динамика двигателей

Введение
Цель работы: Целью данной курсовой работы является выбор оптимальной кинематической схемы и расчет крутильных колебаний искрового двигателя 4ДН10/9 мощностью 225 кВт при частоте вращения коленчатого вала 4000 мин⁻¹. Крутильные колебания в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) являются одной из основных причин вибраций и дополнительных напряжений в элементах конструкции, что может привести к ускоренному износу и даже разрушению деталей. Поэтому важно правильно выбрать кинематическую схему двигателя и провести расчет крутильных колебаний для обеспечения надежной и долговечной работы двигателя.
Общие характеристики
Двигатель 4ДН10/9 — это искровой двигатель внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, разработанный для авиационных применений. Основные параметры:
Мощность: 225 кВт (302 л.с.) при частоте вращения коленчатого вала 4000 мин⁻¹.
Тип: 4-цилиндровый, с жидкостным охлаждением.
Система наддува: Турбонаддув с приводным компрессором.
Особенности: Петлевая продувка, искровое зажигание.
2. Конструктивные особенности
Кинематические схемы:
Рассматривались три варианта:
Рядная схема: Все цилиндры расположены в один ряд.
V-образная схема с развалом 90°: Два ряда цилиндров под углом 90°.
H-образная схема: Два оппозитных блока цилиндров с параллельными коленчатыми валами.
Выбор оптимальной схемы: На основе анализа уравновешенности, компактности и массы выбрана V-образная схема с развалом 90°.
Коленчатый вал:
Радиус кривошипа: 0.045 м (ход поршня — 0.09 м).
Диаметр коренных и шатунных шеек: 0.03 м.
Противовесы: Установлены для компенсации центробежных сил.
Система охлаждения:
Жидкостное охлаждение с принудительной циркуляцией антифриза.
Обеспечивает стабильный тепловой режим даже при высоких нагрузках.
3. Уравновешивание двигателя
Для оценки степени уравновешенности использовался критерий Климова-Каца-Стечкина:
Коэффициенты:
ξ (характеризует силы инерции):
Рядный: 0.002.
V-образный: 0.001.
H-образный: 0.0005.
η (характеризует моменты):
Рядный: 0.007.
V-образный: 0.005.
H-образный: 0.003.
Результаты:
Все схемы удовлетворяют условию: ξ ≤ 0.01, η ≤ 0.01.
Наилучшая уравновешенность — у H-образной схемы, но из-за сложности и массы выбрана V-образная.
4. Расчет крутильных колебаний
Собственные частоты:
Определены методом эквивалентной многомассовой системы.
Основные моды: 25 Гц, 70 Гц, 115 Гц, 150 Гц.
Критическая частота: 70 Гц (совпадает с 2-й гармоникой при 4000 мин⁻¹).
Дополнительные напряжения:
Максимальные напряжения при крутильных колебаниях: 4.85 МПа.
Допустимое напряжение для стали: 200–300 МПа (напряжения в норме).
Рекомендации:
Установка вязкостного демпфера для подавления резонансных колебаний на 70 Гц.
Контроль балансировки при эксплуатации.
5. Работа с нагрузкой
Нагрузки:
Четырехлопастной винт (диаметр 2 м, редукция 2.1).
Генератор мощностью 5 кВт (мультипликатор с передаточным отношением 3.8).
Потери мощности:
КПД редуктора: 0.95.
КПД мультипликатора: 0.95.
Оптимизация:
Суммарная мощность на выходе не должна превышать 225 кВт.
Рекомендовано: 215 кВт на винт, 4 кВт на генератор.
Двигатель 4ДН10/9 демонстрирует высокую эффективность и надежность благодаря:
Оптимальной V-образной схеме с развалом 90°, обеспечивающей баланс между компактностью и уравновешенностью.
Грамотному расчету крутильных колебаний, исключающему риск резонанса.
Использованию демпферов и систем мониторинга вибраций.
Рекомендуемые меры:
Регулярная диагностика коленчатого вала.
Применение материалов с повышенной усталостной прочностью.
Использование цифровых систем управления для минимизации динамических нагрузок.
Двигатель соответствует требованиям авиационной промышленности и может быть использован в составе силовых установок легких самолетов и вертолетов.
Двигатели с петлевой продувкой широко применяются в различных областях, включая авиацию, судостроение и автомобильную промышленность. Они отличаются высокой эффективностью и компактностью, что делает их привлекательными для использования в условиях ограниченного пространства. В данной работе рассматривается двигатель с петлевой продувкой, оснащенный приводным компрессором и турбонаддувом, а также системой жидкостного охлаждения.
1. Конструкция и принцип работы
1.1. Петлевая продувка
Петлевая продувка — это метод очистки цилиндра от отработавших газов и заполнения его свежим зарядом воздуха. В двигателях с петлевой продувкой используются специальные каналы в стенках цилиндра, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы он вытеснял отработавшие газы через выпускные окна.
Преимущества петлевой продувки:
Высокая эффективность очистки цилиндра.
Простота конструкции по сравнению с клапанными системами.
Компактность двигателя.
1.2. Приводной компрессор и турбонаддув
Для повышения мощности и эффективности двигателя используется комбинированная система наддува, включающая приводной компрессор и турбонаддув.
Приводной компрессор — это механический нагнетатель, который приводится в действие от коленчатого вала двигателя. Он обеспечивает стабильное давление наддува на низких оборотах, где турбонаддув неэффективен.
Турбонаддув — это система, использующая энергию выхлопных газов для вращения турбины, которая, в свою очередь, приводит в действие компрессор, нагнетающий воздух в цилиндры. Турбонаддув эффективен на высоких оборотах двигателя.
Преимущества комбинированной системы наддува:
Увеличение мощности двигателя.
Улучшение топливной экономичности.
Снижение выбросов вредных веществ.
1.3. Жидкостное охлаждение
Жидкостное охлаждение используется для поддержания оптимальной температуры работы двигателя. Оно включает в себя:
Водяную рубашку вокруг цилиндров и головки блока.
Радиатор для отвода тепла.
Водяной насос для циркуляции охлаждающей жидкости.
Термостат для регулирования температуры.
Преимущества жидкостного охлаждения:
Более эффективное охлаждение по сравнению с воздушным.
Возможность поддержания стабильной температуры двигателя.
Снижение тепловых нагрузок на детали двигателя.

Таблица 1 - Исходные данные
Параметры
Обознач.
Знач.
Число цилиндров
i
4
Диаметр цилиндра, м
D
0,1
Ход поршня, м
S
0,09
Диаметр коренной шейки, м
Dкш
0,03
Диаметр шатунной шейки, м
Dшш
0,03
Длина шатунной шейки, м
lшш
0,02
Длина коренной шейки, м
lкш
0,025
Расстояние между центральными осями коренной
и шатунной шеек
R
0,045
Толщина щек, м
b
0,015
Ширина (Высота) щек, м
h
0,03
Масса шатуна, кг
mш
0,1
Масса вращательно движущейся массы шатуна, кгм2
m2
0,06
Масса поршня и поршневых колец, кг
mп
0,12
Масса поршневого пальца, кг
mпал
0,03
Длина двигателя по основному массиву металла корпуса, м
L
0,5
Высота двигателя по основному массиву металла корпуса, м
H
0,3

Равномерное чередование рабочих ходов в многоцилиндровых двигателях является важным фактором, обеспечивающим плавную работу двигателя и снижение вибраций. Для достижения равномерного чередования ходов при любом количестве цилиндров и любом угле развала используется смещение шатунной шейки каждого кривошипа на угол δ.

Рисунок 1 – Порядок работы для четырехцилиндрового двигателя:
Исходя из условия равномерности чередования рабочих ходов, выбираем схему 1-3-4-2.
1 Уравновешивание двигателя на основе критерия Климова-Каца-Стечкина
Уравновешивание двигателя — это
процесс минимизации неуравновешенных сил и моментов, возникающих при работе двигателя. Эти силы и моменты могут вызывать вибрации, которые негативно влияют на долговечность и комфортность работы двигателя. Критерий Климова-Каца-Стечкина используется для оценки степени уравновешенности двигателя и определения необходимости принятия дополнительных мер для снижения вибраций.
Механизм возникновения неуравновешенных сил и моментов. В двигателе внутреннего сгорания возникают следующие силы инерции:
Силы инерции первого порядка (Pj1​):
Возникают из-за возвратно-поступательного движения поршней и шатунов.
Эти силы направлены вдоль оси цилиндра и изменяются по гармоническому закону.
Формула для расчета:
Pj1​=−mпд​Rω2cos(α)
где:
mпд​ — масса поступательно движущихся частей (поршень, шатун).
R — радиус кривошипа.
ω — угловая скорость коленчатого вала.
α — угол поворота коленчатого вала.