Материал: Проект дизельного двигателя для сельскохозяйственного трактора номинальной мощностью 70 кВт

Показатели РХ проектируемого дизеля

Анализируя полученные данные, замечаем, что погрешность вычисления не превосходят 3% от экспериментальных. В заключении отметим, что получено хорошее согласие результатов расчётов с опытными наблюдениями - погрешности вычисления показателей РХ не превышает 3%.

5. Динамический расчёт

.1 Уравновешивание двигателя

Для расчета сил инерции деталей, совершающих возвратно-поступательное и вращательное движение с учетом вычисленных конструктивных параметров однорядного двигателя, установим приведенные массы деталей КШМ и ЦПГ:

масса поршневой группы литой поршень из алюминиевого сплава

масса поршня mп=2,755 кг;

масса шатуна mш=2,70кг;

масса неуравновешенных частей одного колена вала без противовесов (для стального кованого вала с полыми шатунными шейками m'к=250кг/м2)

mk=m'kFп=250*0,0095=2,375кг;

часть массы шатуна, сосредоточенная на оси поршневого пальца,

m1=0,25mш=0,25*2,7=0,675кг;

часть массы шатуна, сосредоточенная на оси шатунной шейки,

m2=0,75 mш=0,75*2,7=2,025кг;

суммарные массы, совершающие возвратно-поступательное движение,

mj=mп+m1=2,755+0,675=3,43кг;

суммарные массы, совершающие вращательное движение,

mr=mк+m2=2,375+2,025=4,40кг.

Диаметр коренной шейки,

Dк.ш.=75мм;

Рабочая длина коренной шейки,

Lраб к.ш=25мм;

Диаметр шатунной шейки,

Dш.ш=65мм;

Рабочая длина шатунной шейки,

Lраб ш.ш=35мм;

Приведенная масса щеки,

(mщ)r=0,75кг.

масса шатунной шейки,

mшш=((3,14*0,00432)/4)*7950*0,023= 0,873.

Проектируемый двигатель однорядный с кривошипами, расположенными под углом 1800 (рис. 1). Если принять, что неуравновешенные массы кривошипа, совершающие вращательные движения mr=mk+m2=2,375+2,025=4,40кг одинаковы, то центробежные силы Kr=mrrω2=6784,6 Н также будут одинаковы. На рисунке показано направление этих сил. Они будут взаимно уравновешиваться, так как кривошипы расположены под углом 180 друг относительно друга, а центробежные силы всегда направлены от оси кривошипов. Также уравновешены моменты этих сил: пара центробежных сил первого и второго кривошипа создает момент M1,2=Kra, направленный по ходу часовой стрелки, а третьего и четвертого кривошипов - M3,4=Kra, направленный против хода часовой стрелки. Таким образом, центробежные силы и их моменты взаимно уравновешены относительно средней плоскости . Векторы M1,2 и M3,4, оставаясь постоянными по модулю, вращаются вместе с коленчатым валом и поэтому создают стационарный изгиб коленчатого вала кривошипов.

Рис.1 Уравновешивание четырёхцилиндрового однорядного двигателя, коленчатый вал которого имеет кривошипы под углом 180° друг к другу с порядком работы 1-3-4-2

Для того чтобы уменьшить эту нагрузку и частично разгрузить третью коренную шейку коленчатого вала, проводим уравновешивание центробежных сил в пределах одного кривошипа за счет установки противовесов на продолжение всех щек.

В пределах одного кривошипа приведенную массу противовеса (mпр)r определим из условия равенства центробежной силы Kr и центробежной силы двух противовесов:

mrrω2=2(mпр)rrω2.

Откуда приведенная масса одного противовеса равна

(mпр)r=mr*а/l или mпр=4,4*0,71=3,124 кг.

Для уменьшения массы коленчатого вала и двигателя в целом проводим не полное уравновешивание,а только на 70%. В итоге получаем

(mпр)r=3,124*0,7=2,190кг.

Силы инерции первого порядка для первого и четвертого кривошипов направлены вверх и равны

P(1)j1=Ccosφ=P(4)j1=Ccos(φ+3600)=mjrω2φ=3,43*0,0625*(177,9)2*cosφ=6784,6cosφ Н.

Силы инерции первого порядка для второго и третьего кривошипа напрвлены вниз и равны

P(2)j1=Ccos(φ+1800)=P(3)j1= Ccos(φ+1800)=-jrω2cosφ=-3,43*0,0625*(177,9)2*cosφ= -6784,6cosφ Н.

Силы будут равны по абсолютному значению, расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через середину вала, перпендикулярно его оси. Поэтому сумма моментов от сил инерции первого порядка равна нулю ΣMj1=0. В данном случае уравновешивание моментов происходит в т. О, однако в отличие от моментов центробежных сил, плоскость действия которых расположена всегда в плоскости кривошипа, момент ΣMj1 действует всегда в плоскости цилиндров. Для четырехцилиндровых ДВС этот момент обычно остается неуравновешенным.

Определим силы инерции второго порядка для кривошипов:

Для первого

P(1)j2=λCcos2φ=λmjrω2cos2φ=0,272*3,43*0,0625*(177,9)2*cos2φ=1845,42cos2φ Н;

Для второго P(2)j2= λmjrω2cos2(φ+1800)= 1845,42cos2φ Н;

Для третьего P(3)j2= λmjrω2cos2(φ+1800)= 1845,42cos2φ Н;

Для четвертого P(4)j2= λmjrω2cos2(φ+3600)= 1845,42cos2φ Н.

Эти силы направлены вертикально в плоскости осей цилиндров и складываются, а сумма их равна

ΣPj2=4λmjrω2cos2φ=4*0,272*3,43*0,0625*(177,9)2*cos2φ =7381,68cos2φ Н.

Таким образом, максимальное значение равнодействующих сил инерции второго порядка равно ΣPj2= 7381,68 кН.

Эти силы инерции второго порядка неуравновешенны и могут быть уравновешенны лишь с помощью механизма Ланчестера (двух дополнительных валов, содержащих противовесы и вращающихся с удвоенной угловой скоростью). Момент от сил инерции второго порядка вследствие симметричности вала равен нулю ΣMj2=0

5.2 Определение более нагруженного режима

По результатам динамического расчёта видно, что режим максимального крутящего момента более нагружен, чем режим номинальной мощности. Данные приведены в таблицах. Прил.4,5,6.

5.3 Удельные суммарные силы, действующие в КШМ

На рисунке 2 приведены силы, действующие в КШМ поршневого двигателя: суммарная сила Ps как результат сложения газовой Pr и инерционной Pj сил; а после разложения этой силы получает боковую силу N, действующие на стенки цилиндра, и силу S, действующую вдоль оси шатуна. После разложение силы S на две получаем нормальную K, действующую в плоскости кривошипа, а также тангенциальную T, действующую перпендикулярно этой плоскости. Тангенциальная сила T создает индикаторный крутящий момент Мкр, передающийся потребителю. Кроме того, в КШМ действует опрокидывающий момент Моп, равный и противоположно направленный Мкр.

Рис.2 Силы, действующие в КШМ

Обычно вычисляют и строят графики удельных сил (в МПа), действующих в КШМ, определяемых как отношение величины силы (Н) к площади поршня Fп (м2).Это позволяет сравнивать нагрузки для двигателей, имеющих различные значения D и S. При выполнении курсового проекта удельные силы Ps, Pr, P, Nуд=N/Fп, Sуд=S/Fп, Kуд=K/Fп, и Tуд=T/Fп определяем по разработанной на кафедре программе Dinn для режима максимального крутящего момента. прил. 7,8

6. Расчёт на прочность основных деталей двигателя

.1 Расчёт коленчатого вала двигателя

Исходные данные

Коленчатый вал полноопорный.

Материал вала - сталь 18ХНВА.

Размеры:

Коренная шейка:

наружный диаметр:               dкш = 75,0 мм;

длина:                                     lкш = 35,0 мм;

диаметр масляного отверстия: aкш = 8,0 мм.

Шатунная шейка:

наружный диаметр:               dшш = 65,0 мм;

длина:                                     lшш = 32,0 мм;

диаметр масляного отверстия: aшш= 8,0 мм;

диаметр облегчающего отверстия δшш=25мм

Расчётное сечение А-А щеки:

ширина:                         b = 75,5 мм;

толщина:                       h = 25 мм;

радиус галтели:            r = 5 мм.

Механические характеристики стали 18ХНВА:

предел выносливости при симметричном цикле при изгибе =540МПа;

предел выносливости при симметричном цикле при кручении t-1 =300 МПа;

предел прочности при изгибе =1150 МПа;

предел прочности при кручении300 МПа.

Расчёт коренной шейки

По результатам динамического расчёта рассчитываем вторую коренную шейку, как наиболее нагруженную ( имеет наибольший размах крутящего момента ∆=2057Н).

Коренная шейка рассчитывается только на кручение в двух сечениях:

сечение I-I - по прилеганию к щеке;

сечение II-II - по центру отверстия для смазки.

Сечение I-I

Максимальное и минимальное касательные напряжения:

Мкр max = 1590 Н×м; (φ=210°)

Мкр min = -467 Н×м. (φ=150°) (прил.12.)

м3

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

m = ( max+ min) / 2 = ( 19,2 - 5,64 ) / 2 = 6,78 МПа;= ( max- min) / 2 = ( 19,2 + 5,64 ) / 2 = 12,42 МПа.

Запас усталостной прочности :

nτ=nτ'/λд=9,1/1,21=7,5

где: (К)д= 3,4 - эффективный коэффициент концентрации напряжений при кручении(r/dкш=5/75) ;

0,85- коэффициент, учитывающий состояние поверхности при кручении (тонкое шлифование);

= 0,072 - коэффициент, учитывающий влияние постоянной составляющей цикла напряжений на сопротивление усталости при кручении.

λТМ=1,21 -коэффициент учитывающий количество шеек коленчатого вала.

Сечение II-II

Концентратором напряжений является отверстие для смазки.

Момент сопротивления кручению коренной шейки равен:

м3

ξкр-поправочный коэффициент, учитывающий наличие отверстия для подачи масла( при a/dкш=8/75 берем ξкр=0,92)

Максимальное и минимальное касательные напряжения знакопеременного цикла:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

= ( max+ min) / 2 = ( 20,9 + (-6,13) / 2 = 7,4 МПа;

Запас усталостной прочности :

nτ=nτ' /λд=14,1/1,21=11,65

где (Кд = 2

Расчёт шатунной шейки

По результатам динамического расчёта рассчитываем вторую шатунную шейку, как наиболее нагруженную.( имеет наибольший размах крутящего момента ∆=1897Н )

Шатунная шейка рассчитывается на кручение и изгиб

Расчёт на кручение

Сечение I-I

Мкр max = 1524 Н×м

Мкр min = -373 Н×м (прил.13.)

Момент сопротивления кручению шатунной шейки равен:

м3,

λ=0,68-поправочный коэффициент, учитывающий эксцентриситет облегчающего отверстия

Максимальное и минимальное касательные напряжения знакопеременного цикла:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

m = (max+ min) / 2 = (42,5- 10,32) / 2 = 16,1 МПа;= (max- min) / 2 = (42,5 + 10,32) / 2 = 26,4 МПа.

Частный запас усталостной прочности по кручению:

nτ=nτ*/λд=5,77/1,21=4,76

(Кд = 2,5

,3 (обкатка роликами)

= 0,072

=1,21

Сечение II-II

ξкр=0,91 (при aшш/ dшш=8/65)

Максимальное и минимальное касательные напряжения знакопеременного цикла:

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

= ( max+ min) / 2 = (46,7- 11,3) / 2 = 17,7МПа;= ( max- min) / 2 = (46,7 + 11,3) / 2 = 29 МПа.

Частный запас усталостной прочности по кручению:

nτ=nτ*/λд=7,65/1,21=6,3

(Кд = 1,96

Расчет на изгиб

Находим значения центробежных сил инерции действующие в кривошипе рис. 3

Kr х= mх∙r∙ω2

рис. 3. Расчетная схема кривошипа

 c-1

Kr щL= Kr щP=0,75∙0,0625∙177,92=1484Н

Kr пр=3,124∙0,0625∙177,92=6179Н

Kr ш=2,7∙0,0625∙177,92=5341Н

Kr шш=0,873∙0,0625∙177,92=1726Н

Kr ш+ Kr шш=7067Н

По результатам динамического расчета

Тmax=25439,53H (φ=180°)

Tmin=-7478,86H (φ=120°)=32794,85H(φ=180°)=-8068,05H (φ=540°)

Определяем реакции в опорах, составляем уравнения моментов относительно точек А и В

Уравнение моментов относительно точки А при Кmax

ΣМА= Kr щL∙0,5(lкшL+hL)+( Kr ш+ Kr шш)∙(0,5 lкшL+ hL+0,5 l шш)- Кmax(0,5 lкшL+ hL+0,5 l шш)+( Kr щP- Kr пр)∙(0,5 lкшL+ hL+ l шш+0,5 hP)+RyB∙ l кр=0

Отсюда

RyB= (-Kr щL∙0,5(lкшL+hL)-( Kr ш+ Kr шш)∙(0,5 lкшL+ hL+0,5 l шш)+Кmax(0,5 lкшL+ hL+0,5 l шш)-( Kr щP- Kr пр)∙(0,5 lкшL+ hL+ l шш+0,5 hP))/ l кр

RyB=(-44,52-413,4195+1918,4987+408,465)/0,117=15974,6Н

Уравнение моментов относительно точки В при Кmax

ΣМВ=( Kr щP- Kr пр)∙ 0,5(lкшP+hP)+ ( Kr ш+ Kr шш)∙ (0,5 lкшP+ hP+0,5 l шш)- Кmax(0,5 lкшP+ hP+0,5 l шш)+ Kr щL∙(0,5 lкшP+ hP+ l шш+0,5 hL)+RyA∙ l кр=0

RyA=(-( Kr щP- Kr пр)∙ 0,5(lкшP+hP)- ( Kr ш+ Kr шш)∙ (0,5 lкшP+ hP+0,5 l шш)+ Кmax(0,5 lкшP+ hP+0,5 l шш)-Kr щL∙(0,5 lкшP+ hP+ l шш+0,5 hL))/ l кр