Universitatea Politehnica Bucureti

Construcia i Calculul Motoarelor cu Ardere Intern proiect

MUNTEANU GABRIELGrupa 8304Anul 2010-2011

Tem proiect (numr 5): tip: MAS putere Pe: 67 KW turaie n: 4750 rotaii pe minut numr de cilindrii i: 4 dispui n V (boxer) raport de comprimare : 8.8 presiune de alimentare p0: 0.1 MPa coeficient de exces de aer : 0.9 procedeu de ardere: - utilizare: autoturism

Cuprins:Capitolul 1. Modele similare....................................................................................................5Capitolul 2. Calculul termic al motorului................................................................................62.1 Metoda de calcul..............................................................................................62.2 Evaluarea rapiditii motorului........................................................................72.3 Calculul proceselor..........................................................................................72.3.1 Schimbarea gazelor.................................................................72.3.2 Comprimarea...........................................................................72.3.3 Calculul arderii........................................................................72.3.4 Calculul destinderii..................................................................72.4 Trasarea diagramei ciclului. Calculul mrimilor caracteristice ale acesteia..72.4.1 Presiunea medie indicat.........................................................72.4.2 Presiunea medie efectiv.........................................................72.5 Calculul dimensiunilor fundamentale ale motorului....................................82.6 Indicii tehnico-economici i de performan ai motorului...........................82.6.1 Parametrii indicai..................................................................82.6.2 Parametrii efectivi..................................................................8Capitolul 3. Calculul dinamic............................................................................................103.1 Alegerea tipului de mecanism biel manivel..........................................103.2 Calculul dimensiunilor principale ale mecanismului motor....................103.3 Stabilirea maselor pieselor n micare ale mecanismului motor..............103.4 Calculul forelor i momentului care acioneaz asupra echipajului mobil al unui cilindru..........................................................................103.5 Calculul momentului motor rezultant......................................................17Capitolul 4. Calculul i construcia segmenilor de compresie.....224.1 Numrul segmenilor....224.2 Calculul segmentului de compresie..224.2.1 Stabilirea dimensiunilor seciunii224.2.2 Rostul de dilatare.234.2.3 Jocurile segmentului n canal...23 Capitolul 5. Calculul i construcia bolului......255.1 Verificarea presiunii n piciorul bielei pb i n umerii pistonului pa......255.2 Verificarea de rezisten....25Capitolul 6. Calculul i construcia pistonului...286.1 Stabilirea dimensiunilor...286.2 Calculul pistonului...29Capitolul 7. Calculul i construcia bielei..327.1 Alegerea materialului...327.2 Calculul piciorului bielei..327.2.1 Predimensionare..327.2.2 Verificarea de rezisten..337.2.3 Verificarea deformaiei...347.3 Calculul capului bielei347.3.1 Predimensionarea capului bielei.....357.3.2 Verificarea de rezisten capului bi367.3.3 Verificarea deformaiei capului biele..377.4 Calculul corpului bielei...377.4.1 Dimensiunile corpului bielei37Capitolul 8. Calculul si constructia arborelui cotit..408.1 Proiectarea contragreutilor...408.2 Proiectarea contragreutilor n form de segment de cerc.428.3 Calculul de verificare al arborelui cotit...438.3.1 Stabilirea elementelor de calcul....438.3.1.1 Momentele de rsucire care solicit fusurile .438.3.1.2 Reaciunile de pe fusurile palier... .438.3.2 Verificarea sumar la nclzire i presiune maxim a fusurilorarborelui cotit.448.3.3 Verificarea de rezisten a arborelui cotit..448.3.3.1 Fusurile palier.448.3.3.2 Fusurile maneton458.3.3.3 Braele47Bibliografie.49

12

Capitolul 1. Stabilirea soluiei funcional-constructive. Alegerea de modele similare de motoare

nrPe [kW]n [min-1]D [mm]S [mm]iECilindree [cm3]PL [kW/dm3]PS [kW/dm2]Pcil [kW/cil]Wmp [m/s]

14421001081201,1111319:1329713,3418,6714,678,4

25120001081251,1574320,5:1343514,8418,55178,33

339220087102,41,1724324:1182621,3521,86137,51

44222001051201,1428322:1311713,4716,16148,8

53923001051171,1142318,8:1303912,8315,01138,97

6402100951201,2631321:1255115,6818,8113,338,4

75121001001271,27318,5:1299217,0421,64178,89

85022001051251,1904319,5:1324715,3919,2416,679,17

99223001081251,1574622:1687013,3916,7315,339,58

106220001051251,1904420:1432914,3217,9015,58,33

Capitolul 2. Calculul termic al motorului2.1 Metoda de calcul

Se utilizeaz metoda ciclului teoretic corectat.Ipotezele simplificatoare ce caracterizeaz ciclul teoretic: evacuarea forat (b-g) i admisia (s-a) sunt izobare; comprimarea (a-c) i destinderea (z-b) sunt politrope de exponent constant; arderea (c-z) este izocor n PMI de la sfritul cursei de compresie; evacuarea liber (b-b) este izocor n PME de la sfritul cursei de destindere; supapele se deschid i nchid n punctele moarte ale mecanismului motor; declanarea scnteii electrice n PMI de la sfritul cursei de comprimare (se neglijeaz avansul).

2.2 Evaluarea rapiditii motorului

Presiunea p0=0,1 MPa;Presiunea pa=0,13 MPa;Presiunea pev0,16 MPa;Din intervalul (0.8...1.5) aleg =1,2, rezult alezajul pistonului D=101 mm i cursa pistonului S=122 mm.Viteza medie a pistonului este WPM=S*n/30=7,72 m/s, deci motorul este unul semirapid.

2.3 Calculul proceselor2.3.1 Schimbarea gazelor Evacuarea:Din intervalul Tg=(600...1000)K aleg Tg=800K.

2.3.2 Comprimareapc=pa(Va/Vc)mc=pamcDin intervalul mc=(1.28...1.37) aleg mc=1.32.S-au calculat pc=7,69 MPa i Tc=887 K .

2.3.4 Calculul destinderiiSe alege din intervalul (1...1.35) md=1,1

rezult c pd=0,49 MPa ce aparine intervalului (0.3...0.6)MPa.

rezult c Td=1234 K ce aparine intervalului (1200...1700)K.

2.4 Trasarea diagramei ciclului. Calculul mrimilor caracteristice ale acesteia

2.4.1 Presiunea medie indicatpi=d*pi-p(pg-pa).=1,3; p=(0.75...1.0); d=(0.92...0.96)Din calcule rezult pi=1,19 MPa; picor=1,25 MPa ce aparine intervalului (0.75...1.55)MPa.

2.4.2 Presiunea medie efectivpe=m*piDin calcule rezult pe=0,98 MPa.2.5 Calculul dimensiunilor fundamentale ale motorului

cilindree total: Vt=2,9 l cilindree unitar: VS=0,97 l diametrul cilindrului (alezajul): D=101 mm =1,2 cursa pistonului: S=122 mm viteza media a pistonului: WPM=7,73 m/s

2.6 Indicii tehnico-economici i de performan ai motorului

2.6.1 Parametrii indicai randamentul indicat: =42% ce aparine intervalului (0.28...0.34) consum specific indicat: =200 g/KWh

2.6.2 Parametrii efectivi randamentul efectiv: =36% ce aparine intervalului (40%...45%) consumul specific de combustibil: =240 g/KWh ce aparine intervalului (200...260) g/KWh consumul orar de combustibil: =10,78 kg/h puterea litric: =15,51 KW/l se alege PL=15,5 KW/l ce aparine intervalului (15...20)KW/l puterea specific: =18,72 Kw/l puterea pe cilindru: =15 KW/cilindru

Capitolul 3. Calculul dinamic3.1 Alegerea tipului de mecanism biel manivelMecanismul biel-manivel cu piston portant, de tip normal, soluie prezent la dispunerea cilindrilor n linie sau n V normal cu biele alturate.Se alege mecanismul de tip axat care este cel mai simplu i la care seria Fourier a forelor de inerie a maselor cu micare de translaie aferente echipajului mobil al unui cilindru nu conine armonicile de ordin impar.

3.2 Calculul dimensiunilor principale ale mecanismului motor

Mecanismele cu biele lungi (1/4) conduc la o reducere a valorii maxime a forei normale N, care aplic pistonul portant pe cilindru, motiv pentru care se utilizeaz n general la MAC.

Unde: R=S/2 [mm] raza manivelei; L [mm] lungimea bielei.

Pentru MAC (1/4...1/5); Se alege =1/4=0,25 L=244 [mm].

3.3 Stabilirea maselor pieselor n micare ale mecanismului motorSe realizeaz prin dimensionarea acestora, calcul aproximativ al volumelor i alegerea materialelor pentru cunoaterea densitii. Valorile obinute se compar cu datele statistice.Pornind de la expresia densitii aparente a pistonului:

Unde: D [mm] alezajul cilindrului mp [kg] masa piston;i prin alegerea valorii densitii n funcie de tipul motorului, se poate exprima masa pistonului:

Pentru MAC cu camer separat de preardere: p=(0,91,2) [kg/dm3]. Se alege: p=1[kg/dm3] mp=1,03 [kg];Se poate aproxima masa grupului piston conform relaiei:

Rezult mgp=1,4*mp=1,442 [kg].Cunoscnd masa raportat a bilei se poate determina masa bilei, mb. Pentru MAC semirapid cu putere mic ( b. Este necesar asigurarea strngerii la rece; temperatura Tpm la care este nclzit pistonul pentru efectuarea montajului trebuie s asigure o cretere a diametrului orificiilor din umeri cel puin egal cu strngerea n modul, adic:

Deci: Tpm=380 K > 368 KDac montajul se face rcind bolul (cu CO2 lichid), temperatura acestuia trebuie s fie

Tbm T0-=231K

Capitolul 6. Calculul i construcia pistonului6.1 Stabilirea dimensiunilor:

D=101 [mm];

L/D=1,2(0.8...1.5) L=121 [mm];

Hc/D=0,7(0,55...0,85) Hc=71 [mm];

Lm/D=0,8(0,5...1) Lm=81 [mm];

/D=0,15(0,14...0,17) =15 [mm];

H1/D=0,15(0,10...0,18) H1=15 [mm];

H2/D=0,05(0,045...0,055) H2=5 [mm];

H=3(3...5) [mm] grosime canal de segment;

A=4,5(3...5) [mm] lime canal de segment;

s/D=0,008(0,005...0,008) s=0,808 [mm] joc la cald;g2=10 [mm] grosime perete piston;

g1=3(2...3) [mm] - grosime manta;dgu=1 [mm] - diametru gaur ungere;n=4 - numr de guri de ungeredu/d=1,6(1,3...1,6) du=62 [mm] diametru umeri;Aev=10 [mm2] - arie evazare;Tcil=157 C temperatur cma;T0=25 C temperatur de montaj la rece;Tpiston=217 C temperatur medie piston;Tcentru=297 C temperatur piston centru;Tmargine=237 C temperatur piston margine;

6.2 Calculul pistonuluiCalculul capului pistonului: diametrul capului pistonului

= 106,66 mm

verificarea la rezistense face static la solicitri termo-mecanice, considernd capul o plac de grosime constant i diametrul exterior Di, ncastrat pe contur n regiunea port-segmeni.

=90,38 mm

solicitri mecanice: capul pistonului se consider ncastrat, cu o sarcin uniform distribuit egal cu presiunea maxim a gazelor

la margine, pe direcie radial:

=59,71 MPa < 80 MPa

la margine, pe direcie tangenial:

=19,70 MPa < 170 MPa

n centru:

=39,71 MPa < 80 MPa

solicitri termice:

=-27,04 MPa < 170 MPa

=23,36 MPa < 170 MPa

=-52,24 MPa < 170 MPa

Calculul regiunii port-segmeni: se verific static la comprimare sub aciunea forei maxime de presiune a gazelor

=84842 N

i la ntindere sub aciunea forei maxime de inerie a prii din piston de mas mp* corespunztoare capului, regiunii port-segmeni, segmeni situat deasupra seciunii de calcul

=7190 N

seciunea periculoas, de calcul, este cea slbit de canalizaia de evacuare a uleiului raclat de segmentul de ungere

= 1438,61 mm2

=92 mm

=90,38 mm

=59 MPa < 120 MP

=5 MPa < 170 MPa

Calculul mantalei: diametrul mantalei

=100,91

Capitolul 7. Calculul i construcia bielei7.1 Alegerea materialului

Se alege materialul 33MoCr11 cu:r=1000...1200 MPa;c=800 MPa;A=12%;E=21*104 MPa;Eb=11.5*104 MPa.7.2 Calculul piciorului bielei7.2.1 Predimensionarediametrul exterior: dep=(1.25...1.65)d=1,5*38=58 mm, unded-diametrul exterior al bolului.

diametrul interior al piciorului bielei: dpi=d+2hb=46 mm, undegrosimea bucei hb=(0.075...0.085)d=0.08*25=2 mm

grosimea minim a peretelui hmin==(58-46)/2=6 mm

raza de racordare: =(60...100) mm=80 mm

unghiul de ncastrare: cos ==0.93 => =20

poziia seciunii minime a corpului: xp==26.84 mmgrosimea radial a piciorului: hp=(0.6...0.8)dpe=44 mmlimea corpului bielei n partea piciorului: Lp=(0.48...0.6)dpe=0.5*58=29 mm

7.2.2 Verificarea de rezisten efortul unitar maxim produs de fora care ntinde biela:

[N];

[Nm];

[N];Fi e considerat uniform distribuit pe jumtatea superioar a piciorului

[MPa], unde

N=N0 cos +Fi/2(sin -cos ) fora normalM=M0+rm(N0-N) momentul ncovoietorrm=(dpe+dpi)/2=54,5 mm raza fibrei medii

h=(re+)(cos -ri)- [mm] - grosimea piciorului n zona de racordare cu corpulre=0.5dpe=0.5*58=29 mmri=0.5dpi=0.5*51=25,5 mmK=fraciunea de for normal Np preluat de piston

efortul unitar maxim produs de fora care comprim biela:

Fc= [N]

[MPa], unde

coeficientul de siguran la oboseal:

=123,51 MPa; =285,30 MPa;

=161,78 MPa; =-38,27 MPa;

7.2.3 Verificarea deformaiei

sgeata maxim =37.99 miimi 0.5bolt

7.3 Calculul capului bielei

fora care revine unui urub este FS=Fic/z (z numr de uruburi, z=2) dac planul de separare a capului este normal la axa bielei

FS=Fic/z*sin =420.58 NFic=[mt(1+)+mA-mC]Rmax2 [N], undemt masa pieselor n micare de translaiemA masa prii din biel n rotaiemC masa capului bieleiR=S/2; =L/R; max=nmax/30

fora de prestrngere iniial: F0=(2...3)FS [N]fora suplimentar n exploatare: FS=(0.15...0.25)FS [N]fora maxim n exploatare: F=F0+FS

predimensionarea urubului:

diametrul fundului filetului =5.8 mm; aleg M6 verificarea la oboseal:

MPa; MPa;

=24,62 MPa; =22,62 MPa;

=1,088; ;

=312,55pentru poriunea nefiletat:

MPa; MPa;

=19,88 MPa; =9,62 MPa;

=16,36

7.3.1 Predimensionarea capului bieleidiametrul manetonului: dm=(0.55...0.65)D=0.65*95=62 mmlungimea manetonului: Lm=51 mm

presiunea maxim:

, undeLm=Lm*0.5-m=39.03 mm

presiunea medie:

coeficientul de uzur:

=82(75...95)

diametrul interior al capului: dc=dm+2hcu=74 mmgrosimea cuzinetului: hcu=(0.06...0.10)dm=6 mmgrosimea capului: hc=(dce-dc)/2=10,5 mmdiametrul exterior al capului: dce=2D/1.705=95,92 mm

7.3.2 Verificarea de rezisten capului bieleise face la ntindere sub aciunea forei Fic, sinusoidal distribuit pe jumtatea inferioar a capului.

MPa

Nmm

Ndistana dintre axele uruburilor: Lc=(dce+dc)/2=81,92 mm

;

modul de rezisten: aria seciunii: Ac=bchc=267,75 mm2lime cap biel: bc=0.5*Lm=25,5 mm

7.3.3 Verificarea deformaiei capului bielei

sgeata maxim, n plan normal la axa bielei este:

mm, unde

momentul de inerie al seciunii capului: mm4;

momentul de inerie al seciunii cuzinetului: mm4;cu=(0.0003...0.003)dm=0.12 mm

7.4 Calculul corpului bielei7.4.1 Dimensiunile corpului bielei

pentru picior:B=0.75H=26,5 mma=0.167H=6 mmh=0.666H=23 mme=0.583H=20,5 mm pentru cap:

B=0.75H=52,5 mma=0.167H=12 mmh=0.666H=46 mme=0.583H=40,5 mm

mediu:

B=0.75H=37.5 mma=0.167H=11 mmh=0.666H=34,5 mme=0.583H=30,5 mm

lime corp picior: Hpicior=(0.48...1.0)dc=35 mmlime corp cap: Hcap=(1.1...1.35)Hp=70 mmlime corp n zona medie: HM=(Hc+Hp)/2=52,5 mm

se verific la oboseal prin ntindere-compresiune n seciunea minim i medie: n seciunea minim(m):

=38 MPa < 200MPaAm=2B*a+a(Lp-2a)=804 mm

=-14.6 MPa

=2.12

=26.3 MPa; =11.7 MPa;

n seciunea medie:

=14 MPa < 200 MPa

=-26.57 MPa

=2.43

=19,88 MPa; =9,62 MPa;

n planul de ncastrare:

=24,62 MPa; =22,62 MPa;

verificarea presiunii maxime pe manta

= 0,50 MPa < 0.8 MPaCalculul umerilor pistonului:se verific sumar, static la forfecare sub aciunea forei maxime de presiune a gazelor

= 23,59 MPa < 30 MPa

Capitolul 8. Calculul si constructia arborelui cotit

Dimensionare: l/D=1,2(1,21,4) l=122 [mm]; dp/D=0,7(0,70,9) dp=71 [mm]; lp/dp=0,5(0,450,6) lp=35,35 [mm]; dm/D=0,6(0,550,75) dm=61 [mm]; lm=51 [mm]; dmi/dm=0,6(0,450,7) dmi=37 [mm]; b/D=0,25(0,253) b=25,5 [mm]; h/D=1,1(1,051,3) h=112 [mm]; /d=0,1(0,081) =0,1 [mm].Se alege materialul 33MoCr11 cu proprietetile: r=1100 MPa; c=800 MPa; -1=550 MPa; 0=825 MPa; -1=330 MPa; 0=495 MPa; =0.2 MPa; =0.06 MPa;

8.1 Proiectarea contragreutilor fora de inerie a maselor n micare de rotaie:

Fr=Fcot+2*FAFA=mA*R*2Fcot=Fm+2*Fbr=35594 NFm=*Vm*xm*2=69132 NVm*xm=/4[dm2*R-dmi2(R+e)]*lmFbr=*Vbr*xb*2

Vbr*xb=

;

;

;

; fora de inerie necesar a unei contragreuti:

n cazul echilibrrii complete a Fr cot cu cot:FC=Fr/2FC= C*VC*xC*2VC=(R32-R22)b

xC=

FC=R3=R3max=L-R-L-j=

sin=

8.2 Proiectarea contragreutilor n form de segment de cerc

FC=SC*b*C*2

SC=SC=2/3R23+g*3

R3=R2/cos

8.3 Calculul de verificare al arborelui cotit8.3.1 Stabilirea elementelor de calculFusurile maneton se numeroteaz consecutiv de la extremitatea din fa cu 1,2,...,ic, iar cele palier cu 0,1,2,...,ic.

8.3.1.1 Momentele de rsucire care solicit fusurile palier:

Mp0=0; =3856522 Nm; =1287506 Nm maneton:

= -1447499 Nmv=(l-l)/2; w=l/lv+w=1l=lp+2b+lml=lp/2+b+lm/4

8.3.1.2 Reaciunile de pe fusurile palierSe consider arborele echipat cu contragreuti identice n prelungirea tuturor braelor.

Fr=2FA+Fm+2(Fb-Fc)

Cunoscnd variaia Zp, Tp se construiesc diagramele polare i de uzur pentru fusurile palier, care servesc la verificarea sumar la presiune maxim i nclzire a acestora, precum i la poziionarea orificiului de ulei. Zp0, Tp0 servesc i la verificarea de rezisten a fusurilor maneton i braelor.

8.3.2 Verificarea sumar la nclzire i presiune maxim a fusurilor arborelui cotitSe noteaz cu indice f mrimile aferente unui fus, cu p aferente unui palier i cu m aferente manetoanelor. presiunea maxim:

=23.66 MPa(18...28)MPa

presiunea medie:

=7,45 MPa

lf este lungimea portant a fusului;f este raza de racordare a fusului cu braul pentru paliere lp=lp-2p, iar pentru manetoane lm=lm/2-mRfmax, Rfmed se determin din diagrama polar a fusului considerat

coeficientul de uzur:

Wf este vitez periferic relativ n lagr

=7,063 m/spentru paliere f=p=1

=51,24 (MJ/s3)0.5 < 100 (MJ/s3)0.5

8.3.3 Verificarea de rezisten a arborelui cotit8.3.3.1 Fusurile palierSe verific la oboseal numai la rsucire sub aciunea momentului Mp, precizat anterior, n seciunile care conin concentratori de tensiuni. Coeficientul de siguran este:

=10,35

=38,25 MPa; =16,63 MPa

=33.26 MPa

=70275,66 mm3

; =(0.4...0.6); =1+2(-1)

8.3.3.2 Fusurile manetonSe verific la oboseal att la rasucire ct i la ncovoiere.

coeficientul de siguran la rsucire:

=8

=52,43 MPa

= 38534 mm3

coeficientul de siguran la ncovoiere:

=10,18

=53,11 MPa; =-22 MPa

=-44.03 MPa; =19267 mm3;

n punctul B:

=-393642 Nmn punctul A:

=338359 Nmm

coeficientul total de siguran:

=6,3

8.3.3.3 Braele

Se verific la oboseal att n solicitri de rsucire ct i longitudinale n planul tangent la suprafaa palierului, normal la planul cotului i cel de micare, n punctul c de racordare cu fusul.

coeficientul de siguran la solicitri longitudinale:

=13,04

acoperirea fusurilor

coeficientul de siguran la rsucire:

=100,02

coeficientul total de siguran:

=1.29 (1.2...1.5)

Bibliografie

[1] Gaiginschi R.; Ztreanu Gh.; Motoare cu ardere intern. Construcie i calcul vol 1;[2] Gaiginschi R.; Ztreanu Gh.; Motoare cu ardere intern. Construcie i calcul vol 2;[3] Chiriac Radu, Calculul diagramei indicate.49