Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма

Введение

Курсовая работа является важным этапом подготовки студентов к решению задач применительно к практике по обработке исходной информации и по обучению оформления технической и нормативной документации в соответствии с ГОСТ и ЕСКД.

Качество выполнения курсовой работы характеризует уровень усвоения дисциплины «Основы функционирования систем сервиса», что позволяет оценить готовность студента к самостоятельной работе по выполнению дипломного проекта и к практической деятельности на производстве как будущего специалиста по сервису (Специализация 23.07.12).

Приводы автомобиля

Простейшая принципиальная схема привода автомобиля (рис. 1) включает в себя карбюраторный или дизельный многоцилиндровый четырехтактный двигатель с кривошипно-шатунным механизмом тронкового типа 1, маховик 2, фрикционную муфту сцепления 3, коробку перемены передач 4, главную передачу 5 заднего моста автомобиля, дифференциал 6 и полуоси 7.

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В головке блока размещены впускные и выпускные клапаны.

Маховик 2 во время рабочего хода поршня накапливает запас энергии, за счет которой осуществляется нерабочий ход и повышается равномерность вращения коленчатого вала.

Фрикционная муфта сцепления 3 обеспечивает присоединение или отсоединение трансмиссии (коробки перемены передач) и двигателя внутреннего сгорания.

Коробка перемены передач 4 (КПП) – двухступенчатая и двухскоростная.

Главная передача 5 – коническая, соединена шестернями дифференциала с полуосями заднего моста.

 

 

Двигатель внутреннего сгорания

Поршневые двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями, у которых химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу непосредственно в самом двигателе.

Преобразование химической энергии в тепловую и тепловой – в энергию движения поршня (механическую) происходит практически одновременно, непосредственно в цилиндре двигателя.

В результате сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя образуются газообразные продукты с высоким давлением и температурой.

Под влиянием давления поршень совершает поступательное движение, которое с помощью шатуна и кривошипа преобразуется во вращение коленчатого вала.

Четырехтактными называют двигатели, у которых один рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня, соответствующих двум оборотам коленчатого вала. Схема работы четырехтактного двигателя без наддува представлена на рис.2.

Первый такт – впуск или всасывание горючей смеси – соответствует движению поршня вниз от В.М.Т. до Н.М.Т. За счет движения поршня создается разрежение (около 0,05 – 0,1 н/см²) и горючая смесь через открытый клапан «а» засасывается в цилиндр. Для достижения максимального наполнения цилиндра впускной клапан открывается несколько раньше положения поршня в В.М.Т. (точка 1) с определенным углом опережения и закрывается с некоторым углом запаздывания после Н.М.Т. (точка 2).

Второй такт – сжатие – соответствует движению поршня вверх от момента закрытия впускного клапана до момента прихода поршня в В.М.Т. Во время такта сжатия все клапаны находятся в закрытом положении.

Поршень сжимает находящуюся в цилиндре горючую смесь, в точке 3 подается искра в свече для воспламенения горючей смеси.

Третий такт – горение и расширение (рабочий ход) – соответствует движению поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. под давлением сгорающего топлива и расширяющихся продуктов сгорания. (от точки 4 до точки 5).

Четвертый такт – выпуск отработавших газов – осуществляется при ходе поршня вверх от Н.М.Т. к В.М.Т. Этот ход поршня происходит при открытом выпускном клапане «б». Для улучшения процесса выпуска клапан открывается несколько раньше Н.М.Т. (точка 5) и закрывается с некоторым запаздыванием (точка 6).

В дизель, в отличие от карбюраторного двигателя, при движении поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. засасывается через впускной клапан атмосферный воздух, на такте сжатия повышается давление и температура, при впрыске через форсунку топливо самовоспламеняется и сгорает, газы расширяясь давят на поршень, совершая рабочий ход, при движении поршня из Н.М.Т. к В.М.Т. через открытый выпускной клапан отработанные газы выталкиваются в атмосферу.

При дальнейшем движении поршня вниз начинается новый рабочий цикл, такты которого повторяются в перечисленной ранее последовательности.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя изображается диаграммами в виде замкнутой (рис. 3) и развернутой (рис. 4).

Исходные данные для кинематического и динамического (силового) анализа кривошипно-шатунного механизма представлена в таблице 1.

Обозначения

К – карбюраторный двигатель

Д – дизель

В.М.Т. ­– верхняя мертвая точка

Н.М.Т. – нижняя мертвая точка

П_ведом – ведомый вал

П_д – частота вращения двигателя (ведущего вала), об/мин;

П_п – частота вращения промежуточного вала КПП, об/мин;

П_кпп – частота вращения выходного вала КПП, об/мин;

П_в – частота вращения ведомого вала главной передачи, об/мин;

R – радиус кривошипа, мм;

l - постоянная кривошипно-шатунного механизма;

l = R / L = 0,25, где L – длина шатуна, мм;

Р₁, Р₂, Р₃, Р₄ – давление газов в цилиндре двигателя, МПа;

(см. Индикаторная диаграмма Рис. 3)

Z₁ …. Z₆ – число зубьев шестерен и колес в коробке перемен передач и в главной передаче;

Р_ш – сила, направленная по оси шатуна, Н; (см. рис. 5)

Р_г – сила давления газов на поршень, Н;

Р_н – сила, направленная перпендикулярно оси цилиндра, Н;

Р_р – радиальная сила, действующая по радиусу кривошипа, Н;

Pт – тангенциальная сила, действующая по касательной к окружности

4. Исходные данные (l=0,25)

Таблица 1.

Пд, об/мин
Двигатель	К	К	Д	Д	Д	Д	Д	К	К	К
R, мм
Д, мм
Р1, мПа	1,0	1,5	2,0	2,5	3,0	2,5	2,0	1,5	1,0	1,0
Р2, мПа	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0	5,0	4,0	3,0	2,0	2,5
Р3, мПа	3,0	4,5	6,0	7,5	9,0	7,5	6,0	4,5	3,0	3,5
Р4, мПа	4,0	5,0	8,0	10,0	12,0	10,0	8,0	5,0	4,0	4,5
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
Z6

 

 

Содержание курсовой работы

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части в виде принципиальной схемы привода автомобиля (рис. 1), схемы работы четырехтактного двигателя (рис. 2), замкнутой и развернутой индикаторной диаграммы (рис. 3, рис.4), схемы кривошипно-шатунного механизма и действия сил давления газов на поршень (рис.5), графика зависимости пути «S», скорости «n» и ускорения «а» поршня от угла «a» поворота коленчатого вала(рис. 6), графика зависимости усилий Р_ш, Р_н, Р_р, Р_т и крутящего момента М_кр на валу двигателя от угла «a» поворота коленчатого вала.

По исходным данным вначале построить индикаторные диаграммы (рис.3, рис.4).

Расчетно-пояснительная записка включает титульный лист (см. Приложение), исходные данные на выполнение курсовой работы и следующие разделы:

1. Привод автомобиля.

2. Двигатель внутреннего сгорания.

3. Обозначение:

4. Исходные данные (Таблица 1).

5. Содержание курсовой работы.

6. Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма.

7. Динамический анализ кривошипно-шатунного механизма.

8. Силовой расчет трансмиссии автомобиля.

9. Прочностной расчет поршня и поршневого пальца двигателя.

 

Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма.

6.1. Выражение для определения перемещения «S» поршня в зависимости от угла поворота кривошипа «a» запишется в виде (рис. 5)

«S» = (R + L) – (R*Cosa + L*Cosb) =

= R (1 – Cosa) + L (1 – Cosb) =

= R (1 – Cosa) + L (1 – 1 - l² * Sin²a )

Величина R (1 – Cosa) – определяет путь, который прошел бы поршень, если шатун был бы бесконечно длинным,

а величина L (1 – 1 - l² * Sin²a ) – есть поправка на влияние конечной длины шатуна.

Используя формулу Бинома Ньютона выражение для вычисления “ S “ упрощается

«S» = R (1 – Cosa + ( l/2)* Sin²a );

Расчеты внести в табл.2 и построить график зависимости

S = f (a)… (рис.6)

 

6.2. Скорость поршня изменяется во время «t», т.е.

n = ds / dt = (ds / da) * (da / dt),

где da / dt = w - угловая частота вращения.

ds / da = R* d/da (1 – Cosa + ( l/2)* Sin²a) =

= R (Sina + ( l/2)* Sin 2a)

n = w * R (Sina + (l/2)* Sin 2a).

расчеты внести в табл. 2 и построить график зависимости

n = f (a) … (рис. 6)

 

6.3. Ускорение поршня изменяется во времени t , т.е.

а = dn / dt = (dn / da) * (da / dt) = (dn / da) * w.

dn / da = w * R * d/ da (Sina + ( l/2)* Sin2α) =

= w * R * (Cosa + l * Cos2α).

а = w * (dn / da) = w² * R * (Cosa + l * Cos2α).

Расчеты занести в табл.2 и построить график зависимости

а = f (a) … (рис. 6).

Таблица 2.

a, град. ПКВ	Sina	Sin2a	(l/2) Sin2a	Sin2a	(l/2) Sin2a	Cosa	Cos2a	l * Cos2a	S, мм	n мм/с	а мм/с2
								0.25
	0,5	0,25	0.03125	0,87	0.10875	0,87	0,5	0.125	9.675
	0,87	0,77	0.09625	0,87	0.10875	0,5	-0,5	-0.125	35.775
			0.125				-1	-0.25	67.5		-6279
	0,87	0,77	0.09625	-0,87	-0.10875	-0,5	-0,5	-0.125	95.775		-15697
	0,5	0,25	0.03125	-0,87	-0.10875	-0,87	0,5	0.125	114.075		-18711
						-1		0.25			-18837
	-0,5	0,25	0.03125	0,87	0.10875	-0,87	0,5	0.125	114.075	-13342	-18711
	-0,87	0,77	0.09625	0,87	0.10875	-0,5	-0,5	-0.125	95.775	-24268	-15697
	-1		0.125				-1	-0.25	67.5		-6279
	-0,87	0,77	0.09625	-0,87	-0.10875	0,5	-0,5	-0.125	35.775	-24268
	-0,5	0,25	0.03125	-0,87	-0.10875	0,87	0,5	0.125	9.675	-13342
								0.25