Розрахунок автотракторного двигуна

 

 

Розділ 1

Визначення  необхідної потужності двигуна для  проектованої машини та вибір прототипу  двигуна.

 

Теоретичне обґрунтування  вибору потужності двигуна.

Потужність двигуна проектованого  трактора чи автомобіля визначається на основі балансу потужності машини, який показує, куди витрачається енергія, що виробляється двигуном. Рівняння балансу  потужності записується у вигляді [2]:

 

N_е = N_тр + N_δ + Ν_f  + N_вом + N_w + N_j+ N_і + N_кр                                (1.1)

 

де N_е – потужність, що знімається з колінчастого валу двигуна;

N_тр – втрати потужності в трансмісії;

N_δ – втрати потужності на буксування рушія;

N_f  – втрати потужності на подолання опору кочення машини. У деяких випадках для гусеничних тракторів із складу N_f окремо виділяють втрати потужності на тертя в шарнірах гусеничного рушія N_г, що приблизно дорівнюють половині втрат N_f, визначених експериментально;

N_вом – потужність, що передається через вал чи коробку відбору потужності з урахуванням коефіцієнта корисної дії (ККД) передачі; на стадії проектування N_вом повинна обумовлюватися завданням;

N_w – потужність, що витрачається на подолання опору повітря;

N_j – потужність на подолання сил інерції, може змінювати знак в залежності від напрямку прискорення;

N_і – потужність на подолання підйомів (на схилі змінює знак);

N_кр – потужність, що передається через тягово-зчіпний пристрій (знаряддю у машинно-тракторному агрегаті або причепу в автопоїзді).

Ні одна з складових  балансу потужності під час руху машини не залишається постійною. Детальний  аналіз складових балансу буде зроблено в курсі теорії тракторів і  автомобілів. Для вибору потужності двигуна на стадії проектування трактора чи автомобіля досить обмежитися середнім значенням складових тягового балансу  для номінального режиму, які визначають за формулами 1.2...1.8:

 

N_тр = N_е·(1 – η_тр), кВт                                                  (1.2)

 

де  η_тр – ККД трансмісії.

N_δ = Р_кр·(V_т − V_д) = Р_кр·V_т ·δ, кВт                                       (1.3)

 

де  Р_кр – тягове зусилля (на гаку чи буксирному пристрої), кН;

      V_т та V_д – теоретична та дійсна швидкості руху, відповідно, м/с;

      δ = (V_т – V_д)/V_т – коефіцієнт буксування рушія.

 

N_f = G·f∙V_д∙cosα, кВт                                               (1.4)

 

де G – вага машини, кН;

     f – коефіцієнт опру коченню, вибирається як табличне значення для заданих умов руху (див. табл. 1 додатку 1);

     α – кут  нахилу опорної поверхні до  горизонту в напрямку руху.

 

N_w = Р_w∙V_д = , кВт                                               (1.5)

 

де  Р_w – сила опору повітря, кН;

      k – коефіцієнт  обтічності, Н·с²/м⁴ ;

      F – площа  лобової поверхні машини, м².

 

N_j = m·j∙V_д, кВт                                                      (1.6)

 

де  m = G/g – повна маса машини, т;

      g = 9,81 м/с² – прискорення вільного падіння;

       j – прискорення  машини, м/с².

 

N_і = G∙sіnα∙Vд, кВт                                                    (1.7)

 

N_кр = Р_кр∙V_д, кВт                                                      (1.8)

 

При попередніх розрахунках  рівняння балансу потужності спрощують  наступним чином.

Для тракторів N_вом враховують тільки при умові наявності в завданні, а N_w, N_j та N_і взагалі не обчислюють окремо. Ці складові враховують деяким коефіцієнтом можливого перевантаження трактора k_п, після чого рівняння тягового балансу набуває вигляду:

 

N_е = k_п∙(N_тр + N_δ + N_f + N_кр).                                             (1.9)

Для вантажних автомобілів, за винятком спеціальних, як правило  не враховують N_вом,  N_j та N_δ. Потужність, що передається через буксирний пристрій причепу (або причепам) N_кр представляють у вигляді складових опору рухові причепа, які підраховуються за тими ж формулами, що і для автомобіля, з тими ж коефіцієнтами. При визначенні потужності двигуна автомобіля будемо вважати, що автомобіль працюватиме без причепа і N_кр = 0. Тоді:

 

N_е = N_тр + N_f + N_w + N_i .                                            (1.10)

 

 

Враховуючи, що: N_f + N_i = G∙f∙V_д∙cosα + G∙sinα∙V_д маємо:

 

 

N_f + N_i = G∙V_д∙(f∙cosα + sinα) = G∙V_д∙ψ = N_ψ,                   (1.11)

 

де  ψ = f∙cosα + sinα – коефіцієнт опору дороги,

      N_ψ – затрати потужності на подолання опору дороги, включаючи підйоми.

Отже, для автомобіля можемо остаточно записати:

 

N_е = N_тр + N_ψ + N_w                                                  (1.12)

 

Для розв'язання рівняння балансу  потужності і знаходження потужності двигуна проектованої машини потрібно визначити всі складові, деякі  з котрих беруть із завдання, інші обчислюють або приймають, спираючись на апріорні дані. Такими даними, як правило, є параметри прототипу – найбільш близької за призначенням, класом та будовою машини, яка вже виготовляється.

Поняття "прототип" при  проектуванні треба розуміти як "подібний майбутній, проектованій машині". Для курсової роботи, користуючись довідковою літературою, вибирають прототип трактора чи автомобіля та, окремо, прототип двигуна.

 

 

 

 

 

Після вибору прототипу  розрахунки ведуть у наступному порядку

 

 

Тип трактора – колісний

Номінальна сила тяги на гачку, кН – 20

Число основних передач – 5

Транспортних – 1

Швидкість руху при номінальній  силі тяги на гачку, км/год. – 6.5

Ґрунтовий фон – злежана орана земля

 

ЧАСТИНА І. РОЗРАХУНОК ДВИГУНА

 

Розділ І. Визначення необхідної потужності двигуна

За прототипом приймаємо трактор МТЗ-80

1. Знаходження маси трактора

З таблиці 1.1 [3] для заданих умов роботи приймаємо значення допустимого коефіцієнта використання зчіпної ваги ϕ_кдпо = ϕ = 0,8

Приймаємо: статистичний коефіцієнт навантаження рушія λ_КСТАТ = 0,65

                         коефіцієнт динамічності  к = 1,15

                         коефіцієнт можливого перевантаження  трактора κ_П = 1,2

 

                      λ_К = к * λ_КСТАТ = 1,15*0,65=0,782                                 (1.13)

 

Приймаємо коефіцієнт опору  коченню f = 0,1

Маса трактора визначається за формулою:

 

                                                                                      (1.14)

 

 

 

2. Коефіцієнт корисної дії трансмісії:

 

Приймаємо  η_r = 0,97   η_ш = 0,992  η_хол =0,98

          η_ц = 0,985  η_к = 0,975  

 

                                                                                                   (1.15)

Прототип має:   z_ц =3   z_к =1        z_г =0         z_ш= 0 

ККД трансмісії:

 

 

3. Номінальна потужність двигуна.

Приймаємо коефіцієнт завантаження тракторного двигуна η_е =0,9

Потужність двигуна визначаємо за формулою:

 

                                                                           (1.16)

 

 

 

Прийняті і розраховані  дані по трактору:

1. Номер завдання ……………………………………………….. 143
2. Коефіцієнт опору кочення …………………………………….f =0,1
3. Коефіцієнт можливого перевантаження трактора …………..K_n =1,2
4. Коефіцієнт навантаження на рушій ( для тракторів 4к2)……λ_k=0,782
5. Допустимий коефіцієнт використання зчіпної ваги…………φ_кдоп=0,8
6. ККД трансмісії………………………………………………….η_тр=0,950
7. Коефіцієнт експлуатаційного завантаження двигуна………..η_е=0,9
8. Потужність двигуна в кВт…………………………………….N_ен=51,978

 

Вибираємо прототип – СМД -124кладаємо список вихідних даних для подальшого розрахунку двигуна:

1. Тип двигуна – дизель;
2. Тактність – чотиритактний;
3. Число та розташування циліндрів і=4-Р;
4. Ступінь стиску ε= 14,6;
5. Номінальна частота обертання колінчастого валу n_н = 1700 хв^-1;
6. Номінальна потужність Ne =51,878кВт;
7. Коефіцієнт надлишку повітря α = 1,6;
8. Вид палива і його елементний склад: дизельне пальне, С = 0,857

Н = 0,133

О = 0,01

Нижча теплота згорання Q_н = 42,5 МДж/кг.

9. Температура і тиск навколишнього повітря: р_о = 0,1 МПа;

Т_о = 288 К.

Розділ 2

Тепловий  розрахунок двигуна

 

Тепловий розрахунок виконується  з метою визначення параметрів (тиску  і температури) суміші газів у  циліндрі двигуна в будь який довільний  момент часу (фази робочого циклу). На основі теплового розрахунку можна досить точно визначити навантаження на деталі двигуна від дії газів  і температурні умови роботи цих  деталей. Іншими словами, можна визначити  деякі вихідні дані для вибору матеріалів та розрахунку деталей на міцність. Крім того, можна вирахувати конструктивні розміри двигуна  по заданій потужності або обчислити  потужність при заданих розмірах, оцінити показники роботи двигуна: економічність, матеріалоємність, питому потужність, розрахувати характеристики двигуна.

Вихідні дані для теплового  розрахунку означені в розділі 1.

Розрахунок ведуть по порядку  здійснення процесів робочого циклу: впуск, стискування, згоряння, розширення (робочий  хід) та випуск відпрацьованих газів (ВГ). У курсовому проекті виконують  розрахунок найбільш поширених на тракторах  і автомобілях чотиритактних  поршневих двигунів.

 

2.1. Процес впуску.

Параметри заряду на впуск.

Приймаємо ступінь підвищення тиску у компресорі λ_к =1

Показник політропи стиску для компресора приймаємо n_к = 1

Тиск повітря Р_к, що дає компресор, залежить від будови компресора і прийнятої схеми наддуву, які діляться на системи низького (Р_к ≤ 1,5Р₀), середнього (І,5Р₀ ≤ Р_к ≤ 2,2Р₀) та високого наддуву (2,2Р₀ ≤ Р_к ≤ 2,5Р₀). Для автотракторних двигунів середній наддув використовують досить рідко, а високий не застосовують взагалі. Відношення λ_к = Р_к/Р_о називають ступінню підвищення тиску у компресорі. Для автотракторних двигунів з наддувом ступінь підвищення тиску λ_к слід приймати у межах 1,5...1,6. Тоді:

 

Р_к = λ_к∙Р₀, мПа                                                (2.1)

 

Р_к = 1 0,1 = 0,1  МПа

 

Температура повітря після  компресора Т_к обчислюється як для політропного процесу стиску:

Т_к =  Т₀∙λ_к^(nк-1)/nк, °К                                             (2.2)

 

Т_к = 2881 ^(1-1)/1= 288,00  К

 

де  n_к – показник політропи стиску компресора, значення якого приймається в залежності від типу компресора: (n_к = 1,55...1,75 – для роторних об'ємних компресорів).

Густина повітря  на впуску ρ_к:

 

, кг                                                (2.3)

 

,кг/м³

 

де  R_в = 287 Дж/(кг∙град) – питома газова стала повітря.

 

2.1.2. Тиск і температура ВГ, які лишаються в камері згоряння від попереднього циклу і впливають на параметри заряду в кінці процесу впуску, залежать від будови випускної системи і визначаються на стадії проектування методом подібності.

Тиск ВГ Р_r приймають на основі експериментальних даних у межах:

Р_r = (0,75...0,98)∙Р_к – для дизелів з газотурбінним наддувом.

 

Р_r =1,1 ·0,1 = 0,110,  МПа

 

Температуру ВГ Т_r також приймають, орієнтуючись на експериментальні дані:

Т_r = (700...900) ˚К – для дизелів.

Т_r = 777 К.

2.1.3.  Тиск в кінці впуску Р_а визначають, враховуючи втрати тиску на впуску ∆Р_а: