Разработка двигателя на базе дизеля 6ЧНР 36/45 (Г70) с лучшими удельными показателями

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

РЕФЕРАТ

Курсовой проект содержит: 1 чертеж поперечного разреза двигателя на листе формата А1; 1 чертеж продольного разреза на листе формата А1, 1 чертеж распределительного вала формата А3, 2 листа динамического расчета формата А1; пояснительная записка содержит 54 листов; 7 рисунков; 6 таблиц; 5 источников.

Целью курсового проекта является разработка двигателя на базе дизеля 6ЧНР 36/45 (Г70) с лучшими удельными показателями.

Указанная цель достигается повышением давления надувочного воздуха, совершенствованием рабочего цикла и перерасчетом основных деталей дизеля на прочность. Выполнен расчет основных систем двигателя, определены основные параметры газораспределительного механизма, разработаны чертежи продольного и поперечного разреза двигателя.

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Выбор и обоснование исходных данных

Основной целью теплового расчёта является:

1. Определение значения параметров состояния рабочего тела в характерных точках

2. Определение индикаторных и эффективных показателей двигателя

3. Построение индикаторной диаграммы

4. Определение основных размеров двигателя (Диаметр цилиндра и ход поршня)

5. определение параметров рабочего тела в турбине и компрессоре

Основные технические параметры прототипа

Эффективная мощность Ne

884

Частота вращения n

375

Диаметр цилиндра D

360

Ход поршня S

450

Давление наддува pk

0,2

Максимальное давление сгорания pz

8

Среднее эффективное давление pe

1,05

Удельный эффективный расходтоплива ge

236

Значение параметров выбираем на основании опытных данных в соответствии с назначением двигателя, режимом его работы и особенностями рабочего цикла двигателя подобного типа.

Исходные данные: ,

Степень сжатия

Проектируемый двигатель — тихоходный, среднеоборотный дизель с наддувом, с неразделённой камерой сгорания. Поэтому, для обеспечения надёжного воспламенения в любых условиях эксплуатации достаточно невысокой степени сжатия е=12. Дальнейшее увеличение е приведёт к нежелательному повышению максимального давления сгорания и, следовательно, к увеличению нагрузки на детали двигателя. Принимаем е=12,5

Коэффициент избытка воздуха

б-отношение количества воздуха, действительно поступившего в цилиндр к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания топлива. У двигателей с наддувом б=1. 6ч2,2. Меньшие значения б повышают теплонапряжённость двигателя, увеличивается дымность выпускных газов, хуже протекают процессы смесеобразования и сгорания. Варьирование б является одним из способов достижение необходимого Ре указанного в задании. Увеличение б приводит к уменьшению литровой мощности двигателя. Принимаем.

Коэффициент использования теплоты

Коэффициент использования теплоты в точках z и b оz, оb. Учитывают потери теплоты в начале и в конце расширения.

Наддув уменьшает эти параметры, частота вращения увеличивает их. Поэтому, для среднеоборотного дизеля с наддувом можно принять:

Максимальное давление сгорания.

Максимальное давление сгорания принимаем на основании уже существующих прототипов. Для среднеоборотного дизеля со средней степенью наддува, значение можно принять равным 9 МПа. Температура остаточных газов.

В зависимости от типа двигателя, степени сжатия, частоты вращения и коэффициента избытка воздуха для дизелей температура остаточных газов лежит в пределах К.

Температура Тг возрастает при уменьшении б, применении наддува и повышении наддува, с увеличением частоты вращения. Принимаем Тг = 820 К

Подогрев свежего заряда.

Естественный подогрев свежего заряда в дизеле с наддувом за счет уменьшения температурного перепада между деталями двигателя и температурой наддувочного воздуха величина подогрева сокращается. Принимаем ДТa=10 К

Коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

показывает насколько расчётная индикаторная диаграмма отличается от действительной. Принимаем

Параметры топлива.

В соответствии с ГОСТ 305–73 для рассчитываемого двигателя принимаем дизельное топливо. Цитановое число топлива не менее 45.

Средний элементарный состав топлива:

С=0,87; Н=0,126; О=0,004

Низшая теплотворная способность: QH=42 500 кДж/кг

Параметры окружающей среды.

При расчетах принимается давление окружающей среды Р0=0,1 МПа, а температура Т0=288

Литраж проектируемого двигателя.

Среднее эффективное давление.

МПа.

Требуемое давление наддува (ориентировочное).

МПа.

1.2 Расчёт параметров процесса впуска

Целью расчета процесса наполнения является определение параметров состояния рабочего тела в цилиндре в конце процесса наполнения ра и Та, а также определение параметров, характеризующих эффективность процесса газообмена.

Давление на выходе из компрессора:

Температура воздуха на выходе из компрессора:

К

nk = 1. 55 — показатель политропы в надувочном компрессоре.

Устанавливается односекционный холодильник с, .

Температура воздуха после холодильника:

Температура воздуха в цилиндре в конце наполнения:

Тк`` = Tk + ДTa = 336,70 + 10 = 336,70 K

Давление заряда в конце наполнения:

Давление остаточных газов в цилиндре:

Коэффициент остаточных газов.

где — температура остаточных газов.

Температура заряда в цилиндре в конце наполнения:

Коэффициент наполнения:

1.3 Расчёт параметров процесса сжатия

двигатель индикаторный газ давление

Целью расчета процесса сжатия является определение параметров состояния рабочего тела в конце процесса сжатия — давления рс и температуры Тс.

Процесс сжатия в цикле предназначен для повышения давления и температуры заряда в цилиндре с целью обеспечения надежного самовоспламенения и эффективного сгорания впрыскиваемого топлива на всех режимах работы, а также для увеличения перепада температур в цикле с целью повышения его КПД.

Действительный процесс сжатия происходит по политропе с показателем n1, переменным на всем ходе поршня. В расчетах для упрощения показатель политропы n1 условно принимают как среднюю постоянную величину из условия равенства работы сжатия при истинном и условном его значениях.

При расчетном определении показателя n1 и в последующем, при расчете параметров процессов сгорания и расширения, необходимо оперировать с теплоемкостью рабочего тела в характерных точках рабочего цикла.

С целью упрощения теплоемкости условно считают, что продукты сгорания представляют собой двухкомпонентную смесь, состоящую из «чистых» продуктов сгорания и избыточного воздуха, который не использовался при сгорании.

Средняя молярная изохорная теплоемкость для сухого воздуха определяется по выражению

, кДж/(кмоль•К),

Для «чистых» продуктов сгорания

, кДж/(кмоль•К).

Показатель политропы сжатия n1 определяется по формуле

Уравнение решается методом последовательных приближений. Задаваясь любым значением n1 из указанных пределов его значений n1=1,35…1,38, добиваемся равенства левой и правой частей уравнения. Достаточная точность схождения ??0,001.

Задаемся n1=1,37.

Точность сходимости достаточная. Принимаем n1 = 1,371

Давление в конце сжатия:

.

Температура в конце сжатия:

K

1.4 Расчёт параметров процесса сгорания

Целью расчета процесса сгорания является определение его конечных параметров — максимальных значений давления сгорания pz и температуры сгорания Тz.

Процесс сгорания рассчитывают, исходя из сжигания 1 кг топлива.

Элементарный массовый состав топлива С+Н+О = 1 кг, где массовые доли элементов условно обозначены их химическими символами. Для дизельного топлива среднего состава имеем: С=0,87; Н=0,126; О=0,004.

Теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1 кг топлива:

кмоль/кг

Действительное количество воздуха, участвующее в сгорании.

кмоль/кг

Коэффициент молекулярного изменения:

Действительный коэффициент молекулярного изменения:

Доля топлива, сгоревшая к моменту точки z:

Коэффициент молекулярного изменения в точке z:

Степень повышения давления:

Средняя молярная изохорная теплоемкость продуктов сгорания в точке z:

Средняя молярная изохорная теплоемкость продуктов сгорания в точке b:

Температура сгорания:

Максимальная температура сгорания Tz определяется в результате решения уравнения сгорания.

Уравнение сгорания.

Приравнивая левую и правую части получим квадратное уравнение:

Решив уравнение, получим:

Степень предварительного расширения.

1.5 Расчёт параметров процесса расширения

Целью расчета процесса расширения является определение параметров состояния рабочего тела в цилиндре в конце расширения- температуры Тb и давления pb.

Степень последующего расширения:

Средний показатель политропы расширения n2 и температуру в конце расширения Тb определяем совместным решением их уравнений методом последовательных приближений

После подстановки известных величин и вычислений получим

Задаемся n2=1,244.

?=0,0001 — сходимость достигнута.

Принимаем n2 = 1,244, Тb = 1129 К.

Давление в конце расширения:

Проверка правильности выбора температуры остаточных газов:

Ошибка выбора составляет 1,07%, что не превышает допустимого значения ошибки, которое составляет 5%.

1.6 Индикаторные показатели двигателя

К индикаторным показателям двигателя относятся среднее индикаторное давление pi, МПа, индикаторная мощность Ni, кВт, индикаторный удельный расход топлива gi, г/кВт•ч и индикаторный КПД ?i.

Индикаторные показатели являются внутренними показателями двигателя, характеризуют совершенство рабочего цикла в цилиндре и учитывают только тепловые потери в самом цилиндре.

Средним индикаторным давлением называется такое условное, постоянное по величине, избыточное давление в цилиндре, которое, действуя на поршень, совершает за один его ход от ВМТ к НМТ работу, равную индикаторной работе цикла.

Расчётное значение среднего индикаторного давления.

Действительное среднее индикаторное давление.

где — коэффициент полноты индикаторной диаграммы.

Мощность, соответствующая суммарной индикаторной работе всех

цилиндров, называется индикаторной мощностью двигателя.

Индикаторная мощность:

В цикле реального двигателя преобразование теплоты топлива в механическую работу сопровождается потерями теплоты с выпускными газами, в систему охлаждения и вследствие неполноты сгорания. Все эти тепловые потери в относительном виде учитываются индикаторным КПД ?i, который является критерием совершенства использования теплоты, подведенной к рабочему телу с топливом.

Индикаторным КПД двигателя называется отношение количества теплоты, преобразованной в индикаторную работу Li, к количеству теплоты, подведенной для совершения этой работы Qi.

Индикаторный КПД:

В абсолютном виде тепловое совершенство двигателя оценивается показателем внутренней экономичности двигателя — удельным индикаторным расходом топлива gi, который показывает сколько килограммов топлива расходуется на единицу произведенной индикаторной работы.

Индикаторный удельный расход топлива:

1.7 Механические потери в двигателе

Некоторая часть индикаторной мощности, развиваемой в цилиндрах двигателя, расходуется в самом двигателе на собственные нужды и не может быть использована потребителем. Эту мощность называют мощностью механических потерь NM, кВт. Данная мощность расходуется на преодоление трения, привод всех вспомогательных механизмов, обеспечивающих нормальную работу двигателя, и на осуществление процессов газообмена.

Среднее давление механических потерь.

Механический КПД задаем равным 0,92.

1.8 Эффективные показатели двигателя

К эффективным показателям двигателя относятся среднее эффективное давление pe, эффективная мощность Ne, эффективный КПД ?е и удельный эффективный расход топлива ge. Как и индикаторные показатели, первые два связаны с работой цикла и мощностью двигателя, вторые касаются их экономичности. Эффективные показатели являются внешними показателями двигателя, учитывают как тепловые, так и механические потери. Они характеризуют тепловое, конструктивное и технологическое совершенство двигателя.

Среднее эффективное давление:

Эффективная мощность:

Эффективный КПД:

Эффективный удельный расход топлива:

Часовой расход топлива.

1.9 Проверка основных размеров двигателя

Литраж (рабочий объем) проектируемого двигателя:

Рабочий объем одного цилиндра:

Диаметр цилиндра:

Ход поршня:

Полученные значения S и D полностью соответствуют размерам прототипа.

2. Построение индикаторной диаграммы

Индикаторную диаграмму строят по данным теплового расчета рабочего цикла. В дальнейшем эта диаграмма является исходным материалом для динамического и прочностного расчетов двигателя.

Выбор масштабных коэффициентов:

Масштаб давлений ,

Масштаб хода

Масштаб объема

При построении политроп сжатия и расширения аналитическим способом вычисляется ряд точек для промежуточных объёмов между Va и Vc и между (Vb и VZ по уравнению политропы).

Для политропы сжатия

где Рx и Vx — давление и объём в искомой точке диаграммы.

Для политропы расширения.

Расчет точек для построения индикаторной диаграммы.

Таблица 1.

Определяем поправку Брикса: мм, где мм -постоянная КШМ.

Fiд = 3393 мм2— площадь, скругленной индикаторной диаграммы.

Среднее индикаторное давление по диаграмме:

Расхождение с аналитическим значением

Можно считать расхождение удовлетворительным.

2.1 Параметры рабочего тела и агрегатов системы наддува

Большинство современных судовых дизелей оборудуются системой газотурбинного наддува. Наддув позволяет значительно увеличить удельную мощность, улучшить экономичность и массогабаритные показатели двигателя.

У двигателя с газотурбинным наддувом процесс расширения газов происходит в двух ступенях: первая — цилиндр поршневого двигателя и вторая — газовая турбина. Полезная работа от первой ступени через КШМ передается потребителю, а от второй ступени используется для привода центробежного надувочного компрессора, конструктивно объединенного с турбиной в одном агрегате — турбокомпрессоре.

Параметры центробежного компрессора.

Секундный расход воздуха через компрессор:

где в=28,95 кг/кмоль — молярная масса воздуха.

Удельная адиабатическая работа сжатия воздуха в компрессоре:

кДж/кг;

Мощность, потребляемая компрессором:

Относительная мощность компрессора:

Параметры рабочего тела в выпускном ресивере.

Рабочее тело в выпускном ресивере рассматриваем как газовоздушную смесь отработавших газов из цилиндра и продувочного воздуха, поступившего в ресивер в период перекрытия клапанов в фазе продувки камеры сгорания.

Давление газов в ресивере перед турбиной:

;

Температура отработавших газов в выпускном ресивере после истечения из цилиндра (до смешения с продувочным воздухом):

;

где m — показатель политропы расширения. Принимаем m=1,25.

Средняя молярная изобарная теплоемкость отработавших газов в ресивере:

кДж/(кмоль•К);

Средняя молярная изобарная теплоемкость продувочного воздуха в ресивере:

кДж/(кмоль•К)

Средняя молярная изобарная и изохорная теплоемкость газовоздушной смеси в выпускном ресивере:

=

Температура рабочего тела перед турбиной:

Параметры газовой турбины.

Секундный расход газов через турбину:

Показатель адиабаты расширения в турбине:

Удельная работа адиабатического расширения в турбине:

Допуская, что молярная масса газов и воздуха примерно равны выразим удельную работу турбины:

Мощность турбины:

Относительная мощность турбины

=0. 11

Степень повышения давления в компрессоре:

2.2 Внешний тепловой баланс двигателя

Целью расчета внешнего теплового баланса является получение исходных данных для расчета систем охлаждения, смазки, определения возможности утилизации тепловых потерь.

Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива:

Количество полезной теплоты:

Относительная доля полезной теплоты:

Количество теплоты, теряемой в систему охлаждения:

По опытным данным, относительная доля потерь теплоты в систему охлаждения в процессе сгорания расширения составляет, тогда:

Молярная теплоемкость при политропном процессе сжатия:

Где: К = 1.4 показатель адиабаты для воздуха.

Количество рабочего тела в рабочем объеме при pk и Tk:

Количество рабочей смеси сжимаемой за час:

Потеря теплоты в процесс сжатия:

Теплоемкость воздуха:

Часовое количество свежего заряда, участвующего в процессе наполнения:

Теплота, сообщаемая свежему заряду от стенок цилиндра:

Потери теплоты в процессе выпуска в систему охлаждения, составляет тогда абсолютная доля теплоты составит:

Так как турбокомпрессор имеет охлаждаемый корпус, принимаем, тогда абсолютная доля теплоты составит:

Работа механических потерь:

Потеря теплоты в паре поршень-цилиндр:

Где: a = 0.6 доля работы трения в паре поршень-цилиндр.

Потеря теплоты в систему охлаждения, эквивалентная работе водяных насосов:

Потеря теплоты с отработавшими газами:

Молярный расход воздуха через компрессор:

Молярный расход газов из турбины:

Относительный перепад температур в турбине:

Температура газа за турбиной:

Теплоемкость газа за турбиной:

Теплоемкость воздуха при:

Потеря теплоты с выпускными газами:

Остаточный член теплового баланса:

Остаточный член теплового баланса входит в заданные пределы, расчетные статьи теплового баланса могут быть использованы для проектирования вспомогательных систем и агрегатов двигателя.

3. Динамический расчёт двигателя

Динамический расчёт КШМ заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитываются основные детали на износ и прочность, а также неравномерность хода. Во время работы двигателя на детали КШМ действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно — поступательно движущихся масс, центробежные силы и силы тяжести (обычно не учитываются). Все действующие на двигатель силы воспринимаются сопротивлениями на валу, силами трения и опорами двигателя. В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в КШМ, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для определения характера изменения этих сил по углу поворота коленчатого вала и их величины определяют для отдельных положений коленчатого вала.

3.1 Определение сил и моментов в КШМ

По характеру движения массы деталей КШМ делятся на движущиеся возвратно — поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна) и движущихся вращательно (колено вала и нижняя головка шатуна). А также сложное плоско — параллельное движение (стержень шатуна). Для упрощения расчёта действительный КШМ заменяют динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Из данных прототипа:

Масса поршневого комплекта (сосредоточенная на оси поршневого пальца)

Масса шатуна

Масса шатуна, приведённая к оси поршневого пальца

Масса шатуна, приведённая к оси шатунной шейки

Приведённая масса поступательно движущихся частей КШМ

В центральном КШМ действую силы:

Pj — сила инерции поступательно движущихся масс;

Pг — сила давления газов;

P — суммарная сила;

N — нормальная сила;

S — сила, нагружающая шатун;

KR — центробежная сила;

Т — тангенциальная сила;

-К — сила, действующая по кривошипу.

3.1.1 Сила давления газов

Используя круг Брикса получим развёрнутую индикаторную диаграмму по углу п.к.в. Для определения силы давления газов на поршень необходима площадь поршня:

Для удобства будем пользоваться удельными силами, действующими на единицу площади поршня:

где — значение абсолютного давления газов по индикаторной диаграмме

3.1.2 Силы инерции

Силы инерции, действующие в КШМ, в соответствии с характером движения делят на силы инерции поступательно движущихся масс и центробежные силы инерции вращающихся масс.

Силы инерции поступательно движущихся масс:

где j — текущее ускорение поршня,

— постоянная КШМ.

Сила инерции вращающихся масс шатуна:

МПа

3.1.3 Суммарные силы, действующие в КШМ

Суммарная сила от силы давления газов и силы инерции:

Нормальная сила, действующая перпендикулярно оси цилиндра и воспринимаемая стенками цилиндров:

где — угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра.

Сила, действующая на шатун:

Сила, действующая по кривошипу:

Тангенциальная сила:

Сила, действующая на шатунные шейки коленчатого вала:

Результаты расчётов сводятся в таблицу (таблица 1), и по ней строится диаграмма зависимости сил от угла поворота коленчатого вала.

Cилы, действующие в КШМ.

Таблица 2.

б

j, м/с2

Pj

N

S

K

T

Mk, Н•м

0

0,12

373,5125

-0,87 335

-0,75 335

0

-0,75 335

-0,75 335

0

0

10

0,12

364,6094

-0,85 253

-0,73 253

-0,3 077

-0,73 326

-0,71 641

-0,15 749

-3606,9625

20

0,12

338,5603

-0,79 162

-0,67 162

-0,5 507

-0,67 364

-0,61 252

-0,28 141

-6444,9056

30

0,12

297,2777

-0,6951

-0,5751

-0,6 959

-0,57 912

-0,46 353

-0,34 793

-7968,4279

40

0,12

243,734

-0,5699

-0,4499

-0,7 018

-0,4553

-0,29 963

-0,34 282

-7851,4104

50

0,12

181,6632

-0,42 477

-0,30 477

-0,5 669

-0,30 995

-0,15 238

-0,27 002

-6184,1035

60

0,12

115,194

-0,26 935

-0,14 935

-0,3 151

-0,15 263

-0,4 734

-0,14 517

-3324,604

70

0,12

48,45 323

-0,11 329

0,6 707

0,1 543

0,6 881

0,845

0,6 827

156,359 221

80

0,12

-14,8134

0,34 637

0,154 637

0,37 267

0,159 121

-0,0099

0,158 812

3637,14 226

90

0,12

-71,5622

0,167 327

0,287 327

0,70 395

0,295 947

-0,0704

0,287 327

6580,42 156

100

0,12

-119,68

0,279 835

0,399 835

0,9 636

0,41 143

-0,16 433

0,377 044

8635,15 222

110

0,12

-158,093

0,369 653

0,489 653

0,11 262

0,502 384

-0,27 323

0,421 591

9655,37 461

120

0,12

-186,756

0,436 674

0,556 674

0,117 458

0,568 921

-0,38 021

0,423 072

9689,28 663

130

0,12

-206,517

0,482 877

0,602 877

0,112 135

0,613 126

-0,47 326

0,389 459

8919,46 752

140

0,12

-218,881

0,511 787

0,631 787

0,98 559

0,639 369

-0,54 713

0,331 057

7581,9262

150

0,12

-225,715

0,527 768

0,647 768

0,7 838

0,652 303

-0,59 983

0,255 869

5859,95 509

160

0,12

-228,921

0,535 263

0,655 263

0,53 732

0,657 228

-0,63 429

0,173 645

3976,84 514

170

0,12

-230,116

0,538 059

0,658 059

0,27 638

0,658 717

-0,65 279

0,87 522

2004,44 328

180

0,14

-230,388

0,538 694

0,678 694

0

0,678 694

-0,67 869

0

0

190

0,13

-230,116

0,538 059

0,668 059

-0,2 806

0,668 727

-0,66 271

-0,14 363

-3289,5052

200

0,14

-228,921

0,535 263

0,675 263

-0,5 537

0,677 288

-0,65 365

-0,28 294

-6479,8379

210

0,15

-225,715

0,527 768

0,677 768

-0,8 201

0,682 513

-0,62 761

-0,41 005

-9391,0494

220

0,16

-218,881

0,511 787

0,671 787

-0,1048

0,679 849

-0,58 177

-0,5119

-11 723,685

230

0,18

-206,517

0,482 877

0,662 877

-0,1233

0,674 146

-0,52 036

-0,58 731

-13 450,683

240

0,2

-186,756

0,436 674

0,636 674

-0,13 434

0,650 681

-0,43 485

-0,61 885

-14 172,964

250

0,22

-158,093

0,369 653

0,589 653

-0,13 562

0,604 984

-0,32 903

-0,60 027

-13 747,44

260

0,27

-119,68

0,279 835

0,549 835

-0,13 251

0,56 578

-0,22 598

-0,56 468

-12 932,435

270

0,32

-71,5622

0,167 327

0,487 327

-0,1194

0,501 947

-0,1194

-0,48 733

-11 160,864

280

0,41

-14,8134

0,34 637

0,444 637

-0,10 716

0,457 531

-0,2 846

-0,41 929

-9602,722

290

0,54

48,45 324

-0,11 329

0,426 707

-0,9 814

0,437 801

0,53 765

-0,36 739

-8414,1422

300

0,72

115,194

-0,26 935

0,450 653

-0,9 509

0,460 567

0,142 857

-0,3425

-7843,9233

310

1,04

181,6632

-0,42 477

0,615 235

-0,11 443

0,625 694

0,307 617

-0,39 744

-9102,2904

320

1,51

243,734

-0,5699

0,940 101

-0,14 666

0,951 382

0,626 107

-0,49 261

-11 281,921

330

2,25

297,2777

-0,6951

1,554 905

-0,18 814

1,565 789

1,253 253

-0,61 419

-14 066,247

340

3,6

338,5603

-0,79 162

2,808 378

-0,23 029

2,816 803

2,56 124

-0,74 422

-17 044,285

350

5

364,6094

-0,85 253

4,147 469

-0,17 419

4,151 617

4,56 225

-0,55 161

-12 633,167

360

5,92

373,5125

-0,87 335

5,46 652

0

5,46 652

5,46 652

0

0

370

8,94

364,6094

-0,85 253

8,87 469

0,339 674

8,95 557

7,909 545

1,738 806

39 822,4992

380

8,85

338,5603

-0,79 162

8,58 378

0,660 787

8,82 553

7,34 924

3,37 646

77 328,4029

390

6,82

297,2777

-0,6951

6,124 905

0,741 113

6,167 779

4,936 673

3,705 567

84 865,6822

400

4,2

243,734

-0,5699

3,630 101

0,566 296

3,673 662

2,417 647

2,766 137

63 350,6458

410

2,91

181,6632

-0,42 477

2,485 235

0,462 254

2,527 484

1,242 617

2,201 918

50 428,7866

420

2,19

115,194

-0,26 935

1,920 653

0,405 258

1,962 907

0,608 847

1,866 875

42 755,5595

430

1,72

48,45 323

-0,11 329

1,606 707

0,369 543

1,648 481

0,202 445

1,635 627

37 459,4796

440

1,38

-14,8134

0,34 637

1,414 637

0,340 927

1,455 661

-0,9 054

1,452 832

33 273,0606

450

1,13

-71,5622

0,167 327

1,297 327

0,317 845

1,336 247

-0,31 785

1,297 327

29 711,6541

460

0,94

-119,68

0,279 835

1,219 835

0,29 398

1,25 521

-0,50 135

1,150 304

26 344,5155

470

0,83

-158,093

0,369 653

1,199 653

0,27 592

1,230 844

-0,66 941

1,32 901

23 655,7249

480

0,74

-186,756

0,436 674

1,176 674

0,248 278

1,202 561

-0,80 367

0,894 272

20 480,8082

490

0,68

-206,517

0,482 877

1,162 877

0,216 295

1,182 646

-0,91 286

0,751 219

17 204,5712

500

0,63

-218,881

0,511 787

1,141 787

0,178 119

1,155 489

-0,98 879

0,598 297

13 702,3129

510

0,6

-225,715

0,527 768

1,127 768

0,13 646

1,135 663

-1,4 431

0,445 469

10 202,2142

520

0,58

-228,921

0,535 263

1,115 263

0,91 452

1,118 608

-1,7 957

0,295 545

6768,62 459

530

0,59

-230,116

0,538 059

1,128 059

0,47 378

1,129 187

-1,11 903

0,150 032

3436,6 045

540

0,57

-230,388

0,538 694

1,108 694

0

1,108 694

-1,10 869

0

0

550

0,4

-230,116

0,538 059

0,938 059

-0,0394

0,938 997

-0,93 055

-0,20 168

-4618,9785

560

0,21

-228,921

0,535 263

0,745 263

-0,6 111

0,747 498

-0,72 141

-0,31 227

-7151,5598

570

0,14

-225,715

0,527 768

0,667 768

-0,0808

0,672 443

-0,61 835

-0,404

-9252,491

580

0,12

-218,881

0,511 787

0,631 787

-0,9 856

0,639 369

-0,54 713

-0,48 142

-11 025,625

590

0,12

-206,517

0,482 877

0,602 877

-0,11 214

0,613 126

-0,47 326

-0,53 415

-12 233,202

600

0,12

-186,756

0,436 674

0,556 674

-0,11 746

0,568 921

-0,38 021

-0,54 109

-12 392,088

610

0,12

-158,093

0,369 653

0,489 653

-0,11 262

0,502 384

-0,27 323

-0,49 847

-11 415,995

620

0,12

-119,68

0,279 835

0,399 835

-0,9 636

0,41 143

-0,16 433

-0,41 063

-9404,3492

630

0,12

-71,5622

0,167 327

0,287 327

-0,0704

0,295 947

-0,0704

-0,28 733

-6580,4215

640

0,12

-14,8134

0,34 637

0,154 637

-0,3 727

0,159 121

-0,0099

-0,14 582

-3339,6544

650

0,12

48,45 324

-0,11 329

0,6 707

-0,154

0,6 881

0,845

-0,577

-132,24 485

660

0,12

115,194

-0,26 935

-0,14 935

0,31 512

-0,15 263

-0,4 734

0,113 504

2599,48 467

670

0,12

181,6632

-0,42 477

-0,30 477

0,56 686

-0,30 995

-0,15 238

0,196 878

4508,95 136

680

0,12

243,734

-0,5699

-0,4499

0,70 184

-0,4553

-0,29 963

0,235 747

5399,13 264

690

0,12

297,2777

-0,6951

-0,5751

0,69 587

-0,57 912

-0,46 353

0,227 163

5202,52 729

700

0,12

338,5603

-0,79 162

-0,67 162

0,55 073

-0,67 364

-0,61 252

0,17 798

4076,13 364

710

0,12

364,6094

-0,85 253

-0,73 253

0,30 766

-0,73 326

-0,71 641

0,97 427

2231,28 375

720

0,12

373,5125

-0,87 335

-0,75 335

0

-0,75 335

-0,75 335

0

0

3.1.4 Определение набегающих моментов на коренные и шатунные шейки

Порядок работы цилиндров 1 — 5 — 3 — 6 — 2 — 4. Крутящий момент от каждого цилиндра изменяется периодически в соответствии с порядком работы цилиндров.

Угол между вспышками — угол расклинки кривошипа.

Рис. 2 Схема заклинки кривошипов.

Определим для каждого цилиндра угол опережения относительно 1го цилиндра:

Первая коренная шейка не нагружена и никаких моментов не воспринимает.

Тогда — набегающие моменты на коренные шейки,

,, ,, , — моменты от цилиндров.

, ,

, ,

, ,

.

Результаты расчёта сводятся в таблицу и по ней строятся графики зависимости набегающих моментов от угла поворота коленчатого вала.

Набегающие моменты на коренные шейки

Таблица 3.

б

ТкII=T1

TkIII

TkIV

TkV

TkVI

TkVII=TУ

0

0

-0,61 885

0,275 425

0,698 497

0,15 741

0,15 741

10

-0,15 749

-0,75 776

-0,654

0,382 917

-0,11 555

1,623 256

20

-0,28 141

-0,84 609

-0,24 779

0,83 263

-0,32 737

3,49 092

30

-0,34 793

-0,83 526

-0,38 979

-0,13 392

-0,42 125

3,284 318

40

-0,34 282

-0,76 212

-0,46 657

-0,29 293

-0,43 875

2,327 388

50

-0,27 002

-0,63 742

-0,48 738

-0,39 986

-0,40 564

1,796 281

60

-0,14 517

-0,48 766

-0,48 766

-0,48 766

-0,37 416

1,492 717

70

0,6 827

-0,39 061

-0,5923

-0,73 593

-0,53 905

1,96 576

80

0,158 812

-0,3338

-0,64 607

-0,929

-0,69 325

0,759 578

90

0,287 327

-0,32 686

-0,73 086

-1,14 091

-0,91 375

0,383 579

100

0,377 044

-0,36 718

-0,8486

-1,3605

-1,18 252

-0,3 221

110

0,421 591

-0,13 002

-0,66 417

-1,25 148

-1,15 405

-0,12 115

120

0,423 072

0,423 072

-0,11 801

-0,73 686

-0,73 686

0,15 741

130

0,389 459

2,128 265

1,629 798

1,29 531

0,872 037

1,623 256

140

0,331 057

3,707 517

3,296 886

2,732 205

2,450 796

3,49 092

150

0,255 869

3,961 436

3,674 109

3,186 782

2,838 849

3,284 318

160

0,173 645

2,939 781

2,793 959

2,374 667

2,31 843

2,327 388

170

0,87 522

2,28 944

2,283 665

1,916 271

1,646 249

1,796 281

180

0

1,866 875

1,980 378

1,637 882

1,492 717

1,492 717

190

-0,14 363

1,491 995

1,688 873

1,291 431

1,298 259

1,96 576

200

-0,28 294

1,169 897

1,405 644

0,913 031

1,71 843

0,759 578

210

-0,41 005

0,887 277

1,11 444

0,500 252

0,787 579

0,383 579

220

-0,5119

0,638 403

0,816 383

0,72 162

0,449 207

-0,3 221

230

-0,58 731

0,445 592

0,543 019

-0,859

0,412 997

-0,12 115

240

-0,61 885

0,275 425

0,275 425

0,275 425

0,698 497

0,15 741

250

-0,60 027

0,150 952

-0,654

1,732 264

2,121 723

1,623 256

260

-0,56 468

0,33 616

-0,24 779

3,128 666

3,459 723

3,49 092

270

-0,48 733

-0,4 186

-0,38 979

3,315 776

3,571 645

3,284 318

280

-0,41 929

-0,12 375

-0,46 657

2,299 566

2,47 321

2,327 388

290

-0,36 739

-0,21 736

-0,48 738

1,714 533

1,802 055

1,796 281

300

-0,3425

-0,3425

-0,48 766

1,379 213

1,379 213

1,492 717

310

-0,39 744

-0,59 912

-0,5923

1,4 333

0,899 698

1,96 576

320

-0,49 261

-0,80 488

-0,64 607

0,806 766

0,523 831

0,759 578

330

-0,61 419

-1,1 819

-0,73 086

0,566 467

0,156 417

0,383 579

340

-0,74 422

-1,22 564

-0,8486

0,301 707

-0,21 019

-0,3 221

350

-0,55 161

-1,8 576

-0,66 417

0,36 873

-0,21 858

-0,12 115

360

0

-0,54 109

-0,11 801

0,776 257

0,15 741

0,15 741

370

1,738 806

1,240 339

1,629 798

2,381 017

1,78 075

1,623 256

380

3,37 646

2,96 583

3,296 886

3,895 183

3,330 502

3,49 092

390

3,705 567

3,41 824

3,674 109

4,119 577

3,632 251

3,284 318

400

2,766 137

2,620 314

2,793 959

3,89 504

2,670 211

2,327 388

410

2,201 918

2,196 144

2,283 665

2,433 697

2,66 303

1,796 281

420

1,866 875

1,980 378

1,980 378

1,980 378

1,637 882

1,492 717

430

1,635 627

1,832 506

1,688 873

1,48 719

1,89 749

1,96 576

440

1,452 832

1,688 579

1,405 644

1,93 379

0,600 766

0,759 578

450

1,297 327

1,52 449

1,11 444

0,71 044

0,96 252

0,383 579

460

1,150 304

1,328 284

0,816 383

0,334 961

-0,40 926

-0,3 221

470

1,32 901

1,130 328

0,543 019

0,8 869

-0,54 274

-0,12 115

480

0,894 272

0,894 272

0,275 425

-0,26 566

-0,26 566

0,15 741

490

0,751 219

0,593 725

-0,654

-0,50 501

1,233 797

1,623 256

500

0,598 297

0,316 887

-0,24 779

-0,65 842

2,718 036

3,49 092

510

0,445 469

0,97 536

-0,38 979

-0,67 712

3,28 449

3,284 318

520

0,295 545

-0,4 728

-0,46 657

-0,61 239

2,153 743

2,327 388

530

0,150 032

-0,11 999

-0,48 738

-0,49 316

1,708 759

1,796 281

540

0

-0,14 517

-0,48 766

-0,37 416

1,492 717

1,492 717

550

-0,20 168

-0,19 486

-0,5923

-0,39 542

1,240 209

1,96 576

560

-0,31 227

-0,15 345

-0,64 607

-0,41 032

1,42 513

0,759 578

570

-0,404

-0,11 667

-0,73 086

-0,5037

0,793 629

0,383 579

580

-0,48 142

-0,10 438

-0,8486

-0,67 062

0,479 687

-0,3 221

590

-0,53 415

-0,11 256

-0,66 417

-0,56 674

0,466 157

-0,12 115

600

-0,54 109

-0,11 801

-0,11 801

-0,11 801

0,776 257

0,15 741

610

-0,49 847

-0,10 901

1,629 798

1,472 304

2,223 523

1,623 256

620

-0,41 063

-0,7 957

3,296 886

3,15 476

3,613 773

3,49 092

630

-0,28 733

-0,3 146

3,674 109

3,326 176

3,771 645

3,284 318

640

-0,14 582

0,27 822

2,793 959

2,451 136

2,74 668

2,327 388

650

-0,577

0,81 747

2,283 665

2,13 643

2,163 675

1,796 281

660

0,113 504

0,113 504

1,980 378

1,835 213

1,835 213

1,492 717

670

0,196 878

0,53 246

1,688 873

1,6957

1,494 018

1,96 576

680

0,235 747

-0,4 719

1,405 644

1,564 456

1,252 191

0,759 578

690

0,227 163

-0,18 289

1,11 444

1,401 767

0,997 767

0,383 579

700

0,17 798

-0,33 392

0,816 383

1,193 427

0,712 005

-0,3 221

710

0,97 427

-0,48 988

0,543 019

0,96 461

0,430 461

-0,12 115

720

0

-0,61 885

0,275 425

0,698 497

0,15 741

0,15 741

Шатунная шейка нагружается набегающим моментом на i-ю коренную шейку плюс половина момента от i-го цилиндра.

Набегающие моменты на шатунные шейки

Таблица 4.

б

Тш1

Tш2

Tш3

Tш4

Tш5

Tш6

0

0

-0,30 942

-0,92 827

0,413 138

1,47 746

0,236 115

10

-0,7 875

-0,45 763

-1,13 664

-0,981

0,574 375

-0,17 333

20

-0,1407

-0,56 375

-1,26 914

-0,37 169

0,124 894

-0,49 105

30

-0,17 397

-0,5916

-1,25 289

-0,58 469

-0,20 088

-0,63 187

40

-0,17 141

-0,55 247

-1,14 317

-0,69 986

-0,43 939

-0,65 812

50

-0,13 501

-0,45 372

-0,95 612

-0,73 108

-0,59 979

-0,60 846

60

-0,7 258

-0,31 641

-0,73 149

-0,73 149

-0,73 149

-0,56 124

70

0,3 414

-0,19 189

-0,58 592

-0,88 845

-1,10 389

-0,80 858

80

0,79 406

-0,8 749

-0,5007

-0,9691

-1,3935

-1,3 988

90

0,143 663

-0,1 977

-0,49 029

-1,9 629

-1,71 137

-1,37 062

100

0,188 522

0,4 934

-0,55 076

-1,2729

-2,4 075

-1,77 378

110

0,210 796

0,145 785

-0,19 503

-0,99 626

-1,87 722

-1,73 108

120

0,211 536

0,423 072

0,634 608

-0,17 702

-1,10 529

-1,10 529

130

0,194 729

1,258 862

3,192 397

2,444 697

1,544 296

1,308 055

140

0,165 528

2,19 287

5,561 275

4,945 329

4,98 308

3,676 194

150

0,127 934

2,108 652

5,942 154

5,511 163

4,780 173

4,258 274

160

0,86 822

1,556 713

4,409 672

4,190 938

3,562

3,47 765

170

0,43 761

1,188 481

3,43 416

3,425 498

2,874 407

2,469 373

180

0

0,933 437

2,800 312

2,970 568

2,456 823

2,239 075

190

-0,7 182

0,674 181

2,237 992

2,53 331

1,937 147

1,947 388

200

-0,14 147

0,443 481

1,754 845

2,108 466

1,369 547

1,607 765

210

-0,20 502

0,238 614

1,330 916

1,67 166

0,750 379

1,181 369

220

-0,25 595

0,6 325

0,957 604

1,224 574

0,108 244

0,67 381

230

-0,29 365

-0,7 086

0,668 388

0,814 528

-0,1 289

0,619 495

240

-0,30 942

-0,17 171

0,413 138

0,413 138

0,413 138

1,47 746

250

-0,30 013

-0,22 466

0,226 428

-0,981

2,598 396

3,182 584

260

-0,28 234

-0,26 553

0,50 424

-0,37 169

4,693

5,189 584

270

-0,24 366

-0,26 459

-0,6 279

-0,58 469

4,973 664

5,357 467

280

-0,20 965

-0,27 152

-0,18 562

-0,69 986

3,449 349

3,709 815

290

-0,1837

-0,29 238

-0,32 604

-0,73 108

2,5718

2,703 083

300

-0,17 125

-0,3425

-0,51 374

-0,73 149

2,6 882

2,6 882

310

-0,19 872

-0,49 828

-0,89 869

-0,88 845

1,564 995

1,349 546

320

-0,24 631

-0,64 875

-1,20 732

-0,9691

1,210 149

0,785 746

330

-0,30 709

-0,81 619

-1,52 728

-1,9 629

0,8497

0,234 625

340

-0,37 211

-0,98 493

-1,83 846

-1,2729

0,452 561

-0,31 529

350

-0,27 581

-0,81 869

-1,62 864

-0,99 626

0,553 095

-0,32 787

360

0

-0,27 054

-0,81 163

-0,17 702

1,164 386

0,236 115

370

0,869 403

1,489 572

1,860 508

2,444 697

3,571 525

2,671 125

380

1,68 823

3,171 145

4,448 744

4,945 329

5,842 774

4,995 753

390

1,852 784

3,561 904

5,127 361

5,511 163

6,179 366

5,448 376

400

1,383 068

2,693 226

3,930 472

4,190 938

4,634 255

4,5 317

410

1,100 959

2,199 031

3,294 215

3,425 498

3,650 546

3,99 454

420

0,933 437

1,923 627

2,970 568

2,970 568

2,970 568

2,456 823

430

0,817 814

1,734 066

2,748 759

2,53 331

2,230 786

1,634 623

440

0,726 416

1,570 705

2,532 869

2,108 466

1,640 068

0,901 149

450

0,648 663

1,410 908

2,286 734

1,67 166

1,6 566

0,144 379

460

0,575 152

1,239 294

1,992 427

1,224 574

0,502 441

-0,61 389

470

0,516 451

1,81 615

1,695 492

0,814 528

0,13 304

-0,81 412

480

0,447 136

0,894 272

1,341 408

0,413 138

-0,39 849

-0,39 849

490

0,375 609

0,672 472

0,890 587

-0,981

-0,75 751

1,850 695

500

0,299 148

0,457 592

0,47 533

-0,37 169

-0,98 764

4,77 054

510

0,222 734

0,271 502

0,146 304

-0,58 469

-1,1 568

4,542 674

520

0,147 772

0,124 133

-0,7 092

-0,69 986

-0,91 859

3,230 615

530

0,75 016

0,15 021

-0,17 999

-0,73 108

-0,73 974

2,563 138

540

0

-0,7 258

-0,21 775

-0,73 149

-0,56 124

2,239 075

550

-0,10 084

-0,19 827

-0,29 228

-0,88 845

-0,59 313

1,860 313

560

-0,15 613

-0,23 286

-0,23 018

-0,9691

-0,61 548

1,56 377

570

-0,202

-0,26 034

-0,17 501

-1,9 629

-0,75 555

1,190 444

580

-0,24 071

-0,2929

-0,15 657

-1,2729

-1,593

0,71 953

590

-0,26 707

-0,32 335

-0,16 884

-0,99 626

-0,85 012

0,699 235

600

-0,27 054

-0,32 955

-0,17 702

-0,17 702

-0,17 702

1,164 386

610

-0,24 923

-0,30 374

-0,16 351

2,444 697

2,208 456

3,335 284

620

-0,20 532

-0,2451

-0,11 936

4,945 329

4,523 215

5,420 659

630

-0,14 366

-0,15 939

-0,4 719

5,511 163

4,989 264

5,657 467

640

-0,7 291

-0,059

0,41 733

4,190 938

3,676 704

4,12 002

650

-0,289

0,37 987

0,122 621

3,425 498

3,20 465

3,245 513

660

0,56 752

0,113 504

0,170 255

2,970 568

2,75 282

2,75 282

670

0,98 439

0,125 062

0,79 869

2,53 331

2,54 355

2,241 026

680

0,117 874

0,9 428

-0,7 078

2,108 466

2,346 684

1,878 286

690

0,113 581

0,22 138

-0,27 433

1,67 166

2,10 265

1,49 665

700

0,8 899

-0,7 797

-0,50 088

1,224 574

1,790 141

1,68 008

710

0,48 713

-0,19 623

-0,73 482

0,814 528

1,446 915

0,645 691

720

0

-0,30 942

-0,92 827

0,413 138

1,47 746

0,236 115

3.2 Анализ уравновешенности двигателя

Для уравновешивания сил инерции и их моментов в многоцилиндровом двигателе необходимо и достаточно, чтобы равнодействующие всех сил инерции, действующие в плоскостях, проходящих через ось вала, а также сумма моментов этих сил относительно выбранной оси равнялась нулю.

При проектировании двигателя стремятся путем выбора схем расположения кривошипов коленчатого вала и цилиндров создать такую конструкцию, при которой суммарные силы инерции Рjl, Рjll и моменты, были бы равны нулю. Если это не удается, то прибегают к уравновешиванию двигателя с помощью дополнительных устройств.

Для обеспечения полного уравновешивания двигателя требуется существенное усложнение конструкции, что с учетом высоких порядков гармонических составляющих сил инерции практически не осуществимо, поэтому двигатель остается частично неуравновешенным.

Уравновешенными считаются шести-, восьми-, десяти- и двенадцатицилиндровые двигатели с зеркальным относительно средней коренной шейке расположением кривошипов коленчатого вала.

Порядок работы цилиндров двигателя:

1−5-3−6-2−4

Схема заклинки коленчатого вала выполнена в соответствии с Рис. 2

Рис. 3 К анализу уравновешенности двигателя.

На данной схеме изображен коленчатый вал двигателя, в котором уравновешены силы инерции 1 и 2 порядков, центробежные силы инерции, а также моменты этих сил.

Действительно, рассмотрим 1 и 6 цилиндры:

,

примем.

;;

2 и 5 цилиндры:

;;

3 и 4 цилиндры:

;;

Тогда:

;

;

Аналогично:

;

Как видно двигатель с данной схемой коленчатого вала полностью уравновешен от сил инерции 1го и 2го порядка, центробежных сил и их моментов.

4. Расчет ДВС на прочность

4.1 Расчет на прочность деталей поршневой группы

4.1.1 Расчет прочности поршня

Наиболее нагруженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки. Тяжёлые условия работы поршней предъявляют повышенные требования к материалам при изготовлении.

Чтобы устранить защемление поршня в цилиндре вследствие его теплового расширения, диаметр поршня должен быть меньше диаметра цилиндра. Наименьший диаметр должен быть у головки поршня.

Поршень из серого чугуна с днищем вогнутой формы, охлаждаемым маслом с внутренней стороны.

Днище поршня

Толщина днища: м

Высота юбки: м

Радиус заделким

Рис. 4 Расчетная схема днища поршня.

Рассматриваем днище поршня как пластину, защемленную по периферии, равномерно нагруженную.

Напряжения изгиба в тангенсальном направлении

Перефирия

где — коэффициент Пуассона (чугун)

Центр

Напряжения изгиба:

Температурные напряжения

— коэффициент линейного расширения (серый чугун);

— модуль упругости (серый чугун);

— коэффициент Пуассона;

— коэффициент теплопроводности;

-удельная тепловая нагрузка на поверхность днища поршня, где:

— доля тепла от сгорания топлива, проходящая через днище поршня;

— цилиндровая мощность двигателя;

— удельный расход топлива;

-низшая теплотворная способность топлива

Суммарные напряжения на периферии и центре днища поршня:

МПа

— для чугуна

Расчет удельных давлений

Юбка:

— диаметр цилиндра

Бобышки:

4.1.2 Расчет поршневого пальца

Наибольшее распространение получили плавающие пальцы, подвижные в бобышках поршня и в поршневой головке шатуна. Поршневой палец подвергается воздействию сил, переменных по величине и направлению. Эти силы подвергаю поршневой палец переменному изгибу и овализации. Материал пальца работает на усталость.

Недопустимая овализация поршневого пальца может приводить к трещинам в бобышках поршня и к продольным трещинам в стержне шатуна. Для повышения износостойкости и прочности пальцы изготавливают с вязкой сердцевиной и твёрдой поверхностью (цементированные и закалённые стали 15, 15Х, и 20ХН, с поверхностной закалкой ТВЧ стали 40, 45, 45Х и 40ХН, азотированные стали 18ХНВА). Для повышения усталостной прочности наружная поверхность пальца, а иногда и внутренняя, тщательно полируются. Принимаем Сталь45Х.

— длина, плавающего пальца

— внутренний диаметр пальца

— наружный диаметр пальца

— длина втулки шатуна

— расстояние между бобышками

бобышек.

Напряжение в поршневом пальце от изгиба имеет максимальное значение в середине длины пальца:

Допускаемое значение напряжений: ,

где -относительная величина отверстия в поршневом пальце.

Инерционная сила:

,

Расчетная сила, действующая на поршневой палец:

Pz = pz*Fп = 10 * 0,1067 = 1,067 МН

Расчетная сила:

k — коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца. k= 0,68…0,81

Касательные напряжения среза в сечениях между бобышками и головкой шатуна:

Допускаемое значение напряжений:

Проверка на овализацию:

Наибольшее увеличение горизонтального диаметра пальца при овализации:

м

Величина овализации не должна превышать:

4.1.3 Расчет прочности поршневого кольца

Кольца прижимаются к стенкам цилиндра силами собственной упругости и давления газов. Верхнее поршневое кольцо работает в условиях высокой температуры и недостаточной смазки. В период сгорания удельное давление между кольцом и втулкой цилиндра, вызываемое газовыми силами, в 40 — 70 раз превосходит удельное давление от сил собственной упругости. В зоне этого кольца имеет место наибольший износ цилиндра. Повышение износостойкости достигается увеличением радиальной толщины (ограничиваемой напряжениями в кольце), применением для верхних поршневых колец пористогохромирования, а также напылением карбидохромомолибденового покрытия.

Поршневые кольца изготавливают из стали и чугуна специальных марок.

В цилиндре двигателя поршневое кольцо находится в сжатом состоянии, а при надевании его на поршень оно разводится. В том и другом случае в поршневом кольце действуют напряжения изгиба.

Расчёт кольца проводится с равномерным распределением давления по цилиндру.

Зададимся следующими параметрами:

— зазор в замке в свободном состоянии

— зазор в замке после установки

— радиальная толщина кольца

— высота кольца

Напряжение в сечении противоположном замку

в рабочем состоянии:

где, — деформация замка в рабочем состоянии

Рис. 6 Расчет поршневого кольца.

— условный модуль упругости

Напряжение изгиба кольца при надевании

— деформация кольца

при надевании

Удельное давления кольца на стенку цилиндра

Допускаемое удельное давления

В среднем принимают значение. Экспериментальные исследования колец показывают, что величина удельного давления кольца на стенки цилиндра не является одинаковой по длине кольца. Она изменяется в зависимости от положения замка кольца и, особенно от степени изношенности кольца и рабочей втулки цилиндра.

4.1.4 Расчет коленчатого вала

Коленчатый вал с присоединёнными к нему вращающимися частями представляет собой систему, подверженную крутильным и изгибным колебаниям, вызванным периодически действующими силами и моментами. Крутильные и изгибные колебания увеличивают напряжения в коленчатом валу.

Требования, предъявляемые к коленчатым валам:

— надёжность работы на всех эксплуатационных режимах;

— прочность, жёсткость, износостойкость при минимальной массе;

— обеспечение необходимого ресурса до капитального ремонта;

— высокая точность изготовления, твёрдость и чистота обработки;

— статическая и динамическая уравновешенность.

Основные положения расчета:

— расчёту подвергается коленвал, как разрезная балка, т. е. рассматривается отдельное колено, оперяющиеся по плоскостям, проходящим через середины соседних коренных шеек;

— колено абсолютно жёсткое;

— колено симметричное;

— коленвал рассматривается по элементам, отдельно коренная шейка, шатунная шейка, щека.

Коленчатые валы отечественных судовых двигателей изготавливают из сталей 45, 45Х, 40ХФА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА и др. Поверхности шеек стальных валов в целях повышения их твердости и износостойкости подвергаются азотированию на глубину 0,5−0,8 мм. Для изготовления коленчатых валов судовых двигателей довольно широко используются литые валы из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Преимуществом чугунных валов является их меньшая стоимость и возможность снижения припусков на механическую обработку. Поверхности шеек чугунных валов обрабатываются токами высокой частоты.

Принимаем материал: чугун ВЧ45−0.

Порядок работы цилиндров 1−5-3−6-2−4

1. ВМТ, нагружающей силой является сила Pz;

2. положение при Т=Тmax;

3. набегающий момент на колено максимален;

4. положение, при котором сила S по шатуну максимальна.

Рис. 7 Расчетная схема коленчатого вала

R=0,225 м. Fп=0,1017 м

dк=0,255 м dш=0,225 м

l =0,2475 м а1= 0,165 м

h=0,645 м b=0,09 м

4.1.5 Расчет шатунной шейки

Шатунные шейки рассчитывают на кручение и изгиб.

Расчет на кручение

Максимальный и минимальный набегающие моменты:

Максимальный и минимальный крутящие моменты:

Момент сопротивления шатунной шейки кручению:

Максимальное и минимальное касательные напряжения:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

Коэффициент учитывающий масштабный фактор:

Коэффициент концентраций напряжений:

Коэффициент динамичности:

Предел выносливости:

Предел прочности:

Коэффициент чувствительности асимметрии цикла:

Запас прочности:

Запас прочности не превышает допустимые значения

Расчет на изгиб

Расчет ведется для сечений 1 и 3.

Определим реакции:

Изгибающий момент в плоскости колена:

Изгибающий момент в плоскости, перпендикулярной плоскости колена:

Изгибающий момент в направлении масляного канала:

Изгибающий момент в направлении галтельного перехода:

К расчету изгиба шатунной шейки

Таблица 5.

б

K

T

Mk3

Mt3

M1

Mk3*cos

Mt3*sin

M Сумм

Rt

Rk

0

-0,0766

0

-38 321

0

6,70 623

17 171

0

-17 170,8

0

-38 321

10

-0,0729

-0,016

-36 443

-991,41

6,52 974

16 329

-886,3

-17 215,3

-8011

-36 443

20

-0,0623

-0,029

-31 158

-1771,5

6,51

13 961

-1584

-15 544,6

-14 315

-31 158

30

-0,0472

-0,035

-23 579

-2190,2

5,15 937

10 565

-1958

-12 523

-17 699

-23 579

40

-0,0305

-0,035

-15 242

-2158

4,5 313

6829,4

-1929

-8758,72

-17 439

-15 242

50

-0,0155

-0,027

-7751,4

-1699,8

2,76 005

3473,2

-1520

-4992,8

-13 735

-7751,4

60

-0,0048

-0,015

-2408,3

-913,8

1,35 923

1079,1

-816,9

-1896,02

-7384

-2408,2

70

9E-05

0,0007

42,943

42,977

0,6 124

-19,24

38,421

57,6631

347,29

42,985

80

-0,001

0,0162

-503,47

999,707

1,41 647

225,59

893,73

668,144

8078,4

-503,43

90

-0,0072

0,0292

-3580,9

1808,7

2,6334

1604,5

1617

12,4641

14 616

-3580,9

100

-0,0167

0,0384

-8359,3

2373,46

3,66 135

3745,6

2121,9

-1623,71

19 179

-8359,3

110

-0,0278

0,0429

-13 899

2653,88

4,47 219

6227,6

2372,6

-3855

21 446

-13 898

120

-0,0387

0,043

-19 340

2663,2

5,6 352

8666

2380,9

-6285,06

21 521

-19 340

130

-0,0481

0,0396

-24 074

2451,61

5,45 602

10 787

2191,7

-8595,09

19 811

-24 074

140

-0,0557

0,0337

-27 831

2083,97

5,69 267

12 470

1863,1

-10 607,4

16 840

-27 831

150

-0,061

0,026

-30 512

1610,67

5,80 517

13 672

1439,9

-12 231,9

13 016

-30 512

160

-0,0645

0,0177

-32 265

1093,08

5,85 419

14 457

977,21

-13 480

8833

-32 265

170

-0,0664

0,0089

-33 206

550,942

5,86 311

14 879

492,54

-14 386,4

4452,1

-33 206

180

-0,069

0

-34 524

0

6,4 166

15 469

0

-15 469,2

0

-34 524

190

-0,0674

-0,015

-33 711

-904,16

6,3 639

15 105

-808,3

-15 913,3

-7306

-33 711

200

-0,0665

-0,029

-33 250

-1781,1

6,34 048

14 899

-1592

-16 490,8

-14 392

-33 250

210

-0,0639

-0,042

-31 925

-2581,2

6,67 369

14 305

-2308

-16 612,6

-20 858

-31 925

220

-0,0592

-0,052

-29 593

-3222,4

6,89 824

13 260

-2881

-16 140,8

-26 039

-29 593

230

-0,0529

-0,06

-26 470

-3697,1

6,98 505

11 860

-3305

-15 165,5

-29 875

-26 470

240

-0,0442

-0,063

-22 120

-3895,6

6,73 295

9911,3

-3483

-13 394

-31 480

-22 120

250

-0,0335

-0,061

-16 737

-3778,6

6,0936

7499,4

-3378

-10 877,5

-30 534

-16 737

260

-0,023

-0,057

-11 495

-3554,6

5,41 432

5150,7

-3178

-8328,56

-28 724

-11 495

270

-0,0121

-0,05

-6073,4

-3067,7

4,46 644

2721,3

-2742

-5463,84

-24 789

-6073,4

280

-0,0029

-0,043

-1447,6

-2639,4

3,74 109

648,62

-2360

-3008,25

-21 329

-1447,5

290

0,0055

-0,037

2734,9

-2312,7

3,30 534

-1225

-2068

-842,134

-18 689

2734,9

300

0,0145

-0,035

7266,8

-2156

3,30 346

-3256

-1927

1328,62

-17 422

7266,9

310

0,0313

-0,04

15 648

-2501,9

4,47 393

-7011

-2237

4774,73

-20 217

15 648

320

0,0637

-0,05

31 849

-3101

7,9 184

-14 271

-2772

11 498,4

-25 058

31 849

330

0,1275

-0,062

63 750

-3866,3

12,424

-28 565

-3456

25 108,5

-31 242

63 750

340

0,2606

-0,076

130 285

-4684,8

23,7429

-58 377

-4188

54 189,1

-37 857

130 285

350

0,4127

-0,056

206 332

-3472,4

36,4405

-92 452

-3104

89 347,7

-28 059

206 332

360

0,5134

0

256 713

0

44,9248

-1E+05

0

115 026

0

256 713

370

0,8047

0,1769

402 343

10 945,6

72,0913

-2E+05

9785,4

190 065

88 450

402 343

380

0,7477

0,3435

373 841

21 254,5

71,9964

-2E+05

19 001

186 510

171 754

373 841

390

0,5022

0,377

251 119

23 326,2

54,9486

-1E+05

20 854

133 373

188 495

251 119

400

0,246

0,2814

122 981

17 412,6

32,7035

-55 104

15 567

70 671,3

140 708

122 981

410

0,1264

0,224

63 209

13 860,9

22,5071

-28 322

12 392

40 714,1

112 007

63 209

420

0,0619

0,1899

30 971

11 751,8

17,4802

-13 877

10 506

24 383,3

94 964

30 971

430

0,0206

0,1664

10 298

10 296,1

14,6713

-4614

9204,7

13 818,9

83 201

10 298

440

-0,0092

0,1478

-4605,5

9145,45

12,9581

2063,6

8176

6112,42

73 903

-4605,4

450

-0,0323

0,132

-16 168

8166,56

11,8902

7244,5

7300,9

56,3424

65 992

-16 168

460

-0,051

0,117

-25 503

7241,07

11,1702

11 427

6473,5

-4953,65

58 514

-25 503

470

-0,0681

0,1051

-34 051

6502,03

10,9569

15 258

5812,8

-9444,75

52 542

-34 051

480

-0,0818

0,091

-40 881

5629,37

10,7031

18 318

5032,6

-13 285,1

45 490

-40 881

490

-0,0929

0,0764

-46 435

4728,86

10,524

20 806

4227,6

-16 578,9

38 213

-46 435

500

-0,1006

0,0609

-50 298

3766,23

10,288

22 537

3367

-19 170,1

30 434

-50 298

510

-0,1062

0,0453

-53 122

2804,19

10,1068

23 803

2506,9

-21 295,7

22 660

-53 122

520

-0,1098

0,0301

-54 916

1860,43

9,96 388

24 606

1663,2

-22 943,1

15 034

-54 916

530

-0,1138

0,0153

-56 923

944,438

10,0507

25 506

844,32

-24 661,4

7631,8

-56 923

540

-0,1128

0

-56 397

0

9,86 948

25 270

0

-25 270

0

-56 397

550

-0,0947

-0,021

-47 335

-1269,6

8,47 603

21 210

-1135

-22 344,8

-10 259

-47 335

560

-0,0734

-0,032

-36 697

-1965,7

6,99 775

16 443

-1757

-18 200,2

-15 884

-36 697

570

-0,0629

-0,041

-31 454

-2543,1

6,57 523

14 094

-2274

-16 367,5

-20 551

-31 454

580

-0,0557

-0,049

-27 831

-3030,5

6,4875

12 470

-2709

-15 179,8

-24 489

-27 831

590

-0,0481

-0,054

-24 074

-3362,4

6,3528

10 787

-3006

-13 792,8

-27 171

-24 074

600

-0,0387

-0,055

-19 340

-3406,1

5,88 693

8666

-3045

-11 711

-27 524

-19 340

610

-0,0278

-0,051

-13 899

-3137,8

5,6 018

6227,6

-2805

-9032,75

-25 356

-13 898

620

-0,0167

-0,042

-8359,3

-2584,9

3,93 724

3745,6

-2311

-6056,46

-20 888

-8359,3

630

-0,0072

-0,029

-3580,9

-1808,7

2,6334

1604,5

-1617

-3221,48

-14 616

-3580,9

640

-0,001

-0,015

-503,47

-917,94

1,30 108

225,59

-820,6

-1046,23

-7418

-503,43

650

9E-05

-6E-04

42,943

-36,349

0,5 195

-19,24

-32,5

-13,254

-293,7

42,985

660

-0,0048

0,0115

-2408,3

714,496

1,9 477

1079,1

638,76

-440,331

5773,7

-2408,2

670

-0,0155

0,02

-7751,4

1239,33

2,21 623

3473,2

1108

-2365,26

10 015

-7751,4

680

-0,0305

0,024

-15 242

1484,01

3,39 391

6829,4

1326,7

-5502,74

11 992

-15 242

690

-0,0472

0,0231

-23 579

1429,97

4,59 514

10 565

1278,4

-9286,62

11 555

-23 579

700

-0,0623

0,0181

-31 158

1120,37

5,67 811

13 961

1001,6

-12 959,3

9053,5

-31 158

710

-0,0729

0,0099

-36 443

613,292

6,43 616

16 329

548,28

-15 780,7

4955,9

-36 443

720

-0,0766

0

-38 321

0

6,70 623

17 171

0

-17 170,8

0

-38 321

Выбираем максимальные и минимальные значения моментов

Сечение 1

Момент сопротивления шатунной шейки кручению:

Максимальное и минимальное напряжения изгиба:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

Коэффициент концентраций напряжений:

Коэффициент учитывающий масштабный фактор:

Предел выносливости:

Предел прочности:

Коэффициент чувствительности асимметрии цикла:

Запас прочности:

Запас прочности не превышает допустимые значения

Сечение 3

Максимальное и минимальное напряжения изгиба:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

Коэффициент концентраций напряжений:

Коэффициент учитывающий масштабный фактор:

Предел выносливости:

Предел прочности:

Коэффициент чувствительности асимметрии цикла:

Запас прочности:

Запас прочности не превышает допустимые значения

4.1.6 Расчет щеки

Щека испытывает напряжения растяжения — сжатия, изгиба и кручения.

Размеры щеки:

Площадь щеки:

Момент сопротивления щеки:

Сила, растягивающая щеку: S = Pz

Напряжения определяются по формуле:

Реакция:

(кН) ,

тогда, составляем таблицу для поиска максимального и минимального напряжения.

Напряжения, возникающие в щеке.

Таблица 6

Mkщ

Rk

у

k

-0,5 709

-0,346

-9,01

-0,7533

-0,5 405

-0,3276

-8,53

-0,7164

-0,4 548

-0,2756

-7,177

-0,6125

-0,3 318

-0,2011

-5,237

-0,4635

-0,1 966

-0,1192

-3,103

-0,2996

-0,751

-0,0455

-1,186

-0,1524

0,1 152

0,007

0,1818

-0,0473

0,5 127

0,0311

0,8092

0,0008

0,4 241

0,0257

0,6693

-0,0099

-0,75

-0,0045

-0,118

-0,0704

-0,0085

-0,0515

-1,341

-0,1643

-0,1 748

-0,106

-2,759

-0,2732

-0,2 631

-0,1595

-4,152

-0,3802

-0,3 399

-0,206

-5,364

-0,4733

-0,4 008

-0,2429

-6,325

-0,5471

-0,4 443

-0,2693

-7,012

-0,5998

-0,4 727

-0,2865

-7,46

-0,6343

-0,0488

-0,2957

-7,701

-0,6528

-0,5 093

-0,3087

-8,038

-0,6787

-0,4 962

-0,3007

-7,83

-0,6627

-0,4 887

-0,2962

-7,712

-0,6537

-0,4 672

-0,2832

-7,373

-0,6276

-0,4 294

-0,2602

-6,776

-0,5818

-0,3 787

-0,2295

-5,977

-0,5204

-0,3 082

-0,1868

-4,864

-0,4348

-0,2 209

-0,1339

-3,486

-0,329

-0,1 359

-0,0823

-2,144

-0,226

-0,479

-0,029

-0,756

-0,1194

0,271

0,0164

0,4277

-0,0285

0,9 493

0,0575

1,4982

0,0538

0,16 843

0,1021

2,6582

0,1429

0,30 436

0,1845

4,8034

0,3076

0,56 711

0,3437

8,9501

0,6261

0,108 451

0,6573

17,116

1,2533

0,21 636

1,3113

34,146

2,5612

0,339 696

2,0588

53,61

4,0562

0,421 406

2,554

66,506

5,0467

0,657 595

3,9854

103,78

7,9095

0,61 137

3,7053

96,486

7,3492

0,412 333

2,499

65,074

4,9367

0,204 514

1,2395

32,276

2,4176

0,107 574

0,652

16,977

1,2426

0,55 288

0,3351

8,7254

0,6088

0,21 759

0,1319

3,434

0,2024

-0,241

-0,0146

-0,381

-0,0905

-0,2 116

-0,1283

-3,34

-0,3178

-0,0363

-0,22

-5,729

-0,5014

-0,5 017

-0,3041

-7,918

-0,6694

-0,6 124

-0,3712

-9,666

-0,8037

-0,7 025

-0,4258

-11,09

-0,9129

-0,7 652

-0,4637

-12,08

-0,9888

-0,0811

-0,4915

-12,8

-1,0443

-0,8 401

-0,5091

-13,26

-1,0796

-0,8 726

-0,5289

-13,77

-1,119

-0,8 641

-0,5237

-13,64

-1,1087

-0,7 171

-0,4346

-11,32

-0,9306

-0,5 446

-0,3301

-8,595

-0,7214

-0,4 596

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой