Домой Колеса Изменение касательной силы на коренной шейке. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме двс. Динамический расчет КШМ

Колеса

Изменение касательной силы на коренной шейке. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме двс. Динамический расчет КШМ

Силы действующие на шейки коленчатого вала. К таким силам относятся: сила давления газов уравновешивается в самом двигателе и на его опоры не передается; сила инерции приложена к центру возвратнопоступательно движущихся масс и направлена вдоль оси цилиндра через подшипники коленчатого вала воздействуют на корпус двигателя вызывая его вибрацию на опорах в направлении оси цилиндра; центробежная сила от вращающихся масс направлена по кривошипу в средней его плоскости воздействуя через опоры коленчатого вала на корпус двигателя...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 12

ДИНАМИКА КШМ

12.1. Силы давления газов

12.2. Силы инерции

12 .2.1. Приведение масс деталей КШМ

12.3. Суммарные силы, действующие в КШМ

12.3.1. Силы , действующие на шейки коленчатого вала

12.4. Порядок работы цилиндров двигателя в зависимости от расположения кривошипов и числа цилиндров

При работе двигателя в КШМ действуют силы и моменты, которые не только воздействуют на детали КШМ и другие узлы, но и вызывают неравномерность хода двигателя. К таким силам относятся:

сила давления газов уравновешивается в самом двигателе и на его опоры не передается;
сила инерции приложена к центру возвратно-поступательно движущихся масс и направлена вдоль оси цилиндра, через подшипники коленчатого вала воздействуют на корпус двигателя, вызывая его вибрацию на опорах в направлении оси цилиндра;
центробежная сила от вращающихся масс направлена по кривошипу в средней его плоскости, воздействуя через опоры коленчатого вала на корпус двигателя, вызывает колебания двигателя на опорах в направлении кривошипа.

Кроме того, возникают такие силы, как давление на поршень со стороны картера, и силы тяжести КШМ, которые не учитываются в виду их относительно малой величины.

Все действующие в двигателе силы взаимодействуют с сопротивлением на коленчатом валу, силами трения и воспринимаются опорами двигателя. В течение каждого рабочего цикла (720° для четырехтактного и 360° для двухтактного двигателей) силы, действующие в КШМ, непрерывно меняются по величине и направлению и для установления характера изменения данных сил от угла поворота коленчатого вала их определяют через каждые 1030° для определенных положений коленчатого вала.

12.1. Силы давления газов

Силы давления газов действуют на поршень, стенки и головку цилиндра. Для упрощения динамического расчета силы давления газов заменяются одной силой, направленной по оси цилиндра и прило женной к оси поршневого пальца.

Данную силу определяют для каждого момента времени (угла поворота коленчатого вала φ) по индикаторной диаграмме, полученной на основании теплового расчета или снятой непосредственно с двигателя с помощью специальной установки. На рис. 12.1 показаны развернутые индикаторные диаграммы сил, действующих в в частности изменение силы давления газов (Р г ) от величины угла поворота коленчатого вала.

Рис. 12.1. Развернутые индикаторные диаграммы сил,
действующих в КШМ

12.2. Силы инерции

Для определения сил инерции, действующих в КШМ, необходимо знать массы перемещающихся деталей. Для упрощения расчета массы движущихся деталей заменим системой условных масс, эквивалентных реально существующим массам. Такая замена называется приведением масс.

12.2.1. Приведение масс деталей КШМ

По характеру движения массы деталей КШМ можно разделить на три группы:

детали, движущиеся возвратно-поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна);
детали, совершающие вращательное движение (коленчатый вал и нижняя головка шатуна);
детали, совершающие сложное плоско-параллельное движение (стержень шатуна).

Массу поршневой группы (т п ) считают сосредоточенной на оси поршневого пальца в точке А (рис. 12.2).

Рис. 12.2. Приведение масс шатуна

Массу шатунной группы заменяют двумя массами: т шп сосредоточена на оси поршневого пальца в точке А, т шк на оси кривошипа в точке В. Значения этих масс находят по формулам:

где L ш длина шатуна;

L шк расстояние от центра кривошипной головки до центра тяжести шатуна.

Для большинства существующих двигателей т шп находится в пределе от 0,2 т ш до 0,3 т ш , а т шк от 0,7 т ш до 0,8 т ш . Величина т ш может быть определена через конструктивную массу (табл. 12.1), полученную на основании статистических данных.

Массу кривошипа заменяют двумя массами, сосредоточенными на оси кривошипа в точке В (т к ) и на оси коренной шейки в точке О (т о ) (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Приведение масс кривошипа: а реальная; б эквивалентная

Масса коренной шейки с частью щек, расположенных симметрично относительно оси вращения, является уравновешенной. Неуравновешенные массы кривошипа заменяют одной приведенной массой с соблюдением условия равенства центробежной силы инерции действительной массы центробежной силе приведенной массы. Эквивалентную массу приводят к радиусу кривошипа R и обозначают т к .

Массу шатунной шейки т шш с прилежащими частями щек принимают сосредоточенной посередине оси шейки, и так как центр тяжести ее удален от оси вала на расстояние равное R , приведение этой массы не требуется. Массу щеки т ш с центром тяжести на расстоянии р от оси коленчатого вала заменяют приведенной массой расположенной на расстоянии R от оси коленчатого вала. Приведенная масса всего кривошипа определяется суммой приведенных масс шатунной шейки и щек:

При проектировании двигателей величина т к может быть получена через конструктивные массы кривошипа т " к (см. табл. 12.1). У современных короткоходных двигателей величина т ш мала по сравнению с т шш и ею можно пренебречь.

Таблица 12.1. Значения конструктивных масс КШМ, кг/м 2

Элемент КШМ	Карбюраторные двигатели с D от 60 до 100 мм	Дизели с D от 80 до 120 мм
Поршневая группа (т" п = т ш / F п )
Поршень из алюминиевого сплава	80-50	150-300
Чугунный поршень	150-250	250-400
Шатун (т " к = т ш / F п )
Шатун	100-200	250-400
Неуравновешенные части одного колена коленчатого вала без противовесов (т " к = т к / F п )
Стальной кованый коленчатый вал со сплошными шейками	150-200	200-400
Чугунный литой коленчатый вал с полыми шейками	100-200	150-300

Примечания.

1. При использовании табл. 12.1 следует учитывать, что большие значения т " соответствуют двигателям с большим диаметром цилиндра.

2. Уменьшение S/D снижает т" ш и т" к .

3. V-образным двигателям с двумя шатунами на шейке соответствуют большие значения т" к .

Таким образом, система сосредоточенных масс, динамически эквивалентная КШМ, состоит из массы т А , сосредоточенной в точке А и совершающей возвратно-поступательное движение:

и массы т В , сосредоточенной в точке В и имеющей вращательное движение:

В V -образных двигателях со сдвоенным КШМ т В = т к + 2т шк .

При динамическом расчете двигателя значения т п и т ш определяют по данным прототипов или рассчитывают. Значения же т шш и т ш определяют исходя из размеров кривошипа и плотности материала коленчатого вала. Для приближенного определения значения т п , т ш и т к можно использовать конструктивные массы:

где .

12.2.2. Определение сил инерции

Силы инерции, действующие в КШМ, в соответствии с характером движения приведенных масс, делятся на силы инерции поступательно движущихся масс P j и центробежные силы инерции вращающихся масс Р ц .

Сила инерции от возвратно-поступательно движущихся масс может быть определена по формуле

(12.1)

Знак минус указывает на то, что сила инерции направлена в сторону противоположную ускорению. Ее можно рассматривать, как состоящую из двух сил (аналогично ускорению).

Первая составляющая

(12.2)

сила инерции первого порядка.

Вторая составляющая

(12.3)

сила инерции второго порядка.

Таким образом,

Центробежная сила инерции вращающихся масс постоянна по величине и направлена от оси коленчатого вала. Ее величина определяется по формуле

(12.4)

Полное представление о нагрузках, действующих в деталях КШМ, может быть получено лишь в результате совокупности действия различных сил, возникающих при работе двигателя.

12.3. Суммарные силы, действующие в КШМ

Рассмотрим работу одноцилиндрового двигателя. Силы, действую щие в одноцилиндровом двигателе, показаны на рис. 12.4. В КШМ действуют сила давления газов Р г , сила инерции возвратно-поступа тельно движущихся масс P j и центробежная сила Р ц . Силы Р г и P j приложены к поршню и действуют по его оси. Сложив эти две силы, получим суммарную силу, действующую по оси цилиндра:

(12.5)

Перемещенная сила Р в центр поршневого пальца раскладывается на две составляющие:

(12. 6 )

сила, направленная по оси шатуна;

(12. 7 )

сила, перпендикулярная стенке цилиндра.

Рис. 12.4. Силы, действующие в КШМ одноцилиндрового двигателя

Сила P N воспринимается боковой поверхностью стенки цилиндра и обусловливает износ поршня и цилиндра. Она считается положительной, если создаваемый ею момент относительно оси коленчатого вала направлен противоположно направлению вращения вала двигателя.

Сила Р ш считается положительной, если сжимает шатун, и отрицательной, если растягивает его.

Сила Р ш , приложенная к шатунной шейке (Р " ш ), раскладывается на две составляющие:

(12.8)

тангенциальную силу, касательную к окружности радиуса кривошипа;

(12.9)

нормальную силу (радиальную), направленную по радиусу кривошипа.

Сила Z считается положительной, если она сжимает щеки кривошипа. Сила Т считается положительной, если направление создаваемого ею момента совпадает с направлением вращения коленчатого вала.

По величине Т определяют индикаторный крутящий момент одного цилиндра:

(12.10)

Нормальная и тангенциальная силы, перенесенные в центр коленчатого вала (Z " и Т "), образуют равнодействующую силу Р"" ш , которая параллельна и равна по величине силе Р ш . Сила Р"" ш нагружает коренные подшипники коленчатого вала. В свою очередь силу Р"" ш можно разложить на две составляющие: силу P " N , перпендикулярную к оси цилиндра, и силу Р", действующую по оси цилиндра. Силы P " N и P N образуют пару сил, момент которой называется опрокидывающим. Его величина определяется по формуле

(12.11)

Данный момент равен индикаторному крутящему моменту и направлен в противоположную ему сторону:

Так как , то

(12.12)

Крутящий момент передается через трансмиссию ведущим колесам, а опрокидывающий момент воспринимается опорами двигателя. Сила Р " равна силе Р , и аналогично последней ее можно представить как

Составляющая P " г уравновешивается силой давления газов, приложенной к головке цилиндра, a P " j является свободной неуравновешенной силой, передающейся на опоры двигателя.

Центробежная сила инерции прикладывается к шатунной шейке кривошипа и направлена в сторону от оси коленчатого вала. Она так же как и сила P " j является неуравновешенной и передается через коренные подшипники на опоры двигателя.

12.3.1. Силы, действующие на шейки коленчатого вала

На шатунную шейку действуют радиальная сила Z , тангенциальная сила Т и центробежная сила Р ц от вращающейся массы шатуна. Силы Z и Р ц направлены по одной прямой, поэтому их равнодействующая

или

(12.13)

Здесь Р ц определяется не как , а как , поскольку речь идет о центробежной силе только шатуна, а не всего кривошипа.

Равнодействующая всех сил, действующих на шатунную шейку, рассчитывается по формуле

(12.14)

Действие силы R ш вызывает износ шатунной шейки. Результирующую силу, приложенную к коренной шейки коленчатого вала, находят графическим способом, как силы, передающиеся от двух смежных колен.

12.3.2. Аналитическое и графическое представление сил и моментов

Аналитическое представление сил и моментов, действующих в КШМ, представлено формулами (12.1)(12.14).

Нагляднее изменение сил, действующих в КШМ в зависимости от угла поворота коленчатого вала, можно представить в качестве развернутых диаграмм, которые используются для расчета деталей КШМ на прочность, оценки износа трущихся поверхностей деталей, анализа равномерности хода и определения суммарного крутящего момента многоцилиндровых двигателей, а также построения полярных диаграмм нагрузок на шейку вала и его подшипники.

Обычно при расчетах строятся две развернутые диаграммы: на одной изображаются зависимости , и (см. рис. 12.1), на другой зависимости и (рис. 12.5).

Рис. 12.5. Развернутые диаграммы тангенциальной и реальной сил, действующих в КШМ

Развернутые диаграммы, действующих в КШМ сил, дают возможность сравнительно простым способом определять крутящий момент многоцилиндровых двигателей.

Из уравнения (12.10) следует, что крутящий момент одноцилиндрового двигателя можно выразить как функцию Т=f (φ). Значение силы Т в зависимости от изменения угла поворота значительно изменяется, как видно на рис. 12.5. Очевидно, что и крутящий момент будет изменяться аналогично.

В многоцилиндровых двигателях переменные крутящие моменты отдельных цилиндров суммируются по длине коленчатого вала, в результате чего на конце вала действует суммарный крутящий момент. Значения этого момента можно определить графически. Для этого проекцию кривой Т=f (φ) на оси абсцисс разбивают на равные отрезки (число отрезков равняется числу цилиндров). Каждый отрезок делят на несколько равных частей (здесь на 8). Для каждой полученной точки абсциссы определяют алгебраическую сумму ординат двух кривых (над абсциссой значения со знаком «+», ниже абсциссы значения со знаком «-»). Полученные значения откладывают соответственно в координатах х, у и полученные точки соединяют кривой (рис. 12.6). Эта кривая и является кривой результирующего крутящего момента за один рабочий цикл двигателя.

Рис. 12.6. Развернутая диаграмма результирующего крутящего момента
за один рабочий цикл двигателя

Для определения среднего значения крутящего момента подсчитывается площадь F , ограниченная кривой крутящего момента и осью ординат (выше оси значение положительное, ниже отрицательное):

где L длина диаграммы по оси абсцисс; м М масштаб.

При известном масштабе тангенциальной силы м Т найдем масштаб крутящего момента м М = м Т R , R радиус кривошипа.

Так как при определении крутящего момента не учитывались потери внутри двигателя, то, выражая эффективный крутящий момент через индикаторный, получим

где М к эффективный крутящий момент; η м механический КПД двигателя.

12.4. Порядок работы цилиндров двигателя в зависимости от расположения кривошипов и числа цилиндров

В многоцилиндровом двигателе расположение кривошипов коленчатого вала должно, во-первых, обеспечивать равномерность хода двигателя, и, во-вторых, обеспечить взаимную уравновешенность сил инерции вращающихся масс и возвратно-поступательно движущихся масс.

Для обеспечения равномерности хода необходимо создать условия для чередования в цилиндрах вспышек через равные интервалы угла поворота коленчатого вала. Поэтому для однорядного двигателя угол ф, соответствующий угловому интервалу между вспышками при четырехтактном цикле рассчитывается по формуле φ = 720°/ i , где i число цилиндров, а при двухтактном по формуле φ = 360°/ i .

На равномерность чередования вспышек в цилиндрах многорядного двигателя, кроме угла между кривошипами коленчатого вала, влияет и угол γ между рядами цилиндров. Для получения оптимальной равномерности хода n -рядного двигателя этот угол должен быть в n раз меньше угла между кривошипами коленчатого вала, т. е.

Тогда угловой интервал между вспышками для четырехтактного двигателя

Для двухтактного

Для удовлетворения требования уравновешенности необходимо, чтобы число цилиндров в одном ряду и соответственно число кривошипов коленчатого вала было четным, причем кривошипы должны быть расположены симметрично относительно середины коленчатого вала. Симметричное относительно середины коленчатого вала расположение кривошипов называется «зеркальным». При выборе формы коленчатого вала, кроме уравновешенности двигателя и равномерности его хода, учитывают также порядок работы цилиндров.

Оптимальный порядок работы цилиндров, когда очередной рабочий ход происходит в цилиндре, наиболее удаленном от предыдущего, позволяет снизить нагрузки на коренные подшипники коленчатого вала и улучшить охлаждение двигателя.

На рис. 12.7 приведены последовательности работ цилиндров однорядных (а ) и V -образных (б ) четырехтактных двигателей.

Рис. 12.7. Последовательность работ цилиндров четырехтактных двигателй:

а однорядных; б V -образных

PAGE \* MERGEFORMAT 1

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
10783.		Динамика конфликта	16.23 KB
	Динамика конфликта Вопрос 1. Общее представление о динамике конфликта предконфликтная ситуация Всякий конфликт может быть представлен тремя этапами: 1 начало 2 развитие 3 завершение. Таким образом общая схема динамики конфликта складывается из следующих периодов: 1 Предконфликтная ситуация латентный период; 2 Открытый конфликт собственно конфликт: инцидент начало конфликта эскалация развитие конфликта завершение конфликта; 3 Послеконфликтный период. Предконфликтная ситуация это возможность конфликта...
15485.		Динамика асослари	157.05 KB
	Моддий нуқта динамикасининг биринчи асосий масаласини ечиш 5. Моддий нуқта динамиканинг иккинчи асосий масаласини ечиш 6. Динамикада моддий нуқта моддий нуқталар системаси ва абсолют жисмнинг ҳаракати шу ҳаракатни вужудга келтирувчи кучлар билан биргаликда ўрганилади. Динамикада дастлаб моддий нуқтанинг ҳаракати ўрганилади.
10816.		Динамика популяций	252.45 KB
	Динамика популяции одно из наиболее значимых биологических и экологических явлений. Образно говоря жизнь популяции проявляется в ее динамике. Модели динамики и роста популяции.
1946.		Динамика механизмов	374.46 KB
	Задачи динамики: Прямая задача динамики силовой анализ механизма по за данному закону движения определить действующие на его звенья силы а также реакции в кинематических парах механизма. К механизму машинного агрегата во время его движения приложены различные силы. Это движущие силы силы сопротивления иногда их называют силами полезного сопротивления силы тяжести силы трения и многие другие силы. Своим действием приложенные силы сообщают механизму тот или иной закон движения.
4683.		ДИНАМИКА НАУЧНОГО ЗНАНИЯ	14.29 KB
	Важнейшей особенностью научного знания является его динамика – изменение и развитие формальных и содержательных характеристик в зависимости от временных и социокультурных условий производства и воспроизводства новой научной информации.
1677.		Лидерство и групповая динамика	66.76 KB
	Целью данной работы является выявление потенциальных лидеров в ученическом коллективе а также: Основные темы в исследовании лидерства; Взаимодействие лидер и группы; Функции лидера Теоретические подходы к лидерству различных исследователей. Данная работа состоит из двух глав: первая глава теоретическая часть обзор основных тем в исследовании лидерства взаимоотношения лидера и группы функции лидера и теоретические подходы к лидерству вторая глава экспериментальное исследование одной таблицы шести диаграмм и двух...
6321.		ДИНАМИКА МАТЕРИАЛЬНОЙ ТОЧКИ	108.73 KB
	Сила действующая на частицу в системе совпадает с силой действующей на частицу в системе. Это следует из того что сила зависит от расстояний между данной частицей и действующими на нее частицами и возможно от относительных скоростей частиц а эти расстояния и скорости полагаются в ньютоновской механике одинаковыми во всех инерциальных системах отсчета. В рамках классической механики имеют дело с гравитационными и электромагнитными силами а также с упругими силами и силами трения. Гравитационные и...
4744.		СТРУКТУРА И ДИНАМИКА ОБЩЕСТВА КАК СИСТЕМЫ	22.85 KB
	Общество – это исторически развивающаяся целостная система отношений и взаимодействий между людьми, их общностями и организациями, складывающаяся и изменяющаяся в процессе их совместной деятельности.
21066.		ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ ЗООПЛАНКТОНА В НОВОРОССИЙСКОЙ БУХТЕ	505.36 KB
	Новороссийская бухта – наиболее крупная бухта Северо-Восточной части Черного моря. Вместе с прилегающей к ней открытой акваторией она долгие годы являлась одним из важных рыбопромысловых и нерестовых районов Российского сектора Черного моря. Особенности географического положения, большие глубины и площадь, достаточный водообмен с открытым морем, хорошая кормовая база – все эти факторы способствовали массовым заходам в бухту различных видов рыб для размножения и нагула
16846.		Современная финансово-экономическая динамика и политэкономия	12.11 KB
	Основным противоречием современной финансово-экономической системы является противоречие между производством реальной стоимости и движением ее денежных и финансовых форм. превращения стоимости воплощенной в разнообразных ресурсах в источник получения прибавочной стоимости заключенной в произведенных благах. Увеличение капитализации создает дополнительный спрос на деньги для обслуживания возрастающего оборота стоимости что приводит к росту монетизации экономики которая в свою очередь создает дополнительные возможности капитализации...

Лекция 11

КИНЕМАТИКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

11.1. Типы КШМ

11.2.1. Перемещение поршня

11.2.2. Скорость поршня

11.2.3. Ускорение поршня

Кривошипно-шатунный механизм (K Ш M ) является основным механизмом поршневого ДВС, который воспринимает и передает значительные по величине нагрузки. Поэтому расчет прочности K Ш M имеет важное значение. В свою очередь расчеты многих деталей двигателя зависят от кинематики и динамики КШМ. Кинематиче ский анализ КШМ устанавливает законы движения его звеньев, в первую очередь поршня и шатуна.

Для упрощения исследования КШМ будем считать, что кривошипы коленчатого вала вращаются равномерно, т. е. с постоянной угловой скоростью.

11.1. Типы КШМ

В поршневых ДВС применяются три типа КШМ:

центральный (аксиальный);
смешанный (дезаксиальный);
с прицепным шатуном.

В центральном КШМ ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема центрального КШМ: φ текущий угол поворота коленчатого вала; β угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра (при отклонении шатуна в направлении вращения кривошипа угол β считается положительным, в противоположном направлении отрицательным); S ход поршня;
R радиус кривошипа; L длина шатуна; х перемещение поршня;

ω угловая скорость коленчатого вала

Угловая скорость рассчитывается по формуле

Важным конструктивным параметром КШМ является отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:

Установлено, что с уменьшением λ (за счет увеличения L ) происходит снижение инерционных и нормальных сил. При этом увеличивается высота двигателя и его масса, поэтому в автомобильных двигателях принимают λ от 0,23 до 0,3.

Значения λ для некоторых автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 11.1.

Таблица 11 . 1. Значения параметра λ для р азличных двигателей

Двигатель
ВАЗ-2106	0,295
ЗИЛ-130	0,257
Д-20	0,280
СМД-14	0,28
ЯМЗ-240	0,264
КамАЗ -740	0,2167

В дезаксиальном КШМ (рис. 11.2) ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала и смещена относительно ее на расстояние а .

Рис. 11.2. Схема дезаксиального КШМ

Дезаксиальные КШМ имеют относительно центральных КШМ некоторые преимущества:

увеличенное расстояние между коленчатым и распределительным валами, в результате чего увеличивается пространство для перемещения нижней головки шатуна;
более равномерный износ цилиндров двигателя;
при одинаковых значениях R и λ больше ход поршня, что способствует снижению содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателя;
увеличенный рабочий объем двигателя.

На рис. 11.3 показан КШМ с прицепным шатуном. Шатун, который шарнирно соединен непосредственно с шейкой коленчатого вала, называется главным, а шатун, который соединен с главным посредством пальца, расположенного на его головке, называется прицепным. Такая схема КШМ применяется на двигателях с большим числом цилиндров, когда хотят уменьшить длину двигателя. Поршни, соединенные с главным и прицепным шатуном имеют не одинаковый ход, так как ось кривошипной головки прицепно го шатуна при работе описывает эллипс, большая полуось которого больше радиуса кривошипа. В V -образном двенадцатицилиндровом двигателе Д-12 разница в ходе поршней составляет 6,7 мм.

Рис. 11.3. КШМ с прицепным шатуном: 1 поршень; 2 компрессионное кольцо; 3 поршневой палец; 4 заглушка поршневого паль ца; 5 втулка верхней головки шатуна; 6 главный шатун; 7 прицепной шатун; 8 втулка нижней головки прицепного шатуна; 9 палец крепления прицепного шатуна; 10 установочный штифт; 11 вкладыши; 12 кониче ский штифт

11.2. Кинематика центрального КШМ

При кинематическом анализе КШМ считается, что угловая скорость коленчатого вала постоянна. В задачу кинематического расчета входит определение перемещения поршня, скорости его движения и ускорения.

11.2.1. Перемещение поршня

Перемещение поршня в зависимости от угла поворота кривошипа для двигателя с центральным КШМ рассчитывается по формуле

(11.1)

Анализ уравнения (11.1) показывает, что перемещение поршня можно представить как сумму двух перемещений:

x 1 перемещение первого порядка, соответствует перемещению поршня при бесконечно длинном шатуне (L = ∞ при λ = 0):

х 2 перемещение второго порядка, представляет собой поправку на конечную длину шатуна:

Величина х 2 зависит от λ. При заданном λ экстремальные значения х 2 будут иметь место, если

т. е. в пределах одного оборота экстремальные значения х 2 будут соответствовать углам поворота (φ) 0; 90; 180 и 270°.

Максимальных значений перемещение достигнет при φ = 90° и φ = 270°, т. е. когда со s φ = -1. В этих случаях действительное перемещение поршня составит

Величина λR /2, называется поправкой Брикса и является поправкой на конечную длину шатуна.

На рис. 11.4 показана зависимость перемещения поршня от угла поворота коленчатого вала. При повороте кривошипа на 90° поршень проходит больше половины своего хода. Это объясняется тем, что при повороте кривошипа от ВМТ до НМТ поршень движется под действием перемещения шатуна вдоль оси цилиндра и отклонения его от этой оси. В первой четверти окружности (от 0 до 90°) шатун одновременно с перемещением к коленчатому валу отклоняется от оси цилиндра, причем оба перемещения шатуна соответствуют движению поршня в одном направлении, и поршень проходит больше половины своего пути. При движении кривошипа во второй четверти окружности (от 90 до 180°) направления движений шатуна и поршня не совпадают, поршень проходит наименьший путь.

Рис. 11.4. Зависимость перемещения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала

Перемещение поршня для каждого из углов поворота может быть определено графическим путем, которое получило название метод Брикса. Для этого из центра окружности радиусом R = S / 2 откладывается в сторону НМТ поправка Брикса, находится новый центр О 1 . Из центра О 1 через определенные значения φ (например, через каждые 30°) проводят радиус-вектор до пересечения с окружностью. Проекции точек пересечения на ось цилиндра (линия ВМТНМТ) дают искомые положения поршня при данных значениях угла φ. Использование современных автоматизированных вычислительных средств позволяет быстро получить зависимость x = f (φ).

11.2.2. Скорость поршня

Производная перемещения поршня уравнение (11.1) по времени вращения дает скорость перемещения поршня:

(11.2)

Аналогично перемещению поршня скорость поршня может быть представлена также в виде двух составляющих:

где V 1 составляющая скорости поршня первого порядка:

V 2 составляющая скорости поршня второго порядка:

Составляющая V 2 представляет собой скорость поршня при бесконечно длинном шатуне. Составляющая V 2 является поправкой к скорости поршня на конечную длину шатуна. Зависимость изменения скорости поршня от угла поворота коленчатого вала показана на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала

Максимальные значения скорость достигает при углах поворота коленчатого вала меньше 90 и больше 270°. Точное значение этих углов зависит от величин λ. Для λ от 0,2 до 0,3 максимальные скорости поршня соответствуют углам поворота коленчатого вала от 70 до 80° и от 280 до 287°.

Средняя скорость поршня рассчитывается следующим образом:

Средняя скорость поршня в автомобильных двигателях обычно находится в пределе от 8 и до 15 м/с. Значение максимальной скорости поршня с достаточной точностью может быть определено как

11.2.3. Ускорение поршня

Ускорение поршня определяется как первая производная скорости по времени или как вторая производная перемещения поршня по времени:

(11.3)

где и гармонические составляющие первого и второго порядка ускорения поршня соответственно j 1 и j 2 . При этом первая составляющая выражает ускорение поршня при бесконечно длинном шатуне, а вторая составляющая поправку ускорения на конечную длину шатуна.

Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала показаны на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих
от угла поворота коленчатого вала

Ускорение достигает максимальных значений при положении поршня в ВМТ, а минимальных в НМТ или около НМТ. Эти изменения кривой j на участке от 180 до ±45° зависят от величины λ . При λ > 0,25 кривая j имеет вогнутую форму в сторону оси φ (седло), и ускорение достигает минимальных значений дважды. При λ = 0,25 кривая ускорения выпуклая, и ускорение достигает наибольшего отрицательного значения только один раз. Максимальные ускорения поршня в автомобильных ДВС 10 000 м/с 2 . Кинематика дезаксиа льного КШМ и КШМ с прицеп ным шатуном несколько отличает ся от кинематики центрального КШМ и в настоящем издании не рассматривается.

11.3. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D является одним из основных параметров, который определяет размеры и массу двигателя. В автомобильных двигателях значения S / D от 0,8 до 1,2. Двигатели с S / D > 1 называются длинноходными, а с S / D < 1 короткоходными. Данное отношение непосредственно влияет на скорость поршня, а значит и мощность двигателя. С уменьшением значения S / D очевидны следующие преимущества:

уменьшается высота двигателя;
за счет уменьшения средней скорости поршня снижаются механические потери и уменьшается износ деталей;
улучшаются условия размещения клапанов и создаются предпосылки для увеличения их размеров;
появляется возможность увеличения диаметра коренных и шатунных шеек, что повышает жесткость коленчатого вала.

Однако есть и отрицательные моменты:

увеличивается длина двигателя и длина коленчатого вала;
повышаются нагрузки на детали от сил давления газа и от сил инерции;
уменьшается высота камеры сгорания и ухудшается ее форма, что в карбюраторных двигателях приводит к повышению склонности к детонации, а в дизелях к ухудшению условий смесеобразования.

Целесообразным считается уменьшение значения S / D при повышении быстроходности двигателя. Особенно это выгодно для V -образных двигателей, где увеличение короткоходности позволяет получить оптимальные массовые и габаритные показатели.

Значения S / D для различных двигателей:

карбюраторные двигатели 0,71;
дизели средней быстроходности 1,01,4;
быстроходные дизели 0,751,05.

При выборе значений S / D следует учитывать, что силы, действующие в КШМ, в большей степени зависят от диаметра цилиндра и в меньшей от хода поршня.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

Кривошипно-шатунный механизм (KШM) является основным механизмом поршневого ДВС, который воспринимает и передает значительные по величине нагрузки. Поэтому расчет прочности KШM имеет важное значение. В свою очередь расчеты многих деталей двигателя зависят от кинематики и динамики КШМ. Кинематический анализ КШМ устанавливает законы движения его звеньев, в первую очередь поршня и шатуна.

11.1. Типы КШМ

В поршневых ДВС применяются три типа КШМ:

центральный (аксиальный);

смешанный (дезаксиальный);

с прицепным шатуном.

В центральном КШМ ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема центрального КШМ: φ - текущий угол поворота коленчатого вала; β - угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра (при отклонении шатуна в направлении вращения кривошипа угол β считается положительным, в противоположном направлении - отрицательным); S - ход поршня;
R - радиус кривошипа; L - длина шатуна; х - перемещение поршня;

ω - угловая скорость коленчатого вала

Угловая скорость рассчитывается по формуле

Важным конструктивным параметром КШМ является отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:

Установлено, что с уменьшением λ (за счет увеличения L) происходит снижение инерционных и нормальных сил. При этом увеличивается высота двигателя и его масса, поэтому в автомобильных двигателях принимают λ от 0,23 до 0,3.

Значения λ для некоторых автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 11.1.

Таблица 11.1. Значения параметра λ для различных двигателей

В дезаксиальном КШМ (рис. 11.2) ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала и смещена относительно ее на расстояние а .

Рис. 11.2. Схема дезаксиального КШМ

Дезаксиальные КШМ имеют относительно центральных КШМ некоторые преимущества:

увеличенное расстояние между коленчатым и распределительным валами, в результате чего увеличивается пространство для перемещения нижней головки шатуна;

более равномерный износ цилиндров двигателя;

при одинаковых значениях R и λ больше ход поршня, что способствует снижению содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателя;

увеличенный рабочий объем двигателя.

На рис. 11.3 показан КШМ с прицепным шатуном. Шатун, который шарнирно соединен непосредственно с шейкой коленчатого вала, называется главным, а шатун, который соединен с главным посредством пальца, расположенного на его головке, называется прицепным. Такая схема КШМ применяется на двигателях с большим числом цилиндров, когда хотят уменьшить длину двигателя. Поршни, соединенные с главным и прицепным шатуном имеют не одинаковый ход, так как ось кривошипной головки прицепного шатуна при работе описывает эллипс, большая полуось которого больше радиуса кривошипа. В V-образном двенадцатицилиндровом двигателе Д-12 разница в ходе поршней составляет 6,7 мм.

Рис. 11.3. КШМ с прицепным шатуном: 1 - поршень; 2 - компрессионное кольцо; 3 - поршневой палец; 4 - заглушка поршневого пальца; 5 - втулка верхней головки шатуна; 6 - главный шатун; 7 - прицепной шатун; 8 - втулка нижней головки прицепного шатуна; 9 - палец крепления прицепного шатуна; 10 - установочный штифт; 11 - вкладыши; 12- конический штифт

11.2. Кинематика центрального КШМ

При кинематическом анализе КШМ считается, что угловая скорость коленчатого вала постоянна. В задачу кинематического расчета входит определение перемещения поршня, скорости его движения и ускорения.

11.2.1. Перемещение поршня

Анализ уравнения (11.1) показывает, что перемещение поршня можно представить как сумму двух перемещений:

x 1 - перемещение первого порядка, соответствует перемещению поршня при бесконечно длинном шатуне (L = ∞ при λ = 0):

х 2 - перемещение второго порядка, представляет собой поправку на конечную длину шатуна:

Величина х 2 зависит от λ. При заданном λ экстремальные значения х 2 будут иметь место, если

т. е. в пределах одного оборота экстремальные значения х 2 будут соответствовать углам поворота (φ) 0; 90; 180 и 270°.

Максимальных значений перемещение достигнет при φ = 90° и φ = 270°, т. е. когда соs φ = -1. В этих случаях действительное перемещение поршня составит

Величина λR/2, называется поправкой Брикса и является поправкой на конечную длину шатуна.

Рис. 11.4. Зависимость перемещения поршня и его составляющих от угла поворота коленчатого вала

Перемещение поршня для каждого из углов поворота может быть определено графическим путем, которое получило название метод Брикса. Для этого из центра окружности радиусом R=S/2 откладывается в сторону НМТ поправка Брикса, находится новый центр О 1 . Из центра О 1 через определенные значения φ (например, через каждые 30°) проводят радиус-вектор до пересечения с окружностью. Проекции точек пересечения на ось цилиндра (линия ВМТ-НМТ) дают искомые положения поршня при данных значениях угла φ. Использование современных автоматизированных вычислительных средств позволяет быстро получить зависимость x =f (φ).

11.2.2. Скорость поршня

Производная перемещения поршня - уравнение (11.1) по времени вращения дает скорость перемещения поршня:

Аналогично перемещению поршня скорость поршня может быть представлена также в виде двух составляющих:

где V 1 – составляющая скорости поршня первого порядка:

V 2 - составляющая скорости поршня второго порядка:

Рис. 11.5. Зависимость скорости поршня от угла поворота коленчатого вала

Максимальные значения скорость достигает при углах поворота коленчатого вала меньше 90 и больше 270°. Точное значение этих углов зависит от величин λ. Для λ от 0,2 до 0,3 максимальные скорости поршня соответствуют углам поворота коленчатого вала от 70 до 80° и от 280 до 287°.

Средняя скорость поршня рассчитывается следующим образом:

Средняя скорость поршня в автомобильных двигателях обычно находится в пределе от 8 и до 15 м/с. Значение максимальной скорости поршня с достаточной точностью может быть определено как

11.2.3. Ускорение поршня

где и - гармонические составляющие первого и второго порядка ускорения поршня соответственно j 1 и j 2 . При этом первая составляющая выражает ускорение поршня при бесконечно длинном шатуне, а вторая составляющая - поправку ускорения на конечную длину шатуна.

Рис. 11.6. Зависимости изменения ускорения поршня и его составляющих
от угла поворота коленчатого вала

Ускорение достигает максимальных значений при положении поршня в ВМТ, а минимальных - в НМТ или около НМТ. Эти изменения кривой j на участке от 180 до ±45° зависят от величины λ. При λ > 0,25 кривая j имеет вогнутую форму в сторону оси φ (седло), и ускорение достигает минимальных значений дважды. При λ = 0,25 кривая ускорения выпуклая, и ускорение достигает наибольшего отрицательного значения только один раз. Максимальные ускорения поршня в автомобильных ДВС 10 000 м/с 2 . Кинематика дезаксиального КШМ и КШМ с прицепным шатуном несколько отличается от кинематики центрального КШМ и в настоящем издании не рассматривается.

11.3. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра

Отношение хода поршня S к диаметру цилиндра D является одним из основных параметров, который определяет размеры и массу двигателя. В автомобильных двигателях значения S/D от 0,8 до 1,2. Двигатели с S/D > 1 называются длинноходными, а с S/D < 1 - короткоходными. Данное отношение непосредственно влияет на скорость поршня, а значит и мощность двигателя. С уменьшением значения S/D очевидны следующие преимущества:

уменьшается высота двигателя;

за счет уменьшения средней скорости поршня снижаются механические потери и уменьшается износ деталей;

улучшаются условия размещения клапанов и создаются предпосылки для увеличения их размеров;

появляется возможность увеличения диаметра коренных и шатунных шеек, что повышает жесткость коленчатого вала.

Однако есть и отрицательные моменты:

увеличивается длина двигателя и длина коленчатого вала;

повышаются нагрузки на детали от сил давления газа и от сил инерции;

уменьшается высота камеры сгорания и ухудшается ее форма, что в карбюраторных двигателях приводит к повышению склонности к детонации, а в дизелях - к ухудшению условий смесеобразования.

Целесообразным считается уменьшение значения S/D при повышении быстроходности двигателя. Особенно это выгодно для V-образных двигателей, где увеличение короткоходности позволяет получить оптимальные массовые и габаритные показатели.

Значения S/D для различных двигателей:

Карбюраторные двигатели - 0,7-1;

Дизели средней быстроходности - 1,0-1,4;

Быстроходные дизели - 0,75-1,05.

При выборе значений S/D следует учитывать, что силы, действующие в КШМ, в большей степени зависят от диаметра цилиндра и в меньшей - от хода поршня.

Основным звеном энергетической установки предназначенной для транспортной техники является кривошипно-шатунного механизм. Его основной задачей является превращение прямолинейного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Условия работы элементов кривошипно-шатунного механизма характеризуются широким диапазоном и высокой частотой повторения знакопеременных нагрузок в зависимости от положения поршня, характера происходящих процессов внутри цилиндра и частоты вращения коленчатого вала двигателя.

Расчет кинематики и определение динамических сил, возникающих в кривошипно-шатунном механизме, выполняем для заданного номинального режима, с учетом полученных результатов теплового расчета и ранее принятых конструктивных параметров прототипа. Результаты кинематического и динамического расчета будут использоваться для расчета на прочность и определения конкретных конструктивных параметров или размеров основных узлов и деталей двигателя.

Основной задачей кинематического расчета является определение перемещения, скорости и ускорения элементов кривошипно-шатунного механизма.

Задачей динамического расчета является определение и анализ сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме.

Угловую скорость вращения коленчатого вала принимаем постоянной, в соответствии с заданной частотой вращения.

В расчете рассматриваются нагрузки от сил давления газов и от сил инерции движущихся масс.

Текущие значения силы давления газов определяем на основе результатов расчета давлений в характерных точках рабочего цикла после построения и развертки индикаторной диаграммы в координатах по углу поворота коленчатого вала.

Силы инерции движущихся масс кривошипно-шатунного механизма делят на силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Pj и силы инерции вращающихся масс KR.

Силы инерции движущихся масс кривошипно-шатунного механизма определяем с учетом размеров цилиндра, конструктивных особенностей КШМ и масс его деталей.

Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяем эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Все детали КШМ по характеру их движения делятся на три группы:

1) Детали, совершающие возвратно-поступательное движения. К ним относим массу поршня, массу поршневых колец, массу поршневого пальца и считаем сосредоточенной на оси поршневого пальца - mn.;
2) Детали, совершающие вращательное движение. Массу таких деталей заменяем общей массой, приведенной к радиусу кривошипа Rкp, и обозначаем mк. В нее входит масса шатунной шейки mшш и приведенная масса щек кривошипа mщ, сосредоточенная на оси шатунной шейки;
3) Детали, совершающие сложное плоскопараллельное движение (шатунная группа). Для упрощения расчетов ее заменяем системой 2-х статически замещающих разнесенных масс: массы шатунной группы, сосредоточенной на оси поршневого пальца - mшп и массы шатунной группы, отнесенной и сосредоточенной на оси шатунной шейки коленчатого вала - mшк.

При этом:

mшn+ mшк= mш,

Для большинства существующих конструкций автомобильных двигателей принимают:

mшn = (0,2…0,3)· mш;

mшк = (0,8…0,7)· mш.

Таким образом, систему масс КШМ замещаем системой 2-х сконцентрированных масс:

Масса в точке А - совершающая возвратно-поступательное движение

и масса в точке В, совершающая вращательное движение

Значения mn, mш и mк определяются, исходя из существующих конструкций и конструктивных удельных масс поршня, шатуна и колена кривошипа, отнесенных к единице поверхности диаметра цилиндра.

Таблица 4 Удельные конструктивные массы элементов КШМ

Площадь поршня равна

Для начала выполнения кинематического и динамического расчёта необходимо принять значения конструктивных удельных масс элементов кривошипно - шатунного механизма из таблицы

Принимаем:

С учётом принятых значений определяем реальные значения массы отдельных элементов кривошипно - шатунного механизма

Масса поршня кг,

Масса шатуна кг,

Масса колена кривошипа кг

Общая масса элементов КШМ совершающих возвратно - поступательное движение будет равна

Общая масса элементов совершающих вращательное движение с учётом приведения и распределения массы шатуна равна

Таблица 5 Исходные данные к расчету КШМ

Наименование Параметров	Обозначения	Единицы измерения	Численные значения
1. Частота вращения коленвала
2. Число цилиндров
3. Радиус кривошипа
4. Диаметр цилиндра
5. Отношение Rкр/Lш
6. Давление в конце впуска
7. Давление окружающей среды
8. Давление выпуска отработавших газов
9. Максимальное давление цикла
10. Давление в конце расширения
11. Начальный угол расчета
12. Конечный угол расчета
13. Шаг расчета
14. Конструктивная масса поршневой группы
15. Конструктивная масса шатунной группы
16. Конструктивная масса кривошипа
17. Масса поршня
18. Масса шатуна
19. Масса колена кривошипа
20. Общая масса возвратно - поступательно движущихся элементов
21. Общая масса вращающихся элементов КШМ

При изучении кинематики КШМ предполагают, что коленчатый вал двигателя вращается с постоянной угловой скоростью ω, отсутствуют зазоры в сопряженных деталях, и механизм рассматривают с одной степенью свободы.

В действительности из-за неравномерности крутящего момента двигателя угловая скорость переменна. Поэтому при рассмотрении специальных вопросов динамики, в частности крутильных колебаний системы коленчатого вала, необходимо учитывать изменение угловой скорости.

Независимой переменной принимают угол поворота кривошипа коленчатого вала φ. При кинематическом анализе устанавливают законы движения звеньев КШМ, и в первую очередь поршня и шатуна.

За исходное принимают положение поршня в верхней мертвой точке (точка В 1 ) (рис. 1.20), а направление вращения коленчатого вала по часовой стрелке. При этом для выявления законов движения и аналитических зависимостей устанавливают наиболее характерные точки. Для центрального механизма такими точками являются ось поршневого пальца (точка В), совершающая вместе с поршнем возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, и ось шатунной шейки кривошипа (точка А ), вращающаяся вокруг оси коленчатого вала О .

Для определения зависимостей кинематики КШМ введем следующие обозначения:

l – длина шатуна;

r – радиус кривошипа;

λ – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Для современных автомобильных и тракторных двигателей величина λ = 0.25–0.31. Для высокооборотных двигателей с целью уменьшения сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс применяют более длинные шатуны, чем для малооборотных.

β – угол между осями шатуна и цилиндра, величина которого определяется по следующей зависимости:

Наибольшие углы β для современных автомобильных и тракторных двигателей составляют 12–18°.

Перемещение (путь) поршня будет зависеть от угла поворота коленчатого вала и определяться отрезком Х (см. рис. 1.20), который равен:

Рис. 1.20. Схема центрального КШМ

Из треугольников А 1 АВ и ОА 1 А следует, что

Учитывая, что , получаем:

Из прямоугольных треугольников А 1 АВ и А 1 ОА устанавливаем, что

Откуда

то, подставив полученные выражения в формулу для перемещения поршня, получим:

Так как то

Полученное уравнение характеризует движение деталей КШМ в зависимости от угла поворота коленчатого вала и показывает, что путь поршня можно условно представить состоящим из двух гармонических перемещений:

где – путь поршня первого порядка, который имел бы место при наличии шатуна бесконечной длины;

– путь поршня второго порядка, т. е. дополнительное перемещение, зависящее от конечной длины шатуна.

На рис. 1.21 даны кривые пути поршня по углу поворота коленчатого вала. Из рисунка видно, что при повороте коленчатого вала на угол, равный 90°, поршень проходит больше половины своего хода.

Рис. 1.21. Изменение пути поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Скорость

где –угловая скорость вращения вала.

Скорость поршня можно представить в виде суммы двух слагаемых:

где – гармонически изменяющаяся скорость поршня первого порядка, т. е. скорость, с которой двигался бы поршень при наличии шатуна бесконечно большой длины;

– гармонически изменяющаяся скорость поршня второго порядка, т. е. скорость дополнительного перемещения, возникающая вследствие наличия шатуна конечной длины.

На рис. 1.22 даны кривые скорости поршня по углу поворота коленчатого вала. Значения углов поворота коленчатого вала, где поршень достигает максимальных значений скорости, зависят от? и ее увеличением смещаются в стороны мертвых точек.

Для практических оценок параметров двигателя используется понятие средней скорости поршня :

Для современных автомобильных двигателей Vср = 8–15 м/с, для тракторных – Vср = 5–9 м/с.

Ускорение поршня определяется как первая производная пути поршня по времени:

Рис. 1.22. Изменение скорости поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала

Ускорение поршня можно представить в виде суммы двух слагаемых:

где – гармонически изменяющееся ускорение поршня первого порядка;

– гармонически изменяющееся ускорение поршня второго порядка.

На рис. 1.23 даны кривые ускорения поршня по углу поворота коленчатого вала. Анализ показывает, что максимальное значение ускорения имеет место при нахождении поршня в ВМТ. При положении поршня в НМТ величина ускорения достигает минимального (наибольшего отрицательного) противоположного по знаку значения и абсолютная величина его зависит от?.

Рис 1.23. Изменение ускорения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала