Определение сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме дизеля. Разработка узла дизеля. Поршень

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ В КРИВОШИПНО-  

ШАТУННОМ МЕХАНИЗМЕ ДИЗЕЛЯ

Детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ) подвергаются действию сил давления газов внутри цилиндра, сил инерции поступательно и вращательно движущихся частей, сил трения и сил сопротивлений от потребителя энергии.

Определение сил и моментов, действующих в КШМ, необходимо для расчета деталей на прочность, определение основных размеров подшипников, оценки уравновешенности, а также для сравнения нагруженности подшипников узлов различных двигателей.

Силы, действующие на детали КШМ, являются функциями угла поворота кривошипа коленвала и режима работы двигателя. Обычно рассчитывают удельные значения этих сил, т.е. отнесенные к 1 м² площади поршня.

Схема сил, действующих КШМ, представлена на рисунке 3.

Суммарная удельная сила Р_z, приложенная в центре поршневого пальца, определяется как алгебраическая сумма двух сил

                                                    P_å = P_г + P_j,                                                         (47)

где Р_г – удельная сила от давления газов на поршень;

P_j – удельная сила инерции поступательно движущихся масс.

Положительными считаются силы, направленные от поршня к коленчатому валу.

В свою очередь,

Р_г = (р – р_о)                                                           (48)

где р – давление газов в цилиндре (берется из индикаторной диаграммы в зависимости от j);

р_о – давление со стороны кривошипной камеры , принимаем р_о = 0,1 Мпа 

[1].                

Рисунок 3 – Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме дизеля

Удельные силы инерции поступательно движущихся масс определяются зависимостью

                                           (49)

где  j – ускорение поршня;

М_Sп – масса поступательно движущихся частей, определяем по формуле

М_Sп » М_п+0,3М_ш,                                            (50)

М_п – масса поршня в сборе, принимаем М_п = 46 кг [2];

М_ш – масса нижнего шатуна, принимаем М_ш = 54,34 кг [2];

М_Sп = 46+0,3·54,34 = 62,3 кг.

Ускорение поршня определяется в зависимости от угла поворота коленчатого вала и угловой скорости коленчатого вала

j = R×w_д²(cosj + l×cos2j),                                      (51)

где w_д – угловая скорость коленчатого вала дизеля, w_д = 78,5 рад/с;

l - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, l = 1/4,06 = 0,246.

Сила Р_å , в свою очередь, раскладывается на силу К, действующую вдоль оси шатуна, и силу N, направленную нормально к оси цилиндра. В свою очередь, силу К, перенесенная в центр шатунной шейки вала, раскладывают на тангенциальную силу Т, действующую перпендикулярно кривошипу, и нормальную силу z, направленную по кривошипу.

Указанные удельные силы определяются из следующих выражений:

N = P_å×tgb;                                                    (52)

                                                (53)

                                            (54)

                                             (55)

Для продувки и дозарядки 2-х-тактного двигателя приближенно принимаем р = 0,5(р_s+р_т) = 0,5(0,185+0,13)= 0,158 МПа. 

Вычисление удельных сил сведем в таблицу 2.

Таблица 2 – Расчет удельных сил, действующих в КШМ

j		р,	Рr,	j,	Pj	Рс	b	N,	K,	T,	Z,
рад	град	Мпа	Мпа	м/c	Мпа	Мпа		Мпа	Мпа	Мпа	Мпа
0,00	0	10,60	10,50	883,2	1,33	11,83	0,00	0,00	11,83	0,00	11,83
0,26	15	9,66	9,56	835,7	1,25	10,82	-0,06	0,69	10,84	2,13	10,63
0,52	30	4,82	4,72	701,0	1,05	5,77	-0,12	0,72	5,81	2,26	5,35
0,79	45	2,54	2,44	501,1	0,75	3,19	-0,17	0,56	3,24	1,86	2,66
1,05	60	1,52	1,42	267,1	0,40	1,82	-0,21	0,40	1,87	1,38	1,26
1,31	75	1,02	0,92	32,3	0,05	0,97	-0,24	0,24	1,00	0,88	0,48
1,57	90	0,75	0,65	-174,5	-0,26	0,39	-0,25	0,10	0,40	0,39	0,10
1,83	105	0,60	0,50	-334,6	-0,50	0,00	-0,24	0,00	0,00	0,00	0,00
2,09	120	0,50	0,40	-441,6	-0,66	-0,26	-0,21	-0,06	-0,27	-0,25	0,08
2,36	135	0,44	0,34	-501,1	-0,75	-0,41	-0,17	-0,07	-0,41	-0,34	0,24
2,62	150	0,41	0,31	-526,4	-0,79	-0,48	-0,12	-0,06	-0,48	-0,29	0,39
2,88	165	0,16	0,06	-533,4	-0,80	-0,74	-0,06	-0,05	-0,74	-0,24	0,71
3,14	180	0,16	0,06	-534,1	-0,80	-0,74	0,00	0,00	-0,74	0,00	0,74
3,40	195	0,16	0,06	-533,4	-0,80	-0,74	-0,06	0,05	-0,74	0,15	0,73
3,67	210	0,16	0,06	-526,4	-0,79	-0,73	-0,12	0,09	-0,74	0,29	0,68
3,93	225	0,16	0,06	-501,1	-0,75	-0,69	-0,17	0,12	-0,70	0,40	0,57
4,19	240	0,19	0,09	-441,6	-0,66	-0,58	-0,21	0,13	-0,59	0,44	0,40
4,45	255	0,23	0,13	-334,6	-0,50	-0,38	-0,24	0,09	-0,39	0,34	0,19
4,71	270	0,29	0,19	-174,5	-0,26	-0,07	-0,25	0,02	-0,07	0,07	0,02
4,97	285	0,40	0,30	32,3	0,05	0,35	-0,24	-0,09	0,36	-0,36	0,01
5,24	300	0,62	0,52	267,1	0,40	0,92	-0,21	-0,20	0,94	-0,90	0,29
5,50	315	1,07	0,97	501,1	0,75	1,73	-0,17	-0,30	1,75	-1,44	1,01
5,76	330	2,14	2,04	701,0	1,05	3,09	-0,12	-0,38	3,12	-1,88	2,49
6,02	345	4,54	4,44	835,7	1,25	5,69	-0,06	-0,36	5,70	-1,82	5,40
6,28	360	6,76	6,66	883,2	1,33	7,98	0,00	0,00	7,98	0,00	7,98

       Зависимости изменения сил Р_г, Р_j, Р_å, К, N, z, T от угла j изображена на рисунках 4, 5 и 6.

      4 РАЗРАБОТКА УЗЛА ДИЗЕЛЯ. ПОРШЕНЬ

Для изготовления поршней используют чугун, алюминиевые и магниевые сплавы, а также сталь.

Расчет поршня производим приближенным способом. Толщину днища поршня, выбранную применительно к аналогичной конструкции, проверяют по условному напряжению по формуле Неймана

                                                (56)

где D₁ - внутренний диаметр поршня в верхней части

d - толщина днища поршня

Подставляя численные значения, получим

Высота поршня Н проверяется по удельному давлению на стенку поршня по формуле

                                                   (57)

Подставляя численные значения, получим

 Введение

Появление поршневых двигателей внутреннего сгорания во второй половине XIX в. было вызвано развитием промышленности, для которой требовался более совершенный двигатель, чем паровая машина, имевшая к. п. д. не более 0,14.

Двигатели внутреннего сгорания принадлежат к наиболее распространенному и многочисленному классу тепловых двигателей, т. е. таких двигателей, в которых тепловая энергия, выделяющихся при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию непосредственно внутри двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания имеют различные конструкции. В данном курсовом проекте рассмотрен расчет дизеля типа 14Д40. Дизель типа 14Д40 – двухтактный, V-образный, прямоточно-клапанной продувкой, с непосредственным впрыскиванием топлива, с газотурбинным наддувом.    Сжатие воздуха в 1 ступени осуществляется двумя параллельно