Визначення середнього крутного моменту двигуна

Середнє значення крутного моменту визначають через середнє за цикл значення Т_ср сумарної тангенціальної сили Т_Σ. Найпростіший спосіб її знаходження полягає у підрахунку площі F_д під кривою Т_Σ і ділення її на довжину діаграми L_д з урахуванням масштабу μ_P побудови графіка Т_Σ :

Т_ср = (F_д·μ_P/L_д). (4.12)

При цьому площу під віссю абсцис слід вважати від'ємною. Підрахунок площі не викликає труднощів, якщо графік Т_Σ побудовано на міліметровому папері.

Значення площі F_д можна обчислити, скориставшись графоаналітичним методом – методом трапецій. Для цього побудовану криву Т_Σ ділять на довільні частини вертикальними лініями (чим більше – тим точніше буде обчислена F_д) і підраховують та сумують з урахуванням знаку площі одержаних окремих ділянок, які по формі вважають трапеціями.

При поділі кривої на досить велику кількість рівних частин середнє Т_ср значення сумарної тангенціальної сили Т_Σ знаходиться як середнє арифметичне всіх ординат.

Підставляючи одержане значення площі F_д і довжини L_д діаграми у формулу 4.11 та враховуючи масштаб побудови діаграми μ_Р одержуємо значення середнього крутного моменту двигуна:

М_кр = (F_д·μ_P/L_д)·(πD²/4)·r·10⁶ = T_cр·(πD²/4)·r·10⁶, Нм (4.13)

Визначене за формулою 4.13 значення крутного моменту не враховує величини втрат на тертя (індикаторний крутний момент), які у тепловому розрахунку визначені через механічний ККД η_м. З урахуванням механічного ККД ефективний момент на колінчастому валу двигуна буде рівним:

М_е = М_КР·η_М, Нм. (4.14)

Величина М_е, знайдена за формулою 4.14 повинна співпадати зі значенням ефективного крутного моменту, визначеному в тепловому розрахунку (розділ 3). Розбіжності у значеннях вказують на наявність помилок у динамічному розрахунку чи при побудові графіків сил, які слід виявити та усунути до перевірки розділу з допомогою ЕОМ.

4.8. Для перевірки четвертого розділу на ЕОМ студент повинен заповнити таблицю 4.1 та підготувати дані у вигляді таблиці за зразком (табл.4.4). Параметри 9...13 при вводі в ЕОМ беруться безпосередньо з таблиці 4.1. Список додаткових завдань до розділу наведено у додатку 4.

Крім означених у таблиці 4.4 параметрів для побудови діаграм на екрані ЕОМ слід додатково знати кут розвалу циліндрів γ (для V-подібного двигуна) та кут між шатунними шийками колінчастого валу α. Ці дані приймають по двигуну-прототипу.

4.9. При задовільній якості виконання розрахунків по розділу 4 ЕОМ видруковує дані, які слід занести до таблиці 4.1: значення N, Р_шш та R_шш. Про бокову силу N, графік якої слід побудувати, було сказано вище (підрозділ 4.4). Сили Р_шш та R_шш є силами, що навантажують шатунну шийку KB. Про них слід сказати окремо.

Таблиця 4.4.

Список параметрів динамічного розрахунку двигуна для вводу в ЕОМ

№№ пп	Параметри: назва та позначення (приведені російською мовою як на екрані ЕОМ)	Одиниця виміру	Значення
46.	принятое отношение λ = r/ 1ш	–
47.	принятый ход поршня по инд. диаг.Sп, L	мм
48.	принятая отн. масса поршня m’п, mп	кг/ м2
49.	принятая отн. масса шатуна m’ш, mш	кг/ м2
50.	неуравн. массы колена вала m’к, m	кг/ м2
51.	распред. масс шатуна = 0.275?, ľ	–
52.	шаг постр. диаграммы, градусов, t	˚ПКВ
53.	относительный дезаксаж КШМ, а	–
Для угла поворота кривошипа, равного хградусов, введите значения параметров с учетом знака:
54.	перемещения поршня от ВМТ Sп =	мм
55.	силы ин. пост. движ. масс РJ =	МПа
56.	силы давл. газов в цил. Рg =	МПа
57.	суммарной силы РS =	МПа
58.	суммарной танг. силы ТS =	МПа

4.9.1. Зі сторони шатуна на шатунну шийку діє сила Р_ш , яку розкладають на дві складові: тангенціальну Т_S, яку ми вже визначили, та нормальну Z_S, що діє вздовж осі кривошипа:

Z_S = P_с·cos(α + β)/cosβ, МПа (4.15)

До сили Z_S додається сила інерції від обертання маси m_ш нижньої головки шатуна Р_S, що також діє вздовж осі (по радіусу) кривошипа:

P_S = – (1 – ľ)·m_ш·r·ω²·10^-6, МПа, (4.16)

де (1 – ľ)·m_ш – частина маси шатуна, віднесена до нижньої головки. Позначення інших величин відповідає формулам 4.7 та 4.8.

Сили Z_S та P_S діють по одній лінії і тому їх можна сумувати з урахуванням знаку. Їх алгебраїчна сума позначена Р_шш = Z_S + P_S і складає колонку P_шш таблиці 4.1.

4.9.2. Результуюче навантаження на шатунну шийку з боку шатуна може бути знайдене, як векторна сума сил Т_S та P_шш, кут між якими завжди дорівнює 90° і тому величина сумарної сили визначається як:

(4.17)

Значення результуючого навантаження на шатунну шийку R_шш повинно бути занесено до відповідної колонки таблиці 4.1.

За результатами розрахунків T_S та Р_шш будується діаграма навантаження на шатунну шийку (індивідуальне завдання, розділ 6).

При задовільній якості виконання четвертого розділу і високому рейтингу студента при перевірці Програма може запропонувати виконати індивідуальне завдання – шостий розділ. Якщо студент претендує на відмінну оцінку то замість призового розрахунку характеристики двигуна буде додано 20 балів. Якщо рейтинг студента недостатньо високий, а четвертий розділ виконано з високою якістю, то пропонується приз – розрахунок швидкісної характеристики двигуна. Шостий розділ може бути виданий викладачем після своєчасного і якісного оформлення чистовика перших п'яти розділів.

Список додаткових завдань, які Програма може давати у деяких випадках, наведено у додатку 4. Для успішного їх вирішення при перевірці необхідно мати чернетку розрахунків та калькулятор.

Розділ 5. Розрахунок швидкісної характеристики двигуна

Швидкісна характеристика двигуна необхідна для подальшого проектування трактора чи автомобіля. На основі швидкісної характеристики виконують розрахунок тягової характеристики трактора, визначають тягово-динамічні показники автомобіля, проводять аналіз економічності проектованої машини.

На стадії проектування швидкісну характеристику одержують за допомогою методу подібності, враховуючи той факт, що характер протікання процесів (наповнення циліндрів, термічного і механічного ККД, згоряння палива та ін.), що впливають на формування швидкісної характеристики, для однотипних двигунів однаковий, незалежно від номінальної потужності, номінальної частоти обертання KB і т.д. Можна вказати декілька різновидів використання методу подібності при розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики:

а). Табличний метод – характеристика задається у вигляді таблиці у безрозмірних координатах (частота обертання KB, потужність або крутний момент і годинна або питома витрата палива у відсотках від номінального значення).

б). Аналітичний метод – залежності потужності або крутного моменту та годинної або питомої витрати палива від частоти обертання KB виражаються емпіричними рівняннями, одержаними на основі математичної обробки статистичних даних по двигунах певного класу (дизелі, карбюраторні, газові двигуни різного призначення).

в). Метод теплового розрахунку двигуна для різних значень частоти обертання KB.

Достовірність результатів, одержаних різними методами, відрізняються мало, похибка розрахованої характеристики від одержаної випробуваннями двигуна може становити 5...8%. За різних обставин при проектуванні віддають перевагу різним методам розрахунку.

5.1. При наявності даних швидкісної характеристики прототипу (додаток 1) можна скористатися методом подібності, обчислюючи коефіцієнти перерахунку параметрів:

К_N = N_e/N_епр (5.1)

та

К_G = G_т/G_тпр (5.2)

де N_е та N_епр – номінальні потужності проектованого двигуна та прототипу, відповідно;

G_т та G_тпр – годинна витрата палива на номінальному режимі для проектованого двигуна та прототипу, відповідно.

Після обчислення коефіцієнтів перерахунку знаходять для кожної частоти обертання двигуна n_x, значення яких повинні відповідати даним прототипу, відповідні значення потужності та годинної витрати палива:

N_ex = N_епрх·К_N (5.3)

та

G_тх = G_тпрх·К_G (5.4)

Значення крутного моменту М_ех та питомої витрати палива g_ех обчислюють за формулами:

M_eх = 9550·N_eх/n_х (5.5)

та

g_eх = 1000·G_тх/N_eх, (5.6)

підставляючи поточні значення N_ех, G_тх та n_х.

Дані розрахунків заносять до заздалегідь підготовленої таблиці (див. табл. 5.2 – зразок)

5.2. При відсутності даних характеристики прототипу можна скористатись табличним методом та відомими співвідношеннями між параметрами відносної швидкісної характеристики [11]:

Для дизелів:

Частота обертання KB n, %
Ефективна потужність Nе, %
Питома витрата палива gе, %						-

Для карбюраторних двигунів:

Частота обертання KB n, %
Ефективна потужність Nе, %
Питома витрата палива gе, %							-

Значення М_ех та G_тх обчислюють, як було вказано вище, за формулами 5.5 та 5.6, яка набуває виду:

G_тх = g_eх·N_eх,/1000 (5.7)

Дані розрахунків заносять до таблиці 5.2.

Для дизелів табличні дані приведені до значення частоти обертання 100%. При збільшенні частоти обертання спрацьовує регулятор-обмежувач обертів і характеристика практично лінійно падає. При холостому ході (М_е = 0, N_е = 0) частота обертання збільшується не більше, ніж на 6...7% від номінальної, годинна витрата палива G_T при цьому становить 25...30% від номінальної, а питома витрата палива g_е дорювнюе безконечності - втрачається її фізична суть.

Для карбюраторних двигунів вантажних автомобілів обмеження частоти обертання здійснюють однорежимним регулятором-обмежувачем, який прикриває дросельну заслінку при досягнення частоти обертання 120...125 % від номінальної.

5.3. При використанні аналітичного методу потужність N_х розраховують, задаючись частотою обертання n_X, по емпіричній формулі [2]:

(5.8)

де N_е – номінальна потужність двигуна, розрахована у розділі 3;

n_n та n_x – номінальна та поточна частоти обертання KB;

А та Б – коефіцієнти, які при розрахунку вибираються в залежності від типу двигуна (таблиця 5.1).

Питому витрату палива g_е розраховують за аналогічною емпіричною залежністю [11]:

(5.9)

де g_е – ефективна питома витрата палива з теплового розрахунку;

Г та Д – коефіцієнти з таблиці 5.1.

Таблица 5.1.

Значення коефіцієнтів апроксимуючого рівняння швидкісної характеристики

Коєфіциєнти Тип двигуна:	А	Б	Г	Д
Карбюраторний	1,00	1,00	1,20	1,20
Дизель з нерозділеною КЗ	0,87	1,13	1,55	1,55
Дизель з розділеною КЗ	0,65	1,35	1,65	1,65

Дані розрахунків N_е = f(n) та g_e = f(n) заносять до підсумкової таблиці 5.2 і за формулами 5.5 та 5.6. обчислюють недостаючі значення крутного моменту М_е та годинної витрати палива G_т. Крім того, обчислюють параметри максимальних обертів холостого ходу (див. нижче).

5.4. Для застосування методу теплового розрахунку при побудові зовнішньої швидкісної характеристики [15] необхідно знати залежність багатьох коефіцієнтів, які використовуються у тепловому розрахунку (наповнення циліндрів, показники політроп, коефіцієнт залишкових газів і т.д.) від частоти обертання двигуна. Ці коефіцієнти можуть бути наближено обчислені через емпіричні залежності, що одержують на основі результатів випробувань багатьох однотипних двигунів.

Метод набагато трудомісткіший і може бути рекомендований лише при виконанні обчислень з допомогою ЕОМ, тим паче, що одержані результати не є достовірнішими. Переваги методу полягають у можливості аналізу факторів, які впливають на протікання характеристики, і, в разі необхідності, її корректування. Це може виявитися необхідним для покращення властивостей проектованого трактора чи автомобіля, дає можливість вжити відповідних конструктивних заходів ще на стадії проектування машини, скорочуючи термін впровадження нових машин та зменшуючи витрати коштів.

Таблиця 5.2.

Результати розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики двигуна

Частота обертання КВ, об/хв	Потужність, кВт	Крутний момент, Нм	Витрата палива	Циклова подача, мм3/цикл
годинна, (кг/год)	питома (г/кВтгод)
440,0 880,0 1320,0 1760,0 2200,0	12,1 29,1 47,5 61,7 70,9	261,6 315,4 343,7 334,7 307,8	3,7 7,3 10,9 13,5 16,3	310,0 252,6 229,7 218,2 229,7	84,57 82,87 82,00 75,89 73,44
Режим максимальної частоти обертання холостого ходу:
2320,0	0,0	0,0	4,2	-	17,32
Масштаби побудови графіків:	μN = ____ кВт/мм	μМ =____ Нм/мм	μG = ____ (кг/год)/мм	μg = ____ (г/кВтг)/мм	μq = ____ мм3/цкл/мм

5.5. Режим максимальної частоти обертання холостого ходу двигуна розраховують, керуючись такими міркуваннями:

Для дизелів, які обладнані всережимним регулятором, координати точки максимальних обертів будуть:

частота обертання n_maх = (1,06...1,07)·n_nom,

потужність N_е = 0,

годинна витрата палива G_т = (0,25...0,3)·G_тном.

При відсутності обмежувача частоти обертання (карбюраторні двигуни легкових автомобілів):

частота обертання n_max = (1,15...1,25)·n_nom,

потужність N_e = (0,95...0,76)·N_en,

годинна витрата палива G_т = (1,0...0,9)·G_тном.

Карбюраторні двигуни вантажних автомобілів обов’язково обладнують обмежувачем частоти обертання KB, який обмежує частоту обертання на холостому ходу:

частота обертання n_max = (1,25...1,30)·n_nom,

потужність N_e = 0,

годинна витрата палива G_т = (0,3...0,35)·G_тном.

5.6. Розрахункова циклова подача палива q_ц паливним насосом високого тиску (ПНВТ) поміщається у останній колонці таблиці 5.2 і розраховується за формулою:

q_ц = (g_е·N_e·1000)/(30·n·i·γ_п), мм³/цикл (5.10)

де n – частота обертання KB, об/хв;

і – число циліндрів;

γ_п – густина палива у кг/дм³; (для дизельного пального γ_п = 0,80...0.85, для бензину – 0,72...0,78).

Розрахункову циклову подачу палива можна вважати вихідними даними для проектування ПНВТ майбутнього двигуна, або даними для регулювання насоса, якщо буде використовуватися готовий насос. Звичайно, ці дані будуть уточнені при випробуваннях двигуна. Загальний вигляд розрахованої і побудованої кривої циклової подачі ПНВТ слід порівняти з експериментальною швидкісною характеристикою ПНВТ, одержаною на лабораторних заняттях лабораторного практикуму по ДВЗ.

Значення циклової подачі при проектуванні карбюраторного двигуна може бути використане для обчислення витрати палива через жиклери карбюратора, підбору параметрів дозуючих систем та побудови характеристики карбюратора.

До таблиці 5.2 слід також занести значення масштабів, прийнятих при побудові графіків (див. зразок).

5.7. Зовнішня швидкісна характеристика проектованого двигуна повинна бути побудована на окремому аркуші міліметрового паперу формату А4 з дотриманням масштабів (рис. 5.1). Рекомендується приймати масштаби потужності μ_N у кВт/мм, крутного моменту μ_M у Нм/мм, годинної витрати палива μ_G у (кг/год)/мм, питомої витрати палива μ_g, у (г/кВтгод)/мм та величини циклової подачі q_ц у (мм³/цикл)/мм з ряду чисел:

(0,01 0,02 0,025 0,04 0,05 0,075)·10ⁿ

де n – ціле число або нуль.

При побудові характеристики початок шкали g_е = f(n) вибирають з умови вільного розташування кривої g_e = f(n) відносно інших графіків. На зразку рис. 5.1 шкала питомої витрати палива починається зі значення „200”.

Таблицю розрахунків характеристики заповнюють згідно зразка (таблиця 5.2). Дані будуть використані при подальших розрахунках трактора чи автомобіля.

Для контролю правильності розрахунків по запиту ЕОМ слід ввести дані таблиці 5.2 та значення ординат побудованої характеристики.

Рис. 5.1. Зовнішня швидкісна характеристика проектованого двигуна (зразок)

Програма для перевірки курсового проекту за умови правильного виконання динамічного розрахунку (попередній розділ) дозволяє обчислити параметри зовнішньої швидкісної характеристики майбутнього двигуна методом теплового розрахунку та вивести на екран значення всіх суттєвих параметрів для різних частот обертання KB з метою їх аналізу.

Таблицю даних розрахунку зовнішньої швидкісної характеристики двигуна, видану студенту, як заохочення за добросовісну роботу, слід доповнити останньою точкою – точкою максимальної частоти обертання холостого ходу.

Розділ 6. Розрахунок систем та механізмів двигуна.

Студентам, які повністю, своєчасно і з задовільною якістю виконали і оформили розрахунки двигуна (розділи 1...5), пропонується додаткове завдання по розрахунку одного з механізмів чи систем для проектованого двигуна. Індивідуальне завдання пропонує ЕОМ після перевірки правильності динамічного розрахунку двигуна (детально умови одержання додаткового завдання викладено у додатку 5).

Без виконання індивідуального завдання курсова робота не оцінюється вище, ніж на “добре”. Одержання індивідуального завдання ще не гарантує оцінку “відмінно”.

При відмінній якості виконання індивідуального завдання, захисту першої частини курсової роботи в цілому на “відмінно” і захисту лабораторних робіт лабораторного практикуму, студент може бути звільненим від складання іспиту з дисципліни “Будова, основи теорії і розрахунку автотракторних двигунів”.

Методику розрахунку індивідуальних завдань можна знайти у рекомендованій літературі.

При виконанні індивідуального завдання особливу увагу слід звернути на повне викладення методики розрахунку, самі ж розрахунки вдається виконати не завжди: іноді для їх виконання недостає вихідних даних. В такому разі слід обмежитися детальним аналізом методики. Проектант повинен проявити максимальну самостійність у вирішенні проблем, які виникнуть при виконанні індивідуального завдання.

Перелік індивідуальних завдань.

6.1. Проаналізувати зрівноваженість проектованого двигуна, виявити неврівноважені сили і моменти, оцінити їх вплив на роботу двигуна. Дати обгрунтовані рекомендації по, повному зрівноваженню двигуна та запропонувати врівноважуючі пристрої і механізми, розрахувати необхідні параметри цих пристроїв чи механізмів привести схеми та ескізи.

6.2. За даними динамічного розрахунку побудувати полярну діаграму навантаження на шатунну шийку KB, розрахувати та побудувати діаграму зносу шатунної шийки, визначити місце розташування отвору для підводу масла до шатунного підшипника.

6.3. Для проектованого двигуна спроектувати маховик: визначити необхідний момент інерції, основні розміри, дати ескіз маховика, оцінити нерівномірність ходу двигуна.

6.4. Обґрунтувати та вибрати будову поршня для проектованого двигуна, визначити конструктивні розміри, оцінити міцність та привести креслення поршня згідно з розрахунками.

6.5. Обґрунтувати та вибрати будову компресійних та маслознімних кілець, призначити їх кількість, матеріал та термообробку, визначити конструктивні розміри компресійних кілець та провести оцінку їх міцності методом перевірочного розрахунку.

6.6. Обґрунтувати розміри, матеріал та термообробку поршневого пальця, провести перевірочний розрахунок його міцності, викреслити епюри деформацій, вказати небезпечні перерізи, призначити посадки та допуски на виготовлення. Дати робоче креслення поршневого пальця.

6.7. Обґрунтувати будову шатуна, призначити матеріал для його виготовлення, означити всі сили, що діють на шатун, провести перевірочний розрахунок міцності шатуна. Дати робоче креслення шатуна.

6.8. Обґрунтувати та вибрати схему газорозподільного механізму для проектованого двигуна, призначити фази газорозподілу. Побудувати діаграми під'йому, швидкості і прискорення клапана.

6.9. Обґрунтувати та вибрати схему газорозподільного механізму для проектованого двигуна, призначити фази газорозподілу. Побудувати діаграми підйому та параметра "час-переріз" клапана.

6.10. Обґрунтувати та вибрати схему газорозподільного механізму для проектованого двигуна, призначити фази газорозподілу. Скласти схему розташування кулачків на розподільчому валі та провести розрахунок клапанної пружини.

6.11. Обґрунтувати схему системи мащення для проектованого двигуна і вибрати типи основних агрегатів: масляного насоса, фільтра чи фільтрів, масляного радіатора. Привести детальну схему системи мащення.

6.12. Вибрати схему та обґрунтувати параметри системи рідинного охолодження для проектованого двигуна. Розрахувати параметри насоса, вентилятора, радіатора. Привести повну схему системи охолодження.

6.13. Обґрунтувати та вибрати систему пуску проектованого двигуна, проаналізувати розраховані параметри двигуна на предмет прогнозування пускових властивостей, обчислити потужність пускового пристрою, вибрати механізми і системи для полегшення пуску при низьких температурах.

Література