Автомобильные двигатели. Конструкция и расчет автомобильных двигателей: Программа и методические указания к изучению раздела курса

Министерство образования Российской Федерации Хабаровский государственный технический университет

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Программа и методические указания к изучению раздела курса для студентов специальности 150500 «Автомобили и автомобильное хозяйство» заочной формы обучения

Хабаровск Издательство ХГТУ 2002 1

УДК 621.431

Автомобильные двигатели. Конструкция и расчет автомобильных двигателей: Программа и методические указания к изучению раздела курса для студентов специальности 150500 «Автомобили и автомобильное хозяйство» заочной формы обучения / Сост. В. Д. Басаргин. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 2002. – с.

Работа подготовлена на кафедре «Двигатели внутреннего сгорания». Включает программу второй части курса, вопросы для самопроверки, список литературы.

Печатается в соответствии с решениями кафедры «Двигатели внутреннего сгорания» и методического совета заочного факультета.

© Издательство Хабаровского государственного технического университета, 2002

2

ПРОГРАММА КУРСА Раздел Ш. КОНСТРУКЦИЯ И РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Тема 1. Кинематика и динамика двигателей Путь, скорость и ускорение поршня в двигателях с центральным кривошипным механизмом. Их аналитические зависимости от угла поворота коленчатого вала. Особенности кинематики V–образных двигателей. Выбор основных размеров кривошипного механизма. Значение средней скорости поршня. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра и отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Силы и моменты, действующие в системе кривошипного механизма одноцилиндрового двигателя; их аналитическое выражение и соотношение. Силы от давления газов в цилиндре двигателя. Приведение масс частей кривошипного механизма. Редуцирование массы шатуна и условия эквивалентности приведенной системы. Силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс. Суммарные силы и моменты, действующие в кривошипном механизме одноцилиндрового двигателя. Построение диаграмм усилий на поршень, на стенку цилиндра, а также тангенциальных и радиальных усилий на шатунную шейку вала по углу поворота кривошипа. Полярные диаграммы нагрузок на шатунную шейку коленчатого вала и диаграммы износа. Построение кривой суммарного крутящего момента по углу поворота вала для многоцилиндровых двигателей и нахождение наиболее нагруженного колена. Силы и моменты, вызывающие неуравновешенность двигателя. Общие условия уравновешенности и задачи уравновешивания. Уравновешивание центробежных сил. Многоколенные коленчатые валы автомобильных двигателей. Расположение и подбор противовесов для уравновешивания центробежных сил инерции и моментов от этих сил. Статическая и динамическая балансировка вала двигателя. Уравновешивание сил инерции возвратно-поступательно движущихся . Методические указания При изучении вопросов темы следует обратить особое внимание на следующие моменты: • Аналитические зависимости пути, скорости и ускорения поршня от угла поворота коленчатого вала φ являются приближенными зависимостями, так как при переходе от угла β к углу φ учтена неточная формула, а взяты лишь первые два члена бинома Ньютона, что позволяет рассматривать изучаемые величины как сумму только двух гармоник (первого и второго порядка). 3

• Периодические вспышки в цилиндрах двигателя приводят к неравномерности вращения его коленчатого вала даже при постоянной средней частоте вращения, при этом при выводе аналитических зависимостей пути, скорости и ускорения поршня она принимается постоянной d πn =ω= = const. dt 30

Кинематика V – образных двигателей зависит от способа соединения шатунов с кривошипной шейкой коленчатого вала. Существует два основных метода соединения: 1) сдвоенный кривошипный механизм, в котором оба шатуна (левого и правого цилиндров) непосредственно крепятся к одной кривошипной шейке; 2) кривошипный механизм с прицепным шатуном, в котором один шатун соединён непосредственно с кривошипной шейкой (главный шатун), а второй шатун - с нижней головкой главного шатуна (прицепной шатун). Кинематические соотношения сдвоенного кривошипного механизма для каждого ряда цилиндров такие же, как и для центрального кривошипного механизма, если рассматривать каждый ряд в отдельности и отсчет углов φ вести от левого цилиндра, принимая за начало отсчета положение поршня левого цилиндра в в.м.т., а для правого цилиндра от положения кривошипа при нахождении правого поршня в в.м.т. Если же отсчет углов φ вести от вертикальной оси, расположенной между цилиндрами, то в аналитических зависимостях для пути, скорости и ускорения поршня вместо угла φ для левого цилиндра нужно принимать угол (φ + γ) , а для правого цилиндра (φ - γ). Кинематические соотношения в кривошипном механизме с прицепным шатуном имеют сложные зависимости, отличные от центрального механизма. В автомобильных двигателях этот метод соединения шатунов с кривошипной шейкой коленчатого вала встречается редко, поэтому он не рассматривается в данном разделе. Следует внимательно изучить вопросы определения действующих нагрузок в кривошипном механизме, а также суммарных сил и моментов, возникающих от действующих нагрузок в различных элементах кривошипного механизма. [1, с. 336–352; 2, с. 194-197 и 204–250; 3, с.53–55, 90–132 и 138–176] Вопросы для самопроверки 1. Получите аналитическим путем величины пути, скорости и ускорения в зависимости от угла поворота коленчатого вала для выбранной схемы кривошипного механизма двигателя. 2. Каковы особенности смещенного кривошипного механизма и какой величиной он характеризуется? 4

3. Какие схемы кривошипного механизма применяются для V-образных двигателей? 4. Назовите диапазон изменений средних скоростей перемещений поршня и перечислите факторы, влияющие на выбор величины отношения радиуса кривошипа к длине шатуна? 5. Перечислите все действующие в кривошипном механизме силы. 6. Как производится перестроение индикаторной диаграммы в развернутую диаграмму по методу профессора Брикса? 7. Какие суммарные силы действуют на детали кривошипного механизма? 8. Приведите методику построения полярных диаграмм нагрузок на шатунную шейку коленчатого вала двигателя? 9. Какой двигатель считается уравновешенным и каковы общие условия уравновешенности? 10. Какие условия обеспечивают статическую и динамическую балансировку коленчатого вала двигателя? 11. Как осуществляется подбор противовесов для уравновешивания центробежных сил инерции и моментов от этих сил? 12. Как осуществляется уравновешивание сил инерции первого и второго порядков и моментов от этих сил в одноцилиндровом двигателе? 13. Как определяются равнодействующие сил инерции первого и второго порядков и их моментов в многоцилиндровых двигателях? С какой целью уравновешенные валы многоцилиндровых двигателей снабжаются противовесами? Тема 2. Колебательные процессы и равномерность хода двигателя Высокочастотные и низкочастотные вибрации двигателей. Возмущающие факторы. Механические колебания, возбуждаемые при работе двигателя. Методы подавления вибраций. Анализ кривых крутящего момента многоцилиндровых двигателей. Крутильные колебания коленчатого вала. Неравномерность хода двигателя. Меры, обеспечивающие получение требуемой равномерности хода. Подбор маховика автомобильного двигателя из условия трогания машины с места. Методические указания Основное внимание при изучении этой темы необходимо уделить анализу кривых крутящего момента и кривых изменений угловой скорости вращения коленчатого вала двигателя, различая при этом неравномерность крутящего момента и неравномерность хода. Если неравномерность крутящего момента при установившемся режиме двигателя зависит только от величин давления газов и сил инерции всех вра5

щающихся масс, приведенных к оси вращения коленчатого вала, то величина коэффициента неравномерности хода двигателя всегда меньше коэффициента неравномерности крутящего момента. [1, с. 353-365, 467; 3, с. 133-137] Вопросы для самопроверки 1. Что называется коэффициентом неравномерности крутящего момента? Как он изменяется с увеличением числа цилиндров? 2. Что вызывает колебания угловой скорости вращения коленчатого вала? Что называется неравномерностью хода двигателя? 3. Чем вызываются крутильные колебания коленчатого вала? Какие типы гасителей крутильных колебаний применяются на автомобильных двигателях? 4. Из каких соображений выбираются моменты инерции маховиков? Тема 3. Конструкция и расчет деталей автомобильного двигателя Особенности конструкции автомобильных карбюраторных двигателей и дизелей. Определение основных размеров двигателя по данным теплового и динамического расчетов. Последовательность проектирования двигателей. Выбор расчетных режимов для различных типов двигателей. Циклические нагрузки. Допускаемые напряжения. Усталостная прочность. Определение запасов прочности при переменных нагрузках и при сложном напряженном состоянии. Конструкции цилиндровых блоков, гильзы, их типы и применяемые материалы. Уплотнение газового и водяного стыков. Повышение износостойкости деталей двигателя. Схемы коленчатых валов и способы их подвески. Головки цилиндров. Конструктивные особенности и применяемые материалы. Оребрение при воздушном охлаждении головок цилиндров. Условия работы и нагрузки на детали поршневой группы. Поршни, их конструктивные формы, применяемые материалы. Тепловая напряженность поршней и мероприятия для отвода тепла от днища поршня. Поршневые кольца. Применяемые конструкции колец и материалы. Поршневой палец. Способы сочленения с поршнем и верхней головкой шатуна. Фиксация пальца от осевых перемещений. Определение основных размеров пальца из условий прочности. Методы повышения прочности и износостойкости. Проверочные расчеты наиболее нагруженных элементов деталей. Конструкции шатунов автомобильных двигателей. Условия работы и основные требования, предъявляемые к ним. Методика расчета шатунов. Выбор опасных сечений. Вкладыши, крышки и болты кривошипной головки шатуна. Применяемые материалы. Методы упрочнения шатунов. Коленчатые валы и их элементы. Условия работы и основные требования, предъявляемые к ним. Факторы, влияющие на форму коленчатого вала. Уплот6

нение концов коленчатого вала. Крепление маховика и шестерен привода навесных агрегатов (механизмов). Подшипники коленчатого вала и их конструкции. Удельные давления на шейки вала. Применяемые материалы. Методы проверки на прочность с учетом усталости материала. При изучении вопросов темы необходимо знать особенности конструкций автомобильных двигателей и область их применения. Четко представлять последовательность начальных стадий проектирования двигателя и используемых методик проверочных расчетов на прочность основных деталей. Расчет деталей производится для нескольких режимов двигателя. Необходимо обосновать выбор расчетного режима исходя из данных технического задания. Учитывая тенденции развития автомобильных двигателей в направлении неуклонного увеличения их скоростного режима, необходимо уметь проводить расчеты на прочность с учетом изменяющихся нагрузок по теории усталостной прочности. Усталостная прочность деталей двигателя зависит от характера изменения нагрузки; пределов усталости

σ −1 , σ −1 p , τ −1 (соответственно при из-

гибе, растяжении-сжатии, кручении) и пределов текучести σ т , τ т материала детали; от самой детали (её размеров, механической и термической обработки, упрочнения поверхности). В зависимости от характера изменения нагрузки в детали возникают напряжения, которые изменяются по симметричному, асимметричному или пульсирующему циклам. Характеристиками каждого цикла являются: максимальное

σ max и минимальное σ min напряжения, среднее напряжение σ m , амплитуда σ min . σ max При переменных нагрузках за опасное напряжение принимается предел усталости (выносливости) или предел текучести. Выбор соответствующего предела при расчете деталей определяется в зависимости от асимметрии цикла напряжений. При возникновении в детали нормальных или касательных напряжений, удовлетворяющих условию цикла σ a и коэффициент асимметрии цикла r =

σa σm

>

βσ − ασ 1 − βσ

или

τa β − ατ > τ , τm 1 − βτ

(1)

расчет производится по пределу усталости (выносливости). При возникновении в детали напряжений, удовлетворяющих условию σa σm