Введение 4
1 Состояние вопроса 7
1.1 Особенности применения ресивера двигателя согласно регламенту Rules FSG 9
1.2 Существующие подходы к проектированию и изготовлению ресиверов “Формула Студент” 12
2 Теоретические основы зависимости длинны раннера, динамические характеристики ДВС от геометрических параметров ресивера 20
2.1 Анализ влияния объема и формы ресивера на мощность и крутящий момент ДВС 29
2.2 Анализ влияния конструктивных особенностей ресивера на значение эффективной частоты вращения коленчатого вала 35
2.3 Топливная эффективность теоретические зависимости 37
3 Разработка технологического обеспечения исследований влияния конструкции ресивера на динамические характеристики ДВС 41
3.1 Подбор технологической оснастки и изготовление ресивера 41
3.2 Проектирование технологической оснастки для размещения двигателя на нагрузочный стенд 46
3.3 Сборка и установка на нагрузочный стенд, подготовка экспериментальной установки 49
4 Фактические испытания двигателя 59
4.1 Описание характеристик для корректировки 59
4.2 Характеристики полученного ресивера 62
5 Корреляция с результатами исследования. Разработка рекомендаций для проектирования ресивера болида «Формула Студент» 64
5.1 Анализ экспериментальных результатов по кривой со стенда и соответствие расчётам 64
5.2 Практическое использование результатов 65
Заключение 69
Список используемых источников 72
В промышленности машиностроение имеет большой вес. Производимая продукция механизмы, имеющие разное предназначение, находят свое предназначение во множество отраслях промышленности. От уровня развития машиностроения зависят как темпы перехода на новые технологии, так и возможность смены устаревшего оборудования. Рост промышленности, а также темпы переоборудования на новые технологии, в значительной степени зависят от уровня развития машиностроения и специалистов.
На территории ТГУ уже около 14-и лет существует проект «Формула студент» которая является инженерно-спортивным состязанием среди высших учебных заведений и имеет международный статус. Сам проект больше опирается на инженерное направление, необходимость в умении обосновывать свою точку зрения, получить навыки в представлении готового продукта, получить опыт в оптимизации и улучшениях готового продукта. Возможностью участия в соревнованиях считается болид 1-го года, что означает на каждый год для участия в соревнованиях необходимо иметь либо абсолютно новый болид, либо не менее 70% изменения существующего, болид должен быть выполнен в соответствии всем правилам регламента, основным критерием которого является безопасность во время динамических дисциплин, так как во всем участвуют студенты. Несильные ограничения позволяют наблюдать разнообразие форм и типов болидов, что является редким случаем в автоспорте. Мощность двигателя на имеет ограничений, также, как и количество цилиндров. Наличие ограничения пропускной способности воздуха, достигается путем установки рестриктора, позволяет добиться одинаковых условий для всех команд и обеспечить безопасность. Команды имеют возможность разрабатывать двигатели самостоятельно, но так как это имеет высокую стоимость, выбор останавливается на серийных мотоциклах, из-за широкого применения. Впускная система является одним из основных компонентов влияющих на мощностные характеристики ДВС. Наличие ограничения пропускной возможности воздуха приводит к невозможности работы двигателя по стандартным настройкам. Это приводит к необходимости адаптации двигателя под полученные условия, с задачей сохранением мощностных характеристик двигателя под условия трассы «Формула студент», где дальнейшая подгонка происходит путем изменения передаточного числа главной передачи от ДВС на дифференциал.
На соревновании есть такие дисциплины как «Design Report» и «Cost Manufacturing Report» где необходимо аргументировать свое техническое решение, а также обосновать стоимость и возможность рассмотрения производства в массовых масштабах. На основании всего вышесказанного, а также динамические дисциплины, судьи начисляют баллы, которые влияют на рейтинг команды.
Главной задачей проекта считается обеспечить студентам возможность показать себя на практике применяя накопленные знания. После окончания ВУЗа большая часть ребят принимавшая участие в данных соревнованиях приобретают статус грамотных специалистов в своих сферах, за счет опыта, приобретенного в процессе работы в проекте.
Цель работы: разработать эффективный впускной ресивер в соответствии эксплуатационным требованиям регламента проекта «Формула Студент».
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) Рассмотрение предыдущего ресивера и аналогов «Формула Студент»,
2) Проектирование и изготовление оснастки и самого впускного ресивера,
3) Проектирование и изготовление оснастки для размещения ДВС на нагрузочном стенде,
4) Корректировка параметров работы ДВС и снятие итоговой мощности и крутящего момента
5) Выведение общих рекомендаций для проектирования впускного ресивера.
Практическая значимость работы: Результат работы позволяет применить данные, полученные в ходе анализа и расчета при изготовлении системы впуска воздуха для болида класса «Формула Студент».
Теоретическая значимость работы: Разработана модель впускной системы резонансного наддува для болида класса «Формула Студент», удовлетворяющая требованиям регламента.
Публикации: По теме диссертации опубликована одна печатная работа
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и выводов. Объем диссертации составляет 75 страниц, включая 42 рисунка и 3 таблицы.
Вся впускная система выполнена согласно «Rules FSG». Все элементы систем управления впуска воздуха и расхода топлива (включая дроссельную заслонку, полную систему впуска воздуха, воздушный фильтр и воздуховоды), расположены внутри поверхности, ограниченной вершиной дуги и внешними гранями четырёх шин. Впускной коллектор надежно крепится к блоку двигателя цилиндров при помощи кронштейнов. Крепёжные элементы с резьбовым соединением, используемые для закрепления впускного коллектора, соответствуют требованиям Т 10. Дроссельная заслонка приводится в движение механически, педалью, через трос. В качестве фильтрующего элемента выступает «фильтр нулевого сопротивления», пропитанный специальным составом для задерживания пыли. Для ограничения мощности двигателя установлен рестриктор в систему впуска воздуха; весь воздушный поток проходит через рестриктор. Для компоновки TRT, двигателя, не использующего наддув со следующем расположением элементов: дроссельная заслонка, рестриктор и двигатель. Рестриктор расположен в корпусе дроссельной заслонки, чтобы обеспечивалось легкое измерение в течение инспекционного процесса и имеет сечение 20 мм.
Основными задачами ресивера являются:
• Накопление сжатого воздуха для такта впуска,
• Хранение сжатого воздуха между тактами,
• Выравнивание и поддержание определенного уровня давления во впуске,
• Смягчает пульсации, которые возникают в ходе работы двигателя,
• Первичное охлаждение сжатого воздуха,
• Сбор и последующее удаление конденсата.
Для правильной работы впускного коллектора он должен иметь строго определенную форму и емкость. Эти параметры определяются на стадии разработки, чтобы эффективно работало на всех двигателях. Объём ресивера должен быть функцией рабочего объёма двигателя - в общем случае 50-70% от объёма двигателя. Одно из важных мест конструкции коллектора - соединение впускных патрубков и ресивера. Это соединение должно быть выполнено в форме раструба для разгона воздуха. Кроме того, изменяя длину впускных патрубков, можно изменять распределение максимального крутящего момента по оборотам. Удлиненные патрубки позволяют увеличить момент на низких оборотах двигателя, а укороченные — на средних и высоких.
Ресивер имеет объем 3,1 литра, общая длинна ранера составила 254 мм с учетом длины порта внутри гбц, втулка-переходник с гбц на ресивер и впускной патрубок ресивера. Зная, что длина от впускного клапана до начала впускного патрубка составляет 150мм, выбирали длину раннера 104мм. В качестве матрицы была использована фанера, вырезанная на ЧПУ станке с наполнением в виде шпатлевки, в качестве разделителя готовой детали от матрицы выступала виниловая пленка. Ресивер изготовлен из углеволокна пропитанного эпоксидной смолой, и с использованием метода вакуумной формовки. Данный метод позволил достичь точности изготовление и прилегание пропитанного волокна по всей поверхности технологической оснастки. Дополнительно для герметичности и общего вида конструкции нанесен несколькими слоями лак.
Использование материалов для изготовления впускного ресивера как алюминий и 3D печать из высокопрочных полимеров нецелесообразна. В первом случае будет избыточный вес, а команды «Формула Студент» стремятся к снижению общего веса болида. Высокопрочные полимеры для печати, также сильно влияют на избыточный вес изделия, плюс имеют большую стоимость.
Для проведения настройки ДВС был использован нагрузочный стенд SCHENCK U1-16h со всеми необходимыми приборами по снятие мощности и обеспечению жизнедеятельности двигателя. Соединением двигателя с гидравлическим тормозом послужила карданная передача. В качестве блока ЭБУ был использован М11 «Корвет» - Абит, софтом для корректировки общих параметров в том числе топливной карты и карты углов опережения зажигания была программа АКМ 2004. Для проведения настроек была разработана технологическая оснастка по закреплению ДВС на стенде. Основная конструкция которой выполнена из профильной трубы 20х40 мм и толщиной стенки 2 мм. В местах фиксации двигателя к оснастке используются «сайлентблоки» для снижения вибрационных нагрузок.
По итогу проделанных работ двигатель показал следующие характеристики: максимальная частота вращения коленчатого вала 8000 мощность составила при этом 50 л.с., в то время как крутящий момент около 44 Нм. Максимальная мощность двигателя достигается при 7000 оборотах двигателя составляет 52,5 л.с., а крутящий момент 48 Нм. Отличительной чертой G3 является достижение крутящего момента 52,3 Нм уже с 5500 оборотов и мощности в 46,2 л.с., что обеспечивает эластичность двигателю и хорошие динамические и временные показатели на трассе. Все это обеспечило хорошие показатели болида в динамических дисциплинах и внесло значимый вклад в общий зачет на соревнованиях «Formula Student Moscow 2020» принеся первое место команде TRT.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
