Методические рекомендации по выполнению курсовой работы на тему «Проектирование двигателя ВАЗ-2108»

Введение в проект

Проектирование и модернизация двигателей внутреннего сгорания остаются ключевыми задачами в инженерном образовании, даже в эпоху перемен. Классические модели, такие как двигатель ВАЗ-2108, служат превосходной учебной базой для освоения фундаментальных принципов конструирования. Данная курсовая работа — это не просто академическое упражнение, а комплексный инженерный проект.

Целью курсовой работы является разработка и расчет основных параметров, а также анализ конструкции двигателя внутреннего сгорания на примере модели ВАЗ-2108. Для достижения этой цели необходимо решить ряд последовательных задач:

• Провести аналитический обзор конструкции и технических характеристик прототипа.
• Выполнить тепловой расчет для определения индикаторных и эффективных показателей двигателя.
• Построить внешнюю скоростную характеристику на основе полученных данных.
• Выполнить динамический расчет кривошипно-шатунного механизма для оценки действующих нагрузок.
• Провести детальный анализ конструкции и материалов цилиндропоршневой группы.
• Предложить обоснованные пути совершенствования конструкции.

В работе будут использованы стандартные методики термодинамического и динамического анализа, а также методы конструкторского проектирования узлов ДВС.

1. Аналитический обзор и техническая характеристика двигателя ВАЗ-2108

Двигатель ВАЗ-2108 и его последующие модификации (например, ВАЗ-21083 с диаметром цилиндра 82 мм) стали основой для целого поколения автомобилей. Эти агрегаты характеризуются относительно простой, но эффективной конструкцией, что делает их идеальным объектом для изучения. Ключевые технические характеристики базовой модели ВАЗ-21083 включают эффективную мощность в диапазоне 55-61 кВт при 5000-5800 об/мин и степень сжатия около 9.4-9.9.

Центральным узлом любого поршневого ДВС является цилиндропоршневая группа (ЦПГ), которая воспринимает давление газов и преобразует его в механическую работу. В ее состав входят:

• Блок цилиндров и гильзы: Основа конструкции, в которой движутся поршни.
• Поршень: Как правило, изготавливается из легкого алюминиевого сплава. Имеет сложную геометрию — коническую по высоте и овальную в поперечном сечении — для компенсации теплового расширения.
• Поршневые кольца: Верхние компрессионные и нижние маслосъемные. Изготавливаются из высокопрочного чугуна и часто имеют износостойкое хромовое покрытие.
• Поршневой палец: Стальной, пустотелый элемент, соединяющий поршень с шатуном.

Анализ типичных неисправностей ЦПГ, таких как износ колец, задиры на юбке поршня или стенках цилиндра, подчеркивает критическую важность точных расчетов на этапе проектирования. Именно от них зависит ресурс и надежность всего двигателя.

2. Тепловой расчет как основа проектирования двигателя

Тепловой расчет — это фундаментальный этап проектирования, который определяет основные термодинамические, мощностные и экономические показатели будущего двигателя. Его цель — рассчитать теоретические процессы, происходящие в цилиндре, и на их основе определить ключевые параметры. Процесс выполняется последовательно и включает в себя несколько этапов.

1. Определение параметров рабочего тела: Расчет состава и теплоемкости топливовоздушной смеси и продуктов сгорания.
2. Расчет процесса впуска: Определение количества свежего заряда, поступающего в цилиндр.
3. Расчет процесса сжатия: Определение давления и температуры в конце такта сжатия.
4. Расчет процесса сгорания: Расчет максимального давления и температуры сгорания, ключевых показателей для оценки нагрузок.
5. Расчет процесса расширения: Определение параметров газов в конце рабочего хода.

По итогам расчетов определяются индикаторные показатели (давление, работа газов) и эффективные показатели (мощность на коленчатом валу, крутящий момент, расход топлива), учитывающие механические потери. Важно, что для полной оценки двигателя расчет необходимо провести для нескольких ключевых режимов работы:

• Режим минимальной частоты вращения холостого хода.
• Режим максимального крутящего момента.
• Режим максимальной мощности.

Завершается тепловой расчет составлением теплового баланса, который наглядно демонстрирует, какая часть энергии сгоревшего топлива преобразуется в полезную работу, а какая теряется с выхлопными газами, через систему охлаждения и в результате трения.

3. Построение внешней скоростной характеристики

Результаты, полученные в ходе теплового расчета для разных режимов, являются не просто набором цифр. Их необходимо визуализировать для наглядного анализа. Именно этой цели служит внешняя скоростная характеристика (ВСХ) — график, показывающий зависимость эффективной мощности (Ne) и крутящего момента (Me) от частоты вращения коленчатого вала при полной подаче топлива.

Построение графика выполняется по ключевым точкам, рассчитанным на предыдущем этапе. Этот график является «паспортом» двигателя, позволяя оценить его тяговые свойства, эластичность и рабочий диапазон оборотов. Правильно оформленная ВСХ — обязательный элемент графической части курсовой работы, который наглядно демонстрирует успешное выполнение теплового расчета.

4. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма для оценки нагрузок

Если тепловой расчет определяет энергетику двигателя, то динамический расчет фокусируется на силах, действующих внутри его механизмов. Цель этого расчета — определить суммарные силы и моменты, нагружающие детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ), что является основой для последующих расчетов на прочность и износостойкость.

Расчет условно делится на два больших этапа:

1. Расчет сил от давления газов: Используя индикаторную диаграмму, полученную при тепловом расчете, определяются силы, действующие на поршень, шатун и кривошип в каждый момент времени.
2. Расчет сил инерции: Движущиеся массы деталей КШМ (поршень, поршневые кольца, палец, шатун) создают значительные инерционные нагрузки, особенно на высоких оборотах. Эти силы рассчитываются на основе масс деталей, радиуса кривошипа и угловой скорости коленчатого вала.

Далее эти две составляющие — силы давления газов и силы инерции — алгебраически суммируются для каждого положения коленчатого вала. В результате динамического расчета строятся важнейшие диаграммы и графики, необходимые для дальнейшего проектирования:

• График суммарного крутящего момента, показывающий неравномерность вращения коленвала.
• Диаграммы нагрузок, действующих на шатунную и коренную шейки коленчатого вала, которые используются для расчета подшипников скольжения.

Именно этот расчет позволяет понять, почему детали двигателя имеют ту или иную форму и почему к их прочности предъявляются такие высокие требования.

5. Проектирование и расчет распределительного вала

Синхронизация работы КШМ с процессами впуска и выпуска — задача системы газораспределения, ключевым элементом которой является распределительный вал. Его назначение — своевременно открывать и закрывать впускные и выпускные клапаны в строгом соответствии с рабочим циклом двигателя.

Проектирование распредвала включает в себя профилирование его кулачков, то есть расчет их геометрии, которая обеспечит необходимую высоту подъема и продолжительность открытия клапана. Итогом этого расчета является круговая диаграмма фаз газораспределения. Это графическое представление, которое наглядно показывает в градусах угла поворота коленчатого вала моменты открытия и закрытия клапанов относительно мертвых точек (ВМТ и НМТ). Анализ этой диаграммы позволяет оценить, насколько эффективно организованы процессы наполнения цилиндров свежим зарядом и их очистки от отработавших газов.

6. Анализ конструкции и материалов цилиндропоршневой группы

Глубокое понимание конструкции ЦПГ требует не только знания расчетов, но и основ материаловедения. Каждый элемент этой группы работает в экстремальных условиях высоких температур, давлений и инерционных нагрузок, что определяет выбор материалов и конструктивных решений.

• Поршень: Изготавливается из легких и теплопроводных алюминиевых сплавов. Его сложная бочкообразная (коническая) и овальная форма предназначена для того, чтобы в прогретом до рабочей температуры состоянии он принимал строго цилиндрическую форму, обеспечивая оптимальный зазор.
• Поршневые кольца: Работают в условиях высокой температуры и трения, поэтому изготавливаются из износостойкого легированного чугуна. Рабочая поверхность верхнего, наиболее нагруженного компрессионного кольца часто покрывается слоем пористого хрома для удержания масла и повышения ресурса.
• Поршневой палец: Воспринимает огромные ударные нагрузки, поэтому его делают из высокопрочной стали, а для снижения массы он имеет трубчатое сечение.

Практические аспекты сборки также критически важны. Поршни для одного двигателя подбираются по массе (для снижения вибраций) и по наружному диаметру (разбивка на классы A, B, C, D, E), чтобы обеспечить точный монтажный зазор. При установке поршень должен быть правильно сориентирован — для этого на его днище имеется специальная стрелка, которая должна указывать в сторону привода ГРМ.

7. Пути совершенствования конструкции и эксплуатационных показателей

Курсовая работа не должна ограничиваться лишь повторением существующих расчетов. Важной ее частью является демонстрация инженерного мышления и предложение путей модернизации двигателя ВАЗ-2108. Этот раздел позволяет студенту проявить свою эрудицию. Возможные направления совершенствования могут включать:

• Применение новых материалов: Использование композитных материалов или более современных алюминиевых сплавов для изготовления поршней с целью снижения их массы и, как следствие, инерционных нагрузок.
• Оптимизация формы камеры сгорания: Изменение геометрии днища поршня и головки блока цилиндров для улучшения смесеобразования и повышения скорости сгорания топлива.
• Модернизация систем впуска и выпуска: Расчет и применение настроенных систем для улучшения наполнения цилиндров на определенных режимах работы.

При предложении любых улучшений важно учитывать такой фактор, как низкая производственная стоимость. Любая модернизация должна быть не только эффективной, но и экономически целесообразной для массового производства.

8. Заключение и требования к оформлению работы

Подведение итогов — финальный и важный этап работы. В заключении необходимо кратко суммировать результаты, полученные в каждом разделе. Следует сделать общий вывод о том, что в ходе выполнения курсового проекта были успешно решены все поставленные задачи: проведены тепловой и динамический расчеты, определены основные характеристики двигателя, проанализирована конструкция его узлов и предложены пути ее совершенствования. Это подтверждает достижение главной цели работы.

Не менее важной является и академическая культура оформления. Пояснительная записка должна быть структурирована в соответствии с заданием и содержать все расчеты, графики и аналитические выкладки. Графическая часть, как правило, включает в себя чертежи общего вида двигателя, сборочный чертеж КШМ и рабочие чертежи отдельных деталей. Строгое соблюдение стандартов ЕСКД (Единой системы конструкторской документации) при оформлении чертежей и пояснительной записки является обязательным требованием для успешной защиты проекта.

Список источников информации

1. Антонов В.П. Методические указания для выполнения курсового проекта.
2. Автомобильные двигатели / Под ред. М.С. Ховаха. — М.: Машиностроение, 1977. — 579с.
3. Артомонов М.Д. Основы теории и конструирования автомобильных двигателей / М.Д. Артомонов, М.М. Горин, Г.А. Скворцов. — М.: Высш. шк., 1976. — 132 с.
4. Рожанский В.А. Тепловой и динамический расчет автотракторных двигателей / В.А. Рожанский, А.Н. Сарапин, Б.Е. Железко. — Минск: Высш. шк., 1984. — 265 с.
5. Игнатов А.П. ВАЗ-2108. Руководство по ремонту. Эксплуатация и техническое обслуживание. – М.: Третий Рим, 1999.