Построение и анализ индикаторной диаграммы




Строится теоретическая индикаторная диаграмма а координатах P-V.

Для этого на оси абсцисс (рис.1) откладывается отрезок , отражающий в масштабе длины диаграммы объем камеры сгорания Vc. Этот отрезок принимаем за единицу объема. Далее откладывается на оси абсцисс отрезки, отражающие в принятом масштабе соответствующие объемы:

(предпочтительнее принять , тогда и

На оси ординат, выбрав масштаб давлений

z` и z соединяются прямой, параллельной оси абсцисс. Точки с и z` соединяются прямой, параллельной оси ординат (построение выполняется тонкими линиями). Точки «а» и «с» соединяются политропой сжатия, а точки «z» и «в» политропой расширения. Промежуточные точки на политропах сжатия и расширения определяются из условия, что каждому значению на оси абсцисс соответствуют следующие значения давлений:

а) для политропы сжатия: (39)

б) для политропы расширения: (40)

Где: - показатели политроп сжатия и расширения.

Количество расчетных точек для политроп рекомендуется принимать не менее 5, максимальное количество не ограничивается. Однако, при выборе точек необходимо интервалы между точками сокращать по мере приближения к ВМТ.

Все расчеты по политропам сжатия и расширения удобно приводить табличным способом.

Таблица 1

Расчет политроп сжатия и расширения

( n1 n2
I I I
2.          
3.          
4.          
5. - -
5a. - -

 

По заполненной расчетной таблице строятся политропы сжатия расширения. Наносятся скругления (см,рис.I).

Действительное максимальное давление в конце сгорания у карбюраторных двигателей составляет

Определяется площадь диаграммы в (диаграмма на милли­метровке, поэтому площадь легко подсчитать), по которой подсчиты­вается среднее индикаторное давление « » из выражения:

(41)

Где: - принятый масштаб давлений (рекомендуется =0,02МПа/мм).

При ориентировочных расчетах нижняя граница индикаторной диа­граммы берется по линии внешнего атмосферного давления, т/е. часть площади индикаторной диаграммы не учитывается.

Для проверки величина среднего индикаторного давления определяется расчетом по формуле:

(42)

Точность построения индикаторной диаграммы оценивается коэффи­циентом погрешности:

(43)

Действительное среднее индикаторное давление равно:

(44)

Где: - потеря индикаторного давления на проведение вспомогательных, ходов

Y - коэффициент полноты индикаторной диаграммы

для дизеля Y=0,92…0,95

у карбюраторных двигателей Y=0,94…0,97

Где: - рабочий объем цилиндра

- тактность двигателя

9) Литровая мощность двигателя

(53)

10) Удельная поршневая мощность

2 (54)

Где: – площадь поршня в дм2

Современные автотракторные двигатели имеют следующие эффективные показатели:

а) дизельные без наддува

Результаты теплового расчета двигателя заносятся в таблицу, которая показана ниже.

Таблица 2.

Результаты теплового расчета двигателя.

Давление газов, МПа Температуры газов, К Среднее давление КПД Эффективные Показатели
Мощность, кВт Уд. Расход топлива,
Pa Pc Pz Pb Ta Tc Tz Tb Pi Pe Ne ge
                           
                           

 

2. Динамический расчет двигателя

Анализ сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ), необходим для расчета деталей двигателя не прочность и определения нагрузок на подшипники. Детали КШМ подвергаются действию следующих сил (см.рис.2): давление газов в цилиндре (Рr),сил инерции воз­вратно движущихся деталей КШМ (), центробежных сил инерции вращающихся масс (Pc)• Силами трения пренебрегают. Силы давления газов зависят от протекания рабочего процесса в цилиндре двигателя и определяются по индикаторным диаграммам. Силы инерции зависят от массы деталёй, движущихся с переменными скоростями.

2.1 Определение сил, действующих вдоль оси цилиндра на поршневой палец.

На поршневой палец вдоль оси цилиндра действуют силы давления газов Рr и силы инерции возвратно движущихся масс кривошипно шатунного механизма.

I) Силы давления газов определяется по формуле:

(55)

Ро - давление окружающей среды, МПа.

Px – текущее давление газа по индикаторной диаграмме, МПа.

dц -диаметр цилиндра, м.

Определение текущего значения давления газов в функции от угла поворота коленчатого вала производится графоаналитическим методом. Для этого под построенной индикаторной диаграммой строится полуокруж­ность радиусом, равным половине длины диаграммы () (см.рис.3). Вправо по горизонтали от центра полуокружности откладывается в том же масштабе отрезок, равный

Где: r – радиус кри­вошипа

- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Если длина индикаторной диаграммы не равна ходу поршнято отрезок ОО1 (поправка Брикса) следует находить по выражению

Рис. 2. Схемы сил, действующих в КШМ

Рис.3. Определение давления в цилиндре

Из конца этого отрезка (точка О1) проводится ряд лучей под углами ... к горизонтали до пересечения с полуокружностью (рекомендуемый интервал 30° ПКВ, одна­ко в начале такта расширения следует взять одну промежуточную точку через ПКВ). Проекции концов этих лучей на соответствующие вет­ви индикаторной диаграммы указывают, какие точки рабочего-процесса соответствует тем или иным углам поворота коленчатого вала (ПКВ), а по масштабной шкале оси ординат можно видеть давление в этих точ­ках. Величины давлений «Рx» и подсчитанные по формуле (55) значе­ния газовых сил «Pr» при различных углах поворота коленчатого вала за период рабочего цикла заносятся в таблицу 3.

2) Действующая на поршневой палец сила инерции движущихся возвратно поступательно масс кривошипно-шатунного механизма определяется по уравнению;

(56)

Где: - масса, совершающая возвратно-поступательное движение,

- угловая скорость коленчатого вала.

Входящая в уравнение (56) масса движущихся возвратно-поступа­тельно частей кривошипно-шатунного механизма может быть представлена суммой

(57)

где - масса поршневого комплекта, кг.

- масса шатуна, кг

Значение масс выбирают, ориентируясь на данные двигателей прототипов (см. таблица 1 Приложение 1).

Суммарную силу инерции движущихся возвратно-поступательно масс рассматривают как алгебраическую сумму..

Силы инерции первого порядка

(58)

C периодом изменения - I оборот коленчатого вала и силы инерции второго порядка

(59)

период изменения которой равен 0,5 оборота коленчатого вала.

Значения угловых частот вращения коленчатого вала берутся при но­минальном скоростном режиме двигателя, т.е.

Силы инерции удобно определять графическим путем.

Для этого (см. рис. 4) в принятом масштабе проводим из общего цен­тра "О” две полуокружности (одну радиусом r1=mr 2, другую ра­диусом r2= r1 ) Ряд лучей под углами ... к вертикали.

Вертикальные проекции отрезков лучей, пересекающих первую окружность,

 

Рис. 4. Диаграмма сил инерции

Рис.5. Свободный график сил

дают в принятом масштабе значения сил при соответствующих углах поворота коленчатого вала, а проекции отрезков тех же лучей, пересекающих вторую окружность, значения сил при углах поворота ко­ленчатого вала, соответственно, вдвое меньших. Через Центр "О" прово­дим горизонтальную линию и откладываем на ней, как на оси абсцисс, значения углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл (от О до 720°), по точкам пересечения указанных выше проекций с ордина­тами, проходящими через соответствующие значения углов на оси абсцисс, строим кривые и . Путем суммирования ординат кри­вых и получаем кривую результирующей силы инерции .

3) Определив силы Рr и , находим алгебраическим сложением их результирующую силу, действующую на поршневой палец:

(60)

Все расчеты по названным выше силам заносятся в таблицу 3 и 4 строится сводный график сил, действующих на поршневой палец (см.рис.5). Для этого на оси абсцисс прямоугольных координат откладывается зна­чения углов поворота коленчатого вала за рабочий цикл (от О до 720°) в принятом масштабе и строятся кривые сил Рr и и Pрез в принятом масштабе по оси ординат.

Правило знаков

Сила считается положительной, если она направлена к центру кривошипа и отрицательной, если она направлена от центра кривошипа.

2.2 Определение сил, действующих на шатунную шейку

На шатунную шейку действуют две силы:

1) Направленная по шатуну сила Рt, возникающая под действием ре­зультирующей силы Ррез приложенной к поршневому пальцу

(61)

2) Центробежная сила инерции Pc от вращающихся неуравновешенных масс

(62)

Где: - масса вращающихся неуравновешенных частей

(63)

- масса неуравновешенных частей коленчатого вала без противовесов

(64)

- площадь поршня в мм2

- удельная масса неуравновешенном части ко­ленчатого вела без противовесов (см.табл.2 приложения).

При наличии противовесов на коленчатом валу ~ О.

У V-образных двигателей с центральными шатунами значение массы 0,725 необходимо удвоить, так как на одной шейхе коленчато­го вала подвешены два шатуна. Тогда

(65)

3) Для подсчета, равнодействующей силы, действующей на шатунную шейку сила Pc раскладывается на две составляющие

1. Тангенциальную силу Т, перпендикулярную радиусу кривошипа:

(66)

2. Силу Z, направленную по радиусу кривошипа

(67)

где - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра при повороте коленчатого вала на угол .

Сила Т считается положительной, если она совпадает с направлением вращения коленчатого зала, и отрицательной, если она направлена в противоположную сторону.

Сила Z складывается с центробежной силой Рс, если они направлены в одну сторону, и вычитается, если она направлена к центру кривошипа.

Значения тригонометрических величин, входящих в формулу (66) и (67) для разных значений углов поворота коленчатого вала и отношений r/lш приведены в табл. 3 приложения.

3. Результирующая сила R подсчитывается по формуле;

(68)

Полученные значения сил при различных углах поворота коленчатого вала заносятся в расчетную таблицу динамики КШМ, форма которой представлена на следующей стаанице (анализ сил ди­намики КШМ проводится через 30° ПКВ, начиная с 0° до 720° и плюс одна дополнительная точка - 375° ПКВ. При 360°ПКВ ана­лизируются два значения Рх (точки "с" и "z" индикаторной ди­аграммы).

На основе данных расчетной таблицы динамики КШМ (таблица 3) строятся графики (см.рис.6 и 7)


Рис. 6. График силы R, действующей на шатунную шейку

Рис. 7. График силы Т одноцилиндрового двигателя


 

Таблица 3.

Сводная таблица расчетов динамики КШМ

  Px, МПа Pr, кН кН Pрез, кН T, кН Z, кН Pc, кН R, кН
  P0=                  
                     
                     
                   
                     
                     
                     
                     
                   
                     

 

2.3 Анализ результатов расчета динамики КШМ и определение момента инерции маховика

При построении графика тангенциальных сил полежителъные значения силы Т откладываются вверх, а отрицательные значения вниз Затем определяется средняя ордината тангенциальной силы Т и про­водится на графике (см.рис.7).

(69)

Где: - суммарная площадь всех участков диаграммы, расположенных над осью абсцисс, мм2,

- суммарная площадь участков, распо­ложенных под осью абсцисс, мм2

- длина диаграммы, мм.

Для многоцилиндровых двигателей строится суммарная диаграмма тангенциальных усилий, на которой воспроизводится в тонких линиях диаграмма усилий тангенциальных сил, развиваемых в каждом из цилин­дров, затем они графически складываются, и полученная кривая суммар­ной силы обводится жирно.

На суммарной диаграмме 4-тактного двухцилиндрового двигателя наносится две диаграммы, сдвинутые одна относительно другой на 180 если порядок работы'цилиндров I-2-O-O, или на 540°, если порядок ра­боты I-0-0-2. У четырехцилиндровых 4-тактных двигателей отдельные диаграммы должны быть последовательно сдвинуты по фазе одна относи­тельно другой на 180°, у шестицилиндровых - на 120°.

У чётырехцилиндровых 4-тактных двигателей на одном участке (такте) суммарной диаграммы строятся четыре отдельных графика; на остальных участках строятся лишь их результирующие' (см.рис.З)

Для V -образных двигателей суммарная диаграмма тангенциальных сил

Рис. 8. График силы 4-х цилиндрового двигателя

Рис. 9. Графики сил V-образного 8 цилиндрового двигателя

находится из сложения соответствующих диаграмм цилиндров правого и левого рядов. Возможны два подхода к построению суммарной диаграммы для таких двигателей: первый (см.рис.9) основан на построении суммам ной силы правого и левого цилиндров, 4 «завязанных» на одну шейку, а затем полученная на одной шейке равнодействующая, складывается графически с такими же графиками сил Тп+Л других шеек. При втором - после построения графика одного цилиндра строится суммарная диаграмма всех цилиндров одного ряда. График второго ряда цилиндров точно такой же, только смещен на 90° ПКВ. Суммарная диаграмма правого и левого рядов складывается графически и получается суммарная диа­грамма сил Т двигателя.

По величине проверяется, правильность построения сум­марной диаграммы тангенциальных сил и выполнение всего динамического расчета двигателя. Построение правильно, если

(70)

Где: - масштаб сил Т в В/мм, принятый по оси ординат;

r - радиус кривошипа, м.

- механический КПД двигателя (из теплового расчетa)

На диаграмме суммарной тангенциальной силы откладывается ордината и выявляется участок, на котором избыточная площадка имеет максимальное значение (см.рис.8)

Соответствующая ей избыточная работа равна

(71)

Где: - масштаб площадки, Нм/мм2

(72)

2 - масштаб диаграммы по оси абсцисс

(73)

По избыточной работе определяется момент инерции маховика, способный обеспечить требуемую степень неравномерности вращения коленчатого вала.

(74)

У автотракторных двигателей чем больше число ци­линдров тем меньше

 


 

Приложения

Таблица 1.

Сведения о массах шатунно-поршневых комплектов двигателей

Двигатель тракторный Массы, кг Двигатель автомобильный Массы, кг
Поршневого комплекта шатуна Поршневого комплекта шатуна
1. Д-21 Д-37М/Е Д-144 Д-210 0,28 2,150 2,584 ГАЗ-51 0,272 0,450 0,950
2. Д-50 0,272 2,255 3,110 ГАЗ-53 0,265 0,720 0,890
3. СМД-14 0,28 2,960 4,010 ЗИЛ-130 0,255 0,830 0,315
4. СМД-60 СМД62 0,274 3,618 3,682 ЯМЗ-236 ЯМЗ-238 0,264 4,155 7,200
5. А-41 А-01 0,264 4,150 4,623 ЯМЗ-740 0,267 2,966 3,250
6. Д-108 Д-130 0,27 5,900 9,100 УАЗ-450 УАЗ-469 0,237 0,720 1,080
7. Д-240 0,272 2,544 2,700 М-412 0,265 0,520 0,780
8. Д-65Н 0,25 2,260 3,820        

 

Таблица 2.

Удельные массы неуравновешенных частей коленчатого вала без противовесов.

Виды коленчатых валов Конструктивные массы, кг/м2
Карбюраторные двигатели Дизели
1. Стальной кованый вал со сплошными шейками 150…200 200…400
2. Чугунный литой вал с полыми шейками 100…200 150…300


Примечание. Большие значения относятся двигателю с большим диаметром цилиндра.

 

Таблица 3.

Значение величин при различных значениях

Угол Знак при   Знак Угол
1/3,4 1/3,6 1/3,8 ¼,0 ¼,2 ¼,4
  + 0,3305 0,3265 0,3228 0,3196 0,3166 0,3153 -  
  + 0,3305 0,3265 0,3228 0,3166 0,3166 0,3153 -  
  + 0,6288 0,6215 0,6150 0,6083 0,6083 0,6030 -  
  + 0,9977 0,9899 0,9831 0,9714 0,9714 0,9680 -  
  + 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 -  
  + 0,7343 0,7421 0,7490 0,7607 0,7670 0,7670 -  
  + 0,3713 0,3785 0,3851 0,3962 0,3960 0,3960 -  
  +             -  
Угол Знак при Знак Угол
  + 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 +  
  + 0,9405 0,9417 0,9428 0,9433 0,9447 0,9450 +  
  + 0,7917 0,7958 0,7997 0,8030 0,8061 0,8070 +  
  + 0,2719 0,2859 0,2973 0,3079 0,3175 0,3240 +  
  - 0,3077 0,2891 0,2728 0,2582 0,2453 0,2340 -  
  - 0,7281 0,7146 0,7027 0,6921 0,6825 0,6635 -  
  - 0,9404 0,9362 0,9324 0,9290 0,9290 0,9250 -  
  - 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 -  
                     

 

Примечание. Для промежуточных величин значение тригонометрических величин определяется интерполированием.


 

Одобрено кафедрой тракторов и автомобилей и рекомендовано печати методической комиссией факультета механизации сельского хозяйства.

Составители:

Рецензент: зав. кафедрой эксплуатации и ремонта с-х техники, доцент, к.т.н. Иванов А.С.

Материалы методических указаний необходимы для выполнения кон­трольных и курсовой работ по дисциплине "Тракторы и автомобили" студентами заочной и очной форм обучения.

Кыргызский сельскохозяйственный институт им. К.И.Скрябина» 1992



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: