Расчет привода и поршневого двигателя автомобиля

Введение

Курсовая работа является важным этапом подготовки студентов к решению задач применительно к практике по обработке исходной информации и по обучению оформления технической и нормативной документации в соответствии с ГОСТ и ЕСКД.

Качество выполнения курсовой работы характеризует уровень усвоения дисциплины «Основы функционирования систем сервиса», что позволяет оценить готовность студента к самостоятельной работе по выполнению дипломного проекта и к практической деятельности на производстве как будущего специалиста по сервису (Специализация 23.07.12).

1. Приводы автомобиля

Простейшая принципиальная схема привода автомобиля (рис. 1) включает в себя карбюраторный или дизельный многоцилиндровый четырехтактный двигатель с кривошипно-шатунным механизмом тронкового типа 1, маховик 2, фрикционную муфту сцепления 3, коробку перемены передач 4, главную передачу 5 заднего моста автомобиля, дифференциал 6 и полуоси 7.

Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В головке блока размещены впускные и выпускные клапаны.

Маховик 2 во время рабочего хода поршня накапливает запас энергии, за счет которой осуществляется нерабочий ход и повышается равномерность вращения коленчатого вала.

Фрикционная муфта сцепления 3 обеспечивает присоединение или отсоединение трансмиссии (коробки перемены передач) и двигателя внутреннего сгорания.

Коробка перемены передач 4 (КПП) – двухступенчатая и двухскоростная.

Главная передача 5 – коническая, соединена шестернями дифференциала с полуосями заднего моста.

2. Двигатель внутреннего сгорания

Поршневые двигатели внутреннего сгорания являются тепловыми двигателями, у которых химическая энергия топлива преобразуется в механическую работу непосредственно в самом двигателе.

Преобразование химической энергии в тепловую и тепловой – в энергию движения поршня (механическую) происходит практически одновременно, непосредственно в цилиндре двигателя.

В результате сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя образуются газообразные продукты с высоким давлением и температурой.

Под влиянием давления поршень совершает поступательное движение, которое с помощью шатуна и кривошипа преобразуется во вращение коленчатого вала.

Четырехтактными называют двигатели, у которых один рабочий цикл совершается за четыре хода (такта) поршня, соответствующих двум оборотам коленчатого вала. Схема работы четырехтактного двигателя без наддува представлена на рис.2.

Первый такт – впуск или всасывание горючей смеси – соответствует движению поршня вниз от В.М.Т. до Н.М.Т. За счет движения поршня создается разрежение (около 0,05 – 0,1 н/см²) и горючая смесь через открытый клапан «а» засасывается в цилиндр. Для достижения максимального наполнения цилиндра впускной клапан открывается несколько раньше положения поршня в В.М.Т. (точка 1) с определенным углом опережения и закрывается с некоторым углом запаздывания после Н.М.Т. (точка 2).

Второй такт – сжатие – соответствует движению поршня вверх от момента закрытия впускного клапана до момента прихода поршня в В.М.Т. Во время такта сжатия все клапаны находятся в закрытом положении.

Поршень сжимает находящуюся в цилиндре горючую смесь, в точке 3 подается искра в свече для воспламенения горючей смеси.

Третий такт – горение и расширение (рабочий ход) – соответствует движению поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. под давлением сгорающего топлива и расширяющихся продуктов сгорания. (от точки 4 до точки 5).

Четвертый такт – выпуск отработавших газов – осуществляется при ходе поршня вверх от Н.М.Т. к В.М.Т. Этот ход поршня происходит при открытом выпускном клапане «б». Для улучшения процесса выпуска клапан открывается несколько раньше Н.М.Т. (точка 5) и закрывается с некоторым запаздыванием (точка 6).

В дизель, в отличие от карбюраторного двигателя, при движении поршня от В.М.Т. к Н.М.Т. засасывается через впускной клапан атмосферный воздух, на такте сжатия повышается давление и температура, при впрыске через форсунку топливо самовоспламеняется и сгорает, газы расширяясь давят на поршень, совершая рабочий ход, при движении поршня из Н.М.Т. к В.М.Т. через открытый выпускной клапан отработанные газы выталкиваются в атмосферу.

При дальнейшем движении поршня вниз начинается новый рабочий цикл, такты которого повторяются в перечисленной ранее последовательности.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя изображается диаграммами в виде замкнутой (рис. 3) и развернутой (рис. 4).

Исходные данные для кинематического и динамического (силового) анализа кривошипно-шатунного механизма представлена в таблице 1.

3. Обозначения

К – карбюраторный двигатель

Д – дизель

В.М.Т. – верхняя мертвая точка

Н.М.Т. – нижняя мертвая точка

П_ведом – ведомый вал

П_д – частота вращения двигателя (ведущего вала), об/мин;

П_п – частота вращения промежуточного вала КПП, об/мин;

П_кпп – частота вращения выходного вала КПП, об/мин;

П_в – частота вращения ведомого вала главной передачи, об/мин;

R – радиус кривошипа, мм;

l - постоянная кривошипно-шатунного механизма;

l = R / L = 0,25

где L – длина шатуна, мм;

Р₁, Р₂, Р₃, Р₄ – давление газов в цилиндре двигателя, МПа;          (см. Индикаторная диаграмма Рис. 3)

Z₁ …. Z₆ – число зубьев шестерен и колес в коробке перемен передач и в главной передаче;

Р_ш – сила, направленная по оси шатуна, Н; (см. рис. 5)

Р_г – сила давления газов на поршень, Н;

Р_н – сила, направленная перпендикулярно оси цилиндра, Н;

Р_р – радиальная сила, действующая по радиусу кривошипа, Н;

Pт – тангенциальная сила, действующая по касательной к окружности

4. Исходные данные (l=0,25)

Таблица 1

5. Содержание курсовой работы

Курсовая работа состоит из расчетно-пояснительной записки и графической части в виде принципиальной схемы привода автомобиля (рис. 1), схемы работы четырехтактного двигателя (рис. 2), замкнутой и развернутой индикаторной диаграммы (рис. 3, рис.4), схемы кривошипно шатунного механизма и действия сил давления газов на поршень (рис.5), графика зависимости пути «S», скорости «n» и ускорения «а» поршня от угла «a» поворота коленчатого вала(рис. 6), графика зависимости усилий Р_ш, Р_н,Р_р, Р_т и крутящего момента М_кр на валу двигателя от угла «a» поворота коленчатого вала.

По исходным данным вначале построить индикаторные диаграммы (рис.3, рис.4).

Расчетно-пояснительная записка включает титульный лист (см. Приложение), исходные данные на выполнение курсовой работы и следующие разделы:

1. Привод автомобиля.

2. Двигатель внутреннего сгорания.

3. Обозначение:

4. Исходные данные (Таблица 1).

5. Содержание курсовой работы.

6. Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма.

7. Динамический анализ кривошипно-шатунного механизма.

8. Силовой расчет трансмиссии автомобиля.

9. Прочностной расчет поршня и поршневого пальца двигателя.

6. Кинематический анализ кривошипно-шатунного механизма

6.1 Выражение для определения перемещения «S» поршня в зависимости от угла поворота кривошипа «a» запишется в виде (рис. 5)

S = (R + L) – (R*Cosa + L*Cosb) = R (1 – Cosa) + L (1 – Cosb) = R (1 – Cosa) + L (1 – 1 - l² * Sin²a )

Величина R (1 – Cosa) – определяет путь, который прошел бы поршень, если шатун был бы бесконечно длинным,

а величина L (1 – 1 - l² * Sin²a ) – есть поправка на влияние конечной длины шатуна.

Используя формулу Бинома Ньютона выражение для вычисления “ S “ упрощается:

S = R (1 – Cosa + ( l/2)* Sin²a ).

S = 75*(1 – Cos0 + ( l/2)* Sin²0 )=0

S = 75*(1 – Cos30 + ( l/2)* Sin²30 )=12.392

S = 75*(1 – Cos60 + ( l/2)* Sin²60 )=44.531

S = 75*(1 – Cos90 + ( l/2)* Sin²90 )=84.375

S = 75*(1 – Cos120 + ( l/2)* Sin²120 )=119.531

S = 75*(1 – Cos150 + ( l/2)* Sin²150 )=142.296

S = 75*(1 – Cos180 + ( l/2)* Sin²180 )=150

S = 75*(1 – Cos210 + ( l/2)* Sin²210 )=142.296

S = 75*(1 – Cos240 + ( l/2)* Sin²240 )=119.531

S = 75*(1 – Cos270 + ( l/2)* Sin²270 )=84.357

S = 75*(1 – Cos300 + ( l/2)* Sin²300 )=44.531

S = 75*(1 – Cos330 + ( l/2)* Sin²330 )=12.392

S = 75*(1 – Cos360 + ( l/2)* Sin²360 )=0

Расчеты внесем в табл.2 и построим график зависимости

S = f (a)… (рис.6)

6.2 Скорость поршня изменяется во время «t», т.е.

n = ds / dt = (ds / da) * (da / dt),

где da / dt = w - угловая частота вращения.

ds / da = R* d/da (1 – Cosa + ( l/2)* Sin²a) =

= R (Sina + ( l/2)* Sin2a)

n = w * R (Sina + (l/2)* Sin2a).

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin0 + (l/2)* Sin2*0)=0

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin30 + (l/2)* Sin2*30)=11936.97

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin60 + (l/2)* Sin2*60)=19120.22

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin90 + (l/2)* Sin2*90)=19625      

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin120 + (l/2)* Sin2*120)=14871.28

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin150 + (l/2)* Sin2*150)=7688.03

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin180 + (l/2)* Sin2*180)=0

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin210 + (l/2)* Sin2*210)= -7688.03

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin240 + (l/2)* Sin2*240)= -14871.28

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin270 + (l/2)* Sin2*270)= -19625

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin300 + (l/2)* Sin2*300)= -19120.22

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin330 + (l/2)* Sin2*330)= -11936.97

n = (3.14*3400/30)*45 (Sin360 + (l/2)* Sin2*360)=0

Расчеты внесем в табл. 2 и построим график зависимости

n = f (a) … (рис. 6)

6.3 Ускорение поршня изменяется во времени t , т.е.

а = dn / dt = (dn / da) * (da / dt) = (dn / da) * w.

dn / da = w * R * d/ da (Sina + ( l/2)* Sin2α) =

= w * R * (Cosa + l * Cos2α).

а = w * (dn / da) = w² * R * (Cosa + l * Cos2α).

а = (3.14*3400/30)² * 45 * (Cos0 + l * Cos2*0)=6419010.4

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos30 + l * Cos2*30)=5089121.91

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos60 + l * Cos2*60)=1925703.125

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos90 + l * Cos2*90)= -1283802.1

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos120 + l * Cos2*120)= -3209505.2

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos150 + l * Cos2*150)= -3805319.82

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos180 + l * Cos2*180)= -3851406.25

а = (3.14*3400/30)²* 45 * (Cos210 + l * Cos2*210)= -3805319.82

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos240 + l * Cos2*240)= -3209505.2

а = (3.14*3400/30)² * 45 * (Cos270 + l * Cos2*270)= -1283802.1

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos300 + l * Cos2*300)=1925703.125

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos330 + l * Cos2*330)=5089121.91

а = (3.14*3400/30)² * 45* (Cos360 + l * Cos2*360)=6419010.4

Расчеты занесем в табл.2 и построим график зависимости

а = f (a) … (рис. 6).

Таблица 2