Menu

Пример расчета основных деталей двигателя

Техническое задание. Двигатель карбюраторный для легкового автомобиля мощностью Ne = 55 кВт (75 л. с.) при n = 5800 об/мин, четырехтактный, четырехцилиндровый, работающий на топливе — бензин АИ-93.

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Расположение цилиндров

Рядное, вертикальное с наклоном от вертикальной плоскости 20°

Материал блока

Блок отливают из серого чугуна (СЧ 4—44; СЧ 18—36; СПЧ) совместно с рубашкой и верхней частью картера

Головка блока цилиндров

Отъемная, отливают из сплава (АЛ2; АЛ4; АЛ5). Между головкой цилиндров и блоком ставят прокладку. Крепят головку к блоку шпильками

Расположение клапанов

Верхнее, по одному впускному и одному выпускному клапану на цилиндр

Привод к кулачковому валу, расположенному на головке цилиндров

Цепной, роликовой цепью с автоматическим натяжением

Коленчатый вал

Стальной, покоится на трех опорах

Нижняя часть картера

Стальная штампованная, соединяется с верхней половиной через уплотнительную прокладку, крепится винтами. Служит для предотвращения попадания пыли в полость картера и в качестве резервуара для масла, необходимого для смазки деталей двигателя

Степень сжатия

ε = 8

Показатель политропы сжатия

n1 = 1,35

Показатель политропы расширения

n2 = 1,25

Давление конца сгорания

рz = 6,4 МПа (64 кгс/см2)

Среднее индикаторное давление

рi = 1,0 МПа (10 кгс/см2)

Диаметр поршня

D = 80 мм

Ход поршня

S = 2R = 70 мм

Масса поршневой группы

mпор.гр = 10Fпор = 10 ·50 = 500 = 0,5 кг

Масса верхней головки шатуна

mв.г.ш = 160 · 0,3 Fпор = 0,24 кг

Масса нижней головки шатуна

mн.г.ш = 16 · 0,7 Fпор = 0,56 кг

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Расчетная угловая скорость

[image]

Масса неуравновешенных частей колена

[image]

Отношение [image],

где R— радиус кривошипа; L — длина шатуна

 

Масса возвратно-поступательно движущихся частей

[image]

Массы вращательно движущихся частей

[image]

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей

[image]

[image]

Центробежная сила инерции вращающейся части нижней головки шатуна

[image]

Центробежная сила инерции вращающейся массы кривошипа

[image]

Расчет поршня

Материал поршня — алюминиевый сплав АК 4

Диаметр поршня

D = 80мм

Внутренний диаметр поршня

dвн ≈ 0,7 D = 0,7·80 = 56 мм

Расстояние между бобышками

b ≈ 0,4 D = 0,4·80 = 32 мм

Расстояние до канавки кольца

l1 ≈ 0,1 D = 0,1·80 = 8 мм

Толщина стенки

s1 ≈ 0,07 D = 0,07·80 = 5,6 мм

Длина юбки поршня

l2 ≈ 0,8 D = 0,8·80 = 64 мм

Расстояние от днища поршня до оси пальца

l3 ≈ 0,7 D = 0,7·80 = 56 мм

Толщина юбки поршня

s2 = 2 мм

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Толщина перемычки между канавками для колец

s3=2,5 мм

Наружный диаметр пальца

[image]

Диаметр бобышки

[image]

Длина бобышки

lб=15мм

Толщина днища поршня

[image]

Напряжение в днище поршня, днище поршня оребренное; допускаемое напряжение для алюминиевых поршней σиз = 50÷150 МПа

[image]

Напряжение сжатия в цилиндрической части поршня, ослабленной канавками для отвода масла (n = 8 — число отверстий для слива масла; dотв = 1 мм); допускаемое напряжение на сжатие σсж = 30÷40 МПа

[image],

где [image]

[image]- площадь сечения масляных отверстий;

[image]

[image][image]

В этом же сечении поршень проверяют на разрыв; допускаемое напряжение σр=4÷10 МПа

[image]

Первая кольцевая перемычка, напряжение изгиба; допускаемое напряжение σиз = 30÷40 МПа

[image]

Напряжение среза; допускаемое напряжение τ = 5÷10 МПа

[image]

Суммарное напряжение в кольцевой перемычке от действия изгибающих и срезывающих усилий; допускаемое напряжение σΣ = 30÷40 МПа

[image]

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Удельное давление на стенку цилиндра; для автомобильных двигателей допускаемое значение q = =0,3÷0,6 МПа

[image]

где [image]

[image]

D = 80 мм = 0,08 мм; l2 = 0,8D = 64 мм = 0,064 м

Монтажные зазоры:

в верхней кромке

 

в нижней кромке

 

Δ1 = 0,007D=0,007·80 = 0,56 мм

 

Δ1 = 0,02D=0,02·80 = 0,16 мм

Расчет поршневого пальца

 

Материал — сталь 45Х, закаляют после нагревания ТВЧ на глубину не менее 1 мм до твердости HRC 50—62.

dп.н = 0,3D = 0,3·80 = 24 мм

dп.вн =0,7dп.н = 0,7·24 ≈ 17 мм

Поверхность обрабатывают до шероховатости не ниже 10-го класса по ГОСТ 2789—73

lп = 0,8 D = 0,8·80 = 64 мм

аш = 0,4D = 0,4·80 = 32 мм

Удельное давление на втулку верхней головки шатуна; допускаемое давление qш = 20÷50 МПа (200÷500 кгс/см2)

[image][image]

где Pг = 0,032 МН – сила давления газов

Pj пор.гр = 0,0126 МН – сила инерции поршневой группы

авт = 0,032 – длина втулки, м

dп.н = 0,024 – диаметр пальца, м

[image]

[image]

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Удельная нагрузка на бобышки; допускаемая нагрузка на бобышки qб = 15÷40 МПа (150÷400кгс/см2)

[image]

где длина двух бобышек

[image]

Напряжение изгиба пальца определяют по формуле Р. С. Кинасошвили; допускаемое напряжение на изгиб σиз = 150÷250 МПа (1500÷2500 кгс/см2)

[image]

[image],

где [image]

b = 0,032 — расстояние между бобышками, м; — KPj пор — сила инерции без учета массы пальца; α = dп.вн/dп.н = 17/24 = 0,71

Напряжение среза (касательное) пальца в плоскостях между бобышками и головкой шатуна; допускаемое напряжение τ = (100÷220) МПа

Максимальная овализация пальца; допускаемая

Δdmax= 0,02÷0,05 мм

[image]

[image]

[image]

Расчет поршневого кольца

 

Материал — серый чугун СЧ 24—44, поверхность кольца луженая, толщина слоя полуды 0,01 мм

 

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Среднее давление кольца на стенку цилиндра

[image]

[image],

где s0 — зазор в стыке кольца в разомкнутом состоянии; t — ширина кольца t=(0,04÷0,045)D = 0,044·80 = 3,5 мм; s0 /t = 3÷4; μ = 0÷0,25 — коэффициент, зависящий от формы эпюры кольца

Напряжение в кольце в рабочем состоянии; допускаемое напряжение σmax = 220÷450 МПа

[image]

 

Напряжение в кольце при надевании кольца; допускаемое напряжение σmax = 250÷540 МПа

[image]

[image]

где m = 1,0; 1,57; 2,0 — коэффициент, учитывающий способ надевания кольца

Давление кольца на стенку цилиндра в разлитых точках по окружности кольца принимают в соответствии с ГОСТ 621—67

pα = pс μк МПа

р0 = 0,255·1,05 = 0,246 МПа

р30 = 0,235·1,05 = 0,246 МПа

р60 = 0,235·1,14 = 0,268 МПа

р90 = 0,235·0,9 = 0,212 МПа

р120 = 0,235·0,45 = 0,106 МПа

р150 = 0,235·0,68 = 0,160 МПа

р180 = 0,235·2,86 = 0,672 МПа

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные в особенности, данные расчета

Монтажные зазоры в замках колец

[image],

где [image]= (0,005÷0,001) Dц — зазор в замке в горячем состоянии; Dц — диаметр цилиндра; αк, αц = 11·106 — коэффициенты линейного расширения кольца и цилиндра соответственно; Δtк, Δtц — температура кольца и цилиндра соответственно; при расчетах принимают для двигателей с охлаждением:

Δtк Δtц

жидкостным 200÷300° 110÷120°

воздушным 250÷450° 170÷190°

Δ3 = 0,2÷0,3 ммдля автотракторных двигателей

Расчет шатуна

 

Материал — сталь 45Г2: Ест = 2,1·105 МПа, αст = 1,0-10-5 1/град, предел прочности σвт = 800 МПа, предел усталости при изгибе σ-1 = 350 МПа, предел усталости при растяжении σ-1р = 240 МПа, предел текучести σT = 420 МПа, Eвт = 1,15·105 МПа, αвт = 1,8·10 1/град рассчитывают для n = 6000 об/мин

От запрессовки втулки и нагревания головки и втулки на поверхности головки возникает давление

[image]

[image]

где Δ = 0,04÷0,045 — натяг от запрессовки втулки, мм; Δt = d(αвт α)tгол= =27(1,8—1,0)·10-5 · 110 = 0,024 мм; μ = 0,3— коэффициент Пуассона

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Внутренний диаметр верхней головки шатуна

[image]

Наружный диаметр головки шатуна

[image]

Длина поршневой головки шатуна

[image]

Напряжение на наружной поверхности головки шатуна

[image]

Напряжение на внутренней поверхности, допускаемое напряжение σвн = 150 МПа

[image]

Изгибающий момент в сечении О — О' (рис.41)

[image]

[image],

где [image]

[image]

[image] — угол заделки, принят [image]

Нормальная сила

[image][image]

Нормальная сила в расчетном сечении от растягивающей силы для угла заделки φзад=110º

[image]

Изгибающий момент в расчетном сечении

[image]

[image]

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Напряжение от растяжения в наружном слое

[image]

[image]

где aш = 30 мм — длина головки шатуна; h = 2,5 мм — толщина стенки головки; K — коэффициент, учитывающий наличие запрессованной втулки:

[image];

Fст — площадь сечения головки шатуна:

[image];

Fвт — площадь сечения втулки:

[image]

Суммарная сила, сжимающая головку

[image]

[image]

Нормальная сила для нагруженного участка. Отношение N0 /Pг и М0/(Рг rср) можно получить из графика (рис. 42) или по следующим данным:

φзад, град 100 105 110 115 120

N0 /Pг 0,0001 0,0005 0,0009 0,0018 0,0030

[image]

[image]

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

[image]

[image]

Напряжения в наружном слое от сжимающей силы

 

 

[image]

Запас прочности

σ-1p — предел выносливости материала для симметричного цикла; для углеродистой стали σ-1p = 180—250 МП;

[image]

где [image]=0,2 — коэффициент, зависящий от характеристики материала; коэффициент, [image]= 0,7 — коэффициент, учитывающий влияние технологического фактора

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Силу, растягивающую стержень шатуна, подсчитывают для условий работы двигателя на холостом ходу при nmах, pzmin

[image]

[image]

где тш — масса части шатуна, расположенной выше расчетного сечения, принята 0,35 кг

Сила, сжимающая стержень шатуна и соответствующая наиболее неблагоприятному режиму Мкр max, Pj=0

[image],

где pz = 0,l МПа — атмосферное давление

Суммарное напряжение при сжатии с учетом продольного изгиба в плоскости качания шатуна; допускаемое напряжение σx = 160÷250 МПа

[image]

[image]

где Kх — коэффициент, учитывающий продольный изгиб для автомобильных карбюраторных двигателей:

[image]; для дизелей Kх=1,08÷1,15;

fш.ср ≈ 175·10-6 — площадь шатуна в расчетном сечении, определяют после конструктивной проработки шатуна (см. рис. 38), м2

Суммарное напряжение при сжатии с учетом продольного изгиба в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна; допускаемое напряжение

σу = 200÷350 МПа

[image]

[image],

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкции двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

 

где Kу — коэффициент, учитывающий продольный изгиб шатуна автомобильного двигателя в плоскости, перпендикулярной плоскости качания шатуна;

[image]

Напряжение растяжения

[image]

Амплитуда напряжения в плоскости х сечения шатуна

[image]

Среднее напряжение в плоскости х сечения шатуна

[image]

Амплитуда напряжения в плоскости у

[image]

Среднее напряжение в плоскости у

[image]

Запас прочности шатуна в плоскости (ασ = 0,13)

[image]

Запас прочности в плоскости у

[image]

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Расчет отъемной крышки нижней

головки шатуна

 

Сила, отрывающая крышку нижней головки шатуна

[image]

[image],

где mкр — масса отъемной крышки нижней головки шатуна; mв г.ш — масса шатуна, отнесенная к верхней головке; тш.врмасса шатуна, совершающая вращательное движение

Напряжение в крышке от действия сил [image] для автотракторных двигателей с тонкостенными вкладышами определяют по приближенной формуле; допускаемое напряжение σиз = 100—300 МПа

[image]

где Fкр = 0,0002 — площадь сечения крышки; с — расстояние между осями болтов; Wσ момент сопротивления изгибу: Wσ = bh2/6 = 0,03·0,0072/6 = =2,45·10-7 м3; b = 0,03 — ширина подшипника; h = 0,007 — толщина крышки подшипника,

Расчет шатунных болтов

 

Расчетная сила, растягивающая болты, [image]

Плотность стыка обеспечивается условием[image]

 

Сила предварительной затяжки

[image];

z =2 — число болтов, которыми крышка притягивается к шатуну

Суммарная сила, растягивающая болт

[image]

где [image]

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Максимальное напряжение в болте, в сечении по наименьшему диаметру

[image]

Минимальное напряжение в этом же сечении

[image]

Амплитуда напряжения

[image]

Среднее напряжение

[image]

Запас прочности болта; для стали 40Х σт = 900 МПа

[image]

где Kσ ≈ 3÷5 — для метрической резьбы на болтах

Расчет системы газораспределения

 

Диаметр горловины впускного клапана

[image]

Площадь горловины впускного клапана

[image]

Проходное сечение клапана при открытии на высоту h для клапана с фаской 45°

[image]

[image]

где hкл = 0,8 — высота подъема клапана, см

Наибольший диаметр тарелки клапана

[image]

Наименьший диаметр клапана

[image]

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Ширина фаски

[image]

Диаметр стержня клапана

[image]

Подъем толкателя

[image]

Радиус начальной окружности кулачка

[image]

Радиус дуги первого участка подъема кулачка

[image]

Радиус второго участка

[image]; при расчете принят [image]

Силы, прижимающие клапан к седлу

[image]

где mS кл= 60÷150 — масса клапана, г; для дизелей ткл = 120÷140 г

а=r0+hТ r2 ≈14÷16 мм — для автотракторных двигателей; коэффициент запаса K= 1,33÷1,66 — для карбюраторных двигателей; для дизелей K = 1,28÷1,52

При полностью открытом клапане максимальное касательное напряжение в пружине; допускаемое напряжение τmax = 450÷650 МПа

[image]

где K — коэффициент, учитывающий неравномерное распределение напряжений по сечению витка; d = 4÷6 — диаметр проволоки, мм; dпр = (0,75÷1,0) dгор = =0,8·37 = 30 мм

Минимальное касательное напряжение

[image]

Амплитуда напряжения

[image]

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Среднее напряжение

[image]

Запас прочности

[image]

Число рабочих витков пружины

[image]

где G = 8,3-105 — модуль упругости второго рода, МПа; (f0+hкл mах) = 2— уменьшение длины пружины при полностью открытом клапане, см

Полное число витков пружины

[image], принимают iпр=7÷12

Частота собственных колебаний пружины

[image]

Отношение частоты собственных колебаний к частоте вращения распределительного вала

[image]

Расчет систем двигателя

 

Количество тепла, отводимого маслом от двигателя

[image]

где Qтоп — тепло, внесенное с топливом; для данного типа двигателя и мощности составляет ≈180÷200 кДж/с

Объем масла, необходимый для отвода данного количества тепла

[image]

где ρ = 900÷940 —плотность масла, кг/м3; см = 2,094 — теплоемкость масла, кДж/(кг·с); [image]

 

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенное, данные расчета

Секундный расход масла с учетом утечки, и других неизбежных потерь, перепуск масла через редукционный клапан

[image],

где K =2÷2,5 — коэффициент, учитывающий утечки; [image]=0,75 — коэффициент подачи насоса

Производительность насосов

Для карбюраторных двигателей Vм = 0,0005÷0,0025 м3/с; для дизелей

Vм = 0,0006÷0,006 м3

Высота шестерни насоса (длина зуба)

 

[image]

где т = 0,00425 —модуль зацепления зуба, т = 4,25 мм; z = 7 — число зубьев шестерни; n = 3000 — частота вращения шестерни в минуту

Мощность, потребляемая насосом

[image]

где р = 0,34÷0,5 МПа для карбюраторных двигателей, р = 0,5÷1,0 МП а для дизелей; ηм= 0,84÷0,9 — механический к. п. д. насоса

Центрифугу для очистки масла подбирают в зависимости от р, Vм, μ

Для рассчитываемого двигателя приемлема центрифуга с параметрами: типоразмер 1; емкость ротора Ω ≈ 500см3; плечо реактивного момента 2R ≈ 70мм; частота вращения ротора n = 5000 об/мин; расход масла через сопла ≈ 6 л/мин при р = 0,3 МПа и μ = =20сСт

Масляный радиатор

 

При последовательном включении радиатора все тепло, отводимое маслом, передается в окружающую среду через поверхность радиатора

[image],

где [image]=30÷120 — коэффициент теплопередачи от масла к воздуху, Вт/(м2 град);

[image]

[image]

Параметры, принимаемые исходя из данных технического задания и анализа конструкций двигателей данного класса

Материал, назначение, конструктивные особенности, данные расчета

Расчет системы охлаждения

 

Количество тепла, отводимого через систему охлаждения; для карбюраторных двигателей принимают q = 800÷1300 Дж/(кВт с)

[image]

Количество жидкости, циркулирующей в системе охлаждения

[image]

ρж ≈ 1000 —плотность воды, кг/м3; Gж = 4187 — теплоемкость жидкости (воды), Дж/(кг·град); [image][image]= 5÷10°С

Поверхность охлаждения радиатора

[image],

Где k =140÷180 Вт/(м2·град); [image][image]= 30÷45°С

Мощность, необходимая для привода водяного насоса

[image],

Где Рж=90000 Н; [image]= 0,7·0,9·0,8=0,51

 

 

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4886 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8075 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4920 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Масштабы и виды геологосъёмочных работ

Геологической съёмкой называется совокупность работ по сбору полевых материалов и по составлению геологической карты того или иного типа. Комплексные геологические съёмки подразделяются на общие или региональные и детальные. Общие (региональные)...

14-10-2010 Просмотров:18061 Геологическое картирование, структурная геология

Области внутриконтинентального орогенеза

Помимо рассмотренных выше орогенов двух типов существует значительное число горных сооружений, образованных в пределах континентальных плит, т.е. во внутриплитной обстановке. Наиболее крупным в мире и типичным поясом внутриконтинентального орогенеза является...

14-10-2010 Просмотров:4971 Геологическое картирование, структурная геология

Мерзлые породы

При понижении температуры влажной пес-чано-глинистой породы ниже 0°С процесс ее промерзания сопровождается льдовыделением, которое существенно зависит от состояния состава породы и режима промерзания. Следовательно, при каждом значении фиксированной отрицательной температуры...

27-09-2011 Просмотров:5675 Электрические и упругие свойства криогенных пород