Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ВолгГТУ)

Кафедра «Автотракторные двигатели»

Задание на курсовую работу

Студент Беляков Сергей Александрович

Код кафедры 10.5 Группа ТС-403

Тема «Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме двигателя»

Срок предъявления готовой работы ________________

Исходные данные для выполнения готовой работы

S=180мм, D=150мм, m_п.п.д.=3,72кг, m₁=1,115кг, m₂=4,09кг, L=320мм, n_e=1500мин^-1, ε=15, P_z=8,8МПа, ρ=1,4, i=4, ϴ=180^o.

Содержание основной части пояснительной записки

1. Силы, действующие на поршень

2. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

3. Векторная диаграмма сил, действующая на шатунную шейку

4. Векторная диаграмма сил, действующих на коренную шейку

Руководитель работы _________________ Березюков Д.С.

Цели динамического расчета

Анализ сил, действующих в КШМ двигателя, необходим для расчета его элементов на прочность и определения допустимых нагрузок на подшипники коленчатого вала. Динамический расчет обычно проводится для номинального режима работы двигателя.

Теоретическая часть

Силы действующие на поршень

Поршень является составной частью КШМ. Он воспринимает силы давления газов и силы инерции поступательно движущихся масс. По кинематическим связям эти силы передаются другим элементам КШМ, а затем и коленчатому валу двигателя.

Удельные силы давления газов в цилиндре

Р_г=(р_г’ – p_г”)F_п­

Где,

р_г’и p_г” - давление газов в цилиндре и картере двигателя;

F_п­ - площадь поршня

Обычно давление газов в картере двигателя принимается равным атмосферному: p_г”= р₀= 0,102 МПа.

При выполнении динамического расчета определяется зависимость давления газов p_г от угла поворота кривошипа φ, т.е. развернутая индикаторная диаграмма. Использовать давление, а не силу предпочтительнее, т.к. результаты расчета оказываются справедливыми для разных значений диаметра цилиндра.

Давление в функции угла поворота p_г=f(φ) за цикл может быть определено экспериментально или расчетом, исходя из его значений в начале сжатия, расширения, текущих значений степени сжатия и последующего расширения, а также максимального давления. При этом используется метод, имеющий все еще большое распространение, основанный на так называемом расчетном цикле. При использовании математической модели действительного цикла также получается указанная выше зависимость p_г=f(φ), выражающая сложную периодическую функцию. Периодом ее для четырехтактного двигателя являются два оборота коленчатого вала, для двухтактного – один оборот. Давление в процессах впуска и выпуска принимают постоянными. Пренебрежения отклонениями от этого давления не оказывают заметного влияния на динамические оценки.

Процесс впуска. Давление впуска р_а – основной фактор, определяющий количество рабочего тела, поступающего в цилиндр. Для двигателя без наддува

р_а = р₀ - Δ р_а (1)

где р_а – потери давления за счет сопротивления впускной системы и затухания скорости движения заряда в цилиндре. У четырехтактных двигателей без наддува величина Δ р_а колеблется в пределах:

для карбюраторных двигателей …………………….(0,05÷0,2) р₀

для дизелей……………………………………………(0,03÷0,18) р_0.

Процесс сжатия принимают политропическим. Отдельные его точки определяют по формуле

р_г’ = p_а’ε_xⁿ¹_­ , (2)

где

р_г’ и p_а’ – давления (абсолютные) текущее и в начале сжатия;

ε_x – текущее значение степени сжатия;

n₁ – показатель политропы сжатия (1,32÷1,39 – карбюраторный двигатель, 1,35÷1,38 – дизель без наддува).

Текущее значение степени сжатия, входящее в формулу (2), определяется выражением

(3)

Где

ε – максимальное значение степени сжатия;

f(φ) – функция угла поворота коленчатого вала.

Функция угла поворота коленчатого вала выражается следующим образом

f(φ)=, (4)

где

S – ход поршня;

R – радиус кривошипа;

λ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Процесс сгорания в расчетном цикле протекает сначала при постоянном объеме, а затем при постоянном давлении, в двигателе с принудительным воспламенением – только при постоянном объеме.

Для дизеля продолжительность фазы горения определяется углом поворота φ_z, отсчитываем от ВМТ (Z’); от точки (360+ φ_z) начинается последующее расширение

cos φ_z=(5)

Для карбюраторного двигателя степень предварительного расширения ρ=1, в связи с чем угол φ_z=0^о. процесс горения плавно перетекает на линию расширения.

Процесс расширения, так же как и сжатия, принимаем политропическим, определяя его отдельные точки согласно выражению

p'_г=(6)

где

- абсолютное давление в начале последующего расширения;

δ_x – текущая степень последующего расширения;

n₂ – показатель политропы расширения (1,23÷1,3 – карбюраторный двигатель; 1,18÷1,28 - дизель).

Текущее значение степени расширения, входящее в выражение (6), определяется как

δ_х =(7)

где ρ= V_z/V_c – степень предварительного расширения расчетного цикла.

Процесс выпуска. Величина давления остаточных газов p_r устанавливается в зависимости от числа и расположения клапанов, сопротивлений впускного и выпускного трактов, фаз газораспределения, характера наддува, быстроходности двигателя, нагрузки, системы охлаждения и других факторов. Для автомобильных и тракторных двигателей без наддува давление остаточных газов

p_r=(1,05÷1,25) p_0.

После построения развернутой диаграммы расчетного цикла двигателя, выражающей зависимость сил давления газов от угла поворота кривошипа, ее скругляют в областях точек c₀, z’, z, b и r, т.е. корректируют, получая действительную индикаторную диаграмму [1].

Силы инерции поступательно движущихся масс (удельные) выражаются зависимостью

p_j=r(8)

где

m_n – масса поступательно движущихся частей, отнесенных к еденице площади поршня;

ω – угловая скорость вращения коленчатого вала.

Масса поступательно движущихся деталей равна

m_n=m_п.п.д.+m₁, (9)

где

m_п.п.д­ – масса поршня и поршневых деталей;

m₁ – масса шатуна, приведенная к оси поршневого пальца.

Суммарные силы, действующие на поршень, определяются алгебраической суммой удельных сил давления газов и сил инерции поступательно движущихся масс

p=p_г+p_j (10)