Проектирование и исследование механизма двигателя внутреннего сгорания (125270)

Посмотреть архив целиком

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ


Национальный аэрокосмический университет им Н.Е. Жуковского












ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ


Пояснительная записка к курсовому проекту

Дисциплина – «Теория машин и механизмов»










Харьков 2009


Введение


Среди рычажных механизмов различных типов одним из наиболее распространенных в технике являются кривошипно-ползунные механизмы (КПМ). Они используются в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), компрессорах, насосах, ряде станков (например, прессах) и других машинах различного назначения, включая наземные и воздушные транспортные средства.

Поршневые ДВС служат для преобразования теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в цилиндрах, в механическую работу. Механизмы одноцилиндровых ДВС имеют сравнительно небольшую мощность . Они применяются в основном в энергоустановках для привода в движение электрогенераторов, компрессоров, воздуходувных установок, в самоходных шасси, служат для перемещения грузов и т.д.

Одним из эффективных средств повышения мощности ДВС является увеличение числа их цилиндров. Поэтому многоцилиндровые ДВС широко распространены в современной технике. В авиации ДВС сейчас применяются в вертолетах, легких транспортных, спортивных и учебных самолетах.




1. Проектирование кривошипно-ползунного механизма ДВС


1.1 Определение линейных размеров звеньев механизма


Проектирование кинематической схемы кривошипно–ползунного механизма (КПМ) заключается в выборе в соответствии с заданными условиями и требованиями значений линейных размеров кривошипа и шатуна.

Определяем ход поршня:


,


где: – диаметр поршня.


Запишем ход поршня через длину кривошипа:



Из отношения длины шатуна к радиусу кривошипа определим длину шатуна:



В качестве начального звена в КПМ выбрано кривошип. Условие существования КПМ:



    1. Структурный анализ механизма


Рисунок 1.2.1. Механизм ДВС – кривошипно-шатунный механизм


1.2.1. Определяем число подвижных звеньев:

1.2.2. Подсчет и классификация кинематических пар 5 и 4 класса:

1. (0–1) – НКП, вращательная, 5 класса;

2. (1–2) – НКП, вращательная, 5 класса;

3. (1–4) – НКП, вращательная, 5 класса;

4. (2–3) – НКП, вращательная, 5 класса;

5. (3–0) – НКП, поступательная, 5 класса;

6. (4–5) – НКП, вращательная, 5 класса;

7. (5–0) – НКП, поступательная, 5 класса.

Таким образом,

Определение степени подвижности:



Выделение основного механизма – основной механизм это первое звено и стойка с соединяющей их кинематической парой.


Рисунок 1.2.2. Основной механизм первого класса


Выделение 1-й в порядке наслоения группы Ассура – звено 2–3, 4–5.


Рисунок 1.2.3. Первая в порядке наслоения группа Ассура 2-го класса 2-го вида


Рисунок 1.2.4. Вторая в порядке наслоения группа Ассура 2-го класса 2-го вида


Определение класса механизма в целом. Механизм 2-го класса, так как в его состав входит структурная группа второго класса.


1.3 Кинематический анализ механизма


Метод замкнутых контуров устанавливает связь между геометрическими и кинематическими параметрами механизма и основан на условии замкнутости контуров. В механизмах 2-го класса количество замкнутых контуров равно количеству структурных групп 2-го класса, образующих механизм. Если звенья механизма принять за векторы, то в процессе движения конфигурация векторного многоугольника изменяется, но условие замкнутости сохраняется, т.е. в любом положении механизма геометрическая сумма векторов равна нулю.


Рисунок 1.3.1. Замкнутый векторный многоугольник


Кинематическая схема механизма приведена на рис. 1.3.1. Направляющие ползунов наклонены относительно системы координат . Целесообразно выбрать новую систему координат , начало которой совмещено с осью вращения кривошипа 1, а ось абсцисс ориентирована параллельно направляющим ползуна 3. Для однозначного определения направляющих углов и со звеньями 1 и 2 связываются векторами . Длину шатуна 2 и положение точки на шатуне выражено через длину кривошипа:



Направляющий угол вектора :



где: координаты начала и конца вектора которые выражены в виде соотношений:





После подстановки уравнений в имеется:



или




Функция положения точки ползуна 3 соответствует выражению



Функция положения точки на шатуне 2




Кинематические передаточные функции получаются путем дифференцирования соотношений по обобщенной координате .

Передаточное отношение угловых скоростей шатуна и кривошипа



или окончательно



Передаточные функции скорости некоторых точек: точки на ползуне



или окончательно



точки на шатуне:





Угловое ускорение шатуна 2:



или



Передаточная функция углового ускорения шатуна 2 определяется соотношением



где:



Окончательно получается



Отношение ускорения к квадрату угловой скорости точки на ползуне равно



Действительные значения углового ускорения шатуна 2 и линейного ускорения точки ползуна 3 соответственно становят:




Следуя методике, изложенной выше, получим





Результаты вычислений для 24 положений кривошипно-ползунного механизма приведены в таблицах ниже


Таблица 1.3.1. Результаты расчетов

0

0

14,3

0

2,9633

-10

-1,792

-144

7,8606

30

-7,18

11,0

-1,754

2,5674

-8,729

-6,549

-114,6

-69,42

60

-12,5

4,91

-2,813

1,2173

-5,121

-9,431

-43,21

-130,6

90

-14,5

-2,49

-2,88

-0,623

0

-9,857

29,745

-140,6

120

-12,5

-9,25

-2,175

-2,21

5,1215

-7,761

71,987

-93,77

150

-7,18

-13,6

-1,126

-2,944

8,7287

-3,519

84,907

-16,91

180

0

-14,3

0

-2,709

10

1,7916

86,4

47,869

210

7,18

-11,0

1,1258

-1,845

8,7287

6,5491

84,907

78,683

240

12,5

-4,91

2,1748

-0,753

5,1215

9,4315

71,987

85,921

270

14,5

2,49

2,88

0,3769

0

9,8574

29,745

86,308

300

12,5

9,25

2,8135

1,492

-5,121

7,7613

-43,21

82,728

330

7,18

13,6

1,7542

2,4682

-8,729

3,5187

-114,6

61,896

360

0

14,3

0

2,9633

-10

-1,792

-144

7,8606

390

-7,18

11,0

-1,754

2,5674

-8,729

-6,549

-114,6

-69,42

420

-12,5

4,91

-2,813

1,2173

-5,121

-9,431

-43,21

-130,6

450

-14,5

-2,49

-2,88

-0,623

0

-9,857

29,745

-140,6

480

-12,5

-9,25

-2,175

-2,21

5,1215

-7,761

71,987

-93,77

510

-7,18

-13,6

-1,126

-2,944

8,7287

-3,519

84,907

-16,91

540

0

-14,3

0

-2,709

10

1,7916

86,4

47,869

570

7,18

-11,0

1,1258

-1,845

8,7287

6,5491

84,907

78,683

600

12,5

-4,91

2,1748

-0,753

5,1215

9,4315

71,987

85,921

630

14,5

2,49

2,88

0,3769

0

9,8574

29,745

86,308

660

12,5

9,25

2,8135

1,492

-5,121

7,7613

-43,21

82,728

690

7,18

13,6

1,7542

2,4682

-8,729

3,5187

-114,6

61,896

720

0

14,3

0

2,9633

-10

-1,792

-144

7,8606


Таблица 1.3.2. Результаты расчетов

0

1,92

2,8978

124,8

76,387

0

-405,6

30

2,2696

2,6337

111,48

93,313

191,98

-303,8

60

2,7721

2,0938

84,887

118,61

349,01

-129,7

90

2,88

1,9668

77,437

123,21

413,12

65,303

120

2,5735

2,4593

91,237

102,66

349,01

250,69

150

2,1325

2,862

102,35

78,892

191,98

383,71

180

1,92

2,8137

105,6

81,111

0

405,62

210

2,1325

2,4236

102,35

95,849

-192

303,83

240

2,5735

2,0196

91,237

104,2

-349

129,68

270

2,88

1,9458

77,437

105,26

-413,1

-65,3

300

2,7721

2,2719

84,887

99,58

-349

-250,7

330

2,2696

2,7078

111,48

86,086

-192

-383,7

360

1,92

2,8978

124,8

76,387

0

-405,6

390

2,2696

2,6337

111,48

93,313

191,98

-303,8

420

2,7721

2,0938

84,887

118,61

349,01

-129,7

450

2,88

1,9668

77,437

123,21

413,12

65,303

480

2,5735

2,4593

91,237

102,66

349,01

250,69

510

2,1325

2,862

102,35

78,892

191,98

383,71

540

1,92

2,8137

105,6

81,111

0

405,62

570

2,1325

2,4236

102,35

95,849

-192

303,83

600

2,5735

2,0196

91,237

104,2

-349

129,68

630

2,88

1,9458

77,437

105,26

-413,1

-65,3

660

2,7721

2,2719

84,887

99,58

-349

-250,7

690

2,2696

2,7078

111,48

86,086

-192

-383,7

720

1,92

2,8978

124,8

76,387

0

-405,6



1.4 Силовой расчет механизма при , , и


Цель этого этапа исследования – определение реакций в кинематических парах механизма и величины действующего момента, приложенного к кривошипу механизма.

Определение движущей силы при помощи давления рабочего тела в цилиндре и диаметра поршня :



Таблица 1.4.1. Движущие силы и давления в цилиндрах

0

1,38

15607,43

0,03

339,292

30

2,64

29857,7

0,03

339,292

60

1,14

12893,1

0,02

227,33

90

0,54

6107,256

0

0

120

0,3

3392,92

-0,01

-112

150

0,21

2375,044

-0,03

-339,292

180

0,15

1696,46

-0,03

-339,292

210

0,03

339,292

-0,03

-339,292

240

0,03

339,292

-0,02

-227,33

270

0,03

339,292

-0,01

-112

300

0,03

339,292

0,03

339,292

330

0,03

339,292

0,04

451,26

360

0

0

0,13

1469,134

390

0

0

0,45

5089,38

420

-0,03

-339,292

1

11308,6

450

-0,03

-339,292

1,8

20357,52

480

-0,03

-339,292

2,14

24201,7

510

-0,03

-339,292

0,94

10630,02

540

0

0

0,46

5201,346

570

0,03

339,292

0,27

3053,628

600

0,03

339,292

0,19

2147,718

630

0,06

678,584

0,11

1245,202

660

0,27

3053,628

0,03

339,292

690

0,81

9160,884

0,03

339,292

720

1,38

15607,43

0,03

339,292


Используя построенный план ускорений, определим силы и моменты сил инерции, действующие на звенья механизма в процессе движения:




положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Определив направления сил и моментов сил инерции с помощью плана ускорений (силы инерции противоположно направлены ускорениям центров масс звеньев механизма, а моменты сил инерции противоположно направлены угловым ускорениям звеньев механизма), и перенеся их на схему механизма. Разобьем его на части согласно проведенному структурному анализу. Рассмотрим группу Ассура звенья 2–3. Запишем сумму моментов относительно точки :


Рисунок 1.4.1. Плечи сил


положение 2:





положение 5:




положение 21:





положение 24:





где: и – плечи силы тяжести и силы инерции , соответственно. – проекция момента на ось z, направление которой к нам перпендикулярно плоскости чертежа.

Запишем уравнение суммы сил:



В уравнении (1.4.4) неизвестны по модулю силы и , так как в уравнении два неизвестных, то можно построить план сил, откуда и определим неизвестные силы.

Для каждого положения выбрано масштаб плана сил :

Тогда отрезки соответствующие известным силам будут равны:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Построив план сил, определяем:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Рассмотрим звено 3, записав уравнение суммы сил, определим реакцию используя ранее построенный план сил:



Из плана сил определяем:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Рассмотрим группу Ассура звенья 4–5. Запишем сумму моментов относительно точки :

положение 2:





положение 5:





положение 21:





положение 24:





где: и – плечи силы тяжести и силы инерции , соответственно.

проекция момента на ось z, направление которой к нам перпендикулярно плоскости чертежа.

Запишем уравнение суммы сил:



В уравнении (1.37) неизвестны по модулю силы и , так как в уравнении два неизвестных, то можно построить план сил, откуда и определим силы и .

Для каждого положения выбрано масштаб плана сил :

Тогда отрезки соответствующие известным силам будут равны:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Построив план сил, определяем:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Рассмотрим звено 5, записав уравнение суммы сил, определим реакцию , используя ранее построенный план сил:



Из плана сил определяем:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:

Рассмотрим основной механизм первое звено.

Составим сумму моментов относительно точки О, учитывая,


что и :

Рисунок 1.4.2. Плечи сил


При этом плечи будут равны:

положение 5:

При этом плечи будут равны:

положение 21:

При этом плечи будут равны:

положение 24:

При этом плечи будут равны:

Для нахождения реакции составим уравнение суммы сил действующих на основной механизм:



Для построения каждого плана сил выберано масштабный коэффициент:

Тогда отрезки соответствующие силам и будут равны:

положение 2:


положение 5:

положение 21:

положение 24:

Из плана находим:

положение 2:

положение 5:

положение 21:

положение 24:


1.5 Приведенный момент сил


Определение приведенного момента сил трения, осуществляется нахождением моментов во вращательных КП и сил трения в поступательных КП: