Расчет авиационного звездообразного поршневого двигателя с воздушным охлаждением (прототип АИ-14)
Задание на курсовой проект
Произвести расчет авиационного звездообразного поршневого двигателя с
воздушным охлаждением (прототип АИ-14).
Исходные данные:
) эффективная мощность на расчетной высоте 
;
2)
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 шатуна.
. Расчет на прочность коленвала.
Реферат
По выполненному тепловому расчету разработана конструкция 7-ти
цилиндрового поршневого двигателя. Этот этап проектирования выполнен в виде
чертежа общего вида двигателя масштабе 1:1.
Выполнен динамический расчет двигателя, его уравновешивание, а также
силовые расчеты, включающие расчет на прочность коленвала, расчет поршневого пальца,
и поршня. По полученным
результатам были сделаны соответствующие выводы.
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
1 Общие сведения о двигателе
1.1 Краткое
описание двигателя
1.2 Картер
1.3
Цилиндрово-поршневая группа
1.4
Кривошипно-шатунный механизм
2 ТЕПЛОВОЙ
РАСЧЕТ
2.1 Исходные
данные
2.2 Выбор
дополнительных исходных данных
2.3 Расчет
процесса наполнения
2.4 Расчет
процесса сжатия
2.5 Расчет
процесса сгорания
2.6 Расчет
процесса расширения
2.7 Определение
индикаторных параметров двигателя
2.8 Определение
эффективных параметров двигателя
2.9 Определение
геометрических параметров двигателя
3 ДИНАМИЧЕСКИЙ
РАСЧЕТ
3.1 Допущения
3.2 Определение
основных размеров КШМ
3.3 Исходные
данные для динамического расчета
3.4 Результаты
расчета
4 РАСЧЕТ НА
ПРОЧНОСТЬ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ
4.1 Расчет на
прочность поршня
4.2 Расчет
пальца поршня
4.4 Расчет на
удельное давление его трущихся поверхностях
5 РАСЧЕТ ШАТУНА
5.1 Расчет
стержня шатуна
5.2 Расчет
верхней головки шатуна
6 РАСЧЕТ
КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
6.1 Силы,
действующие на колено коленчатого вала
6.2 Определения
запаса прочности в шатунной шейке
Заключение
Список
литературы
ВВЕДЕНИЕ
Авиационный поршневой двигатель представляет собой сложную систему,
которая преобразует, с помощью химических процессов, тепловую энергию,
заключенную в топливе, и превращает ее в механическую работу.
Основные параметры двигателя (мощность, удельный расход топлива, размеры)
обуславливаются характером протекания рабочего процесса и степенью
использования тепла, выделяемого при сгорании топлива в цилиндрах.
Для четырехтактных двигателей, рабочий процесс в цилиндре осуществляется
за два оборота коленчатого вала и состоит из четырех тактов: наполнения,
сжатия, сгорания смеси и расширения продуктов сгорания, и выпуска в атмосферу
отработавших газов.
1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДВИГАТЕЛЕ
.1 Краткое описание двигателя
Представленный в данном проекте двигатель - четырехтактный, невысотный,
но имеет центробежный нагнетатель для создания наддува на взлётном и
номинальном режимах, а также для улучшения смесеобразования, и распределения
смеси по цилиндрам.
Двигатель имеет планетарный редуктор, для снижения оборотов, передаваемых
от двигателя на винт.
Картер двигателя состоит из носка картера, передней крышки упорного
подшипника коленчатого вала, среднего картера, смесесборника и задней крышки.
В полости носка картера размещен механизм редуктора, на наружной
поверхности носка имеется фланец для установки регулятора постоянных оборотов.
Средний картер состоит из переднего и заднего полукартеров, соединённых
друг с другом при помощи болтов.
Внутри среднего картера размещён кривошипно-шатунный механизм, по
периферии картера на соответствующих фланцах устанавливаются цилиндры и
маслоотстойник.
К переднему полукартеру крепится на шпильках передняя крышка упорного
подшипника и носок картера.
В полости прилива переднего полукартера и на передней крышке упорного
подшипника коленчатого вала размещается кулачковая шайба и её привод.
Направляющие толкателей монтируются в приливе переднего полукартера. К заднему
полукартеру крепится смесесборник, являющийся коллектором рабочей смеси,
которая направляется от нагнетателя к цилиндрам.
По периферии смесесборника расположены девять бобышек для установки
всасывающих труб цилиндров, на восьми бобышках выполнены приливы с отверстиями
для крепления рамы двигателя; в нижней части смесесборника имеется фланец, на
котором монтируется переходник с карбюратором.
Внутри смесесборника монтируются: крыльчатка нагнетателя, диффузор,
ведущий валик привода нагнетателя и агрегатов, расположенных на задней крышке.
К смесесборнику на шпильках крепится задняя крышка, на фланцах которой
устанавливаются: два магнето БСМ-9-25°, генератор тока ГС-10-350М, компрессор
АК-50М, вакуум-насос АК-4С, шестерёнчатый маслонасос, бензонасос 702М,
воздухораспределитель и привод к счётчику оборотов.
В полости задней крышки размещены приводы ко всем вышеупомянутым
агрегатам.
Система смазки основных деталей циркуляционная, под давлением,
создаваемым шестерёнчатым насосом.
Детали, сопрягаемые с пошнями, и все шестерни смазываются барботажным
маслом.
Смазка клапанного механизма производится консистентной смазкой.
Внутренняя полость двигателя сообщается с окружающеё атмосферой при
помощи двух суфлёров, один из которых расположен на носке картера, а второй на
смесесборнике.
Зажигание рабочей смеси в цилиндрах производится при помощи двух
запальных свечей, ввёрнутых по две в каждый цилиндр.
Двигатель снабжён системой запуска при помощи сжатого воздуха. Сжатый
воздух подаётся из баллона через распределитель к пусковым клапанам,
размещённым на головке каждого цилиндра.
Топливо перед запуском заливают во всасывающие трубы цилиндров через
заливочные форсунки и коллектор трубопроводов при помощи пускового насоса.
1.2 Картер
Проектируемый двигатель четырехтактный, звездообразный.
Является маломощным поршневым авиационным двигателем. Невысотный, но
имеет центробежный нагнетатель для создания наддува на взлетном режимах, а
также для улучшения смесеобразования и распределения смеси по цилиндрам.
Основанием всего двигателя является картер. К нему крепятся цилиндры, в
нем располагаются подшипники коленчатого вала и редуктора. Картер двигателя
крепится к подмоторной раме самолета и является основным звеном, в котором
замыкается силовая система двигателя. Через картер все усилия от двигателя
передаются элементам конструкции самолета.
Основные требования, которые предъявляются к картеру, - высокая прочность
и жесткость его конструкции при минимальном весе.
Картер состоит из следующих узлов: носка картера, передней крышки
упорного подшипника коленчатого вала, среднего картера, выполненного в виде
переднего и заднего полукартеров, смесесборника и задней крышки.
Носок картер, отлитый из магниевого сплава, своим задним фланцем, имеющим
18 отверстий для шпилек , крепится к среднему картеру.
На верхней части наружной поверхности носка имеется фланец для крепления
регулятора оборотов и фланец для крепления суфлера, которой выполнен в виде
литой трубки с внутренними перегородками, которые способствуют отделению масла
от газов, выходящих из полости картера в атмосферу. Для этой же цели, а так же
для предупреждения попадания посторонних частиц в полость двигателя между
суфлером и носком картера устанавливается сетчатый фильтр.
В расточке переднего фланца носка картера устанавливается упорно-опорный
шарикоподшипник вала винта, а в расточке центральной ступицы запрессовывается
втулка с отверстиями для подвода масла к регулятору оборотов и механизму винта.
В верхней части носка имеются приливы, в которых просверливаются каналы
для подвода и отвода масла в регулятор установлен сетчатый фильтр. На
внутренней поверхности носка имеется фланец с футорками, к которому винтами
крепятся ступица неподвижной шестерни редуктора. На девяти шпильках переднего
фланца носка монтируется крышка упорно-опорного шарикоподшипника, а остальные
четыре шпильки служат для укрепления капота.
Передняя крышка упорного подшипника коленчатого вала несет на себе
шарикоподшипниковый опор: коленчатого вала, двойной шестерни газораспределения
и одновременно привода регулятора оборотов. Передняя крышка выполнена в виде усеченного
конуса, большее основание которого переходит во фланец, имеющий отверстие для
прохода шпилек крепления носка картера к среднему картеру. Фланец имеет два
центральных бурта по одному с каждой стороны. Передний бурт служит для
центрирования носка картера, задний - для центрирования передней крышки при ее
монтаже на фланец среднего картера.
Малое основание крышки имеет бобышку, в которой расточено гнездо для
посадки упорно-опорного шарикоподшипника коленчатого вала. Для предотвращения
продольного перемещения этого подшипника вперед -к передней стенки бобышки на
шести шпильках монтируется плоская стальная шайба; для предотвращения
перемещения назад - на бобышке выполнен внутренний бурт. В задней части крышки
выполнен подковообразный прилив, в полости которого размещается большая
шестерня промежуточного привода газораспределения и на фланец которого на шести
шпильках монтируется задняя опора привода газораспределения и регулятора
оборотов.
В стенки крышки выполнены четыре отверстия: три - для суфлирования
полостей картера и одного - для слива масла из носка картера.
На передней части вверху заодно с крышкой отлит кронштейн, в отверстие
которого запрессовывается втулка ведомой шестерни привода регулятора оборотов.
Средний картер состоит из переднего и заднего полукартеров, отлитых из
алюминиевого сплава.
Передний и задний полукартеры механически обрабатываются совместно, после
стыковки по разъему, проходящему в плоскости осей цилиндров. Полукартеры
стягиваются и центрируются между собой болтами, проходящих в отверстиях в
перемычках между фланцами крепления цилиндров. Вертикальные стенки полукартеров
являются опорами для роликового и шарикового подшипников коленчатого вала.
На наружной поверхности картера равномерно по окружности расположены
девять фланцев с восьмью шпильками на каждом, для крепления цилиндров. К
переднему фланцу полукартера на шпильках крепится передняя крышка упорно -
опорного подшипника коленчатого вала и носок картера.
На фланце заднего полукартера имеются шпильки для крепления смесесборника;
кроме на каждом из полукартеров в нижней части имеется по одному фланцу с
отверстиями и двумя шпильками для крепления маслоотстойника. На цилиндрической
части переднего полукартера, расположенной ближе к носку картера выполнены 18
фланцев, с двумя шпильками и отверстием на каждом, для установки направляющих
толкателей.
Вертикальная стенка переднего полукартера в центре имеет отверстие, в
которое запрессовывается и контрица тремя стопорами бронзовая втулка переднего
роликового подшипника коленчатого вала.
Наружная обойма роликоподшипника фиксируется от продольного перемещения:
вперед - буртиком бронзовой втулки, назад - пружинным кольцом, которое
устанавливается в выточку втулки. Отверстие на вертикальной стенке переднего
полукартера служат для суфлирования внутренней полости, а прямоугольное
отверстие для слива масла из передней части двигателя.
Вертикальная стенка заднего полукартера в центре имеет отверстие, в
которое запрессовывается и контрится тремя стопорами бронзовая втулка заднего
шарикоподшипника коленчатого вала. На вертикальной стенке этого полукартера,
кроме того, имеются три отверстия для суфлирования и одно отверстие для слива
из задней части двигателя в средний картер; ниже его расположено отверстие с
маслоперепускной стальной трубкой, являющейся каналом для откачки масла из
маслоотстойника, расположенного в нижней части.
На этом фланце рядом с круглым отверстием канала откачки масла из
отстойника имеется квадратное отверстие для слива масла из картера в отстойник.
Смесесборник имеет на своем переднем фланце отверстия под шпильки
крепления к среднему картеру.
Внутри смесесборника имеется полость - смесительная камера, из которой
есть выходы через девять тангенциальном расположенных патрубков. Расточка
каждого патрубка имеет бурт и резьбу для монтажа соответственно резинового
уплотнительного кольца и гайки крепления всасывающей трубы.
На восьми патрубках выполнены бобышек с отверстиями под болты крепления
двигателя к подмоторной раме. Внизу смесесборник имеет прилив с фланцем для
крепления переходника карбюратора. Внутри прилива выполнен канал эллиптического
сечения, которой переходит в кольцевое сечение, образуя центральный вход к
крыльчатке нагнетателя.
В центральной расточке смесесборника монтируется: шарикоподшипник
ведущего валика приводов и стальная втулка под маслоуплотнительные кольца
нагнетателя.
В нижней части смесесборника имеется канал слива масла из задней крышки в
отстойник и канал откачки масла из отстойника. На задний фланец смесесборника
устанавливается диффузор нагнетателя, который крепится к фланцам двумя винтами
и зажимается фланцами задней крышки, крепящейся к смесесборнику на девяти
шпильках.
Диффузор выполнен в виде литой плиты. Передняя сторона диффузора имеет по
периферии фланец, который при монтаже двигателя принимает к фланцу
смесесборника; во фланце диффузора выполнены два отверстия под винты фиксации
диффузора к смесесборнику и десять отверстий для прохода шпилек крепления
задней крышки и диффузора. В верхнем приливе фланца выполнено эллиптическое
отверстие для суфлирования задней крышки, в нижнем приливе два отверстия: одно
для слива масла из задней крышки в полость среднего картера и второе - для
откачки масла из отстойника.
На передней стороне диффузора выполнены также 12 равностоящих друг от
друга профилированных лопаток, которые после монтажа диффузора на смесесборник
образуют расширяющиеся каналы, преобразующие скоростной напор в повышенное
давление на всасывании. В центральной части диффузора имеется бобышка, в
расточку которой запрессовывается стальная втулка под маслоуплотнительные
кольца валика крыльчатки нагнетателя.
Задняя сторона нагнетателя имеет по периферии фланец, к которому при
монтаже картера прилегает фланец задней крышки. Внизу под центральной расточкой
диффузора расположена бобышка, в расточку которой запрессовывается бронзовая
втулка являющаяся передней опорой валика промежуточного привода к нагнетателю.
Слева и справа от этой бобышки выполнены приливы, с двумя шпильками на каждом,
на которые монтируется задняя опора промежуточного привода.
Кроме того, на задней стороне диффузора вверху устанавливается
специальный дефлектор для устранения чрезмерной утечки масла через систему
суфлирования.
Маслоотстойник литой изготовлен из магниевого сплава МЛ5 и предназначен
для сбора, отстоя и предварительной фильтрации масла, стекающего в картер после
смазки соответствующих узлов.
1.3
Цилиндрово-поршневая группа
В объеме, заключенном между внутренней стенкой головки цилиндра и днищем
поршня, происходит сгорание топливо-воздушной смеси и расширение продуктов
сгорания, причем стенки цилиндра направляют движение поршня, воспринимающего
давление газов.
Цилиндры
Цилиндр во время работы двигателя находится под действием быстро
изменяющихся по времени и величине механических и тепловых нагрузок, которые
имеют неравномерное распределение.
Предварительному расчету на прочность обычно подвергаются стенки и фланец
цилиндра. Стенки цилиндра рассчитываются как тонкостенный сосуд, подверженный
давлению вспышки.
Фланец гильзы проверяется на изгиб от силы вспышки как балка, защемленная
в стенке гильзы и нагруженная равномерно распределенной нагрузкой, приложенная
по окружности, проходящей через оси шпилек.
Боковые и верхние дефлекторы, установленные комплектно на двигатель,
образуют в плоскости цилиндра сплошное кольцо с желобком, в котором
укладываются прокладка, герметизирующая кольцевую щель между дефлекторами
двигателя и капотом самолета.
Поршни
Поршень двигателя внутреннего сгорания воспринимает давление газов и
передает работу сил давления газов через шатун к коленчатому валу.
При этом поршень должен создавать в условиях высоких температур и
давление максимально непроницаемую, перемещающуюся перегородку между
изменяющимся объемом цилиндра и внешней средой.
Плотность стыка между поршнем и цилиндром необходима для предупреждения
утечки газов в полость картера (утечка газов уменьшает экономичность работы
двигателя и увеличивает нагрев поршня), а также для предупреждения попадания
масла из картера в камеру сгорания (проникновения масла в камеру сгорания
ухудшает работу системы зажигания двигателя, условие работы поршня из-за
повышенного отложения нагара на днище и непроизводительно увеличивает расход
масла).
Узел поршня состоит из поршня, поршневых колец пальца поршня и заглушек.
Поршни двигателя АИ-14 изготавливаются путем штамповки из алюминиевого
ковкого сплава АК4.
Днище поршня снаружи плоское, но имеет две выборки предупреждающие
возникновение удара поршня о зависший клапан выпуска или впуска.
На боковой поверхности поршня выполнены три канавки в верхнем поясе
поршня и одна канавка в нижнем для установки поршневых колец.
В две верхние канавки устанавливаются газоуплотнительные хромированные
кольца с цилиндрической образующей, в третью и четвертую соответственно
устанавливаются маслосборные и маслосбрасывающие кольца. В третьей и четвертой
канавке просверлены радиальные отверстия, через которые масло, собранное
кольцами, отводится в полость картера.
1.4
Кривошипно-шатунный механизм
Шатунно-кривошипный механизм звездообразного двигателя состоит из
главного шатуна, комплекта прицепных шатунов, коленчатого вала и деталей,
соединяющих все эти элементы.
Шатуны связывают возвратно и прямолинейно движущиеся поршни с вращающимся
коленчатым валом.
На шатун действуют силы давления газов и силы инерции, передающиеся от
поршня; в зависимости от положения коленчатого вала шатун работает либо на
сжатие (в момент максимального давления газов в цилиндре), либо на растяжение
(в начале хода всасывания).
На коленчатый вал действуют большое количество переменных по направлению
и величине сил давления газов и силы инерции. Кроме того в коленчатом вале, как
во всякой упругой системе, возникают напряжения от крутильных деформаций его,
обусловленных переменными значениями крутящего момента.
В связи с большой напряженностью для изготовления коленчатых валов применяют
высококачественные и легированные стали.
Шатунный механизм двигателя АИ-14 состоит из главного шатуна, восьми
прицепных шатунов, восьми пальцев, соединяющих прицепные шатуны с главным
шатуном, и деталей, служащих для фиксации пальцев.
Главный шатун состоит из стержня двутаврового сечения с полками,
расположенными перпендикулярно плоскости качания и двух головок: поршневой и
кривошипной, выполненных за одно со стержнем. Поверхность главного шатуна после
изготовления тщательно полируется до полного удаления рисок от механической
обработки.
В поршневую головку главного шатуна запрессовывается бронзовая втулка,
которая контрится стопором на резьбе.
Прицепной шатун состоит из стержня двутаврового сечения с постоянным
размером по длине, поршневой и кривошипной головок, выполненных за одно со
стержнем.
Пальцы прицепных шатунов изготавливаются из стали марки 18ХНВА
цилиндрическими и полыми.
Масло в кольцевую полость поступает через косое отверстие, совпадающее
при сборке с отверстием главного шатуна, под давлением из зазора между втулкой
главного шатуна и кривошипной шейки коленчатого вала.
На обоих торцах пальцев прицепных шатунов сделаны запилы, в которые
входят выступающие упоры стопорных колец и тем самым фиксируют пальцы от осевых
и радиальных перемещений в проушинах главного шатуна.
Из условий монтажа шатунного механизма коленчатый вал выполнен разъемным
и состоит из передней и задней частей, кроме того, на нем монтируются
противовесы.
Коленчатый вал лежит на трех подшипниках качения: на заднем - шариковом,
среднем - роликовым и переднем - упорном шарикоподшипнике, устанавливаемом в
передней крышке картера.
Передняя часть вала выполнена за одно целое с шатунной шейкой, которая
своим задним концом входит в отверстие разрезного замка задней щеки и
затягивается в нем стяжным болтом.
Передняя часть коленчатого вала включает в себя носок вала, переднюю щеку
и шатунную (кривошипную) шейку.
Задняя часть коленчатого вала выполнена в виде щеки прямоугольного
сечения, отштампованной за одно целое с цилиндрическим хвостовиком, на который
монтируется задний опорный шарикоподшипник и закрепляется гайкой, навертываемой
на резьбу хвостовика.
При балансировке коленчатого вала, производящейся по специальной
инструкции, дисбаланс устраняется путем подбора двух пробок соответствующего
веса (в зависимости от условий балансировки пробки могут быть стальные и
алюминиевые), устанавливаемых на резьбе в передний противовес.
2 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.
2.1 Исходные
данные
) эффективная мощность на расчетной высоте Ne = 219,375 кВт (300 л.с.);
2)
частота вращения коленчатого вала n = 2500 об/мин (
);
)
число цилиндров i = 9;
)
степень сжатия ε
= 6,5;
)
давление наддува рк = 850 мм. рт. ст. (0,113 МПа);
)
расчетная высота Нр = 800 м;
Прототип
двигателя - АИ-14.
2.2 Выбор
дополнительных исходных данных
. Коэффициент избытка воздуха. Принимаем α = 0,85. При выборе коэффициента
избытка воздуха нужно исходить из способа смесеобразования, условий работы,
степени форсировки двигателя и т.д.
. Топливо. Сорт применяемого топлива зависит от степени сжатия и давления
наддува. С ростом степени сжатия и давления наддува следует применять более
высокооктановый бензин.
Примем в данном случае: бензин Б-91/115 (по прототипу); элементарный
состав: С = 0,842; Н = 0,158; QТ =
0, средняя молекулярная масса - mT =
100.
Низшую теплотворную способность топлива определим по формуле:
;
.
.
Параметры воздуха на расчетной высоте. На расчетной высоте Нр = 800м по данным
стандартной атмосферы давление воздуха рН = 0,0918 МПа (690,5 мм.рт.ст.),
температура ТН= 282,8 К (9,80С).
2.3 Расчет
процесса наполнения
Цель расчета процесса наполнения - определение давления ра и температуры
Та свежего заряда в конце хода впуска.
. Согласно заданию давление наддува рк = 113000Па. 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
hVпр =
0,81 - приведенный коэффициент наполнения, т.е. полученный при условиях впуска
без наддува на земле.
.
.
Находим давление в конце хода впуска:
,
где
pr - давление остаточных газов в конце входа впуска.
Принимаем pr = 1,12 ∙ pН = 1,12 ∙
0,0918= = 0,1028 МПа;
δ -- степень подогрева свежей смеси в процессе наполнения:
.
При
Тк = 294,4 К примем 
= 10 К. Тогда
.
. Определяем коэффициент остаточных газов:
,
где
- температура остаточных газов, зависящая от степени
сжатия, коэффициента избытка воздуха, давления наддува и др. Примем = 1100К, тогда
.
.
Находим температуру газов в конце хода впуска
,
.
2.4 Расчет
процесса сжатия
Цель расчета процесса сжатия - определение давления рс и температуры Тс
газов в конце этого процесса.
. Давление в конце сжатия:
,
где
nс = 1,35 - показатель политропы сжатия.
.
.
Температура в конце сжатия:
,
.5 Расчет
процесса сгорания
Цель расчета процесса сгорания - определение максимальных значений
давления рz и температуры Тz газов при сгорании топлива.
. Температура Тz
газов. Для этого воспользуемся уравнением сгорания, полученным на основании
первого принципа термодинамики:
,
где
- низшая теплота сгорания топлива с учетом условий,
при которых протекает процесс сгорания. При α < 1 будет иметь место неполное сгорание. В этом случае:
;
;
= 0,92-
коэффициент эффективного выделения теплоты;
М0
- теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива в
кмоль/кг:
,
;
--
действительное количество воздуха для сгорания 1кг топлива;
-
действительный коэффициент молекулярного изменения,
где
- химический коэффициент молекулярного изменения. Для
случая α
< 1 определяем:
,
.
;
-
средняя молярная теплоемкость газов в интервале температур от 0 до tc,
0С:
,
где
tc = Тс - 273 = 663,63 - 273 = 390,63˚С.
;
--
средняя молекулярная теплоемкость газов в интервале температур от 0 до tz,
0С, которая определяется в зависимости от коэффициента избытка воздуха: 
,
.
Подставляя
все известные величины в исходное уравнение, получим:
, откуда 
; 
.
.
Определим максимальное давление сгорания:
,
.6 Расчет
процесса расширения
Цель расчета процесса расширения - определение давления рВ и температуры
газов ТВ газов в конце расширения.
. Находим давление в конце расширения:
,
где nР = 1,24 - показатель политропы
расширения,
2. Рассчитываем температуру в конце расширения:
,
.7
Определение индикаторных параметров двигателя
. Среднее индикаторное давление:
,
где
= 0,96 - коэффициент полноты (скругления)
индикаторной диаграммы;
-
степень повышения давления:
.
.
.
Определяем индикаторный КПД:
,
где
mR = 8,314 кДж/кмоль К - универсальная газовая
постоянна;
.
.
Удельный индикаторный расход топлива:
,
.
.8
Определение эффективных параметров двигателя
. Среднее эффективное давление:
,
где
ki - коэффициент, оценивающий долю индикаторной
мощности, затраченной на привод нагнетателя:
,
где
ηнаг -- эффективный КПД нагнетателя:
;
-
теоретически необходимое количество воздуха для сгорания 1кг топлива:
,
.
;
рмех
-- среднее давление механических потерь:
,
где
рмех пр - приведенное среднее давление механических потерь:
,
где
сm = 9,5 м/с - средняя скорость поршня;
;
.
.
Механический КПД:
,
.
.
Значение эффективного КПД:
,
.
.
Удельный эффективный расход топлива:
,
.
2.9
Определение геометрических параметров двигателя
. Рабочий объем цилиндра двигателя:
,
.
.
Определяем диаметр цилиндра D и ход поршня S. Обозначим
отношение 
. Тогда 
, откуда
.
Значение
m принимаем: m = 1,236.
.
.
Ход поршня: S = m∙D = 1,236∙0,110 = 0,136 м.
.
Общий рабочий объем двигателя: i∙Vh = 9∙1,31∙10-3 = 11,79∙10-3м3 =
11,79 л.
.
Проверяем правильность расчетов основных размеров двигателя:
,
.
,
что
подтверждает правильность расчетов.
3
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.
3.1 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.
. 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.
3.2
Определение основных размеров КШМ
Схема кривошипно-шатунного механизма с прицепными шатунами показана на
рисунке 3.1.
Рисунок
3.1
1.
Ход поршня S = 0,136 м 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, l = 0,276. Тогда длина шатуна:
м.
.
Угол прицепа:
,
.
.3 Исходные
данные для динамического расчета
Динамический расчет выполняется на ЭВМ с помощью программы к. 203 Dinras.exe.
Это позволяет значительно упростить процедуру расчета, а вместе с тем и
повысить его точность.
Исходные данные:
Число цилиндров 9
Число однорядных звезд 1
Число прицепных шатунов 8
Частота вращения коленчатого вала, об/мин 2500
Степень сжатия 6,5
Ход поршня, м 0,136
Диаметр цилиндра, м 0,110
Отношение длины радиуса кривошипа к длине главного
шатуна 0,276
Радиус прицепа шатунов, м 0,048
Давление в конце наполнения Pа, Па 99000
Давление в конце pасшиpения Рв, Па 667000
Атмосферное давление Pн, Па 91800
Показатель политpопы сжатия, Nc 1,35
Показатель политpопы pасшиpения, Np 1,24
3.4 Результаты расчета
Радиус кривошипа,длинна прицепного и главного шатуна
R= .068000 l= .198642 L= .246377
Значение pадиуса пpицепа
R(1)= .04867 R(2)= .04992 R(3)= .04943 R(4)= .04800
R(5)= .04800 R(6)= .04943 R(7)= .04992 R(8)= .04867 R(
Пpивед. масса поступательно движущихся частей в
главном и боковом цилиндpах
MPZ= 1.4472840 MPL= 1.3734020
Сила инеpции вpащательно-движущихся масс
F= -21221.37000
Масса неуpавновешенных частей
MASS= 7.2853
Суммарные окружная и радиальные силы
-----------------------------------------------
| TC | ZC | ZCD |
-----------------------------------------------
| 25092.02000| -14313.29000| -14313.29000|
| 20922.97000| -21066.58000| -21066.58000|
| 17003.61000| -24504.99000| -24573.41000|
| 14233.25000| -26114.35000| -26114.35000|
| 12671.63000| -27572.88000| 15370.33000|
| 22320.25000| 18186.04000| 18186.04000|
| 27469.36000| 4807.79100| 10255.09000|
| 27984.86000| -3604.17800| -3604.17800|
-----------------------------------------------
Полные силы действующие на шатунную шейку
в окружном и в радиальном направлениях,
--------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------
| .00| .25092E+05 | -.10180E+05 | -.10180E+05 |
| 10.00| .20205E+05 | -.16996E+05 | -.16996E+05 |
| 20.00| .15590E+05 | -.20621E+05 | -.20689E+05 |
| 30.00| .12167E+05 | -.22535E+05 | -.22535E+05 |
| 40.00| .10015E+05 | -.24407E+05 | .18537E+05 |
| 50.00| .19154E+05 | .20843E+05 | .20843E+05 |
| 60.00| .23890E+05 | .68745E+04 | .12322E+05 |
| 70.00| .24101E+05 | -.21905E+04 | -.21905E+04 |
| 80.00| .21021E+05 | -.13596E+05 | -.13596E+05 |
| 90.00| .16790E+05 | -.21067E+05 | -.21067E+05 |
|100.00| .12933E+05 | -.25223E+05 | -.25291E+05 |
|110.00| .10349E+05 | -.27528E+05 | -.27528E+05 |
|120.00| .90921E+04 | -.29640E+05 | .13304E+05 |
--------------------------------------------------------
| Угол| TSI | ZSI | ZSID |
--------------------------------------------------------
|130.00| .19154E+05 | .15529E+05 | .15529E+05 |
|140.00| .24813E+05 | .16415E+04 | .70888E+04 |
|150.00| .25918E+05 | -.71837E+04 | -.71837E+04 |
|160.00| .23678E+05 | -.18197E+05 | -.18197E+05 |
|170.00| .20205E+05 | -.25137E+05 | -.25137E+05 |
|180.00| .17004E+05 | -.28638E+05 | -.28707E+05 |
|190.00| .14951E+05 | -.30185E+05 | -.30185E+05 |
|200.00| .14085E+05 | -.31457E+05 | .11486E+05 |
|210.00| .24387E+05 | .14606E+05 | .14606E+05 |
|220.00| .30126E+05 | .16415E+04 | .70888E+04 |
|230.00| .31151E+05 | -.62610E+04 | -.62610E+04 |
|240.00| .28672E+05 | -.16380E+05 | -.16380E+05 |
|250.00| .24807E+05 | -.22480E+05 | -.22480E+05 |
|260.00| .21074E+05 | -.25223E+05 | -.25291E+05 |
|270.00| .18367E+05 | -.26114E+05 | -.26114E+05 |
|280.00| .16742E+05 | -.26855E+05 | .16088E+05 |
|290.00| .26204E+05 | .19600E+05 | .19600E+05 |
|300.00| .31049E+05 | .68744E+04 | .12322E+05 |
|310.00| .31151E+05 | -.94733E+03 | -.94733E+03 |
|320.00| .27749E+05 | -.11147E+05 | -.11147E+05 |
|330.00| .22990E+05 | -.17487E+05 | -.17487E+05 |
|340.00| .18417E+05 | -.20621E+05 | -.20689E+05 |
|350.00| .14951E+05 | -.22044E+05 | -.22044E+05 |
|360.00| .12672E+05 | -.23440E+05 | .19504E+05 |
|370.00| .21603E+05 | .22257E+05 | .22257E+05 |
|380.00| .26056E+05 | .86919E+04 | .14139E+05 |
|390.00| .25918E+05 | -.24604E+02 | -.24604E+02 |
|400.00| .22435E+05 | -.11147E+05 | -.11147E+05 |
|410.00| .17757E+05 | -.18410E+05 | -.18410E+05 |
|420.00| .13424E+05 | -.22438E+05 | -.22507E+05 |
|430.00| .10349E+05 | -.24701E+05 | -.24701E+05 |
|440.00| .86011E+04 | -.26855E+05 | .16088E+05 |
|450.00| .18187E+05 | .18186E+05 | .18186E+05 |
|460.00| .23399E+05 | .40901E+04 | .95374E+04 |
|470.00| .24101E+05 | -.50178E+04 | -.50178E+04 |
|480.00| .21512E+05 | -.16380E+05 | -.16380E+05 |
|490.00| .17757E+05 | -.23723E+05 | -.23723E+05 |
|500.00| .14347E+05 | -.27671E+05 | -.27740E+05 |
|510.00| .12167E+05 | -.29694E+05 | -.29694E+05 |
|520.00| .11258E+05 | -.31457E+05 | .11486E+05 |
|530.00| .21602E+05 | .14116E+05 | .14116E+05 |
|540.00| .27469E+05 | .67446E+03 | .61218E+04 |
|550.00| .28703E+05 | -.76747E+04 | -.76747E+04 |
|560.00| .26506E+05 | -.18197E+05 | -.18197E+05 |
|570.00| .22990E+05 | -.24646E+05 | -.24646E+05 |
|580.00| .19660E+05 | -.27671E+05 | -.27740E+05 |
|590.00| .17400E+05 | -.28771E+05 | -.28771E+05 |
|600.00| .16251E+05 | -.29640E+05 | .13304E+05 |
|610.00| .26204E+05 | .16772E+05 | .16772E+05 |
|620.00| .31540E+05 | .40900E+04 | .95373E+04 |
|630.00| .32118E+05 | -.36042E+04 | -.36042E+04 |
|640.00| .29163E+05 | -.13596E+05 | -.13596E+05 |
|650.00| .24807E+05 | -.19653E+05 | -.19653E+05 |
|660.00| .20583E+05 | -.22438E+05 | -.22507E+05 |
|670.00| .17400E+05 | -.23458E+05 | -.23458E+05 |
|680.00| .15328E+05 | -.24407E+05 | .18537E+05 |
|690.00| .24387E+05 | .21766E+05 | .21766E+05 |
|700.00| .28883E+05 | .86918E+04 | .14139E+05 |
|710.00| .28703E+05 | .46635E+03 | .46635E+03 |
|720.00| .25092E+05 | -.10180E+05 | -.10180E+05 |
В файлах TAKT1.DAT, TAKT2.DAT, TAKT3.DAT, TAKT4.DAT получены результаты расчета
избыточного (Р) и абсолютного (PR)
давления газов на поршень; сила инерции поступательно-движущихся частей (F); сила, действующая по оси цилиндра
(PS); сила, действующая нормально к оси
цилиндра (NS); окружная сила от одного цилиндра
(Т) и радиальная сила от одного цилиндра (Z).
Таблица 3.1
Такт
1
-------------------------------------------------------------------------------------
|
Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила
T|Pад.сила Z|
------------------------------------------------------------------------------------
|
.00| .0000E+00| .0000E+00|-.8607E+04|-.8607E+04| .0000E+00| .0000E+00|-.8607E+04|
|
10.00| .0000E+00|
.0000E+00|-.8392E+04|-.8392E+04|-.4027E+03|-.1854E+04|-.8195E+04|
|
20.00| .0000E+00|
.0000E+00|-.7765E+04|-.7765E+04|-.7362E+03|-.3348E+04|-.7045E+04|
|
30.00| .0000E+00| .0000E+00|-.6772E+04|-.6772E+04|-.9436E+03|-.4203E+04|-.5393E+04|
|
40.00| .0000E+00|
.0000E+00|-.5490E+04|-.5490E+04|-.9898E+03|-.4287E+04|-.3570E+04|
|
50.00| .0000E+00|
.0000E+00|-.4012E+04|-.4012E+04|-.8680E+03|-.3632E+04|-.1914E+04|
|
60.00| .0000E+00| .0000E+00|-.2442E+04|-.2442E+04|-.6011E+03|-.2415E+04|-.7004E+03|
|
70.00| .0000E+00|
.0000E+00|-.8809E+03|-.8809E+03|-.2366E+03|-.9087E+03|-.7899E+02|
|
80.00| .0000E+00| .0000E+00| .5781E+03| .5781E+03| .1633E+03|
.5977E+03|-.6041E+02|
|
90.00| .0000E+00| .0000E+00| .1862E+04| .1862E+04| .5346E+03|
.1862E+04|-.5346E+03|
|100.00|
.0000E+00| .0000E+00| .2921E+04| .2921E+04| .8249E+03| .2733E+04|-.1320E+04|
|110.00|
.0000E+00| .0000E+00| .3733E+04| .3733E+04| .1003E+04| .3165E+04|-.2219E+04|
|120.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4303E+04| .4303E+04| .1059E+04| .3197E+04|-.3069E+04|
|130.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4659E+04| .4659E+04| .1008E+04| .2921E+04|-.3767E+04|
|140.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4844E+04| .4844E+04| .8732E+03| .2445E+04|-.4272E+04|
|150.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4911E+04| .4911E+04| .6842E+03| .1863E+04|-.4595E+04|
|160.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4912E+04| .4912E+04| .4658E+03| .1242E+04|-.4775E+04|
|170.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4893E+04| .4893E+04| .2348E+03| .6185E+03|-.4860E+04|
|180.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4884E+04| .4884E+04| .2453E-02| .6559E-02|-.4884E+04|
------------------------------------------------------------------------------------
Такт
2
-------------------------------------------------------------------------------------
|
Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила
T|Pад.сила Z|
------------------------------------------------------------------------------------
|180.00|
.9900E+05| .6842E+02| .4884E+04| .4952E+04| .3465E-02| .9012E-02|-.4952E+04|
|190.00|
.9963E+05| .7438E+02| .4893E+04| .4968E+04|-.2384E+03|-.6279E+03|-.4934E+04|
|200.00|
.1016E+06| .9269E+02| .4912E+04| .5005E+04|-.4746E+03|-.1266E+04|-.4866E+04|
|210.00|
.1049E+06| .1247E+03| .4911E+04| .5035E+04|-.7016E+03|-.1910E+04|-.4712E+04|
|220.00|
.1100E+06| .1726E+03| .4844E+04| .5017E+04|-.9043E+03|-.2532E+04|-.4424E+04|
|230.00|
.1171E+06| .2403E+03| .4659E+04| .4899E+04|-.1060E+04|-.3072E+04|-.3961E+04|
|240.00|
.1269E+06| .3331E+03| .4303E+04| .4637E+04|-.1141E+04|-.3445E+04|-.3307E+04|
|250.00|
.1401E+06| .4591E+03| .3733E+04| .4192E+04|-.1126E+04|-.3554E+04|-.2492E+04|
|260.00|
.1581E+06| .6300E+03| .2921E+04| .3551E+04|-.1003E+04|-.3323E+04|-.1604E+04|
|270.00|
.1826E+06| .8633E+03| .1862E+04| .2725E+04|-.7825E+03|-.2725E+04|-.7825E+03|
|280.00|
.2165E+06| .1185E+04| .5781E+03| .1763E+04|-.4981E+03|-.1823E+04|-.1843E+03|
|290.00|
.2639E+06| .1635E+04|-.8809E+03| .7542E+03|-.2025E+03|-.7780E+03| .6763E+02|
|300.00|
.3308E+06| .2271E+04|-.2442E+04|-.1705E+03| .4197E+02| .1687E+03|-.4891E+02|
|310.00|
.4260E+06| .3176E+04|-.4012E+04|-.8360E+03| .1808E+03| .7567E+03|-.3988E+03|
|320.00|
.5603E+06| .4452E+04|-.5490E+04|-.1039E+04| .1872E+03| .8109E+03|-.6752E+03|
|330.00|
.7411E+06| .6170E+04|-.6772E+04|-.6021E+03| .8389E+02| .3737E+03|-.4795E+03|
|340.00|
.9576E+06| .8228E+04|-.7765E+04| .4635E+03|-.4395E+02|-.1998E+03| .4205E+03|
|350.00|
.1155E+07| .1011E+05|-.8392E+04| .1714E+04|-.8223E+02|-.3786E+03| .1674E+04|
|360.00|
.1239E+07| .1090E+05|-.8607E+04| .2295E+04|-.2004E-02|-.9448E-02| .2295E+04|
------------------------------------------------------------------------------------
Такт
3
-------------------------------------------------------------------------------------
|
Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила T|Pад.сила
Z|
------------------------------------------------------------------------------------
|360.00|
.5758E+07| .5385E+05|-.8607E+04| .4524E+05|-.6331E-01|-.2941E+00| .4524E+05|
|370.00|
.6352E+07| .5949E+05|-.8392E+04| .5110E+05| .2452E+04| .1129E+05| .4990E+05|
|380.00|
.5347E+07| .4994E+05|-.7765E+04| .4217E+05| .3999E+04| .1818E+05| .3826E+05|
|390.00|
.4225E+07| .3928E+05|-.6772E+04| .3251E+05| .4529E+04| .2018E+05| .2589E+05|
|400.00|
.3268E+07| .3018E+05|-.5490E+04| .2469E+05| .4451E+04| .1928E+05| .1605E+05|
|410.00|
.2541E+07| .2328E+05|-.4013E+04| .1926E+05| .4167E+04| .1743E+05| .9190E+04|
|420.00|
.2014E+07| .1827E+05|-.2442E+04| .1583E+05| .3896E+04| .1565E+05| .4539E+04|
|430.00|
.1636E+07| .1468E+05|-.8809E+03| .1380E+05| .3705E+04| .1423E+05| .1237E+04|
|440.00|
.1365E+07| .1210E+05| .5781E+03| .1267E+05| .3580E+04| .1310E+05|-.1324E+04|
|450.00|
.1167E+07| .1022E+05| .1862E+04| .1208E+05| .3469E+04| .1208E+05|-.3469E+04|
|460.00|
.1022E+07| .8842E+04| .2921E+04| .1176E+05| .3322E+04| .1101E+05|-.5314E+04|
|470.00|
.9149E+06| .7822E+04| .3733E+04| .1155E+05| .3103E+04| .9797E+04|-.6868E+04|
|480.00|
.8350E+06| .7063E+04| .4303E+04| .1137E+05| .2798E+04| .8445E+04|-.8106E+04|
|490.00|
.7758E+06| .6500E+04| .4659E+04| .1116E+05| .2414E+04| .6997E+04|-.9022E+04|
|500.00|
.7324E+06| .6087E+04| .4844E+04| .1093E+05| .1971E+04| .5517E+04|-.9641E+04|
|510.00|
.7014E+06| .5793E+04| .4911E+04| .1070E+05| .1491E+04| .4060E+04|-.1002E+05|
|520.00|
.6807E+06| .5597E+04| .4912E+04| .1051E+05| .9965E+03| .2658E+04|-.1022E+05|
|530.00|
.6689E+06| .5484E+04| .4893E+04| .1038E+05| .4979E+03| .1312E+04|-.1031E+05|
|540.00|
.6650E+06| .5447E+04| .4884E+04| .1033E+05| .1625E-01| .3916E-01|-.1033E+05|
-------------------------------------------------------------------------------------
Такт
4
-------------------------------------------------------------------------------------
|
Угол |Давлен. Р | Сила PR |Сила ин. F|Сум.силаPS| Сила NS |Окp.сила
T|Pад.сила Z|
------------------------------------------------------------------------------------
|540.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4884E+04| .4884E+04| .1025E-01| .2783E-01|-.4884E+04|
|550.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4893E+04| .4893E+04|-.2348E+03|-.6185E+03|-.4860E+04|
|560.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4912E+04| .4912E+04|-.4658E+03|-.1242E+04|-.4775E+04|
|570.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4911E+04| .4911E+04|-.6842E+03|-.1863E+04|-.4595E+04|
|580.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4844E+04| .4844E+04|-.8732E+03|-.2445E+04|-.4272E+04|
|590.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4659E+04| .4659E+04|-.1008E+04|-.2921E+04|-.3767E+04|
|600.00|
.0000E+00| .0000E+00| .4304E+04| .4304E+04|-.1059E+04|-.3197E+04|-.3069E+04|
|610.00|
.0000E+00| .0000E+00| .3733E+04| .3733E+04|-.1003E+04|-.3165E+04|-.2219E+04|
|620.00|
.0000E+00| .0000E+00| .2921E+04| .2921E+04|-.8249E+03|-.2733E+04|-.1320E+04|
|630.00|
.0000E+00| .0000E+00| .1862E+04| .1862E+04|-.5346E+03|-.1862E+04|-.5346E+03|
|640.00|
.0000E+00| .0000E+00| .5782E+03| .5782E+03|-.1633E+03|-.5978E+03|-.6043E+02|
|650.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.8808E+03|-.8808E+03| .2365E+03| .9086E+03|-.7898E+02|
|660.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.2442E+04|-.2442E+04| .6011E+03| .2415E+04|-.7003E+03|
|670.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.4012E+04|-.4012E+04| .8680E+03| .3632E+04|-.1914E+04|
|680.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.5490E+04|-.5490E+04| .9898E+03| .4287E+04|-.3570E+04|
|690.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.6772E+04|-.6772E+04| .9436E+03| .4203E+04|-.5393E+04|
|700.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.7765E+04|-.7765E+04| .7363E+03| .3348E+04|-.7044E+04|
|710.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.8392E+04|-.8392E+04| .4027E+03| .1854E+04|-.8195E+04|
|720.00|
.0000E+00| .0000E+00|-.8607E+04|-.8607E+04| .1956E-01| .8728E-01|-.8607E+04|
------------------------------------------------------------------------------------
4 РАСЧЕТ НА
ПРОЧНОСТЬ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДВИГАТЕЛЯ
.1 Расчет на
прочность поршня
Рисунок
4.1 К расчету поршня на прочность
При приближенном расчете рассматривают днище как круглую пластинку,
защемленную по краям и подверженную равномерному давлению газов (влияние ребер
не учитывают), рисунке 4.1. Напряжение изгиба в днище определяют по формуле:
,
где
РГmax - максимальное избыточное давление газов;= 0,104м -
диаметр днища поршня;
d = 0,007м- толщина
днища поршня;
sн - напряжение изгиба,
величина которого должна находиться в пределах 40-60 МПа.
,значение
лежит в допускаемых пределах.
Высота
трущейся боковой поверхности поршня l (равна всей высоте поршня,
кроме суммарной высоты канавок для колец и различных выемок) определяется
допустимыми удельными нагрузками боковой силы N: 
,
где
N max - максимальная боковая сила;- диаметр поршня;- допускаемая удельная
нагрузка, равная 0,7-1,1 МПа, значение лежит в допускаемых пределах.
.2 Расчет
пальца поршня
Палец поршня рассчитывается:
- на прочность от изгибающих его моментов;
- на предельно допустимую деформацию (овализацию) во избежание
заклинивания в верхней головке шатуна;
на удельное давление на его трущихся поверхностях.
Вследствие переменного характера действующих на палец нагрузок расчет его
на прочность целесообразно производить по пределу усталости.
Обычно палец поршня рассчитывается на изгиб как балка, опертая по краям и
нагруженная равномерной нагрузкой, распределенной по краям по длине бобышек
поршня, и в средней части - по длине верхней головки шатуна. При этом
максимальный изгибающий момент, действующий по середине пальца, оказывается
равным
,
где
L = 0,065м - расстояние между серединами опорных участков в бобышках поршня;
а
= 0,026м - длина верхней головки шатуна;
Рс
- сила, действующая на палец со стороны поршня.
При
плавающем пальце для каждой точки его расчетного сечения возможен такой случай
, когда в момент действия максимального усилия (таковым обычно является РГmax-Рj)
она окажется либо в зоне максимально растянутых либо в зоне максимально сжатых
волокон . Таким образом, в каждой точке расчетного сечения напряжение может
колебаться в соответствии с изменением нагрузки от PИmax
до -РИmin, где РИmax=PГmax-PjПОР.
Этот
случай симметричного цикла нагружения наиболее опасен с точки зрения прочности
поршневого пальца и потому является расчетным.
Соответствующий
изгибающий момент будет изменяться в пределах от +МИmax до -МИmax,
где:
,
где
PJ пор - сила инерции узла поршня без пальца:
где М
пор = 1,02 кг - масса поршня без пальца; α = 00.
Момент
сопротивления пальца на изгиб
;
где
DП и dП - соответственно наружный и внутренний диаметр
расчетного сечения пальца.
Среднее
напряжение рассматриваемого цикла (в данном случае) равно нулю, а амплитуда
цикла
Запас
прочности пальца на изгиб определяется по формуле
.
Величина
s-1 = 400 - 450 Мпа. Для цементированных или
азотированных шлифованных и полированных пальцев коэффициент фактора
размерности ex для вала диаметром до 40 мм равен 0,9, а 
можно принять равным 1.
Запас
прочности лежит в пределах 1,0 - 2,2, следовательно, полученное значение nσ-1 = 1,5 удовлетворяет нормам прочности.
.3
Расчет на предельно допустимую деформацию (овализацию)
Под
действием силы Рс палец овализируется, как показано на рисунке 4.2. Овализация
достигает наибольшей величины в середине пальца. В направлении действия Рс
диаметр пальца уменьшается, в противоположном направлении - увеличивается. При
овализации пальца на его внутренней и внешней поверхностях возникают
напряжения, характер которых определяется изменением кривизны пальца. По
наружной поверхности пальца, например, в точках 1 и 3, возникают напряжения
растяжения, а в точках 2 и 4 - сжатия. По внутренней поверхности пальца в
точках 1’ и 3’ возникает напряжение сжатия, а в точках 2’ и 4’ - растяжения.
Рисунок
4.2 Рисунок 4.3
Наибольшие
напряжения при овализации возникают в точках 2’и 4’ :
,
где
LП = 0,09м - общая длина пальца;
ξ = f(α), где a = 
. Тогда ξ =f(α)»1,5.
Значения
коэффициентов x в зависимости от a даны на рисунке
4.3.
.
Величина
sOB поршневых пальцев мощных двигателей лежит в пределах
110-300 МПа.
Степень
овализации поршневого пальца задается обычно как увеличение внешнего диаметра в
направлении, перпендикулярном приложению нагрузки. Это увеличение диаметра Δdn может быть определено по формуле, предложенной Р.С.
Кинасошвили:
,
где
Е = 2,1·1011 МПа - модуль упругости первого рода;
.
При
проектировании двигателя целесообразно размеры пальца подбирать таким образом,
чтобы Ddn не превышало 0,05мм.
.4 Расчет на
удельное давление его трущихся поверхностях
Величина удельной нагрузки во втулке верхней головки шатуна:
.
Для бронзовых втулок kвт допускается 40 -85 МПа.
Удельное давление пальца на бобышки поршня вычисляется аналогично, но
вместо длины втулки шатуна берется длина двух бобышек 2b:
.
Для алюминиевых поршней kb допускается до 40 -50 МПа.
5 РАСЧЕТ
ШАТУНА
Шатун связывает вращающийся коленчатый вал и движущийся
возвратно-поступательно поршень. При этом шатун воспринимает и передает на
коленчатый вал все усилия, возникающие при движении поршня, и сам работает
попеременного на сжатие, то на растяжение. Максимальная сжимающая сила обычно
появляется в момент наибольшего давления газов в цилиндре, а максимальная
растягивающая - при положении поршня в ВМТ в начале хода наполнения, когда сила
инерции поршня направлена вверх и максимальна по величине.
.1 Расчет
стержня шатуна
Рисунок 5.1 Расчетная схема
Рисунок 5.2 К продольной устойчивости стержня шатунашатуна
Шатун имеет двутавровое сечение и его расчет на прочность следует
определять в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости качания
шатуна и в плоскости, перпендикулярной к ней (рисунок 5.1).
Стержень шатуна рассчитывается на усталостную прочность. Расчетное
сечение зависит от формы стержня: при неизменном или мало изменяющемся по длине
сечении стержня за расчетное примем сечение на середине длины шатуна.
При расчете сечения по середине длины стержня и действии на шатун
сжимающей силы учитываются напряжения не только от сжатия, но и от продольного
изгиба. В этом случае суммарное напряжение сжатия в расчетном сечении при
продольном изгибе в плоскости качания шатуна (рисунок 5.2):
,
де
F - площадь расчетного сечения (двутавра):
,
где
Н = 0,02м, h = 0,016м, В = 0,024м, b = 0,004м;
;
L = 0,246м;
Ix - момент инерции сечения F относительно
оси х - х:
;
.
Напряжение в расчетном сечении, но при продольном изгибе в плоскости,
перпендикулярной плоскости качания шатуна:
,y -
момент инерции сечения F относительно оси y-y :
,
;
.
Напряжение сжатия в расчетном сечении:
;
Напряжение
растяжение в расчетном сечении:
;
Среднее напряжение в расчетном сечении σm и амплитуда цикла
σа :
,
;
,
Запас прочности определяется по следующей формуле:
,
где
σ-1 = 450-480 МПа для сплава АЛ-35;
kσ - коэффициент концентрации напряжений. Для сравнительной
оценки примем равным 1;
εξ - коэффициент фактора размерности.
Примем εξ
= 1;
= 0,16 -
коэффициент, зависящий от характеристики материала;
.
В современных конструкциях запас прочности стержней шатунов лежит в
пределах 1,4 - 3,0, следовательно, полученное значение n’σ удовлетворяет нормам прочности.
5.2 Расчет
верхней головки шатуна
В сечении 1-1 верхняя головка шатуна (рисунок 5.1) растягивается силой
инерции комплекта поршня, максимальной при его положении в ВМТ. При нагружении
шатуна силами, направленными в сторону колена. Сечение 1-1 также нагружается.
Таким образом, сечение 1-1 подвержено действию переменной нагрузки,
изменяющейся от Р=0 до Р=Рmax
т.е. изменяющейся по закону пульсирующего цикла:
.
Максимальное
напряжение растяжения в расчетном сечении:
,
где
δ
= 0,004м - толщина верхней головки
шатуна;
.
В пульсирующем цикле среднее напряжение σm равно амплитуде цикла σа:
=
=11,27МПа..
Запас прочности определяется по следующей формуле:
=
,
где
kσ - коэффициент концентрации напряжений - примем равным 1
(выбирается в зависимости от количества сверлений в расчетном сечении, чистоты
обработки их поверхностей).
Запас прочности должен быть не менее 4, следовательно, полученное
значение n’σ
удовлетворяет нормам
прочности.
6 РАСЧЕТ
КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА
авиационный
звездообразный поршневой двигатель
Коленчатый вал подвергается действию переменных нагрузок, следовательно,
расчет на прочность ведем по запасам прочности. Прочность каждого материала при
действии переменных напряжений характеризуется пределом усталости.
Для определения запаса прочности необходимо знать амплитуду цикла
изменения напряжений, действующих в расчетном сечении. Амплитуду напряжений
легко определить, если известны максимальное и минимальное напряжения цикла.
Коленчатый вал служит для преобразования возвратно-поступательного
движения поршней в цилиндрах двигателя во вращательное движение и для
преобразования силы давления газов на поршни - в крутящий момент.
Коленчатый вал воспринимает всю избыточную мощность, развиваемую газами в
цилиндрах (за вычетом потерь на трение поршней о стенки цилиндров) и передает
ее на винт.
Основными частями коленчатого вала являются: коренные шейки, шатунные
шейки, щеки, носок и хвостовик. Совокупность шатунной шейки, двух щек и
примыкающих к ним коренных шеек называется коленом (кривошипом) вала.
.1 Силы,
действующие на колено коленчатого вала
При работе двигателя колено вала нагружается следующими силами и
моментами (рисунок 6.1):
1) В плоскости колена действует сила Z, которая является составляющей силы давления газов и сил
инерции поступательно-движущихся масс;
) Перпендикулярно к плоскости колена действует сила Т. Эта сила также
является составляющей силы давления газов и сил инерции
поступательно-движущихся масс;
3)
В плоскости колена действует сила инерции от вращающихся масс шатуна: РВР.Ш.=Мвр RЦМω2; 
Тогда 
; 
.
4)
В плоскости колена действует сила инерции от массы шатунной шейки
5) В плоскости колена действуют силы инерции от масс щек
.
6)
В плоскости колена действуют силы инерции противовесов
.
7)
От сил, действующих в плоскости колена, на опорах колена возникают реакции 
, действующие в плоскости колена.
В
случае симметричного колена из условий равновесия:
,
)
От силы Т на опорах колена возникают реакции 
,
действующие перпендикулярно к плоскости колена. В случае симметричного колена 
.
Силы
Т, Z, реакции и переменны по величине и направлению и меняются в
зависимости от угла поворота колена.
Рисунок 6.1
.2
Определения запаса прочности в шатунной шейке
Напряжения в расчетном сечении шатунной шейки при любом положении
кривошипа можно определить, если колено рассматривать, как разрезную
двухопорную балку. Это значит, что каждое колено мысленно вырезается двумя
сечениями, проходящими через середины коренных подшипников, и рассматривается
как балка на двух опорах (рисунок 6.2).
Если подсчитаны реакции опор, то напряжения в расчетном сечении
определяются в следующей последовательности:
1) делается мысленный разрез по расчетному сечению;
2) отбрасывается часть вала, лежащая справа или слева от расчетного
сечения;
) оставшаяся часть вала закрепляется по расчетному сечению;
) вычисляются напряжения в расчетном сечении от всех оставшихся
сил и моментов, включая и силы реакции опор.
)
Рисунок
6.2 - Схема нагружения коленвала
Очевидно, что наиболее напряженным сечением шатунной шейки будет сечение,
лежащее посередине шейки.
Опасные
точки шатунной шейки расположены у масляного отверстия (рис.6.3.). Если ось
масляного отверстия составляет с плоскостью колена угол 
, то изгибающий момент в плоскости, проходящей через
ось масляного отверстия, равен:
.
Определив
изгибающий момент в опасной точке сечении шатунной шейки, легко вычислить
напряжение в этой точке:
,
где
=.
=5,075·10-6
м3.
Кроме
нормальных напряжений 
, в расчетном сечении будут действовать касательные
напряжения 
от скручивающего момента:
Тогда
, где 
.
С
помощью электронной таблицы MicrosoftEXCEL рассчитываем напряжения от нуля до 7200 через каждые
100. Результаты заносим в таблицу 6.1.
Таблица 6.1 - Расчет на прочность шатунной шейки
|
Угол
|
T
|
Z
|
T1
|
Z1
|
MZ
|
MT
|
Mγ
|
Mkr
|
σ
|
τ
|
|
0
|
2,51E+04
|
-1,02E+04
|
1,25E+04
|
33529,4
|
696,5
|
9,32E+02
|
1,15E+03
|
8,74E+07
|
3,24E+07
|
|
10
|
2,02E+04
|
-1,70E+04
|
1,01E+04
|
30121,4
|
443,36
|
7,50E+02
|
8,44E+02
|
6,87E+02
|
6,40E+07
|
2,61E+07
|
|
20
|
1,56E+04
|
-2,06E+04
|
7,80E+03
|
28308,9
|
308,72
|
5,79E+02
|
6,28E+02
|
5,30E+02
|
4,76E+07
|
2,01E+07
|
|
30
|
1,22E+04
|
-2,25E+04
|
6,08E+03
|
27351,9
|
237,64
|
4,52E+02
|
4,88E+02
|
4,14E+02
|
3,70E+07
|
1,57E+07
|
|
40
|
1,00E+04
|
-2,44E+04
|
5,01E+03
|
26415,9
|
168,11
|
3,72E+02
|
3,82E+02
|
3,41E+02
|
2,90E+07
|
1,29E+07
|
|
50
|
1,92E+04
|
2,08E+04
|
9,58E+03
|
49040,9
|
1848,7
|
7,11E+02
|
1,81E+03
|
6,51E+02
|
1,37E+08
|
2,47E+07
|
|
60
|
2,39E+04
|
6,87E+03
|
1,19E+04
|
42056,7
|
1329,9
|
8,87E+02
|
1,57E+03
|
8,12E+02
|
1,19E+08
|
3,08E+07
|
|
70
|
2,41E+04
|
-2,19E+03
|
1,21E+04
|
37524,2
|
993,23
|
8,95E+02
|
1,34E+03
|
8,19E+02
|
1,01E+08
|
3,11E+07
|
|
80
|
2,10E+04
|
-1,36E+04
|
1,05E+04
|
31821,4
|
569,63
|
7,81E+02
|
9,55E+02
|
7,15E+02
|
7,25E+07
|
2,71E+07
|
|
90
|
1,68E+04
|
-2,11E+04
|
8,40E+03
|
28085,9
|
292,16
|
6,24E+02
|
6,47E+02
|
5,71E+02
|
4,91E+07
|
2,17E+07
|
|
100
|
1,29E+04
|
-2,52E+04
|
6,47E+03
|
26007,9
|
137,81
|
4,80E+02
|
4,37E+02
|
4,40E+02
|
3,32E+07
|
1,67E+07
|
|
110
|
1,03E+04
|
-2,75E+04
|
5,17E+03
|
24855,4
|
52,198
|
3,84E+02
|
3,09E+02
|
3,52E+02
|
2,34E+07
|
1,34E+07
|
|
120
|
9,09E+03
|
-2,96E+04
|
4,55E+03
|
23799,4
|
-26,242
|
3,38E+02
|
2,20E+02
|
3,09E+02
|
1,67E+07
|
1,17E+07
|
|
130
|
1,92E+04
|
1,55E+04
|
9,58E+03
|
46383,9
|
1651,3
|
7,11E+02
|
1,67E+03
|
6,51E+02
|
1,27E+08
|
2,47E+07
|
|
140
|
2,48E+04
|
1,64E+03
|
1,24E+04
|
39440,2
|
1135,6
|
9,22E+02
|
1,45E+03
|
8,44E+02
|
1,10E+08
|
3,20E+07
|
|
150
|
2,59E+04
|
-7,18E+03
|
1,30E+04
|
35027,6
|
807,78
|
9,63E+02
|
1,25E+03
|
8,81E+02
|
9,50E+07
|
3,34E+07
|
|
160
|
2,37E+04
|
-1,82E+04
|
1,18E+04
|
29520,9
|
398,75
|
8,79E+02
|
9,04E+02
|
8,05E+02
|
6,86E+07
|
3,05E+07
|
|
170
|
2,02E+04
|
-2,51E+04
|
1,01E+04
|
26050,9
|
141
|
7,50E+02
|
6,30E+02
|
6,87E+02
|
4,78E+07
|
2,61E+07
|
|
180
|
1,70E+04
|
-2,86E+04
|
8,50E+03
|
24300,4
|
10,972
|
6,32E+02
|
4,54E+02
|
5,78E+02
|
3,45E+07
|
2,19E+07
|
|
190
|
1,50E+04
|
-3,02E+04
|
7,48E+03
|
23526,9
|
-46,483
|
5,55E+02
|
3,60E+02
|
5,08E+02
|
2,73E+07
|
1,93E+07
|
|
200
|
1,41E+04
|
-3,15E+04
|
7,04E+03
|
22890,9
|
-93,725
|
5,23E+02
|
3,03E+02
|
4,79E+02
|
2,30E+07
|
1,82E+07
|
|
210
|
2,44E+04
|
1,46E+04
|
1,22E+04
|
45922,4
|
1617,1
|
9,06E+02
|
1,78E+03
|
8,29E+02
|
1,35E+08
|
3,15E+07
|
|
220
|
3,01E+04
|
1,64E+03
|
1,51E+04
|
39440,2
|
1135,6
|
1,12E+03
|
1,59E+03
|
1,02E+03
|
1,21E+08
|
3,89E+07
|
|
230
|
3,12E+04
|
-6,26E+03
|
1,56E+04
|
35488,9
|
842,05
|
1,16E+03
|
1,41E+03
|
1,06E+03
|
1,07E+08
|
4,02E+07
|
|
240
|
2,87E+04
|
-1,64E+04
|
1,43E+04
|
30429,4
|
466,23
|
1,06E+03
|
1,08E+03
|
9,75E+02
|
8,21E+07
|
3,70E+07
|
|
250
|
2,48E+04
|
-2,25E+04
|
1,24E+04
|
27379,4
|
239,68
|
9,21E+02
|
8,21E+02
|
8,43E+02
|
6,23E+07
|
3,20E+07
|
|
260
|
2,11E+04
|
-2,52E+04
|
1,05E+04
|
26007,9
|
137,81
|
7,83E+02
|
6,51E+02
|
7,17E+02
|
4,94E+07
|
2,72E+07
|
|
270
|
1,84E+04
|
-2,61E+04
|
9,18E+03
|
25562,4
|
104,71
|
6,82E+02
|
5,56E+02
|
6,24E+02
|
4,22E+07
|
2,37E+07
|
|
280
|
1,67E+04
|
-2,69E+04
|
8,37E+03
|
25191,9
|
77,193
|
6,22E+02
|
4,94E+02
|
5,69E+02
|
3,75E+07
|
2,16E+07
|
|
290
|
2,62E+04
|
1,96E+04
|
1,31E+04
|
48419,4
|
1802,5
|
9,73E+02
|
1,96E+03
|
8,91E+02
|
1,49E+08
|
3,38E+07
|
|
300
|
3,10E+04
|
6,87E+03
|
1,55E+04
|
42056,6
|
1329,9
|
1,15E+03
|
1,76E+03
|
1,06E+03
|
1,33E+08
|
4,01E+07
|
|
310
|
3,12E+04
|
-9,47E+02
|
1,56E+04
|
38145,8
|
1039,4
|
1,16E+03
|
1,55E+03
|
1,06E+03
|
1,18E+08
|
4,02E+07
|
|
320
|
2,77E+04
|
-1,11E+04
|
1,39E+04
|
33045,9
|
660,59
|
1,03E+03
|
9,43E+02
|
9,07E+07
|
3,58E+07
|
|
330
|
2,30E+04
|
-1,75E+04
|
1,15E+04
|
29875,9
|
425,12
|
8,54E+02
|
9,04E+02
|
7,82E+02
|
6,86E+07
|
2,97E+07
|
|
340
|
1,84E+04
|
-2,06E+04
|
9,21E+03
|
28308,9
|
308,72
|
6,84E+02
|
7,02E+02
|
6,26E+02
|
5,33E+07
|
2,38E+07
|
|
350
|
1,50E+04
|
-2,20E+04
|
7,48E+03
|
27597,4
|
255,87
|
5,55E+02
|
5,73E+02
|
5,08E+02
|
4,35E+07
|
1,93E+07
|
|
360
|
1,27E+04
|
-2,34E+04
|
6,34E+03
|
26899,4
|
204,03
|
4,71E+02
|
4,77E+02
|
4,31E+02
|
3,62E+07
|
1,63E+07
|
|
370
|
2,16E+04
|
2,23E+04
|
1,08E+04
|
49747,9
|
1901,2
|
8,02E+02
|
1,91E+03
|
7,35E+02
|
1,45E+08
|
2,79E+07
|
|
380
|
2,61E+04
|
8,69E+03
|
1,30E+04
|
42965,4
|
1397,4
|
9,68E+02
|
1,67E+03
|
8,86E+02
|
1,27E+08
|
3,36E+07
|
|
390
|
2,59E+04
|
-2,46E+01
|
1,30E+04
|
38607,1
|
1073,7
|
9,63E+02
|
1,44E+03
|
8,81E+02
|
1,09E+08
|
3,34E+07
|
|
400
|
2,24E+04
|
-1,11E+04
|
1,12E+04
|
33045,9
|
660,59
|
8,33E+02
|
1,06E+03
|
7,63E+02
|
8,02E+07
|
2,89E+07
|
|
410
|
1,78E+04
|
-1,84E+04
|
8,88E+03
|
29414,4
|
390,84
|
6,59E+02
|
7,43E+02
|
6,04E+02
|
5,64E+07
|
2,29E+07
|
|
420
|
1,34E+04
|
-2,24E+04
|
6,71E+03
|
27400,4
|
241,24
|
4,99E+02
|
5,23E+02
|
4,56E+02
|
3,97E+07
|
1,73E+07
|
|
430
|
1,03E+04
|
-2,47E+04
|
5,17E+03
|
26268,9
|
157,19
|
3,84E+02
|
3,83E+02
|
3,52E+02
|
2,91E+07
|
1,34E+07
|
|
440
|
8,60E+03
|
-2,69E+04
|
4,30E+03
|
25191,9
|
77,193
|
3,19E+02
|
2,80E+02
|
2,92E+02
|
2,13E+07
|
1,11E+07
|
|
450
|
1,82E+04
|
1,82E+04
|
9,09E+03
|
47712,4
|
1750
|
6,75E+02
|
1,72E+03
|
6,18E+02
|
1,30E+08
|
2,35E+07
|
|
460
|
2,34E+04
|
4,09E+03
|
1,17E+04
|
40664,5
|
1226,5
|
8,69E+02
|
1,48E+03
|
7,96E+02
|
1,12E+08
|
3,02E+07
|
|
470
|
2,41E+04
|
-5,02E+03
|
1,21E+04
|
36110,5
|
888,23
|
8,95E+02
|
1,26E+03
|
8,19E+02
|
9,57E+07
|
3,11E+07
|
|
480
|
2,15E+04
|
-1,64E+04
|
1,08E+04
|
30429,4
|
466,23
|
7,99E+02
|
8,95E+02
|
7,31E+02
|
6,79E+07
|
2,78E+07
|
|
490
|
1,78E+04
|
-2,37E+04
|
8,88E+03
|
26757,9
|
193,52
|
6,59E+02
|
6,03E+02
|
6,04E+02
|
4,58E+07
|
2,29E+07
|
|
500
|
1,43E+04
|
-2,77E+04
|
7,17E+03
|
24783,9
|
46,887
|
5,33E+02
|
4,10E+02
|
4,88E+02
|
3,11E+07
|
1,85E+07
|
|
510
|
1,22E+04
|
-2,97E+04
|
6,08E+03
|
23772,4
|
-28,248
|
4,52E+02
|
2,99E+02
|
4,14E+02
|
2,27E+07
|
1,57E+07
|
|
520
|
1,13E+04
|
-3,15E+04
|
5,63E+03
|
22890,9
|
-93,725
|
4,18E+02
|
2,29E+02
|
3,83E+02
|
1,74E+07
|
1,45E+07
|
|
530
|
2,16E+04
|
1,41E+04
|
1,08E+04
|
45677,4
|
1598,9
|
8,02E+02
|
1,70E+03
|
7,34E+02
|
1,29E+08
|
2,79E+07
|
|
540
|
2,75E+04
|
6,74E+02
|
1,37E+04
|
38956,6
|
1099,6
|
1,02E+03
|
1,50E+03
|
9,34E+02
|
1,14E+08
|
3,54E+07
|
|
550
|
2,87E+04
|
-7,67E+03
|
1,44E+04
|
34782,1
|
789,55
|
1,07E+03
|
1,31E+03
|
9,76E+02
|
9,96E+07
|
3,70E+07
|
|
560
|
2,65E+04
|
-1,82E+04
|
1,33E+04
|
29520,9
|
398,75
|
9,84E+02
|
9,78E+02
|
9,01E+02
|
7,42E+07
|
3,42E+07
|
|
570
|
2,30E+04
|
-2,46E+04
|
1,15E+04
|
26296,4
|
159,24
|
8,54E+02
|
7,16E+02
|
7,82E+02
|
5,43E+07
|
2,97E+07
|
|
580
|
1,97E+04
|
-2,77E+04
|
9,83E+03
|
24783,9
|
46,887
|
7,30E+02
|
5,49E+02
|
6,68E+02
|
4,17E+07
|
2,54E+07
|
|
590
|
1,74E+04
|
-2,88E+04
|
8,70E+03
|
24233,9
|
6,0326
|
6,46E+02
|
4,61E+02
|
5,92E+02
|
3,50E+07
|
2,24E+07
|
|
600
|
1,63E+04
|
-2,96E+04
|
8,13E+03
|
23799,4
|
-26,242
|
6,04E+02
|
4,08E+02
|
5,53E+02
|
3,10E+07
|
2,10E+07
|
|
610
|
2,62E+04
|
1,68E+04
|
1,31E+04
|
47005,4
|
1697,5
|
9,73E+02
|
1,89E+03
|
8,91E+02
|
1,43E+08
|
3,38E+07
|
|
620
|
3,15E+04
|
4,09E+03
|
1,58E+04
|
40664,4
|
1226,5
|
1,17E+03
|
1,70E+03
|
1,07E+03
|
1,29E+08
|
4,07E+07
|
|
630
|
3,21E+04
|
-3,60E+03
|
1,61E+04
|
36817,3
|
940,73
|
1,19E+03
|
1,51E+03
|
1,09E+03
|
1,14E+08
|
4,14E+07
|
|
640
|
2,92E+04
|
-1,36E+04
|
1,46E+04
|
31821,4
|
569,63
|
1,17E+03
|
9,92E+02
|
8,87E+07
|
3,76E+07
|
|
650
|
2,48E+04
|
-1,97E+04
|
1,24E+04
|
28792,9
|
344,68
|
9,21E+02
|
8,95E+02
|
8,43E+02
|
6,79E+07
|
3,20E+07
|
|
660
|
2,06E+04
|
-2,24E+04
|
1,03E+04
|
27400,4
|
241,24
|
7,64E+02
|
7,11E+02
|
7,00E+02
|
5,40E+07
|
2,66E+07
|
|
670
|
1,74E+04
|
-2,35E+04
|
8,70E+03
|
26890,4
|
203,36
|
6,46E+02
|
6,01E+02
|
5,92E+02
|
4,56E+07
|
2,24E+07
|
|
680
|
1,53E+04
|
-2,44E+04
|
7,66E+03
|
26415,9
|
168,11
|
5,69E+02
|
5,21E+02
|
5,21E+02
|
3,96E+07
|
1,98E+07
|
|
690
|
2,44E+04
|
2,18E+04
|
1,22E+04
|
49502,4
|
1883
|
9,06E+02
|
1,97E+03
|
8,29E+02
|
1,50E+08
|
3,15E+07
|
|
700
|
2,89E+04
|
8,69E+03
|
1,44E+04
|
42965,3
|
1397,4
|
1,07E+03
|
1,75E+03
|
9,82E+02
|
1,33E+08
|
3,73E+07
|
|
710
|
2,87E+04
|
4,66E+02
|
1,44E+04
|
38852,6
|
1091,9
|
1,07E+03
|
1,53E+03
|
9,76E+02
|
1,16E+08
|
3,70E+07
|
|
720
|
2,51E+04
|
-1,02E+04
|
1,25E+04
|
33529,4
|
696,5
|
9,32E+02
|
1,15E+03
|
8,53E+02
|
8,74E+07
|
3,24E+07
|
Для полученных циклов напряжений определяем амплитудные напряжения циклов
по формулам:
; 
.
Зная
предел усталости материала вала, определяем запас прочности по нормальным и
касательным напряжениям по формулам:
; 
.
Для
сталей, идущих на изготовление коленчатых валов:
=54…59
кг/мм2; 
Для
шеек валов у краев смазочных отверстий 
.
Определив
запас прочности по нормальным и касательным напряжениям, можно определить
суммарный запас прочности по формуле:
=
=3,29.
Запас
соответствует рекомендуемому по нормам прочности.
.3
Расчет запаса прочности для коренной шейки
Коренные
шейки рассчитываются только на кручение. Касательное напряжение в любой
коренной шейке при определенном значении угла поворота колена определится по
формуле: 
, где 
- модуль
сопротивления кручению;DК=0,06 и dК=0,036 - наружный и внутренний
диаметры коренной шейки.
Таблица 6.2 - Определение запаса прочности коренной шейки.
|
Угол
|
Mкр
|
τ
|
Угол
|
T
|
Mкр
|
τ
|
Угол
|
T
|
Mкр
|
τ
|
Угол
|
T
|
Mкр
|
τ
|
|
0
|
1,71E+03
|
9,24E+07
|
190
|
6,97E+02
|
4,74E+01
|
2,57E+06
|
380
|
8,74E+07
|
5,94E+06
|
3,22E+11
|
570
|
3,88E+01
|
2,10E+06
|
1,14E+11
|
|
10
|
1,37E+03
|
7,44E+07
|
200
|
4,43E+02
|
3,01E+01
|
1,63E+06
|
390
|
6,40E+07
|
4,36E+06
|
2,36E+11
|
580
|
3,94E+01
|
2,14E+06
|
1,16E+11
|
|
20
|
1,06E+03
|
5,74E+07
|
210
|
3,09E+02
|
2,10E+01
|
1,14E+06
|
400
|
4,76E+07
|
3,24E+06
|
1,75E+11
|
590
|
4,01E+01
|
2,17E+06
|
1,18E+11
|
|
30
|
8,27E+02
|
4,48E+07
|
220
|
2,38E+02
|
1,62E+01
|
8,75E+05
|
410
|
3,70E+07
|
2,52E+06
|
1,36E+11
|
600
|
4,08E+01
|
2,21E+06
|
1,20E+11
|
|
40
|
6,81E+02
|
3,69E+07
|
230
|
1,68E+02
|
1,14E+01
|
6,19E+05
|
420
|
2,90E+07
|
1,97E+06
|
1,07E+11
|
610
|
4,15E+01
|
2,25E+06
|
1,22E+11
|
|
50
|
1,30E+03
|
7,06E+07
|
240
|
1,85E+03
|
1,26E+02
|
6,81E+06
|
430
|
1,37E+08
|
9,34E+06
|
5,06E+11
|
620
|
4,22E+01
|
2,28E+06
|
1,24E+11
|
|
60
|
1,62E+03
|
8,80E+07
|
250
|
1,33E+03
|
9,04E+01
|
4,90E+06
|
440
|
1,19E+08
|
8,09E+06
|
4,38E+11
|
630
|
4,28E+01
|
2,32E+06
|
1,26E+11
|
|
70
|
1,64E+03
|
8,88E+07
|
260
|
9,93E+02
|
6,75E+01
|
3,66E+06
|
450
|
1,01E+08
|
6,89E+06
|
3,73E+11
|
640
|
4,35E+01
|
2,36E+06
|
1,28E+11
|
|
80
|
1,43E+03
|
7,74E+07
|
270
|
5,70E+02
|
3,87E+01
|
2,10E+06
|
460
|
7,25E+07
|
4,93E+06
|
2,67E+11
|
650
|
4,42E+01
|
2,39E+06
|
1,30E+11
|
|
90
|
1,14E+03
|
6,19E+07
|
280
|
2,92E+02
|
1,99E+01
|
1,08E+06
|
470
|
4,91E+07
|
3,34E+06
|
1,81E+11
|
660
|
4,49E+01
|
2,43E+06
|
1,32E+11
|
|
100
|
8,79E+02
|
4,76E+07
|
290
|
1,38E+02
|
9,37E+00
|
5,08E+05
|
480
|
3,32E+07
|
2,25E+06
|
1,22E+11
|
670
|
4,56E+01
|
2,47E+06
|
1,34E+11
|
|
110
|
7,04E+02
|
3,81E+07
|
300
|
5,22E+01
|
3,55E+00
|
1,92E+05
|
490
|
2,34E+07
|
1,59E+06
|
8,63E+10
|
680
|
4,62E+01
|
2,51E+06
|
1,36E+11
|
|
120
|
6,18E+02
|
3,35E+07
|
310
|
-2,62E+01
|
-1,78E+00
|
-9,67E+04
|
500
|
1,67E+07
|
1,14E+06
|
6,15E+10
|
690
|
4,69E+01
|
2,54E+06
|
1,38E+11
|
|
130
|
1,30E+03
|
7,06E+07
|
320
|
1,65E+03
|
1,12E+02
|
6,08E+06
|
510
|
1,27E+08
|
8,62E+06
|
4,67E+11
|
700
|
4,76E+01
|
2,58E+06
|
1,40E+11
|
|
140
|
1,69E+03
|
9,14E+07
|
330
|
1,14E+03
|
7,72E+01
|
4,18E+06
|
520
|
1,10E+08
|
7,51E+06
|
4,07E+11
|
710
|
4,83E+01
|
2,62E+06
|
1,42E+11
|
|
150
|
1,76E+03
|
9,55E+07
|
340
|
8,08E+02
|
2,98E+06
|
530
|
9,50E+07
|
6,46E+06
|
3,50E+11
|
720
|
4,90E+01
|
2,65E+06
|
1,44E+11
|
|
160
|
1,61E+03
|
8,72E+07
|
350
|
3,99E+02
|
2,71E+01
|
1,47E+06
|
540
|
6,86E+07
|
4,66E+06
|
2,53E+11
|
|
|
|
|
|
170
|
1,37E+03
|
7,44E+07
|
360
|
1,41E+02
|
9,59E+00
|
5,19E+05
|
550
|
4,78E+07
|
3,25E+06
|
1,76E+11
|
|
|
|
|
|
180
|
1,16E+03
|
6,26E+07
|
370
|
1,10E+01
|
7,46E-01
|
4,04E+04
|
560
|
3,45E+07
|
2,34E+06
|
1,27E+11
|
|
|
|
|
Величина
крутящего момента и касательных напряжений приведены в таблице 6.2. 
.
Определив
максимальное и минимальное значение касательных напряжений за весь цикл
изменения нагрузки можно определить амплитудное напряжение цикла и запас
прочности: 
Запас прочности коренной шейки удовлетворяет нормам прочности.
Заключение
Целью
данного курсового проекта было проектирование авиационного поршневого двигателя
на базе двигателя-прототипа АИ-14.
В
ходе работы были выполнены следующие расчеты:
1. тепловой
расчет, в результате которого были найдены давления и температуры в отдельных
процессах: наполнение, сжатие, сгорание, расширение; индикаторные параметры
двигателя; эффективные параметры цикла в целом; основные размеры двигателя: D = 0,110м, s = 0,136м;
2. динамический
расчет, в результате которого 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;
3. расчет
на прочность основных элементов КШМ, в результате которого были найдены
напряжения, удельные нагрузки и запасы прочности, которые лежат в пределах,
рекомендованных при расчете.
Список
литературы
1. Шошин Ю.С. "Тепловой расчет авиационного поршневого
двигателя". ХАИ, 1987г.
. Пелепейченко И.П., Кириченко В.И. "Динамический расчет
авиационного однорядного звездообразного поршневого двигателя на ЭВМ".
Харьков 1982г.
. Кириченко В.И. " Динамический расчет поршневого
звездообразного двигателя" Харьков 1998г.
. Епифанов С.В., Гусев Ю.А. "Поршни двигателей
внутреннего сгорания" Харьков 1998г.
. Корнилов Н.И. «Расчет на прочность деталей поршневого
двигателя», Харьков, 1974
. Кулешов В.В. «Лекции по конструкции авиационных двигателей.
Поршневые двигатели», ВВИА, 1952
. Техническое описание двигателя АИ-14Р.