Расчёт динамики кривошипно-шатунного механизма V-образного двигателя

Расчёт динамики кривошипно-шатунного механизма для дизеля 12Д49. Расчет сил и крутящих моментов в отсеке V-образного двигателя, передаваемых коренными шейками, нагрузок на шатунные шейки и подшипники. Анализ уравновешенности V-образного двигателя.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 13.03.2012
Размер файла 318,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему:

“Расчёт динамики кривошипно-шатунного механизма V-образного двигателя”

Содержание

  • Введение
  • 1. Подготовка исходных данных для выполнения динамического расчета
  • 2. Расчет сил и крутящего момента в отсеке V-образного двигателя
  • 3. Расчет крутящих моментов, передаваемых коренными шейками
  • 4. Расчёт нагрузок на шатунные шейки и подшипники
  • 5. Анализ уравновешенности V-образного двигателя
  • 5.1 Неуравновешенные силы инерции в отсеке
  • 5.2 Анализ уравновешенности одного ряда цилиндров
  • 5.2 Анализ уравновешенности V-образного двигателя
  • 5.3 Оценка результатов анализа и выбор уравновешивающего устройства
  • 6. Расчет нагрузок на коренную шейку и подшипник
  • 7. Определение степени неравномерности вращения коленчатого вала двигателя
  • 8. Расчет коленчатого вала на прочность
  • 8.1 Расчет коренной шейки
  • 8.2 Расчет шатунных шеек
  • 8.3 Расчет щек
  • Заключение
  • Список используемой литературы

Реферат

Пояснительная записка: с., рис., табл., источника.

Для дизеля 12Д49 был выполнен динамический расчёт, анализ внешней и внутренней уравновешенности. Также был выполнен расчёт коленчатого вала на усталостную прочность.

В результате динамического расчёта и расчёта на усталостную прочность коленчатого вала двигателя было установлено, что все динамические реакции не превышают допускаемых, а запасы прочности не ниже допустимых. В результате расчёта степени неравномерности вращения коленчатого вала было установлено, что степень неравномерности вращения коленчатого вала не превышает допустимых пределов.

КРИВОШИПНО-ШАТУННЫЙ МЕХАНИЗМ, КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ, ДИНАМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ, СИЛЫ ИНЕРЦИИ, СТЕПЕНЬ НЕРАВНОМЕРНОСТИ, УРАВНОВЕШЕННОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ.

Введение

В данной курсовой работе был выполнен динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма для дизеля 12Д49.

При динамическом расчёте определяются силы и моменты, действующие в отсеке двигателя; моменты, передаваемые коренными шейками; нагрузки на коренные и шатунные шейки и подшипники; определяется степень неравномерности вращения коленчатого вала.

По результатам динамического расчёта выполняется расчёт на усталостную прочность коленчатого вала, определяется угол, под которым выполняется отверстие в шатунной шейке для улучшения смазки подшипников. По величинам определенных динамических реакций можно судить о возможности дальнейшего форсирования двигателя.

Динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма является одним из важных этапов проектирования новых и модернизации двигателей внутреннего сгорания.

1. Подготовка исходных данных для выполнения динамического расчета

Площадь поршня, мІ:

.

Радиус кривошипа, м:

.

Кинематический коэффициент:

.

Угловая частота вращения коленчатого вала, с?№:

Прямолинейно движущаяся масса в главном цилиндре V-образного двигателя с прицепными шатунами, кг:

где mП - масса поршня, кг;

mL - масса главного шатуна, кг.

ml - масса прицепного шатуна, кг.

Прямолинейно движущаяся масса в боковом цилиндре V-образного двигателя с прицепными шатунами, кг:

Усредненная прямолинейно движущаяся масса в цилиндрах отсека:

Вращающаяся масса в отсеке V-образного двигателя с прицепными шатунами, кг:

Масса шатунной шейки, приведенная к её оси, кг:

где d - диаметр шатунной шейки, м;

di - диаметр отверстия в шатунной шейки, м;

Э - эксцентриситет;

с - длина шатунной шейки, м;

с - плотность материала коленчатого вала, кг/м3.

Масса щеки, приведенная к оси шатунной шейки, кг:

где h - ширина щеки, м;

Н - высота щеки, м;

D1 - диаметр отверстия в коренной шейке, м;

b - толщина щеки, м;

XЩ - расстояние от оси коленчатого вала до центра тяжести щеки,

Приведенная масса кривошипа, кг:

.

Вращающаяся масса в отсеке V-образного двигателя с прицепными шатунами, кг:

.

Сила инерции вращающейся массы, кН:

.

2. Расчет сил и крутящего момента в отсеке V-образного двигателя

Этот расчёт выполняется на основе схемы сил, показанной на рис 2.1 Для расчёта сил и крутящего момента используют зависимости, приведенные ниже.

Сила давления газов, кН:

где рГ - давление газов в цилиндре, МПа.

Ускорение прямолинейно движущейся массы, м/сІ:

,

где а - угол поворота кривошипа, градусы.

Сила инерции прямолинейно движущейся массы, кН:

.

Суммарная сила, действующая в точке сочленения поршня с шатуном, кН:

.

Нормальная сила, передаваемая поршнем на стенку цилиндра, кН:

.

где в - угол отклонения шатуна от вертикали, градусы:

.

Сила, передаваемая по шатуну на кривошип, кН:

.

Радиальная составляющая силы QА на кривошипе, кН:

.

Тангенциальная составляющая силы QА на кривошипе, кН:

.

Суммарная радиальная сила в отсеке V-образного двигателя, кН:

.

Суммарная тангенциальная сила, кН:

.

Крутящий момент на кривошипе, кН•м:

.

Расчёт сил и крутящего момента в отсеке двигателя на интервале углов поворота кривошипа от 0? до 714є с шагом Дб = 6є приведен в таблице 2.1 На рисунках 2.2, 2.3 изображены графики зависимостей рассчитанных сил от угла поворота кривошипа.

Индикаторный крутящий момент, кН•м:

где pнп - среднее давление при наполнении, МПа;

pвп - среднее давление при выпуске, МПа;

Z0 - число цилиндров в отсеке.

Крутящий момент отсека двигателя вычисленный по формуле:

,

где Мi - текущее значение крутящего момента отсека двигателя

Mкр=12,31 кН•м.

Погрешность расчета крутящего момента на кривошипе:

двигатель кривошипный шатунный механизм

3. Расчет крутящих моментов, передаваемых коренными шейками

Для расчёта крутящих моментов, передаваемых коренными шейками нужно знать порядок работы цилиндров и углы их взаимного расположения. Начальные значения углов поворота кривошипов для расчёта будут:

б1 = 0?; б2 = 600?; б3 = 120?; б4 = 480?; б5 = 240?; б6 = 360?;

Крутящий момент на носке коленчатого вала определяют по формуле:

,

где Neo - мощность, кВт, отбираемая с носка вала или подводимая к валу.

Если Neo меньше 5% от индикаторной мощности, то её можно не учитывать.

Крутящий момент М1,2 на коренной шейке 1,2 равен моменту М1, создаваемому на первом кривошипе. Крутящие моменты на каждой последующей коренной шейке складываются из момента на предыдущей коренной шейке и момента на предыдущем кривошипе. То есть, М2,3 = М1,22; М3,4 = М2,3 + М3 и так далее. Крутящий момент на последней коренной шейке равен общему крутящему моменту Мкр, создаваемому двигателем.

Расчёт приведен в таблице 3.1.

Графики Мкр (б) и Мотс. (б) представлены на рисунке 3.1.

Индикаторный крутящий момент, кН•м:

где pнп - среднее давление при наполнении, МПа;

pвп - среднее давление при выпуске, МПа;

Z0 - число цилиндров в отсеке.

Крутящий момент отсека двигателя вычисленный по формуле:

,

где Мi - текущее значение крутящего момента отсека двигателя

Mкр=73,86 кН•м.

Погрешность расчета крутящего момента на кривошипе:

4. Расчёт нагрузок на шатунные шейки и подшипники

Радиальная составляющая нагрузки на шатунную шейку, кН:

.

Тангенциальная составляющая нагрузки на шатунную шейку, кН:

.

Полная нагрузка на шатунную шейку, кН:

.

Полученные значения нагрузок ZШ и Т Ш можно использовать для определения нагрузок на шатунный подшипник. Составляющие нагрузок, кН:

,

.

Результаты расчетов приведены в таблице 4.1

Годографы нагрузок на шатунную шейку и шатунный подшипник представлены соответственно на рис.4.1 и 4.2.

5. Анализ уравновешенности V-образного двигателя

5.1 Неуравновешенные силы инерции в отсеке

На рисунке 5.1 представлена схема уравновешивания V-образного двигателя.

Силы инерции поступательно движущихся масс одного цилиндра, кН:

Сила инерции I порядка

Сила инерции II порядка

Силы инерции в V-образном отсеке, кН:

Полная сила инерции I порядка

Сила инерции I порядка обратного вращения

Составляющая суммарной силы II порядка к-го отсека по оси OZ

Составляющая суммарной силы II порядка к-го отсека по оси OZ

5.2 Анализ уравновешенности одного ряда цилиндров

В соответствии с рис.5.1 находим:

Главный вектор силы инерции I порядка в ряду

Главный момент силы инерции I порядка в ряду

откуда АI=0,17; ВI=-0,66;

;

Главный вектор силы инерции II порядка в ряду

Главный момент силы инерции II порядка в ряду

откуда АI=0,17; ВI=0,66;

;

Поскольку двигатель V-образный, то определять Рив и Мив не нужно, так как они представляют собой части величин F и МF.

5.2 Анализ уравновешенности V-образного двигателя

Главный вектор и главный момент полных сил прямого вращения

;

Главный вектор и главный момент сил I порядка обратного вращения

; ;

Главные моменты сил инерции II порядка в плоскостях YOZ и XOZ

и

Главные моменты сил инерции II порядка относительно осей OX и OY при ;

5.3 Оценка результатов анализа и выбор уравновешивающего устройства

Произведенный анализ внешней уравновешенности V-образного тепловозного двигателя типа 12ЧН26/26 с углом развала цилиндров 480 показал, что все силы инерции у него самоуравновешиваются.

Неуравновешенными остаются моменты всех видов сил инерции. При n=1000 об/мин они принимают следующие значения, кНм:

при

при

Из выявленных неуравновешенных моментов наиболее опасным следует считать , значительно превосходящий по величине остальные. Он постоянен по модулю и вращается вместе с коленчатым валом. Плоскость его действия отстает от плоскости 1-го кривошипа на угол F.

Момент можно уравновесить с помощью противовесов на щеках коленчатого вала.

Схема установки противовесов на коленчатом валу приведена на рисунке 5.2.

На приведенной схеме применены разгружающие противовесы. Количество противовесов Zп=12. Амплитуда сил инерции поступательно движущихся масс

Сила инерции противовесов

где Кр=0,4 - коэффициент разгрузки

=1200 - угол между кривошипами.

6. Расчет нагрузок на коренную шейку и подшипник

Схема к расчету нагрузок на коренные шейки и подшипник 4,5 представлены на рис.6.1 и 6.2. Переменные нагрузки на опору, кН:

,

.

Общие нагрузки на коренную шейку по осям Rx и Ry, кН:

.

где Хпр, Хпс - постоянные нагрузки от сил инерции противовесов, кН:

,

.

Полная нагрузка на коренной подшипник, кН:

.

Нагрузки на коренной подшипник, кН:

,

0,

где г=48 - угол развала цилиндров.

Результаты расчетов представлены в таблице 6.1., годографы нагрузок на коренной подшипник и шейку представлены на рис.6.3 и 6.4.

7. Определение степени неравномерности вращения коленчатого вала двигателя

Массовый момент инерции генератора, кг·мІ:

им=40.

Массовый момент инерции всех движущихся деталей в отсеке, кг·мІ:

где R=0,13 - радиус кривошипа, м;

ЖП =2,0 - среднее значение числа противовесов приходящихся на один кривошип;

D=0,26 - диаметр цилиндра, м;

Z0 =2 - число цилиндров в отсеке;

LK =0,38 - длина кривошипа, м;

d =0,2 - диаметр шатунной шейки, м.

Суммарный массовый момент инерции движущихся масс двигателя, кг·мІ:

и? = им + z · и=40+12·5,238=102,856.

Максимальное значение избыточной работы, Н·м:

A = F · мб · мМкр =532·2•0,02·=2128.

где F-площадь наибольшей фигуры.

Степень неравномерности вращения:

Степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя находится в допустимых пределах.

8. Расчет коленчатого вала на прочность

Результаты динамических расчетов КШМ используют для расчетов прочности, важнейшим из которых является расчет прочности коленчатого вала. Коленчатый вал рассчитывается на усталостную прочность, потому что коленчатый вал нагружен переменными силами и моментами.

8.1 Расчет коренной шейки

Коренные шейки подвергаются деформациям кручения и изгиба, однако деформации изгиба незначительны и ими пренебрегают. Коренные шейки рассчитывают только на кручение. Наиболее напряженной является шейка, для которой максимальная величина

,

где и - выбираются для каждой шейки.

Для выявления наиболее напряженной шейки составляют таблицу 8.1.

Таблица 8.1.

№ коренных шеек К, К+1

1,2

2,3

3,4

4,5

5,6

6,k

, кН·м

28,49

34,47

30,02

36,01

31,97

24,95

, кН·м

-13,83

-22,08

-15,76

-20,79

-14,47

-0,21

, кН·м

42,32

56,55

35,78

56,8

46,44

25,16

Наиболее нагруженной является шейка 4,5 и расчет ведем только для этой шейки.

Амплитуда цикла касательных напряжений, МПа:

где - момент сопротивления шейки при кручении с учетом ослабляющего действия смазочных сверлений;

где D=0,225 м - диаметр коренной шейки;

где D1 =0,110 м - диаметр отверстия коренной шейке;

ц - коэффициент, учитывающий ослабляющее действие смазочных отверстий;

ц - 0,9 - при одном отверстии.

Запас прочности коренной шейки по касательным напряжениям:

где - предел усталости материала коленчатого вала при кручении и симметричном цикле нагружений, для чугуна ВЧ-50-2 = 170,0МПа;

=1,70 - коэффициент динамичности, учитывающий дополнительные напряжения

от крутильных колебаний, его значение больше 1 и выбирается в зависимости от числа кривошипов коленчатого вала;

- эффективный коэффициент концентрации напряжений для вала с поперечным сверлением; - масштабный коэффициент;

Отношение эффективного коэффициента концентрации напряжений для вала с поперечным сверлением к масштабному коэффициенту принимаем:

.

Полученное значение сравнивается с .

= 1,5….3,0-для высокофорсированных двигателей.

8.2 Расчет шатунных шеек

Напряжения изгиба в расчетном сечении определяют по изгибающему моменту , действующему в продольной плоскости, проходящей через ось отверстия:

,

где: и = 50° - угол между плоскостью кривошипа и сечением смазочного отверстия.

Для К-й шатунной шейки:

, .

Расчет ведут по разности моментов:

.

Законы изменения ZК и ТК одинаковы для всех шатунных шеек.

Для нахождения и составляют таблицу8.2.

Таблица 8.2.

бК, град.

ZК, кН

ТК, кН

, Н·м

48

220,446

-40,562

16,877

60

321,167

93,603

7,554

72

158,058

154,406

-9,311

156

-280,212

78,079

21,302

168

-305,554

70,229

27,006

180

-324,613

54,718

30,838

372

291,071

173,361

23,623

384

101,173

219,140

0,313

396

-62,805

186,063

-15,217

36

34,499

-101,379

8,312

48

220,446

-40,562

16,877

60

321,167

93,603

7,554

=30,838, =-

15,217,=30,838+15,217=46,055.

Расчет таблицы следует вести лишь для нескольких значений б вблизи ZMAKC и ТМАКС и нескольких значений б в близи ЖМИН и ТМИН, что обеспечивает выявление и . Далее определяют амплитуду нормальных напряжений уа и запаса прочности для них nу:

, где

где d=0,2 м - диаметр шатунной шейки;

d1 =0,09 - диаметр осевого отверстия в шатунной шейке;

ц = 0,9 - коэффициент, учитывающий ослабляющее действие отверстия для подвода смазки.

Скручивающие моменты МКР для разных шатунных шеек меняются различно, так как они зависят от подходящих моментов МК-Й,К. Расчету на кручение подлежит шатунная шейка №К, для которой наибольшая разность:

=30,864+21,457=52,321.

Эти разности рассчитывают в таблице 8.3.

Расчет для каждой шатунной шейки следует вести лишь для тех значений бк которые находятся вблизи максимальных значений МК-Й,К и ТК и вблизи минимальных МК-Й,К и ТК.Эти значения находят из таблицы 8.3.

Таблица 8.3

б2, град.

М1,2

кН·м

Т2, кН

МКР2, кН·м

б3, град.

М2,3

кН·м

Т3, кН

МКР3, кН·м

378

26,959

207,375

13,480

378

28,374

186,063

15,675

384

28,488

219,141

14,244

384

30,024

120,967

21,768

390

27,548

211,907

13,774

390

28,833

73,092

23,844

24

-12,436

-95,660

-6,218

24

-15,103

-56,226

-11,266

30

-13,829

-106,375

-6,915

30

-15,701

-65,554

-11,227

36

-13,179

-101,379

-6,589

36

-14,307

-66,562

-9,764

498

32,399

41,850

29,815

138

33,814

86,112

28,217

504

34,474

46,044

31,631

144

36,010

82,889

30,622

510

33,864

48,585

30,864

150

35,149

78,079

30,074

624

-21,089

-66,562

-16,979

624

-19,553

9,346

-20,160

630

-22,077

-63,448

-18,159

630

-20,792

12,159

-21,582

636

-20,764

-58,327

-17,162

636

-19,837

24,926

-21,457

По наибольшей разности (ДМКС) МАКС из таблицы 8.3 находят наибольшую амплитуду касательных напряжений фа и запас прочности по ним nф:

,

Отношение эффективного коэффициента концентрации напряжений для вала с поперечным сверлением к масштабному коэффициенту принимаем:

.

Общий запас прочности:

Полученное значение n сравнивается с [n] = 1,5….2.

8.3 Расчет щек

Наиболее напряженными являются точки сопряжения щек с шатунными шейками в плоскости кривошипа. Напряжения в этих точках возникают только от действия сил Ж и Т на данном кривошипе, вследствие чего законы изменения напряжений на всех кривошипах одинаковы. Наибольшие значения напряжений возникают на щеках с наименьшей толщиной в Kj расположенных возле наиболее длинных коренных шеек.

Момент сопротивления кривошипа при изгибе:

При расчёте передней щеки, МПа:

При расчёте задней щеки, МПа:

Запасы прочности в расчётных точках щёк по нормальным напряжениям nу, по касательным напряжениям nф, и полный n находят по формулам:

где - значения эффективных коэффициентов концентрации

напряжений принимаем =1,75 и =1,5

r=0,005 м - радиус галтельного перехода;

d=0,2 м - диаметр шатунной шейки;

= =0,52 - масштабные коэффициенты.

Допускаемый запас прочности [n] =1,2….2.

Результаты расчета усталостной прочности элементов коленчатого вала представлены в таблице 8.4.

Таблица 8.4

Наименования элементов коленчатого

вала

Запасы прочности

Коренная шейка

?

0,31

?

Шатунная шейка

2,76

1,73

1,42

Щека

1,11

3,24

1,05

Заключение

В результате выполнения курсовой работы для дизеля 12Д49 был выполнен расчёт сил и моментов в отсеке дизеля, расчёт крутящих моментов, передаваемых коренными шейками, расчёт и построение годографов нагрузок на шатунные и коренные шейки, и подшипники коленчатого вала. Также в результате выполнения курсовой работы был выполнен расчёт неравномерности вращения коленчатого вала, расчёт показал, что неравномерность вращения коленчатого вала лежит в допускаемых пределах.

Был выполнен расчёт коленчатого вала на усталостную прочность. Расчёт показал, что все запасы прочности лежат в допустимых пределах для двигателя, данного класса, однако запасы прочности по недостаточны, поэтому необходимо выбирать сталь для двигателя подобного класса с большим .

Список используемой литературы

1. Методические указания к курсовой работе "Динамический расчёт кривошипно-шатунного механизма двигателя" по курсу "Динамика ДВС". / Сост.Ф.И. Абрамчук, И. Д. Васильченко,Р. Р. Мищенко. - Харьков: ХПИ, 1988. - 62 с.

2. Методические указания по динамическому расчёту кривошипно - шатунного механизма двигателя на ЭВМ. /Сост.Я.И. Драбкин, П.П. Мищенко. - Харьков: ХПИ, 1977.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Схема кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания и действующих в нем усилий. Его устройство и схема равнодействующих моментов. Расчет сил инерции. Диаграмма износа шатунной шейки коленчатого вала. Способы уравновешивания его значений.

    контрольная работа [108,6 K], добавлен 24.12.2013

  • Техническая характеристика двигателя. Тепловой расчет рабочего цикла двигателя. Определение внешней скоростной характеристики двигателя. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма и системы жидкостного охлаждения. Расчет деталей на прочность.

    курсовая работа [365,6 K], добавлен 12.10.2011

  • Структурный анализ кривошипно-шатунного механизма. Силовой анализ и расчет ведущего звена механизма. Построение рычага Жуковского Н.Е. Определение передаточного отношения привода рычажного механизма. Синтез планетарного редуктора с одинарным сателлитом.

    курсовая работа [388,0 K], добавлен 25.04.2015

  • Основные элементы кривошипно-шатунного механизма двигателя: цилиндры (гильзы), поршни (с поршневыми кольцами и пальцами), шатуны с подшипниками, коленчатый вал и маховик. Признаки работоспособного состояния механизма. Расчет давления в системе смазки.

    презентация [4,7 M], добавлен 11.11.2013

  • Тепловой расчет двигателя на номинальном режиме работы. Расчет процессов газообмена, процесса сжатия. Термохимический расчет процесса сгорания. Показатели рабочего цикла двигателя. Построение индикаторной диаграммы. Расчет кривошипно-шатунного механизма.

    курсовая работа [144,2 K], добавлен 24.12.2016

  • Понятие и описание особенностей таких деталей как: блок и головка цилиндров, шатун и коленчатый вал, маховик и картер, крепление двигателя. Все эти элементы являются составляющими кривошипно-шатунного механизма. Характеристика и описание этого механизма.

    лабораторная работа [15,8 K], добавлен 10.02.2009

  • Определение параметров рабочего цикла дизеля. Выбор отношения радиуса кривошипа к длине шатуна. Построение регуляторной характеристики автотракторного двигателя внутреннего сгорания. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма, параметров маховика.

    курсовая работа [309,2 K], добавлен 29.11.2015

  • Расчет процессов наполнения, сжатия, сгорания и расширения, определение индикаторных, эффективных и геометрических параметров авиационного поршневого двигателя. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма и расчет на прочность коленчатого вала.

    курсовая работа [892,4 K], добавлен 17.01.2011

  • Преобразование возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания. Назначение, характеристика и элементы кривошипно-шатунного механизма; принцип осуществления рабочего процесса двигателя.

    презентация [308,4 K], добавлен 07.12.2012

  • Прочностное проектирование поршня двигателя внутреннего сгорания, его оптимизация по параметрам "коэффициент запаса - масса". Расчет шатуна двигателя внутреннего сгорания. Данные для формирования геометрической модели поршня и шатуна, задание материала.

    курсовая работа [2,4 M], добавлен 13.06.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.