Файл: Конструкция и расчет энергетических установок методические указания.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВО Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Кафедра Автомобили и автомобильное хозяйство»
КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Методические указания к курсовому проектированию и задания для студентов всех форм обучения, направления подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортно- технологических машин и комплексов по профилю Автомобили и автомобильное хозяйство»
Барнаул 2016

2 Кафедра Автомобили и Автомобильное хозяйство Конструкция и расчет энергетических установок Методические указания к курсовому проектированию и задания для студентов всех форм обучения, направления подготовки 23.03.03 Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов по профилю Автомобили и автомобильное хозяйство /АлтГТУ; Сост Ю.И.
Шенкнехт. - Барнаул, 2016. - 32 с. Рецензент канд. техн. наук, доцент. Г.В. Медведев Методические указания содержат варианты заданий, а также порядок расчетов и структуру графических построений при выполнении курсового проекта по дисциплине Конструкция и расчет энергетических установок. Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры Автомобили и автомобильное хозяйство АлтГТУ. Протокол №6 от 17 февраля 2016 г. Издательство Алтайского государственного технического университета им . И.И. Ползунова, 2016 г.

3 Задачи курсового проекта
Выполнение курсового проекта по дисциплине Конструкция и расчет энергетических установок является завершающим этапом изучения дисциплины и преследует цель систематизации и глубокого закрепления, полученных студентами знаний по энергетическим установкам мобильных машин и другим смежным специальными общетехническим дисциплинам. Основными задачами курсового проекта являются
- получение практики применения теоретических знаний для решений задач проектирования с использованием литературных источников
- развитие творческих способностей и инициативы при решении инженерных задач в области двигателестроения
- развитие творческих способностей и инициативы при решении инженерных задач в области двигателестроения
- привитие навыков обоснованного принятия инженерных решений на основании анализа и критической оценки параметров и конструктивных особенностей существующих двигателей.
- обретение навыков владения компьютером для выполнения инженерных задач. Обязательным условием успешного выполнения и защиты курсового проекта по дисциплине Конструкция и расчет энергетических установок, является проведение модернизации существующего двигателя или разработка новой конструкции с лучшими технико-экономическими показателями по сравнению с прототипом, атак же конструирование двигателя по заданным параметрам. Отличительной чертой курсового проекта является его целостность, те. все расчеты и графические материалы взаимосвязаны и представляют собой комплексный расчет. Объем и содержание курсового проекта. Пояснительная записка
- оглавление
- задание на проект
- технико-экономическое обоснование проектируемого двигателя и выбор основных параметров, необходимых для расчета двигателя
- тепловой расчет двигателя
- построение внешней скоростной характеристики
- кинематический расчет
- динамический расчет
- расчет основных деталей и систем с необходимыми схемами и эскизами (в соответствии с заданием
- сравнительная таблица основных показателей проектируемого двигателя и прототипа с кратким описанием усовершенствований и

4 изменений, которые внесены в проектируемый двигатель по сравнению с прототипом
- перечень использованной литературы.
2. Графический материал
- Индикаторная диаграмма (лист 1 формата А)
- График внешней скоростной характеристики двигателя (лист 2 формата А.
- Графики перемещения, скорости и ускорения поршня (лист 3 формата А.
- Развернутая индикаторная диаграмма и кривые удельных сил (лист 4 формата А)
- Диаграмма суммарного крутящего момента двигателя (лист 5 формата А.
- Эскизы и расчетные схемы систем и механизмов двигателя поза- данию (листы формата А.
- Продольный и поперечный разрез двигателя (2 листа формата А) Графический материал выполняется на отдельных листах формата А, если курсовой проект выполняется с использованием электронного шаблона в остальных случаях по методическому указанию. Примеры графического материала смотрите в приложении 2-6 методического указания. Пример документации смотрите в приложении 7. Задание на курсовое проектирование Задания для студентов очной и очно-заочной форм обучения выдает ведущий лектор. Задания для студентов заочной формы обучения выдаются ведущим лектором или выбираются по зачтенной книжки студента Для выбора задания по номеру зачетной книжки студента
- из зачетной книжки берется восьмизначный номер, пример 08442092;
- от взятого номера отбрасываются первые шесть цифр, и остается только порядковый номер. Пример 08442092  92
- затем, оставшиеся цифры разбиваются на варианты. Пример 92  это первая цифра 9, а вторая цифра это 2. По первой цифре выбираем из таблицы №1, первая цифра «9» - бензиновый (Б) двигатель легкового автомобиля (Л.А.), четырехцилиндровый, с рядным (Р) расположением цилиндров, выбранный прототип двигателя - ЗМЗ – 4062.10, перечень деталей и систем, необходимых для решения 2, 4, 5, 8 (берутся в конце методического указания. Из таблицы №2 первая цифра «9», а вторая «2», принимаем для расчета мощность двигателя Ne=111 кВт, номинальные обороты вращения коленчатого вала n=4800 об/мин, степень сжатия ε = 9,6.

5
Таблица 1 Первая цифра
0 1
2 3
4 5
6 7
8 9 Тип двигателя
*
Д
- Б
- Б
- ДБ- Б
- ДБ- Б
- Б
- Назначение двигателя
*
Г.
А
Л
.А
Г.
А
Г.
А
Л
.А
Г.
А
Г.
А
Л
.А
Л
.А
Л
.А
Число и расположение цилиндров двигателя Перечень деталей и систем, подлежащих расчету 3
,4
,5
,7 3
,4
,5
,6 1
,2
,4
.7 3
,4
,5
,6 2
,3
,4
,7 1
,3
,6
,7 2
,4
,5
,8 1
,3
,5
,7 Рекомендуемый прототип
ЯМ
З-
2 УЗАМ ЗИЛ ЗИЛ 4
5
ЗМ
З-
4 0
2
ЗМ
З-
53
Ка м
А
З–
7 ВАЗ 1
0 ВАЗ 1
0 6
ЗМ
З-
4 0
6 2
.1 Примечания * - Д - 4-тактный дизель Б - бензиновый 4- тактный двигатель ГА - грузовой автомобиль Л.А - легковой автомобиль Р - рядное расположение цилиндров V - образное расположение цилиндров. Таблица 2 Вторая цифра Первая цифра
0 1
2 3
4 Задаваемые параметры
Ne, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин 230 0
17
,3 56 570 0
8,
8 110 310 0
6,
6 140 290 0
18
,4 2
37 520 0
8,
4 134 220 0
16
,8 59 600 0
9,
2 113 320 0
6,
8 137 280 0
18
,1 3
40 550 0
9,
1 133 210 0
16
,7 53 550 0
8,
5 114 330 0
6,
8 132 250 0
17
,6 4
42 560 0
9,
4 139 240 0
17
,3 57 580 0
9,
1 112 320 0
6,
7 138 280 0
18
,2 5
44 570 0
9,
7 138 230 0
17
,0 60 600 0
9,
3 109 300 0
6,
6 133 260 0
17
,7

6 Продолжение таблицы 2 Вторая цифра Первая цифра
5 6
7 8
9 Задаваемые параметры
Ne, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин 340 0
7,
1 152 240 0
16
,6 49 560 0
9,
7 61 510 0
8,
2 2
67 420 0
8,
0 85 320 0
7,
0 162 280 0
17
,3 46 540 0
8,
9 56 520 0
8,
3 3
71 450 0
8,
1 82 310 0
6,
8 153 250 0
16
,8 47 540 0
9,
1 55
,5 550 0
8,
4 4
75 470 0
8,
3 89 340 0
7,
2 160 260 0
16
,9 50 570 0
9,
8 54 560 0
8,
5 5
68 430 0
8,
0 83 310 0
6,
9 164 270 0
17
,2 45 520 0
8,
5 57 500 Продолжение таблицы 2 Вторая цифра Первая цифра
0 1
2 3
4 Задаваемые параметры
Ne, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин 0
16
,9 58 580 0
8,
9 111 310 0
6,
7 134 260 0
17
,8 8
41 550 0
9,
3 138 240 0
17
,2 60 590 0
9,
0 108 300 0
6,
5 140 300 0
18
,5 9
38 530 0
8,
7 131 200 0
16
,5 55 560 0
8,
7 116 340 0
6,
9 135 270 0
17
,9

7 Продолжение таблицы 2 Вторая цифра Первая цифра
5 6
7 8
9 Задаваемые параметры
Ne, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин, кВт n
, мин 0
7,
1 158 270 0
17
,1 48 560 0
9,
6 56
,5 540 0
8,
9 8
70 440 0
8,
2 81 300 0
6,
8 150 240 0
16
,5 46 530 0
8,
7 59
,4 510 0
9,
1 9
74 460 0
8,
4 86 330 0
7,
0 165 280 0
17
,5 47 550 0
9,
3 53
,1 570 0
8,
3

8 МЕТОДИКА КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Технико-экономическое обоснование Выполнение курсового проекта следует начинать с детального рассмотрения материалов по существующим аналогичным с заданным двигателем. На основании изучения этих материалов должен быть проведен краткий анализ положительных и отрицательных качеств прототипа (прил. В связи стем, что проектируемый двигатель должен иметь лучшие технико-экономические показатели, чему прототипа, необходимо правильно наметить конструктивные мероприятия, позволяющие решить поставленную задачу. В соответствии с намеченными конструктивными усовершенствованиями необходимо выбрать основные параметры двигателя, учитывая тенденцию их развития. В первую очередь выбираются марка топлива, расчетный коэффициент избытка воздуха ее, форма камеры сгорания и отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D. Выбор каждого параметра должен сопровождаться обоснованием с указанием причин, по которым выбрано о или иное значение. После проведения технико-экономического анализа, обоснования конструктивных усовершенствований и выбора исходных показателей проектируемого двигателя можно приступать к тепловому расчѐту. Все расчеты курсового проекта должны выполняться в Международной системе единиц (СИ. Тепловой расчет двигателя
Цель теплового расчета - теоретически исследовать процессы, происходящие в цилиндре двигателя. Выявить факторы, влияющие на их протекание и показатели двигателя рассчитать параметры газа в характерных точках диаграммы и построить индикаторную диаграмму определить среднее индикаторное и эффективное давление и КПД двигателя определить основные размеры двигателя (D и S), обеспечивающие требуемую мощность оценить экономичность двигателя. Приступая к тепловому расчету, необходимо
- в соответствии с найденной мощностью двигателя, с учетом последних достижений в области двигателестроения, ориентируясь на прототип, наметить возможные пределы среднего эффективного давления, экономичности (удельный расход топлива) и скоростного режима
- выбрать и указать способ смесеобразования, тип камеры сгорания и наличие турбо наддува
- выбрать тип и указать фазы газораспределения, типы систем охлаждения, смазки и пуска проектируемого двигателя

9
- произвести расчет для полной (номинальной) мощности с учетом индивидуального задания, особенностей проектируемого двигателя и условий окружающей среды
- изучить теоретическую индикаторную диаграмму четырехтактного двигателя. При проведении теплового расчета необходимо пользоваться учебниками, справочной литературой и конспектом лекций. При выполнении курсового проекта при помощи электронного шаблона обращать внимание на подсказки и производить постоянный контроль вводимых значений. При выполнении теплового расчета следует обратить особое внимание на точность, так как ошибка в подсчете одного показателя влечет за собой искажение всего расчета. В связи с этим рекомендуется основные параметры теплового расчета проектируемого двигателя сопоставлять с соответствующими параметрами существующих прогрессивных двигателей аналогичного типа. При существенных отличиях расчетных параметров от сопоставляемых, расчет необходимо уточнить, а в отдельных случаях необходимо изменить и принятые для расчета величины и коэффициенты. Тепловой расчет ведется для одного номинального режима работы двигателя. Примеры теплового расчета дизеля, дизеля с турбо наддувом, а также бензинового двигателя приведены в учебнике А.В. Николаенко
[1, с. Один из этих примеров следует взять за основу при выполнении теплового расчета двигателя согласно индивидуальному заданию. Также вы можете воспользоваться рекомендациями, разработанными по тепловому расчету двигателя на кафедре Автомобили и тракторы. Перед началом теплового расчета двигателя рекомендуется повторить главу 2 Процессы действительных циклов двигателей [1, с.
13-60], что позволит правильно выбрать значения различных показателей и коэффициентов, которые будут использованы при выполнении теплового расчета. Следует обратить особое внимание на выбор в зависимости от типа двигателя (дизель, дизель с наддувом, бензиновый, типа камеры сгорания, частоты вращения коленчатого вала и численных значений коэффициентов наполнения η
v
, избытка воздуха α, степени повышения давления λ, показателей политропы сжатия n
1
и расширения n
2
и др. Построение индикаторной диаграммы двигателя После теплового расчета производится построение индикаторной диаграммы. Построение индикаторной диаграммы может осуществляться одним из способов - графическими аналитическим.
1 При построении индикаторной диаграммы графическим способом ее масштабы рекомендуется выбирать с таким расчетом, чтобы получить высоту диаграммы, равную 1,2-1,7 ее основания (см. приложение. Для этого на оси абсцисс откладывается отрезок АВ, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня. Отрезок ОА, соответствующий объему камеры сгорания, мм
1 Масштаб давлений (МПа/мм) рекомендуется выбрать
μ
p
= 0,02; 0,025; 0,04; 0,05; 0,07...0,10.
2 Поданным теплового расчета на диаграмме откладываются в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках a,c,z,b,r.
3 Политропы сжатия и расширения строятся аналитическим или графическим методом. При аналитическом методе вычисления ряда точек политроп для промежуточных объемов Р
х
(МПа, расположенных между V
c и производится по уравнению политропы
PV
n
= const:
- для политропы сжатия
1
n
a
x
a
x
V
P
P
V







- для полтропы расширения
2 2 При графическом методе используют наиболее распространенный способ Брауэра. Действительная индикаторная диаграмма отличается от расчетной, так как в реальном двигателе за счет опережения зажигания рабочая смесь воспламеняется до прихода поршня в ВМТ, повышая давление в конце процесса сжатия процесс видимого сгорания происходит при изменяющемся объеме действительное давление конца видимого сгорания P
zd
= =0,85Pz; открытие выпускного клапана до прихода поршня в ВМТ снижает давление в конце расширения. Положение точки с' зависит от угла опережения зажигания, а положение точки с" ориентировочно определяется по выражению Расстояние точки z d
от оси ординат зависит от жесткости работы двигателя и находится в пределах 10... 15° поворота кривошипа от ВМТ. Положение точки b' определяет угол предварения выпуска, а точку b" обычно располагают между точками b и а. Для проверки теплового расчета и правильности построения индикаторной диаграммы находят значение Р, МПа. Индикаторная диаграмма дизеля строится аналогично

11 индикаторной диаграмме бензинового двигателя. Различие будет только при построении политропы расширения, которую строят из точки z, а не из точки z' Отрезок z'z для дизелей, работающих по циклу со смешанным подводом теплоты z'z = OA(ρ-l). При построении индикаторной диаграммы аналитическим методом используются полученные в результате теплового расчета значения давлений в характерных точках диаграммы Р
а
, Р
с
, P
z
, P
b
, а также значения показателя политропы и n
2
, степеней ε. Следовательно, расчет сводится к определению промежуточных значений политроп сжатия и расширения в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Определяем условный размер камеры сгорания S
c и S
z
: где S - ход поршням- степень сжатия Рассчитываем путь поршня S
x при повороте коленчатого вала на каждые 15° или 30° с положения колена вала соответствующего ВМТ по формуле




* 1 cos
* 1 cos 2 Рассчитываем текущее значение отношения Sx/S.
Определяем текущее значение политропы сжатия Р
хс в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ: Определяем текущее значение политропы расширения Р в зависимости от угла поворота коленчатого вала φ: Результаты расчетов сводим в таблицу и по соответствующим точкам строим кривые индикаторной диаграммы. Строим ось ординат - давление над поршнем и ось абсцисс - ход поршня. На оси абсцисс откладываем в масштабе отрезок равный ходу поршня и отмечаем отрезки Sx/S в этом же масштабе. Для расчетного значения текущей координаты хода поршня от угла поворота коленчатого вала будут соответствовать расчетные значения политроп сжатия и расширения.

12 Индикаторные параметры рабочего цикла. Среднее теоретическое индикаторное давление, МПа а) для бензиновых двигателей


2 1
'
1 1
2 1
1 1
1
*
1 1
1 1
1 1
c
n
n
P
P
n
n


 













 б) для дизелей


2 1
'
1 1
2 1
1 1
1 1
1 1
1 1
1
c
i
n
n
P
P
n
n

 














 Среднее индикаторное давление (МПа) где φ - коэффициент полноты индикаторной диаграммы, который для четырехтактных двигателей составляет для бензиновых двигателей
φ =0,94...0,97; для дизелей φ = 0,92...0,95. Индикаторный КПД
i o
i
u
k
v
Pl
H


 Индикаторный удельный расход топлива (г/кВт-ч)
3500
i
u Эффективные показатели двигателя. Среднее давление механических потерь приближенно можно определить (МПа
P
M
= A+BV
n.cp
, где Аи В - эмпирические коэффициенты, значения которых для различных двигателей приведены в табл. 3;
V
n.cp
- средняя скорость поршня (мс, предварительно принимаемая в соответствии с конструкцией и типом двигателя.
Таблица Тип двигателя А В Бензиновый с числом цилиндров дои Бензиновый восьмицилиндровый с S/D<1 Бензиновый с числом цилиндров дои Четырехтактный дизель с неразделенными камерами Предкамерный дизель Вихрекамерный дизель
0,049 0,039 0,034 0,089 0,103 0,089 0,0152 0,0132 0,0113 0,0118 0,0153 0,0135

13 Среднее давление механических потерь Р
м подсчитывается по приведенным формулам без учета качества применяемых масел, теплового состояния двигателя, качества поверхностей трения и наддува. Поэтому полученные значения Р
м
, прежде чем принимать в дальнейшие расчеты, необходимо критически оценить. Среднее эффективное давление (МПа
e
i
m
P
P
P
 Механический КПД Эффективный КПД
e
m i

 Эффективный удельный расход топлива (г/кВт-ч):
3600
e
u Часовой расход топлива (кг/ч): Основные размеры цилиндра и двигателя Литраж двигателя (дм
30
e
n
e
N
V
P Рабочий объем цилиндра (дм Диаметр цилиндра и ход поршня (мм
3 4
100
;
/
h
V
S
D
S
D
S Полученные значения S и D следует округлять до значений, предусмотренных ГОСТом. По окончательно принятым значениями определяют основные параметры и показатели двигателя
(1)
2 4
n
D
F


(2)
2 5
4 л Si
V


(3) л nV
N


(4)
4 3*10
*
e
e
N
M
n


(5)
3
*
*10
T
e
e
G
N
g


(6)
4 п ср
Sn



14 При расхождении более 5% между ранее принятой величиной υ
n.ср.
и полученной, необходимо пересчитать эффективные параметры двигателя. Если вы используете в своих расчетах электронный шаблону вас нет необходимости повторно просматривать пройденный материал в необходимых местах вводится справочная информация для правильного решения и объективного понимания расчетов. Построение внешней скоростной характеристики
Внешнюю скоростную характеристику вновь проектируемого двигателя можно построить по результатам теплового расчета, проведенного для нескольких режимов работы (при различной частоте вращения) двигателя. Однако с достаточной степенью точности эту характеристику можно построить и по результатам теплового расчета, проведенного для одного режима - режима максимальной мощности. Расчет и построение кривых скоростной характеристики в этом случае ведется в интервале а)для бензиновых двигателей от n min
= 400... 1200 мин до n max
=
(1,1..Л,2)п; б)для дизелей от n min
= 350.. .700 мин до n. Расчетные точки выбираются через каждые 500... 1000 мин Расчетные точки кривой эффективной мощности (кВт) определяются по эмпирическим зависимостям
- для бензиновых двигателей
2
*
1
x
x
x
x
n
n
n
Ne
Ne
n
n
n

















- для дизелей с неразделенными камерами
2
*
0,87 где Ne x
и n x
- эффективная мощность и частота вращения коленчатого вала в рассчитываемых точках скоростной характеристики. По расчетным точкам в масштабе m
N
строится кривая эффективной мощности.
2. Точки кривой эффективного крутящего момента (Нм) определяются по формуле
4 3*10 По полученным точкам в масштабе m м (Нм/мм) строится кривая эффективного крутящего момента.

15 Этаже кривая в масштабе л (МПа/мм) выражает изменение среднего эффективного давления Ре х. Величина среднего эффективного давления Ре х (МПа) для рассчитываемых точек может быть определена также по кривой Мех или из выражения л x
Ne
Pe
V Точки кривой среднего давления механических потерь определяются в соответствии с конструкцией двигателя по эмпирической формуле и данным табл. 3. Точки кривой среднего индикаторного давления (МПа) определяются по формуле P
ix
= Ре х + Р
Мх
Кривая среднего индикаторного давления, построенная в масштабе р, выражает также изменения индикаторного крутящего момента в расчетных точках, нов масштабе (Нм/мм).
3 10
*
л
m
p
V
m
m


Эта же кривая выражает в определенном масштабе изменение по оборотам коэффициента наполнения. Масштаб η
v определяется из уравнения где с - постоянная величина (Нм, равная отношению значения коэффициента наполнения к индикаторному крутящему моменту при максимальной мощности. Значения η
Vx в остальных расчетных точках определяются из выражения. Расчетные точки индикаторного крутящего момента (Нм) могут быть определены по кривой n ix или из выражения
3 10
ix л Кривая удельного эффективного расхода топлива (г/кВтч) строится по формуле
0 3600
x
k Vx
e
x
x
g
Pe l
 где х - коэффициент избытка воздуха в расчетных точках Для определения g ex в расчетных точках необходимо задаться законом изменения α по частоте вращения. С достаточной степенью точности для бензиновых двигателей можно принять значение α постоянным на всех скоростных режимах, кроме минимальной частоты вращения. При n x
= n min следует принимать смесь несколько более обогащенную, чем при n x
= n
N1
αn min
< αn
N1
.

16 В дизелях при работе по скоростной характеристике с увеличением частоты вращения значение α несколько увеличивается. Для четырехтактного дизеля с непосредственным впрыском можно принять линейное изменение α. Для бензиновых двигателей при n min
α = 0,75-0,85; а при n
N
α =
0,85-0,95. Значение а при n
N
принято вначале теплового расчета. Для быстроходных дизелей без наддува при n min
α = 1,1-1,3, а при n
N
α = 1,2-1,7. Часовой расход топлива (кг/ч) определяется по уравнению
3 10
x
x
TX
e
e
G
g Результаты расчетов рекомендует занести в таблицу 4 и построить внешнюю скоростную характеристику (зависимость N
e
, М
е
, Ре, P
i
, Ми от n). По скоростной характеристике необходимо определить коэффициент приспособляемости Таблица 4 Частота вращения
Параметры скоростной характеристики n
min
… n
N n
max
N
e
M
e Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма Пользуясь приложением к данным методическим указаниями другими литературными источниками, для кинематического анализа выбрать λ. Обычно для наиболее распространенных двигателей λ = 0,22-
0,295. Определить длину шатуна и поправку ФА. Брикса, равную Rλ/2. При проведении кинематического анализа
КШМ следует ориентироваться на соответствующие первоисточники [1, с. 170-176; 2, с. Построение графиков перемещения, скорости и ускорения поршня Кривые S
n
,W
n ив функции φ°, а также другие диаграммы графической части работы строят через каждые 15° поворота коленчатого вала. В левом верхнем углу листа формата А откладывают отрезок S = 2R той величины, которая выбрана для построения индикаторной диаграммы, из центра О' радиусом R проводят полуокружность и ниже откладывают поправку ФА. Брикса и из полученного центра О проводят внутреннюю вспомогательную полуокружность, которую делят на 12 частей через 15 0
, точки деления нумеруют и через них проводят тонкие горизонтали почти через всю длину листа. Для построения кривой перемещения поршня S
n
= f(φ°)

17 верхнюю горизонтальна протяжении 360° поворота кривошипа, те. на длине около (1,5-2)R, делят на 24 части также через 15°, через точки деления проводят вертикали до пересечения с соответствующими по углу поворота φ° горизонталями, отмечают полученные точки и соединяют их плавной кривой. По формуле 81 [1] или 157 [2] подсчитать значение скорости поршня п (мс) для соответствующего ив выбранном масштабе построить линию п = f(φ°) в интервале φ = 0-
180°, используя в качестве оси среднюю вертикаль диаграммы S
n
= f(φ). Значения функции (sin φ + λ/2sin 2φ) для трех величин приведены в таблице 5. Следует обратить внимание, что в зоне 74-80° поворота кривошипа п = п max
. Для других значений данные таблице 5 легко интерполируются. Ускорение поршня j можно подсчитать по формуле 82 [1] или 161
[2], для соответствующих углов ив интервале φ = 0-180° строят кривую j = Построение кривой ускорения методом касательных описано в литературе, с. 122-123, рис. 47 б. Осью кривой ускорения служит та же ось, что для скорости поршня. При расчетах и построениях следует иметь ввиду, что при φ = 0 имеет место j max
= 2Rw
2
(l+λ), при φ = 180 j min
= -Rw
2
(l-λ), а при W
п
=W
пmax соответственно j = 0 .
Таблица 5
φ
0 Знак
λ Знак
φ
0 1/3,5 1/4 1/4,5 0
15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
+
0 0
0
-
360
+
0,33 0,321 0,317
-
345
+
0,623 0,608 0,6
-
330
+
0,85 0,832 0,823
-
315
+
0,989 0,974 0,966
-
300
+
1,037 1,028 1,024
-
285
+
1,0 1,0 1,0
-
270
+
0,894 0,903 0,907
-
255
+
0,742 0,757 0,765
-
240
+
0,564 0,582 0,590
-
225
+
0,376 0,391 0,399
-
210
+
0,187 0,196 0,2
-
195
+
0 0
0
-
180 Динамический расчет
После проведения теплового расчета и предварительной компоновки двигателя необходимо переходить к выполнению динамического расчета. Основные исходные данные для динамического расчета - ход поршня, диаметр цилиндра и индикаторная диаграмма - получены в тепловом расчете. Дополнительно необходимо выбрать и обосновать в соответствии с прототипом и полученными данными длину шатуна, массы поршневой и шатунной групп.

18 Расчет рекомендуется проводить в следующей последовательности Развернуть индикаторную диаграмму по углу поворота кривошипа, взяв за начало отсчета начало хода впуска (точка r). При развертывании диаграммы следует учесть, что давление на свернутой индикаторной диаграмме отсчитывают от абсолютного нуля, а на развернутой диаграмме показывается избыточное давление под поршнем Р
г
= Р-Р
0
. Следовательно, давления в цилиндре, меньшие атмосферного на развернутой диаграмме, будут отрицательными. Развертывание индикаторной диаграммы рекомендуется вести графическим способом, взяв значения давлений через каждые 15° угла поворота кривошипа и дополнительно точку при 370°, в которой условно можно считать, достигается максимальное давление (таблице 6, графа 1). Полученные значения давлений следует занести в эту сводную таблицу результатов динамического расчета (графа 2). Подсчитать силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс шатунно-поршневой группы. Значения масс элементов КШМ для некоторых двигателей даны в приложении к данным методическим указаниям, можно также воспользоваться удельными показателями, приведенными в справочной литературе. Масса частей, движущихся возвратно-поступательно, состоит из массы поршневого комплекта плюс
0,275 массы шатуна. Зная j max и j min
, можно определить Pj max и Pj min при этом силы инерции должны быть приведены к площади поршня F
n
, выраженной в квадратных метрах, и иметь размерность МПа (МПа ≈
10,2 кг/с
2
), те. туже, что и индикаторное давление. Расчет рекомендуется проводить аналитическим методом через каждые 15° угла поворота кривошипа. Для возможности сложения инерционных сил с газовыми силами, которые выражены в МПа, необходимо силу инерции Р (МПа) отнести к единице площади поршня


2
cos cos П R
P
F

 

 где m j
= m n
+ m шп
- массы, совершающие возвратно- поступательное движение (m п - масса поршневой группы, кг ш = 0,275m ш - масса шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца (m ш - масса шатунной группы, кг. Таблица 5
φ
0 Р,
МПа
Р
j
,
МПа
Р,
МПа
β
N
, МПа,
МПа
К,
МПа
Т,
МПа
М
кр
.ц
, Нм
30°
…
720°

19 Значения m пи m ш определяются по известным опытным данным [1,2,3].
ω = πn/30 - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с;
λ = ш - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс действуют по оси цилиндра итак же, как силы давления газов, считаются положительными, если они направлены коси коленчатого вала, и отрицательными, если они направлены от коленчатого вала. Схему действия сил необходимо представить на отдельном листе. Подсчитать суммарные удельные силы, приведенные к центру поршневого пальца. Суммарные удельные силы подсчитываются алгебраическим сложением удельных инерционных сил (графа 2) с избыточным давлением газов над поршнем (графа 1) Р = P
r
+ P
j
, МПа. Значения Р заносятся в графу 3 сводной таблицы 6. Подсчитать удельные силы, действующие
- на стенку цилиндра
N
Ptg


- по шатуну
1
cos
S
P


- по кривошипу


cos cos
K
P
 



- по касательной к окружности, описываемой центром шатунной ячейки (тангенциальная сила)


sin cos
T
P
 Подсчет рекомендуется вести аналитически, пользуясь таблицами тригонометрических функций [2]. Значения тригонометрических функций и удельных сил заносятся в сводную таблицу 6 (графы 6-19). Поданным, полученным в результате расчета, строятся кривые изменения удельных сил P
r
, P
j
, P, N, S, К, Т. Все силы в данном расчете рассматриваются как удельные, отнесенные км площади поршня, и строятся водном масштабе nip МПа/мм (например, m р = 0,05 МПа/мм). Для получения по этим графикам сил достаточно подсчитать для них масштаб, который равен m p
= m p
F
n
(МН/мм), например, прим р = 0,05*0,006 = 0,0003 МН/мм, или m р 300 Н/мм). Определение сил в проекте можно не производить и ограничиться лишь подсчетом масштаба. Подсчитать крутящий момент одного цилиндра, Нм
M
Kp.
= TF
n
R. Значения М
кр.ц.
для различных углов поворота коленчатого вала заносятся в графу 10 сводной таблицы 6. Строить график М
кр.ц.
не следует, так как график изменения тангенциальной силы Т в масштабе м = m p
R (Нм/мм) является также кривой изменения крутящего момента одного цилиндра (например, прим м = 300*0,05 = 15
Нм/мм). Построить кривую суммарного крутящего момента M
Kp.

20 Построение кривой суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя производится графическим суммированием кривых крутящих моментов каждого цилиндра, сдвигая, одну кривую относительно другой на угол
θ поворота кривошипа между вспышками. Так как от всех цилиндров двигателя величина и характер изменения крутящих моментов по углу поворота коленчатого вала одинаковы и отличаются лишь угловыми интервалами, равными угловым интервалам, между вспышками в отдельных цилиндрах, то для подсчета суммарного крутящего момента двигателя достаточно иметь кривую крутящего момента одного цилиндра. Для двигателя с равными интервалами между вспышками суммарный крутящий момент будет периодически изменяться (i - число цилиндров двигателя
- для четырехтактного двигателя через θ = 720/i;
- для двухтактных двигателей через θ = 369/i. При графическом построении кривой М
кр кривая М
кр ц одного цилиндра разбивается на число участков, равное 720/θ (для четырехтактных двигателей, все участки кривой сводятся в один и суммируются. Результирующая кривая показывает изменение суммарного крутящего момента двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала. Подсчитать средний крутящий момент двигателя. Среднее значение суммарного крутящего момента М
кр.ср
(Нм) определяется по площади, заключенной между кривой М
кр и линией ОА:
1 2
kp cp
м
F
F
M
m
OA


где F
1
и F
2
соответственно положительная и отрицательная площади (мм, заключенные между кривой М
кр
, и линией ОА и эквивалентные работе, совершаемой суммарным крутящим моментом при i ≥ 6 отрицательная площадь, как правило, отсутствует
ОА - длина интервала между вспышками на диаграмме М,ф, мм. Подсчитать действительный эффективный крутящий момент двигателя
e
kp cp
м
M
M


где м - механический КПД двигателя. Расчет механизмов и систем двигателя
В курсовом проекте производится расчет узлов и деталей основного механизма и систем ДВС в соответствии с заданием на проект. Перечень деталей и систем, подлежащих расчету
1.Кривошипно-шатунный механизм. Поршневая группа
2.Кривошипно-шатунный механизм. Шатунная группа

21 Расчет корпуса двигателя Расчет механизма газораспределения Система питания бензинового двигателя Система питания дизельного двигателя Система смазки Система охлаждения. Прежде чем приступить к расчету детали, необходимо установить материал и термообработку данной детали выяснить, какие силы ив каких сечениях создают опасные напряжения установить, определены ли силы, действующие на деталь в динамическом расчете, или необходимы дополнительные расчеты. К расчету каждой детали должен даваться эскиз с указанием опасных сечений и всех размеров, необходимых для расчета. Кроме того, в расчетах на прочность должны быть указаны допускаемые напряжения и запас прочности для оценки прочностных характеристик проектируемой детали или узла. При проведении расчетов пользоваться учебником [2]. Расчет деталей двигателя рекомендуется производить в следующем объеме. При расчете гильзы цилиндра определяются напряжения от давления газов и тепловые напряжения. При расчете шпильки крепления головки блока необходимо найти запас прочности шпильки с учетом переменных нагрузок. При расчете поршня определяются а) напряжение изгиба в днище б) напряжение сжатия в кольцевом сечении, ослабленном отверстиями для отвода масла в) удельное давление на трущейся поверхности юбки. При расчете поршневого пальца определяются. При расчете поршневого пальца определяются а) удельные давления на втулку шатуна и на бобышки; б) напряжения от овализации пальца. При расчете поршневого компрессионного кольца определялся а) среднее удельное давление кольца на стенку цилиндра с построением эпюры удельных давлений б) напряжения изгиба кольца в рабочем состоянии и при надевании его на поршень. При расчете шатуна определяются а) суммарные напряжения в стержне шатуна от сжатия и продольного изгиба б) запас прочности стержня шатуна в) запас прочности шатунных болтов. В расчете коленчатого вала определяются только максимальное и среднее удельные давления на шатунную шейку вала. Для этого на

22 листе вместе с графиками (приложения 2) строятся диаграммы нагрузки на шатунную шейку вала в полярных и прямоугольных координатах. При расчете механизма газораспределения определяются а) проходное сечение клапана б) профиль кулачка в) характеристика и размеры клапанной пружины г) запас прочности пружины д) суммарное напряжение изгиба и кручения, прогиб распределительного вала. Исходные данные для расчета деталей газораспределения (фазы газораспределения, проходные сечения, размеры и массы деталей) устанавливаются вначале по эмпирическим соотношениями удельным массам на основе критической оценки системы газораспределения прототипа При расчете системы смазки определяются а) количество тепла, отводимого маслом б) циркуляционный расход масла в) производительность и размеры шестерни масляного насоса г) мощность, затрачиваемая на привод масляного насоса. При расчете системы охлаждения определяются а) количество тепла, отводимого системой охлаждения б) циркуляционный расход жидкости (воздуха в) поверхность охлаждения радиатора или оребрения цилиндров и головок цилиндров г) мощность, затрачиваемая на привод вентилятора. Оформление курсового проекта Пояснительная записка оформляется на основе черновых записей, сделанных в процессе курсового проектирования. Записку выполняют на стандартной писчей бумаге формата Ас одной стороны. На всех страницах текста записки необходимо оставить слева поле шириной 20 мм. Пояснительная записка должна быть написана аккуратно, технически грамотно, с поясняющими текст расчетными схемами, эскизами и рисунками, с необходимыми ссылками на литературу. Запись вычислений производить по схеме формула - численное значение величин - результат - размерность. Окончательно пояснительная записка оформляется в обложке с титульной надписью согласно приложения 3. Чертежи проекта вычерчиваются в карандаше на листах миллиметровой бумаги формата Ас обязательным соблюдением всех требований действующих стандартов на выполнение чертежей. В случае выполнения курсовой работы с использованием электронных шаблонов все чертежи и графики выводятся на отдельных листах формата А. В правом нижнем углу чертежей обязательно выполняется

23 в соответствии с ГОСТом основная надпись. Оформленные пояснительная записка и чертежи проекта представляются на проверку и подпись консультанту проекта. Защита курсового проекта Защита курсового проекта производится на кафедре Автомобили и тракторы. При защите курсового проекта необходимо кратко доложить основные параметры и особенности конструкции спроектированного двигателя и сделать четкое обоснование принятых в процессе проектирования технических решений. Защищающийся должен твердо знать конструкцию и работу каждого узла двигателя, преимущества и недостатки конструкции, тенденции развития двигателестроения, достаточно глубоко разбираться в расчетах и оценке надежности отдельных деталей двигателя. ЛИТЕРАТУРА
1. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. - М Колосс. Колчин АИ, Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - М Высшая школа, 1980. - 400 с.
3. Автомобильные двигатели Под ред. МС. Ховаха. - М Машиностроение с.
4. Автомобильные и тракторные двигатели. В 2 ч./Под ред. ИМ. Ленина. - М Высшая школа, 1976. - Ч.
5. Колчин АИ, Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. - е изд. Перераб. и допол. - М Высшая школа, 2002. -
496 сил Содержание Задачи курсового проекта. Объем и содержание курсового проекта ................................................. Задание на курсовое проектирование ...................................................... Методика курсового проектирования ..................................................... 8
Технико-экономическое обоснование ................................................. Тепловой расчет двигателя .................................................................. Построение индикаторной диаграммы двигателя ............................... Индикаторные параметры рабочего цикла ........................................ Эффективные показатели двигателя. Построение внешней скоростной характеристики ............................ Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма ........... Построение графиков перемещения, скорости и ускорения поршня Динамический расчет ........................................................................ Расчет механизмов и систем двигателя ............................................. Оформление курсового проекта ........................................................ Защита курсового проекта ................................................................. Литература ............................................................................................. Содержание ........................................................................................... Приложения

25 Приложение 1 Характеристики базового двигателя
Параметры
ЯМ
З
-
2 УЗАМ ЗИЛ -
ЗИЛ -
645
ЗМ
З
-
53
ЗМ
З
-
4 02
ЗМ
З-
406 Ка м
А
З
-
74 ВАЗ ВАЗ
-
2 Номинальная мощность, кВт.
132
,4 55
,2 110
,3 136
,0 84
,4 69
,9 106
,6 154
,4 58
,8 Частота вращения коленчатого вала при номинальной мощности n
N
, мин 0
580 0
3 20 0
280 0
320 0
450 0
520 0
260 0
540 0
560 Число и расположение цилиндров i. Степень сжатия ε.
16
,5 8
,8 6
,5 18 6,
7 8
9,
3 17 8,
5 Диаметр цилиндра
D, мм.
130 82 100 110 92 92 92 120 79 Ход поршня S, мм.
140 70 95 115 80 92 86 120 80 Рабочий объем цилиндров двигателя л, дм 11
,14 1,
478 5,
966 8,
74 4,
252 2,
445 2,
28 10
,85 1,
57 Скорость поршня п, мс.
9,
8 13
,53 10
,13 10
,73 8,
53 13
,8 13
,5 10
,4 13
,15 Среднее эффективное давление Ре, МПа 0,
7 7
0,
70 0,
669 0,
74 0,
76 0,
75 0,
658 0,
78 Номинальный удельный расход топлива g e
, г/кВт ч.
238 307 327 224 313 307 265 224 303 302

26 Продолжение 2 Скоростные характеристики Продолжение 3 Индикаторная диаграмма

27 Продолжение 4 Перемещение поршням) Скорость поршня мс) Ускорение поршня мс)

28 Продолжение 5 Диаграммы удельных сил от давления газов и инерции в поршневой группе Диаграмма удельных сил поршневой группы Удельные тангенциальные и радиальные силы на шатунной шейке

29
Продолжение 6 Крутящий момент двигателя Приложение 7 Примеры запыления основной надписи листов пояснительной записки (первого листа и последующих)
КП 23.03.03. ХХ. 000 ПЗ
КП 23.03.03. ХХ. 000 ПЗ

30
Приложения 8 Форма титульного листа курсового проекта Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" Факультет энергомашиностроения и автомобильного транспорта Кафедра Автомобили и автомобильное хозяйство Курсовой проект защищен с оценкой
_______________________ Преподаватель _____________________ подпись ФИО преподавателя "г. дата ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ По дисциплине Конструкция и расчет энергетических установок
КП 230303.12.000 ПЗ Проект выполнил
__________________ и.о. фамилия студент гр. ЭТМ -
___________________ подпись Проверил преподаватель должность, ученое звание и.о., фамилия Барнаул 201_

31 Приложение Формалиста технического задания Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" Факультет энергомашиностроения и автомобильного транспорта Кафедра Автомобили и автомобильное хозяйство Утверждаю Завкафедрой АиАХ, к.т.н., доцент АС. Баранов
«______»_____________2016 г. Техническое задание № 12 Двигатель автомобильный, дизельный, х тактный, и цилиндровый, рядный, мощностью 140 кВт при 2200 мин, жидкостного охлаждения, с расчетом шатунной шейки Базовый двигатель Д - 460 17
,
14 13 Задание принял к исполнению «______» ___________________2015 г. Срок сдачи проекта «______» ___________________2016 г

32 Подписано в печать 22.02.2016. Формат 60

84 1/16 Печать – ризография. Усл.п.л. 1,4 Тираж 50 экз. Заказ 41/2016 Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова,
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46. Лицензии ЛР № 020822 от 21.09.98 года, ПЛД № 28-35 от 15.07.97 Отпечатано в ЦОП АлтГТУ 656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

1>