Тепловой расчет двигателя ВАЗ 21083

 

     На вертикальной оси откладывают  в определенном масштабе скорость  поршня через каждые 15˚ в зависимости  от перемещения поршня для  данных градусов угла п.к.в.  Соединяя полученные точки, получают  график 

Ускорение поршня

     Ускорение поршня (j) cтроится на том же графике, что и скорость – перемещения поршня.

     Для этого определяют максимальное  j_max и минимальное j_min значения ускорений, которые затем откладывают в определенном масштабе от оси B-Z.

    

 м/с²  

 

м/с²

     Соединяя прямой точки «Е»  и «F», находят точку пересечения ее с осью абсцисс – точку «G». Из точки «G» вниз откладывают по перпендикуляру к оси абсцисс отрезок «GH», равный величине:

     Соединяют прямыми точки «Е»  и «F» с точкой «H». Полученные отрезки «EH» и «FH»делят равными отрезками на одинаковое число частей, обозначая отрезки цифрами 1, 2, 3, 4, 5. Соединяют точки, имеющие одинаковые цифры, прямыми «1-1», «2-2», «3-3», «4-4», «5-5», «6-6» и вписывают к прямым касательную «EF», которая и будет графиком изменения ускорения в зависимости от перемещения поршня . 

2.3 Динамика поршневого  двигателя

2.3.1 Расчет сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм

     Массу возвратно-поступательно движущихся  частей ( ) включающей массу поршневого комплекта и часть массы шатуна определяют по формуле:

     Величину масс поршневого комплекта и шатуна выбирают по соответствующим значениям прототипов.

     Суммарную силу P_j проще всего построить графическим способом. Для этого определяют и , отнесенные к площади днища поршня (F_П) – удельные максимальные и минимальные силы инерции:

• при φ = 0˚

• при φ =180˚

     В том же масштабе, что и давление газов на индикаторной диаграмме, от атмосферной линии с учетом знаков по вертикали dM откладывают и по вертикали К - . Соединяют прямой точки М и К. Из точки пересечения МК с атмосферной линией N опускаем перпендикуляр, на котором откладывают отрезок NR, равный величине:

     Соединяя точку R с М и К, и продолжая построение аналогично построению кривой ускорения, получают кривую силы инерции  

2.3.2 Построение развернутой  диаграммы суммарных сил, действующих на поршень

     Развернутая диаграмма суммарных  сил строится от угла поворота  коленчатого вала на участке  до 720˚ для четырехтактного двигателя.

     На оси абсцисс «0 = φ» наносят  шкалу с интервалом в 15˚  поворота коленчатого вала и масштабом  15˚/ 1 см.

     Принимая за ось абсцисс кривую  изменения сил инерции и делая  замеры циркулем между кривой  сил инерции и линией впуска  на индикаторной диаграмме в  точке перемещения поршня, соответствующих  последовательному п.к.в. на каждые 15˚ , строят суммарную силу P в процессе впуска. Осуществляя затем замеры между линией сил инерции и линиями сжатия, расширения и впуска получим соответственно суммарные силы Р для процессов сжатия, рабочего хода и выпуска. При этом учитывается следующее правило знаков: направление силы к центру коленчатого вала считается положительным, от центра – отрицательным. Масштаб сил Р остается без изменения относительно масштаба сил давления газов на индикаторной диаграмме. 
 
 

2.3.3 Построение диаграммы  тангенциальных сил

     Для построения диаграммы тангенциальных сил (касательных усилий) четырехтактного ДВС в масштабе радиусом кривошипа коленчатого вала описывают окружность, которую разбивают на 24 равных участка. В этом же масштабе наносят положение шатуна при последовательном повороте кривошипа на каждые 15˚.

     Касательные усилия определяют  для каждого из 24 положений следующим  образом. Из центра шатунной шейки по направлению продолжения радиуса кривошипа в принятом масштабе сил от точки деления на окружности откладывается величина силы Р, соответствующая данному положению механизма.

     Из конца вектора Р – точки  А на ось цилиндров опускается  перпендикуляр до пересечения  с положением шатуна в точке  В. Отрезок ВА и будет представлять  в принятом масштабе касательную силу – Т. Силы Р для различных положений механизма в процессах впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска берутся из диаграммы .

     Спрямив путь, описываемый центром шатунной шейки за цикл, и разделив его на установленное ранее число частей, проводят через точки деления ординаты, на которых откладывают найденные касательные усилия с учетом их направления.

     Если направление силы Т совпадает  с направлением вращения, то эту  силу считают положительной и  при построении диаграммы откладывают вверх от оси абсцисс. Если сила направлена противоположно направлению вращения коленчатого вала, то эту силу считают отрицательной и откладывают вниз от оси абсцисс.

     Для многоцилиндровых двигателей  строится суммарная диаграмма  тангенциальных сил, которая определяется тактностью двигателя, числом цилиндров и расположением кривошипов коленчатого вала относительно друг друга. В этом случае необходимо произвести сложение тангенциальных сил от всех процессов, одновременно происходящих в различных цилиндрах.

     Для восьмицилиндрового четырехтактного  двигателя за период поворота  коленчатого вала на 90˚ в различных  цилиндрах произойдут все четыре  такта и закономерность изменения  суммарной силы ΣТ через каждые  четверть оборота коленчатого  вала будет повторяться. При этом кривые Т во всех тактах графически суммируются.

     Затем определяется суммарная величина сопротивления «ρ», равная сопротивлению трения, сопротивлению машины, которая принимается постоянной. Для этого определяют на суммарной диаграмме ΣТ отрицательную площадь –F и положительную площадь +F в м². Делят на длину l диаграммы и умножают на масштаб давления :

 MПа

     Откладывают значение «ρ» вверх  от оси абсцисс и проводят горизонтальную прямую. Площадь, лежащая выше «ρ», представляет избыточную площадь или работу, которую поглощает маховик, поэтому из нижеприведенного уравнения определяют приведенный момент инерции ( ), а затем и размеры маховика:

где  ;

       - масштаб длины диаграммы тангенциальных сил; ;

       l – длина диаграммы тангенциальных сил;

       r – радиус кривошипа, м;

       δ – степень неравномерности  вращения коленчатого вала, для  бензиновых двигателей   δ = 0,01…0,006;

       ω – средняя угловая скорость  вращения коленчатого вала, ;

       - приведенный момент инерции всех движущихся масс двигателя ( ). Находим из приведенной выше формулы:

     Момент инерции маховика для бензиновых двигателей:

     Задаваясь, из конструктивных  соображений, диаметром маховика  определяют его вес:

где D_m – диаметр окружности, проведенный через центр тяжести сечения маховика, м;

        g – ускорение свободного падения, м/с².

.

     При выборе величины «D_M» можно ориентироваться на размеры маховиков известных двигателей. 

2.3.4 Построение полярной  диаграммы сил,  действующих на  шатунную шейку  коленчатого вала

     Для проведения расчета шатунного подшипника коленчатого вала, решения вопроса о месте подвода смазки, а также суждения о невозможности выдавливания  смазки  из зазора в сопряжении «шейка – вкладыш» необходимо знать максимальное и среднее значение равнодействующей всех сил, нагружающих шатунную шейку коленчатого вала, а также область наименьшей нагрузки. В дальнейшем для упрощения построений , все силы, нагружающие шейку коленчатого вала, приняты отнесенными к одному квадратному сантиметру площади поршня, т.е. удельные силы.

     Шатунную шейку нагружает тангенциальная  сила  и сила , действующая по кривошипу .

     Путем геометрического сложения  эти силы приводятся к равнодействующей . Для определения максимального и среднего значения равнодействующей R необходимо построить диаграмму ее значений за цикл. Эта диаграмма строится в полярных координатах в следующей последовательности.

     Радиусом, равным длине шатуна (в выбранном масштабе), описывается окружность с центром . От центра вниз откладывается в том же масштабе отрезок , равный радиусу r кривошипа. Из центра произвольным радиусом описывается окружность, которая делится на 24 равные части.

     Через точки А, В, С, Д,  и т.д. и центра проводятся лучи до пересечения их с окружностью, описанной из центра . Точка соединяется с точками 1,2,3,4 и т.д. Нетрудно увидеть, что лучи и другие будут представлять положения оси цилиндра двигателя, вращающегося вокруг закрепленного коленчатого вала, а отрезки и т.д. – положения шатуна.

     В каждом из 24 положений откладывают от точки по направлению шатуна силу (определяют для каждого положения) и наносят на диаграмму р, и затем с учетом направления наносят от точки по шатуну (к центру или от центра). Соединив концы векторов силы кривой, получают диаграмму изменения этой силы. Для определения диаграммы силы R необходимо сложить силы . Эта диаграмма строится в полярных координатах.

     Сила  всегда направлена из центра по радиусу кривошипа и при данной частоте вращения вала является постоянной величиной.

     Для сложения силы с силами достаточно от точки по направлению вниз отложить (в масштабе сил) удельную силу , равную:

где - масса шатуна, отнесенная к вращающимся частям (может быть принята равной 0,725М_Ш), кг;

        ω – угловая скорость вращения  коленчатого вала, с^-1;

         r – радиус кривошипа, м;

         F_П – площадь поршня, м².