубину 0,5…2,0 мм, высокоуглеродистых – закаливают ТВЧ на глубину 1…1,5 мм до твердости HRC=58-65 (сердцевина - до 36), иногда даже используют азотирование.

Наружная поверхность шлифуется и полируется. Относительный зазор между пальцем и бобышками и головкой шатуна =0,0005…0,001.Максимальная овализация пальца в автотракторных двигателях: d_max=(0,0005…0,001)d_п (не более >0,05 мм). Основные размеры пальца назначают в долях от диаметра поршня.

Рисунок 5 Расчетная схема пальца

Изгибающий момент может определяться в положениях поршня, соответствующих максимальному давлению сгорания в цилиндре (RZ) и максимальному инерционному усилию (Рj max): и .

Изгибающие моменты по величине, например, R_Z составят (рисунок 5): Максимальный изгибающий момент будет при : или и напряжение изгиба [],

где , см3 – момент сопротивления изгибу. []=(20…30) кПа – для двигателей легковых автомобилей и (12…25) кПа – для всех других двигателей.

В последние годы стали предлагать несколько иную схему расчета обеспечивающую, как считают, большую точность. Палец проверяют и на удельное давление. Для зоны головки шатуна оно равно (МПа): (20…60).

При выполнении этого условия смазка из зазора не выжимается. Аналогичную проверку делают и для приливов (бобышек) поршня, обеспечивая q15…50 МПа.