Авиационный поршневой двигатель АИ-14

Авиационный поршневой двигатель АИ-14

МIНIСТЕРСТВО ОСВIТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра 203

Авіаційний ПОРШНЬОВИЙ двигун аи-14

Пояснювальна записка до курсового проекту

з дисципліни «Авіаційні поршньові двигуни»

ХАІ.203.252М.11О.100117.

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Произвести расчет авиационного звездообразного поршневого двигателя с воздушным охлаждением (прототип АИ - 14Р).

Исходные данные:

1) эффективная мощность на расчетной высоте;

) частота вращения коленчатого вала

) число цилиндров ;

) степень сжатия ;

) давление наддува

) расчетная высота

Объем работы:

Выполнить следующие расчеты:

-        Тепловой расчет

Необходимо рассчитать рабочий цикл двигателя, то есть определить параметры, характеризующие отдельные его процессы (наполнение, сжатие, сгорание, расширение, выпуск), и цикл в целом. По данным расчета определить основные размеры двигателя и предполагаемую экономичность.

-        Динамический расчет

По данным теплового расчета произвести построение индикаторной диаграммы и определить силы, действующие на все звенья кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

-        Силовой расчет

1. Расчет поршня .

. Расчет поршневого пальца.

.Расчет поршневых колец.

4. Расчет прицепного шатуна.

5. Расчет на прочность коленвала.

РЕФЕРАТ

Курсовой проект: пояснительная записка 36с., 11 рисунков, 4 таблицы, 6 источников, 1 приложение.

Разработан поршневой звездообразный двигатель внутреннего сгорания, произведен тепловой и динамический расчеты, а так же прочностные расчеты основных деталей ДВС.

Построены диаграммы сил инерции, скругленная индикаторная диаграмма, диаграмма фаз газораспределения и показан порядок работы цилиндров.

Определены напряжения и деформации поршня с помощью конечно-элементного расчета в программе SolidWorks.

Произведен расчет прицепного шатуна на устойчивость и определены его деформации и опасные участки.

Рассчитан поршневой палец и определены его деформации, напряжения, опасные участки и коэффициент запаса прочности.

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ПОРШЕНЬ, ПАЛЕЦ, ПРИЦЕПНОЙ ШАТУН, КУЛАЧКОВАЯ ШАЙБА, ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ЦИЛИНДР, ГЛАВНЫЙ ШАТУН, ГОЛОВКА ЦИЛИНДРА, ТЕПЛОВОЙ ЗАЗОР, КОРЕННАЯ ШЕЙКА, КОЛЕНЧАСТЫЙ ВАЛ, ЩОКА.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Тепловой расчет

.1 Исходные данные

.2 Выбор дополнительных исходных данных

.3 Расчет процесса наполнения

.4 Расчет процесса сжатия

.5 Расчет процесса сгорания

.6 Определение индикаторных параметров двигателя

.7 Определение эффективных параметров двигателя

.8 Определение геометрических параметров двигателя

. Динамический расчет

.1 Допущения

.2 Построение верхней петли индикаторной диаграммы и расчет давления газов в цилиндре

.3 Определение основных размеров КШМ

.4 Определение массы основных деталей

.5 Разнос масс КШМ с прицепными шатунами

.6 Силы инерции

.7 Суммарная сила, действующая на поршень

.8 Силы, действующие в центральном КШМ

.9 Суммарные радиальные и окружные силы, действующие на шатунную шейку

. Уравновешивание двигателя

. Прочностные расчеты

.1 Расчет поршня

.2 Расчет пальца

.3 Расчет шатуна

Вывод

Список использованной литературы

1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Под тепловым расчетом поршневого двигателя внутреннего сгорания подразумевается определение параметров, характеризующих рабочие процессы двигателя, а так же величин, определяющих энергетические и экономические параметры его работы.

По данным расчета и по заданным мощности и частоте вращения коленчатого вала можно определить основные размеры проектируемого двигателя. Кроме того, по данным теплового расчета с достаточной для практики точностью можно построить индикаторную диаграмму, необходимую для определения газовых сил, действующих на поршень двигателя, на стенки и головку цилиндра, на элементы кривошипно-шатунного механизма.

1.1 Исходные данные

- эффективная мощность на расчетной высоте -

частота вращения коленчатого вала -  ();

число цилиндров -

степень сжатия -

давление наддува -

расчетная высота -

Прототип двигателя - АИ-14.

1.2 Выбор дополнительных исходных данных

Коэффициент избытка воздуха. Принимаем

Топливо. Сорт применяемого топлива зависит от степени сжатия и давления наддува. В нашем случае наиболее подходящим является бензин EURO - 5 .

Низшая теплотворную способность топлива

Параметры воздуха на расчетной высоте.

1.3 Расчет процесса наполнения

Цель расчета процесса наполнения - определение давления РА и температуры ТА свежего заряда в конце хода выпуска.

В течении процесса наполнения свежая смесь поступает в цилиндр двигателя. Чем больше в цилиндр поступит свежей смеси, тем большую мощность может развить двигатель. Увеличение заряда свежей смеси в цилиндре достигается при помощи нагнетателя. Авиационный двигатель имеет для этой цели центробежный нагнетатель с механическим приводом.

Согласно заданию давление наддува . Находим температуру воздуха после нагнетания

,

где  - повышение температуры воздуха в нагнетателе.

Адиабатическая работа сжатия 1кг воздуха равна:

.

Адиабатический КПД центробежного нагнетателя примем равным . Тогда

.

Определяем коэффициент наполнения двигателя с наддувом на расчетной высоте

,

где  - приведенный коэффициент наполнения. Примем , тогда

Находим давление в конце хода впуска.

,

где  - давление остаточных газов в конце входа впуска. Принимаем .

Степень подогрева свежей смеси в процессе наполнения

 условно характеризует результат суммарного теплообмена смеси со стенками цилиндра и донышком поршня, а также понижение температуры за счет испарения топлива.

При  . Тогда

После подстановки найденных и полученных величин получим

Определяем коэффициент остаточных газов

,

где  - температура остаточных газов. Примем , тогда

.

Находим температуру газов в конце хода впуска

.

1.4 Расчет процесса сжатия

Цель расчета процесса сжатия - определение давления  и температуры  газов в конце этого процесса.

1        Давление в конце сжатия:

2       
Температура в конце сжатия:

1.5 Расчет процесса сгорания

Цель расчета процесса сгорания - определение максимальных значений давления  и температуры  газов при сгорании топлива.

.        Температура  газов:

,

где  - низшая теплота сгорания топлива с учетом условий, при которых протекает процесс сгорания.

;

 - коэффициент эффективного выделения теплоты. Примем ;

 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива в кмоль/кг,

Действительное количество воздуха для сгорания 1кг топлива равно

;

 - действительный коэффициент молекулярного изменения, где  - химический коэффициент молекулярного изменения.

Для случая  определяем

.

 - средняя молярная теплоемкость газов в интервале температур от 0 до ,

.

Подставим все известные величины в исходное уравнение:

, откуда ;

2.       Определим максимальное давление сгорания

1.6 Определение индикаторных параметров двигателя

1.       Индикаторное давление

,

где  - коэффициент полноты (скругления) индикаторной диаграммы. Примем .

 - степень повышения давления. Тогда

2.       Определяем индикаторный КПД

3.       Удельный индикаторный расход топлива равен

.

1.7 Определение эффективных параметров двигателя

1.       Среднее эффективное давление

,

где  - коэффициент, оценивающий долю индикаторной мощности, затраченной на привод нагнетателя.

Эффективный КПД нагнетателя

 - теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива, .

Среднее давление механических потерь  характеризует мощность, затраченную на преодоление сил трения, на привод вспомогательных механизмов и агрегатов и на “насосные” потери.

Для определения  пользуются эмпирическими уравнениями, полученными на основании экспериментальных данных.

,

Среднее эффективное давление

2.       Механический КПД

3.       Значение эффективного КПД

4.       Удельный эффективный расход топлива

1.8 Определение геометрических параметров двигателя

1.       Рабочий объем цилиндра двигателя

2.       Определяем диаметр цилиндра D и ход поршня S. Обозначим отношение

,

,

.

Значение m принимаем по прототипу m=1,238.

.

3.       Ход поршня

4.       Общий рабочий объем двигателя

. Проверяем правильность расчетов основных размеров двигателя

,

т.е.  примерно на 1,74% больше заданного.

2. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Цель динамического расчета состоит в построении по данным теплового расчета индикаторной диаграммы и нахождении сил, действующих на все звенья кривошипно-шатунного механизма.

Выполнение динамического расчета авиационного поршневого двигателя связано с довольно большим объемом расчетной работы, поэтому целесообразно проводить его на ЭВМ. Особенность такого расчета - учет в нем главного динамического эффекта, создаваемого прицепными механизмами, - сил второго порядка. Динамический расчет звездообразного двигателя без учета этих сил неприемлем, поскольку при этом создается ложное впечатление об уравновешенности механизма и о запасах прочности коленчатого вала, редуктора и воздушного винта.

2.1 Допущения

Учитываем только силы избыточного давления газов на поршень и силы инерции КШМ.

Индикаторные диаграммы во всех цилиндрах считаем одинаковыми. Теоретические диаграммы корректируем только в точке, соответствующей концу сгорания.

В конце сжатия и расширения диаграммы не корректируем. Считаем, что в течение насосных ходов газовые силы пренебрежимо малы по сравнению с силами инерции КШМ. Поэтому в тактах всасывания и выхлопа газовые силы считаем равными нулю.

Предполагаем геометрическое подобие деталей КШМ проектируемого двигателя и прототипа.

Для расчета сил инерции реальное распределение масс в КШМ приводим к расчетной схеме, в которой все массы считаем точечными, сосредоточенными на осях поршневых пальцев и оси шатунной шейки коленчатого вала.

Приведенные массы поступательно-движущихся частей в цилиндре с главным и прицепным шатунами считаем одинаковыми.

Отличия в кинематике и динамике прицепных механизмов от центрального не учитываем вплоть до заключительного этапа динамического расчета. На заключительном этапе динамического расчета учитываем главный динамический эффект, создаваемый прицепными механизмами.

2.2 Построение верхней петли индикаторной диаграммы и расчет давления газов в цилиндре

Согласно принятым ранее допущениям считаем, что в такте наполнения и выхлопа разность абсолютных давлений в цилиндре и картере равна нулю. Абсолютные давления в тактах сжатия и расширения меняются по политропам. Сгорание происходит при постоянном объеме. В конце сгорания давление составляет 0,85 от расчетного. Расширение заканчивается скачкообразным падением давления в НМТ от расчетного  до давления в картере .

Таким образом, расчету подлежат только давления в ходе расширения и сжатия, определяемые по формуле

,

где  - давление в НМТ ;

- полный объем цилиндра,

- текущий объем над поршнем,

,

где

 - показатель политропы (в процессе сжатия , в процессе расширения ). После подстановки получим:

.

Вычисления выполнены с помощью пакета EXCEL, полученные данные занесены в таблицу2.1

Таблица 2.1 - Давления и объемы в ходе расширения и сжатия

.3 Определение основных размеров КШМ

Схема кривошипно-шатунного механизма с прицепными шатунами показана на рисунок 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема кривошипно-шатунного механизма

Ход поршня  и радиус кривошипа  м найдены в тепловом расчете.

Основные размеры центрального КШМ вполне определяются радиусом R и длиной шатуна L. Отношение  принимаем таким же как и у прототипа, . Тогда длина шатуна .

Угол прицепа

Радиусы прицепов r прицепных шатунов в различных цилиндрах неодинаковы. Из условия геометрического подобия следует, что

.

Радиусы и длина остальных прицепных шатунов, длина главного шатуна рассчитаны, с помощью программы “DINRAS.EXE”. Результаты расчета занесены в таблицу 2.2.

2.4 Определение массы основных деталей

При соблюдении геометрического подобия и использовании конструкционных материалов с одинаковым удельным весом, вес любой детали проектируемого двигателя определяется по формуле

вес комплекта поршня с пальцем

вес главного шатуна

вес прицепного шатуна

вес пальца прицепного шатуна

2.5 Разнос масс КШМ с прицепными шатунами

. Каждый прицепной шатун заменяют двумя массами, одна из которых  сосредотачивается на оси поршневого пальца, а другая - на оси прицепного шатуна.

. Под “приведенным” главным шатуном (рисунок 2.2) понимают собственно главный шатун плюс массы пальцев прицепных шатунов  и массы , сосредоточенные на осях этих пальцев. Обозначим

,

.

Приведенный главный шатун заменяем массами , сосредоточенной на оси поршневого пальца, и , сосредоточенной на оси шатунной шейки. Величины  и  определяем из формул

. Приведенная масса поступательно-движущихся частей.

Эта масса различна в цилиндрах с главным шатуном и с прицепным.

В цилиндре с прицепным шатуном

,

где  - масса комплекта поршня;

 - часть массы прицепного шатуна, отнесенная к оси поршневого пальца.

В цилиндре с главным шатуном

. Приведенная масса вращательно-движущихся частей

,

где  - масса вращательно-движущихся частей;

 - часть массы шатуна;

 - приведенная масса кривошипа.

2.6 Силы инерции

Силы инерции поступательно-движущихся масс переменны по величине и направлению и действуют по осям цилиндров. Силу инерции в цилиндре с главным шатуном находят из уравнения

Рисунок 2.2 - Главный шатун и массы пальцев прицепных шатунов

,

а силу инерции в цилиндре с прицепным шатуном - из уравнения

,

где  - ускорения масс  и .

Силы инерции вращательно-движущихся масс находят по формулам

, .

С илы , постоянные по модулю, приложены к оси шатунной шейки и направлены по радиусу кривошипа.

2.7 Суммарная сила, действующая на поршень

Под суммарной силой, действующей на поршень, понимают сумму газовой силы и силы инерции

,

где  - сила давления газов на поршень,

 - абсолютное давление в цилиндре,

 - абсолютное давление в картере,

 - сила инерции поступательно-движущихся масс.

2.8 Силы, действующие в центральном КШМ

В центральном КШМ действуют силы, показанные на рисунке 2.3. Причем они имеют положительные значения. При направлении, противоположном указанному, силы считают отрицательными. Они равны:

, , , , .

2.9 Суммарные радиальные и окружные силы действующие на шатунную шейку

На шатунную шейку звездообразного двигателя действуют силы каждого цилиндра одновременно. Складываясь, они дают суммарную радиальную силу  и суммарную касательную силу . Для получения  и  нужно сложить силы , а затем силы  каждого цилиндра, действующие в каждый момент поворота кривошипа коленчатого вала.

Рисунок 2.3 - Центральный КШМ

Поскольку индикаторный процесс во всех цилиндрах предполагают одинаковым и силы инерции одинаковы, то силы  и  в различных цилиндрах оказываются сдвинутыми одна относительно другой по фазе на угол .

На шейку кривошипа дополнительно к  действует в радиальном направлении центробежная сила  вращательно-движущихся масс шатуна .

На щеки коленчатого вала действует в радиальном направлении дополнительно к силе  центробежная сила , возникшая в результате вращения массы .

Динамический расчет выполнен на ЭВМ. Это позволило значительно упростить процедуру расчета, а вместе с тем и повысить его точность. Результаты вычисления суммарных окружных и радиальных сил отображены в табл. 2; полных сил, действующих на шатунную шейку в окружном и в радиальном направлениях - в табл. 3.

Результаты расчета избыточного (Р) и абсолютного (PR) давления газов на поршень, силы инерции поступательно-движущихся частей (F), силы, действующей по оси цилиндра (PS), нормально к оси цилиндра (NS), окружной силы от одного цилиндра (Т) и радиальной силы от одного цилиндра (ZS) помещены в табл. 4.

Машинный счет на ЭВМ, исходные данные

Параметры ввода

Число цилиндров 9

число однорядных звезд,v= 1

Число прицепных шатунов,y= 8

Частота вращения колен.вала,n= 2550.00

Степень сжатия ,E= 9.00

Ход поршня ,[m],s= .130000

Диаметр цилиндра ,[m],D= .105000

Отношение рад. к длине гл.шатуна,lam= .275000

Радиус пpицепа шатунов,[м] .048000

Давление в конце наполнения Pа,Па 99678.30

Давление в конце pасшиpения Рв,Па 511008.80

Атмосфеpное давление Pн,Па 92060.00

Показатель политpопы сжатия,Nc 1.35000

Показатель политpопы pасшиpения,Np 1.24000

Таблица 2.2 - Радиус кривошипа,длинна прицепного и главного шатуна

R= .065000 l= .188630 L= .236364

Значение pадиуса пpицепа(1)= .04867 R(2)= .04993 R(3)= .04943 R(4)= .04800(5)= .04800 R(6)= .04943 R(7)= .04993 R(8)= .04867 R(

Пpивед. масса поступательно движущихся частей в

главном и боковом цилиндpах

MPZ= 1.2565750 MPL= 1.1945040

Сила инеpции вpащательно-движущихся масс

F= -18365.71000

Масса неуpавновешенных частей

MASS= 6.3398

Таблица 2.3 - Суммарные окружные и радиальные силы

 -----------------------------------------------

| TC | ZC | ZCD |

-----------------------------------------------

| 18963.53000| -11236.28000| -11236.28000|

| 14369.41000| -16232.57000| -16232.57000|

| 10568.43000| -17240.24000| -17306.20000|

| 8645.49200| -16181.55000| -16181.55000|

| 8735.24600| -16025.26000| 24569.53000|

| 19345.70000| 26392.89000| 26392.89000|

| 23877.06000| 10153.99000| 13781.67000|

| 22901.94000| -1220.88500| -1220.88500|

-----------------------------------------------

Таблица 2.4 - Полные силы действующие на шатунную шейку в окружном и в радиальном направлениях

 --------------------------------------------------------

| Угол| TSI | ZSI | ZSID |

--------------------------------------------------------

| .00| .18964E+05 | -.74913E+04 | -.74913E+04 |

| 10.00| .13719E+05 | -.12544E+05 | -.12544E+05 |

| 20.00| .92876E+04 | -.13721E+05 | -.13787E+05 |

| 30.00| .67730E+04 | -.12938E+05 | -.12938E+05 |

| 40.00| .63280E+04 | -.13156E+05 | .27438E+05 |

| 50.00| .16477E+05 | .28800E+05 | .28800E+05 |

| 60.00| .20634E+05 | .12026E+05 | .15654E+05 |

| 70.00| .19383E+05 | .59980E+02 | .59980E+02 |

| 80.00| .15275E+05 | -.10586E+05 | -.10586E+05 |

| 90.00| .10624E+05 | -.16233E+05 | -.16233E+05 |

|100.00| .68803E+04 | -.17891E+05 | -.17957E+05 |

|110.00| .51264E+04 | -.17462E+05 | -.17462E+05 |

|120.00| .54920E+04 | -.17898E+05 | .22697E+05 |

|130.00| .16477E+05 | .23986E+05 | .23986E+05 |

|140.00| .21470E+05 | .72852E+04 | .10913E+05 |

|150.00| .21029E+05 | -.44641E+04 | -.44641E+04 |

|160.00| .17683E+05 | -.14755E+05 | -.14755E+05 |

|170.00| .13719E+05 | -.19921E+05 | -.19921E+05 |

|180.00| .10568E+05 | -.20985E+05 | -.21051E+05 |

|190.00| .92958E+04 | -.19870E+05 | -.19870E+05 |

|200.00| .10016E+05 | -.19544E+05 | .21050E+05 |

|210.00| .21218E+05 | .23150E+05 | .23150E+05 |

|220.00| .26284E+05 | .72852E+04 | .10913E+05 |

|230.00| .25771E+05 | -.36281E+04 | -.36281E+04 |

|240.00| .22207E+05 | -.13109E+05 | -.13109E+05 |

|250.00| .17889E+05 | -.17513E+05 | -.17513E+05 |

|260.00| .14257E+05 | -.17891E+05 | -.17957E+05 |

|270.00| .12390E+05 | -.16182E+05 | -.16182E+05 |

|280.00| .12423E+05 | -.15375E+05 | .25220E+05 |

|290.00| .22865E+05 | .27674E+05 | .27674E+05 |

|300.00| .27120E+05 | .12026E+05 | .15654E+05 |

|310.00| .25771E+05 | .11863E+04 | .11863E+04 |

|320.00| .21371E+05 | -.83675E+04 | -.83675E+04 |

|330.00| .16242E+05 | -.12989E+05 | -.12989E+05 |

|340.00| .11849E+05 | -.13721E+05 | -.13787E+05 |

|350.00| .92958E+04 | -.12493E+05 | -.12493E+05 |

|360.00| .87353E+04 | -.12280E+05 | .28315E+05 |

|370.00| .18695E+05 | .30081E+05 | .30081E+05 |

|380.00| .22596E+05 | .13673E+05 | .17301E+05 |

|390.00| .21029E+05 | .20224E+04 | .20224E+04 |

|400.00| .16556E+05 | -.83674E+04 | -.83674E+04 |

|410.00| .11501E+05 | -.13825E+05 | -.13825E+05 |

|420.00| .73252E+04 | -.15368E+05 | -.15434E+05 |

|430.00| .51264E+04 | -.14901E+05 | -.14901E+05 |

|440.00| .50472E+04 | -.15375E+05 | .25220E+05 |

|450.00| .15601E+05 | .26393E+05 | .26393E+05 |

|460.00| .20189E+05 | .95037E+04 | .13131E+05 |

|470.00| .19383E+05 | -.25017E+04 | -.25017E+04 |

|480.00| .15720E+05 | -.13109E+05 | -.13109E+05 |

|490.00| .11501E+05 | -.18640E+05 | -.18640E+05 |

|500.00| .81612E+04 | -.20109E+05 | -.20175E+05 |

|510.00| .67730E+04 | -.19425E+05 | -.19425E+05 |

|520.00| .74544E+04 | -.19544E+05 | .21050E+05 |

|530.00| .18695E+05 | .22705E+05 | .22705E+05 |

|540.00| .23877E+05 | .64090E+04 | .10037E+05 |

|550.00| .23552E+05 | -.49090E+04 | -.49090E+04 |

|560.00| .20244E+05 | -.14755E+05 | -.14755E+05 |

|570.00| .16242E+05 | -.19476E+05 | -.19476E+05 |

|580.00| .12976E+05 | -.20109E+05 | -.20175E+05 |

|590.00| .11514E+05 | -.18589E+05 | -.18589E+05 |

|600.00| .11978E+05 | -.17898E+05 | .22697E+05 |

|610.00| .22865E+05 | .25112E+05 | .25112E+05 |

|620.00| .27565E+05 | .95037E+04 | .13131E+05 |

|630.00| .26647E+05 | -.12209E+04 | -.12209E+04 |

|640.00| .22652E+05 | -.10586E+05 | -.10586E+05 |

|650.00| .17889E+05 | -.14952E+05 | -.14952E+05 |

|660.00| .13812E+05 | -.15368E+05 | -.15434E+05 |

|670.00| .11514E+05 | -.13774E+05 | -.13774E+05 |

|680.00| .11142E+05 | -.13156E+05 | .27438E+05 |

|690.00| .21218E+05 | .29636E+05 | .29636E+05 |

|700.00| .25158E+05 | .13673E+05 | .17301E+05 |

|710.00| .23552E+05 | .24672E+04 | .24672E+04 |

|720.00| .18964E+05 | -.74913E+04 | -.74913E+04 |

Таблица 2.5 - Результаты расчета давлений и сил

Такт впуска

------------------------------------------------------------------------------------

| Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила T|Pад.сила Z|

------------------------------------------------------------------------------------

| .00| .0000E+00| .0000E+00|-.7426E+04|-.7426E+04| .0000E+00| .0000E+00|-.7426E+04|

| 10.00| .0000E+00| .0000E+00|-.7241E+04|-.7241E+04|-.3462E+03|-.1598E+04|-.7071E+04|

| 20.00| .0000E+00| .0000E+00|-.6700E+04|-.6700E+04|-.6330E+03|-.2886E+04|-.6079E+04|

| 30.00| .0000E+00| .0000E+00|-.5845E+04|-.5845E+04|-.8114E+03|-.3625E+04|-.4656E+04|

| 40.00| .0000E+00| .0000E+00|-.4740E+04|-.4740E+04|-.8512E+03|-.3699E+04|-.3084E+04|

| 50.00| .0000E+00| .0000E+00|-.3466E+04|-.3466E+04|-.7468E+03|-.3135E+04|-.1656E+04|

| 60.00| .0000E+00| .0000E+00|-.2111E+04|-.2111E+04|-.5177E+03|-.2087E+04|-.6073E+03|

| 70.00| .0000E+00| .0000E+00|-.7651E+03|-.7651E+03|-.2047E+03|-.7889E+03|-.6935E+02|

| 80.00| .0000E+00| .0000E+00| .4937E+03| .4937E+03| .1389E+03| .5103E+03|-.5105E+02|

| 90.00| .0000E+00| .0000E+00| .1602E+04| .1602E+04| .4581E+03| .1602E+04|-.4581E+03|

|100.00| .0000E+00| .0000E+00| .2516E+04| .2516E+04| .7080E+03| .2355E+04|-.1134E+04|

|110.00| .0000E+00| .0000E+00| .3219E+04| .3219E+04| .8611E+03| .2730E+04|-.1910E+04|

|120.00| .0000E+00| .0000E+00| .3713E+04| .3713E+04| .9105E+03| .2760E+04|-.2645E+04|

|130.00| .0000E+00| .0000E+00| .4022E+04| .4022E+04| .8667E+03| .2524E+04|-.3249E+04|

|140.00| .0000E+00| .0000E+00| .4183E+04| .4183E+04| .7513E+03| .2114E+04|-.3688E+04|

|150.00| .0000E+00| .0000E+00| .4243E+04| .4243E+04| .5890E+03| .1611E+04|-.3969E+04|

|160.00| .0000E+00| .0000E+00| .4246E+04| .4246E+04| .4011E+03| .1075E+04|-.4127E+04|

|170.00| .0000E+00| .0000E+00| .4231E+04| .4231E+04| .2023E+03| .5355E+03|-.4202E+04|

|180.00| .0000E+00| .0000E+00| .4223E+04| .4223E+04| .2113E-02| .5671E-02|-.4223E+04|

------------------------------------------------------------------------------------

Такт сжатия

------------------------------------------------------------------------------------

| Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила T|Pад.сила Z|

------------------------------------------------------------------------------------

|180.00| .9968E+05| .6597E+02| .4223E+04| .4289E+04| .2990E-02| .7805E-02|-.4289E+04|

|190.00| .1003E+06| .7172E+02| .4231E+04| .4302E+04|-.2057E+03|-.5445E+03|-.4273E+04|

|200.00| .1024E+06| .8941E+02| .4246E+04| .4335E+04|-.4096E+03|-.1098E+04|-.4214E+04|

|210.00| .1060E+06| .1204E+03| .4243E+04| .4363E+04|-.6057E+03|-.1657E+04|-.4082E+04|

|220.00| .1113E+06| .1670E+03| .4183E+04| .4351E+04|-.7813E+03|-.2198E+04|-.3835E+04|

|230.00| .1190E+06| .2331E+03| .4022E+04| .4255E+04|-.9169E+03|-.2670E+04|-.3437E+04|

|240.00| .1295E+06| .3245E+03| .3713E+04| .4037E+04|-.9900E+03|-.3001E+04|-.2876E+04|

|250.00| .1440E+06| .4496E+03| .3219E+04| .3669E+04|-.9814E+03|-.3112E+04|-.2177E+04|

|260.00| .1639E+06| .6217E+03| .2516E+04| .3138E+04|-.8829E+03|-.2937E+04|-.1414E+04|

|270.00| .1914E+06| .8605E+03| .1602E+04| .2462E+04|-.7043E+03|-.2462E+04|-.7043E+03|

|280.00| .2304E+06| .1198E+04| .4937E+03| .1691E+04|-.4758E+03|-.1748E+04|-.1749E+03|

|290.00| .2865E+06| .1683E+04|-.7650E+03| .9182E+03|-.2456E+03|-.9469E+03| .8324E+02|

|300.00| .3691E+06| .2399E+04|-.2111E+04| .2879E+03|-.7059E+02|-.2846E+03| .8280E+02|

|310.00| .4936E+06| .3477E+04|-.3466E+04| .1144E+02|-.2465E+01|-.1035E+02| .5464E+01|

|320.00| .6831E+06| .5118E+04|-.4740E+04| .3780E+03|-.6789E+02|-.2950E+03| .2460E+03|

|330.00| .9660E+06| .7567E+04|-.5845E+04| .1722E+04|-.2391E+03|-.1068E+04| .1372E+04|

|340.00| .1351E+07| .1090E+05|-.6700E+04| .4197E+04|-.3965E+03|-.1808E+04| .3808E+04|

|350.00| .1750E+07| .1436E+05|-.7241E+04| .7119E+04|-.3403E+03|-.1571E+04| .6952E+04|

|360.00| .1936E+07| .1596E+05|-.7426E+04| .8538E+04|-.7426E-02|-.3515E-01| .8538E+04|

-------------------------------------------------------------------------------------------

Такт сгорания

------------------------------------------------------------------------------------

| Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила T|Pад.сила Z|

------------------------------------------------------------------------------------

|360.00| .6624E+07| .5656E+05|-.7426E+04| .4913E+05|-.6851E-01|-.3194E+00| .4913E+05|

|370.00| .7105E+07| .6073E+05|-.7241E+04| .5348E+05| .2557E+04| .1181E+05| .5223E+05|

|380.00| .5599E+07| .4768E+05|-.6700E+04| .4098E+05| .3872E+04| .1766E+05| .3719E+05|

|390.00| .4116E+07| .3484E+05|-.5845E+04| .2899E+05| .4025E+04| .1798E+05| .2310E+05|

|400.00| .2994E+07| .2513E+05|-.4740E+04| .2039E+05| .3661E+04| .1591E+05| .1326E+05|

|410.00| .2221E+07| .1844E+05|-.3466E+04| .1497E+05| .3226E+04| .1354E+05| .7152E+04|

|420.00| .1701E+07| .1393E+05|-.2111E+04| .1182E+05| .2898E+04| .1169E+05| .3400E+04|

|430.00| .1348E+07| .1087E+05|-.7651E+03| .1011E+05| .2703E+04| .1042E+05| .9162E+03|

|440.00| .1103E+07| .8755E+04| .4937E+03| .9248E+04| .2602E+04| .9560E+04|-.9563E+03|

|450.00| .9306E+06| .7261E+04| .1602E+04| .8863E+04| .2535E+04| .8863E+04|-.2535E+04|

|460.00| .8067E+06| .6188E+04| .2516E+04| .8704E+04| .2449E+04| .8147E+04|-.3923E+04|

|470.00| .7164E+06| .5406E+04| .3219E+04| .8625E+04| .2307E+04| .7316E+04|-.5118E+04|

|480.00| .6500E+06| .4831E+04| .3713E+04| .8544E+04| .2095E+04| .6352E+04|-.6087E+04|

|490.00| .6012E+06| .4409E+04| .4022E+04| .8431E+04| .1817E+04| .5291E+04|-.6811E+04|

|500.00| .5657E+06| .4101E+04| .4183E+04| .8285E+04| .1488E+04| .4186E+04|-.7303E+04|

|510.00| .5405E+06| .3883E+04| .4243E+04| .8126E+04| .1128E+04| .3086E+04|-.7602E+04|

|520.00| .5237E+06| .3738E+04| .4246E+04| .7984E+04| .7543E+03| .2022E+04|-.7760E+04|

|530.00| .5141E+06| .3655E+04| .4231E+04| .7885E+04| .3770E+03| .9981E+03|-.7831E+04|

|540.00| .5110E+06| .3628E+04| .4223E+04| .7850E+04| .1230E-01| .2976E-01|-.7850E+04|

--------------------------------------------------------------------

Такт выхлопа

------------------------------------------------------------------------------------

| Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила T|Pад.сила Z|

------------------------------------------------------------------------------------

|540.00| .0000E+00| .0000E+00| .4223E+04| .4223E+04| .8832E-02| .2406E-01|-.4223E+04|

|550.00| .0000E+00| .0000E+00| .4231E+04| .4231E+04|-.2023E+03|-.5354E+03|-.4202E+04|

|560.00| .0000E+00| .0000E+00| .4246E+04| .4246E+04|-.4011E+03|-.1075E+04|-.4127E+04|

|570.00| .0000E+00| .0000E+00| .4243E+04| .4243E+04|-.5890E+03|-.1611E+04|-.3969E+04|

|580.00| .0000E+00| .0000E+00| .4183E+04| .4183E+04|-.7513E+03|-.2114E+04|-.3688E+04|

|590.00| .0000E+00| .0000E+00| .4022E+04| .4022E+04|-.8667E+03|-.2524E+04|-.3249E+04|

|600.00| .0000E+00| .0000E+00| .3713E+04| .3713E+04|-.9105E+03|-.2760E+04|-.2645E+04|

|610.00| .0000E+00| .0000E+00| .3219E+04| .3219E+04|-.8611E+03|-.2730E+04|-.1910E+04|

|620.00| .0000E+00| .0000E+00| .2516E+04| .2516E+04|-.7080E+03|-.2355E+04|-.1134E+04|

|630.00| .0000E+00| .0000E+00| .1602E+04| .1602E+04|-.4581E+03|-.1602E+04|-.4581E+03|

|640.00| .0000E+00| .0000E+00| .4938E+03| .4938E+03|-.1389E+03|-.5104E+03|-.5107E+02|

|650.00| .0000E+00| .0000E+00|-.7650E+03|-.7650E+03| .2046E+03| .7889E+03|-.6934E+02|

|660.00| .0000E+00| .0000E+00|-.2111E+04|-.2111E+04| .5177E+03| .2087E+04|-.6073E+03|

|670.00| .0000E+00| .0000E+00|-.3466E+04|-.3466E+04| .7468E+03| .3135E+04|-.1655E+04|

|680.00| .0000E+00| .0000E+00|-.4740E+04|-.4740E+04| .8512E+03| .3699E+04|-.3084E+04|

|690.00| .0000E+00| .0000E+00|-.5845E+04|-.5845E+04| .8114E+03| .3625E+04|-.4656E+04|

|700.00| .0000E+00| .0000E+00|-.6700E+04|-.6700E+04| .6330E+03| .2886E+04|-.6079E+04|

|710.00| .0000E+00| .0000E+00|-.7241E+04|-.7241E+04| .3462E+03| .1598E+04|-.7071E+04|

|720.00| .0000E+00| .0000E+00|-.7426E+04|-.7426E+04| .1681E-01| .7530E-01|-.7426E+04|

------------------------------------------------------------------------------

3. УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ

Силы инерции вращательно движущихся масс в однорядной звезде как и в одноцилиндровом двигателе, неуравновешенны и уравновешиваются противовесами:

двигатель давление газ нагнетатель

,

где - центробежная сила вращающихся частей равна:

- сила инерции от неуравновешенных частей равна:

(масса неуравновешенных частей вычислена при динамическом расчете на ЭВМ, см. табл. 2.2)

.

Рассмотрим вопрос уравновешивания сил инерции поступательно движущихся масс.

Если исходить из положения, что все шатуны в двигателе центральные, то силы  и  всех цилиндров соответственно равны. В этом случае результирующая сила инерции первого порядка будет представлять собой постоянный по величине вектор, приложенный к шатунной шейке коленчатого вала и вращающийся вместе с коленом. Он равен

,

где  - поступательно движущаяся масса, относящаяся к одному цилиндру, =1,2кг; - число цилиндров в одной звезде.

.

Такую силу легко уравновесить, добавив к противовесам соответствующую массу.

Определим вес противовесов для уравновешивания сил инерции вращательно-движущихся масс и сил инерции первого порядка поступательно движущихся масс:

В расчете веса противовесов предполагалось что оба противовеса одного веса но в реальности существует различие связанное с разьемной конструкцией коленчатого вала. Положение центра тяжести противовеса определено с помощью программы КОМПАС-V13. После установки противовесов неуравновешенность двигателя в основном будет определяться силой инерции поступательно движущихся масс второго порядка. Эта сила через мотораму передается на корпус ЛА вызывая его вибрацию. Для ее уменьшения применены амортизирующие подвески.

В действительности же вследствие разницы в массах шатунов и в кинематике поршней главного и боковых цилиндров результирующий вектор сил инерции первого порядка не постоянный по величине, а содержит переменную составляющую; конец вектора описывает эллипс (рисунок 3.8), большая ось которого совпадает с направлением оси главного цилиндра. Амплитуда переменной составляющей

,

где -  - разность поступательно движущихся масс главного и бокового цилиндра:

.

Тогда в момент   равна:

.

Рисунок 3.1 - Результирующий вектор сил инерции первого порядка

4. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЕТЫ

Расчет твердотельных моделей деталей, выполненных в пакете Solid Works, производится в пакете Cosmos Works.

В основу расчета заложен метод конечных элементов (МКЭ). Перед расчетом задаем материал деталей, условия закрепления по плоскостям и цилиндрическим поверхностям и производим разбиение твердотельной модели на сетку конечных элементов. Далее производим расчет на статическую прочность для поршня и пальца и расчет на устойчивость для шатуна.

4.1 Расчет поршня

Результаты расчета (эквивалентные напряжения, перемещения, деформации и распределение коэффициента запаса прочности по поршню) отображены графически на рисунках 4.1 - 4.4.

По результатам расчета видно, что максимальные напряжения, а следовательно и минимальные коэффициенты запаса, расположились у основания бобышек (с внутренней стороны поршня), а так же на проточках под поршневые кольца и на периферии маслоотводных отверстий рисунок 4.1.

Максимальные деформации характерны для диаметрально-противоположных точек “дна” поршня, расположенных в плоскости, перпендикулярной к оси поршневого пальца рисунок 4.3.

Рисунок 4.1 - Распределение напряжений по поршню

Рисунок 4.2 - Статическая деформация поршня

Рисунок 4.3 - Перемещения поршня

Рисунок 4.4 - Распределение коэффициента запаса прочности

4.2 Расчет пальца

Результаты расчета (эквивалентные напряжения, перемещения, деформации и распределение коэффициента запаса прочности по пальцу) отображены графически на рисунках 4.5 - 4.8.

По результатам расчета видно, что максимальные напряжения, а следовательно и минимальные коэффициенты запаса, расположились в месте контакта с шатуном, а так же в местах контакта с поршнем рисунок 4.5.

Максимальные деформации характерны для крайних точек контактирующих с поршнем рисунок 4.7.

Рисунок 4.5 - Распределение напряжений по пальцу

Рисунок 4.6 - Статическая деформация пальца

Рисунок 4.7 - Перемещения пальца

Рисунок 4.8 - Распределение коэффициента запаса прочности

4.3 Расчет шатуна

Результаты расчета на статическую устойчивость (деформация и форма колебаний) отображены графически на рисунках 4.9.

По результатам расчета видно, что максимальные деформации характерны для верхней головки шатуна рисунок 4.9.

Рисунок 4.9 - Деформации шатуна

ВЫВОД

Целью данного курсового проекта было проектирование авиационного поршневого двигателя на базе двигателя-прототипа АИ-14Р.

В тепловом расчете были найдены давления и температуры в отдельных процессах: наполнение, сжатие, сгорание, расширение; индикаторные параметры двигателя; эффективные параметры цикла в целом; основные размеры двигателя: D = 0,105м, S = 0,130м, Vдв =10,1л.

В динамическом расчете были найдены значения радиуса кривошипа, длины прицепного и главного шатуна; силы, действующие на все звенья кривошипно-шатунного механизма, по значениям которых построены соответствующие графики. Также по данным расчета была построена индикаторная диаграмма.

Расчет на прочность основных элементов КШМ (поршня, пальца и прицепного шатуна), в результате которого были найдены напряжения, удельные нагрузки и запасы прочности, которые лежат в пределах, рекомендованных при расчете.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. И.П. Пелепейченко, Н.И. Кормилов “Тепловые двигатели”, - Харьков: ХАИ, 1977. - 108с.

. И.П. Пелепейченко, В.И. Крирченко “Динамический расчет авиационного однорядного звездообразного двигателя на ЭВМ”, - Харьков: ХАИ, 1982. - 56с.

. В.И. Крирченко “ Динамический расчет поршневого звездообразного двигателя”, - Харьков: ХАИ, 1973. - 68с.

. Ю.А. Гусев, С.В. Епифанов, А.В. Белогуб “Поршни двигателей внутреннего сгорания”, - Харьков: ХАИ, 1999. - 32с.

. Г.С. Писаренко, В.Г. Попков “Сопротивление материалов”, - Киев: Вища школа, 1986. - 776с.