Выбор типа и основных конструктивных параметров двигателя

Стр 1 из 2Следующая ⇒

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

Часть 3. Основы конструирования и расчета

Основных деталей и систем поршневого двигателя

ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД

2014

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯРОСЛАВА МУДРОГО

СИЛОВЫЕ АГРЕГАТЫ

Часть 3. Основы конструирования и расчета

Основных деталей и систем поршневого двигателя

Методические указания к курсовому проекту

по дисциплине «Силовые агрегаты»

Направление 190600.62 – Эксплуатация транспортно-технологических

машин и комплексов

ВЕЛИКИЙ НОВГОРОД

2014

УДК 629. 113. 004(075.8) Печатается по решению

А18 РИС НовГУ

Рецензенты:

доктор техн. наук, профессор Н.М. Андрианов,

канд. техн. наук, доцент Я.П. Энсон

Силовые агрегаты: Ч. 3. Основы конструирования и расчета основных деталей и систем поршневого двигателя: Учебное пособие к курсов. проекту. / Авт.- сост.: А. В. Капустин, Н.Н. Заводов; НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2014. – с. 41.

Настоящие методические указания являются третьей частью указаний по проектированию поршневых двигателей внутреннего сгорания и включают методики расчета основных деталей двигателя и систем ПДВС.

Учебное пособие предназначено для студентов, изучающих дисциплину «Силовые агрегаты», и отвечает требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (ГОС ВПО) по направлению подготовки дипломированного специалиста 190600.62 – Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов.

УДК 629. 113. 004(075.8)

университет, 2014

составление, 2014

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие методические указания являются заключительной частью методических указаний по курсовому проектированию автомобильных (тракторных) двигателей и включают в себя методики прочностных расчетов наиболее ответственных деталей кривошипно-шатунного механизма и расчеты систем двигателя.

Детали поршневых двигателей работают в условиях переменных нагрузок, причем многие из них работают в условиях, близких к наиболее опасным переменным нагрузкам, характеризуемым симметричными знакопеременными циклами. Для таких условий работы детали рассчитывают на усталостную прочность. В курсе сопротивления материалов основное внимание уделяют методам расчета на статическую прочность, и студенты имеют слабое представление о расчетах на усталостную прочность. Поэтому в первом разделе методических указаний даны основные теоретические положения расчетов на усталостную прочность.

В курсовом проекте следует хотя бы один расчет выполнить на усталостную прочность. Остальные прочностные расчеты деталей можно выполнить по методике расчета статической прочности. При этом обязательно следует сравнивать расчетные напряжения в опасных сечениях с допускаемыми напряжениями. При выборе допускаемых напряжений обязательно следует дать ссылку на литературу. Если вместо допускаемых напряжений даны допускаемые запасы статической прочности то, при необходимости, допускаемые напряжения следует определить путем деления предела текучести (для сталей) или предела прочности (для чугунов) на выбранный допускаемый запас прочности.

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Эксплуатационные требования к проектированию двигателя

Для создания высокопроизводительной, экономичной в эксплуатации и экологически чистой транспортной, дорожно-строительной и сельскохозяйственной техники автотракторные двигатели должны обеспечивать:

· высокую надежность в разнообразных эксплуатационных условиях;

· необходимые энергетические и экономические характеристики на всех режимах работы;

· нормативные экологические параметры двигателя;

· хорошие пусковые качества;

· легкость управления и автоматизацию работы;

· простоту технического обслуживания и ремонта;

· минимум эксплуатационных затрат.

Одной из основных эксплуатационных характеристик двигателя является его надежность, поскольку с ее уровнем напрямую связаны затраты на поддержание работоспособности и расходы, вызванные простоем машины из-за отказов энергетической установки.

Выбор типа и основных конструктивных параметров двигателя

На выбор типа двигателя решающее влияние оказывают назначение и условия эксплуатации двигателя, а также заданные уровни его экономических (эксплуатационный расход топлива) и экологических (эмиссия токсических компонентов и уровни шума и вибраций) показателей. При этом исходят из того, что дизели по сравнению с ДсИЗ обеспечивают существенно более низкие (до 40%) эксплуатационные расходы топлива, имеют меньший исходный уровень выхода токсических компонентов, менее критичны к номенклатуре используемых топлив. Их основные недостатки: большие удельная масса и габаритный объем, а также высокие уровни шума – в значительной мере нивелируются возможностью использования наддува в широком спектре эксплуатационных режимов. К достоинствам ДсИЗ следует отнести почти вдвое меньшие удельную массу и габаритный объем (по сравнению с безнаддувным дизелем). В связи с отмеченным дизели в настоящее время являются основным типом энергетической установки для грузовых автомобилей, автобусов, тракторов и дорожно-строительных машин. Двигатели с искровым зажиганием устанавливают преимущественно на легковых автомобилях, у которых достоинства связаны с их хорошими массогабаритными показателями. Вместе с тем следует отметить расширение применения дизелей и на легковых автомобилях, особенно на такси.

Требуемое сочетание заданных параметров возможно получить, варьируя значения рабочего объема двигателя iV_h номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя n_н, среднего эффективного давления р_е с учетом технических возможностей и экономической целесообразности их реализации.

Номинальная мощность двигателя при прочих равных условиях пропорциональна его рабочему объему. Однако с увеличением iV_h существенно возрастают габариты и масса конструкции, повышается расход топлива. В связи с этим за последние десятилетия определилась тенденция повышения энергетических показателей и снижения металлоемкости конструкции двигателя путем форсирования его по n_н и р_е.

Увеличение номинальной частоты вращения коленчатого вала двигателя приводит к пропорциональному росту номинальной мощности, но при этом соответственно увеличиваются инерционные нагрузки на элементы двигателя (~n_н²), ухудшаются экономические показатели двигателя и сокращается ресурс за счет роста скорости поршня (с_п ~ n_н), а также возрастают выбросы токсических компонентов и шумность работы. Пределы форсирования по частоте вращения дизелей ограничиваются возможностями организации эффективного протекания процессов смесеобразования и сгорания, а также допустимым уровнем инерционных нагрузок на его элементы. Вследствие этого практически для всех типов двигателей различных транспортных средств установились рациональные уровни предельных значении n_н.

Форсирование двигателя по р_е достигается главным образом применением наддува. Этот способ позволяет получить заданную N_ен при относительно невысоких n_н. Практическая возможность его использования в ДсИЗ ограничивается ухудшением при этом экономических и экологических характеристик двигателя и применяется в основном кратковременно на форсированных режимах его работы. Широкое использование наддува в дизелях объясняется благоприятным его влиянием на характер протекания процессов смесеобразования и сгорания и, как следствие этого, улучшением экономико-энергетических и экологических характеристик двигателя. Увеличение р_е при наддуве практически пропорционально степени повышения давления π_к, значение которой ограничивается в основном допустимым уровнем тепловой и механической нагруженности элементов двигателя и трудностями обеспечения заданного его ресурса.

Количество цилиндров двигателя определяется рабочим объемом двигателя и рациональными геометрическими параметрами цилиндра S и D. При выборе диаметра цилиндра учитывается его влияние на протекание рабочего процесса, механическую нагруженность и тепловое состояние деталей цилиндропоршневой группы.

Основная масса автотракторных дизелей, выпускаемых промышленностью, имеет диаметр цилиндра, находящийся в диапазоне 100... 140 мм. При меньших диаметрах цилиндра ухудшаются условия смесеобразования и сгорания из-за снижения интенсивности движения воздушного заряда, а при больших возрастают тепловые и механические нагрузки на головку цилиндра и поршень.

В ДсИЗ максимальное значение диаметра цилиндра ограничивается детонацией, вероятность возникновения которой повышается с увеличением диаметра цилиндров. Ввиду этого диаметр цилиндра ДсИЗ не превышает, как правило, 105 мм.

При выбранном диаметре цилиндра D ход поршня S определяется коэффициентом короткоходности k=S/D.

С увеличением количества цилиндров улучшается равномерность хода двигателя, облегчается пуск, уменьшается масса маховика. Вместе с тем увеличение количества цилиндров приводит к усложнению конструкции и росту затрат на обслуживание в эксплуатации двигателя.

При отмеченных выше диаметрах цилиндров на средних, большегрузных автомобилях и автобусах устанавливают преимущественно шести- и восьмицилиндровые двигатели. Для легковых автомобилей в большинстве случаев применяют четырехцилиндровые двигатели.

При определенном числе цилиндров решающее влияние на габариты, геометрический объем и уравновешенность двигателя оказывает способ их компоновки. Для автомобильных и тракторных двигателей преимущественное распространение получили компоновочные схемы с расположением цилиндров в один (линейные двигатели) или два (V-образные ДВС) ряда с различным углом у между осями цилиндров левого и правого рядов.

Среди четырех- и шестицилиндровых двигателей преобладают модели с однорядным расположением цилиндров. Двигатели, выполненные по подобной схеме, хорошо компонуются как на автомобилях с кабиной за двигателем, так и на автомобилях с кабиной над двигателем. Они имеют достаточно простую конструкцию блок-картеров и удобны для обслуживания в процессе эксплуатации.

Значительно реже применяют шестицилиндровые двигатели с V-образным расположением цилиндров. Одним из препятствий к применению таких двигателей является неравномерность чередования рабочих ходов при наиболее распространенном угле развала цилиндров 90°. Исключение составляют рассматриваемые двигатели со смещенными шатунными шейками коленчатого вала для каждой пары шатунов смежных цилиндров. При этом достигается равномерное чередование рабочих процессов отдельных цилиндров, но усложняется конструкция коленчатого вала.

В двигателях с количеством цилиндров восемь и более применяют исключительно V-образное расположение цилиндров.

Достоинством V-образных двигателей по сравнению с линейными (однорядными) той же мощности является уменьшение удельной массы двигателя, его габаритных размеров (длины и высоты) и, как следствие, повышение жесткости блок-картера и коленчатого вала.

При конструировании V-образных двигателей особое внимание уделяют выбору угла развала цилиндров γ, от значения которого зависят уравновешенность двигателя, равномерность его хода и габаритные размеры.

Одним из важных аспектов при проектировании двигателя является выбор его системы охлаждения, которая в значительной мере определяет его конструкцию и эксплуатационные свойства.

Несмотря на простоту и более высокую надежность в эксплуатации, системы воздушного охлаждения находят ограниченное применение главным образом на транспортных двигателях малой мощности из-за главного своего недостатка: невозможности эффективного обеспечения теплоотвода от головок цилиндров и поршней двигателей при их форсировании наддувом.

Поэтому с учетом сложившейся в мировой практике тенденции повышения удельных мощностных и экономических показателей двигателей за счет форсирования рабочего процесса преимущественное распространение получила система жидкостного охлаждения, которая обеспечивает стабильное тепловое состояние двигателя в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимов его эксплуатации.

Расчетные режимы и нагрузки

При расчетах деталей двигателя на прочность основными нагрузками являются силы давления газов Р_г и инерционные силы P_j. Эти силы на большинстве эксплуатационных режимов работы двигателя взаимно уравновешивают друг друга, поскольку они достигают максимальных значений практически одновременно при положении поршня в ВМТ в начале хода расширения и при этом противоположно направлены.

За расчетные режимы выбирают наиболее тяжелые из эксплуатационных, а именно такие режимы, при которых одной из действующих сил можно пренебречь. К ним можно отнести:

· режим пуска (когда происходит первая вспышка);

· режим максимального крутящего момента M_х_max при частоте вращения n_м;

· режим максимальной частоты вращения при холостом ходе n_x_.х_max.

· режим номинальной мощности N_ном при частоте вращения коленчатого вала n_ном.

Первые два из указанных режимов характеризуются максимальным значением силы давления газов (Р_г_max ), нагружающей детали двигателя. При расчетах на этих режимах действием сил инерции пренебрегают.

На третьем расчетном режиме силы инерции достигают наибольших значений, а давление газов незначительно. Для дизелей максимальная частота вращения холостого хода n_x_.х_max=(1,05...1,07) n_ном и определяется работой регулятора. Для двигателей с искровым зажиганием без ограничителя частота вращения принимается n_x_.х_max=(1,4...1,6) n_ном, а с ограничителем частота вращения n_x_.х_max = (1,1...1,15) n_ном.

Расчет теплового и напряженно-деформированного состояния деталей по дефектам, проявляющимся на длительном периоде эксплуатации (усталостные поломки, износ и т. д.), производится на наиболее характерном эксплуатационном режиме работы. В качестве такового для автотракторных двигателей принимается режим номинальной мощности N_ном при частоте вращения коленчатого вала n_ном.

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 606; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!