Кривошипно-шатунные механизмы

1. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма

На рис. 1 представлены схемы кривошипно-шатунных механизмов (КШМ): центрального (нормального, а=0) и дезаксиального (а>0); приняты обозначения: x, v, j – перемещение, скорость движения и ускорение поршня; t – время; j, w – угол поворота и угловая скорость вращения кривошипа;

l=r/ℓш – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

ка =а/r – относительное смещение осей цилиндра и коленчатого вала.

Дезаксиальные КШМ имеют некоторые преимущества по сравнению с центральными, в частности, более равномерный износ гильзы цилиндров. Однако эти преимущества для быстроходных автомобильных ДВС обычно незначительны. Наиболее распространены двигатели с центральным КШМ.

Величина l влияет на некоторые конструктивные и эксплуатационные параметры двигателя. При увеличении l за счет уменьшения ℓш могут быть снижены высота и масса двигателя.

Графики на рис. 2 показывают характеры изменения величин x, v, j в зависимости от угла j. Эти величины имеют по две составляющие:

х=xI+xII,

v=vI+vII,

j=jI+jII.

Они подсчитываются по известным формулам (рис. 1.). Указанные данные используются при расчете других важных параметров двигателя: инерционных нагрузок в деталях КШМ, средней скорости движения поршня:

На графике х=f(j) при показана поправка Ф.А. Брикса – , обусловленная непрямой пропорциональностью данной зависимости.

Рис. 1. Типичные схемы КШМ автомобильных двигателей и характерные соотношения (данные МАДИ (ГТУ))

Рис. 2. Зависимости х=f(j), v=f(j) и j=f(j)

Так, при повороте коленчатого вала на 90° – половину полоборота (180°) – поршень перемещается от ВМТ к НМТ не на половину полного хода S , а на большую величину , учитываемую данной поправкой.

В КШМ работающего двигателя со стороны днища поршня действуют переменные силы давления газов рг. С обратной стороны днища – давление газов в картере, близкое по величине к давлению окружающей среды ро. Сила давления газов на днище поршня в текущий момент времени Pг=(рг - ро)Fn, где Fn – площадь поперечного сечения днища поршня. В расчетах часто используется удельная сила (давление). Одновременно с газовыми силами в КШМ действуют силы инерции возвратно-поступательно движущихся и вращающихся масс деталей двигателя.

Количественная зависимость рг=f(j) может быть установлена путем перестроения индикаторной диаграммы рг=f(V) известными методами, например, с помощью зависимости Vх =Fn×x=Fnf(j). Функция х=f(j) представлена на рис. 2.

Для инженерного упрощенного расчета отмеченных сил инерции производится замена реального КШМ эквивалентной динамической системой сосредоточенных масс (рис. 3.). Полагают: масса поршневого комплекта mn сосредоточена на оси поршневого пальца; масса шатуна mш распределена по двум точкам – на оси поршневого пальца и на оси кривошипа.

Для распространенных автомобильных двигателей mшп=(0,2¸0,3)mш, mшк=(0,7¸0,8)mш.

В приближенных расчетах неуравновешенные массы mк кривошипа представляет масса шатунной шейки mшщ=mк, сосредоточенная на ее оси.

Таким образом, в рассматриваемой эквивалентной системе суммарная возвратно-движущаяся масса mj=mn+mшп, суммарная вращающаяся масса mr=mк+mшк. В V-образных двигателях с двумя шатунами, расположенными на шатунной шейке mr=mк+2mшк.

2. Силы, действующие в КШМ

Суммарная сила, действующая на поршень вдоль его оси

Рå=Рг+Pj. (1)

Если поделить обе части равенства (1) на площадь поперечного сечения днища поршня, то получим уравнение удельных сил, действующих на ту же поверхность,

рå=рг+рj

Сила Рå воздействует на стенки цилиндра в виде нормальной составляющей этой силы – силы N и передается вдоль шатуна – составляющей S (рис. 4). Легко установить зависимости:

, (2)

. (3)

Силу S можно разложить на две составляющие, действующие на кривошип: К – вдоль щек кривошипа (по его радиусу) и Т – тангенциально к окружности этого радиуса

, (4)

. (5)

Произведение силы Т на радиус кривошипа r представляет крутящий момент двигателя Мкр=Тr для текущего значения угла .

Если к оси коренной шейки приложить две взаимно противоположные по направлению силы Т/ и Т//, равные по величине Т и параллельные ее направлению действия, и две взаимопротивоположные и равные по величине силы Кr/ и Кr, то путем геометрического сложения соответствующих сил получим величины

Р/å = Рå, S|| = S| = SN| = -N.

Пара сил N и N/ создает момент Мопр = -Nh, стремящийся опрокинуть двигатель, – реактивный момент. Моменты Мопр и Мкр равны по величине и противоположны по направлению, но не уравновешивают друг друга.

Силы и момент Мкр, представленные на рис. 4, считаются условно положительными, если действуют соответственно в противоположном направлении, они отрицательны.

Используя зависимости х = ¦(j), j = ¦(v) и формулы (1)–(5), можно построить развернутые по углу j диаграммы сил Рг, Рå, Рj, N, K, T, представленные на рис. 4. Расчеты сил N, K и T существенно упрощаются при использовании таблиц характерных тригонометрических функций.

2.1 Силы, действующие на шатунные шейки коленчатого вала

На шатунную шейку одновременно действуют две силы: передаваемая вдоль шатуна S и центробежная Кrш

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать