Определение усилий, действующих на поршневой палец вдоль оси цилиндра

3.2 Определение усилий, действующих на поршневой палец вдоль оси цилиндра

Вдоль оси цилиндра на поршень действует сила давления газов и силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс.

Для удобства сложения сил давления газов F_r и сил инерции F_j возвратно-поступательно движущихся масс изображаем их в одинаковом масштабе, что позволяет графически получить суммарное усилие, действующее на поршневой палец

Силы давления газов определяем по формуле

,  (68)

где P_s - текущее давление газов по индикаторной диаграмме, Па;

P_o =98100 - атмосферное давление, Па;

D =0,094- диаметр цилиндра, м.

Сила инерции F_j складывается из сил инерции первого F_j1 и второго F_j2 порядков

 (69)

где m - приведенная масса возвратно-поступательно движущихся частей, кг.

Приведенная масса возвратно-поступательно движущихся частей состоит из массы поршня и части массы шатуна. В расчетах принимаем

m=m_п+0,275m_ш;

m_п=254=1,76 кг;

m_ш=300=2,08 кг;

m=1,76 +0,2752,08=2,33 кг;

где масса поршня m_п и масса шатуна m_ш найдены по величине удельной массы этих узлов, то есть массы, отнесенной к площади поршня. Для тракторных двигателей величины удельных масс поршня и шатуна имеют следующие значения: m_п=254, m_ш=300

Силы давления газов и силы инерции принимаем положительными, если они действуют к оси коленчатого вала, и отрицательными, если они направлены от коленвала. Определив по формулам (35), (36) величины F_r и F_j для различных значений угла поворота кривошипа, строим график зависимости суммарного усилия, действующего на поршень вдоль оси цилиндра от угла α. Результат расчетов сводим в таблицу (смотри приложение).

3.3 Определение усилий, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

Суммарная сила F_∑, действующая на поршневой палец, раскладываем на две составляющие (рис 1):

Нормальную

 (70)

и силу S, направленную вдоль оси шатуна

 (71)

Силу S, действующую на шатунную шейку, разлаживаем на радиальную K¢ и тангенциальную Т составляющие, определяемые по формулам

 (72)

 (73)

Кроме того, на шатунную шейку действует центробежная сила  вызванная вращением масс шатуна, приведенных к его нижней головке. Величину  определяем по формуле

, (74)

где m_нгш = 0.725m_ш =0,7252,08=1,508 – масса шатуна, приведенная к его нижней головке, кг.

Результирующая радиальная сила определяется алгебраической суммой составляющих  и К', то есть

 (75)

Результаты действующих усилий приведены в приложении. 3.4 Определение параметров маховика

Основным назначением маховика является обеспечение заданной равномерности вращения коленчатого вала и возможности трогания трактора с места. Причиной неравномерности вращения коленчатого вала двигателя при установившимся режиме является периодический характер изменения крутящего момента.

Степень равномерности вращения коленчатого вала при установившимся режиме характеризуется коэффициентом неравномерности хода

, (76)

где w_max – максимальная угловая скорость вала, рад/с;

w_min – минимальная угловая скорость вала, рад/с;

w_ср – средняя угловая скорость коленчатого вала, рад/с;

В то же время величина d определяется из соотношения

, (77)

где L_изб – избыточная работа крутящего момента, Дж;

I_o – приведенный к оси коленчатого вала момент инерции движущихся масс двигателя .

Для определения параметров маховика необходимо найти его момент инерции, который для тракторных двигателей равен

I_м = 0,825 I_o, (78)

где I_o определяется из (62), причем избыточная работа Lизб берется из

соотношений L_изб / L_ср =0,17.

Средняя работа крутящего момента

L_ср = M_ср Dj= M_ср4p, (79)

где Dj - один цикл работы двигателя, выраженный в радианах (для четырехтактного двигателя Dj = 4p);

M_ср – средний крутящий момент.

I₀=L_изб/dw²=L_ср0,17/dw²

I₀=М_срp0,68/dw²

I_М=0,561pМ_ср/dw²

Для нахождения M_ср построим кривую изменения суммарного крутящего момента двигателя как функцию угла поворота a.

Для построения кривой моментов используется график касательных сил Т, учитывая, что для одного цилиндра

M_крц = Тr

Определение крутящего момента многоцилиндрового двигателя производим путем суммирования крутящих моментов отдельных цилиндров, для чего на график М_крц первого цилиндра накладывают графики М_крц остальных цилиндров, учитывая сдвиг фаз q

Для четырехтактных двигателей q = 720⁰ / 4 =180⁰;

Суммирование производим как графически, так и аналитически, табличным способом (смотри приложение)

Средний крутящий момент

М_ср=318 Нм;

Полученную величину М_ср контролируем, используя формулу

 Нм (80)

где M_е- эффективный крутящий момент;

η_мех - механический КПД

Ошибка ∆=(М_ср.- М_ср.гр)_./ М_ср..100=0. Используя формулы (60), (61), (62), находим I_м.

Предварительно принимаем, что средний диаметр маховика равен

D_ср =2,5S=2,50,110=0,270 м, (81) где S – ход поршня.

Учитывая, что

, (82)

где m_м – масса маховика.

, (83)

, (84)

  (85)

Наружный диаметр маховика выбирается с учетом условия прочности, которое выражается в том, чтобы окружная скорость V_м на ободе маховика не превышала допустимой (для чугунных маховиков V_м≤70м/с, для стальных литых V_м≤100м/с, для стальных штампованных V_м≤110м/с)

  (86)

4. Построение теоретической регуляторной характеристики

Регуляторная характеристика тракторного двигателя показывает зависимость эффективной мощности , крутящего момента , частоты вращения коленчатого вала ,часового  и удельного эффективного  расходов топлива в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов двигателя, работающего на регуляторе. Чаще всего регуляторную характеристику строим как зависимость названных параметров от частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента двигателя. Регуляторная характеристика двигателя имеет две ветви: непосредственно регуляторную – при n_e³n_ен и внешнюю скоростную или корректурную – при n_e<n_ен. На корректурной ветви характеристики значения эффективной мощности  и удельного эффективного расхода топлива  рассчитываем в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя  по формуле

 (87)

, (89)

где  - опытные коэффициенты, усредненные значения которых в зависимости от типа двигателя.

 - относительная частота вращения коленчатого вала двигателя.

Остальные параметры двигателя определяем из следующих соотношений крутящий момент двигателя

Часовой расход топлива

 

. (91)

На регуляторной ветви принимается, что момент  и часовой расход изменяются линейно от номинальных значений до  и  при

,

где:  = 1.07 - коэффициент оборотов холостого хода;

= 0.25...0.3.- коэффициент, учитывающий долю расхода топлива на

холостом ходу от номинального режима.

Промежуточные значения параметров двигателя на регуляторной ветви определяются по следующим соотношениям. Крутящий момент на валу двигателя

. (92)

Часовой расход топлива

. (93)

Эффективная мощность

. (94)

Удельный расход топлива

. (95)

Результаты расчетов и построение теоретической регуляторной характеристики приведены в приложении.

5. Расчет и построение теоретической тяговой характеристики

 

Определив основные конструктивные и экономические характеристики (параметры) ДВС и трактора в целом, строим тяговую характеристику.

Тяговой характеристикой называют совмещенные графики зависимости мощности N_кр трактора, часового расхода топлива G_т, удельного расхода топлива q_кр, рабочей скорости V_р, буксования и тягового КПД в зависимости от силы тяги на крюке. Тяговая характеристика позволяет получить наглядное представление о тяговых и топливно-экономических показателях на различных режимах работы трактора.

Основой для построения теоретической тяговой характеристики служат:

- тяговый расчет трактора,

- регуляторная характеристика двигателя проектируемого трактора,

- зависимость коэффициента буксования от силы тяги на крюке для заданного почвенного агрофона.

При расчете тяговой характеристики трактора определяем величины теоретической и действительной скорости , касательной силы тяги и крюкового усилия , крюковой или тяговой мощности , удельного крюкового расхода топлива  на каждой передаче в функции от частоты вращения дизеля и а значения тягового КПД для номинальной частоты.

Расчетные формулы имеют вид

 (96)

 (97)

где  - коэффициент буксования.

При расчете коэффициента буксования используем формулы, полученные путем аппроксимации усредненных опытных кривых буксования для различных агрофонов.

Для колесных тракторов

δ=(0,762у-1,646у²+1,404у³)/(10,167-32,5φ+28,333φ²), при у>0,5 (98)

δ=(0,29)/(10,167-32,5φ+28,333φ²), при у≤0,5

где

.

Касательная сила тяги, кН

. (99)

Сила сопротивления качению трактора, кН

 

. (100)

Крюковое усилие, кН

. (101)

Крюковая мощность, кВт

. (102)

Удельный крюковой расход топлива, г/кВт×ч

. (103)

Тяговый КПД

 (104)

Теоретическая тяговая характеристика показывает, как в заданных почвенных условиях при установившемся движении на горизонтальном участке в зависимости от нагрузки на крюке трактора изменяются его основные эксплуатационные показатели: буксование ведущих органов, скорость движения, тяговая мощность, удельный расход топлива и тяговый КПД трактора.

При расчете и построении теоретической тяговой характеристики используем лицензированный программный продукт «EXCEL».

Литература

 

1. Астахов М.В., Корнилов Е.И. Калуга: МГТУ им. Н.Э. Баумана Калужский филиал, 1998.

2. Чудаков Д.А. Основы теории трактора и автомобиля. М.: Колос, 1972.

3. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1984.

4. Львов Е.Д. Теория трактора. М.: Машгиз, 1952.

5. Балабин И.В., Прутин В.А. Автомобильные и тракторные колеса. Челябинск, 1963.