Список прийнятих скорочень та умовних позначень
Вступ
1. Розрахунок потужності двигуна для проектованої машини
Тепловий розрахунок двигуна
3. Визначення основних показників двигуна
4. Динамічний розрахунок двигуна
5. Розрахунок швидкісної характеристики двигуна
6. Розрахунок однієї з систем чи одного з механізмів двигуна
Висновки
Список літератури
Всі розділи крім шостого студенти перевіряють на ЕОМ з використанням комп’ютерної програми, розробленої згідно цих методичних рекомендацій. Програма дозволяє студентам самостійно проводити наскрізну перевірку правильності розрахунків, що полегшує пошук допущених помилок, сприяє якісному виконанню розрахункової частини курсової роботи та засвоєнню матеріалу. Для самостійної роботи студента за межами кафедральної аудиторії програма може бути переписана студенту на його власну дискету.
Шостий розділ передбачено як індивідуальне завдання і виконується він тільки тоді, коли студент претендує на підвищену оцінку.
Послідовність розрахунку роботи наведено у додатку 3.
Оформлення розрахункової роботи повинно відповідати вимогам, визначеним методичними вказівками до оформлення курсових і дипломних проектів (див. „Стандарт факультету механізації с. г.” та додаток 2). Пояснювальна записка виконується на папері формату А4 і обов'язково зшивається разом з кресленнями графічної частини. Графічна частина виконується на міліметровому папері, ескізи та розрахункові схеми до розрахунку систем і механізмів двигуна виконують на сторінках пояснювальної записки.
В самому початку пояснювальної записки повинен бути підшитим чи вклеєним оригінал завдання на розрахункову роботу. Всі розрахунки у пояснювальній записці повинні супроводжуватися коментарями та посиланнями на джерела інформації (звідки запозичені формули, коефіцієнти, обгрунтування прийнятих рішень).
Точність обчислень, як було зазначено вище, контролюється за допомогою ПЕОМ. Для успішної перевірки округлення результатів розрахунків слід виконувати до четвертої значущої цифри. У противному разі похибка буде накопичуватися і може досягти недопустимої величини, коли ЕОМ буде вказувати на неточності результатів.
Не допускається використовувати у пояснювальній записці схеми та рисунки, запозичені з будь-якої літератури методом копіювання: рисунки повинні виконуватися проектантом лише самостійно з дотриманням вимог на виконання графічних зображень.
Обов'язкова наявність списку використаної літератури.
Повністю оформлена розрахункова робота повинна бути здана на кафедру з обов'язковою реєстрацією у журналі не пізніше зазначеного в завданні терміну. Після перевірки робота повертається студенту для виправлення зауважень чи помилок.
Захист розрахункової роботи після повної перевірки на ПЕОМ відбувається шляхом співбесіди з викладачем, який перевіряв роботу. Якщо з будь-яких причин робота не пройшла перевірку на ПЕОМ, то для захисту роботи завідувачем кафедри призначається комісія у складі двох чоловік.
Студент, який своєчасно не захистив роботу не допускається до складання екзамену по курсу "Будова, теорія і основи розрахунку автотракторних двигунів".
Студент, який своєчасно виконав шостий розділ, на відмінно захистив розрахункову роботу, а також захистив на відмінно всі лабораторні роботи лабораторного практикуму, за рішенням засідання кафедри може бути звільненим від складання вказаного вище екзамену.
Співвідношення між деякими величинами систем СІ та МКГСС.
| Величина: | Розмірність | Співвідношення одиниць | |
| СІ | МКГСС | ||
| Маса | кг | кГ·с/м2 | 1 кГ·с/м2 = 9,81 кг |
| Теплота | Дж | кал | 1 кал = 4,187 Дж |
| Сила | Н | кГ | 1 кГ = 9,81 Н |
| Тиск | Па | кГ/см2 | 1 кГ/см2 = 98066,5 Па ≈ 0,1 МПа |
| Робота | Дж | кГ·м | 1 кГ·м = 9,81 Дж |
| Потужність | Вт | к.с. | 1 к.с. = 735,5 Вт |
| Питома витрата палива | г/(кВтгод) | г/(к.с.год) | 1 г/(к.с.год) = 1,36 г/(кВтгод) |
Список прийнятих скорочень та умовних позначень
| відпрацьовані гази | ВГ | |
| градуси повороту колінчастого валу | °ПКВ | |
| двигун внутрішнього згоряння | ДВЗ | |
| електронно-обчислювальна машина (комп’ютер) | ЕОМ | |
| коефіцієнт корисної дії | ККД | |
| колінчастий вал | КВ | |
| кривошипно-шатунний механізм | КШМ | |
| паливний насос високого тиску | ПНВТ | |
Буквами грецького алфавіту у методичних вказівках позначені:
(індекси біля букв опущені, у фігурних дужках вказано розділ, де застосовується позначення)
α – ([альфа]) – коефіцієнт надлишку повітря {1,2,3}
– кут повороту КВ {4}
β – ([бета]) – коефіцієнт молекулярної зміни {2}
– кут між стержнем шатуна і віссю циліндра {4}
γ – ([гамма]) – коефіцієнт залишкових газів {2}
δ – ([дельта]) – буксування рушія {1}
– ступінь остаточного розширення {2,3}
∆ – ([дельта]) – відхилення або розбіжності між даними {2,3}
ε – ([іпсилон]) – ступінь стиску {1,2,3,4}
ζ – ([дзета]) – коефіцієнт використання тепла {2}
λ – ([лямбда]) – коефіцієнт навантаження ведучих коліс {1}
– ступінь підвищення тиску {2,3}
– відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна {4}
μ – ([мю]) – молекулярна маса {2}
– позначення масштабів {3,4}
ν – ([ню]) – коефіцієнт округлення індикаторної діаграми {3}
ω – ([омега]) – частота обертання (с-1) {1,3,4}
π – ([пі]) – число пі (π = 3,1415926536)
ρ – ([ро]) – густина повітря на впуску {2}
– ступінь попереднього розширення {2}
∑ – ([сігма]) – знак суми у математичних формулах загального виду
τ – ([тау]) – коефіцієнт тактності {3}
– крок обчислення діаграм {4}
φ – ([фі]) – коефіцієнт зчіпної ваги {1}
η – ([ета]) – коефіцієнт корисної дії {1,2,3,4}
ψ – ([псі]) – коефіцієнт опору шляху {1}
Розділ 1
Визначення необхідної потужності двигуна для проектованої машини та вибір прототипу двигуна.
Теоретичне обгрунтування 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]:
Nе = Nтр + Nδ + Νf + Nвом + Nw + Nj+ Nі + Nкр (1.1)
де Nе – потужність, що знімається з колінчастого валу двигуна;
Nтр – втрати потужності в трансмісії;
Nδ – втрати потужності на буксування рушія;
Nf – втрати потужності на подолання опору кочення машини. У деяких випадках для гусеничних тракторів із складу Nf окремо виділяють втрати потужності на тертя в шарнірах гусеничного рушія Nг, що приблизно дорівнюють половині втрат Nf, визначених експериментально;
Nвом – потужність, що передається через вал чи коробку відбору потужності з урахуванням коефіцієнта корисної дії (ККД) передачі; на стадії проектування Nвом повинна обумовлюватися завданням;
Nw – потужність, що витрачається на подолання опору повітря;
Nj – потужність на подолання сил інерції, може змінювати знак в залежності від напрямку прискорення;
Nі – потужність на подолання підйомів (на схилі змінює знак);
Nкр – 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:
Nтр = Nе·(1 – ηтр), кВт (1.2)
де ηтр – ККД трансмісії.
Nδ = Ркр·(Vт − Vд) = Ркр·Vт ·δ, кВт (1.3)
де Ркр – тягове зусилля (на гаку чи буксирному пристрої), кН;
Vт та Vд – теоретична та дійсна швидкості руху, відповідно, м/с;
δ = (Vт – Vд)/Vт – коефіцієнт буксування рушія.
Nf = G·f∙Vд∙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.
Nw = Рw∙Vд = 
, кВт (1.5)
де Рw – сила опору повітря, кН;
k – коефіцієнт обтічності, Н·с2/м4 ;
F – площа лобової поверхні машини, м2.
Nj = m·j∙Vд, кВт (1.6)
де m = G/g – повна маса машини, т;
g = 9,81 м/с2 – прискорення вільного падіння;
j – прискорення машини, м/с2.
Nі = G∙sіnα∙Vд, кВт (1.7)
Nкр = Ркр∙Vд, кВт (1.8)
При попередніх розрахунках рівняння балансу потужності спрощують наступним чином.
Для тракторів Nвом враховують тільки при умові наявності в завданні, а Nw, Nj та Nі взагалі не обчислюють окремо. Ці складові враховують деяким коефіцієнтом можливого перевантаження трактора kп, після чого рівняння тягового балансу набуває вигляду:
Nе = kп∙(Nтр + Nδ + Nf + Nкр). (1.9)
Для вантажних автомобілів, за винятком спеціальних, як правило не враховують Nвом, Nj та Nδ. Потужність, що передається через буксирний пристрій причепу (або причепам) Nкр 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 Nкр = 0. Тоді:
Nе = Nтр + Nf + Nw + Ni . (1.10)
Враховуючи, що: Nf + Ni = G∙f∙Vд∙cosα + G∙sinα∙Vд маємо:
Nf + Ni = G∙Vд∙(f∙cosα + sinα) = G∙Vд∙ψ = Nψ, (1.11)
де ψ = f∙cosα + sinα – коефіцієнт опору дороги,
Nψ – затрати потужності на подолання опору дороги, включаючи підйоми.
Отже, для автомобіля можемо остаточно записати:
Nе = Nтр + Nψ + Nw (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
1.1. Знаходження маси проектованої машини
1.1.1. Маса трактора знаходиться з умов забезпечення заданого зусилля на гаку Ркр при допустимому буксуванні δ рушія. Згідно з стандартом допускається максимальне буксування [3]:
δ = 0,15...0,18 (15...18%) – для колісних тракторів та
δ = 0,03...0,05 (3...5%) – для гусеничних тракторів с. г. призначення.
Допустиме буксування реалізується при певному співвідношенні між навантаженням на ведуче колесо чи гусеничний рушій N і горизонтальною силою, що діє між рушієм і опорною поверхнею – дотичною силою Рк:
φкдоп = Рк/N, (1.13)
Величину φкдш називають допустимим коефіцієнтом використання зчіпної ваги, його значення залежить від виду опорної поверхні і знаходиться у межах: φкдоп = 0,3...0,9 для колісних тракторів і φкдоп = 0,4...1,1 – для гусеничних. У відповідності з означеними у завданні умовами руху слід приймати φкдоп = φ з таблиці 1 додатку 1.
Нормальне навантаження на рушій N залежить від ваги трактора і розташування його центра мас, визначається на стадії проектування орієнтовно через коефіцієнт навантаження ведучих коліс λк:
λк = k∙λкст, (1.14)
де λкст – статичний коефіцієнт навантаження ведучих коліс; для гусеничних та повноприводних колісних тракторів λкст = 1, для колісних тракторів з одним ведучим мостом – λкст = 0,65... 0,7;
k – коефіцієнт динамічності, враховує перерозподіл реакцій за рахунок дії сил інерції та сил з боку агрегатованої машини, приймають k = 1,1...1,2 для колісних тракторів формули 4x2 i k = 1 – для інших тракторів.
З урахуванням вище сказаного остаточна формула для визначення маси трактора набуває вигляду:
m = 
, кг, (1.15)
де Ркр – номінальне тягове зусилля згідно з завданням, Н;
kп – коефіцієнт можливого перевантаження трактора, призначають у межах 1,15...1,25 для колісних тракторів і 1,1...1,2 – для гусеничних.
Для визначення маси гусеничного трактора іноді застосовують формулу:
m = 
, кг. (1.16)
Формула 1.16 застосовується тоді, коли в балансі потужності окремо враховують втрати енергії в шарнірах гусеничного рушія Nг, які при експериментальному визначенні f входять і до складу Nf. При цьому вважають, що λк = 1 і Nг = 0,5Nf.
В курсовій роботі будемо застосовувати формулу 1.15.
1.1.2. Маса автомобіля на стадії проектування знаходиться методом подібності за формулою:
m = mв + mo + 75n, кг (1.17)
де mв – маса вантажу згідно з завданням, кг;
mо = mв/ηв – власна маса порожнього автомобіля, кг;
n – число місць у кабіні, включаючи водія (n = 1...4);
ηв – коефіцієнт вантажопідйомності, приймається по прототипу або з відомих статистичних даних у межах: ηв = 1,0...1,6 – для дорожніх автомобілів і ηв = 0,5...1,1 – для автомобілів підвищеної прохідності.
1.2. Коефіцієнт корисної дії трансмісії
ККД трансмісії ηтр знаходиться як добуток від множення ККД всіх передач, що приймають участь у передачі потужності від двигуна до рушія на заданому режимі. Розрахункова формула для обчислення ККД трансмісії:
ηтр = 
(1.18)
де ηхол – ККД холостого ходу трансмісії, приймають у межах 0,97...О,98;
ηц, ηк, ηг – ККД циліндричної, конічної та гепоїдної зубчастих передач, відповідно;
ηш – ККД шарнірів (наприклад, карданних передач);
zц, zк, zг, zш – кількість циліндричних, конічних, гепоїдних зубчастих передач та шарнірів, які беруть участь у передачі потужності.
Очевидно, що для врахування і обчислення ККД всіх передач необхідно мати повну кінематичну схему трансмісії проектованої машини. На стадії вибору потужності двигуна достатньо кінематичну схему прийняти по прототипу (своя схема буде спроектована далі). Кінематична схема трансмісії машини, обраної в якості прототипу, повинна бути акуратно викреслена з позначенням усіх елементів. На схемі слід стрілками позначити передачу крутного моменту від двигуна до рушія при роботі на основній розрахунковій передачі.
Значення ККД для різних передач і шарнірів приймають як середньостатистичні дані:
ηц = 0,985...0,990, ηк = 0,975...0,980,
ηг = 0,960...0,970, ηш = 0,990...0,995.
Слід зауважити, що при передачі потужності паралельними потоками (наприклад, для правого і лівого ведучих коліс одного моста, у планетарних передачах, для декількох ведучих мостів) потрібно розглядати один з них і у формулу 1.18 підставляти кількість передач цього одного потоку (права і ліва кінцеві передачі розглядаються як одна передача, три пари циліндричних шестерін планетарного редуктора, які працюють паралельно, – як одна пара, і т.д.). При розрахунку ККД повноприводної колісної машини враховують передачу потужності тільки до основного (як правило заднього) ведучого моста. Врахування паралельних потоків потужності являє собою досить складну, статично невизначену задачу, аналіз якої буде проведено в курсі теорії трактора та автомобіля.
1.3. Урахування опору повітря
Сила опору повітря Рw враховується при швидкостях руху, які перевищують 50 км/год і визначається за формулами 1.19-а чи 1.19-б, одержаними з формули (1.5):
Рw = 
, кН (1.19-а)
Рw = 
, Н (1.19-б)
Значення коефіцієнта обтічності k у формулах (1.19) для сучасних вантажних автомобілів знаходиться у межах 0,44...0,81 Нс2/м4 (легкові автомобілі мають k = 0,16...0,31, автобуси – 0,37...0,44).
Площу лобової поверхні машини F у м2 приймають по прототипу (табл. 2 додатку 1) а при відсутності даних прототипу або при проектуванні машини оригінальної форми площу лобової поверхні визначають за габаритними розмірами машини:
F = kлоб·В·Н, м2 (1.20)
де kлоб – коефіцієнт, який залежить від форми лобової поверхні, знаходиться у межах 0,8...0,85;
В і Н – відповідно колія і висота колісної машини в м.
У формулу 1.19-а швидкість V слід підставляти у м/с, а у формулу 1.19-б – у км/год.
1.4. Потужність двигуна.
Вирішуючи рівняння балансу потужності відносно Nе і підставляючи визначені і прийняті величини, одержуємо розрахункові формули для знаходження потужності двигуна проектованої машини.
1.4.1. Номінальну потужність тракторного двигуна Nе знаходимо за формулою:
, кВт, (1.21)
де Vн – номінальна швидкість руху (згідно з завданням), км/год;
ηтр1 – ККД трансмісії на основній (першій) робочій передачі;
ηе – коефіцієнт експлуатаційного завантаження двигуна.
За статистичними даними двигуни сільськогосподарських тракторів при виконанні більшості ґрунтообробних робіт, при догляді за посівами та при роботі у складі посівних чи збиральних агрегатів завантажені на 75...95% (ηе = 0,75... 0,95), при використанні трактора на транспортних роботах – на 50...70% (ηе = 0,50...0,70). З ростом енергонасиченості тракторів спостерігається зниження ηе, що негативно впливає на економічність машинно-тракторних агрегатів. Для розрахунків у курсовій роботі будемо приймати ηе = 0,85...0,9.
1.4.2. Потужність автомобільного двигуна знаходимо за формулою:
, кВт, (1.22)
де Рφ = m·g·(f·cosα + sinα) – сила опору дороги, Н;
Vмакс – швидкість руху автомобіля (згідно з завданням), км/год;
ηтр – ККД трансмісії на вищій, як правило, на прямій передачі.
Для перевірки правильності розрахунку потужності двигуна з використанням ЕОМ необхідно підготувати дані у вигляді таблиці:
Прийняті і розраховані дані по трактору
| №№ пп | Параметри: назва та позначення | Одиниця виміру | Значення |
| Номер завдання | – | ||
| Коефіцієнт опору кочення, f | – | ||
| Коефіцієнт можливого перевантаження трактора, kп | – | ||
| Коефіцієнт навантаження на рушій (для тракторів 4к2), λк | – | ||
| Допустимий коефіцієнт використання зчіпної ваги, φкдоп | – | ||
| ККД трансмісії, ηт | – | ||
| Коефіцієнт експлуатаційного завантаження двигуна, ηе | – | ||
| Потужність двигуна, Nе | кВт |
Прийняті і розраховані дані по автомобілю
| №№ пп | Параметри: назва та позначення | Одиниця виміру | Значення |
| Номер завдання | – | ||
| Коефіцієнт вантажопідйомності, ηв | – | ||
| Кількість місць у кабіні, включаючи водія, n | – | ||
| Площа лобової поверхні, F | м2 | ||
| Коефіцієнт обтічності, k | Нс2/м4 | ||
| ККД трансмісії, ηт | – | ||
| Коефіцієнт опору кочення, f | – | ||
| Потужність двигуна, Nе | кВт |
Перевірка правильності розрахунків полягає у введенні даних з клавіатури ЕОМ у вказаному порядку. При наявності помилок на екран ЕОМ виводяться дані:
для трактора – експлуатаційна маса m в кг, сила опору коченню Рf в Н та відхилення результату розрахунку Nен від правильного у %;
для автомобіля – сила опору дороги Рφ та сила опору повітря Рw в Н, повна маса автомобіля m в кг, вага автомобіля G в Н, а також відхилення результату розрахунку Nен від правильного у відсотках.
Ці дані можуть бути використані для полегшення знаходження помилок розрахунків. У разі відсутності помилок на екрані ЕОМ пропонується додаткове завдання (див. додаток 4), оперативне вирішення якого дозволяє підвищити оцінку, яку виставляє ЕОМ за виконану роботу.
За розрахованою потужністю Nе підбирають прототип двигуна, деякі параметри якого будуть використані в тепловому та динамічному розрахунках. У якості прототипу слід вибирати автомобільний чи тракторний двигун, однаковий по типу з проектованим і з потужністю, що відрізняється від розрахованої не більше, ніж на 20%.
За умови правильного обчислення потужності двигуна програма ЕОМ при перевірці запропонує список двигунів, що можуть бути вибраними в якості прототипу. Коли ж похибка розрахунку потужності Nен буде значною, то потрібно відшукати помилку у розрахунках і вибирати прототип, орієнтуючись на таблицю 5 додатку 1 або на інші джерела інформації.
Після вибору прототипу складають список вихідних даних для подальшого розрахунку двигуна:
| 1. Тип двигуна (дизель, карбюраторний, газовий і т.д.) | згідно з прототипом |
| 2. Тактність (двотактний чи чотиритактний) | згідно з прототипом |
| 3. Число та розташування циліндрів: і = | згідно з прототипом |
| 4. Ступінь стиску ε = | згідно з прототипом |
| 5. Номінальна частота обертання колінчастого валу nн = | згідно з прототипом |
| 6. Прийнята номінальна потужність Nе, кВт | округлена розрахункова |
| 7. Коефіцієнт надлишку повітря α = | табл. 3 додатку 1, в залежності від типу двигуна та способу сумішоутворення |
| 8. Вид палива і його елементний склад (С = , Н = , О = ) | табл. 4 додатку 1 |
| 9. Нижча теплота згоряння палива Qн. = | табл. 4 додатку 1 |
| 10. Температура Т0 і тиск Ро навколишнього повітря | звичайно: Т0 = 288˚К і Р0 = 0,1 МПа |
Після визначення вихідних даних можна приступати до виконання другого розділу курсової роботи – теплового розрахунку двигуна. Вихідні дані слід акуратно виписати на початку теплового розрахунку.
Розділ 2