Динамический расчет двигателя 12ЧН 15/18

Курсовой проект 4998.doc

ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И УСТРОЙСТВО
1 Техническая характеристика двигателя
2 Принципиальная компоновочная схема
2.2 Поршневая группа
2.5 Газораспределительный механизм
ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЯ
1 Приведение масс движущихся деталей КШМ
3 Силы и моменты в V-образном двигателе
4 Набегающие моменты на коренные шейки коленчатого вала
5 Набегающие моменты на шатунные шейки коленчатого вала
6 Силы действующие на коренную шейку
7 Построение диаграмм износа шатунной и коренной шейки
8 Анализ уравновешенности двигателя
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Отечественное дизелестроение всегда входило в отрасль тяжелого и транспортного машиностроения автомобильную промышленность.
Дизельные двигатели и агрегаты на их базе представляют сложную технику которая может быть изготовлена только при участии смежных отраслей промышленности (электротехническая приборостроительная металлургическая турбостроение и др.)
Мировое дизелестроение развивается очень интенсивно и имеет целый ряд важных направлений которые свойственны и отечественному дизелестроению:
–повышение цилиндровых и агрегатных мощностей за счет форсирования по среднему эффективному давлению и частоте вращения;
–повышение топливной и масляной экономичности;
–обеспечение надежности высоких ресурсов до первой переборки и до капитального ремонта;
–оснащение дизелей и агрегатов на их базе эффективными системами автоматизации на базе микропроцессорной техники адаптивными механизмами;
–снижение удельной массы
–покупка лицензий на производство зарубежных дизелей и др.
Все это требует решение вопросов организации высокоэффективного рабочего процесса снижение теплонапряженности цилиндрово-поршневой группы снижении трения обеспечение качественного охлаждения внедрение новых технологических процессов для обеспечения ресурсов и надежной работы поршневых колец клапанов подшипников и коленчатого вала уплотнения газового стыка и т.д. подготовки производства для изготовления лицензионных двигателей создания специализированных предприятий.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И УСТРОЙСТВО
Проектируемый дизель предназначен для привода автомобиля.
Техническая характеристика проектируемого двигателя представлена в таблице 2.1.
Таблица 2.1 Техническая характеристика проектируемого двигателя
Основные характеристики
Проектируемый дизель
Агрегатная мощность кВт
Частота вращения обмин
Расположение цилиндров
Среднее эффективное давление бар
Средняя скорость поршня мсек
Удельный расход топлива г(кВт×ч)
Удельный расход масла на угар г(кВт×ч)
Ресурс до первой переборки ч
Ресурс до капитального ремонта ч
Повышение среднего эффективного давления максимального давления цикла и соответственно тепловых и механических нагрузок в современных автомобильных двигателях требует пересмотра конструкций двигателей прежде всего наиболее ответственных деталей узлов.
Поскольку среднее эффективное давление максимальное давление цикла в проектируемом агрегате незначительно превышает аналогичные параметры в Д12 поэтому целесообразно оценить приемлемость конструкции этого агрегата для проектируемого двигателя.
При конструировании любого высокооборотного поршневого двигателя особое внимание уделяют жёсткости конструкции остова так как от этого зависит не только нормальная работа двигателя но также и ресурсы основных рабочих деталей.
В сущности это сводится к обеспечению минимальной длины двигателя при достаточной поверхности подшипников коленчатого вала и соответствующем охлаждении цилиндров и их крышек.
Следующим фактором который необходимо иметь ввиду является усталостная прочность применяемых материалов которая должна превосходить наивысшие возможные значения их усталостных напряжений.
Это касается и выбора материала остова.
В новых моделях высокооборотных дизелей разъемные конструкции рамы и блока как правило не применяются и наличие таких конструктивных моделей в производственных программах ведущих зарубежных фирм объясняется проводящейся фирмами модернизацией ранее спроектированных и выпускаемых серий в пределах возможностей этой модернизации без коренного пересмотра конструкций.
Поэтому в проекте остановимся на конструктивной схеме проектируемого двигателя по остову аналогично прототипу.
Материал фундаментной рамы и блока цилиндров сохраняется аналогично прототипу (серый чугун).
Конструкция поршневой группы (поршня поршневых колец) определяется прежде всего степенью форсирования двигателя по среднему эффективному давлению.
В зависимости от среднего эффективного давления и частоты вращения дизеля применяют цельноалюминевые поршни чугунные и составные (головка из жаропрочной стали тронк-алюминевый или чугунный).
В настоящем проекте величина среднего эффективного давления равна 121 МПа частота вращения коленчатого вала составляет 1500 обмин и по степени форсирования по среднему эффективному давлению проектируемый дизель незначительно отличается от прототипа.
В прототипе применен цельнолитой алюминиевый поршень с открытой камерой сгорания охлаждаемый циркуляционным маслом подаваемым в полость охлаждения через отверстие в шатуне и поршневом пальце.
В поршневых канавках поршня расположены два полутрапециедальных хромированных компрессионных поршневых кольца полутрапециедальное хромированное ковпрессионное маслораспределительное кольцо и маслосъемное коробчатое с пружинным расширителем [2].
Учитывая незначительную разницу в степени форсирования проектируемого двигателя и прототипа сохраняем конструктивную схему поршневой группы по прототипу.
В проектируемом двигателе нет оснований отказываться от шатунной группы по прототипу.
Шатун – стальной двутаврового сечения.
Шатуны изготовлены штамповкой из легированной стали и термообработаны.
Поверхность их подвергнута дробеструйному наклёпу.
Крепление крышки главного шатуна осуществляется двумя коническими штифтами это повышает жесткость кривошипной головки главного шатуна и снижает вес.
Внутренняя поверхность стального разъёма вкладыша нижней головки шатуна залита свинцовистой бронзой и расточена по гиперболической кривой.
Главный шатун с косым разъемом в нижней головки и имеет с боку отверстие для крепления прицепного шатун.а.
По каналам просверленным в теле шатунов(главного и прицепного) масло подводится к поршневым головкам.
В прототипе используется коленчатый вал – стальной из стали 45А изготавливаемый методом горячей штамповки шейка вала закалены ТВЧ.
Вал двигателя имеет пять коренных опор и четыре шатунные шейки. Шатунные шейки вала имеют внутренние полости закрытые заглушками где масло подвергается дополнительной центробежной очистке.
Полости шатунных шеек сообщаются посредством наклонных каналов с поперечными каналами в коренных шейках.
Коленчатый вал имеет сверления для подачи масла с коренных шеек на шатунные.
К фланцу заднего конца коленчатого вала крепится маховик.
Учитывая незначительное повышение степени форсирования по среднему эффективному давлению по сравнению с прототипом нет оснований отказываться от конструкции коленчатого вала по прототипу.
Прототип предназначен в качестве автомобильного приводного двигателя.
ГРМ – верхнеклапанный с верхнем расположением распределительного вала. Распределительный вал – штампованный из углеродистой стали с закаленными опорами и кулачками расположен в головке блока цилиндров каждый вал обслуживает только один ряд клапанов.
Приводится в движение от коленчатого вала через зубчатую передачу.
Каждый цилиндр имеет два впускных и два выпускных клапан которые изготовлены из жаропрочной стали и перемещаются в металлокерамических направляющих втулках.
На каждый клапан ставится по две цилиндрические пружины: одна с правым другая с левым направлением витков.
Для крепления пружин используется специальный замок обеспечивающий вращение клапанов.
Для упрощения изготовления проектируемого двигателя в условиях в проекте целесообразно сохранить конструкцию механизма газораспределения аналогично прототипу.
При определении сил и моментов обычно целесообразно находить их удельные величины то есть отнесенные к единице поршня.
Удельные силы (моменты) удобно использовать не только при расчетах данного двигателя но и для сравнительной оценки его загруженности по отношению к другим существующим двигателям.
Удельная масса поршня и шатуна
где – масса поршневого комплекта в сборе;
– масса главного шатуна;
– масса прицепного шатуна;
– площадь поршня м 2
По характеру движения массы деталей кривошипно-шатунного механизма можно разделить на движущиеся возвратно-поступательно совершающие вращательное движение и совершающие сложное плоскопараллельное движение.
Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяют динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.
Массу поршневой группы считают сосредоточенной на оси поршневого пальца в точке А (рис. 2.1).
Массу шатунной группы заменяют двумя массами одна из которых сосредоточена на оси поршневого пальца в точке А а другая – на оси кривошипа в точке В.
Рисунок 2.1. Расчетная схема кривошипно-шатунного механизма и силы действующие на его элементы
При расчетах можно принимать
Тогда с учетом предыдущих вычислений
Суммарные приведенные массы КШМ движущиеся возвратно-поступательно
Суммарные приведенные массы КШМ совершающие вращательное движение
Величина сил и моментов действующих в поршневом двигателе внутреннего сгорания определяется силами от давления газов в цилиндрах силами инерции поступательно и вращательно движущихся частей.
Действующая во время работы двигателя сила давления газов равна
где – текущее значение абсолютного давления газа в цилиндре из индикаторной диаграммы;
– давление окружающей среды.
Cуммарная сила действующая на поршень равна
где – текущее значение силы инерции от возвратно-поступательно движущихся масс.
Силы инерции действующие в КШМ подразделяют в соответствии с характером движения приведенных масс.
Конструкция соединения шатунов с кривошипной шейкой коленчатого вала в данном двигателе характеризуется специфической кинематикой и динамикой КШМ.
Поскольку зависимости сил давления газов и инерционных сил в главном и боковом цилиндре различны то сначала проведем вычисления для ряда боковых цилиндров а затем для ряда главных цилиндров.
Силы действующие в боковых цилиндрах будем обозначать с коэффициентом l.
Сила инерции от возвратно-поступательно движущихся масс
где – радиус кривошипа;
– угловая скорость коленчатого вала
Величины определяются по следующим зависимостям
– отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;
– длина прицепного шатуна;
– длина главного шатуна;
– расстояние от оси пальца прицепного шатуна до оси головки главного шатуна;
– угол между осями цилиндров;
– угол между осью главного шатуна и прямой соединяющей центр кривошипной шейки с центром пальца прицепного шатуна
Силы возникающие в боковом цилиндре действуют на детали кривошипно-шатунного механизма как бокового так и главного цилиндров.
Сила направленная по оси прицепного шатуна (рис. 2.2) определяется
Сила приложенная к оси поршневого пальца прицепного шатуна и действующая нормально к стенке бокового цилиндра
Сила приложенная к оси поршневого пальца главного шатуна действующая нормально к стенке главного цилиндра и вызываемая действием силы на палец в нижней головке главного шатуна
Тангенциальная сила действующая на ось кривошипной шейки коленчатого вала от сил в боковом цилиндре
Нормальная сила действующая на ось кривошипной шейки (по радиусу кривошипа) от сил в боковом цилиндре
– сила действующая на поршень по оси бокового цилиндра;
и – углы отклонения шатуна от оси цилиндра в главном и боковом цилиндрах определяемые из формул
Рисунок 2.2. Расчетная схема кривошипно-шатунного механизма с прицепным шатуном и силы действующие на его элементы
Теперь рассчитаем силы действующие в блоке главных цилиндров.
– сила приложенная к оси поршневого пальца главного шатуна действующая нормально к стенке главного цилиндра и вызываемая действием силы на палец в нижней головке главного шатуна
– сила действующая вдоль оси шатуна
– тангенциальная сила действующая на ось кривошипной шейки коленчатого вала от сил в главном цилиндре
– нормальная сила действующая на ось кривошипной шейки (по радиусу кривошипа) от сил в главном цилиндре
Проведем суммирование одновременно действующих сил главного и бокового цилиндров
где – характеризует условия работы поршня главного цилиндра;
– характеризует условия нагрузки колена вала.
Сила инерции действующая на шатунную и коренные шейки коленчатого вала
Суммарная сила действующая на шатунную шейку
Среднее значение силы действующей на шатунную шейку
Крутящий момент развиваемый одноцилиндровым двигателем
Результаты расчетов суммарных сил от главного и бокового сведены в таблице 1 приложения А.
Колено вала каждого цилиндра многоцилиндрового двигателя нагружено силами: определенными ранее и крутящим моментом который складывается из двух составляющих.
Одна из них создаваемая тангенциальной силой действующей на колено данного цилиндра зависит только от угла поворота вала.
Другая же представляет собой момент от предыдущих цилиндров.
Таким образом нагрузка каждого колена вала получается сложной.
Проектируемый двигатель имеет восемь цилиндров с порядком работы 1л-6пр-5л-2пр-3л-4пр-6л-1пр-2л-5пр-4л-3пр.
Угол развала цилиндров равен 90°.
Исходя из равномерности работы двигателя в данном двигателе чередование вспышек в цилиндрах должно происходить через
угла поворота коленчатого вала.
Крутящий момент развиваемый каждым цилиндром в зависимости от угла поворота коленчатого вала (относительно первого цилиндра) кроме того
так как двигатель V-образный то крутящий момент складывается из моментов цилиндров правого и левого ряда шатуны которых сцеплены и сидят на одной шатунной шейке коленчатого вала.
Набегающий момент на -й коренной шейке
где – набегающий момент на предыдущей коренной шейке коленчатого вала;
– момент развиваемый -й парой цилиндров.
- набегающий момент на 0-ой коренной шейке
- набегающий момент на 1-ой коренной шейке
- набегающий момент на 2-ой коренной шейке
- набегающий момент на 3-ой коренной шейке
- набегающий момент на 4-ой коренной шейке
Результаты расчетов сведены в таблице 2 приложения А.
Набегающий момент на -й шатунной шейке
где – набегающий момент на предыдущей коренной шейке коленчатого вала
– момент развиваемый на рассматриваемом колене цилиндрами отсеков двигателя.
- набегающий момент на 1-ой шатунной шейке
- набегающий момент на 2-ой шатунной шейке
- набегающий момент на 3-ой шатунной шейке
- набегающий момент на 4-ой шатунной шейке
Результаты расчетов сведены в таблице приложения А.
Для определения сил действующих на коренную шейку кривошипа рассмотрим шейку находящуюся между (=1) и -й парами цилиндров Кривошипы вала расположены под углом = 90°.
Рисунок 2.3. Схема сил действующих на колено вала
Каждое колено представляем как балку на двух опорах.
Учитывая что мы рассматриваем симметричное колено то реакции на коренные шейки равны:
где – тангенциальная составляющая силы на кривошипе;
– нормальная составляющая сила на кривошипе;
– угол между коленами рассматриваемой шейки.
Результаты расчетов сведены в приложении А.
7 Построение диаграмм износа шатунной и коренной шейки коленчатого вала
Используя диаграммы сил действующих на шатунную и коренную шейку можно построить условную диаграмму их изнашивания в предположении что износ пропорционален действующей силе и распространяется на дуге ±30° от вектора действующей нагрузки.
Для простоты расчета делим окружность шейки на двенадцать лучей и суммируем силы векторной диаграммы действующих на каждый луч.
Далее в пропорции откладываем каждую точку на соответствующем луче во внутрь условной окружности шейки.
По диаграмме изнашивания можно более обосновано определить место сверления отверстия для подвода масла.
Отверстие должно быть просверлено в месте наименьшего износа.
Для удобства расчет проводится в табличной форме в приложении А.
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 и 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.
Рисунок 2.4. Схема для уравновешивания двигателя
Уравновешивание восьми цилиндрового V-образного двигателя с углом между кривошипами 70 о.
Схема двигателя изображена на рис. 2.4.
При угле развала цилиндров = 90 ° и порядке работы1л-6пр-5л-2пр-3л-4пр-6л-1пр-2л-5пр-4л-3пр для четырехтактных двигателей обеспечивается равномерное чередование вспышек (угловые интервалы 90°).
При исследовании уравновешенности двигатель удобно рассматривать как соединение двух шестицилиндровых однорядных двигателей имеющих общий коленчатый вал.
Силы инерции первого и второго порядков а также центробежные силы инерции в рассматриваемом двигателе уравновешены полностью и не создают неуравновешенных моментов
Составляя уравнение моментов сил инерции первого порядка относительно оси ОО перпендикулярной оси коленчатого вала получим
Аналогичным образом находим
Как видно из формул каждая из четырех цилиндровых секций полностью уравновешена поэтому двигатель в целом также полностью уравновешен.
В данном курсовом проекте выполнен динамический расчёт дизеля на базе прототипа 12ЧН 1518 который позволил определить силы действующие в КШМ построить диаграммы набегающих моментов полярные диаграммы нагрузки и диаграммы износа коренных и шатунных шеек.
Руководство по эксплуатации 6ЧН 1822-600. М.: Внешторгиздат-116 с.
Дьяченко Н.Х. Теория двигателей внутреннего сгорания. – 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Машиностроение 1974.-552 с.
Колчин А.И. Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. – М.: Высшая школа 1971.-344 с.
Дизели. Справочник – 3-е изд. перераб. и доп.Под ред. В.А. Ваншейдта и др. – Л.: Машиностроение 1977.-480 с.
Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания.Под ред. Н.Х. Дьяченко – Л.: Машиностроение 1979.-392 с.
Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчет поршневых и комбинированных двигателей.Под ред. А.С. Орлина – М.: Машиностроение 1972.-464 с.
Запов Ю.И. Расчет систем двигателей внутреннего сгорания: Методические указания. – Хабаровск: Хабаровский государственный технический университет 1998.-29 с.
Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей.Под ред. А.С. Орлина М.Г. Круглова. – М.: Машиностроение 1985.-456 с.
Ваншейдт В.А. Судовые установки с двигателями внутреннего сгорания. – Л.: Судостроение 1974.-368 с.
Ливенцев Ф.Л. Силовые установки с двигателями внутреннего сгорания. – Л.: Машиностроение 1969. – 320 с.

2.dwg

Приложение А.doc

Таблица А.1. Силы давления газов силы инерции суммарные силы действующие в КШМ на шатунные и коренные шейки коленчатого вала
Таблица А.2. Ординаты диаграммы износа шатунной шейки
Значения Rш.ш.i для лучей МПа
Таблица А.3. Ординаты диаграммы износа коренной шейки
Значения Rк.ш.i для лучей кН
Таблица А.4. Набегающие моменты на коренные шейки
Таблица А.5. Набегающие моменты на шатунные шейки

1.dwg