Донбаська державна академія будівництва і архітектури

Кафедра

«АВТОМОБІЛІ ТА АВТОМОБІЛЬНЕ ГОСПОДАРСТВО»

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ДИСЦИПЛІНИ

 

 

"АВТОМОБІЛЬНІ ДВИГУНИ"

Частина 2

(для спеціальності 7.090258

«Автомобілі та автомобільне господарство»)

№ кода 2802

 

Склали: ГОРОЖАНКІН С.А.,

ЧУХАРКІН А.В.

 

Затверджені на засіданні кафедри "Автомобілі та автомобільне господарство"

Протокол № 15 від 10.06.2003

 

 

Макіївка, 2003 р.

 

ЗМІСТ

ТЕМА 18 КІНЕМАТИКА ЦЕНТРАЛЬНОГО КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНІЗМУ_ 4

18.1 Переміщення поршня_ 4

18.2 Швидкість поршня_ 5

18.3 Прискорення поршня_ 6

18.4 Характер руху деталей КШМ_ 6

18.5 Відношення ходу поршня до діаметра циліндра_ 7

ТЕМА 19 ДИНАМІКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНІЗМУ_ 8

ТЕМА 20 ЗРІВНОВАЖЕНІСТЬ ДВИГУНІВ_ 12

20.1 Сили інерції 12

20.2 Маховики і їхній розрахунок_ 15

ТЕМА 21 МАТЕРІАЛИ, ЯКІ ЗАСТОСОВУЮТЬСЯ В АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНАХ І ЇХНІ ВЛАСТИВОСТІ 16

21.1 Умови роботи і вимоги до матеріалів, що використовуються у двигунобудуванні 16

21.2 Конструкційні сталі 17

21.3 Чавуни_ 18

21.4 Кольорові метали_ 20

21.5 Сплави на мідній основі 21

21.6 Алюмінієві сплави_ 21

21.7 Неметалічні матеріали_ 21

ТЕМА 22 ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ДЕТАЛЕЙ ДВЗ НА МІЦНІСТЬ_ 22

22.1 Розрахункові режими_ 22

22.2 Розрахунок деталей з урахуванням перемінного навантаження_ 23

ТЕМА 23 КОРПУСНІ ЕЛЕМЕНТИ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ. ДЕТАЛІ ЦИЛІНДРОВОЇ ГРУПИ 25

23.1 Розрахунок гільзи циліндра_ 25

23.2 Розрахунок силових шпильок кришки циліндра_ 26

ТЕМА 24 РОЗРАХУНОК ДЕТАЛЕЙ ПОРШНЕВОЇ ГРУПИ_ 28

24.1 Розрахунок поршня_ 28

24.2 Розрахунок поршневого пальця_ 29

24.3 Розрахунок поршневих кілець_ 31

ТЕМА 25 РОЗРАХУНОК ДЕТАЛЕЙ ШАТУННОЇ ГРУПИ_ 32

25.1 Розрахунок шатуна_ 32

25.2 Шатунні болти_ 35

ТЕМА 26 ГРУПА КОЛІНЧАСТОГО ВАЛА. КОНСТРУКЦІЯ Й УМОВИ РОБОТИ. ЕЛЕМЕНТИ РОЗРАХУНКУ_ 37

26.1 Конструкція й умови роботи_ 37

26.2 Розрахунок на міцність колінчастого вала_ 38

26.3 Крутильні коливання валів_ 40

26.4 Основні визначення_ 41

26.5 Складання еквівалентних систем_ 42

26.6 Розрахунок колінчастого вала на крутильні коливання_ 42

ТЕМА 27 КОНСТРУКЦІЯ І РОЗРАХУНОК ДЕТАЛЕЙ МЕХАНІЗМУ ГАЗОРОЗПОДІЛУ_ 44

ТЕМА 28 ПРОЕКТУВАННЯ Й РОЗРАХУНОК ЕЛЕМЕНТІВ СИСТЕМИ ЗМАЩЕННЯ_ 49

28.1 Розрахунок масляного насоса_ 49

28.2 Розрахунок масляного радіатора_ 50

ТЕМА 29 КОНСТРУКЦІЯ Й РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ОХОЛОДЖЕННЯ_ 52

29.1 Кількість охолодної рідини_ 52

29.2 Підбір вентилятора_ 53

29.3 Розрахунок оребрення циліндрів двигуна повітряного охолодження_ 54

ТЕМА 30 СИСТЕМИ ВПУСКУ Й ВИПУСКУ_ 55

30.1 Загальні вимоги_ 55

30.2 Повітряні фільтри_ 55

30.3 Впускні і випускні трубопроводи двигунів без наддуву_ 59

30.4 Впускні і випускні трубопроводи двигунів з наддувом_ 60

ТЕМА 31 СИСТЕМИ ПУСКУ ДВИГУНІВ І СПРОЩЕНИЙ ЇХНІЙ РОЗРАХУНОК_ 62

31.1 Способи пуску двигунів автомобілів_ 62

31.2 Особливості пуску карбюраторних двигунів_ 62

31.3 Особливості пуску дизелів_ 62

31.4 Пуск двигуна в зимових умовах_ 63

31.5 Допоміжні способи пуску двигунів_ 64

31.6 Мінімальна пускова частота обертання вала_ 64

31.7 Динаміка пуску_ 65

31.8 Вибір потужності стартера_ 67

ТЕМА 32 РОТОРНО-ПОРШНЕВІ ДВИГУНИ_ 68

ТЕМА 33 ГАЗОТУРБІННІ АВТОМОБІЛЬНІ ДВИГУНИ. ДВИГУНИ ІЗ ЗОВНІШНІМ ПІДВЕДЕННЯМ ТЕПЛОТИ_ 72

33.1 Газотурбінні двигуни_ 72

33.2 Можливості застосування двигунів Стірлінга в автомобільному транспорті 74

ТЕМА 34 ЕЛЕКТРИЧНІ ДВИГУНИ. ПЕРСПЕКТИВНІ ТИПИ АВТОМОБІЛЬНИХ ДВИГУНІВ 76

34.1 Електричні двигуни_ 76

34.2 Двигуни, що працюють на водні 76

34.3 Криогенні двигуни_ 78

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ_ 80

 

ТЕМА 18 КІНЕМАТИКА ЦЕНТРАЛЬНОГО КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНІЗМУ

 

Задача кінематичного розрахунку полягає в визначенні аналітичних залежностей переміщення, швидкості і прискорення поршня від кута повороту колінчастого вала. За даними кінематичного розрахунку виконують динамічний розрахунок, визначають сили і моменти, що діють на деталі двигуна.

При дослідженні кривошипно-шатунного механізму (КШМ) припускають, що кутова швидкість w = const, тому всі кінематичні величини можуть бути виражені у функції кута повороту колінчастого вала j. Розглядаються параметри для аксіального кривошипно-шатунного механізму поршневого ДВЗ. Для дезаксіальних кривошипно-шатунних механізмів при невеликих значеннях дезаксіала (z = A/R < 0.1) співвідношення приблизно такі ж, як і для аксіальних.

 

Переміщення поршня

За вихідне положення механізму приймають положення поршня у ВМТ. При повороті кривошипа на кут j переміщення x поршня від його початкового положення у ВМТ дорівнює відрізку AA` (див. малюнок 18.1), тобто

x = R×(1 - cosj) + L×(1 - cosb),

де b - кут відхилення осі шатуна від осі циліндра.

Звичайно, для двигунів із КШМ уводять безрозмірний параметр l = R/L, який називається відносною довжиною шатуна. З урахуванням цього одержуємо

x = R×(1 - cosj + (1/l)×(1 - cosb)).

Для сучасних ДВЗ значення l складають 0.32...…024.

Кути j і b зв'язані співвідношенням L×sinb = R×sinj.

Звідси sinb = l×sinj.

Після нескладних перетворень і розкладання вираження для x у біномінальний ряд для членів першого і другого порядків можна одержати

x = R×((1 - cosj) + (l/4)×(1 – cos2j)).

Переміщення поршня може бути представлене як сума двох гармонійних переміщень першого і другого порядків:

x₁ = R×(1 - cosj) - переміщення першого порядку, що відповідає переміщенню поршня при нескінченно довгому шатуні;

x₂ = (Rl/4)×(1 – cos2j) - переміщення другого порядку, що представляє собою поправку на кінцеву довжину шатуна.

Поправки на кінцеву довжину шатуна залежать від відношення l = R/L і зі збільшенням цього відношення зростає.

У чотиритактному двигуні j = 0 приймають на початку процесу впуску, а у двотактному j = 0 - на початку робочого ходу.

 

Швидкість поршня

Визначається диференціюванням рівняння для переміщення. Узявши першу похідну цього рівняння за часом, одержимо

v = R×(sinj + (l/2)×sin2j)×w,

де dj/dt = w - кутова швидкість кривошипа.

Аналогічно переміщенню швидкість поршня може бути представлена сумою гармонійних, складових першого порядку і другого порядку. Перша гармоніка швидкості являє собою швидкість поршня при нескінченно довгому шатуні. Гармоніка другого порядку є поправкою до швидкості поршня на кінцеву довжину шатуна.

При русi поршня від ВМТ до НМТ максимальне значення швидкості поршня досягається при куті повороту кривошипа j менш 90°, а при русi в зворотному напрямку - при куті j більш 270°.

Малюнок 18.1 – Схема для визначення переміщення поршня в залежності від кута повороту колінчастого вала

 

 

Аналіз залежностей, що зв'язують середню й максимальну швидкість поршня, дозволяє з достатньою точністю приймати

v_max = 1.62v_ср = 1.62Sn/30.

Прискорення поршня

Цей параметр визначається як похідна від швидкості за часом

j = R×(cosj + l×cos2j)×w².

Відповідно до отриманого вираження прискорення поршня можна представити у виді двох гармонійних складових. Перша виражає прискорення поршня при нескінченній довжині шатуна, друга вносить поправку на кінцеву довжину шатуна і зростає зі збільшенням λ.

З аналізу останнього рівняння можна установити, що поршень має екстремальні значення прискорення при j = 0 і 180°. При j = 0, тобто у ВМТ, абсолютне значення прискорення поршня максимально. При j = 180°, тобто в НМТ, абсолютне значення прискорення поршня менше за модулем і протилежно за знаком. Графіки залежностей переміщення, швидкості й прискорення поршня в залежності від кута повороту колінчастого вала приведені на малюнку 18.2.

Мінімальне значення прискорення поршня j = 0 відповідає куту повороту кривошипа, при якому швидкість поршня має максимальне значення. При l > 0,25 крива має увігнуту форму і прискорення досягає мінімального значення двічі (по обидві сторони від НМТ). При l < 0,25 крива прискорення опукла (прискорення досягає найбільшого негативного значення тільки один раз). Прискорення поршня в транспортних двигунах досить великі і можуть досягати 10000 м/с².

Малюнок 18.2 – Переміщення, швидкість і прискорення поршня в залежності від кута повороту колінчастого вала

 

Характер руху деталей КШМ

Усі деталі кривошипно-шатунного механізму по характеру їхнього руху можна розділити на три наступні групи.

1. Деталі, що роблять прямолінійний зворотно-поступальний рух. До них відносяться поршень, поршневі кільця, палець з деталями кріплення. Усі ці деталі поєднуються в одну поршневу групу.

2. Деталі, що виконують обертальний рух. До них відноситься кривошип із усіма його елементами.

3. Деталі, що роблять складний плоскопаралельний рух. До цієї групи деталей відноситься шатун з усіма його елементами.