Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра «Детали машин»

Курсовой проект

Динамика и расчет двигателей



Задание

Тип двигателя - дизельный;

Номинальная мощность - Ne =180 кВт

Номинальная частота вращения - п=2100мин-1

Число цилиндров - i=8

Охлаждение - жидкостное

Двигатель-ЯМЗ-238



1. Кинематографический отчёт двигателя

Для дальнейших расчетов необходимо выбрать длину шатуна lш и определить значение = r/lш .

Основными геометрическими параметрами, определяющими законы движения элементов КШМ, являются: rк.ш- радиус кривошипа коленчатого вала r=S/2, 120/20=60 мм). Параметр = r/lш является критерием кинематического подобия КШМ. Для двигателя = 0,264. lш - длина шатуна (lш =265мм). Основываясь на табличные данные (лит..3 таб №12.1,13.1,13.4,13.5.) определяем основные размеры Н=120мм., rш=40мм., R=120мм., rк.ш=60мм.,D=130;S=140мм., rп =12,5мм.

соответственно = 0,264.

Для номинального режима рассчитаем кинематические параметры к.ш.м.

а). Определяем по формулам перемещение Sx, скорость Vп и ускорение поршня jп в зависимости от угла поворота коленчатого вала (с интервалом 15о).

,

,

Пример расчета: при ?=00 имеем:



б). Полученные значения кинематических параметров оформляем в таблицу:

Таблица 1

фи	qpu B pad	Sx	Vx	jx
0	0	0	0	4274,649
15	0,261799	0,0030042	4,997666	4039,802
30	0,523599	0,0116882	9,451856	3375,165
45	0,785398	0,0251225	12,9105	2391,324
60	1,047198	0,04193	15,08352	1244,518
75	1,308997	0,0605037	15,87721	102,0922
90	1,570796	0,07924	15,386	-892,806
105	1,832596	0,0967384	13,84626	-1648,48
120	2,094395	0,11193	11,56581	-2137,32
135	2,356194	0,1241175	8,848593	-2391,32
150	2,617994	0,1329318	5,934144	-2482,36
165	2,879793	0,1382338	2,966714	-2493,42
180	3,141593	0,14	0,00	-2489,04
195	3,403392	0,1382338	-2,96671	-2493,42
210	3,665191	0,1329318	-5,93414	-2482,36
225	3,926991	0,1241175	-8,84859	-2391,32
240	4,18879	0,11193	-11,5658	-2137,32
255	4,45059	0,0967384	-13,8463	-1648,48
270	4,712389	0,07924	-15,386	-892,806
285	4,974188	0,0605037	-15,8772	102,0922
300	5,235988	0,04193	-15,0835	1244,518
315	5,497787	0,0251225	-12,9105	2391,324
330	5,759587	0,0116882	-9,45186	3375,165
345	6,021386	0,0030042	-4,99767	4039,802
360	6,283185	0	0,00	4274,649
375	6,544985	0,0030042	4,997666	4039,802
390	6,806784	0,0116882	9,451856	3375,165
405	7,068583	0,0251225	12,9105	2391,324
420	7,330383	0,04193	15,08	1244,518
435	7,592182	0,0605037	15,87721	102,0922
450	7,853982	0,07924	15,386	-892,806
465	8,115781	0,0967384	13,84626	-1648,48
480	8,37758	0,11193	11,57	-2137,32
495	8,63938	0,1241175	8,848593	-2391,32
510	8,901179	0,1329318	5,934144	-2482,36
525	9,162979	0,1382338	2,966714	-2493,42
540	9,424778	0,14	0,00	-2489,04
555	9,686577	0,1382338	-2,96671	-2493,42
570	9,948377	0,1329318	-5,93414	-2482,36
585	10,21018	0,1241175	-8,84859	-2391,32
600	10,47198	0,11193	-11,57	-2137,32
615	10,73377	0,0967384	-13,8463	-1648,48
630	10,99557	0,07924	-15,386	-892,806
645	11,25737	0,0605037	-15,8772	102,0922
660	11,51917	0,04193	-15,08	1244,518
675	11,78097	0,0251225	-12,9105	2391,324
690	12,04277	0,0116882	-9,45186	3375,165
705	12,30457	0,0030042	-4,99767	4039,802
720	12,56637	0	0,00	4274,649

По данным таблицы строим аналитическим методом графики перемещение Sx, скорость Vп и ускорение поршня jп.

поршень цилиндр зазор бобышка





2. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма

2.1 Силу давления газов

Pг=(px-p0)·Fn; Fn=

где Fn-площадь поршня, мм;

рх-давлениев цилиндре при угле поворота коленчатого вала?х, Мпа,

При ?=0

Fn==3,14·1302/4=13266,5мм2;.Pг=(0,15-0,1)·13266,5=663,325кН.

По результатам строится график Pг=f(?).

2.2 Сила инерции возвратно-поступательных движущихся масс

Масса поршневой группы:



где m'п - удельная масса поршня,

Для поршня из алюминиевого сплава принято m'п = 260 кг/м2 , Fn=132,66см2

Масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов

=320 кг/м2 для стального кованого вала

Масса шатуна:

,

где m'ш - удельная масса шатуна, m'ш = 300 кг/м2

Масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца:

Масса шатуна, совершающая вращательное движение:

Масса кривошипно-шатунного механизма, совершающие возвратно-поступательное движение:

Масса кривошипно-шатунного механизма, совершающие вращательное движение

Мпа;

Pj=Pj1+Pj2

Сила инерции первого рода:

Pj1=-mjr·cos?·?2

Сила инерции второго рода:

Pj2=-mj·r·?·cos2?·?2

При ?=00

Pj1=-mjr·cos?·?2=-5,05·0,06·219,82·cos0=-14638,5Н

Pj2=-mj·r·?·cos2?·?2=-5,05·0,06·0.264·219,82·cos20=-3864,6Н

Pj=Pj1+Pj2=-14638,5-3864,6=-18503,1Н.

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2



2.3 Сила инерции вращающихся масс

Pr=-mR·?2R; Pr=mшк.·?2R;

Pr=-mR·?2R=7,09·219,8·0,06=-20551Н;

Pr=mш·?2R=3,96·219,8·0,06=-11478 Н.



2.4 Сила действующая по оси цилиндра

При ?=00:

P1=Pг+ Pj=663-18503=-17840 Н

Расчет проводится до ?=7200.Результаты вычислений табл.2

По результатам строится график P1=f(?)



На поршневом пальце суммарная сила Р раскладываются на две составляющие:

N-нормальная к поверхности цилиндра, прижимает поршень к поверхности цилиндра, вызывает механические потери и износ цилиндропоршневой группы.

К- действуют вдоль оси шатуна, передает усилие поршня на коленчатый вал, вызывает деформации сжатия и растяжения в шатунах.

СилаN вычисляется по формуле:

Нормальная сила

N=Р1tg?

При ? =0

N=P1-17840·0=0

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

Сила действующаяя по шатуну

При ?=0

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

По результатам расчета строится графикK=f(?),N=f(?).



Радиальная сила

При ?=0

H

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2

Тангенциальная сила

При ?=0.

Расчет проводится до ?=7200. Результаты вычислений табл. 2.

Значения тригонометрических функций взяты из таблиц Брадисса. Рассчитываемые силы сведены в таблицу. Силы считаются положительными, если их направление соответствует началу процесса расширения.



3. Построение полярной и развернутой диаграмм сил.

3.1 Построение полярной и развернутой диаграмм сил, действующих на шатунную шейку

Равнодействующая R сил, действующих на шатунную шейку, складывается из сил P'r, Z, T и рассчитывается по формуле

При ? = 0°

Полярная диаграмма строится для определения направления действия силы в каждый момент времени.

Полученные значения силы R сведены в таблицу 2., характерные значения:

Rmax = 66595,87Н;

Rmin = -6384,24Н;

Где Rmax, Rmin, Rср - максимальное, минимальное и среднее значения силы R;

Fд - площадь диаграммы, мм2, Fд = 12662 мм2;

lд - длина диаграммы, мм, lд = 360 мм;

?R - масштаб силы R на диаграмме, Н/мм, ?R = 800 Н/мм.



3.2 Построение полярной диаграммы сил, действующих на коренную шейку

Сила действующая на коренной подшипник Rk от одного цилиндра складывается из силы действующей на шатунный подшипник R и и силы инерции вращающихся масс кривошипа Prk

где r - радиус центра масс неуравновешенной части кривошипа

Полярную диаграмму силы Rk получим графическим построением



Диаграмма износа коренной шейки: а) без противовесов; б) с противовесами



3.3 Построение диаграммы износа шатунной шейки

Диаграмма износа строится при следующих допущениях:

1. действие силы распределяется равномерно по подшипнику в секторе 120° (по 60° в обе стороны от точки приложения);

2. величина износа, то есть толщина снятого слоя металла, прямо пропорциональна величине действующей силы;

3. суммарный износ шатунной шейки в каждой точке в течение рабочего цикла равен сумме износов от действия отдельных сил.

К шатунной шейке прикладываем последовательно векторы силы R с учетом их направления, взятого из полярной диаграммы.

По построенной диаграмме износа выбирается место для подвода масла в зоне наименьших нагрузок. Выбранный угол между осью сверления и кривошипом составляет ? = 90?.



Таблица 2

?	Рг,МПа	Рj, Н	Pj1	Рj2	?рад	?, град.	N, Н	К, Н.	Z, Н	T, Н	RнаШатун шейку	?bo	радиус
0	0,17	862,75988	-16822,9	-15960,2	0,00000	0,00000	0,00	-15960,18	-15960,18	0,00	25723,31	1,223143	73,77686
15	0,16833	840,63783	-15898,7	-15058,1	0,06838	3,91797	-1031,30	-15093,33	-14278,04	-4893,47	24534,145	1,166599	72,61026
30	0,16667	818,51579	-13283	-12464,5	0,13239	7,58518	-1659,84	-12574,52	-9964,65	-7669,70	21166,238	1,006455	71,6038
45	0,165	796,39374	-9411,09	-8614,69	0,18778	10,75887	-1636,93	-8768,83	-4934,02	-7248,99	16387,625	0,779232	70,82457
60	0,16333	774,27169	-4897,82	-4123,54	0,23067	13,21647	-968,42	-4235,74	-1223,10	-4055,30	11710,797	0,556848	70,26772
75	0,16167	752,14964	-401,785	350,3645	0,25785	14,77385	92,40	362,34	1,43	362,34	9768,4266	0,464489	69,80323
90	0,16	730,02759	3513,651	4243,679	0,26717	15,30754	1161,54	4399,77	-1161,54	4243,68	11719,953	0,557284	69,24595
105	0,15833	707,90554	6487,607	7195,513	0,25785	14,77385	1897,62	7441,53	-3695,30	6459,19	14928,18	0,709835	68,53612
120	0,15667	685,7835	8411,468	9097,251	0,23067	13,21647	2136,50	9344,76	-6398,89	6810,20	17538,239	0,833943	67,70217
135	0,155	663,66145	9411,085	10074,75	0,18778	10,75887	1914,37	10255,01	-8477,58	5770,26	19131,641	0,90971	66,79246
150	0,15333	641,5394	9769,353	10410,89	0,13239	7,58518	1386,37	10502,79	-9709,28	4004,82	19879,978	0,945293	65,84717
165	0,15167	619,41735	9812,87	10432,29	0,06838	3,91797	714,49	10456,73	-10261,74	2009,93	20125,491	0,956967	64,8902
180	0,15	597,2953	9795,633	10392,93	0,00000	0,00000	0,00	10392,93	-10392,93	0,00	20156,063	0,958421	63,93178
195	0,15253	630,92748	9812,87	10443,8	-0,06838	-3,91797	-715,28	10468,26	-10273,06	-2012,15	20136,978	0,957513	62,97427
210	0,16058	737,71802	9769,353	10507,07	-0,13239	-7,58518	-1399,18	10599,82	-9798,98	-4041,81	19975,297	0,949825	62,02444
225	0,17561	937,18535	9411,085	10348,27	-0,18778	-10,75887	-1966,34	10533,43	-8707,75	-5926,92	19398,499	0,922399	61,10205
240	0,20061	1269,0253	8411,468	9680,493	-0,23067	-13,21647	-2273,47	9943,87	-6809,13	-7246,82	18087,465	0,860059	60,24199
255	0,24124	1808,3105	6487,607	8295,918	-0,25785	-14,77385	-2187,83	8579,56	-4260,42	-7446,99	15878,215	0,755009	59,48698
270	0,30837	2699,3824	3513,651	6213,033	-0,26717	-15,30754	-1700,57	6441,56	-1700,57	-6213,03	13039,109	0,62001	58,86697
285	0,42395	4233,5373	-401,785	3831,752	-0,25785	-14,77385	-1010,52	3962,76	15,64	-3962,73	10522,208	0,500331	58,36664
300	0,63482	7032,4629	-4897,82	2134,646	-0,23067	-13,21647	-501,32	2192,72	633,16	-2099,32	9368,218	0,445459	57,92118
315	1,04401	12463,718	-9411,09	3052,632	-0,18778	-10,75887	-580,05	3107,25	1748,38	-2568,69	8416,3224	0,400196	57,52098
330	1,85541	23233,588	-13283	9950,585	-0,13239	-7,58518	-1325,07	10038,42	7954,92	-6122,84	6384,26	0,303572	57,21741
345	3,21197	41239,467	-15898,7	25340,77	-0,06838	-3,91797	-1735,55	25400,14	24028,12	-8235,08	16471,379	0,783214	56,4342
360	5,5	71609,07	-16822,9	54786,13	0,00000	0,00000	0,00	54786,13	54786,13	0,00	45023,001	2,140844	54,29335
365	6,3	82227,653	-16718,9	65508,74	0,02301	1,31844	1507,70	65526,09	65128,06	7211,42	55832,603	2,65484	51,63851
370	6,8	88864,268	-16408,8	72455,43	0,04586	2,62754	3325,08	72531,69	70777,28	15856,32	63040,845	2,997592	48,64092
375	7	91518,914	-15898,7	75620,22	0,06838	3,91797	5179,10	75797,37	71703,08	24574,58	66636,823	3,168581	45,47234
380	6,9	90191,591	-15198,2	74993,34	0,09042	5,18048	6799,17	75300,93	68145,24	32038,36	66595,245	3,166604	42,30573
385	6,5	84882,299	-14320,8	70561,46	0,11180	6,40590	7922,09	71004,78	60602,38	37000,41	62878,133	2,989855	39,31588
390	5,94469	77511,479	-13283	64228,48	0,13239	7,58518	8553,00	64795,45	51346,99	39521,35	57368,584	2,727876	36,588
405	4,33907	56199,726	-9411,09	46788,64	0,18778	10,75887	8890,61	47625,83	26797,96	39371,18	42898,422	2,03982	34,54818
420	3,05317	39131,75	-4897,82	34233,93	0,23067	13,21647	8039,88	35165,35	10154,23	33667,39	33669,666	1,600993	32,94719
435	2,15081	27154,563	-401,785	26752,78	0,25785	14,77385	7055,33	27667,47	109,21	27667,25	29303,16	1,393365	31,55383
450	1,53899	19033,626	3513,651	22547,28	0,26717	15,30754	6171,43	23376,62	-6171,43	22547,28	27609,599	1,312836	30,24099
465	1,1723	14166,561	6487,607	20654,17	0,25785	14,77385	5446,98	21360,34	-10607,07	18540,61	27544,503	1,309741	28,93125
480	0,97954	11607,95	8411,468	20019,42	0,23067	13,21647	4701,58	20564,09	-14081,40	14986,53	28163,06	1,339153	27,59209
495	0,86893	10139,844	9411,085	19550,93	0,18778	10,75887	3715,00	19900,75	-16451,49	11197,69	28506,054	1,355463	26,23663
510	0,76406	8747,8611	9769,353	18517,21	0,13239	7,58518	2465,85	18680,68	-17269,30	7123,12	27955,168	1,329268	24,90736
525	0,72122	8179,2458	9812,87	17992,12	0,06838	3,91797	1232,25	18034,26	-17697,98	3466,44	27679,035	1,316138	23,59123
540	0,68032	7636,3998	9795,633	17432,03	0,00000	0,00000	0,00	17432,03	-17432,03	0,00	27195,167	1,29313	22,2981
555	0,62713	6930,3723	9812,87	16743,24	-0,06838	-3,91797	-1146,72	16782,46	-16469,52	-3225,83	26430,252	1,256758	21,04134
570	0,53103	5654,7769	9769,353	15424,13	-0,13239	-7,58518	-2053,96	15560,29	-14384,67	-5933,29	24866,045	1,18238	19,85896
585	0,49493	5175,5752	9411,085	14586,66	-0,18778	-10,75887	-2771,70	14847,66	-12274,22	-8354,44	23567,806	1,120649	18,73831
600	0,45882	4696,3735	8411,468	13107,84	-0,23067	-13,21647	-3078,39	13464,47	-9219,89	-9812,53	21369,154	1,016103	17,7222
615	0,42272	4217,1718	6487,607	10704,78	-0,25785	-14,77385	-2823,10	11070,78	-5497,50	-9609,35	18034,043	0,857519	16,86469
630	0,38662	3737,9701	3513,651	7251,621	-0,26717	-15,30754	-1984,84	7518,35	-1984,84	-7251,62	13805,833	0,656467	16,20822
645	0,35051	3258,7684	-401,785	2856,983	-0,25785	-14,77385	-753,45	2954,66	11,66	-2954,64	10189,265	0,4845	15,72372
660	0,31441	2779,5667	-4897,82	-2118,25	-0,23067	-13,21647	497,47	-2175,88	-628,30	2083,19	10598,189	0,503944	15,21977
675	0,27831	2300,365	-9411,09	-7110,72	-0,18778	-10,75887	1351,15	-7237,95	-4072,63	5983,45	15074,15	0,716776	14,503
690	0,24221	1821,1633	-13283	-11461,8	-0,13239	-7,58518	1526,32	-11563,02	-9163,09	7052,75	20197,601	0,960396	13,5426
705	0,2061	1341,9616	-15898,7	-14556,7	-0,06838	-3,91797	996,97	-14590,83	-13802,69	4730,55	24035,935	1,142909	12,39969
720	0,17	862,75988	-16822,9	-15960,2	0,00000	0,00000	0,00	-15960,18	-15960,18	0,00	25723,31	1,223143	11,17655



4. Расчет маховика

Расчет производится из условия неравномерности вращения.

Выполняется таблица протекания процессов рабочего цикла по цилиндрам с учетом порядка работы цилиндров двигателя и углового интервала между одноименными процессами в цилиндрах.

Табл. 3 Порядок работы цилиндров 1-5-4-2-6-3-7-8

С учетом таблицы 3 определяем, что период изменения суммарной тангенциальной силы T? составляет 180? поворота коленчатого вала двигателя.

Табл. 4

?, ?п.к.в.					Цилиндр
	1	2	3	4	5	6	7	8
0	T0	T270	T450	T180	T90	T360	T540	T630
15	T15	T285	T465	T195	T105	T375	T555	T645
30	T30	T300	T480	T210	T120	T390	T570	T660
45	T45	T315	T495	T225	T135	T405	T585	T675
60	T60	T330	T510	T240	T150	T420	T600	T690
75	T75	T345	T525	T255	T165	T435	T615	T705
90	T90	T360	T540	T270	T180	T450	T630	T720

Диаграмма суммы Т

Определяется средняя тангенциальная сила:

Где Fд1 и Fд2 - соответственно положительная и отрицательная площади, заключенные между кривой ?Т и осью абсцисс диаграммы, мм2, Fд1 = 6219,6 мм2 ,Fд2 = 751 мм2 ;

lд - длина диаграммы, мм, lд = 90 мм;

?T - масштаб силы T на диаграмме, Н/мм, ?T = 200 Н/мм.

Проверятся правильность построения диаграммы и всего динамического расчета по уравнению

Избыточная работа определяется как

Где Fизб - избыточная площадь, определенная по графику T? = f(?), мм2, Fизб= 2888,4 мм2;

?l - масштаб по оси абсцисс в м. перемещения шатунной шейки на 1 мм диаграммы, м/мм.

Момент инерции маховика

Где ? - степень неравномерности вращения, принимаем ? = 0,015.

Масса маховика



Где Dср - диаметр центра тяжести обода сечения маховика (средний диаметр), Dср = 2,5•S = 2,5•0,14 = 0,32 м



5. Уравновешенность двигателя

Восьмицилиндровый рядный двигатель с кривошипами расположенными под углом 180?. Порядок работы двигателя 1-5-4-2-6-3-7-8.Промежутки между вспышками равны 90?. Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы расположенные под углом 180?.

Схема сил инерции, действующих в восьмицилиндровом V-образном двигателе

По такой схеме выполнено большинство восьмицилиндровых рядных двигателей.

Силы инерции первого порядка и их моменты при указанном расположении кривошипов взаимно уравновешиваются:

и

Силы инерции второго порядка для всех цилиндров равны и направлены в одну сторону. Их равнодействующая



Силы инерции второго порядка можно уравновесить лишь с помощью дополнительных валов. Суммарный момент этих валов равен нулю:

Центробежные силы инерции для всех цилиндров равны и направлены попарно в разные стороны. Равнодействующая этих сил и момент равны нулю:

и

Некоторые двигатели имеют коленчатый вал с противовесами для уменьшения центробежных сил, действующих на коренные подшипники.



6. Определение зазоров в сопряжениях кшм

6.1 Зазоры между поршнем и цилиндром

Где ?нп, ?вп - зазоры в холодном состоянии (монтажные) между цилиндром и юбкой и головкой поршня соответственно в плоскости качаний шатуна, мм;

?'нп, ?'вп - зазоры в горячем состоянии, мм, ?'нп = 0,001·D = 0,001·130 = 0,13 мм, ?'вп = 0,0024·D = 0,0024· 130 =0,312 мм;

?ц, ?п - коэффициенты температурного расширения цилиндра и поршня, 1/К, ?ц = 12·10-6 1/К, ?п = 19·10-6 1/К;

tц, tнп,tвп,t0 - средние температуры цилиндра и поршня в нагретом состоянии, двигателя в холодном состоянии, ?C, tц = 150?C, tнп = 150?C,tвп = 280?C,t0 = 20?C.

6.2 Зазор в замке поршневого кольца

Где ?'з - минимально допустимый зазор при прогретом двигателе, мм,

?'з = 0,0012·D = 0,0012·130 =0,156 мм;

?к - коэффициент температурного расширения кольца, 1/К, ?к = 12·10-6 1/К;

tк - средняя температура кольца в нагретом состоянии, ?C, tк = 200?

6.3 Зазор между поршневым пальцем и бобышкой

Где ?'п - зазор в горячем состоянии, мм, ?'п = 0,001·dп = 0,001·52 = 0,052 мм;

?пп - коэффициент температурного расширения пальца, 1/К, ?пп = 11·10-6 1/К;

tпп - средняя температура пальца в нагретом состоянии, ?C, tпп = 130?C.



Список литературы

1. Колчин А.И. и др. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М.: Машиностроение, 2003. - 496 с.

2. Луканин В.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 1. Теория рабочих процессов. - М.: Высшая школа, 1995.

3. Луканин В.Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 2. Динамика и конструирование. - М.: Высшая школа, 1995.

Размещено на Allbest.ur