Расчет коленчатого вала

 

На основании данных динамического расчета имеем:

 центробежная сила инерции вращающихся масс: K_R=-11,258 кН;

 вал с симметричными коленами и с противовесами, расположенными на концах вала;

 радиус кривошипа: R=35 мм.

С учетом соотношений, приведенных в табл.56 [1,с.247], и анализа существующих двигателей, принимаем следующие основные размеры колена вала:

 шатунная шейка:

наружный диаметр: d_ш.ш=48 мм;

длина: l_ш.ш=37 мм;

 коренная шейка:

наружный диаметр: d_к.ш=50 мм;

длина: l_к.ш=37 мм;

 расчетное сечение А-А щеки:

ширина: b=80 мм;

толщина: h=20 мм.

Материал вала: сталь 40Г.

Расчетная схема коленчатого вала представлена на рис. 7.4.

По табл.45 [1,с.200] и соотношениям, приведенным в §43 [1,с.197-204], определяем:

 пределы прочности: s_в=700 МПа и текучести (условные) s_т=360 МПа и t_Т=210 МПа;

 пределы усталости (выносливости) при изгибе s_-1=250 МПа, растяжении-сжатии

s_-1р=180 МПа и кручении t_-1=150 МПа;

 коэффициенты приведения цикла при изгибе a_s=0,16 и кручении a_t=0,04.

По формулам (213)-(215) [1,с.198] определяем:

 при изгибе: b_s=s_-1/s_Т=250/360=0,69 и (b_s-a_s)/(1-b_s)=(0,69-0,16)/(1-0,69)=1,71;

 при кручении: b_t=t_-1/t_Т=150/210=0,71 и (b_t-a_t)/(1-b_t)=(0,71-0,04)/(1-0,71)=2,31;

 при растяжении-сжатии: b_s=s_-1р/s_Т=180/360=0,5 и (b_s-a_s)/(1-b_s)=(0,5-0,16)/(1-0,5)=0,68.

Удельное давление на поверхности:

 шатунных шеек:

    k_ш.ш.ср=R_ш.ш.ср/(d_ш.ш*l’_ш.ш);

    k_ш.ш.ср=8125*10^-6/(0,031*0,048)=5,46 МПа.

    k_ш.ш.max=R_ш.ш.max/(d_ш.ш*l’_ш.ш);

    k_ш.ш.max=11060*10^-6/(0,031*0,048)=7,43 МПа.

где R_ш.ш.ср=8125 Н и R_ш.ш.max=11060 Н - средняя и максимальная нагрузка на шатунную шейку;

l’_ш.ш.»l _ш.ш.-2r_гал=37-2*3=31 мм-рабочая ширина шатунного вкладыша; r_гал =3 мм-радиус галтели.

Момент сопротивления кручению шатунной шейки: W_{t ш.ш}=(p/16)*d_ш.ш;

    W_{t ш.ш}=(3,14/16)*48³*10^-9=21,7*10^-6 м³.

Моменты, изгибающие шатунную шейку (табл.7.2.):

    M_T=T’₁*l/2=(-0,5*T₁)_­*(2l_ш.ш+l_к.ш+3*h)/2

Изгибающий момент, действующий на шатунную шейку в плоскости кривошипа:

    М_Z=Z’_S*l/2+Р_пр *а Н * м;

    Z’_S=K’_pк +Р’_пр=(-0,5*K_pк)-Р_пр

Для упрощения расчета Р_пр не учитываем.

    М_Z=K’_p*l/2 Н * м;

Изгибающий момент, действующий в плоскости оси масляного отверстия:

    М_jм=M_T*sinj_м-М_S*cosj_м , где j_м=67 °.

 

 

Таблица 7.2.

 

j°	T1', Н	MT, Н* м	MT*sinjm	Kpк', Н	ZS', Н	MZ, Н* м	MZ*cosjm	Mjm, Н* м
0	0	0	0	9040,4	9040,4	863,4	337,3	-337,3
30	-1858	-177,4	-163,3	7992,7	7992,7	763,3	298,2	-461,5
60	-1227	-117,1	-107,8	5976,1	5976,1	570,7	223,0	-330,8
90	658,8	62,9	57,9	5816,8	5816,8	555,5	217,1	-159,1
120	1252,9	119,7	110,1	6846,4	6846,4	653,8	255,5	-145,3
150	727,97	69,5	64,0	7449,9	7449,9	711,5	278,0	-214,0
180	0	0	0	7597,0	7597,0	725,5	283,5	-283,5
210	-796	-76,0	-70,0	7614,8	7614,8	727,2	284,1	-354,1
240	-1457	-139,2	-128,1	7045,0	7045,0	672,8	262,9	-391,0
270	-1036	-98,9	-91,0	5924,2	5924,2	565,8	221,1	-312,1
300	478,24	45,7	42,0	5764,3	5764,3	550,5	215,1	-173,1
330	917,1	87,6	80,6	6796,0	6796,0	649,0	253,6	-173,0
360	0	0	0	6026,0	6026,0	575,5	224,9	-224,9
390	2656,7	253,7	233,5	2248,4	2248,4	214,7	83,9	149,6
420	2115,9	202,1	186,0	5030,2	5030,2	480,4	187,7	-1,7
450	2492,6	238,0	219,1	6339,4	6339,4	605,4	236,6	-17,4
480	2145,1	204,9	188,6	7713,3	7713,3	736,6	287,8	-99,2
510	1029,4	98,3	90,5	8203,9	8203,9	783,5	306,1	-215,6
540	0	0	0	7999,0	7999,0	763,9	298,5	-298,5
570	-822,1	-78,5	-72,3	7685,5	7685,5	734,0	286,8	-359,1
600	-1402	-133,9	-123,2	6990,8	6990,8	667,6	260,9	-384,1
630	-864,8	-82,6	-76,0	5875,5	5875,5	561,1	219,2	-295,3
660	927,2	88,5	81,5	5891,4	5891,4	562,6	219,8	-138,3
690	1713,3	163,6	150,6	7809,2	7809,2	745,8	291,4	-140,8
720	0	0	0	9153,4	9153,4	874,1	341,6	-341,6

 

Максимальное и минимальное нормальные напряжения асимметричного цикла шатунной шейки:

    s_max= М_{j max}/W_{s ш.ш}=149,6*10^-6/0,00001085=13,73 МПа;

    s_min= М_{j min}/W_{s ш.ш}=-461,5*10^-6/0,00001085=-42,53 МПа,

где W_{s ш.ш}=0,5*W_{t ш.ш}=0,5*21,7*10^-6=10,85*10^-6 м³.

Среднее напряжение и амплитуда напряжений:

    s_m=(s_max+s_min)/2=(13,73-42,53)/2=-28,8 МПа;

    s_a=(s_max -s_min)/2= (13,73+42,53)/2=28,13 МПа;

    s_aк=s_а*k_s/(e_мs*e_пs)=28,13*1,8/(0,76*1,2)=55,52 МПа,

где k_s=1+q(a_кs-1)=1+0,4*(3-1)=1,8 -коэффициент концентрации напряжений; q=0,4-коэффициент чувствительности материала к концентрации напряжений принимаем по данным §43[1,с.197-204]; a_кs=3 - теоретический коэффициент концентрации напряжений принимаем по табл.47 [1,с.201]; e_мs=0,76 - масштабный коэффициент определяем по табл.48 [1,с.203] при d_ш.ш=65 мм; e_пs=1,2 - коэффициент поверхностной чувствительности определяем по табл.49 [1,с.203] с учетом закалки шатунных шеек токами высокой частоты на глубину2-3 мм.

Запас прочности шатунной от нормальных напряжений шейки определяем по пределу усталости (при s_m<0): n_s=s_-1/(s_aк+a_s*s_m);

    n_s=250/(55,52+0,16*(-28,8))=4,91.

Общий запас прочности шатунной шейки: n_ш.ш= n_s*n_t/Ö( n_s²+n_t²),

где n_t - запас прочности шатунной шейки от касательных напряжений (вследствие отсутствия расчета n_t  принимаем n_t=3,87)

    n_ш.ш=4,91*3,87/Ö(4,91²+3,87²)=3,04.

 

Расчет элементов системы охлаждения

 

Охлаждение двигателя применяется в целях принудительного отвода тепла от нагретых деталей для обеспечения оптимального теплового состояния двигателя и его нормальной работы.

При воздушном охлаждении тепло от стенок цилиндров и головок двигателя отводится обдувающим их воздухом. Интенсивность воздушного охлаждения зависит от количества и температуры охлаждающего воздуха, его скорости, размеров поверхности охлаждения и расположения ребер относительно потока воздуха .

Количество тепла (Дж/с), отводимого от двигателя системой воздушного охлаждения, определяется из уравнения: Q_возд=Т_возд*С_возд*( Т_{возд вых}- Т_{возд вх})

В расчетах принимают, что от стенок цилиндров отводится 25-40% общего количества тепла Q_возд , остальная часть – от головок двигателя.

Количество охлаждающего воздуха, подаваемого вентилятором, определяется исходя из общей величины отводимого от двигателя тепла Q_возд:

Т_возд= Q_возд/( С_возд*( ( Т_{возд вых}- Т_{возд вх}))

Т_возд=48617,47/(1000*(363-293))=69,45 кг/с

Поверхность охлаждения ребер цилиндра:

F_цил=Q_цил/((К_в*(Т_{цил о}-Т_{цил вх}))

Q_цил – количество тепла, отводимого воздухом от цилиндра двигателя (Дж/с)

К_В – коэффициент теплоотдачи поверхности цилиндра ,

Т_{цил о} – средняя температура у основания ребер цилиндра

К_В=1,37(1+0,0075Т_ср)(w_в/0,278)^0,73

Т_ср – среднее арифметическое температур ребра и обдувающего воздуха,

w_в – скорость воздуха в межреберном пространстве, при D=75-125 мм, w_в=20-50 м/с.

Поверхность охлаждения ребер головки цилиндров:

F_гол=Q_гол/(К_В(Т_{цил гол} - Т_{цил вх})

Q_гол – количество тепла, отводимого воздухом от головки цилиндров,

Т_{цил гол} – средняя температура у основания ребер головки.

 

Заключение

 

В результате проделанной работы были рассчитаны индикаторные параметры рабочего цикла двигателя, по результатам расчетов была построена индикаторная диаграмма тепловых характеристик.           

Расчеты динамических показателей дали размеры поршня, в частности его диаметр и ход, радиус кривошипа, были построены графики составляющих сил, а также график суммарных набегающих тангенциальных сил и суммарных набегающих крутящих моментов.

 

Список литературы

 

1. КОЛЧИН А. И. ДЕМИДОВ В. П. РАСЧЕТ АВТОМОБИЛЬНЫХ И ТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. М.: Высшая школа, 1980г.;

2. АРХАНГЕЛЬСКИЙ В. М. и другие. АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. М.: Машиностроение, 1967г.;

3. Автомобили ЗАЗ-968М. Руководство по эксплуатации.