Тепловой расчет двигателя

     ;

     , принимаем  .

    Длина от оси верхней головки шатуна до центра тяжести:

     .

    Заменим массу шатуна на две эквивалентные  массы, сосредоточенные на концах шатуна. Тогда масса шатуна:

     .

    Найдем  эквивалентные массы из системы  соотношений:

    

    В этом случае возникает дополнительный момент от пары сил. Ввиду незначительности дополнительного момента – его учитывать не будем.

Приведение  масс кривошипа:

    Масса кривошипа:

     ,

    где – масса шатунной шейки:

 м – диаметр шатунной шейки;

 м – длина шатунной шейки;

 – плотность материала  коленвала;

 кг. 

           – масса щеки:

 м – толщина щеки;

 м – высота и ширина  щеки;

кг.

 м – расстояние от оси  кривошипа до центра масс щеки.

      кг.

Эквивалентная схема КШМ:

 

    Вычисляем поступательно и вращательно  движущиеся массы:

      кг – поступательно движущиеся  массы;

      кг – вращательно движущиеся  массы.

Силы  и моменты, действующие  в КШМ:

Силы  инерции:

1. Сила инерции  поступательно движущихся масс:

      шаг 10°.

     , данные в таблицу [2].

где – сила инерции первого порядка;

     – сила инерции второго  порядка.

    Эти силы действуют по оси цилиндра и  как и силы давления газов считаются  положительными, если направлены к  оси коленчатого вала, и отрицательными, если направлены от коленвала. 
 

2. Сила инерции  вращающихся масс:

.

    Сила  приложена в центре шатунной шейки, постоянна по величине и направлению  и направлена по радиусу кривошипа.

Силы  давления газов:

    Силы  давления газов в цилиндре двигателя  в зависимости от хода поршня определяются по индикаторной диаграмме, построенной  по данным теплового расчета.

    Сила  давления газов на поршень действует  по оси цилиндра:

     , где

      – давление газов в цилиндре  двигателя, определяемое для соответствующего  положения поршня по индикаторной  диаграмме;

      – давление в картере;

      – площадь поршня.

    Результаты  заносим в таблицу.

Суммарная сила:

    Суммарная сила – это алгебраическая сумма  сил, действующих в направлении  оси цилиндра:

     .

Сила, действующая вдоль  шатуна:

     , где

      – угол наклона шатуна  относительно оси цилиндра.

Сила  перпендикулярная оси цилиндра:

    Эта сила создает боковое давление на стенку цилиндра.

     .

Сила, действующая вдоль  кривошипа:

     .

Сила, создающая крутящий момент:

     .

Крутящий  момент одного цилиндра:

     . 

    Вычисляем силы и моменты, действующие в  КШМ через каждые10° поворота кривошипа. Результаты вычислений заносим в таблицу [3], строим графики сил и моментов.

Крутящий  момент двигателя:

      Имеющийся график отнесём к каждому из цилиндров в соответствии с порядком работы. Просуммировав два полученных графика, получаем график суммарного крутящего момента .

Опрокидывающий  момент:

    Момент  стремящийся опрокинуть двигатель  называется реактивным моментом. Он всегда равен крутящему моменту двигателя но противоположен ему по направлению. 

 

    

5. Уравновешивание двигателя

 

    В уравновешенном двигателе при установившемся режиме работы силы и моменты сил, передаваемые на его опоры, постоянны  по величине и направлению или равны нулю.

    Уравновешивание можно осуществить двумя способами:

1. расположение определенным образом цилиндров и выбором такой кривошипной системы коленчатого вала, чтобы переменные силы инерции и их моменты взаимно уравновешивались;
2. созданием с помощью дополнительных масс (противовесов) новых сил, в любой момент времени равных по величине, но противоположных по направлению основным уравновешиваемым силам.

          Динамический расчёт показывает, что на КШМ действуют:

          - силы  инерции  поступательно движущихся масс и ,

          - центробежные силы  инерции  ,

          - возникают моменты  , , , .

          Все эти силы и  моменты вызывают неуравновешенность двигателя.

          Следует учитывать, что опрокидывающий (крутящий) момент уравновесить невозможно, так как  двигатель имеет один коленчатый вал. Следовательно, считаем двигатель уравновешенным, если выполняются следующие условия:

          S =0, S =0,

          S =0, S =0,

          S =0,S =0.

     Для двухтактного двухцилиндрового рядного  двигателя с кривошипами под  углом 180° имеем:

    S ;

    

    S . 

    Уравновешивание оставшихся сил и моментов:

    1) Силы инерции второго порядка  обоих цилиндров всегда имеют  взаимно одинаковое направление  и поэтому не уравновешиваются, а дают свободную силу:

    

    или

     .

    Эта сила действует по оси параллельной осям цилиндров и проходящей через  середину коленчатого вала, и может  быть уравновешена только противовесами, установленными на дополнительных валах, вращающихся навстречу друг другу с угловой скоростью 2w:

    радиус  вала принимаем  ;

    Масса противовеса рассчитывается из условия:

     ;

    где л – сила, возникающая при вращении уравновешивающего вала;

      – диаметр уравновешивающего  вала;

      кг – масса противовеса  на уравновешивающем валу. 

    2) Неуравновешенный момент от сил  инерции первого порядка вызывает  продольные колебания двигателя.  Уравновесим этот момент установкой двух валов с противовесами, вращающимися в разные стороны с угловой скоростью w.

    

    Момент  на одном уравновешивающем валу будет  равен:

     ,где

      м – радиус уравновешивающего  вала;

      м  - длина уравновешивающего  вала.

    Общую массу вала находим из:

    

      кг,

    так как масса на валу распределена по его концам на две равные части, то каждая из них равна:

      кг. 

    3) Величина момента от центробежных  сил инерции, действующего во  вращающей плоскости коленчатого  вала:

     .

    Этот  момент может быть полностью уравновешен  установкой противовесов с массой на продолжении щек коленвала.

    Масса , расположенная на расстоянии от оси коленчатого вала, определяется аналогично предыдущему:

    

    откуда

      кг. 

 

    

6. Расчет  на прочность основных деталей КШМ

 

    Максимальная  сила давления газов на поршень:

     , где

 – максимальное давление  сгорания;

      –площадь поршня;

ПОРШЕНЬ

    При проектировании геометрические параметры  поршня принимают на основе эмпирических зависимостей и статических данных, приведенных в таблице [3].

    Затем производим проверочный расчет на прочность  и износостойкость элементов  поршня.

1. Напряжение изгиба.

, где 

 – внутренний диаметр поршня;

 – толщина днища.

.

Предельное  напряжение изгиба:

 

2. Проверочный расчет на сжатие.

, где

 – площадь опасного сечения;

 – толщина стенки поршня.

.

Предельное  напряжение сжатия:

 

3. Наибольшее  условное давление.

По  нему проверяют поверхность отвердения под поршневой палец.

, где

 – диаметр поршневого пальца;

 – длина пальца в одном  приливе.

.

Допустимое  удельное давление .

ПОРШЕНЕВОЙ  ПАЛЕЦ

 

    Во  время работы поршневой палец  подвергается воздействию переменных по величине нагрузок, носящих большей частью ударный характер. В поршневом пальце появляются напряжения изгиба, среза и овализации, вызывающие его поломку.

1. Износостойкость пальца оценивают по удельным давлениям между втулкой шатуна и бобышками поршня и опорными поверхностями пальца.

, где

 – сила инерции от массы  поршневой группы.

 – длина втулки шатуна.

.

, где

 – сила инерции от массы  поршневой группы без массы  пальца, действующая на бобышки;

;

 – длина пальца в одном  приливе.

.

Для современных двигателей:

, . 

2. Напряжение  изгиба в среднем сечение пальца: