Быстрый поиск

Дипломная работа: Модернизация системы охлаждения двигателя "Газели"

5.7 Уравновешивание

Порядок работы двигателя 1-2-4-3. Промежутки между вспышками равны 180º. Коленчатый вал двигателя имеет кривошипы, расположенные под углом 180º.

Центробежные силы инерции рассчитываемого двигателя и их моменты полностью уравновешены:

и (5.32)

Силы инерции первого порядка и их моменты также уравновешены:

и (5.33)

Силы инерции второго порядка для всех цилиндров направлены в одну сторону:

(5.34)

Уравновешивание сил инерции второго порядка в рассчитываемом двигателе нецелесообразно, ибо применение двухвальной системы с противовесами для уравновешивания значительно усложнит конструкцию двигателя.

Моменты от сил инерции второго порядка в связи с зеркальным расположением цилиндров полностью уравновешены:

(5.35)

Рис. 5.1 Схема уравновешивания двигателя

5.8 Равномерность крутящего момента и равномерность хода дви

гателя.

Равномерность крутящего момента:

; (5.36)

Избыточная работа крутящего момента:

Дж (5.37)

где – площадь над прямой среднего крутящего момента, мм2.

рад в мм – масштаб угла поворота вала на

диаграмме Мкр.

Равномерность хода двигателя принимаем δ=0.01.

Момент инерции движущихся масс двигателя, приведенных к оси коленчатого вала:

кг·м2 (5.38)

6. РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА НА ПРОЧНОСТЬ

6.1 Расчет поршня

Наиболее напряженным элементом поршневой группы является поршень, воспринимающий высокие газовые, инерционные и тепловые нагрузки, поэтому при его изготовлении к материалу предъявляются повышенные требования. Поршни автомобильных и тракторных двигателей изготовляют в основном из алюминиевых сплавов и реже из чугуна.

Основные конструктивные соотношения размеров элементов поршня (рис. 6.1) приведены в табл. 6.1. Величину верхней части поршня h1 выбираем, исходя из обеспечения одинакового давления опорной поверхности поршня по высоте цилиндра и прочности бобышек, ослабленных отверстиями для пропуска масла. Это условие обеспечивается при

(6.1)

где hr высота головки поршня.

Расстояние b между торцами бобышек зависит от способа крепления поршневого пальца и обычно принимается на 2-3 мм больше длины верхней головки шатуна lш. Конкретные значения конструктивных элементов поршня принимаются по прототипам с учетом соотношений, приведены в табл. 6.1.

Поверочный расчет элементов поршня осуществляется без учета переменных нагрузок, величина которых учитывается при установлении соответствующих допускаемых напряжений. Рассчитывают днище, стенку головки, верхнюю кольцевую перемычку, опорную поверхность и юбку поршня.

Днище поршня рассчитывается на изгиб от действия максимальных газовых условий рzmax как равномерно нагруженная круглая плита, свободно опирающаяся на цилиндр.

Рис. 6.1 Схема поршня

Материал поршня – алюминиевый сплав, αп=22·10-6 1/К.

Материал гильзы цилиндра – серый чугун, αц=11·10-6 1/К.

Для дизелей максимальное давление газов обычно достигается при работе на режиме максимальной мощности.

Таблица 6.1

Наименование	диапазон	значение
Толщина днища поршня, d	(0,12 ¸ 0,20)D	8
Высота поршня, Н	(1,0 ¸ 1,7)D	105
Высота верхней части поршня, h1	(0,6 ¸ 1,0)D
Высота юбки поршня, hю	(0,6 ¸ 1,1)D	65
Диаметр бобышки, dб	(0,3 ¸ 0,5)D
Расстояние между торцами бобышек, b	(0,3 ¸ 0,5)D	44
Толщина стенки юбки поршня, dю, мм	2,0 ¸ 5,0
Толщина стенки головки поршня, s	(0,05 ¸ 0,10)D	7
Расстояние до первой поршневой канавки, l	(0,11 ¸ 0,20)D
Толщина первой кольцевой перемычки, hп	(0,04 ¸ 0,07)D	4
Радиальная толщина кольца, t
компрессионного	(0,040 ¸ 0,045)D	4
маслосъемного	(0,038 ¸ 0,043)D	3
Высота кольца, а, мм	3-5	3
Разность между величинами зазоров замка кольца в свободном и рабочем состоянии Ао	(3,2 - 4,0) t
Радиальный зазор кольца в канаве поршня ∆t, мм
компрессионного	0,70 0,95	0.8
маслосъемного	0,9 1,1
Внутренний диаметр поршня, di	D – 2 ( s+t+∆t )
Число масляных отверстий в поршне, nм	6-12	10
Диаметр масляного канала, dм	(0,3 - 0,5) a	1
Наружный диаметр пальца, dп	(0,30 ¸ 0,38)D	24
Внутренний диаметр пальца, dв	(0,50 ¸ 0,70)dп	16
Длина пальца, lп	(0,80 ¸ 0,90)D	80
Длина втулки шатуна, lш	(0,33 ¸ 0,45)D	40

Напряжение изгиба (МПа) в днище поршня

МПа (6.2)

где рzmax=рz=6.356 МПа – максимальное давление сгорания;

мм внутренний радиус днища.

Днище поршня должно быть усилено ребрами жесткости. Кроме того, в целях повышения износо- и термостойкости поршня целесообразно осуществить твердое анодирование днища и огневого пояса, что уменьшит возможности перегрева и прогорания днища, а также пригорания верхнего компрессионного кольца.

При отсутствии у днища ребер жесткости допустимые значения напряжений [sиз] (МПа) лежат в пределах:

Для поршней из алюминиевых сплавов .…..…20-25

При наличии ребер жесткости [sиз] возрастают:

Для поршней из алюминиевых сплавов ...до 50-150

Головка поршня в сечении х–х, ослабленная отверстиями для отвода масла, проверяется на сжатие и разрыв.

Напряжение сжатия в сечении х-х:

площадь сечения х – х

м2 (5.3)

где мм – диаметр поршня по дну канавок;

мм внутренний диаметр поршня;

мм2 – площадь продольного диаметрального

сечения масляного канала.

Максимальная сжимающая сила:

МН (6.4)

Напряжение сжатия:

МПа (6.5)

Допустимые напряжения на сжатие для поршней из алюминиевых сплавов [sсж] = 30 ¸ 40 МПа.

Напряжение разрыва в сечении х-х:

- максимальная угловая скорость холостого хода:

рад/с (6.6)

- масса головки поршня с кольцами, расположенными выше сечения х-х:

кг (6.7)

- максимальная разрывающая сила:

(6.8)

МН

Допустимые напряжения на разрыв для поршня из алюминиевых сплавов [sр] = 4 ¸ 10 МПа.

- напряжение разрыва:

МПа (6.9)

Напряжение в верхней кольцевой перемычке:

- среза:

МПа (6.10)

где D=93 мм – диаметр цилиндра;

hп=4 мм – толщина верхней кольцевой перемычки.

- изгиба:

МПа (6.11)

- сложное:

МПа (6.12)

допускаемые напряжения sS (МПа) в верхних кольцевых перемычках с учетом значительных температурных нагрузок находятся в пределах:

для поршней из алюминиевых сплавов…………….…30-40.

Удельное давление поршня на стенку цилиндра:

МПа (6.13)

МПа (6.14)

где Nmax=0.0025 МН – наибольшая нормальная сила, действующая на стенку

цилиндра при работе двигателя на режиме максималь-

ной мощности.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей q1 = 0.3 ¸ 1.0 и q2 = 0.2 ¸ 0.7 МПа.

Гарантированная подвижность поршня в цилиндре достигается за счет установления оптимальных диаметральных зазоров между цилиндром и поршнем при различных тепловых нагрузках, возникающих в процессе работы дизеля. По статистическим данным для алюминиевых поршней с неразрезными юбками

∆r=(0.006 ¸ 0.008)D=0.007·93=0.651 мм (6.15)

∆ю = ( 0.001 ¸ 0.002 )D=0.002·93=0.186 мм (6.16)

Диаметры головки и юбки поршня:

мм (6.17)

мм (6.18)

Диаметральные зазоры в горячем состоянии:

(6.19)

мм

(6.20)

мм

где aц=11×10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала

цилиндра;

aп=22×10-6 1/К - коэффициент линейного расширения материала поршня;

Тц =383 К температура стенок цилиндра;

Тr = 593 К – температура головки в рабочем состоянии;

Тю =413 К температура юбки поршня в рабочем состоянии;

То =293 К – начальная температура цилиндра и поршня.

6.2 Расчет поршневого кольца

Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные функции:

– герметизации надпоршневого пространства в целях максимально возможного использования тепловой энергии топлива;

– отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра;

– "управление маслом", т.е. рационального распределения масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.

Материал кольца – серый чугун. Е=1.2·105 МПа.

Среднее давление кольца на стенку цилиндра:

(6.21)

МПа

где мм.

Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной форме эпюры давления:

, [МПа] (6.22)

Результаты расчета р, а также μк для различных углов ψ приведены ниже:

Угол ψ, определяющий положение текущего давления кольца, град	0	30	60	90	120	150	180
Коэффициент μк	1.05	1.05	1.14	0.90	0.45	0.67	2.85
Давление р в соответствующей точке, МПа	0.224	0.222	0.218	0.214	0.218	0.271	0.320