1. CALCULUL TERMIC AL MOTORULUI 1.0 Date de proiectare Motor cu aprindere prin compresie (MAC). Puterea nominala : Pn= 96 [KW] Turatia la puterea nominala : n= 4000 [rot/min] Numarul de cilindrii : i= 4 Numarul de timpi ai motorului : 4 1.1 Parametrii initiali Temperatura initiala : T0= 293 [K] Presiunea initiala : p0= 102000 [N/m2] 1.02 Temperatura gazelor reziduale : Pt. MAS Tr= 900…1100 [K] Pt. MAC Tr= 700…900 [K] Tr= 720 [K] Presiunea gazelor reziduale : pr= [N/m²] pr= 120000 [N/m²] 1.2 Coeficientul de exces de aer : 0,9…1,2 1,3…2,2 l= 1.60 Raportul de comprimare : e= 19.00 1.2 Parametrii procesului de schimbare a gazelor Presiunea de admisie : Pt. MAS pa= (0,7…0,9)x10⁵ [N/m²] Pt. MAC pa= (0,85…0,93)x10⁵ [N/m²] Pt. MAS sau MAC supraalimentate : t= *10⁵[N/m²] 1,05…1,25x10⁵ *10⁵[N/m²] Pt. MAS l= Pt. MAC l=
motor cu aprindere interna prin comprimare . putere 96 kw la 4000rpm , 4 cilindri in linie .
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1. CALCULUL TERMIC AL MOTORULUI
1.0 Date de proiectare
Motor cu aprindere prin compresie (MAC).
Puterea nominala :Pn= 96 [KW]
Turatia la puterea nominala :n= 4000 [rot/min]
Numarul de cilindrii :i= 4
Numarul de timpi ai motorului :4
1.1 Parametrii initiali
Temperatura initiala :T0= 293 [K]
Presiunea initiala :p0= 102000 [N/m2] 1.02
Temperatura gazelor reziduale :Pt. MAS Tr= 900…1100 [K]Pt. MAC Tr= 700…900 [K]
2 CALCULUL CINEMATIC SI DINAMIC AL MECANISMULUI BIELA-MANIVELA
2.1 Cinematica mecanismului bielă-manivelă
Analizele cinematice şi calculul dinamic al mecanicsmului bielă-manivelă sunt necesare pentru determinarea forţelor care acţionează asupra pieselor motorului. Cercetările de detaliu alecinematicii mecanismului bielă-manivelă din cauza regimului variabil de funcţionare, sunt foarte complexe. La determinarea sarcinilor pe piesele motorului se folosesc însă formule simplificateobţinute în ipoteza unei viteze unghiulare constante a arborelui cotit şi la regim atabilizat, care dauo precizie suficientă şi uşurează esenţial calculul. La o viteză unghiulară constantă de rotaţie a arborelui cotit, unghiul de rotaţie este proporţionalcu timpul şi prin urmare toate mărimile cinematice pot fi exprimate în funcţie de unghiul α de rotaţie a arborelui cotit. În calcule se consideră că poziţia iniţială pentru măsurarea unghiului α este poziţia corespunzătoare pentru care pistonul este la distanţa maximă de la axa arborelui cotit.
α - Unghiul de rotaţie al manivelei la un moment dat,care sa măsoara de la axa cilindrului in sensulde rotaţie al arborelui cotit;
Unghiul de înclinare al axei bielei, în planul ei de oscilaţie, de o parte a axei cilindrului;βmax= 16°
Turatia nominala a motoruluin= 4000 [rot/min]
Viteza unghiulară de rotaţie a arborelui cotit;
[rad/s]
418.87902
Cusa pistonului sau distanţa între p.m.s şi p.m.iS= 72.9 [mm]
ω=
?
30
n=p
Raza manivelei sau distanţa între axa arborelui cotit şi axa fusului manetonR= S/2R= 36.5 [mm]
Raportul dintre raza manivelei şi lungimea bieleiλ=R/L1/3,5…1/4,2
Alegem : λ=1/3,60.2777778
Lungimea bielei;
131.254094528 [mm]
2.2 Expresia deplasării pistonului
Armonica de ordinul I
Armonica de ordinul II
2.3 Expresia vitezei pistonului
Armonica de ordinul I
Armonica de ordinul II
2.4 Expresia acceleraţiei pistonului
Armonica de ordinul I
Armonica de ordinul II
2.5 Alegerea ordinii de lucru
Pentru realizarea unei succesiuni optime de functionare a motorlui si o echilibrare naturala cat mai completaa fortelor de inertie si momentelor acestora , trebue stabilita o anumita pozitie relativa a manivelelor arborelui cotit .
λ=
λ=
==lR
L
)]2cos(1(4
)cos(1[( ala =RX p
)]2sin(2
)[(sin( ala =RV p
)2cos()cos(2 ala =rap
))cos(1( a=RX pI
))2cos(1(4
al= RX pII
)sin(a=RVpI
)2sin(2
al = RV pII
a cos2 =rap
a 2cos2 =rap
Succesiunea optima de functionare a cilindrilor se stabileste din conditia distrbutiei uniforme a exploziilor succesive dintre doi cilindri vecini , pentru a nu rezulta sarcini medii prea mari pe fusurile palier dintre acestia . Trebuie sa se aibe in vedere si circulatia incarcaturii proaspete in conducta de admisie , adica asigurarea unui numar minim de schimbari de directie a curentului in conducta de admisie si evitarea interceptarii incarcaturii destinateunui cilindru de catre un cilindru vecin cu canal de admisie mai scurt .Aceasta iterceptare provoaca o crestere a neuniformitati umplerii cilindrilor . Pentru o echilibrare naturala cat mai completa a fortelor de inertie si a momentelor acestor forte trebuie cautate acele pozitii relative ale ale manivelelor arborelui cotit pentru care fortele centrifuge si fortele de inertie de ordinul unu si doi se anuleaza reciproc . Tinand seama de cele prezentate mai sus , pentu un motor cu numar cunoscut de cilindri si timpi , se stabileste o anumita forma a arborelui cotit si o ordine de lucru optima a cilindrilor motorului . Schema de asezare a manivelelor si ordinea de lucru pentru motoarele cu cilindrii in linie
Calcul funcţie de unghiul arborelui cotit (α [ RAC] : ⁰ - Deplasare pistonului = Xp [mm] - Viteza pistonului = Vp [m/s] - Acceleraţia pistonului = Ap [m/s²]
Pentru realizarea unei succesiuni optime de functionare a motorlui si o echilibrare naturala cat mai completaa fortelor de inertie si momentelor acestora , trebue stabilita o anumita pozitie relativa a manivelelor arborelui cotit .
succesive dintre doi cilindri vecini , pentru a nu rezulta sarcini medii prea mari pe fusurile palier dintre acestia . Trebuie sa se aibe in vedere si circulatia incarcaturii proaspete in conducta de admisie , adica asigurarea unui numar minim de schimbari de directie a curentului in conducta de admisie si evitarea interceptarii incarcaturii destinateunui cilindru de catre un cilindru vecin cu canal de admisie mai scurt .Aceasta iterceptare provoaca o crestere
Pentru o echilibrare naturala cat mai completa a fortelor de inertie si a momentelor acestor forte trebuie cautate
Tinand seama de cele prezentate mai sus , pentu un motor cu numar cunoscut de cilindri si timpi , se stabileste
Prin calculul dinamic al mecanismului bielă – manivelă se urmăreşte determinarea mărimii si caracterului variaţiei sarcinilor care acţionează asupra pieselor motorului . Cercetarile în detaliu sunt foarte complexe din cauza regimului variabil de funcţionare . De aceea se folosesc relaţiisimplificate obţinute in ipoteza unei viteze unghiulare constante a arborelui cotit şi la regim stabilizat.
Forţele care acţioneaza in mecanismul bielă - manivelă
Asupra mecanismului bielă - manivelă , acţioneaza forţele date de presiunea gazelor din cilindru şiforţele de inerţie ale maselor mecanismului aflate in mişcare . Forţele de frecare vor fi considerate neglijabile . Forţele de inertie sunt constituite din fortele de inertie ale maselor aflate in miscare alternativa de translatiesi fortele de inertie ale maselor aflate in miscare de rotatie . Pentru calculul organelor mecanismului biela – manivela , al sarcinilor din lagare , pentru cercetarea oscilatilor de torsiune , etc , trebue determinate valorile maxime , minime si medii ale acestor forte . De aceea marimile fortelor se vor determina pentru o serie de poziti succesive ale mecanismului , functie de unghiul de rotatie al arborelui cotit. Pentru determinarea fortelor din elementele mecanismului biela – manivela este recomandabil sa se inceapa cu determinarea fortelor care actioneaza dupa axa cilindrului , cercetand separat fortele de presiune a gazelor si fortele de inertie .
3.1 Forta de presiune a gazelor
[N]
[N]
0.00652515177
D= 0.091149 [m]
Ap - Aria suprafeţei capului pistonului;
pind - Presiunea gazelor în cilindru după diagrama indicată;
pcart =p0 -Presiunea din carter Presiunea mediului ambiant;
[m2]
.cartindg
pgg
ppp
ApF
=
=
=
=4
2DA p
p
Forta de presiune a gazelor este indreptata dupa axa cilindrului si poate fi considerata in axa boltului de piston . Aceasta forta este considerata pozitiva cand este orientata spre axa arborelui cotit si negativa cand este
3.2 Fortele de inertie
Fortele de inertie sunt produse de masele aflate in miscare accelerata si anume :piston asamblat (piston , bolt , segmenti , sigurantele boltului ) , biela si arbore cotit. Fortele de inertie sunt indreptate in sens opuus acceleratiei si sunt date de formula generala :
m – masa elementelor in miscare , in [Kg]
In functie de felul miscarii elementelor mecanismului motor distingem urmatoarele tipuri de forte de inertie :
3.3 Fortele de inertie ale maselor in miscare de translatie
Aceste forte sunt produse de masele pistonului asmblat (piston , segmenti , bolt si sigurantele acestuia ) si o parte din masa bielei si sunt considerate concentrate in axa boltului . Determinarea fortelor de inertie ale maselor aflate in miscare de translatie se face cu relatia :
Masele aflate in miscare de translatie se determina cu relatia urmatoare :
Fortele de inertie Fj se pot exprima , tinand seama de expresia acceleratiei pistonului pentru mecanismul biele – manivela axat .
Fortele de inertie ale maselor in miscare de rotatie
Aceste forte sunt produse de o parte din masa bielei si masa neechilibrata a unui cot al arborelui cotit (masa manetonului si masele reduse ale celor doua brate ).
Fortele de inertie ale maselor in miscare de rotatie se determina cu relatiile : forta centrifuga
forta tangentiala
orintata invers.Calculul valorilor fortei de presiune a gazelor se face tabelar.Se construeste curba Fg=f(α)
a - acceleratia maselor , in [m/s²]
a) Forte de inertie produse de masele elementelor aflate in miscare de translatie ( F j )
b) Forte de inertie produse e masele neechilibrate ale elementelor aflate in miscare de rotatie ( Fr )
mj - masele piselor în mişcare de translaţie
ap - acceleraţia pistonului
mp - masa pistonului asamblat, in [Kg]
m1b - masa bielei concentrata in axa boltului si care se considera ca executa miscare de translatie , in [Kg]
Calculul valorilor fortelor Fj se face tabelar si se construeste curba
mr -masa se miscare de rotatie ,
][NamF =
][NamF pjj =
][1 Kgmmm bpj =
][2coscos2 NRmF jj ala =
afF j =
][2 NRmF rr =
][Ndt
dRmF rt
=
R - raza manivelei, în [m]
In cazul vitezei unghiulare constante , , deci fortele tangentiale sunt nule. In consecinta , fortele de inertie ale maselor in miscare de rotatie sunt fortele centrifuge ce actioneaza pe directia razei manivelei si raman constante ca marime.
3.4 Masele pieselor in miscare ale mecanismului biela – manivela
Pentru simplificarea calculelor , masele pieselor in miscare pot fi inlocuite cu mase reduse concentrate in articulatiile mecanismului biela - manivela . Masa bielei este considerata ca fiind concentrata in cele doua axe in care este articulata ,
rotitoare ale mecanismului . Pentru majoritatea motoarelor de autovehicule , repartizarea masei bielei pe cele doua componente este :
sau cu suficienta aproximatie :
In aceste conditii , masa elementelor aflate in miscare de translatie alternativa se poate determina cu relatia :
Masa bratelor manivelei avand centrul de masa la raza r fata de axa arborelui cotit , se poate reduce la raza R a manivelei pornind de la egalitatea :
de unde se obtine :
ρ - reprezintă distanţa de la axa arborelui cotit la centrul de greutate al bratului
Masele constructive ale pistonului şi bielei
Tipul motorului Masa pistonului din aliaje Masa bieleide Al, ( kg/m² ; g/cm²)
Calculul fortelor N si B se face tabelar si se reprezinta grafic curbele N=f(α) si B= f(α) In axa fusului maneton , forta B se descompune in doua componente , una radiala (Z) si una tangentiala, (T) expresile lor fiind urmatoarele:
aa
cos
sin)sin(
== FBT
aa
cos
coscos
== FBZ
Pe baza calculului tabelar al valori fortelor T si Z se traseaza curbele T=f(α) si Z=f(α)Forta tangentiala T este singura forta care produce momentul motor . Expresia momentului motor este:
Raza manivelei R , in [m], fiind constanta , curba de variatie a momentului motor functie de unghiul de rotatie al manivelei este identica cu cea a fortei tangentiale T , evident la o scara adecvata .
4 Momentul total al motorului policilindric
Momentul total al motorului se obtine prin insumarea momentelor obtinute pentru fiecare cilindru al motorului tinand cont de ordinae de functionare a acestora si de configuratia arborelui cotit . De asemanea , se poate obtine suma momentelor ce actioneaza asupra fiecarei fus palier al arborelui
si valoarea momentului mediu .Cu valoarea momentului mediu se calculeaza putera dezvoltata de motor
corespunzatoare p.m.s a primului cilindru , aflat la admisie .
5 Momentul total al motoarelor cu cilindri in linie
Calculul momentului total se exemplificea pe un motor cu patru cilindri in linie , in 4 timpi. Unghiul de decalaj intre doua aprinderi succesive este dat de relatia :
si caracterului variaţiei sarcinilor care acţionează asupra pieselor motorului . Cercetarile în detaliu sunt
Asupra mecanismului bielă - manivelă , acţioneaza forţele date de presiunea gazelor din cilindru şiforţele de inerţie ale maselor mecanismului aflate in mişcare . Forţele de frecare vor fi considerate neglijabile . Forţele de inertie sunt constituite din fortele de inertie ale maselor aflate in miscare alternativa de translatie
Pentru calculul organelor mecanismului biela – manivela , al sarcinilor din lagare , pentru cercetarea oscilatilor de torsiune , etc , trebue determinate valorile maxime , minime si medii ale acestor forte . De aceea marimile
Pentru determinarea fortelor din elementele mecanismului biela – manivela este recomandabil sa se inceapa cu determinarea fortelor care actioneaza dupa axa cilindrului , cercetand separat fortele de presiune a gazelor si
Forta de presiune a gazelor este indreptata dupa axa cilindrului si poate fi considerata in axa boltului de piston . Aceasta forta este considerata pozitiva cand este orientata spre axa arborelui cotit si negativa cand este
Fortele de inertie sunt produse de masele aflate in miscare accelerata si anume :piston asamblat (piston , bolt , segmenti , sigurantele boltului ) , biela si arbore cotit. Fortele de inertie sunt indreptate in sens opuus acceleratiei si
In functie de felul miscarii elementelor mecanismului motor distingem urmatoarele tipuri de forte de inertie :
Aceste forte sunt produse de masele pistonului asmblat (piston , segmenti , bolt si sigurantele acestuia )
Fortele de inertie Fj se pot exprima , tinand seama de expresia acceleratiei pistonului pentru mecanismul biele – manivela axat .
Aceste forte sunt produse de o parte din masa bielei si masa neechilibrata a unui cot al arborelui cotit
orintata invers.Calculul valorilor fortei de presiune a gazelor se face tabelar.Se construeste curba Fg=f(α)
b) Forte de inertie produse e masele neechilibrate ale elementelor aflate in miscare de rotatie ( Fr )
- masa bielei concentrata in axa boltului si care se considera ca executa miscare de translatie , in [Kg]
In cazul vitezei unghiulare constante , , deci fortele tangentiale sunt nule. In consecinta ,
Pentru majoritatea motoarelor de autovehicule , repartizarea masei bielei pe cele doua componente este :
In aceste conditii , masa elementelor aflate in miscare de translatie alternativa se poate determina cu
In axa fusului maneton , forta B se descompune in doua componente , una radiala (Z) si una tangentiala,
Forta tangentiala T este singura forta care produce momentul motor . Expresia momentului motor este:
Raza manivelei R , in [m], fiind constanta , curba de variatie a momentului motor functie de unghiul de
Momentul total al motorului se obtine prin insumarea momentelor obtinute pentru fiecare cilindru al
De asemanea , se poate obtine suma momentelor ce actioneaza asupra fiecarei fus palier al arborelui
si valoarea momentului mediu .Cu valoarea momentului mediu se calculeaza putera dezvoltata de motor α=0) se considera pozitia