Исследование работы кривошипно-ползунного механизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Исследование работы кривошипно-ползунного механизма



Содержание

1.Описание работы механизма и исходные данные для проектирования. Грузовой автомобиль с двухтактным двигателем внутреннего сгорания.

2.Задачи исследования. Блок-схема исследования машинного агрегата

3.Динамика структурного агрегата

3.1Структурный анализ

3.2 Геометрический синтез рычажного механизма

3.3 Построение плана положений механизма

3.4 Определение кинематических характеристик кривошипно-ползунного механизма и контрольный расчет их для положения №2 (аналитически)

3.5 Обработка индикаторной диаграммы и определение внешних сил, действующих на поршень

3.6 Динамическая модель машинного агрегата

3.6.1 Определение приведенных моментов сил сопротивления и движущих сил

3.6.2 Определение переменной составляющей приведенного момента инерции и его производной

3.6.3 Определение постоянной составляющей приведенного момента инерции I_П^Iи момента инерции маховика I_M

3.6.4 Определение закона движения звена приведения

3.6.5 Схема алгоритма программы исследования динамической нагруженности машинного агрегата

3.7 Обработка результатов вычислений

3.8 Выводы

кривошипный механизм двухтактный двигатель



1.Описание работы механизма и исходные данные для проектирования. Грузовой автомобиль с двухтактным двигателем внутреннего сгорания.

Кривошипно-ползунный механизм 1-2-3 двигателя внутреннего сгорания преобразует возвратно-поступательное движение ползуна (поршня) 3 во вращательное движение кривошипа 1. Передача движения от ползуна к кривошипу осуществляется через шатун 2 (рис. 1, а ).

Цикл движения поршня включает такты расширения (рис.1, в ) и сжатия. При расширении взорвавшаяся в цилиндре рабочая смесь перемещает поршень из в.м.т в н.м.т.

При подходе поршня к н.м.т. открываются продувочные окна в цилиндре и выпускные клапаны, и продукты горения удаляются из цилиндра в выхлопную систему, а цилиндр заполняется чистым воздухом. После перекрытия поршнем продувочных окон и закрытия клапанов начинается сжатие воздуха в цилиндре, заканчивающееся в в.м.т. взрывом впрыснутого топлива.

На кривошипном валу закреплен кулачок, плоский толкатель которого приводит в действие диафрагму топливного насоса (рис.1, д ), который подает топливо из бака к форсункам цилиндра.

Движения кривошипно-ползунного и кулачкового механизмов согласованы циклограммой (рис.1, г ).

Передача движения на ведущие колеса осуществляется через коробку передач и редуктор заднего моста. Коробка передач содержит ступень внешнего зацепления z* - z**и планетарную передачуz₁ - Н (рис.1, б ).

Исходные данные приведены в таблице 1.



Рис. 1

Таблица 1

Рычажный механизм
Средняя скорость ползуна (поршня) 3 Vср, м/с	4,17
Ход ползуна (поршня) 3S, м	0,103
Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна	0,172
Отношение хода поршня к его диаметру S/d	1,0
Коэффициент неравномерности вращения коленчатого вала	1/80
Зубчатая передача
Передаточное отношение планетарной передачи	-0,69
Число зубьев колес	23;27
Число сателлитов планетарной передачиk	4
Приведенныйк водилу момент инерции трансмиссии	131
Кулачковый механизм
Ход толкателя , м	0,014
Угол удаления , град	120
Угол дальнего стояния , град	30
Угол возвращения , град	150
Масса толкателя,кг	0,103



В расчетах принять : 1) массы звеньев: шатуна ВС -m₂=ql, где q=10 кг/м; ползуна С -m₃=0,3m₂ ; кривошипа АВ -m₁=2 m₂; 2) центр масс шатуна в точке S₂ с координатой BS₂ = 0,35BC, кривошип уравновешен; 3) моменты инерции относительно центров масс: шатуна, кривошипа ; 4) закон движения толкателя при удалении и возвращении --№5;

5) модуль зубчатых колес коробки передач определить по формуле (6.1).



2.Задачи исследования. Блок-схема исследования машинного агрегата

Задачами Исследования динамики машинного агрегата являются:

1) Оценка динамической нагруженности машины в целом;

2) Оценка динамической нагруженности отдельных механизмов, входящих в состав машины.

Оценка динамической нагруженности машины включает определение уровня неравномерности вращения главного вала проектируемой машины и приведение его в соответствие с заданным коэффициентом неравномерности вращения ( динамический синтез машины по заданному коэффициенту неравномерности движения ) , а также определение законно вращения главного вала машины после достижения заданной неравномерности вращения (динамический анализ машины). Параметром, характеризующим динамическую нагруженность машины, является коэффициент динамичности.

Динамическая нагруженность отдельных механизмов машины оценивается величиной и направлением реактивных сил и моментов сил в кинематических парах (динамический анализ механизмов). Поскольку при определении реактивных нагрузок используется кинетостатический метод расчета, то динамический анализ механизмов включает последовательное выполнение кинематического анализа, а затем кинетостатического силового расчета.

В движении входного звена исполнительного рычажного механизма имеют место колебания угловой скорости, основными причинами которых являются :

1)несовпадение законов изменения сил сопротивления и движущихся сил в каждый момент времени;

2)непостоянство приведенного момента инерции звеньев исполнительного и некоторых вспомогательных межанизмов



3.Динамика структурного агрегата

3.1Структурный анализ

Звенья: 1 - кривошип; 2 - шатун; 3 - поршень; О - стойка. Число подвижных звеньев n=3.Кинематические пары :

О(0,1) - вращательная одноподвижная 5 класса;

А(1,2) - вращательная одноподвижная 5 класса;

В(2,3) - вращательная одноподвижная 5 класса;

В(3,0) - поступательная одноподвижная 5 класса.



Раскладываем механизм на структурные группы:

W=0 - группа 2 класса, 2 порядок, 2 вид.

W=1 - механизм 1 класса.

Формула строения:

Весь механизм 2 класса.

3.2 Геометрический синтез рычажного механизма

Входные параметры для выполнения геометрического синтеза:

S - ход поршня;



Момент инерции относительно центра масс шатуна:

3.3 Построение плана положений механизма

- начальная обобщенная координата, соответствующая наиболее удаленному крайнему положению ползуна.



За масштабный коэффициент длины принимаем

3.4 Определение кинематических характеристик кривошипно-ползунного механизма и контрольный расчет их для положения №2 (аналитически)

Действительная схема Расчетная схема

Кинематические характеристики определяются по формулам, выведенным для метода замкнутого векторного контура.

Расчет кинематических характеристик:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.



16.

17.

Для сравнения произведем определение кинематических характеристик построением плана аналогов скоростей. Для построения плана аналогов cкоростей примем . В этом случае отрезок ра изображает аналог скорости точкиАра=ОА. Известно, что. Поскольку между скоростями и аналогами скоростей существует пропорциональность, то для точки В записываются аналогичные векторные уравнения:

Построение точки Sна плане находим по теореме подобия. Произведем графический расчет:

Сопоставление расчетов и :

Аналитический	?0,15	0,0294
Графический	?0,161	0,04



3.5 Обработка индикаторной диаграммы и определение внешних сил, действующих на поршень

Индикаторная диаграмма представляет собой графическое изображение зависимости давления Р от перемещения ползуна S. Требуется определить значения давления Р и силы F для всех положений механизма.

Для обработки индикаторной диаграммы выбираем масштабный коэффициент:

Сила, действующая на поршень определяется по формуле:

,

где площадь днища поршня: , где d диаметр поршня.

= =31154/87=172,5 .

Результаты расчетов сводим в таблицу.

№
1	87	-31154
2	71	-25425
3	47	-16830
4	27	-9668
5	12	-4297
6	3	-1074
7	0	0
8	1	-358
9	3	-1074
10	7	-2506
11	16	-5729
12	23	-8236
13	27	-9668

3.6 Динамическая модель машинного агрегата

В движении входного звена исполнительного рычажного механизма имеют место колебания угловой скорости, основными причинами которых являются:

1)несовпадение законов изменения сил сопротивления и движущих сил в каждый момент времени;

2)непостоянство приведенного момента инерции звеньев исполнительного и некоторых вспомогательных механизмов.

Чтобы учесть влияние названных причин на закон движения входного звена исполнительного механизма, составляется упрощенная динамическая модель машинного агрегата и на ее основе - математическая модель, устанавливающая функциональную взаимосвязь исследуемых параметров.

Наиболее простой динамической моделью машинного агрегата может быть одномассовая модель представленная ниже:



В качестве такой модели рассматривается условное вращающееся звено - звено приведения, которое имеет момент инерции относительно оси вращения (приведенный момент инерции) и находится под действием момента сил (приведенного момента сил). В свою очередь

Где приведенный момент движущих сил;

приведенный момент сил сопротивления.

Динамические характеристики и должны быть такими, чтобы закон вращения звена приведения был таким же, как и у главного вала машины (кривошипа 1 основного исполнительного рычажного механизма), т.е.

3.6.1 Определение приведенных моментов сил сопротивления и движущих сил



Определение выполняется из условия равенства мгновенных мощностей:

Откуда:

, где:

,- проекция силы на оси координат;

,- проекции аналогов скорости точки приложения силы;

- передаточная функция от i-го звена, к которому приложен момент к звену 1; при направлении вращения звена 1 по часовой стрелке.

Для вертикального механизма получаем:



Сила в изображенном случае отрицательна. Во втором положении:

Приведенный момент определяется из условия, что при установившемся режиме движения изменение кинетической энергии машины за цикл равно нулю, т.е. , и за цикл .

Работа движущих сил вычисляется по формуле:

Интегрировании выполняется численным метом по правилу трапеций:

где - шаг интегрирования в радианах.

С учетом при



3.6.2 Определение переменной составляющей приведенного момента инерции и его производной

Переменная составляющаяопределяется из условия равенства кинетических энергий, т.е. кинетическая энергия звена привидения, имеющего момент инерции , равна сумме кинетических энергий звеньев, характеризуемых переменными передаточными функциями :

Разделив это выражение на , с учетом того , что ,

получим :

=0,00697 кг·

Производная необходимая в последующем для определения закона движения звена приведения, имеет вид :

sign(=0.0063кг·



3.6.3 Определение постоянной составляющей приведенного момента инерции и момента инерции маховика

В основу расчета положен метод Н.И. Мерцалова. Для определения изменения кинетической энергии машины предварительно определяем работу движущих сил. Для i-гo положения:

где

Тогда

Изменение кинетической энергии звеньев с постоянным приведенным моментом инерции равно :

,

где - кинетическая энергия звеньев, создающих переменную составляющую . Пометоду Мерцалова, определяется приближенно по средней угловой скорости :

Далее из полученного за цикл массива значений ,находим максимальную и величины используя которые, вычисляем максимальный перепад кинетической энергии:



Тогда необходимая величина , при которой имеет место вращение звена приведения с заданным коэффициентом неравномерности , равна:

Момент инерции маховика определяется как

приведенный момент инерции всех вращающихся масс машины (ротора, зубчатых колес, кривошипа). задано вусловии курсового проекта.

Иногда величина может оказаться больше полученного значения . Этоозначает, что не требуется установки маховика .

3.6.4 Определение закона движения звена приведения

С помощью зависимости , используемой при определениипостоянной составляющей приведенного момента инерции по методу Мерцалова , можно получить зависимость угловой скорости звена приведения

Для любого положения кинетическая энергия звеньев, обладающих постоянным приведенным моментом инерции , равна :



Где

Угловое ускорение определяется из дифференциального уравнения движения звена приведения:

3.6.5 Схема алгоритма программы исследования динамической нагруженности машинного агрегата

Рассмотренные в предыдущих параграфах материалы позволяют разработать программу исследования динамической нагруженности машинного агрегата. В качестве объекта исследования взята технологическая машина, в которой основным исполнительным механизмом является кривошипно-ползунный механизм. Осуществляется ввод данных (блок 1). Пример подготовки исходных данных показан в таблице. Следует обратить внимание на соответствие направления вращения кривошипа , знака F, по отношению к положительному направлению соответствующей оси координат, а также на знак величины эксцентриситета е. В блоке 2 вычисляются угловой шаг , , максимальная координата ползуна, и присваивается начальное значение обобщенной координате.

Далее в цикле по (блоки 4-9) вычисляются кинематические характеристики рычажного механизма, динамические характеристики



кинетическая энергия ,работа сил сопротивления

По окончании цикла определяется приведенный момент движущих сил ( блок 10 ).

В новом цикле (блоки 11-12) производится вычисление, ,

В подпрограмме (блок 13 ) из массива , находятся экстремальные значения , что позволяет в блоке 14 определить величины, , а также, и .

После вычисления в цикле (блоки15 и16) T,,производится печать результатов расчета (блок 17).



3.7 Обработка результатов вычислений

Результаты вычислений, выполненные на ЭВМ по приведенному ранее алгоритму даны в распечатке, по ним на листе 1 строим следующие графики :

1) графики кинематических характеристик

2)

, ;

=2·/180?=2·3,14/180?=0,0349 ; == =0,001



== =0,025;== =0,001;

	мм	мм	,мм
90	0	-70,8	0
60	8	-61,56	29,7
30	29,2	-34,36	48,6
0	56,1	0	51,5
-30	80,7	34,36	40,6
-60	97,2	61,56	21,8
-90	103	70,8	0
-120	97,2	61,56	-21,8
-150	80,7	34,36	-40,6
-180	56,1	0	-51,5
-210	29,2	-34,36	-48,6
-240	8	-61,56	-29,7
-270	0	-70,8	0

3) графики переменной составляющей приведенного момента инерции и его составляющих :A,B,C ;

4)

==;

	мм	мм	,мм	,мм
90	31,76	12,84	0	44,6
60	45,22	9,71	7,95	62,88
30	69,38	3,29	21,25	93,92
0	76,92	0	23,87	100,79
-30	61,99	3,29	14,84	80,12
-60	40,99	9,71	4,27	54,97
-90	31,76	12,84	0	44,6
-120	40,99	9,71	4,27	54,97
-150	61,99	3,29	14,84	80,12
-180	76,92	0	23,87	100,79
-210	69,38	3,29	21,25	93,92
-240	45,22	9,71	7,95	62,88
-270	31,76	12,84	0	44,6

5) графики приведенных моментов движущих сил и сил сопротивления:

6)

,;

== =7;

	мм	мм
90	0	-10
60	108	-10
30	117	-10
0	71,4	-10
-30	25	-10
-60	3,5	-10
-90	0	-10
-120	-1,2	-10
-150	-6,5	-10
-180	-18,7	-10
-210	-40	-10
-240	-35	-10
-270	0	-10

7) графики работ движущих сил и сил сопротивления

,;

== = 15;

	мм	мм
90	0	0
60	14,6	-4,7
30	44	-9,5
0	67,7	-14,2
-30	79,4	-19
-60	82,6	-23,7
-90	82,9	-28,5
-120	82,8	-33,3
-150	81,9	-38
-180	78,8	-42,8
-210	71,5	-47,5
-240	61,7	-52,3
-270	57	-57

8) графики изменения кинетической энергии машины ??Tи изменение кинетической энергии постоянной составляющей приведенного момента инерции: ;

==;

	мм	мм
90	0	-2,5
60	9,8	6,5
30	34,5	29,4
0	53,4	48,1
-30	60,4	56,1
-60	58,8	55,9
-90	54,4	52
-120	49,5	46,5
-150	43,8	39,6
-180	36,1	30,7
-210	23,9	18,8
-240	9,4	6
-270	0	-2,4

9) графики изменения угловой скорости и углового ускорения кривошипа:

,



== = 0,04;== = 4;

	мм	мм
90	19,7	15,376
60	13,7	-64,508
30	-1,625	-73,04
0	-14,025	-42,689
-30	-19,375	-9,276
-60	-19,225	9,146
-90	-16,65	15,376
-120	-13,05	19,8245
-150	-8,4	25,208
-180	-2,45	31,8055
-210	5,425	42,9475
-240	14	37,619
-270	19,7	15,376

3.8 Выводы

В ходе расчетов по разделу была определена постоянная составляющая момента инерции и установлен закон движения звена приведения.

Для обеспечения вращения звена приведения с заданным коэффициентом неравномерности движения = 0,0125 необходимо, чтобы постоянная составляющая приведённого момента инерции

Так как >0,0131кг*м², то необходимо установить дополнительную массу - маховик, с моментом инерции .

Полученный коэффициент неравномерности равен:

Размещено на Allbest.ru