Реферат: Разработка четырехтактного автомобильного двигателя

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственноеобразовательное учреждение высшего

профессиональногообразования

Брянскийгосударственный технический университет

Кафедра: «Автомобильный транспорт»

Курсовойпроект

По дисциплине«Автомобили и двигатели»

раздела «Двигатели»

тема проекта:«Разработать четырехтактный автомобильный двигатель»

Документытекстовые

АТ.ДВ.003.014.ДТ

Содержание

Задание

Введение

1. Тепловой расчет двигателя

1.1 Выбор параметров к тепловому расчету

1.2 Расчет процесса наполнения

1.3 Расчет процесса сжатия

1.4 Расчет процесса сгорания

1.5 Расчет процесса расширения

1.6 Индикаторные и эффективныепоказатели работы двигателя

1.7 Эффективныепоказатели основные размеры цилиндра и двигателя

1.8 Построение индикаторнойдиаграммы

2. Динамический расчет

2.1 Приведение масскривошипно-шатунного механизма

2.2 Построение диаграммыудельных сил инерции

2.3 Удельные и полные силыинерции

2.4 Построение диаграммыизменения сил,

действующих в КШМ

2.5 Построение полярнойдиаграммы сил,

действующих на шатунную шейку

2.6 Построение диаграммыпредполагаемого износа

шатунной шейки

2.7 Расчет сил и моментов,действующих на коленчатый вал

3.Расчет деталей двигателя напрочность

3.1 Расчет поршня

3.2 Расчет поршневого пальца напрочность

3.3 Расчет шатуна на прочность

3.3.1 Расчет поршневой головкишатуна

3.3.2 Расчет кривошипной головкишатуна

3.3.3 Расчет стержня шатуна

3.3.4 Расчет шатунных болтов

3.4 Расчет коленчатого вала напрочность

3.4.1 Расчет коренной шейки

3.4.2 Расчет шатунной шейки

3.4.3 Расчет щеки.

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Основными направлениямиразвития двигателестроения являются повышение удельных мощностей за счетгазотурбинного наддува и применение более высоко калорийных топлив, повышениеэкономичности, надежности и ресурса двигателя, снижение металлоемкости.

Требование повышениямощности двигателя связано с повышением производительности труда, с ростомэнерговооруженности средств производства. Так же всвязи с непрерывным ростомсложности топлива и масла значимость параметров gе и gмтакже возрастает.Поэтому при создании двигателя следует стремиться к оптимальным расходам топливаи масла. Однако возможности снижения gе и gм связаны со схемой, быстроходностью идругими параметрами двигателя.

При оценке требований кновому двигателю и выборе значений, определяющих параметры, необходимоучитывать развитие существующих двигателей с учетом времени, необходимого насоздание нового двигателя (5-7 лет) и срока его службы не менее 15 лет.

В представленном курсовомпроекте приведен расчет 4-х тактного 8-ми цилиндрового V-образного бензинового двигателя, за прототип принятдвигатель автомобиля ГАЗ-53.

/>/>1.Тепловой расчет двигателя

Исходные данные

Из двигателя – прототипа:

Двигатель 4-х тактный,бензиновый,

Число цилиндров: i = 8,

Диаметр цилиндра: D = 0,092 м,

Ход поршня: S = 0,08 м,

Данные для расчета:

Степень сжатия: ε =6.8;

Частота вращенияколенчатого вала: n = 4000 об/мин.;

Мощность прототипа: 84.56кВт (115л.с.);

Рабочий объем прототипа:4,25 л;

Мощность: 140кВт=190,4лс.

/>1.1 Выбор параметровк тепловому расчету

/>л.с.;

/>л;

/>л;

/>мм;

/>мм;

Параметры окружающейсреды:

-Р0 = 0,1033 МПа;

-Т0 = 288 К;

-относительная влажность70 %.;

Коэффициент избыткавоздуха α = 0,92;

Средняя скорость поршня:

/>;

Параметры остаточныхгазов:

-Рг = 1,13×105 Па;

-Тг = 960 К;

-коэффициент остаточныхгазов γ = 0,07;

Коэффициент использованиятепла в точке Z для n = 4000 об/мин.:

-/>;

Коэффициент скругленияиндикаторной диаграммы φд = 0,96;

Механические потери вдвигателе:

/>;

Элементарный составтоплива:

Н=0,145 кг/кмоль, С=0,855кг/кмоль

Теплотворная способностьтоплива Hu=44000 кДж/кг топлива

Теплоемкости мольные(средние):

· воздуха:

/>;

· продуктовсгорания:

/>

смеси газов при сжатии:

/>

Теоретически необходимоеколичества воздуха для сгорания 1 кг топлива:

/>;

/>1.2 Расчет процесса наполнения

Давление в конценаполнения:

/>;

где δ-коэффициентгидравлических потерь (δ=0,15).

Температура в конценаполнения:

/>

где />=15 К – подогрев заряда отстенок цилиндра,

/>=1,11 – коэффициент, учитывающий разницув теплоёмкостях остаточных газов и свежей смеси.

Коэффициент наполнения:

/>

где />=1,05-коэффициент дозарядки.

/>;

Принятое значение γпрактически совпадает с расчётным.Для дальнейших расчетов принимаемγ=0,07.

Давление в цилиндре вконце наполнения с учётом коэффициента дозарядки:

/>

/>1.3 Расчет процессасжатия

Показатель политропысжатия />определяется черезпоказатель адиабаты сжатия />,рассчитываемого по уравнению:

/>;

Подбором находим :

/>

Давление и температура вконце процесса сжатия:

/>

/>1.4 Расчет процессасгорания

Действительно необходимоеколичество воздуха для сгорания топлива:

/>

Теоретический коэффициентмолекулярного изменения свежей смеси:

/>

Действительныйкоэффициент молекулярного изменения

/>;

Температура газов в концевидимого сгорания:

/>;

/>

Решая уравнениеотносительно Тz, определяем

/>;

где /> - коэффициентыиспользования теплоты в начале процесса сгорания,

/> — потери теплаот неполного сгорания топлива

/>;

Степень повышениядавления

/>

Максимальное давлениесгорания

/>

/>1.5 Расчет процессарасширения

Показатель политропырасширения n2 находим по показателю адиабаты расширения К2,для которого известно уравнение:

/>;

/>;

/>

Давление и температура вконце расширения

/>

/>1.6 Индикаторные и эффективныепоказатели работы двигателя

Среднее теоретическое идействительное индикаторное давление:

/>

где />-коэффициент скругленияиндикаторной диаграммы

Индикаторный КПД

/>

Индикаторный удельныйрасход топлива

/>

/>1.7 Эффективные показатели основныеразмеры цилиндра и двигателя

Среднее эффективноедавление

/>;

Механический КПДдвигателя

/>;

Эффективный КПД иэффективный расход топлива

/>

/>

Литраж двигателя

/>;

где Ne=190,4л.с=140кВт по заданию.

Рабочий объем цилиндра

/>

Диаметр и ход поршняпринимаем из условия S/D=0,87

/>;

Окончательно принимаем D = 102,71мм, S = 102,71∙0,87 = 89.358 мм.

По окончательно принятымзначениям D и S определяются основные параметры и показатели двигателя:

· Литраж двигателя:

/>;

· Площадь поршня:

/>;

· Мощностьдвигателя при принятых размерах цилиндра:

/>;

Погрешность мощности:

/>;

· Литровая мощностьдвигателя:

/>

/>1.8 Построение индикаторной диаграммы

Исходные данные кпостроению диаграммы:

Степень сжатия />

Показатель политропысжатия />

Показатель политропырасширения />

Давление в конце впуска />

Давление в конце сжатия />

Давление сгорания />

Давление в концерасширения />

Принимаем:

/>

Масштаб />

Составляем таблицуординат линий сжатия и расширения.

Значение

величин

Коэффициент доли рабочего объема 0,01 0,02 0,04 0,08 0,16 0,32 0,58 0,82 1

/>

21,16 22,32 24,64 29,28 38,56 57,12 87,28 115,12 136

/>

10,808 10,071 8,836 7,033 4,886 2,905 1,658 1,149 0,922

/>

21,16 22,32 24,64 29,28 38,56 57,12 87,28 115,12 136

/>

45,498 42,562 37,613 30,316 21,489 13,149 7,740 5,476 4,446

/>; />

/>; />

Теперь наносим накоординатное поле все характерные точки, затем наносим по табличным даннымточки линий сжатия и расширения. Соединяем точки плавными линиями в нужнойпоследовательности. В результате получается индикаторная диаграмма.

2.Динамический расчет/>/>2.1Приведение масс кривошипно-шатунного механизма

Определяем площадь поршня

/>

Масса поршневой группы(для поршня из алюминиевого сплава />)

/>

Масса шатуна (/>)

/>

Масса шатуна,сосредоточенная на оси поршневого пальца:

/>

Масса шатуна, сосредоточеннаяна оси кривошипа:

/>

Масса неуравновешенныхчастей одного колена вала без противовесов (/>)

/>

Массы, совершающиевозвратно-поступательные движения:

/>

Массы совершающиевращательное движение:

/>

/>/>2.2Построение диаграммы удельных сил инерции

1) Определение удельныхсил инерции:

а) в ВМТ

/>

где: />

б) в НМТ:

/>

в) в точке Е:

/>

/>

Построение диаграммыудельных сил инерции производят методом Толе.

/>/>2.3Удельные и полные силы инерции

1)Удельная сила инерциипоступательно движущихся масс

/>

где />

— поступательно движущаясямасса

F=/>= — площадь поршня

R=0,044679м — радиус кривошипа

/>

2) Силы инерциивращающихся масс

/>

3) Силы инерциивращающихся масс шатуна

/>

/>/> 2.4Построение диаграммы изменения сил, />/>действующих в КШМ

После построенияиндикаторной диаграммы и диаграммы удельных сил инерции строят диаграммуизменения сил, действующих в КШМ. Для этого индикаторную диаграмму «разворачивают»по методу Брикса, получая развернутую индикаторную диаграмму. Данный методзаключается в следующем: под индикаторной диаграммой проводят горизонтальнуюпрямую АВ, равную ходу поршя. Из середины отрезка АВ проводят окружностьрадиуса R=S/2=118/2=58мм на расстоянии ОО1=Rλ/2=58×0,28/2=8,12 мм получают центр О1, из которого проводят лучи до пересечения с окружностьючерез углы />. Из точек пересечениялучей с окружностью восстанавливают перпендикуляры к АВ, продолжая их допересечения с индикаторной диаграммой. Точки пересечения перпендикуляров ссоответствующими кривыми давления дают значения давления при соответствующихуглах поворота кривошипа. Полная сила, действующая на поршень включает силудавления газов /> и силу инерции />, ее определяют аналитически/> . Найденное значение /> для каждого угла поворотаКВ сносим в табл.2.1. Затем соединяем плавной кривой полученные точки,определяющие искомую диаграмму.

Таблица 2.1.

а, град Рг, Н Рj, Н Рсум, Н N, Н Рш, Н Z, Н Т, Н -13460,6 -13460,6 -13460,6 -13460,6 30 -173,304 -10579,5 -10752,8 -1516,14 -10646,3 -8548,45 -6688,22 60 -173,304 -3785,8 -3959,1 -981,857 -3843,79 -1128,34 -3919,51 90 -173,304 2944,50 2771,20 800,878 2662,06 -800,878 2771,204 120 -173,304 6730,30 6557 1626,13 6366,01 -4688,26 4865,294 150 -173,304 7634,95 7461,65 1052,09 7387,77 -6991,57 2820,504 180 -173,304 7571,59 7398,28 7398,28 -7398,29 210 -125,9691 7634,95 7508,98 -1058,77 7434,64 -7035,92 -2838,4 240 44,4216 6730,30 6774,72 -1680,13 6577,40 -4843,93 -5026,85 270 465,9537 2944,50 3410,46 -985,623 3276,14 -985,623 -3410,46 300 1598,604 -3785,8 -2187,19 542,423 -2123,49 -623,349 2165,319 330 4785,954 -10579,5 -5793,51 816,884 -5736,15 -4605,84 3603,563 360 11607,957 -13460,6 -1852,65 -1852,65 -1852,65 370 33503,946 -13123,3 20380,68 998,6532 20360,32 19891,54 4504,13 390 23101,324 -10579,5 12521,86 1765,582 12397,88 9954,879 7788,597 420 10452,248 -3785,8 6666,452 1653,28 6472,284 1899,939 6599,788 450 5605,737 2944,508 8550,245 2471,021 8213,492 -2471,02 8550,245 480 3701,883 6730,304 10432,19 2587,182 10128,34 -7459,01 7740,683 510 2644,131 7634,956 10279,09 1449,351 10177,31 -9631,5 3885,495 540 1446,5904 7571,592 9018,182 9018,182 -9018,18 570 440,8545 7634,956 8075,81 -1138,69 7995,852 -7567,03 -3052,66 600 107,9664 6730,304 6838,27 -1695,89 6639,097 -4889,36 -5074 630 2944,508 2944,508 -850,963 2828,538 -850,963 -2944,51 660 -3785,8 -3785,8 938,8774 -3675,53 -1078,95 3747,938 690 -10579,5 -10579,5 1491,704 -10474,7 -8410,67 6580,426 720 -13460,6 -13460,6 -13460,6 -13460,6

По найденным значениям /> для каждого угла поворотаКВ определяют все остальные силовые факторы, действующие в КШМ:

— удельная нормальнаясила:

/>

— удельная сила,действующая вдоль шатуна:

/>

— удельная сила, действующая по радиусукривошипа:

/>

-удельная тангенциальнаясила:

/>

значения />,/>,/>,/> берем из [1].

Значения всех расчетовсводим в табл.2.1. Графики зависимости представлены на лист 1.

Диаграмма /> одновременно всоответствующем масштабе является диаграммой крутящего момента создаваемого 1цилиндром.

Для определения крутящегомомента строим диаграмму суммарной силы />.

Из этого графика получаем

/> ;

Средний крутящий момент:

/>

По среднему крутящемумоменту определяем индикаторную мощность

/>

Определим мощность исравним ее с результатом теплового расчета

/>

/>

Ошибка находится впределах нормы.

/>/> 2.5Построение полярной диаграммы сил, />/>действующих на шатунную шейку

На шатунную шейкувоздействуют силы, вызванные давлением газов и силой инерции поступательнодвижущихся масс, а так же силой инерции ращающихся масс шатуна. Для проведениярасчета результирующей силы, действующей на шатунную шейку двигателя,составляем таблицу (табл.1)

Суммарная сила,действующая на шатунную шейку, находится по формуле:/>Результирующаясила />, действующая на шатуннуюшейку, подсчитывается графическим сложением векторов сил T, Z и РRШ припостроении полярной диаграммы. При построении предполагается, что шейканеподвижна, а ось цилиндра вращается вокруг нее. Для построения выбираем полюсдиаграммы (т.О) и проводим систему координат T-Z, причем плюсоваякоордината Т — вправо, Z — вниз. Для заданного угла поворота коленчатого вала из табл.2.1 откладываем посоответствующим осям в принятом масштабе значение сил T и Z. Соединяяпоследовательно точки плавной кривой, получаем полярную диаграмму без учетасилы РRШ. Для ее учета из точки О вположительном направлении Zоткладываем ее величину в принятом масштабе /> иполучаем точку /> - действительныйполюс диаграммы. Для получения действующей результирующей силы, действующей нашатунную шейку, полюс /> соединяютвектором с точкой полярной диаграммы, соответствующей этому углу поворота.Полученный вектор определяет и величину, и направление действующей силы.

/>

Диаграмма нагрузки нашатунную шейку в прямоугольных координатах представлена в приложении 1.

/>/>2.6Построение диаграммы предполагаемого износа />/>шатунной шейки

На основании имеющейсяполярной диаграммы нагрузок, действующих на шейку, можно построить диаграммупредполагаемого износа шатунной шейки. Принимают следующие допущения:

— износ шейки прямопропорционален действующей силе;

-действие силыраспространяется от точки ее приложения по дуге в 60˚, в обе стороны поповерхности шейки.

Способ построения состоитв следующем: в т.О проводят окружность произвольного радиуса и делят ее наравные части. Из т.А окружности откладывают отрезок /> ит.д. От каждой точки А1,А2…Аn (n=24) в обе стороны по поверхности шейки откладываем угол 60˚.Затем строят новую окружность и делят ее на такое же количество частей и вопределенном масштабе в направлении к центру окружности откладывают суммарнуютолщину полос; соединяя полученные точки определяем диаграмму предполагаемогоизноса шейки.

Вид предполагаемогоизноса представлен на листе 1, а его построение и приложении 2; при этом надиаметральных линиях диаграммы указаны суммарные толщины.

Полученная диаграмма даетвозможность определить положение масляного отверстия – самое не нагруженноеместо шейки. Для нашего расчета />.

/>/>2.7 Расчетсил и моментов, действующих на коленчатый вал

Кривошип коленчатого валамногоцилиндрового двигателя нагружен силами /> икрутящим моментом, который включает две составляющие: момент, обусловленныйсилой Т данного цилиндра, и момент от предыдущих цилиндров. Коленчатый валрассчитываемого двигателя – полноопорный с кривошимами, расположенными подуглом />. Порядок работы двигателя1-5-4-2-6-3-7-8. Схема коленчатого вала представлена на рис. 2.1.

/>

Рис. 2.1 Схемаколенчатого вала

Для наглядногопредставления о совместной работе цилиндров строят диаграмму совместной работыцилиндров, которая представляет собой ряд чередующихся циклов работы каждогоцилиндра в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Диаграмма совместнойработы цилиндров

/>

Построенная диаграммапозволяет определить угол поворота любого кривошипа при положении первогокривошипа в 0˚.

Через шейки коленчатоговала от первого до последнего цилиндра передается крутящий момент свой откаждого цилиндра. Следовательно, в любой момент времени крутящий момент накаждой шейке оказывается различным. Для выполнения ра счетов на прочность и оценки крутящего момента на каждойшейке, строят таблицу набегающих моментов.

Таблица набегающихмоментов показывает изменение крутящего момента на каждой шейке коленчатоговала по мере перемещения от первой до последней шейки в зависимости от углаповорота. Последний столбец таблицы представляет собой изменение полного(суммарного) момента на выходе из двигателя. Моменты на промежуточных шейкахотличается от полного, как по величине, так и по направлению.

Расчет тангенциальных сил(а следовательно и моментов) для V-образногодвигателя представлен в табл. 2.2.

Изменение набегающихмоментов представлено в табл. 2.3. и 2.4.