Динамика двигателей. Курсовое проектирование

Москва
ИНФРА-М
2022

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Допущено 
ФУМО вузов России по образованию в области энергетики 
и электротехники в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению подготовки 
13.03.03 «Энергетическое машиностроение», 
профиль «Двигатели внутреннего сгорания»

А.Н. ГОЦ

ДИНАМИКА 
ДВИГАТЕЛЕЙ 

КУРСОВОЕ 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ

3-е издание, исправленное и дополненное

УДК 621.43(075.8)
ББК 31.365я73
 
Г74

Гоц А.Н.
Динамика двигателей. Курсовое проектирование : учебное пособие / 
А.Н. Гоц. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 
175 c. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1055672.

ISBN 978-5-16-015774-0 (print)
ISBN 978-5-16-108196-9 (online)
Приведены краткие сведения из теории по дисциплине «Теория двигателей» и приведен порядок выполнения курсового проекта. В компактном виде даны основные формулы и необходимые разъяснения для 
выполнения соответствующих частей курсового проекта. В качестве примера приведены расчетно-пояснительная записка и чертежи выполненного 
студентом курсового проекта с комментариями.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения направлений подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение» 
и 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов». 

УДК 621.43(075.8)
ББК 31.365я73

Г74

Р е ц е н з е н т ы:
Иващенко Н.А., доктор технических наук, профессор;
Фомин В.М., доктор технических наук, профессор

© Гоц А.Н., 2013, 2015
© Гоц А.Н., 2020, 
с изменениями
ISBN 978-5-16-015774-0 (print)
ISBN 978-5-16-108196-9 (online)

Предисловие

Человек идет к знанию так же, как он
идет на войну — полностью пробужденный,
полный страха, благоговения и безусловной
решимости. Любое отступление от этого правила — роковая ошибка, и тот, кто ее совершит, непременно доживет до дня, когда горько пожалеет об этом.
Карлос Кастанеда
1

Учебное пособие охватывает тематику курсовых проектов 
по дисциплине «Динамика двигателей». По своему построению 
и содержанию оно соответствует учебным пособиям [1, 2, 3, 4, 5] 
и программе указанного выше курса, читаемых автором во Владимирском государственном университете для студентов направлений подготовки 13.03.03 «Энергетическое машиностроение» 
и 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин 
и комплексов».1

В первой главе показаны цели и задачи при изучении дисциплины «Динамика двигателей», какими компетенциями должны 
обладать студенты после изучения и выполнения курсового проекта. Приведены техническое задание на разработку курсового 
проекта по дисциплине «Динамика двигателей», содержание отдельных его разделов, примерное содержание расчетно-пояснительной записки и перечень графической части выполненных ра бот, которые должны быть вынесены на отдельные листы форма та А1.
Вторая глава посвящена кратким сведениям из теории кинематики кривошипно-шатунного механизма исследуемого двигате ля. Поскольку в техническом задании на выполнение проекта да 
1 Кастанеда К. Искусство сновидения. Активная сторона бесконечности. Ко лесо времени: пер. с англ. М.: София, 2009.

ются только номинальная мощность, частота вращения на этом
режиме, пределы изменения скоростного коэффициента, допустимое значение (не менее) коэффициента приспособляемости
(для автомобильных двигателей) или номинального запаса крутящего момента (для тракторных двигателей), то студенты выполняют расчет цикла и динамический расчет на двух режимах (номинальном и максимального крутящего момента) с подробным обоснованием выбранных на каждом этапе расчета исходных данных, а
также анализ полученных показателей и параметров. Для облегчения работы студентам в задании предлагается выбрать двигательпрототип1. После этого исследуется кинематика кривошипношатунного механизма проектируемого двигателя.
В третьей главе приводятся краткие сведения по теории динамики кривошипношатунного механизма и уравновешивания выбранного двигателя. Проводится анализ уравновешенности поршневого двигателя, а также при необходимости уравновешивание
сил центробежных, инерции первого и второго порядков, а также
их моментов. В заключение рассматривается равномерность крутящего момента и равномерность хода двигателя.

4
Предисловие

1 Прототип — это наиболее близкий аналог по технической сущности и по
достигаемому результату при его использовании. Аналог — объект того же назначения, что и заявленный объект, сходный по технической сущности и по достигаемому результату при его использовании. (Инструкция по государственной научнотехнической экспертизе изобретений (ЭЗ274). М.: ВНИИПИ, 1982.)

В третьем издании, исправленном и дополненном, добавлена 
новая глава 4 «Рекомендации к выбору режимов работы и расчету 
циклов поршневого двигателя».
Пятая глава посвящена расчету крутильных колебаний коленчатого вала автомобильных и тракторных двигателей. Даны без 
доказательств краткие сведения из теории: составление эквивалентной схемы крутильно-колеблющейся системы и определение 
частот ее собственных колебаний; гармонический анализ крутя щих 
моментов; расчет вынужденных колебаний; выбор парамет ров резинового и жидкостного демпферов крутильных колебаний.
В шестой главе дан пример расчетно-пояснительной записки 
к реальному курсовому проекту с необходимыми пояснениями автора. Все необходимые для расчета зависимости приведены без вы

Предисловие
5

водов, так как автор стремился, не ограничиваясь простым их перечислением, дать компактное представление об идейных осно вах 
соответствующих разделов.
Пособие рассчитано как на аудиторную, так и на самостоятельную работу студентов.
Автор с благодарностью примет замечания и предложения, которые могут появиться при практическом пользовании пособием. 
Замечания просим направлять по адресу: 600000, г. Владимир, 
ул. Горького, д. 87, Владимирский государственный университет 
имени А.Г. и Н.Г. Столетовых, кафедра «Тепловые двигатели 
и энергетические установки», E-mail: hotz@mail.ru; gotz@vlsu.ru

Глава 1
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
«ДИНАМИКА ДВИГАТЕЛЕЙ».
СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

...обычно каждый педагог, каждый специалист в своей области искренне убежден,
что он хорошо знает, что и как надо преподавать по его специальности, и обычно весьма
нетерпимо относится к другим мнениям по
этим вопросам.
Л.Д. Кудрявцев1

1.1. Цели и задачи дисциплины

Целями освоения дисциплины «Динамика двигателей» являются: формирование знаний в области динамики поршневых двигателей внутреннего сгорания, ознакомление студентов со схемами преобразующих механизмов ДВС, кинематикой и динамикой
кривошипношатунных механизмов, способами уравновешивания сил и моментов, от которых зависят не только общий уровень
вибраций, но и производительность, ресурс, надежность и точность работы энергетической установки.
Задачи дисциплины — привитие навыков для определения
сил, действующих в кривошипношатунном механизме (КШМ),
обеспечения методов балансировки двигателей, методов динамических расчетов, расчетов крутильных колебаний коленчатых валов и способов обеспечения надежной работы двигателей в составе энергетических установок.

1 Кудрявцев Л.Д. Мысли о современной математике и ее изучении. М.: Наука,
1977.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование
следующих компетенций:
• способность и готовность использовать информационные
технологии, в том числе современные средства компьютерной графики в области динамики двигателей;
• способность демонстрировать знание кинематики и динамики двигателей внутреннего сгорания, способов балансировки двигателей;
• способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения;
• способность и готовность анализировать научнотехническую информацию, изучать отечественный и зарубежный
опыт в области балансировки двигателей и демпфирования
крутильных колебаний.
В результате освоения дисциплины студент должен:
иметь представление:
• о методах анализа динамических процессов в поршневых
двигателях, колебаний элементов двигателей, их влиянии на
показатели двигателей, о способах балансировки;
знать:
• основные методы расчета и оценки нагрузок в основных нагруженных механизмах поршневых двигателей;
• методы балансировки двигателей;
• методы демпфирования колебаний в силовых цепях двигателей;
уметь:
• в профессиональной деятельности формулировать цель динамического анализа и применять кинематические и динамические расчеты для обеспечения высоких экологических и
ресурсных показателей двигателей;
• выбрать способы балансировки двигателя, провести анализ
возможности возникновения резонансных режимов;
иметь практические навыки:
• расчета противовесов, проведения гармонического анализа
возмущающих моментов, расчета собственных частот колебаний крутильных систем, выявления опасных режимов работы;
• выбора конструкции демпферов колебаний.

1.1. Цели и задачи дисциплины
7

Курсовой проект по дисциплине «Динамика двигателей» —
это самостоятельная, оригинальная работа, выполняемая студентами в соответствии с заданием на проектирование, включающая
в себя отбор, распределение и информатизацию материала о кинематике и динамике поршневого двигателя. Под руководством преподавателя студенты решают возникшие проблемные ситуации, в
результате чего и происходят творческое овладение профессиональными знаниями, навыками и умениями и развитие мыслительных способностей. В частности, студент сам должен выбрать
компоновочную схему поршневого двигателя (однорядный или
Vобразный и соответственно сменить предлагаемый прототип).
В зависимости от выбранной схемы поразному проводится уравновешивание двигателя. В расчетнопояснительной записке подробно объясняется необходимость демпфирования крутильных
колебаний. Если какойнибудь из разделов проекта рассматривается в большем объеме, то рекомендуется провести сокращение по
другим разделам. При этом студенты используют учебные компьютерные программы для проведения расчетов, построения графиков и эскизных проектов деталей, а также узлов двигателей.
В приложении приводится алгоритм, по которому разработана
программа динамического расчета кривошипношатунного механизма поршневого двигателя. Кроме того, приведенные зависимости позволяют проводить расчеты по стандартным программам на
ПЭВМ без привлечения сложных компьютерных программ.
По результатам выполненной работы студенты представляют
расчетнопояснительную записку и чертежи (4—5 листов формата
А1) с графическим оформлением исследований кинематических и
динамических особенностей проектируемого двигателя.
Курсовые проекты защищаются в специальной комиссии, состоящей из двухтрех преподавателей кафедры, при обязательном
участии руководителя курсового проектирования и в присутствии
студентов группы. Вопросы могут задавать все присутствующие на
защите.
Защита — это особая форма проверки индивидуального выполнения курсового проекта, полученных знаний и навыков. Кроме
того, защищая проект, студент учится всесторонне обосновывать
предложенные им решения, а также глубоко осмысливать выполненную работу. Защита предполагает короткий доклад студента по

8
Глава 1. Цели и задачи дисциплины «Динамика двигателей»...

содержанию проекта и ответы на вопросы. В результате защиты
студенты получают дифференцированную оценку.

После защиты курсового проекта, как правило, руководитель

проекта должен дать анализ допущенных неточностей при подготовке расчетнопояснительной записки и графической части проекта, а также в ответах на заданные при защите вопросы.

1.2. Примерное задание на разработку курсового проекта
на тему «Кинематика и динамика кривошипношатунного
механизма поршневого двигателя»
по дисциплине «Динамика двигателей»

Провести кинематический и динамический расчет кривошипношатунного механизма четырехтактного бензинового двигателя
(или дизеля) номинальной мощности Ne кВт при частоте вращения n мин1, с коэффициентом приспособляемости K ≤ 1,16 (или
номинальным коэффициентом крутящего момента μн ≤ 15 %),
скоростным коэффициентом Kn ≤ 0, 72.

Примечание. При выдаче задания на курсовой проект студентам указываются двигателипрототипы, конструктивные параметры которых можно использовать при расчетах.

1.2.1. Содержание курсового проекта по разделу
«Кинематика кривошипношатунного механизма»

1. Провести расчет цикла двигателя в двух режимах: максимального крутящего момента и номинальном, определить конструктивные параметры кривошипношатунного механизма (диаметр и ход поршня) по данным расчета и двигателяпрототипа.
Построить индикаторную диаграмму p
f v
=
( ), перестроить ее в зависимости от угла поворота кривошипа p
f
=
( )
ϕ .

2. Построить графики перемещения sп, скорости vп и ускорения jп поршня в зависимости от угла поворота ϕ кривошипа (sп =
= f
v
f
j
f
( );
( );
( )
ϕ
ϕ
ϕ
п
п
=
=
).

1.2. Примерное задание на разработку курсового проекта...
9

3. Построить графики угловых перемещения βш, скорости ωш

и ускорения εш качания шатуна в зависимости от угла поворота ϕ
кривошипа (β
ϕ ω
ϕ
ε
ϕ
ш
ш
ш
=
=
=
f
f
f
( );
( );
( )).

1.2.2. Содержание курсового проекта
по разделам «Динамика кривошипношатунного механизма»
и «Уравновешивание двигателей»

1. Приближенно или по данным двигателяпрототипа определить массы деталей КШМ и цилиндропоршневой группы. Подготовить исходные данные для проведения динамического расчета

2. Выбрать схему уравновешивания центробежных сил инерции и их моментов для неуравновешенных вращающихся масс, а
также определить массы противовесов.

3. Выбрать схему уравновешивания сил инерции и их моментов от возвратнопоступательно движущихся масс, а также провести при необходимости их уравновешивание.

4. Выбрать схему кривошипов коленчатого вала (КВ) и определить силы и моменты, действующие в кривошипношатунном механизме. Динамический расчет проводится по программе Dinn, алгоритм которой приведен в прил. 2. Расчет рекомендуется провести

та и выбрать наиболее нагруженный один расчетный режим.

5. Показать, изменятся ли полярные диаграммы нагрузок на

коренные шейки КВ с учетом уравновешивания и условные диаграммы их изнашивания.

6. Построить график удельных сил инерции Pj.уд возвратнопоступательно движущихся масс, газовых Pг.уд и суммарных сил Ps.уд
в прямоугольных координатах.

7. Определить суммарные удельные силы Nуд, Sуд, Kуд и Tуд,

а также индикаторные моменты двигателя в двух режимах, построить графики их в зависимости от угла поворота кривошипа.

8. Построить полярную диаграмму нагрузок на шатунную

шейку коленчатого вала и условную диаграмму ее износа.

9. Построить полярную диаграмму нагрузок на наиболее нагруженную коренную шейку коленчатого вала и условную диаграмму ее износа.

10
Глава 1. Цели и задачи дисциплины «Динамика двигателей»...

в двух режимах.

в двух режимах: номинальном и максимального крутящего момен