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
Пведом – ведомый вал
Пд – частота вращения двигателя (ведущего вала), об/мин;
Пп – частота вращения промежуточного вала КПП, об/мин;
Пкпп – частота вращения выходного вала КПП, об/мин;
Пв – 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;
Рш – сила, направленная по оси шатуна, Н; (см. рис. 5)
Рг – сила давления газов на поршень, Н;
Рн – сила, направленная перпендикулярно оси цилиндра, Н;
Рр – 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 Рш, Рн, Рр, Рт и крутящего момента Мкр 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 |