Кинематическое и динамическое исследования кривошипно-шатунного механизма двухтактного ДВС

PoyasnZapiska_v_word.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ
Факультет автомобильно-дорожный
Кафедра наземных транспортно-
-технологических машин
Пояснительная записка к курсовому проекту
ДИНАМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО
МЕХАНИЗМА ДВУХТАКТНОГО
ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО
Проект выполнил студент группы 1-ПТМ-4 (ФБФО)
Руководитель: ст. преподаватель
Кинематическое исследование кривошипно-шатунного механизма 3
1.Геометрические размеры звеньев план положений механизма 3
2.Скорость перемещения поршня и угловая скорость шатуна 6
3.Определение величин ускорений поршня и шатуна 8
4.Проверка расчетов и построение диаграмм 12
Уравновешивание сил инерции и расчет противовеса 13
1.Расчет замещающих масс механизма 13
2.Расчет сил инерции одноцилиндрового механизма
и построение годографа сил инерции без противовеса 14
3.Расчет сил инерции и построение годографа
сил инерции одноцилиндрового механизма с противовесом 16
4.Расчет противовеса двухцилиндрового механизма 18
Список использованной литературы 19
ПЕРЕЧЕНЬ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Лист 1. План положений механизма. Планы скоростей механизма.
Планы ускорений механизма. Диаграммы перемещения поршня
скорости и ускорения поршня .
Лист 2. Схемы кривошипно-шатунного механизма: без противовеса
с противовесом. Годографы сил инерции КШМ (для одного цилиндра):
без противовеса с противовесом.
Лист 3. Противовес кривошипно-шатунного механизма.
КИНЕМАТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА
Максимальный ход поршня (ползуна)
Отношение длины кривошипа к длине шатуна
Частота вращения кривошипа
Коэффициент уравновешивания сил инерции поршня
Степень неравномерности хода
Частота вращения нагрузочного генератора
Момент инерции ротора генератора
Момент инерции шкива генератора
Момент инерции шкива на валу кривошипа
Целью кинематического исследования КШМ является определение числовых значений перемещения скорости и ускорения поршня (т.е. принадлежащей ему точки B). Работа выполняется расчетно-графическим методом с помощью планов скоростей и ускорений для выбранных положений механизма в интервале одного оборота кривошипа. Их построение основано на представлении о характере движения звеньев механизма и их точек.
1. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ ЗВЕНЬЕВ ПЛАН ПОЛОЖЕНИЙ МЕХАНИЗМА
Радиус кривошипа механизма находится по формуле:
Масштабный коэффициент для схемы механизма:
где – длина кривошипа на чертеже принимаем .
Длина шатуна на чертеже:
Построить восемь основных положений кривошипа механизма с интервалом (шагом)
Пронумеровать положения точки А начиная с против часовой стрелки через : 0 1 2 3 4 5 6 7 и 8 т.е. .
Известно что максимальное значение скорости точки В поршня () достигается при таком положении кривошипа когда он перпендикулярен шатуну т.е. при углах φ1' и φ6': φ1' arccos(λ) = arccos(14) = 755° и φ6' = 360° – φ1' = 360° – 755° = 2845°.
Построим на чертеже эти два дополнительных положения кривошипа φ1' и φ6' в них ускорение поршня будет минимальным.
Отложить на оси Х точки (0; 8) соответствующие началу хода поршня для этого необходимо длину кривошипа на чертеже и шатуна наложить на ось Х: .
От точки 0 отложить заданный максимальный ход поршня в масштабе чертежа:
Отложить от точек положения кривошипа 1 1' 2 3 4 5 6 6' и 7 длину шатуна в масштабе чертежа до пересечения с осью Х и нанести на этой оси точки положения поршня : 1 и 7; 1' и 6'; 2 и 6; 3 и 5.
Построить на чертеже длины хода поршня от начальной точки (0 8):
Действительная длина хода поршня в метрах при вращении кривошипа коленчатого вала двухтактного двигателя вычисляется по формуле:
где – перемещение поршня механизма на чертеже в i-м положении при i = 0 1 1' 2 3 4 5 6 6' 7 и 8.
Значения перемещения поршня при изменении угла положения кривошипа φ от 0 до 360° с шагом φ = 45° проверяются по формуле:
Полученные значения перемещения поршня (точки В) заносятся в таблицу 1:
Перемещение (длина хода) поршня
в зависимости от положения кривошипа
2. СКОРОСТЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПОРШНЯ
И УГЛОВАЯ СКОРОСТЬ ШАТУНА
Абсолютная скорость точки А кривошипа коленчатого вала (величина постоянная т.к. ее движение равномерное вращательное):
где – угловая скорость кривошипа
Масштабный коэффициент плана скоростей механизма:
где – длина вектора скорости точки А кривошипа на чертеже принимается например 70 100 ; задаемся
Угловая скорость шатуна определяется по формуле:
Например угловая скорость шатуна при положении кривошипа в точках 0и 8:
Строятся планы скоростей для всех положений кривошипа механизма (см.чертеж) определяются при этом значения угловой скорости шатуна по формуле (см.выше) и полученные значения заносятся в таблицу 2.
Значения скорости точки B поршня механизма при изменении угла положения кривошипа φ от 0 до 360° с шагом φ = 45° проверяются по формуле:
Полученные значения скорости точки B поршня заносятся в таблицу 2:
Скорость движения поршня и угловая скорость шатуна
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН УСКОРЕНИЙ
Нормальное ускорение точки А кривошипа при равномерном вращательном движении является величиной постоянной и вычисляется по формуле:
Так как то угловое ускорение кривошипа поэтому тангенциальное ускорение точки A равно нулю т.е. .
Таким образом полное ускорение точки A кривошипа при равномерном вращательном движении равно нормальному ускорению т.е. .
Масштабный коэффициент для планов ускорений:
где – длина вектора ускорения на чертеже принимаем .
Нормальная составляющая ускорения при вращении точки B относительно точки A:
значение для каждого положения кривошипа берется из плана скоростей (см.таблицу 2).
Например и т.д. для каждого положения механизма.
Нормальная составляющая ускорения также может быть найдена по формуле:
где – угловая скорость шатуна AB определена ранее для каждого положения механизма при построении планов скоростей радс (см.таблицу 2).
Вычислить значение и перевести его в отрезок вектора при принятом для всех положений механизма по формуле:
Например и т.д. для всех положений механизма. Полученные значения сводим в таблицу 3:
Нормальная составляющая ускорения
точки B относительно точки A
Ускорение точки B поршня в векторной форме:
где – нормальная составляющая ускорения при относительном вращательном движении точки B вокруг точки A параллельна линии
–тангенциальная (касательная) составляющая этого же ускорения направлена перпендикулярно линии AB т.е. шатуну.
Поскольку траектория точки B поршня прямолинейна по этой прямой и направлено ее ускорение.
Построить планы ускорений точки B поршня для всех положений механизма (см.чертеж).
Угловое ускорение звена 2 (шатуна) определяется из выражения:
Полученные расчетно-графическим методом значения проверяются по формуле:
и т.д. для всех остальных положений механизма. Полученные значения заносим в таблицу 4:
Результаты расчета ускорений поршня и шатуна
4. ПРОВЕРКА РАСЧЕТОВ И ПОСТРОЕНИЕ ДИАГРАММ
Правильность произведенных расчетов и построений проверяется равенствами:
Построение диаграмм перемещения поршня скорости и ускорения при изменении угла поворота кривошипа φ от 0 до 360° производится для всех положений механизма с шагом вычислений φ=45° (см. чертеж).
Масштабный коэффициент по оси угла поворота кривошипа φ:
где L – длина оси на чертеже принимаем 200 300 например 240 . Масштабный коэффициент является общим для всех графиков.
УРАВНОВЕШИВАНИЕ СИЛ ИНЕРЦИИ
И РАСЧЕТ ПРОТИВОВЕСА
Целью второй части проекта является определение сил инерции действующих на КШМ и их уравновешивание при помощи противовеса. Силы инерции переменные по величине и направлению действуют на каждое из звеньев механизма в результате ускорения (замедления) движения. Вследствие воздействия этих периодически меняющихся сил неизбежны добавочные усилия в кинематических парах и вибрации стойки механизма.
Применительно к КШМ воздействующие на звенья механизма силы инерции можно приближенно привести к двум: нормальной силе инерции действующей в точке A при вращательном движении кривошипа и силе инерции в точке B при возвратно-поступательном движении поршня .
Нормальная сила инерции точки A (пальца кривошипа или шатунной шейки коленчатого вала) при равномерном вращательном движении является величиной постоянной и определяется по формуле:
при этом сила направлена от центра вращения по линии OA.
Сила инерции точки B при поступательном движении поршня зависит от положения кривошипа и определяется как:
при этом сила инерции точки B направлена вдоль линии OB.
Здесь и – приведенные к пальцу кривошипа (точка A) и к поршневому пальцу (точка B) замещающие массы механизма.
В обоих случаях силы инерции направлены противоположно соответствующим ускорениям.
1. РАСЧЕТ ЗАМЕЩАЮЩИХ МАСС МЕХАНИЗМА
Принимаем что масса звеньев механизма сосредоточена в точках O AиB тогда кривошип и шатун за исключением указанных точек рассматриваются как «невесомые стержни». Замещающая масса одноцилиндрового механизма сосредоточенная в точке A (т.е. приведенная к пальцу кривошипа) вычисляется по формуле:
Замещающая масса механизма приведенная к поршневому пальцу (точкаB):
2. РАСЧЕТ СИЛ ИНЕРЦИИ ОДНОЦИЛИНДРОВОГО
МЕХАНИЗМА И ПОСТРОЕНИЕ ГОДОГРАФА
СИЛ ИНЕРЦИИ БЕЗ ПРОТИВОВЕСА
Рассчитываем силы инерции сосредоточенных масс и в их движении с ускорениями и :
где r – радиус кривошипа м; значения для каждого положения механизма берутся из таблицы 4.
Используя правила статики и переноса сил необходимо найти усилие с которым механизм действует на стойку (фундамент) в точке O:
На чертежном листе А1 в левом верхнем углу вычертить схему механизма без противовеса изобразить замещающие массы и в одном из положений механизма построить в масштабе векторы сил инерции .
Масштабный коэффициент сил инерции:
на чертеже вектор силы инерции принимается
Перевод полученных по расчету значений сил инерции в миллиметры чертежа производится по формуле:
Выбрать на чертежном листе центр построения годографа сил инерции механизма без противовеса и построить их векторные треугольники по правилу:
Траектория описываемая концом суммарного вектора сил инерции действующих на стойку механизма в точке O (в центре вращения кривошипа т.е. на коренные подшипники коленчатого вала) представляет собой годограф сил инерции механизма без противовеса (см.чертеж) для одного цилиндра.
Направления векторов сил инерции и противоположны соответствующим ускорениям.
Значения сил инерции и для всех положений кривошипа механизма заносятся в таблицу 5:
Результаты расчета сил инерции механизма без противовеса
(для одного цилиндра)
3. РАСЧЕТ СИЛ ИНЕРЦИИ И ПОСТРОЕНИЕ ГОДОГРАФА
СИЛ ИНЕРЦИИ ОДНОЦИЛИНДРОВОГО МЕХАНИЗМА
Задача уравновешивания вращающегося звена (вала механизма) заключается в снижении динамических реакций (т.е. зависящих от ускорения сил инерции) на опоры путем распределения его массы таким образом чтобы центр масс звена совпадал с осью вращения – условие статического уравновешивания вращающегося звена.
Масса противовеса (избыточная) рассчитывается по формуле:
Коэффициент уравновешивания сил инерции поршня дан в исходных данных задания; расстояние от центра вращения (точки O) до центра массы противовеса (точка E) принято:
Сила инерции противовеса (const):
Сила инерции противовеса на чертеже (const):
В правом верхнем углу чертежа вычертить одно из положений механизма с указанием замещающих масс и массы противовеса а также в масштабе векторы всех сил инерции.
На листе чертежа рядом с годографом сил инерции без противовеса строится годограф сил инерции действующих на фундамент механизма с противовесом исходя из векторной суммы:
При этом OA OB OE и противоположны соответствующим ускорениям.
При векторном вычислении значений и построении годографа сил инерции с противовесом используются данные таблицы 5.
Траектория описываемая концом результирующего вектора сил инерции действующих на фундамент механизма в точке O является годографом сил инерции механизма с противовесом.
При построении применяется тот же масштабный коэффициент:
Полученные результаты расчета заносятся в таблицу 6:
Результаты расчета сил инерции механизма с противовесом
4. РАСЧЕТ ПРОТИВОВЕСА
ДВУХЦИЛИНДРОВОГО МЕХАНИЗМА
Противовес каждого поршня (по заданию их два) механизма выполнен как одно целое с кривошипом и представляет собой две симметричные тяжелые щеки имеющие форму сектора круга радиуса и с углом сектора примем угол (при этом точка E – центр массы щеки противовеса).
Радиус сектора щеки противовеса определяется по формуле:
Площадь сектора щеки противовеса при угле сектора :
Толщина одной щеки противовеса :
где – плотность чугун –
Масса каждой из двух щек противовеса :
Масса щек противовеса для каждого из цилиндров (поршней):
Суммарная масса противовеса двухцилиндрового КШМ:
где – число цилиндров механизма (по заданию ).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Теория механизмов и машин: метод. указания по выполнениюрасчетно-графических работ по ТММ в курсовом проекте «Анализ и синтез механизмов с жесткими звеньями» для студ. спец. 1504 – «Подъемно-транспортные строительные дорожные машины и оборудование» и 1505 – «Автомобили и автомобильное хозяйство» (всех форм обучения) сост. В.В.Шульц В.В.Едунов И.В.Терентьев. – СПб инж.-строит. ин-т 1993.
ЧмильВ.П. Теория механизмов и машин: Учебно-методическое пособие. – СПб.: Издательство «Лань» 2012. – 288 с.: ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература).

Cherteghi_v_dwg.dwg

План положений кривошипно-шатунного механизма
П л а н ы с к о р о с т е й м е х а н и з м а
П л а н ы у с к о р е н и й м е х а н и з м а
Диаграмма перемещения поршня
Схемы кривошипно-шатунного механизма
Кинематическое и динамическое исследования кривошипно-шатунного механизма двухтактного двигателя внутреннего сгорания
План положений КШМ. Планы скоростей механизма. Планы ускорений механизма. Диаграммы.
СПбГАСУ-2014 Гр. 1-ПТМ-4 (ФБФО)
Схемы КШМ: без противовесас противовесом. Годографы сил инерции КШМ: без противовесас противовесом
(для одного цилиндра)
Годографы сил инерции КШМ
Кинематическое и динамическое исследования КШМ двухтактного ДВС. Противовес