∆r=(0.006 ¸ 0.008)D=0.007·93=0.651 мм (6.15)
∆ю = ( 0.001 ¸ 0.002 )D=0.002·93=0.186 мм (6.16)
Диаметры головки и юбки поршня:
мм (6.17)
мм (6.18)
Диаметральные зазоры в горячем состоянии:
(6.19)
мм
(6.20)
мм
где aц=11×10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала
цилиндра;
aп=22×10-6 1/К - коэффициент линейного расширения материала поршня;
Тц =383 К – температура стенок цилиндра;
Тr = 593 К – температура головки в рабочем состоянии;
Тю =413 К – температура юбки поршня в рабочем состоянии;
То =293 К – начальная температура цилиндра и поршня.
6.2 Расчет поршневого кольца
Поршневые кольца работают в условиях высоких температур и значительных переменных нагрузок, выполняя три основные функции:
– герметизации надпоршневого пространства в целях максимально возможного использования тепловой энергии топлива;
– отвода избыточной доли теплоты от поршня в стенки цилиндра;
– "управление маслом", т.е. рационального распределения масляного слоя по зеркалу цилиндра и ограничения попадания масла в камеру сгорания.
Материал кольца – серый чугун. Е=1.2·105 МПа.
Среднее давление кольца на стенку цилиндра:
(6.21)
МПа
где мм.
Давление кольца на стенку цилиндра в различных точках окружности при каплевидной форме эпюры давления:
, [МПа] (6.22)
Результаты расчета р, а также μк для различных углов ψ приведены ниже:
|
Угол ψ, определяющий положение текущего давления кольца, град |
0 |
30 |
60 |
90 |
120 |
150 |
180 |
|
Коэффициент μк |
1.05 |
1.05 |
1.14 |
0.90 |
0.45 |
0.67 |
2.85 |
|
Давление р в соответствующей точке, МПа |
0.224 |
0.222 |
0.218 |
0.214 |
0.218 |
0.271 |
0.320 |
По этим данным построена каплевидная эпюра давлений кольца на стенку цилиндра (рис. 5.2).
Напряжение изгиба кольца в рабочем состоянии:
МПа (6.23)
Напряжение изгиба при надевании кольца на поршень:
МПа (6.24)
Монтажный зазор в замке поршневого кольца:
(6.25)
мм
где мм – минимально допустимый зазор в замке кольца во время работы двигателя;
aк =11·10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала кольца;
aц =11·10-6 1/К – коэффициент линейного расширения материала гильзы;
Тк=493 К – температура кольца в рабочем состоянии;
Тц =383 К – температура стенок цилиндра;
То= 293 К – начальная температура.
6.3 Расчет поршневого пальца
Во время работы двигателя поршневой палец подвергается воздействию переменных нагрузок, приводящих к возникновению напряжений изгиба, сдвига, смятия и овализации. В соответствии с указанными условиями работы к материалам, применяемым для изготовления пальцев, предъявляются требования высокой прочности и вязкости. Этим требованиям удовлетворяют цементированные малоуглеродистые и легированные стали
Для расчета принимаем следующие данные:
наружный диаметр пальца dn=25 мм,
внутренний диаметр пальца db=16 мм,
длину пальца ln=80 мм,
длину втулки шатуна lш=40 мм,
расстояние между торцами бобышек b=44 мм.
Материал поршневого пальца – сталь 15Х, Е=2·105 МПа.
Палец плавающего типа.
Расчет поршневого пальца включает определение удельных давлений пальца на втулку верхней головки шатуна и на бобышки, а также напряжений от изгиба, среза и овализации.
Максимальные напряжения возникают в пальцах дизелей при работе на номинальном режиме.
Расчетная сила, действующая на поршневой палец:
– газовая
МН (6.26)
где рzmax=рz=6.356 МПа – максимальное давление газов на номинальном
режиме;
мм2 – площадь поршня;
– инерционная
МН (6.27)
где рад/с
– расчетная
МН (6.28)
где k =0.82 – коэффициент, учитывающий массу поршневого пальца.
Удельное давление (МПа) пальца на втулку поршневой головки шатуна
МПа (6.29)
где м – наружный диаметр пальца;
м – длина опорной поверхности пальца в головки шатуна.
Удельное давление пальца на бобышки
МПа (6.30)
Напряжение изгиба в среднем сечении пальца:
(6.31)
МПа
где a=dв/dп=0.64 – отношение внутреннего диаметра пальца к наружному.
Для автомобильных и тракторных двигателей [ sиз ] = 100 ¸ 250 МПа.
Касательные напряжения среза пальца в сечениях между бобышками и головкой шатуна:
(6.32)
Мпа
Для автомобильных и тракторных двигателей [t] = 60 ¸ 250 МПа.
Максимальная овализация пальца (наибольшее увеличение горизонтального диаметра ∆ dnmax, мм) наблюдается в его средней, наиболее напряженной части:
(6.33)
мм
где Е = 2·105 МПа – модуль упругости материала пальца.
Напряжение овализации на внешней поверхности пальца:
- в горизонтальной плоскости (точки 1, ψ=0º):
(6.34)
МПа
-в вертикальной плоскости (точки 3, ψ=90º):
(6.35)
МПа
Напряжение овализации на внутренней поверхности пальца:
- в горизонтальной плоскости (точки 2, ψ=0º):
(6.36)
МПа;
-в вертикальной плоскости (точки 4, ψ=90º):
(6.37)
МПа.
7. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАЗДЕЛ
Конструкторский раздел предназначен для рассмотрения основной задачи данной работы — усовершенствования системы охлаждения двигателя ЗМЗ 406 применяемого на автомобилях ГАЗ 2705, 3221 «ГАЗЕЛЬ» и их модификациях. При этом изменения в двигателе принятые в тепловом расчете, т.е. форсирование двигателя для повышения его тяговых и скоростных характеристик приняты как перспективные и представляющие интерес с практической, а в данном случае еще и с теоретической точки зрения. Принимая данные, полученные в тепловом расчете, и учитывая ,что после форсирования двигателя увеличилась мощность нетто, а следовательно тепловой режим стал более напряженным был проведен расчет системы охлаждения.
7.1 Расчет жидкостной системы охлаждения
Модернизируя систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания проведем предварительный её расчет согласно материалу, изложенному в [4]. Однако данный расчет является проверочным и ведётся в первом приближении с тем, чтобы сохранить геометрические, тепловые и иные параметры основных деталей системы охлаждения максимально унифицируя её с существующей конструкцией в случае доработки. При расчете системы охлаждения двигателя исходной величиной является количество отводимого от него в единицу времени тепла Qω (ккал/ч). Это количество может быть определено из уравнения теплового баланса, или (ориентировочно) на основании экспериментальных данных. В данной работе используем второй вариант, на основании экспериментальных данных, выбирая коэффициенты и эмпирические данные предполагая наиболее напряженный тепловой режим работы.
В качестве циркулирующей охлаждающей жидкости принимаем этиленгликолевую незамерзающую смесь (антифриз).
Таким образом, количество тепла отводимого от двигателя в единицу времени:
Qω=qωNeN=860∙85,0232∙1,36=99443,135 ккал/ч, (7.1)
где qω=860 ккал/(л.с.∙ч)— количество отводимого от двигателя тепла,
для карбюраторных ДВС обычно qω=830…860 ккал/(л.с.∙ч);
NeN=85,0232 кВт— наибольшая мощность двигателя.
Находим количество жидкости (кгс/ч), циркулирующей в системе охлаждения в единицу времени,
кгс/ч (7.2)
где сω=0,5 ккал/(кгс∙°С)— теплоемкость циркулирующей жидкости;
=5 °C— разность температур входящей в радиатор и
выходящей из него жидкости.
7.2 Расчет радиатора
Величину поверхности охлаждения радиатора в первом приближении (м2) с достаточной точностью определим по простейшей формуле и сравним с существующей (FД=20 м2):
Fp=fpNNeN=0,17∙85,0232∙1,36=19,66 м2 (7.3)
где fpN=0,17 м2/л.с.— удельная поверхность охлаждения радиатора, fpN=0,1…0,23 м2/л.с. для легковых автомобилей.
Как видно из расчетов Fp=19,66м2≈ FД=20м2, относительная разность 2%.
Емкость системы охлаждения оставим прежней, т.е. Vω=12 л.
Примерное количество проходящего через радиатор воздуха:
GL=205∙NeN=205∙85,0232∙1,36=22868 кгс/ч. (7.4)
7.3 Водяной насос
Расчетная производительность водяного насоса:
Gв.н.=Gω/ηв.н.=/0,85=46796,7694 кгс/ч, (7.5)
где ηв.н.=0,85— коэффициент, учитывающий возможность прорыва жидкости между крыльчаткой и корпусом насоса.
Необходимая на привод водяного насоса мощность:
кВт (7.6)
где Н=7 м вод. ст.— создаваемый насосом напор;
ηh=0,65 — гидравлический КПД;
ηмех=0,8 — механический КПД водяного насоса.
Учитывая, что параметры рассчитываемого и действительного радиаторов можно принять как равные и принимая существующую емкость системы охлаждения — размеры и форму водяного насоса не рассчитываем.
7.4 Вентилятор
Для выбора из существующей номенклатуры приближенно определим производительность вентилятора по формуле:
GL=LQQω=0,3∙99443,135=29832,9405 кгс/ч, (7.7)
где LQ=0,3 кгс/ккал — удельная производительность вентилятора.
7.5 Описание предлагаемых конструктивных изменений
Далее будет предложен и рассмотрен вариант усовершенствования системы охлаждения рассматриваемого в данной работе двигателя ЗМЗ-406 автомобилей ГАЗ 2705, 3221 «ГАЗЕЛЬ». Описание целей и элементов доработки системы охлаждения двигателя ЗМЗ-406 по пунктам приведены ниже. Основные элементы системы и режимы работы приведены на рис. 20…24.
1. Вместо вентилятора и гидронасоса с механическим приводом от клиноременной передачи принимаются к установке вентилятор и гидронасос с электроприводом и возможностью регулировки числа их оборотов в зависимости от температуры в системе охлаждения. Цель: возможность частичной регулировки скорости потока воздуха, возможность регулировки скорости потока охлаждающей жидкости, увеличение мощности брутто двигателя за счет отсутствия затрат мощности на привод вентилятора и водяного насоса. Остальные достоинства таких систем смотреть выше в патентном обзоре.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
