Отношение радиуса кривошипа к длине шатуна

Страницы работы

Фрагмент текста работы

Для расчёта двигателя по заданным значениям, необходимо знать все параметры двигателя-образца, которые берутся из задания:

N_е обр =2200 кВт – эффективная мощность дизеля;

D_П = 260 мм, S = 260 мм – диаметр и ход поршня;

n = 16,67 об/с – частота вращения коленчатого вала;

i = 16 – число цилиндров;

t = 4 – тактность дизеля;

h_м = 0,87 – механический к.п.д. двигателя;

a = 2,01 – коэффициент избытка воздуха ;

j_b = 1,05 – коэффициент продувки;

l = 0,185 – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

e = 12,2 – степень сжатия;

b_e = 0,212 кг/(кВт·ч) – удельный эффективный расход топлива;

η_v = 0,87 – коэффициент наполнения;

р_z = 11 МПа – наибольшее давление сгорания;

g = 0,03 — коэффициент остаточных газов;

x = 0,82 — коэффициент эффективного выделения теплоты;

n₁=1,37 – средний показатель политропы сжатия;

n₂=1,27 – средний показатель политропы расширения;

М_п = 32 кг, М_ш = 60 кг — масса поршня и шатуна.

Появление поршневых двигателей внутреннего сгорания во второй половине XIX в. было вызвано развитием промышленности, для которой требовался более совершенный двигатель, чем паровая машина, имевшая к. п. д. не более 0,14.

Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющихся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию непосредственно внутри двигателя.

Поступательное движение через шатуны передается коленчатому валу, преобразуется во вращательное. Преобразование тепловой энергии в механическую сопровождается периодически (циклически) повторяющимися процессами:

а) горение и расширение, за время которого объем между поршнем и крышкой цилиндра увеличивается, и газами совершается полезная работа;

б) смены заряда путем выпуска газа через выпускные органы и впуска свежего заряда через впускные органы;

в) сжатия воздуха, осуществляемого уменьшением объема между поршнем и крышкой цилиндра.

В курсовом проекте уделено внимание расчету его основных параметров, построению векторной диаграммы, и определению сил действующих в кривошипно-шатунном механизме.

Все перспективные потребности железнодорожного транспорта в дизелях в диапазоне от 550 до 4400 кВт могут перекрываться единым мощностным рядом унифицированных четырехтактных дизелей, которые позволят заменить пять типов дизелей, получивших распространение на тепловозах советского производства.

Мощностной ряд унифицированных дизелей типа Д49 имеет многоцелевое назначение и разработан для улучшения структуры и организации дизельного производства на базе внутриотраслевой специализации с учетом перспективных потребностей в развитии типажа дизелей судовых, стационарных, для буровых установок и др.

Изменение номинальной агрегатной мощности различных моделей типа Д49 обеспечивается изменением числа кривошипов коленчатого вала от 4 до 10, числа цилиндров и компоновочных схем, степени газотурбинного наддува (со свободными турбокомпрессорами с последующим охлаждением или без охлаждения наддувочного воздуха). Возможность изменения номинальной частоты вращения от 750 до 1100 об/мин. Модификации этих дизелей в диапазоне мощности от 590 до 4400 кВт с 8, 12, 16 и 20 цилиндрами установлены на тепловозах и прошли эксплуатационную проверку и доводку.

Для наиболее форсированных модификаций предусматривается применение двухступенчатого наддува. Рабочий процесс дизелей Д49 отличается высокой экономичностью на режимах номинальной мощности. Однако требуется дальнейшее улучшение рабочего процесса, экономичности и уменьшения дымности этих дизелей во всем диапазоне эксплуатационных режимов и на переходных режимах.

В основу конструктивной компоновки всех модификаций дизелей типа Д49 положен V-образный отсек с унифицированными для всего мощностного ряда узлами цилиндро-поршневой группы, клапанного механизма, топливной аппаратуры и др.

Сварно-литая конструкция блока цилиндров дизеля Д49 образована из крупных унифицированных литых элементов картерной части, что позволяет при серийном производстве максимально механизировать его изготовление и обеспечивает производство остова для 8—20-цилиндровых модификаций дизелей из унифицированных элементов путем автоматической их сварки.

По результатам широкой длительной эксплуатации установочных серий тепловозов 2ТЭ116 и ТЭП70 в различных условиях дизели типа Д49 прошли модернизацию для повышения их надежности по основным элементам конструкции. Блоки цилиндров выполняют с плоским разъемом узла коренного подшипника. Чугунные литые коленчатые валы заменены стальными штампованными с противовесами, закрепленными на всех щеках . Для уменьшения прорыва газов в картер и снижения расхода масла установлены поршни повышенной газоплотности . Повышена жесткость нижней головки шатуна и перемычки под прицепной палец . Установлено комбинированное устройство для отстройки от резонанса или уменьшения напряжений на основе соединения силиконового демпфера с антивибратором .

Диаметр шатунной шейки уменьшен до 190 мм одновременно с увеличением рабочей ширины вкладыша с 110 до 120 мм, введением овальной расточки и смещенной маслораспределительной канавки вкладышей подшипника .Овальная расточка компенсирует неточности изготовления, рабочие и остаточные деформации постели. Исключение канавок и «холодильников» вблизи нагруженной зоны увеличивает несущую способность подшипника. Все это увеличивает минимальную толщину масляного слоя

Кривошипно-шатунный механизм (KШM) является основным механизмом поршневого ДВС, который воспринимает и передает значительные по величине нагрузки. Поэтому расчет прочности KШM имеет важное значение. В свою очередь расчеты многих деталей двигателя зависят от кинематики и динамики КШМ. Кинематический анализ КШМ устанавливает законы движения его звеньев, в первую очередь поршня и шатуна.

Для упрощения исследования КШМ будем считать, что кривошипы коленчатого вала вращаются равномерно, т. е. с постоянной угловой скоростью.

В поршневых ДВС применяются три типа КШМ:

• с прицепным шатуном.

В центральном КШМ ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема центрального КШМ: φ — текущий угол поворота коленчатого вала; β — угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра (при отклонении шатуна в направлении вращения кривошипа угол β считается положительным, в противоположном направлении — отрицательным); S — ход поршня;
R — радиус кривошипа; L — длина шатуна; х — перемещение поршня;

ω — угловая скорость коленчатого вала

Угловая скорость рассчитывается по формуле

Важным конструктивным параметром КШМ является отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:

Установлено, что с уменьшением λ (за счет увеличения L) происходит снижение инерционных и нормальных сил. При этом увеличивается высота двигателя и его масса, поэтому в автомобильных двигателях принимают λ от 0,23 до 0,3.

Значения λ для некоторых автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1. Значения параметра λ для различных двигателей

В дезаксиальном КШМ (рис. 11.2) ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала и смещена относительно ее на расстояние а.

Рис. 11.2. Схема дезаксиального КШМ

Дезаксиальные КШМ имеют относительно центральных КШМ некоторые преимущества:

• увеличенное расстояние между коленчатым и распределительным валами, в результате чего увеличи­вается пространство для перемещения нижней головки шатуна;

• более равномерный износ цилиндров двигателя;

• при одинаковых значениях R и λ больше ход поршня, что способствует снижению содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателя;

• увеличенный рабочий объем двигателя.

На рис. 11.3 показан КШМ с прицепным шатуном. Шатун, который шарнирно соединен непосредственно с шейкой коленчатого вала, называется главным, а шатун, который соединен с главным посредством пальца, расположенного на его головке, называется прицепным. Такая схема КШМ применяется на двигателях с большим числом цилиндров, когда хотят уменьшить длину двигателя. Поршни, соединенные с главным и прицепным шатуном имеют не одинаковый ход, так как ось кривошипной головки прицепного шатуна при работе описывает эллипс, большая полуось которого больше радиуса кривошипа. В V-образном двенадцатицилиндровом двигателе Д-12 разница в ходе поршней составляет 6,7 мм.

Рис. 11.3. КШМ с прицепным шатуном: 1 — поршень; 2 — компрессионное кольцо; 3 — поршневой палец; 4 — заглушка поршневого пальца; 5 — втулка верхней головки шатуна; 6 — главный шатун; 7 — прицепной шатун; 8 — втулка нижней головки прицепного шатуна; 9 — палец крепления прицепного шатуна; 10 — установочный штифт; 11 — вкладыши; 12— конический штифт

11.2. Кинематика центрального КШМ

При кинематическом анализе КШМ считается, что угловая скорость коленчатого вала постоянна. В задачу кинематического расчета входит определение перемещения поршня, скорости его движения и ускорения.

11.2.1. Перемещение поршня

Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным КШМ рассчитывается по формуле

(11.1)

Анализ уравнения (11.1) показывает, что перемещение поршня можно представить как сумму двух перемещений:

x₁ — перемещение первого порядка, соответствует перемещению поршня при бесконечно длинном шатуне (L = ∞ при λ = 0):

;

х₂ — перемещение второго порядка, представляет собой поправку на конечную длину шатуна:

;

Величина х₂ зависит от λ. При заданном λ экстремальные значения х₂ будут иметь место, если

т. е. в пределах одного оборота экстремальные значения х₂ будут соответствовать углам поворота (φ) 0; 90; 180 и 270°.

Максимальных значений перемещение достигнет при φ = 90° и φ = 270°, т. е. когда соs φ = -1. В этих случаях действительное перемещение поршня составит

Величина λR/2, называется поправкой Брикса и является поправкой на конечную длину шатуна.

На рис. 11.4 показана зависимость перемещения поршня от угла поворота коленчатого вала. При повороте кривошипа на 90° поршень проходит больше половины своего хода. Это объясняется тем, что при повороте кривошипа от ВМТ до НМТ поршень движется под действием перемещения шатуна вдоль оси цилиндра и отклонения его от этой оси. В первой четверти окружности (от 0 до 90°) шатун одновременно с перемещением к коленчатому валу отклоняется от оси цилиндра, причем оба перемещения шатуна соответствуют движению поршня в одном направлении, и поршень проходит больше половины своего пути. При движении кривошипа во второй четверти окружности (от 90 до 180°) направления движений шатуна и поршня не совпадают, поршень проходит наименьший путь.

Рис. 11.4. Зависимость перемещения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала

Перемещение поршня для каждого из углов поворота может быть определено графическим путем, которое получило название метод Брикса. Для этого из центра окружности радиусом R=S/2 откладывается в сторону НМТ поправка Брикса, находится новый центр О₁. Из центра О₁ через определенные значения φ (например, через каждые 30°) проводят радиус-вектор до пересечения с окружностью. Проекции точек пересечения на ось цилиндра (линия ВМТ—НМТ) дают искомые положения поршня при данных значениях угла φ. Использование современных автоматизированных вычислительных средств позволяет быстро получить зависимость x=f(φ).

11.2.2. Скорость поршня

Производная перемещения поршня — уравнение (11.1) по времени вращения дает скорость перемещения поршня:

(11.2)

Аналогично перемещению поршня скорость поршня может быть представлена также в виде двух составляющих:

где V₁– составляющая скорости поршня первого порядка:

V₂ — составляющая скорости поршня второго порядка:

Составляющая V₂ представляет собой скорость поршня при бесконечно длинном шатуне. Составляющая V₂ является поправкой к скорости поршня на конечную длину шатуна. Зависимость изменения скорости поршня от угла поворота коленчатого вала показана на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала

Максимальные значения скорость достигает при углах поворота коленчатого вала меньше 90 и больше 270°. Точное значение этих углов зависит от величин λ. Для λ от 0,2 до 0,3 максимальные скорости поршня соответствуют углам поворота коленчатого вала от 70 до 80° и от 280 до 287°.

Средняя скорость поршня рассчитывается следующим образом:

Средняя скорость поршня в автомобильных двигателях обычно находится в пределе от 8 и до 15 м/с. Значение максимальной скорости поршня с достаточной точностью может быть определено как

11.2.3. Ускорение поршня

Ускорение поршня определяется как первая производная скорости по времени или как вторая производная перемещения поршня по времени:

(11.3)

где и — гармонические составляющие первого и второго порядка ускорения поршня соответственно j₁ и j₂. При этом первая составляющая выражает ускорение поршня при бесконечно длинном шатуне, а вторая составляющая — поправку ускорения на конечную длину шатуна.

Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала показаны на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих
от угла поворота коленчатого вала

Ускорение достигает максимальных значений при положении поршня в ВМТ, а минимальных — в НМТ или около НМТ. Эти изменения кривой j на участке от 180 до ±45° зависят от величины λ. При λ > 0,25 кривая j имеет вогнутую форму в сторону оси φ (седло), и ускорение достигает минимальных значений дважды. При λ = 0,25 кривая ускорения выпуклая, и ускорение достигает наибольшего отрицательного значения только один раз. Максимальные ускорения поршня в автомобильных ДВС 10 000 м/с 2 . Кинематика дезаксиального КШМ и КШМ с прицепным шатуном несколько отличается от кинематики центрального КШМ и в настоящем издании не рассматривается.

11.3. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D является одним из основных параметров, который определяет размеры и массу двигателя. В автомобильных двигателях значения S/D от 0,8 до 1,2. Двигатели с S/D > 1 называются длинноходными, а с S/D

Дата добавления: 2017-02-13 ; просмотров: 10707 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Двигатель внутреннего сгорания и другие конструкции, в состав которых входит кривошип, характеризуются достаточно высокой сложностью. Рассматриваемый элемент конструкции характеризуется довольно большим количеством особенностей, среди которых отметим радиус. Для того чтобы понять принцип действия и многие другие параметры детали следует рассмотреть кривошип подробнее.

Устройство КШМ

Схема стандартного кривошипа представлена сочетанием различных элементов, которые и обеспечивают передачу с перенаправлением вращения. Они следующие:

1. Шатун.
2. Цилиндр-поршневая группа.
3. Коленчатый вал.

Все эти детали расположены в двигателе в блоке цилиндров. Полезная КПД находится в обширном диапазоне, может быть достаточно большим. Рассматривая чертеж следует уделить внимание тому, что все элементы должны точно позиционироваться относительно друг друга.

Поршень

Важным элементом механизма зачастую становится поршень. Это связано с тем, что во время движения поршня создается требуемое давление. Особенностями назовем следующие моменты:

1. Точность размеров повышенная. В противном случае ДВС потеряет мощность или заклинит при эксплуатации.
2. При изготовлении применяются легкие сплавы, за счет чего повышается КПД.
3. Материал должен выдерживать воздействие окружающей среды.
4. Радиус соответствует блоку цилиндров.

Для обеспечения требуемой степени герметизации на этой детали делают несколько проточек, предназначение которых заключается в расположении герметизирующих колец.

Шатун

Еще одним важным элементом можно назвать шатун. Его предназначение заключается в связи поршня и коленвала. За счет этого обеспечивается передача механического действия. Ключевыми особенностями назовем следующее:

1. Шатун выполнен в виде двутаврового изделия.
2. Шатун характеризуется повышенной устойчивостью к изгибу.
3. На концах, как правило, расположены головки для соединения с поршнем и коленчатом валом.
4. Радиус варьирует в большом диапазоне.

В месте непосредственного контакта шатуна с коленчатым валом находится шатунная шейка. Нижняя часть выполнена в разъемном виде, за счет чего можно провести демонтаж.

Коленчатый вал

Устанавливается вал кривошипа в механизме для второго этапа преобразования энергии. За счет этого элемента есть возможность провести превращение поступательного движения поршня в возвратно-поступательное. Стоимость подобного изделия довольно высока, так как он обладает сложной геометрией. Радиус кривошипа также зависит от различных моментов. Особенности вала следующие:

1. Есть два типа шеек: шатунные и коренные. Их предназначение существенно отличается, как и форма. Соединение проводится особым типом шеек.
2. Фиксация проводится при помощи специальных крышек. Даже малейшее смещение может стать причиной серьезного износа.
3. Для снижения степени трения устанавливаются подшипники. Выделяют довольно большое количество различны вариантов исполнения подшипников, выбор проводится в зависимости от эксплуатационных условий.
4. Шатунные шейки предназначены для крепления шатуна. Они имеют относительно небольшие размеры, повторяют форму шатуна.
5. Диаметр может варьировать в большом диапазоне.

При изготовлении этого элемента применяется сталь, которая характеризуется высокой устойчивостью к нагреву и механическому воздействию.

Маховик

У двигателя также есть маховик, который является важным конструктивным элементом. Сред особенностей отметим:

1. Уделяется внимание правильности фиксации. Он не должен прокручиваться, так как это станет причиной повреждения вала.
2. При изготовлении применяется сталь с повышенной устойчивостью к высокой температуре.
3. Обладает значительным весом и габаритами, при раскручивании обеспечиваются наиболее благоприятные условия вращения коленвала.
4. За счет большого веса возникают существенные проблемы при старте двигателя, так как для его раскручивания требуется высокое усилие.
5. Увеличенный радиус также неблагоприятно отражается на массе изделия.

Маховик должен иметь точные размеры, так как даже незначительные отклонения могут привести к серьезным последствиям. Он устанавливается для выполнения различных функций.

Блок и головка блока цилиндров

Все детали расположены в герметичном корпусе, который называется блоком. Его размеры характеризуются высокой точностью, есть охлаждающий пояс. Для облегчения конструкции и эффективного отвода тепла применяется алюминий.

Головка блока цилиндров накрывает основную часть. Она позволяет проводить обслуживание при необходимости. При ее изготовлении также применяется металл с небольшим весом. В верхней части есть отверстия для подключения других узлов, а также отвода продуктов горения.

Какими параметрами определяется ход поршня

Выделяют достаточно большое количество различных признаков, по которым проводится определение хода поршня. Среди особенностей отметим:

1. Радиус кривошипа.
2. Частота вращения кривошипа.

Двигатель работает в несколько тактов, за счет чего обеспечивается сгорания топлива и отведение продуктов горения. Ход устройства также определяется двумя мертвыми точками.

Как определить радиус кривошипа

Приведенная выше информация указывает на то, что радиус кривошипа является важным параметром, который рассматривается при обслуживании и в других случаях. Определяется этот показатель расстоянием между осевой линией вращения коленчатого вала и осевой лини шатунной шейки.

Стоит учитывать, что с изменяемым радиусом кривошипа встречается относительно небольшое количество различных устройств. Этот параметр во многом определяет плавность хода, а также многие другие моменты.

В заключение отметим, что при изготовлении кривошипа применяется сталь, которая прошла дополнительную термическую обработку и другое улучшение. Самостоятельно изготовить его практически не возможно, что связано с высокой точностью размеров и сложностью обработки материала.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.