Тема 28 проектування й Розрахунок елементів системи змащення

 

Масляна система забезпечує змащення деталей двигуна з метою зменшення тертя, запобігання корозії, видалення продуктів зносу і часткового охолодження його окремих вузлів. У залежності від типу й конструкції двигунів застосовують систему змащення розбризкуванням, під тиском і комбіновану. Більшість автомобільних і тракторних двигунів мають комбіновану систему змащення.

Запас масла, що забезпечує безупинну роботу двигуна протягом 15 – 20 ч, знаходиться в нижній частині картера в окремому баці. Змащення деталей двигунів виробляється спеціальними маслами для автотракторних двигунів. Масло до тертьових поверхнь подається насосом під тиском 0,5-1,0 МПа. Такі деталі, як стінки поршнів і циліндрів, найчастіше змазуються маслом, що розприскується підшипниками колінчастого вала через спеціальні форсунки, що знаходяться у нижніх голівках шатунів.

У систему змащення входять масляний насос, радіатор, фільтри, що очищають масло від бруду, і контрольні прилади - манометр, термометр, редукційні клапани, покажчики рівня масла.

Канали масляної системи найчастіше виконують у тілі блоку, колінчастого вала, шатунів. Якщо неможливо використовувати тіло деталі для прокладки комунікаційної лінії, підведення масла здійснюється за допомогою трубок.

 

Розрахунок масляного насоса

Одним з основних елементів системи змащення є масляний насос. Масляний насос служить для підвищення тиску і подачі масла до тертьових поверхньостей частин двигуна, що рухаються. По конструктивному виконанню масляні насоси застосовують шестеренчаті і гвинтові. Шестеренчаті насоси відрізняються простотою будови, компактністю, надійністю в роботі і є найбільш розповсюдженими в автомобільних і тракторних двигунах.

Розміри масляного насоса визначають для номінального режиму роботи двигуна. Розрахунок параметрів масляного насоса полягає у визначенні розмірів його шестерень. Цьому розрахунку передує визначення циркуляційної витрати масла у системі.

Циркуляційна витрата V_ц масла залежить від кількості тепла, що відводиться ним від двигуна, Qм. Відповідно до даного теплового балансу величина Q_м для сучасних автомобільних і тракторних двигунів складає 1,5—3,0% від загальної кількості теплоти, що введена в двигун із паливом:

Q_м = (0,015- 0,030) Q_o

Кількість тепла, що виділяється паливом протягом 1 с:

Q_o = H_u G_e/36ОО,

де H_u– нижча теплота згоряння палива, виражена в кДж/кг;

G_e– витрата палива в кг/ч.

Циркуляційна об'ємна витрата масла (м³/с) при заданій величині Q_м.

V_ц = Q_м /(r_м×с_м×dТ)

де r_м - щільність масла. Звичайно в розрахунках приймають r_м = 900 кг/м³;

с_м = 2,094 кДж/(кг•К) - середня теплоємність масла;

dТ = 10 – 15К – зміна температури масла в двигуні в процесі відводу теплоти.

Дійсну продуктивність масляного насоса двигунів приймають у 1,7 - 2,5 разів більше, ніж розрахункова циркуляційна витрата масла з урахуванням масла, що проходить повз підшипникі (перепуск масла через редукційні клапани, зазори внаслідок зносу, нещільності прилегання зубів шестерень до поверхні корпуса).

V_ц^* = (1.7... … 25)V_ц.

У зв'язку з витоками масла через торцеві і радіальні зазори насоса розрахункову продуктивність його визначають з урахуванням об'ємного коефіцієнта подачі

V_р = V_ц^*/h_v.

Величина h_v звичайно лежить у межах 0,6—0,8.

Розрахункова продуктивність насоса

V_р = 2pm²bzn_н/60,

де n_н - частота обертання шестірні, об/хв;

b - довжина зуба;

m = 3 - 6 мм - модуль зачеплення;

z - число зубів шестерні. У типових конструкціях z = 6 - 12

Окружна швидкість обертання шестерні на зовнішньому діаметрі не повинна перевищувати 8-10м/с. При великих значеннях швидкості коефіцієнт подачі насоса значно зменшується.

Задавши значення n_н, m, z, з останнього рівняння визначають довжину зуба.

Потужність, що споживається насосом,

N_н = (V_р/h_м) p,

де h_м - механічний ККД насоса;

V_р - продуктивність насоса;

р = р_вых - р_вх - перепад тисків, що створений у системі.

Продуктивність масляних насосів карбюраторних двигунів складає 0,0005 - 0,0025 м³/с; дизелів - 0,0006 - 0,006 м³/с.

Перетин трубопроводів масляної системи вибирають таким, щоб швидкість масла, що протікає по них, була не більш 1-2,5 м/с.

 

Розрахунок масляного радіатора

Тепло, що відводиться маслом від двигуна, розсіюється в навколишнє середовище від поверхні деталей, що контактують із гарячим маслом. У деяких двигунах для поліпшення охолодження масла картер чи піддон картера оребряють. Багато конструкцій систем мащення сучасних двигунів включають масляний радіатор. Радіатор включається автоматично після нагрівання масла до заданої температури.

Кількість тепла, що відводиться маслом від двигуна (кДж/с),.

Q_м = V_ц ×r_м×с_м×dТ;

Q_м» (40-70) N_e.

В останній формулі N_e виражена у кВт.

Теплота, що виділяється через радіатор у навколишнє середовище,

Q_м = V_рад×r_м×с_м×(t_рад.вх - t_{рад. вых}),

де V_рад – об'єм масла, що проходить через радіатор, м³/с;

t_рад.вх, t_{рад.вых} – температура масла, що входить у радіатор і виходить з нього.

При послідовному включенні радіатора V_ц = V_рад.

Охолоджувальна поверхня радіатора, що відводить тепло в повітря

F_рад = Q_м/[k×(t_{м рад ср.} - t_{возд рад ср.})],

де k - коефіцієнт теплопередачі від масла до повітря;

t_{м рад ср} - середня температура масла в радіаторі;

t_{возд рад ср.} - середня температура повітря, що проходить через радіатор.

t_{м рад ср} » 110 – 120 ^ОС; t_{возд рад ср.} » 40 ^ОС.

 

Аналіз існуючих конструкцій радіаторів дозволяє рекомендувати приймати k = 35 – 200Вт/(м×К). Величина коефіцієнта k залежить від багатьох факторів - конструкції радіатора, форми трубок, швидкості і характеру плину масла, швидкості повітря, що омиває трубки, температури рідини і повітря й ін.

ТЕМА 29 КОНСТРУКЦІЯ Й РОЗРАХУНОК СИСТЕМИ ОХОЛОДЖЕННЯ

 

Кількість охолодної рідини

В автомобільних і тракторних двигунах широке поширення одержали рідинна й повітряна системи охолодження. В якості теплоносія в рідинних системах використовують воду чи незамерзаючі рідини (етиленгликолеві антифризи й ін.), в повітряних - повітря. Звичайно, із метою збільшення віддачі тепла в навколишнє середовище, теплоносій в системі примусово переміщається насосом чи вентилятором (у двигунах повітряного охолодження). Максимальна температура теплоносія в рідинних системах охолодження закритого типу досягає 105°С, у системах охолодження відкритого типу - не більш 95° С. Температура охолодного повітря в двигунах із повітряним охолодженням досягає 100°С у безпосередній близькості до охолоджуваної поверхні.

Кількість тепла, що відводиться від двигуна через систему охолодження, визначають при складанні теплового балансу двигуна і підраховують за формулою:

Q_охл = q×N_e,

де N_e - ефективна потужність двигуна, кВт;

q - відносна кількість тепла, що відводиться, Дж/(кВт·с).

Звичайно в розрахунках приймають наступні значення:

- для карбюраторних двигунів q = 800—1300;

- для дизелів q = 1100 – 1150.

Кількість рідини (кг/с), що циркулює в системі охолодження,

G_ж = Q_охл /[r_ж×c_ж×(t_ж.вых. – t_ж.вх.) h_н],

де r_ж - щільність рідини;

c_ж - теплоємність рідини;

с_в = 4187Дж/(кг×град) – для води;

c_э.глик = 3840Дж/(кг×град) – для етиленгликолевого антифризу.

t_ж.вых. – t_ж.вх. = 5–10 - для радіаторів автомобільних і тракторних двигунів.

Систему охолодження двигуна розраховують для режимів, що відповідають номінальній потужності і максимальному значенню крутного моменту.

Поверхня охолодження радіатора

F_paд = Q_охл/[ k (t_ж.ср. – t_{возд.ср.})],

де k - коефіцієнт теплопередачі через стінки радіатора (звичайно приймають для легкових автомобілів k = 140–180, для вантажних автомобілів k = 80 – 100);

t_ж.ср. -середня температура рідини в радіаторі;

t_{возд.ср} - середня температура повітря, що проходить через.радіатор.

Опір (аеродинамічний) радіатора звичайно складає 100-800 Па. Поверхню охолодження радіатора для попередніх розрахунків приймають зі співвідношення F_paд= f×N, де f - питома поверхня охолодження, м²/кВт:

- для легкових автомобілів f = 0,14 - 0,3м²/кВт;

- для вантажних автомобілів f = 0,2 - 0,4м²/кВт;

- для тракторів f = 0,4 - 0,55м²/кВт.

Орієнтовна рекомендована ємність системи рідинного охолодження, л:

- для легкових автомобілів (0,13—0,35)·Ne;

- для вантажних автомобілів (0,27— 0,80)·Ne;

- для тракторів (0,5 — l,7)·Ne.

Потужність, що необхідна для привода насоса охолодної рідини,

N_н = G_ж p_ж/(1000h_гідр×h_м×h_н),

де p_ж - напір, створюваний насосом (0,06...0,01МПа);

G_ж - секундна витрата рідини, м³/с,

h_гідр - гідравлічний ККД насоса;

h_м = 0,7 - 0,9 - механічний ККД насоса;

h_н = 0,8 - 0,9 - коефіцієнт подачі насоса.

 

Підбір вентилятора

У системах охолодження автотракторних двигунів застосовують осьові відцентрові вентилятори, перевага яким віддається за міркуваннями компоновочного порядку. Відцентрові вентилятори, як більш високонапорні, застосовуються переважно в системах із повітряним охолодженням. Окружна швидкість крильчатки таких вентиляторів 75 - 105 м/с; число лопат 12 - 32; кут входу - b₁ = 35 - 85°; b₂ = 30 - 120°. Ротор вентилятора встановлюють у кожусі, що організує й направляє повітряний потік.

У системах рідинного охолодження автомобільних двигунів найбільше поширення одержали осьові вентилятори з числом лопат 4 - 6 і більше. Діаметр крильчатки D = 0,3 - 0,7м. Окружні швидкості крильчатки складають 80 - 125м/с. Лопасті крильчатки встановлюють під кутом 40 - 45° для плоских лопастей і 35 - 40° для опуклих лопастей. Кути нахилу лопастей змінюються від основи до вершини від 75 до 35° (закручення по висоті). Ширина лопастей лежить у межах 30 - 70мм. Лопасті вентиляторів виготовляють із сталі, алюмінієвих сплавів (литі), пластмас. В останні роки найчастіше застосовують крильчатки із зовнішньою обечайкою.

Крильчатку вентилятора часто насаджують на один вал із насосом охолодної рідини системи охолодження. Він приводиться в обертання від колінчастого вала двигуна клиноременною передачею.

Часто крильчатка вентилятора з'єднується з валом через електромагнітну чи гідравлічну муфту, що дозволяє включати й виключати вентилятор автоматично в залежності від зміни температури в системі охолодження двигуна. В останні роки на багатьох моделях автомобілів застосовують вентилятори, що приводяться в обертання електродвигуном, ротор якого обертається на одному валі з вентилятором.

Тип вентилятора визначають по умовному коефіцієнту швидкохідності, що встановлює залежність між витратою повітря V_воз (м/с), напором Н (кгс/м²) і частотою обертання вентилятора n (об/хв).

n_ус = n^0.5_воз/H^0.75.

При n_ус = 15 - 100 використовують відцентрові вентилятори, при n_ус = 80 - 300 - осьові одноступінчаті. Для автомобільних двигунів приймають Н = 600 - 1000Па. Кількість повітря (м³/с), що проходить через радіатор,

V_воз = Q_охл/(r_воз×с_воз×dt_воз),

де r_воз = 1,07 – розрахункова щільність повітря;

с_воз – питома теплоємність повітря при 50 - 55°С;

dt_воз – зміна температури повітря при проходженні його через радіатор.

Кількість повітря V_воз(м³/с), необхідного для охолодження двигуна, приблизно визначають як:

- для дизелів - (0,016 - 0,038)·Ne;

- для карбюраторних двигунів (0,031—0,054)×Ne.

Потужність (кВт), що споживається вентилятором,

N_вент = p_воз V_воз/(1000 h_вент),

де p_воз - напір, що створює вентилятор, Па;

V_воз - витрата повітря через вентилятор, м³/с;

h_вент - ККД вентилятора:

Для клепаних вентиляторів h_вент = 0,3—0,4; для литих h_вент = 0,6 - 0,7.

Діаметр лопастей вентилятора визначається зі співвідношення

,

де w_воз = 13 – 30 - швидкість повітря, що проходить через вентилятор.