Avtomobilnye_dvigateli_Kursovoe_proektirovanie

•среднюю силу в петле максимальных нагрузок Л'ШтШ ср, необходимую для нахождения минимальной толщины масляного слоя;

•максимальную силу Яш.штах, необходимую для обоснованного выбора антифрикционного материала подшипника.

Результаты расчетов этих сил целесообразно представить в виде табл. 2.4.

2.7. Теоретическая диаграмма износа шатунной шейки

С использованием полярной диаграммы силы, действующей на шатунную шейку, выполняется построение теоретической диаграммы ее износа для определения зоны, где следует располагать канал подвода масла к шатунному подшипнику.

Построение этой диаграммы основано на следующих допущениях: износ шейки прямо пропорционален значению вектора силы Яш ш и распространяется на дугу протяженностью 120°, расположенную симметрично относительно точки приложения этого вектора; коррозионный и эрозионный износы шатунной шейки не учитываются.

Порядок построения теоретической диаграммы износа шатунной шейки:

•сначала строится вспомогательная окружность с произвольным радиусом (60...70 мм);

•на построенную окружность переносится ограничительный сектор, образованный предельными касательными к полярной диаграм-

ме. Эти касательные, проведенные из полюса Ох диаграммы, определяют на окружности шатунной шейки условные границы силового воздействия;

•с полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку поочередно параллельно самим себе на вспомогательную окружность пере-

носятся векторы силы_Лш ш, соответствующие расчетным точкам (1... 24). Векторы силы Яш ш в промежуточных точках (12', 12", 13', 13") на вспомогательную окружность не переносятся;

•вправо и влево от точки приложения каждого вектора силы Яш ш откладываются отрезки дуг протяженностью 60° (эту операцию удобно выполнять с помощью специального шаблона, представляющего собой крут, в котором вырезан сектор с углом у вершины 120°);

•по направлению к центру окружности на каждом отрезке дуги откладывается отрезок (толщина кольцевой полоски), прямо про-

порциональный значению данного вектора силы Rmjjr Толщина кольцевой полоски определяется умножением силы /?ш.ш, мм, на масштаб, который следует принимать равным 0,05... 0,10. Кольцевые полоски заштриховываются или зачерняются. В итоге постепенно наращиваемая суммарная площадь этих полос представляет собой вспомогательную диаграмму износа (рис. 2.6, a);

Ненагруженный \ участок шейки

масляного

канала

Рис. 2.6. Построение теоретической диаграммы износа шатунной шейки:

а— вспомогательная диаграмма; б — диаграмма износа

•для получения окончательного изображения теоретической диаграммы износа (рис. 2.6, б) проводится еще одна окружность с произвольным радиусом (40...50 мм), изображающая шатунную шейку, которая как и вспомогательная окружность, разбивается на 12 частей. По каждому из 12 полученных при этом лучей в произвольном масштабе откладывается суммарная ширина зачерненных на вспомогательной диаграмме кольцевых полосок. Концы полученных отрезков соединяют плавной кривой, характеризующей износ шейки;

•поскольку масло следует подводить в зону наименьшего износа (в зону наименьших давлений на шейку), на диаграмме показывают

линией, проходящей через ось шатунной шейки, направление маслоподводящего канала и отмечают ее угловое значение относительно вертикали.

2.8. Диаграмма суммарного индикаторного крутящего момента

В многоцилиндровых двигателях кривошипы KB воспринимают тангенциальные усилия, которые создают скручивающие моменты. Эти моменты, суммируясь последовательно по длине вала, создают на его хвостовике (в месте отбора мощности) суммарный индикаторный крутящий момент двигателя MLT.

Так как значение и характер крутящих моментов по углу ПКВ для всех цилиндров двигателя одинаковые, то для определения суммарного индикаторного крутящего момента достаточно построить кривую крутящего момента одного цилиндра.

Значение суммарного индикаторного крутящего момента определяется графическим суммированием крутящих моментов Min от каждого цилиндра, действующих на KB при данном значении его угла поворота ср. При этом кривые для отдельных цилиндров должны быть сдвинуты относительно друг друга на угловой интервал 0, соответствующий интервалу между рабочими ходами в отдельных цилиндрах. Суммарный индикаторный крутящий момент изменяется с периодом 6.

Для четырехтактных двигателей с равными интервалами между рабочими ходами

_ 720° О-—:—> i

где i — число цилиндров двигателя.

Диаграмма суммарного индикаторного крутящего момента строится слева от диаграммы сил К и Т {см. рис. 2.1). Период его изменения по оси абсцисс Нв определяется с учетом числа цилиндров, равномерности (или неравномерности) чередования рабочих ходов и масштаба угла ПКВ тф. Для четырехтактного двигателя с равномерным чередованием рабочих ходов период изменения крутящего момента по оси абсцисс

„Э 720°

Так же, как и для рабочего цикла, период Щ равномерно делится на угловые интервалы, равные 30 °ПКВ, и через точки деления проводятся вертикальные линии.

Поскольку Mt - Тг (где г — радиус кривошипа), очевидно, что диаграмма Т = /(ср)в масштабе т м является диаграммой М{ =/(ср), поэтому рекомендуется определенная последовательность построения графика Mfr = /(ф), которая далее рассматривается для некоторых наиболее распространенных четырехтактных двигателей.

Однорядный двухцилиндровый двигатель с кривошипами KB, расположенными под углом 360° (т.е. направленными в одну сторону). Чередование вспышек равномерное — через 360°ПКВ. Период изменения крутящего момента по оси абсцисс Щ для кривой =/(ф) с учетом того, что тф = 2 °/мм, равен 180 мм. К нему про-

водятся 13 основных вертикальных линий.

На нулевую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием с учетом знака ординат, 0+12 точек диаграммы Т-/(ф), а на первую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием ординат 1 + 13 точек и т.д.

Полученные на вертикальных линиях точки соединяются плавной кривой, которая в соответствующем масштабе представляет собой диаграмму для данного типа двухцилиндрового двигателя.

Подобное построение также справедливо и для однорядного двухцилиндрового двигателя с кривошипами KB, расположенными под углом 180°, и с противоположно расположенными цилиндрами. Для этого двигателя также характерно равномерное чередование рабочих ходов.

Четырехцилиндровый однорядный двигатель с KB, обладающим зеркальной симметрией, и с кривошипами KB, расположенными под углом 180°. Чередование вспышек равномерное — через 180 °ПКВ. Период изменения крутящего момента Нв при тф = 2 °/мм равен 90 мм. К нему проводится семь основных вертикальных линий.

На нулевую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием с учетом знака ординат 0 + 6+12+18 точек диаграммы Т = /(ср), а на первую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием ординат 1 + 7 + 13 + 19 точек и т.д.

Полученные на вертикальных линиях точки соединяются плавной кривой, которая в соответствующем масштабе представляет собой диаграмму MIT =ЛФ) ДЛЯ четырехцилиндрового однорядного двигателя.

Аналогичное построение справедливо также для четырехцилиндрового V-образного двигателя с углом развала между рядами 90° и с пространственным несимметричным KB с четырьмя кривошипами, расположенными в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях.

Шестицилиндровый однорядный двигатель с KB, обладающим зеркальной симметрией, и с кривошипами KB, расположенными под углом 120°. Чередование вспышек равномерное — через 120 °ПКВ. Период изменения крутящего момента HQ при т ф = 2 °/мм равен 60 мм. К нему проводится пять основных вертикальных линий.

На нулевую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием 0 + 4 + 8+12+16 + 20 точек диаграммы T=f{ф), а на первую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием 1 + 5 + 9+13+17 + 21 точек и т.д.

Полученные на вертикальных линиях точки соединяются плавной кривой, которая в соответствующем масштабе представляет собой диаграмму М1Ъ =/(ф) для шестицилиндрового однорядного двигателя.

Восьмицилиндровый У-образный двигатель с углом развала между осями цилиндров 90° и с кривошипами KB, расположенными в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Чередование вспышек равномерное — через 90 °ПКВ. Период изменения крутящего момента Щ при тф = 2 °/мм равен 45 мм. К нему приводится четыре основные вертикальные линии.

На нулевую вертикаль наносится результирующая, полученная суммированием ординат 0 + 3 + 6 + 9+12+15+18 + 21 точек диаграммы Т=/(ф), а на первую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием ординат 1+4 + 7+10+13 + + 16+19 + 22 точек и т.д.

Полученные на вертикальных линиях точки соединяются плавной кривой, которая в соответствующем масштабе представляет собой диаграмму MiYj =/(ср) для V-образного восьмицилиндрового двигателя.

Двухцилиндровый рядный двигатель с кривошипами KB, расположенными под утлом 180°. Чередование вспышек неравномерное — через 180 и 540 °ПКВ. Данный двигатель рассматривается как одноцилиндровый. Период изменения крутящего момента Щ при /иф = 2 °/мм равен 360 м. К нему проводится 25 основных вертикальных линий.

На нулевую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием с учетом знака ординат 0 + 3 точек диаграммы Т=/(ф), а на первую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием ординат 1+4 точек и т.д.

Полученные на вертикальных линиях точки соединяются плавной кривой, которая в соответствующем масштабе представляет собой диаграмму MilL -/(ф) для данного типа двигателей.

Шестицилиндровый У-образный двигатель с утлом развала между осями рядов цилиндров 90° и с несимметричным KB, имеющим три кривошипа, расположенных под утлом 120°. Чередование вспышек неравномерное — через 90 и 150 °ПКВ. Такой двигатель рассматривается как два трехцилиндровых. Период изменения крутящего момента HQ при /иф = 2 °/мм равен 120 мм. К нему проводится девять основных вертикальных линий.

На нулевую вертикальную линию наносится результирующая, полученная суммированием с учетом знака ординат 0 + 8 + 16 точек и т.д.

Полученные на вертикальных линиях точки соединяются плавной кривой, которая в удвоенном масштабе представляет собой диаграмму MiYd =/(ф) для данного типа двигателей.

При построении графика М1Ъ - /(ф) необходимо соблюдать следующие общие для всех типов двигателей требования:

• для учета максимальной силы в интервале между точками 12 и 13 необходимо провести дополнительные ординаты в центре всех заданных интервалов, нумеруя их цифрами 0, Г, 2' и т. д., после чего следует выполнить суммирование по этим дополнительным ординатам;

• необходимо, чтобы наклон кривой MiYj =/(ф) был одинаковым с

обеих сторон (т.е. производные ^MJL. должны совпадать); с этой d<p

целью в интервале точек 0... 1 следует взять промежуточные точки (например, через 10 °ПКВ).

Для определения правильности построения диаграммы MlT =/(ф) рассчитывается значение среднего суммарного индикаторного момента Micp по диаграмме и сравнивается с расчетным значением, полученным по данным теплового расчета.

Для определения момента Micp по диаграмме следует найти результирующую площадь под кривой суммарного крутящего момента и разделить ее на расстояние между крайними ординатами периода.

Средний индикаторный крутящий момент отображается высотой прямоугольника, построенного в заданном интервале ординат и равновеликого найденной площади в масштабе диаграммы ординат, Н * м:

где Л^ном — номинальная эффективная мощность двигателя из задания на проектирование двигателя, кВт; яном — номинальная частота вращения, мин-1; г\м — механический КПД.

Абсолютное значение относительной разности моментов Micp и Micp ном не должно превышать 5 %:

у= -М' " / с р - х гмх /ср.ном

мср.ном

Для оценки степени равномерности индикаторного крутящего момента по диаграмме MiZ = /(ср) следует определить коэффициент неравномерности крутящего момента:

.. _ Д^д:max ~ ^ / S m i n

где M/Smax и Mimin — максимальное и минимальное значения индикаторного крутящего момента (с учетом знаков), определенные по

диаграмме MiZ =Лф)-

Индикаторный крутящий момент Mt каждое мгновение уравновешивается суммарным моментом сопротивления и моментом сил инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс двигателя, приведенных к оси КВ.

Колебания скорости вращения KB на установившемся режиме работы двигателя характеризуются коэффициентом неравномерности хода

g _ в^тах ~ e^min

юср

где сотах и со^ — максимальное и минимальное значения скоростей вращения KB за время, равное периоду изменения индикаторного крутящего момента MiZ.

Щ_\У/ /\

С С

Л1.Д ~N^Mfi L 1 - L M - -

Для автотракторных двигателей принимается 5 = 0,01 ...0,02. Коэффициент неравномерности хода 5 зависит от момента инер-

ции двигателя /д и так называемой избыточной работы Хизб, Дж, которая представляет собой положительную площадь Fx (см. рис. 2.1), заключенную между кривой MiZ =/(ф) и прямой момента сопротивления (значение которого равно Micp):

Далее определяется приведенный момент инерции двигателя /д (момент инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступа- тельно масс двигателя, приведенный к оси KB), при котором в данных условиях обеспечивается заданное значение 8 (рекомендуемое значение 5 = 0,02), кг * м2:

Т— ^изб

д" 5о>2'

При конструировании маховика его действительный момент инерции /м д должен быть равен приведенному моменту инерции двигателя /д. Значение /м д с достаточной для практики точностью определяется посредством представления тела маховика в виде N кольцевых элементов с простейшей геометрией сечения, как показано на рис. 2.7, где rrii и л* соответственно масса и расстояние от оси вращения до геометрического центра поперечного сечения /-го кольцевого элемента.

2.9.Анализ уравновешенности двигателя

Вданной части динамического расчета необходимо выполнить следующее:

• указать, какие силы и моменты в двигателе относятся к неуравновешенным;

9=180 °ПКВ е=зб<з°пкв

9 = 540 °ПКВ

9 = 720 °ПКВ

б

Рис. 2.8. Схема коленчатого вала двигателя (а) и порядок рабочих ходов в цилиндрах (б)

•изобразить схему коленчатого вала двигателя с указанием расположения его колен (рис. 2.8);

•привести в общем виде выражения для неуравновешенных сил, действующих на каждом кривошипе;

•на основе анализа условий уравновешенности двигателя указать, какие силы и моменты каких сил уравновешены, а какие неуравновешены в данном многоцилиндровом двигателе;

•если неуравновешенные силы и моменты подлежат уравновешиванию, привести схему уравновешивания, т. е. схему размещения противовесов;

•если какие-либо из неуравновешенных сил и моментов не подлежат уравновешиванию, необходимо вычислить их суммарные максимальные значения и указать, каким в принципе способом можно уравновесить данную силу или момент;

•указать назначение противовесов в данном двигателе.

2.10. Полярная диаграмма сил; действующих на коренные шейки коленчатого вала

Общие положения. Полярная диаграмма (рис. 2.9) показывает значение и направление силы Як ш, действующей на коренную шейку. Эта сила представляет собой геометрическую сумму силы S, действующей вдоль оси шатуна, силы Кгт (центробежной силы, созда-

А

Рис. 2.9. Полярная диаграмма нагрузки на вторую коренную шейку однорядного шестицилиндрового четырехтактного двигателя

Яш.ш I

Rш.ш л

ваемой массой т к ш), направленной по радиусу кривошипа, и центробежной силы инерции неуравновешенных масс кривошипа Кк:

Учитывая, что сила, действующая вдоль оси шатуна

S = K + T,

силу, действующую на коренную шейку, можно записать в виде

Дс.ш = к + Т + Кгш +

откуда центробежная сила инерции неуравновешенных масс кривошипа, МН,

Кк=-ткг(о2Л06,

где тк — неуравновешенная масса кривошипа, кг; г — радиус кривошипа, м; со — скорость вращения KB, рад/с.

Сила К г - Кгш + Кк используется для расчета шатунной шейки на прочность и расчета коренного подшипника. Значение тк определяется массами шатунной шейки тШ Ш9 щек тЩ9 а также соотношением радиуса кривошипа г и расстояния центра масс щеки от оси KB рщ:

Щс ~ ^ш.ш + ^АПЩ г— .

Геометрическое место конца вектора RK ш представляет собой полярную диаграмму, ориентированную относительно оси неподвижного KB, вращение которого заменяется вращением цилиндра в обратную сторону.

При построении полярной диаграммы силы RK ш предполагается, что каждая коренная шейка воспринимает половину нагрузки, действующей на смежные кривошипы. Для построения полярной диаграммы силы Як ш используются полярные диаграммы сил, действующих на шатунные шейки.

Полярная диаграмма силы RK ш, действующей на первую и последнюю (крайние) коренные шейки, может быть получена посредством смещения полюса полярной диаграммы нагрузок, действующих на шатунную шейку, из точки О, в точку Оъ что Адекватно геометрическому сложению сил Яш ш и Кг Отрезок 0,02 , мм чертежа, отражающий значение силы Кп определяется по выражению

где т'к — конструктивная масса неуравновешенной части кривошипа, кг/м2 (масса, отнесенная к единице площади поршня); г — ра-