§ 12. Определение основных размеров двигателя

Основные размеры двигателя (диаметр d цилиндра и ход S порш- ня), значение давления газов в цилиндре, экономичность цикла и дви- гателя в целом определяют методом теплового расчета.

Тепловой расчет дает полную картину изменения состояния газа и протекания рабочего процесса. Он может проводиться как для проек- тируемого, так и для изготовленного (проверочный расчет) двигателя.

Для того чтобы сделать тепловой расчет проектируемого двигате- ля, нужно выбрать тип двигателя, его номинальную мощность N_eB при номинальной частоте вращения п¹ и вид топлива.

Определив все данные по параметрам действительных процессов, строят индикаторную диаграмму и вычисляют среднее индикаторное и среднее эффективное давление.

Задавшись тактностью двигателя и числом цилиндров и используя формулы (4), (20) и (21), определяют рабочий объем (л) цилиндра:

четырехтактного двигателя

= (31)

р_еги

двухтактного двигателя

N_e 60 Ре ni

Далее, задавшись значением отношения

г =

d '

находят диаметр d цилиндра и ход S поршня по формуле (2). Для современных автотракторных двигателей отношение S/d выбирают в пределах 0,8—1,4. Обычно чем выше частота вращения п двигателя, тем меньшей принимают величину S/d, с тем, чтобы не увеличивать сред- нюю скорость (м/с) движения поршня:

(34)

30

2Sn Sn

^Сп.ср— - - '

60

С увеличением средней скорости поршня возрастает работа трения и повышается износ деталей двигателя. Средняя скорость поршня со- временных карбюраторных автотракторных двигателей составляет 9— 15 м/с, а автотракторных дизелей—6—10 м/с.

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс (порш- ня с кольцами, поршневого пальца и верхней части шатуна¹) равна произведению массы этих деталей на их ускорение и направлена в сторону, противоположную ускорению (Н):

Р, 1 = /Ив/п, (41)

где т_а — масса возвратно-поступательно движущихся деталей, которую условно счи- тают сосредоточенной на оси поршневого пальца, кг; j_a — ускорение возвратно-поступа- телыю движущихся масс, равное ускорению поршня, м/с®.

Для центрального кривошипно-шатунного механизма уравнение (41) принимает следующий вид:

Р„ = т_п по² (cos ос -г A. cos 2а). (42)

Так как ускорение поршня изменяется по значению и направле- нию, то и сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс также переменна по обоим параметрам. Период этого изменения ра- вен одному обороту коленчатого вала (ряс. 30). Правило знаков для силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс такое же, как и для давления газов.

Из формулы (42) следует, что уменьшение силы инерции возврат- но-поступательно движущихся масс возможно при меньших значени- ях Х—г/1, то есть при более длинном шатуне. Однако с увеличением длины шатуна возрастают габаритные размеры и масса двигателя, что является нежелательным. Обычно для двигателей значение X принима- ется в пределах 0,22—0,28.

Сила инерции неуравновешенных вращающихся масс т_ц (криво- шипа коленчатого вала и нижней части шатуна ²)

Р_а = т_а<й²г. (43)

Сила инерции неуравновешенных вращающихся масс постоянна для данной частоты вращения и всегда направлена по радиусу криво- шипа от оси коленчатого вала.

Суммарная сила, действующая по оси цилиндра. Сила от давле- ния газов Р_г на днище поршня и сила инерции возвратно-поступатель- но движущихся частей Р_и направлены по оси цилиндра. Алгебраиче- ская сумма этих двух сил дает равнодействующую силу (Н) того же направления:

Рп = Р, + Р_и. (44)

Для построения кривой изменения суммарной силы Р_п достаточно сложить ординаты точек кривых изменения сил Р_г и Р_и при одних и тех же углах а поворота коленчатого вала (рис. 30).

В общем случае сила Р_ш приложенная к поршневому пальцу, рас- кладывается на две составляющие (рис. 31): силу Р_ш, направлен- ную вдоль оси шатуна, и силу N, направленную перпендикулярно оси цилиндра:

Р_Ш = Р_П/cosp, (45)

N = P_a tgp. (46)

Сила Р_ш передается по шатуну иа шатунную шейку коленчатого вала. Она попеременно сжимает и растягивает шатун. Сила N перио- дически прижимает поршень то к одной, то к другой стенке цилиндра, вызывая трение и износ цилиндра и поршня.

Перенеся силу Р_ш в центр нижней головки шатуна и приложив к центру вращения коленчатого вала Две противоположно направлен- ные силы, параллельные и равные Р_ш, получим крутящийся момент

двигателя ЛТ_к(Н-м) и свободную СИЛУ гщ» действующую на коренные подшипники:

M_K = P_mh, (47)

где ft=rsin(a+f}) — плечо силы Р_ш, м.

Крутящий момент двигателя в любой отрезок времени уравно- вешивается суммой моментов всех сил сопротивления: моментом сил трения в механизмах двигателя, моментом сил сопротивления движе- нию трактора или автомобиля и их прицепов, моментом касательных сил инерции движущихся частей двигателя.

Свободную силу Р_ш можно разложить на силу, направленную по оси цилиндра, и силу, направленную перпендикулярно к оси цилиндра:

Рш cos р = cos р — Р_а (48)

cos р

P_msinp= -\-sinp = P_ntgp=W. (49)

cos р

Сила Ль приложенная в центре вращения коленчатого вала и действующая по оси цилиндра, и сила Р_с, действующая на головку цилиндров, при алгебраическом суммировании дадут свободную силу Р_я — силу инерции возвратно-поступательно движущихся масс. Эта сила, непрерывно изменяясь по значению и периодически по направ- лению, все время воздействует через коренные подшипники на остов двигателя и вызывает его вибрацию.

Сила N на плече а дает обратный момент М₀б, равный крутяще- му моменту двигателя М_к, и направленный в противоположную сторо- ну. Переменный по значению обратный крутящий момент передает- ся раме, на которую установлен двигатель, вызывая их вибрацию. Эту вибрацию можно уменьшить, повысив равномерность суммарного крутящего момента, а последнее достигается увеличением числа цилиндров, обеспечением в них одинакового протекания рабочих процессов и соблюдением равенства интервалов между тактами расши- рения в отдельных цилиндрах.