Завдання кінематичного розрахунку - знаходження переміщень, швидкостей і прискорень в залежності від кута повороту колінчастого вала. На основі кінематичного розрахунку проводяться динамічний розрахунок і урівноваження двигуна.

Мал. 4.1. Схема кривошипно-шатунного механізму

При розрахунках кривошипно-шатунного механізму (рис. 4.1) співвідношення між переміщенням поршня S x і кутом повороту колінчастого вала б визначається наступним чином:

Відрізок дорівнює довжині шатуна, а відрізок - радіусу кривошипа R. З урахуванням цього, а також висловивши відрізки і через твір і R відповідно на косинуси кутів б і в, повчитися:

З трикутників і знаходимо або, звідки

Розкладемо цей вираз в ряд за допомогою бінома Ньютона, при цьому отримаємо

Для практичних розрахунків необхідна точність цілком забезпечується двома першими членами ряду, т. Е.

З урахуванням того що

його можна записати у вигляді

З цього отримаємо наближене вираження для визначення величини ходу поршня:

Продифференцировав отримане рівняння по часу одержимо рівняння для визначення швидкості поршня:

При кінематичному аналізі кривошипно-шатунного механізму заведено вважати, що швидкість обертання колінчастого вала постійна. В цьому випадку

де щ - кутова швидкість колінчастого вала.

З урахуванням цього отримаємо:

Продифференцировав його за часом, отримаємо вираз для визначення прискорення поршня:

S - хід поршня (404 мм);

S x - шлях поршня;

Кут повороту колінчастого вала;

Кут відхилення осі шатуна від осі циліндра;

R - радіус кривошипа

Довжина шатуна \u003d 980 мм;

л - відношення радіуса кривошипа до довжини шатуна;

щ - кутова швидкість обертання колінчастого вала.

Динамічний розрахунок КШМ

Динамічний розрахунок кривошипно-шатунного механізму виконується з метою визначення сумарних сил і моментів, що виникають від тиску газів і від сил інерції. Результати динамічного розрахунку використовуються при розрахунку деталей двигуна на міцність і знос.

Протягом кожного робочого циклу сили, що діють в кривошипно-шатунного механізму, безперервно змінюються за величиною і напрямком. Тому для характеру зміни сил по куту повороту колінчастого вала їх величини визначають для ряду різних положень вала через кожні 15 град ПКВ.

При побудові схеми сил, вихідної є питома сумарна сила, що діє на палець - це алгебраїчна сума сил тиску газів, що діють на днище поршня, і питомих сил інерції мас деталей, що рухаються зворотно-поступально.

Значення тиску газів в циліндрі визначаються з індикаторної діаграми, побудованої за результатами теплового розрахунку.

Малюнок 5.1 - двомасових схема КШМ

Приведення мас кривошипа

Для спрощення динамічного розрахунку, замінимо дійсний КШМ динамічно еквівалентною системою зосереджених мас і (рисунок 5.1).

здійснює зворотно-поступальний рух

де - маса поршневого комплекту,;

Частина маси шатунной групи, віднесена до центру верхньої головки шатуна і рухається зворотно-поступально разом з поршнем,

здійснює обертальний рух

де - частина маси шатунной групи, віднесена до центру нижньої (кривошипної) головки і рухається обертально разом з центром шатунной шийки колінчастого вала

Неврівноважена частина кривошипа колінчастого вала,

при цьому:

де - щільність матеріалу колінчастого вала,

Діаметр шатунной шийки,

Довжина шатунной шийки,

Геометричні розміри щоки. Для полегшення розрахунків приймемо щоку як паралелепіпед з розмірами: довжина щоки, ширина, товщина

Сили і моменти, що діють на кривошип

питома сила інерції деталей КШМ, що рухаються зворотно-поступально визначаються із залежності:

Отримані дані з кроком заносимо в таблицю 5.1.

Ці сили діють по осі циліндра і як і сили тиску газів вважаються позитивними, якщо спрямовані до осі колінчастого вала, і негативними, якщо спрямовані від коленвала.

Малюнок 5.2. Схема сил і моментів, що діють на КШМ

Сили тиску газів

Сили тиску газів в циліндрі двигуна в залежності від ходу поршня визначаються по індикаторної діаграмі, побудованої за даними теплового розрахунку.

Сила тиску газів на поршень діє по осі циліндра:

де - тиск газів в циліндрі двигуна, яке визначається для відповідного положення поршня по індикаторної діаграмі, отриманої при виконанні теплового розрахунку; для перенесення діаграми з координат в координати, використовуємо метод Брикса.

Для цього будуємо допоміжну півколо. Точка відповідає її геометричного центру, точка зміщена на величину (поправка Брикса). По осі ординат в сторону НМТ. Відрізок відповідає різниці переміщень, які здійснює поршень за першу і другу чверть повороту колінчастого вала.

Провівши З точок перетину ординати з індикаторної діаграмою лінії, паралельні осі абсцис до перетину з координатами при вугіллі, отримаємо точку величини в координатах (див. Діагр. 5.1).

Тиск в картері;

Площа поршня.

Результати заносимо в таблицю 5.1.

Сумарна сила:

Сумарна сила - це алгебраїчна сума сил, що діють в напрямку осі циліндра:

Сила перпендикулярна осі циліндра.

Ця сила створює бічний тиск на стінку циліндра.

Кут нахилу шатуна щодо осі циліндра,

Сила, що діє уздовж осі шатуна

Сила, що діє уздовж кривошипа:

Сила, що створює крутний момент:

Крутний момент одного циліндра:

Обчислюємо сили і моменти, що діють в КШМ через каждие15 повороту кривошипа. Результати обчислень заносимо в таблицю 5.1

Побудова полярної діаграми сил, що діють на шатунних шийку

Будуємо координатну систему і з центром в точці 0, в якій негативна вісь спрямована вгору.

У таблиці результатів динамічного розрахунку кожному значенню б \u003d 0, 15 °, 30 ° ... 720 ° відповідає точка з координатами. Наносимо на площину і ці точки. Послідовно з'єднуючи точки, отримуємо полярну діаграму. Вектор, що з'єднує центр з будь-якою точкою діаграми, вказує напрямок вектора і його величину у відповідному масштабі.

Будуємо новий центр віддалений від по осі на величину питомої відцентрової сили від обертається маси нижній частині шатуна. У цьому центрі умовно розташовують шатунную шийку з діаметром.

Вектор, що з'єднує центр з будь-якою точкою побудованої діаграми, вказує напрям дії сили на поверхню шатунной шийки і її величину у відповідному масштабі.

Для визначення середньої результуючої за цикл, а так само її максимального і мінімального значень полярної діаграми перебудовують в прямокутну систему координат у функції кута повороту колінчастого вала. Для цього на вісь абсцис відкладаємо для кожного положення колінчастого вала кути повороту кривошипа, а на осі ординат - значення, взяті з полярної діаграми, у вигляді проекцій на вертикальну вісь. При побудові діаграми все значення вважаються позитивними.

двигун теплової показник міцність

При роботі двигуна в КШМ діють наступні основні силові фактори: сили тиску газів, сили інерції рухомих мас механізму, сили тертя і момент корисного опору. При динамічному аналізі КШМ силами тертя зазвичай нехтують.

8.2.1. Сили тиску газів

Сила тиску газів виникає в результаті здійснення в циліндрі двигуна робочого циклу. Ця сила діє на поршень, і її значення визначається як добуток перепаду тиску на поршні на його площа: P г \u003d (P г -p про ) F п . тут р г - тиск в циліндрі двигуна над поршнем; р про - тиск в картері; F п - площа дна поршня.

Для оцінки динамічної навантаженості елементів КШМ важливе значення має залежність сили Р г від часу. Її зазвичай отримують перестроюванням індикаторної діаграми з координат р–Vвкоордінати р-φ за допомогою визначення V φ \u003d x φ F п звикористанням залежності (84) або графічних методів.

Сила тиску газів, що діє на поршень, навантажує рухливі елементи КШМ, передається на корінні опори картера і врівноважується всередині двигуна за рахунок пружної деформації елементів, що формують внутріціліндровие простір, силами Р г і Р / Г, що діють на головку циліндра і на поршень. Ці сили не передаються на опори двигуна і не викликають його неврівноваженості.

8.2.2. Сили інерції рухомих мас КШМ

Реальний КШМ являє собою систему з розподіленими параметрами, елементи якої рухаються нерівномірно, що викликає появу інерційних сил.

В інженерній практиці для аналізу динаміки КШМ широко використовують динамічно еквівалентні йому системи з зосередженими параметрами, синтезовані на основі методу заміщають мас. Критерієм еквівалентності є рівність в будь-якій фазі робочого циклу сукупних кінетичних енергій еквівалентної моделі і заміщає нею механізму. Методика синтезу моделі, еквівалентній КШМ, базується на заміні його елементів системою мас, пов'язаних між собою невагомими абсолютно жорсткими зв'язками.

Деталі поршневої групи здійснюють прямолінійний зворотно-поступальний рухуздовж осі циліндра і при аналізі її інерційних властивостей можуть бути заміщені рівній їм масою m п, зосередженої в центрі мас, положення якого практично збігається з віссю поршневого пальця. Кінематика цієї точки описується законами руху поршня, внаслідок чого сила інерції поршня P j п \u003d -m п j,де j -прискорення центру мас, рівне прискоренню поршня.

Малюнок 14 - Схема кривошипного механізму V-образного двигуна з причіпним шатуном

Малюнок 15 - Траєкторії точок підвісу головного і причіпного шатунів

Кривошип колінчастого вала здійснює рівномірний обертальний рух.Конструктивно він складається із сукупності двох половин корінних шийок, двох щік і шатунной шийки. Інерційні властивості кривошипа описуються сумою відцентрових сил елементів, центри мас яких не лежать на осі його обертання (щоки і шатунная шийка): До до \u003d К r ш.ш + 2К r щ \u003d т ш . ш rω 2 + 2т щ ρ щ ω 2,де До r ш . ш До r щ і r, ρ щ - відцентрові сили і відстані від осі обертання до центрів мас відповідно шатунной шийки і щоки, m ш.ш і m щ - маси відповідно шатунной шийки і щоки.

Елементи шатунной групи здійснюють складне плоскопараллельное рух,яке може бути представлено як сукупність поступального руху з кінематичними параметрами центру мас і обертального руху навколо осі, що проходить через центр мас перпендикулярно площині гойдання шатуна. У зв'язку з цим її інерційні властивості описуються двома параметрами - інерційними силою і моментом.

Еквівалентна система, що заміщає КШМ, являє собою систему двох жорстко зв'язаних між собою мас:

Масу, зосереджену на осі пальця і \u200b\u200bздійснювало зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра з кінематичними параметрами поршня, m j \u003d m п + m ш . п ;

Масу, розташовану на осі шатунной шийки і здійснювало обертальний рух навколо осі колінчастого вала, т r \u003d т до + т ш . до (для V-образних ДВС з двома шатунами, розташованими на одній шатунной шийці колінчастого вала, т r \u003d m до + m Ш.К.

Відповідно до прийнятої моделі КШМ маса m j викликає силу інерції P j \u003d -m j j,а маса т rстворює відцентрову силу інерції До r \u003d - а ш.ш т r \u003d т r rω 2.

Сила інерції P jврівноважується реакціями опор, на які встановлено двигун, Будучи змінної за величиною і напрямком, вона, якщо не передбачити спеціальних заходів по її врівноваження, може бути причиною зовнішньої неврівноваженості двигуна, як це показано на малюнку 16, а.

При аналізі динаміки ДВС і особливо його врівноваженості з урахуванням отриманої раніше залежності прискорення j від кута повороту кривошипа φ силу інерції Р j зручно представляти у вигляді суми двох гармонійних функцій, які відрізняються амплітудою і швидкістю зміни аргументу і називаються силами інерції першого ( P j I) і другого ( P j II) порядку:

P j= - m j rω 2(cos φ+λ cos2 φ ) \u003d Сcos φ + λCcos 2φ \u003d P f I + P j II ,

де З = -m j rω 2.

Відцентрова сила інерції K r \u003d m r rω 2обертових мас КШМ є постійний за величиною вектор, спрямований від центру обертання по радіусу кривошипа. сила До rпередається на опори двигуна, викликаючи змінні за величиною реакції (рисунок 16, б). Таким чином, сила До rяк і сила Р j, Може бути причиною неврівноваженості ДВС.

а -сила P j; сила До r; До х \u003d K rcos φ \u003d K rcos ( ωt); К у \u003d K rsin φ \u003d K rsin ( ωt)

Мал. 16 - Вплив сил інерції на опори двигуна.

Лекція 4. КІНЕМАТИКА І ДИНАМІКА ПОРШНЕВИХ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ 1. Кінематика і динаміка кривошипно-шатунного механізму 2. Зрівноважування двигуна Кривошипно-шатунний механізм (КШМ) є найбільш поширеною конструктивної реалізацією важливого функціонального елемента теплового двигуна кінцевого перетворювача. Чутливий елемент цього перетворювача поршень 2 (див. Рис. 1), днище якого сприймає тиск газів. Зворотно-поступальний і прямолінійний рух поршня (під дією тиску газів) перетворюється в обертальний рух вихідного колінчастого вала за допомогою шатуна 4 і кривошипа 5.

До рухомих частин КШМ відносять також маховик, встановлений на задньому кінці колінчастого вала. Механічна енергія обертового колінчастого вала характеризується обертовим моментом Мі частотою обертання п. До нерухомих частин КШМ відноситься блок циліндрів 3, головка блоку 1 і піддон 6. Рис. 1. Схема поршневого двигуна внутрішнього згоряння: 1 головка блоку; 2 поршень; 3 блок циліндрів; 4 шатун; 5 кривошип клонували; б піддон (масляний картер)

Умови роботи деталей КШМ сучасних двигунів, пов'язані з впливом газових сил на поршень, зазнавати значних і непостійних швидкозмінних швидкостями і прискореннями. Шатун і колінчастий вал сприймають і передають значні за величиною навантаження. Аналіз всіх сил, що діють в КШМ двигуна, необхідний для розрахунку елементів двигуна на міцність, визначення навантажень на підшипники, оцінки врівноваженості двигуна, розрахунку опор двигуна. Величина і характер зміни механічних навантажень, що припадають на ці деталі, визначається на основі кінематичного і динамічного дослідження КШМ. Динамічному розрахунку передує теплової розрахунок, що забезпечує можливість вибору основних розмірів двигуна (діаметр циліндра, хід поршня) і знаходження величини і характеру зміни сил під впливом тиску газів.

Абв Рис. 2. Основні конструктивні схеми кривошипно-шатунних механізмів автомобільних двигунів: а центральна; б зміщена; в V-образна 1. Кінематика і динаміка кривошипно-шатунного механізму У автомобільних поршневих двигунах застосовуються в основному КШМ трьох конструктивних схем (рис. 2): а) центральний, або аксіальний, вісь циліндра перетинається з віссю колінчастого вала; б) зміщений, або дезаксіальний, вісь циліндра зміщена на деяку відстань щодо осі колінчастого вала; в) з причіпним шатуном два або більше шатунів розміщені на одній кривошипної шийці колінчастого вала.

Найбільшого поширення в автомобільних двигунах отримав центральний КШМ. Проаналізуємо кинематику і динаміку його роботи. Завданням кінематичного аналізу КШМ є встановлення законів руху поршня і шатуна при відомому законі руху кривошипа коленвала. При виведенні основних закономірностей нехтують нерівномірністю обертання колінчастого вала, вважаючи, що його кутова швидкість зі постійна. За вихідне приймають положення поршня, відповідне ВМТ. Всі величини, що характеризують кінематику механізму, висловлюють у функції кута повороту колінчастого вала. Шлях поршня. Зі схеми (див. Рис. 2, а) слід, що переміщення поршня від ВМТ, відповідне повороту колінчастого вала на кут φ, так само Sn \u003d ОА1 -ОА \u003d R (l - cos φ) + Lш (I - cosβ) (1 ) де R радіус кривошипа коленвала, м; L ш довжина шатуна, м. З тригонометрії відомо, що cosβ \u003d (l - sin2 φ) 2, а з рис. 2, а слід, що (2)

Позначивши Вираз являє собою біном Ньютона, який можна розкласти в ряд, можна записати Для автомобільних двигунів λ \u003d 0,24 ... 0,31. (3) Нехтуючи членами ряду вище другого порядку, приймаємо з достатньою для практики точністю Підставляючи отримане значення cosβ в вираз (1) і з огляду на, що отримаємо остаточний вираз, що описує переміщення поршня

(4) Швидкість поршня. Формулу для визначення швидкості поршня v n отримують, диференціюючи вираз (4) за часом, (5) де кутова швидкість колінчастого вала. Для порівняльної оцінки конструкції двигунів вводять поняття середньої швидкості поршня (м / с): де п частота обертання коленвала, об. / Хв. Для сучасних автомобільних двигунів величина vп.ср коливається в межах м / с. Чим вище середня швидкість поршня, тим швидше зношуються направляючі поверхні циліндра і поршня.

Прискорення поршня. Вираз для прискорення поршня j п отримують, диференціюючи вираз (5) за часом (6) На рис. 2 показані криві зміни шляху, швидкості і прискорення поршня в залежності від кута повороту колінчастого вала φ, побудовані за формулами (4) ... (6) для одного повного повороту колінчастого вала. Аналіз кривих дозволяє відзначити наступне: при повороті кривошипа з вихідного положення на першу чверть обороту (від φ \u003d 0 до φ \u003d 90 °) поршень проходить на Rλ більший шлях, ніж при повороті на другу чверть обороту, що викликає велику середню швидкість поршня в першій чверті і великі знос верхньої частини циліндра; швидкість поршня не постійна: вона дорівнює нулю в мертвих точках і має максимальне значення при φ, близькому до 75 ° і 275 °; прискорення поршня досягає найбільших абсолютних значень в ВМТ і НМТ, тобто в ті моменти, коли змінюється напрямок руху поршня: при цьому прискорення в ВМТ більше, ніж в НМТ; при v nmax \u003d 0 (прискорення змінює свій знак).

Завданням динамічного аналізу КШМ є отримання розрахункових формул для визначення величини і характеру зміни сил, що діють на поршень, шатун і кривошип клонували, і моментів сил, що виникають в КШМ при роботі двигуна. Знання сил, що діють на деталі КШМ, необхідно для розрахунку елементів двигуна на міцність і визначення навантажень на підшипники. При роботі двигуна на деталі КШМ діють сили від тиску газів в циліндрі і сили інерції рухомих мас механізму, а також сили тертя і сили корисного опору на валу двигуна. Сила тиску газів Р г, діюча на поршень по осі циліндра, обчислюється за формулою (7) де Рi индикаторное тиск газів (тиск над поршнем) при заданому куті повороту кривошипа, МПа; р 0 тиск в картері двигуна (під поршнем), МПа; А п площа днища поршня, м 2.

Криві залежності сили тиску РГ від кута повороту кривошипа φ показані на рис. 3. При побудові графіка вважають, що сила позитивна, якщо вона спрямована до колінчастого валу, і негативна, якщо спрямована від вала. Мал. 3. Зміна сил тиску газів, інерції і сумарною сили в залежності від кута повороту колінчастого вала

Сили інерції в залежності від характеру руху рухомих частин КШМ ділять на сили інерції зворотно-поступально рухомих мас Р j і сили інерції обертових мас Р а. Масу т ш шатуна, який бере участь одночасно в зворотно-поступальному і обертальному рухах, замінюють двома масами т 1, і т 2, зосередженими в центах А і В відповідно поршневий і кривошипної головок (рис. 4, б). При наближених розрахунках приймають т х \u003d 0,275 т ш і т 2 \u003d 0,725 т ш. Сила інерції зворотно-поступально рухомих мас (поршня з кільцями і пальцем т п, а також маси т ш, шатуна) діє по осі циліндра і дорівнює (8) Характер зміни цієї сили аналогічний характером зміни прискорення поршня j n. Знак «мінус» показує, що напрямки сили і прискорення різні. Графік залежності Р j від кута повороту кривошипа ср наведено на рис. 3. Сила інерції обертових мас, що є відцентровою силою, спрямована по радіусу кривошипа від його осі обертання і дорівнює (9)

Де т до неврівноважена маса кривошипа, яку вважають зосередженою на осі кривошипа в точці В (рис. 4, б); m ш.ш.- маса шатунной шийки з прилеглими і розташованими концентрично їй частинами щік; т щ маса середньої частини щоки, укладеної в контурі a-b-c-d-a, центр ваги якої розташований на відстані р від осі обертання валу (рис. 4, а). Мал. 4. Система зосереджених мас, динамічно еквівалентна кривошипно-шатунного механізму: а схема приведення мас кривошипа; б наведена схема кривошипно-шатунного механізму

Сумарна сила. Сила тиску газів Р г і сила інерції зворотно поступально рухомих мас P j діють спільно уздовж осі циліндра. Для дослідження динаміки КШМ має значення сума цих сил (Р \u003d Р т + P j). Силу Р для різних кутів повороту кривошипа отримують алгебраїчним складанням ординат точок кривих Р т і P j (див. Рис. 3). Щоб дослідити дію сумарної сили Р на деталі КШМ, розкладемо її на дві складові сили: Р ш, спрямовану по осі шатуна, і N, що діє перпендикулярно осі циліндра (рис. 5, а): Перенесемо силу Р ш уздовж лінії її дії в центр шатунной шийки кривошипа (точка В) і замінимо двома складовими силами тангенциальной (7) і радіальної (К): (10) (11)

До центру Про кривошипа докладемо дві взаємно протилежні сили Т "і Т", рівні і паралельні силі Т. Сили Т і Т "складають пару з плечем, рівним радіусу R кривошипа. Момент цієї пари сил, що обертає кривошип, називається обертовим моментом двигуна М Д \u003d TR. Радіальну силу перенесемо в центр О і знайдемо результуючу Р ш сил до і Т "(рис. 5, б). Сила Р ш дорівнює і паралельна силі Р ш. Розкладання сили Р ш в напрямках по осі циліндра і перпендикулярно їй дає дві складові сили Р "та N". Сила Р "за величиною дорівнює силі Р, слагающейся з сил Р т і Р ,. Перша з двох доданків сил врівноважується силою тиску газів на головку циліндрів, друга передається на опори двигуна. Цю неврівноважену силу інерції зворотно-поступально рухомих частин P j зазвичай представляють у вигляді суми двох сил (12) які отримали назву сил інерції першого (PjI) і другого (PjII) порядку. Ці сили діють по осі циліндра.

Сили N "і N (рис. 5, в) складають пару сил з моментом М опр \u003d -NH, які прагнуть перекинути двигун. Перекидаючий момент, його також називають реактивним моментом двигуна, завжди дорівнює обертального моменту двигуна, але має протилежний зміст. Цей момент через зовнішні опори двигуна передається рамі автомобіля. Використовуючи формулу (10), а також залежність М д \u003d TR, можна побудувати графік індикаторного крутного моменту М д одноциліндрового двигуна в залежності від кута φ (рис. 6, а). На цьому графіку площі, розташовані над віссю абсцис, є позитивну, а розташовані під віссю абсцис негативну роботу крутного моменту. Розділивши алгебраїчну суму цих площ а на довжину графіка l, отримаємо середнє значення моменту де м м масштаб моменту

Для оцінки ступеня рівномірності індикаторного крутного моменту двигуна введемо коефіцієнт нерівномірності крутного моменту де M max; M min; M ср відповідно максимальний, мінімальний і середній індикаторні моменти. Зі збільшенням числа циліндрів двигуна зменшується коефіцієнт μ, тобто збільшується рівномірність крутного моменту (рис. 6). Нерівномірність крутного моменту викликає зміни кутової швидкості з колінчастого вала, що оцінюється коефіцієнтом нерівномірності ходу: де: ω max; ω min; ω ср відповідно найбільша, найменша і середня кутові швидкості колінчастого вала за цикл,

Задану нерівномірність ходу δ забезпечують застосуванням маховика з моментом інерції J, використовуючи співвідношення: де А хат площа, що лежить над лінією М ср (рис. 6, б) і пропорційна надлишкової роботі Wізб крутного моменту; - масштаб кута повороту колінчастого вала, 1 рад / мм i AБ - (i число циліндрів, відрізок аб в мм); n частота обертання, об. / хв. Надлишкову роботу визначають графічно, величини δ і J задаються при проектуванні. Для автомобільних двигунів δ \u003d 0,01 ... 0,02.

2. Зрівноважування двигуна Двигун вважається врівноваженим, якщо в усталеному режимі роботи сили і моменти, що діють на його опори, постійні за величиною і напрямком або дорівнюють нулю. У неврівноваженого двигуна передаються на підвіску змінні за величиною і напрямком сили викликають коливання подмоторной рами, кузова. Ці коливання часто є причиною додаткових поломок елементів автомобіля. При практичному вирішенні завдань врівноваження двигунів зазвичай враховують такі сили і моменти, що діють на опори поршневого двигуна: а) сили інерції зворотно-поступально рухомих мас КШМ першого P jI і другого P jII порядку; б) відцентрову силу інерції обертових неврівноважених мас КШМ Р ц; в) поздовжні моменти М jI і М jII сил інерції P jI і P jII; г) поздовжній відцентровий момент М ц відцентрової сили інерції Р ц.

Умови врівноваженості двигуна описуються наступною системою рівнянь: (13) Зрівноважування здійснюється двома способами, застосовуваними окремо або одночасно: 1. вибором такої кривошипної схеми колінчастого вала, при якій зазначені сили і моменти, що виникають в різних циліндрах, взаємно врівноважуються; 2. застосуванням противаг, тобто додаткових мас, сила інерції яких дорівнює за величиною і протилежна за напрямком врівноважують силам. Розглянемо урівноваження одноциліндрового двигуна, в якому неврівноваженими є сили інерції Р jI, P jII, Р ц. Сили інерції першого P jI і другого Р jII порядку можна повністю врівноважити з допомогою системи додаткових противаг.

Сила P jI \u003d m j Rω 2 cos φ врівноважується при установці двох противаг масою т ін 1 на двох паралельних осі колінчастого вала і симетрично розташованих відносно осі циліндра додаткових валах, що обертаються в протилежні сторони з кутовий швидкістю колінчастого вала ω. Противаги встановлюються так, щоб в будь-який момент напрямок їх підвісу становило з вертикаллю кут, рівний куту повороту колінчастого вала φ (рис. 7). При обертанні кожен противагу створює відцентрову силу де p j відстань від осі обертання противаги до його центра ваги. Розкладаючи вектори двох сил на горизонтальні Y I і вертикальні Х I складові, переконуємося, що при будь-якому φ сили Y I взаємно врівноважуються, а сили Х I дають рівнодіючу Сила R) може повністю врівноважити силу Р л при дотриманні умови

Звідки Аналогічно врівноважується сила Р і, тільки противаги в цьому випадку обертаються з подвоєною кутовий швидкість 2ω (рис. 7). Відцентрову силу інерції Р ц можна повністю врівноважити з допомогою противаг, які встановлюють на щоках колінчастого вала з боку, протилежного кривошипа. Маса кожного противаги т ін вибирається з дотриманням умови звідки де р відстань від центру ваги противаги до осі обертання.

Схема сил інерції, що діють в 4-циліндровому однорядном двигуні, показана на рис. 8. З неї видно, що при даній формі колінчастого вала сили інерції першого порядку врівноважуються Σ РjI \u003d 0. В поздовжній площині двигуна сили утворюють дві пари, момент P jI яких M jI \u003d P jI а. Так як спрямування цих моментів протилежні, то і вони теж врівноважуються (Σ M jI \u003d 0). Мал. 8. Схема сил інерції, що діють в 4 циліндровому однорядном двигуні

Врівноважені також відцентрові сили і їх моменти і моменти сил інерції другого порядку, що означає В 4-циліндровому двигуні залишаються неврівноваженими сили Р jII. Врівноважити їх можна за допомогою обертових противаг, як сказано вище, але це призведе до ускладнення конструкції двигуна. У 6-циліндровому рядном чотиритактному двигуні кривошипи клонували розташовані рівномірно, через 120 °. У цьому двигуні повністю врівноважені як сили інерції, так і їх моменти. Однорядний 8-циліндровий чотиритактний двигун можна розглядати як два однорядних чотирициліндрові двигуни, у яких колінчаті вали повернені один відносно іншого на 90 °. У такій схемі двигуна також врівноважені всі сили інерції і їх моменти. Схема V-образного 6-циліндрового чотиритактного двигуна з кутом між рядами 90 ° (кут розвалу циліндрів) і трьома спареними кривошипами під кутом 120 ° показана на рис. 9.

У кожній 2-циліндрової секції результуюча сил інерції першого порядку і результуюча сил інерції обертових мас лівого і правого циліндра постійні за величиною і спрямовані вздовж радіуса кривошипа. Результуюча сил інерції другого порядку в секції змінна за величиною і діє в горизонтальній площині. На рис. 9 сили P jI, P jII, P ц - равнодействующие сили інерції для кожної секції спарених циліндрів, штрихи в позначенні сил на малюнку вказують номер секції циліндра. Для всього двигуна (для трьох пар циліндрів) сума сил інерції дорівнює нулю, тобто Сумарні моменти сил інерції першого порядку і відцентрових сил, рівні відповідно і діють в одній обертається площині, що проходить через вісь колінчастого вала і складовою з площиною першого кривошипа кут 30 °. Для врівноваження цих моментів встановлюють противаги на двох крайніх щоках колінчастого вала (див. Рис. 9). Маса противаги т ін визначається з умови

Де b відстань між центрами тяжіння противаг. Сумарний момент сил інерції другого порядку діє в горизонтальній площині. Зазвичай ΣM jII НЕ врівноважують, так як це пов'язано зі значним ускладненням конструкції. Для наближення дійсної врівноваженості до теоретичної у виробництві двигунів передбачається ряд конструкторських і технологічних заходів: - колінчастий вал роблять якомога більш жорстким; - зворотно-поступально рухомих деталей при складанні підбирають комплектно з найменшою різницею мас комплектів в різних циліндрах одного двигуна; - допустимі відхилення на розміри деталей КШМ встановлюють якомога менші; - обертально рухомих деталей ретельно балансують, а колінчаті вали і маховики піддають динамічному балансуванню.

Балансування полягає у виявленні неврівноваженості вала щодо осі обертання і в самому зрівноважуванні за допомогою видалення металу або за допомогою прикріплення балансувальних вантажів. Балансування обертових деталей поділяється на статичну і динамічну. Тіло вважається врівноваженим статично, якщо центр мас тіла лежить на осі обертання. Статичної балансуванню піддають деталі, що обертаються дискової форми, діаметр яких більше товщини. Деталь насаджують на циліндричний вал, який укладають на дві паралельні горизонтальні призми. Деталь самовстановлюється, повернувшись важкої частиною вниз. Ця неврівноваженість усувається прикріпленням противаги в точці, діаметрально протилежної нижньої (важкої) частини деталі. На практиці для статичного балансування використовують прилади, що дозволяють відразу визначити масу балансирного вантажу і місце його установки. Динамічне балансування забезпечується при дотриманні умови статичного балансування і виконанні другої умови сума моментів відцентрових сил обертових мас щодо будь-якої точки осі вала повинна дорівнювати нулю. При виконанні цих двох умов вісь обертання збігається з однією з головних осей інерції тіла.

Динамічне балансування здійснюється при обертанні вала на спеціальних балансувальних верстатах. ГОСТ встановлює класи точності балансування для жорстких роторів, а також вимоги до балансуванню і методи розрахунку дисбалансів. Так, наприклад, вузол колінчастого вала двигуна для легкового і вантажного автомобілів оцінюється 6-м класом точності, дисбаланс при цьому повинен бути в межах мм · рад / с. Під час роботи двигуна на кожен кривошип колінчастого вала діють безперервно і періодично змінюються тангенціальні і нормальні сили, що викликають в пружною системі вузла клонували змінні деформації кручення і вигину. Відносні кутові коливання зосереджених на валу мас, що викликають закручування окремих ділянок вала, називаються крутильними коливаннями. При відомих умовах знакозмінні напруги, що викликаються крутильними і вигинистою коливаннями, можуть привести до втомної поломки вала. Розрахунки та експериментальні дослідження показують, що для колінчастих валів ізгібние коливання менш небезпечні, ніж крутильні.

Тому в першому наближенні при розрахунках вигинистою коливаннями можна знехтувати. Крутильні коливання колінчастого вала небезпечні не тільки для деталей КШМ, але і для приводів різних агрегатів двигуна і для агрегатів силової передачі автомобіля. Зазвичай розрахунок на крутильні коливання зводиться до визначення напружень в колінчастому валу при резонансі, тобто при збігу частоти збуджуючої сили з однією з частот власних коливань вала. Якщо виникає необхідність у зменшенні виникаючої напруги, то на колінчастому валу встановлюють гасителі крутильних коливань (демпфери). В автотракторних двигунах найбільшого поширення мають гасителі внутрішнього (гумові) і рідинного тертя. Вони працюють на принципі поглинання енергії коливань з подальшим розсіюванням її у вигляді тепла. Гумовий гаситель складається з інерційної маси, при вулканізованої через гумову прокладку до диска. Диск жорстко з'єднаний з колінчастим валом. На резонансних режимах інерційна маса починає коливатися, деформуючи гумову прокладку. Деформація останньої сприяє поглинанню енергії коливань і «засмучує» резонансні коливання колінчастого вала.

У гасителі рідинного тертя вільна інерційна маса поміщається всередині герметично закритого корпусу, жорстко пов'язаного з коленвалом. Простір між стінками корпусу і масою заповнене спеціальною силіконовою рідиною великої в'язкості. При нагріванні в'язкість цієї рідини змінюється незначно. Гасителі крутильних коливань слід встановлювати в тому місці валу, де є найбільша амплітуда коливань.

При роботі двигуна в КШМ діють наступні основні силові фактори: сили тиску газів, сили інерції рухомих мас механізму, сили тертя і момент корисного опору. При динамічному аналізі КШМ силами тертя зазвичай нехтують.

Мал. 8.3. Вплив на елементи КШМ:

а - газових сил; б - сили інерції Р j; в - відцентрової сили інерції До r

Сили тиску газів. Сила тиску газів виникає в результаті реалізації в циліндрах робочого циклу. Ця сила діє на поршень, і її значення визначається як добуток перепаду тиску на його площа: Р г \u003d (р г - р 0) F п (тут р г - тиск в циліндрі двигуна над поршнем; р 0 - тиск в картері; F п - площа поршня). Для оцінки динамічної навантаженості елементів КШМ важливе значення має залежність сили Р г від часу

Сила тиску газів, що діє на поршень, навантажує рухливі елементи КШМ, передається на корінні опори картера і врівноважується всередині двигуна за рахунок пружної деформації несучих елементів блок-картера силою, що діє на головку циліндра (рис. 8.3, а). Ці сили не передаються на опори двигуна і не викликають його неврівноваженості.

Сили інерції рухомих мас. КШМ являє собою систему з розподіленими параметрами, елементи якої рухаються нерівномірно, що призводить до виникнення інерційних навантажень.

Детальний аналіз динаміки такої системи принципово можливий, проте пов'язаний з великим обсягом обчислень. Тому в інженерній практиці для аналізу динаміки двигуна використовують моделі з зосередженими параметрами, створені на основі методу заміщають мас. При цьому для будь-якого моменту часу повинна виконуватися динамічна еквівалентність моделі і розглянутої реальної системи, що забезпечується рівністю їх кінетичних енергій.

Зазвичай використовують модель з двох мас, пов'язаних між собою абсолютно жорстким безінерційним елементом (рис. 8.4).

Мал. 8.4. Формування двухмассовой динамічної моделі КШМ

Перша заміщає маса m j зосереджена в точці сполучення поршня з шатуном і здійснює зворотно-поступальний рух з кінематичними параметрами поршня, друга m r розташовується в точці сполучення шатуна з кривошипом і обертається рівномірно з кутовою швидкістю ω.

Деталі поршневої групи здійснюють прямолінійний зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра. Так як центр мас поршневої групи практично збігається з віссю поршневого пальця, то для визначення сили інерції Р j п досить знати масу поршневий групи m п, яку можна зосередити в даній точці, і прискорення центру мас j, що дорівнює прискоренню поршня: Р j п \u003d - m п j.

Кривошип колінчастого вала здійснює рівномірний обертальний рух. Конструктивно він складається із сукупності двох половин корінний шийки, двох щік і шатунной шийки. При рівномірному обертанні на кожний із зазначених елементів кривошипа діє відцентрова сила, пропорційна його масі і доцентровому прискоренню.

В еквівалентній моделі кривошип замінюють масою m до, віддаленої від осі обертання на відстані r. Значення маси m до визначають з умови рівності створюваної нею відцентрової сили сумі відцентрових сил мас елементів кривошипа: K до \u003d K r ш.ш + 2K r щ або m до rω 2 \u003d m ш.ш rω 2 + 2m щ ρ щ ω 2 , звідки отримаємо m к \u003d m ш.ш + 2m щ ρ щ ω 2 / r.

Елементи шатунной групи здійснюють складне плоскопараллельное рух. У двухмассовой моделі КШМ масу шатунной групи m ш поділяють на дві заміщають маси: m ш. п, зосереджену на осі поршневого пальця, і m ш.к, віднесену до осі шатунной шийки колінчастого вала. При цьому необхідно виконати наступні умови:

1) сума мас, зосереджених в заміщають точках моделі шатуна, повинна дорівнювати масі заміщає ланки КШМ: m ш. п + m ш.к \u003d m ш

2) положення центру мас елемента реального КШМ і заміщає його в моделі повинно бути незмінним. Тоді m ш. п \u003d m ш l ш.к / l ш і m ш.к \u003d m ш l ш.п / l ш.

Виконання цих двох умов забезпечує статичну еквівалентність замісної системи реального КШМ;

3) умова динамічної еквівалентності замісної моделі забезпечується за однакової кількості суми моментів інерції мас, розташованих в характерних точках моделі. Дана умова для двомасових моделей шатунів існуючих двигунів зазвичай не виконується, в розрахунках їм нехтують через його малих чисельних значень.

Остаточно об'єднавши маси всіх ланок КШМ в заміщають точках динамічної моделі КШМ, отримаємо:

масу, зосереджену на осі пальця і \u200b\u200bздійснювало зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра, m j \u003d m п + m ш. п;

масу, розташовану на осі шатунной шийки і здійснювало обертальний рух навколо осі колінчастого вала, m r \u003d m до + m Ш.К. Для V-образних ДВС з двома шатунами, розташованими на одній шатунной шийці колінчастого вала, m r \u003d m до + 2m Ш.К.

Відповідно до прийнятої моделі КШМ перша заміщає маса mj, що рухається нерівномірно з кінематичними параметрами поршня, викликає силу інерції Р j \u003d - mjj, а друга маса mr, що обертається рівномірно з кутовою швидкістю кривошипа, створює відцентрову силу інерції До r \u003d К r ш + до до \u003d - mr rω 2.

Сила інерції Р j врівноважується реакціями опор, на які встановлено двигун. Будучи змінної за значенням і напрямком, вона, якщо не передбачити спеціальних заходів, може бути причиною зовнішньої неврівноваженості двигуна (див. Рис. 8.3, б).

При аналізі динаміки і особливо врівноваженості двигуна з урахуванням отриманої раніше залежності прискорення у від кута повороту кривошипа φ силу Р j представляють у вигляді суми сил інерції першого (Р jI) і другого (Р jII) порядку:

де С \u003d - m j rω 2.

Відцентрова сила інерції До r \u003d - m r rω 2 від обертових мас КШМ є постійний за величиною вектор, спрямований по радіусу кривошипа і обертається з постійною кутовою швидкістю ω. Сила До r передається на опори двигуна, викликаючи змінні за величиною реакції (див. Рис. 8.3, в). Таким чином, сила До r, як і сила Р j, може бути причиною зовнішньої неврівноваженості ДВС.

Сумарні сили і моменти, що діють в механізмі. Сили Р г і Р j, що мають загальну точку прикладання до системи і єдину лінію дії, при динамічному аналізі КШМ замінюють сумарною силою, яка є алгебраїчною сумою: Р Σ \u003d Р г + Р j (рис. 8.5, а).

Мал. 8.5. Сили в КШМ:а - розрахункова схема; б - залежність сил в КШМ від кута повороту колінчастого вала

Для аналізу дії сили Р Σ на елементи КШМ її розкладають на дві складові: S і N. Сила S діє уздовж осі шатуна і викликає повторно-змінний стиснення-розтягування його елементів. Сила N перпендикулярна осі циліндра і притискає поршень до його дзеркала. Дія сили S на сполучення шатун-кривошип можна оцінити, перенісши її уздовж осі шатуна в точку їх шарнірного зчленування (S ") і розклавши на нормальну силу К, спрямовану по осі кривошипа, і тангенціальну силу Т.

Сили До і Т впливають на корінні опори колінчастого вала. Для аналізу їх дії сили переносять в центр корінний опори (сили К ", Т" і Т "). Пара сил Т і Т" на плечі r створює крутний момент М до, який далі передається на маховик, де виконує корисну роботу. Сума сил К "і T" дає силу S ", яка, в свою чергу, розкладається на дві складові: N" і.

Очевидно, що N "\u003d - N і \u003d Р Σ. Сили N і N" на плечі h створюють перекидаючий момент М опр \u003d Nh, який далі передається на опори двигуна і врівноважується їх реакціями. М опр і викликані їм реакції опор змінюються за часом і можуть бути причиною зовнішньої неврівноваженості двигуна.

Основні співвідношення для розглянутих сил і моментів мають такий вигляд:

На шатунних шийку кривошипа діють сила S ", спрямована по осі шатуна, і відцентрова сила До r ш, діюча по радіусу кривошипа. Результуюча сила R ш.ш (рис. 8.5, б), навантажує шатунную шийку, визначається як векторна сума цих двох сил.

корінні шийки кривошипа одноциліндрового двигуна навантажуються силою і відцентровою силою інерції мас кривошипа. Їх результуюча сила , Що діє на кривошип, сприймається двома корінними опорами. Тому сила, що діє на кожну корінну шийку, дорівнює половині результуючої сили і спрямована в протилежний бік.

Використання противаг призводить до зміни навантаженості корінний шийки.

Сумарний крутний момент двигуна. У одноциліндровий двигун крутний момент Так як r - величина постійна, то характер його зміни по куту повороту кривошипа повністю визначається зміною тангенциальной сили Т.

Уявімо багатоциліндровий двигун як сукупність одноциліндрових, робочі процеси в яких протікають ідентично, але зрушені один щодо одного на кутові інтервали відповідно до прийнятого порядку роботи двигуна. Момент, що скручує корінні шийки, може бути визначений як геометрична сума моментів, що діють на всіх кривошипів, що передують даній шатунной шийці.

Розглянемо як приклад формування крутять моментів в чотиритактному (τ \u003d 4) чотирициліндровому (і \u003d 4) лінійному двигуні з порядком роботи циліндрів 1 -3 - 4 - 2 (рис. 8.6).

При рівномірному чергуванні спалахів кутовий зсув між послідовними робочими ходами складе θ \u003d 720 ° / 4 \u003d 180 °. тоді з урахуванням порядку роботи кутовий зсув моменту між першим і третім циліндрами складе 180 °, між першим і четвертим - 360 °, а між першим і другим - 540 °.

Як випливає з наведеної схеми, момент, що скручує і-ю корінну шийку визначається підсумовуванням кривих сил Т (рис. 8.6, б), що діють на всіх і-1 кривошипа, що передують їй.

Момент, що скручує останню корінну шийку, є сумарним крутним моментом двигуна М Σ, який далі передається на трансмісію. Він змінюється по куту повороту колінчастого валу.

Середній сумарний крутний момент двигуна па кутовому інтервалі робочого циклу М к. Ср відповідає індикаторного моменту М и, що розвивається двигуном. Це обумовлено тим, що позитивну роботу виробляють тільки газові сили.

Мал. 8.6. Формування сумарного крутного моменту чотиритактного чотирициліндрового двигуна:а - розрахункова схема; б - утворення крутного моменту

Сили діючі на шийки колінчастого вала. До таких сил відносяться: сила тиску газів врівноважується в самому двигуні і на його опори не передається; сила інерції прикладена до центру возвратнопоступательно рухомих мас і спрямована уздовж осі циліндра через підшипники колінчастого вала впливають на корпус двигуна викликаючи його вібрацію на опорах в напрямку осі циліндра; відцентрова сила від обертових мас спрямована по кривошипа в середній його площині впливаючи через опори колінчастого вала на корпус двигуна ...

Поділіться роботою в соціальних мережах

Якщо ця робота Вам не підійшла внизу сторінки є список схожих робіт. Так само Ви можете скористатися кнопкою пошук

лекція 12

ДИНАМІКА КШМ

12.1. Сили тиску газів

12.2. сили інерції

12 .2.1. Приведення мас деталей КШМ

12.3. сумарні сили, що діють в КШМ

12.3.1. сили , Що діють на шийки колінчастого вала

12.4. Порядок роботи циліндрів двигуна в залежності від розташування кривошипів і числа циліндрів

При роботі двигуна в КШМ діють сили і моменти, які не тільки впливають на деталі КШМ і інші вузли, але і викликають нерівномірність ходу двигуна. До таких сил відносяться:

• сила тиску газів врівноважується в самому двигуні і на його опори не передається;
• сила інерції прикладена до центру зворотно-поступально рухомих мас і спрямована уздовж осі циліндра, через підшипники колінчастого вала впливають на корпус двигуна, викликаючи його вібрацію на опорах в напрямку осі циліндра;
• відцентрова сила від обертових мас спрямована по кривошипа в середній його площині, впливаючи через опори колінчастого вала на корпус двигуна, викликає коливання двигуна на опорах в напрямку кривошипа.

Крім того, виникають такі сили, як тиск на поршень з боку картера, і сили тяжіння КШМ, які не враховуються, оскільки вони мають відносно малу величину.

Всі діючі в двигуні сили взаємодіють з опором на колінчастому валу, силами тертя і сприймаються опорами двигуна. Протягом кожного робочого циклу (720 ° для чотиритактного і 360 ° для двотактного двигунів) сили, що діють в КШМ, безперервно змінюються за величиною і напрямку і для встановлення характеру зміни даних сил від кута повороту колінчастого вала їх визначають через кожні 10 30 ° для певних положень колінчастого вала.

12.1. Сили тиску газів

Сили тиску газів діють на поршень, стінки і головку циліндра. Для спрощення динамічного розрахунку сили тиску газів замінюються однією силою, спрямованої по осі циліндра і прило женной до осі поршневого пальця.

Дану силу визначають для кожного моменту часу (кута поворотуколінчастого вала φ) по індикаторної діаграмі, отриманої на підставі теплового розрахунку або знятої безпосередньо з двигуна за допомогою спеціальної установки. На рис. 12.1 показані розгорнуті індикаторні діаграми сил, що діють в зокрема зміна сили тиску газів(Р г ) Від величини кута повороту колінчастого вала.

Мал. 12.1. Розгорнуті індикаторні діаграми сил,
діючих в КШМ

12.2. сили інерції

Для визначення сил інерції, що діють в КШМ, необхідно знати маси переміщаються деталей. Для спрощення розрахунку маси рухомих деталей замінимо системою умовних мас, еквівалентних реально існуючим масам. Така заміна називається приведенням мас.

12.2.1. Приведення мас деталей КШМ

За характером руху маси деталей КШМ можна розділити на три групи:

• деталі, що рухаються зворотно-поступально (поршнева група і верхня головка шатуна);
• деталі, які вчиняють обертальний рух (колінчастий вал і нижня головка шатуна);
• деталі, які вчиняють складне плоско-паралельний рух (стрижень шатуна).

Масу поршневої групи (Т п) вважають зосередженою на осі поршневого пальця в точці А (рис. 12.2).

Мал. 12.2. Приведення мас шатуна

Масу шатунной групи замінюють двома масами: т шп зосереджена на осі поршневого пальця в точці А, т шк на осі кривошипа в точці В. Значення цих мас знаходять за формулами:

де L ш довжина шатуна;

L шк відстань від центру кривошипної головки до центра ваги шатуна.

Для більшості існуючих двигунівт шп знаходиться в межах від 0,2т ш до 0,3 т ш, а т шк від 0,7 т ш до 0,8 т ш. Величина т ш може бути визначена через конструктивну масу (табл. 12.1), отриману на підставі статистичних даних.

масу кривошипа замінюють двома масами, зосередженими на осі кривошипа в точці В (т к) і на осі корінний шийки в точціО (т о) (рис. 12.3).

Мал. 12.3. Приведення мас кривошипа:а реальна; б еквівалентна

Маса корінний шийки до частини щік, розташованих симетрично щодо осі обертання, є врівноваженою. Неврівноважені маси кривошипа замінюють однієї наведеної масою з дотриманням умови рівності відцентрової сили інерції дійсної маси відцентрової сили наведеної маси. Еквівалентну масу призводять до радіусу кривошипаR і позначають т к.

Масу шатунной шийкит шш з прилеглими частинами щік приймають зосередженої посередині осі шийки, і так як центр ваги її віддалений від осі вала на відстань рівнеR , Приведення цієї маси не потрібно. масу щокит ш з центром тяжіння на відстані р від осі колінчастого вала замінюють наведеної масою розташованої на відстані R від осі колінчастого вала. Наведена маса всього кривошипа визначається сумою наведених мас шатунной шийки і щік:

При проектуванні двигунів величинат до може бути отримана через конструктивні маси кривошипат "до (Див. Табл. 12.1). У сучасних короткоходних двигунів величинат ш мала в порівнянні зт шш і нею можна знехтувати.

Таблиця 12.1. Значення конструктивних мас КШМ, кг / м2

елемент КШМ	Карбюраторні двигуни зD від 60 до 100 мм	Дизелі з D від 80 до 120 мм
Поршнева група(Т "п \u003d т ш / F п)
Поршень з алюмінієвого сплаву	80-50	150-300
чавунний поршень	150-250	250-400
Шатун (т "к \u003d т ш / F п)
шатун	100-200	250-400
Неврівноважені частини одного коліна колінчастого вала без противаг(Т "к \u003d т к / F п)
Сталевий кований колінчастий вал із суцільними шийками	150-200	200-400
Чавунний литий колінчастий вал з порожніми шийками	100-200	150-300

Примітки.

1. При використанні табл. 12.1 слід враховувати, що великі значеннят "Відповідають двигунам з великим діаметром циліндра.

2. Зменшення S / D знижує т "ш і т" к.

3. V-образним двигунів з двома шатунами на шийці відповідають великі значення т "к.

Таким чином, система зосереджених мас, динамічно еквівалентна КШМ, складається з масит А , Зосередженої в точці А і здійснює зворотно-поступальний рух:

і маси т В , Зосередженої в точці В і має обертальний рух:

У V -образних двигунах зі здвоєним КШМ т В \u003d т до + 2т шк.

При динамічному розрахунку двигуна значеннят п і т ш визначають за даними прототипів або розраховують. значення жт шш і т ш визначають виходячи з розмірів кривошипа і щільності матеріалу колінчастого вала. Для наближеного визначення значеннят п, т ш і т к можна використовувати конструктивні маси:

де.

12.2.2. Визначення сил інерції

Сили інерції, що діють в КШМ, відповідно до характеру руху наведених мас, діляться насили інерції поступально рухомих масP j і відцентрові сили інерції обертових мас Р ц.

Сила інерції від зворотно-поступально рухомих мас може бути визначена за формулою

(12.1)

Знак мінус вказує на те, що сила інерції направлена \u200b\u200bв сторону протилежну прискоренню. Її можна розглядати, як що складається з двох сил (аналогічно прискоренню).

перша складова

(12.2)

• сила інерції першого порядку.

друга складова

(12.3)

• сила інерції другого порядку.

Таким чином,

Відцентрова сила інерції обертових мас постійна за величиною і спрямована від осі колінчастого вала. Її величина визначається за формулою

(12.4)

Повне уявлення про навантаження, що діють в деталях КШМ, може бути отримано лише в результаті сукупності дії різних сил, що виникають при роботі двигуна.

12.3. сумарні сили, що діють в КШМ

Розглянемо роботу одноциліндрового двигуна.Сили, що діють щие в одноциліндровий двигун, показані на рис. 12.4. У КШМ діють сила тиску газів Р г, сила інерції зворотно-Поступукові рухомих масP j і відцентрова сила Р ц. Сили Р г і P j прикладені до поршня і діють по його осі. Склавши ці двісили, отримаємо сумарну силу, що діє по осі циліндра:

(12.5)

Переміщена сила Р в центр поршневого пальця розкладається на дві складові:

(12. 6 )

• сила, спрямована по осі шатуна;

(12. 7 )

• сила, перпендикулярна стінці циліндра.

Мал. 12.4. Сили, що діють в КШМ одноциліндрового двигуна

Сила P N сприймається бічною поверхнею стінки циліндра і обумовлює знос поршня і циліндра. Вона вважається позитивною, якщо створюваний нею момент щодо осі колінчастого вала спрямований протилежно напрямку обертання валу двигуна.

Сила Р ш вважається позитивною, якщо стискає шатун, і негативною, якщо розтягує його.

Сила Р ш, прикладена до шатунной шийці (Р "ш ), Розкладається на дві складові:

(12.8)

• тангенціальну силу, дотичну до кола радіуса кривошипа;

(12.9)

• нормальну силу (радіальну), спрямовану по радіусу кривошипа.

сила Z вважається позитивною, якщо вона стискає щоки кривошипа. силаТ вважається позитивною, якщо напрямок створюваного нею моменту збігається з напрямком обертання колінчастого вала.

За величиною Т визначають індикаторний крутний момент одного циліндра:

(12.10)

Нормальна і тангенціальна сили, перенесені в центр колінчастого вала (Z "і Т "), Утворюють рівнодіючу силуР "" ш, яка паралельна і дорівнює за величиною силі Р ш. Сила Р "" ш навантажує корінні підшипники колінчастого вала. У свою чергу силу Р "" ш можна розкласти на дві складові: силуP "N, перпендикулярну до осі циліндра, і силу Р ", що діє по осі циліндра. СилиP "N і P N утворюють пару сил, момент якої називається перекидаючим. Його величина визначається за формулою

(12.11)

Даний момент дорівнює індикаторного крутний момент і спрямований у протилежний йому сторону:

Так як, то

(12.12)

Крутний момент передається через трансмісію ведучих коліс, а перекидаючий момент сприймається опорами двигуна. силаР "дорівнює силі Р , І аналогічно останній її можна уявити як

Складова P "г врівноважується силою тиску газів, яка додається до голівки циліндра,a P "j є вільною неврівноваженою силою, що передається на опори двигуна.

Відцентрова сила інерції прикладається до шатунной шийці кривошипа і спрямована в бік від осі колінчастого вала. Вона так само як і силаP "j є неврівноваженою і передається через корінні підшипники на опори двигуна.

12.3.1. Сили, що діють на шийки колінчастого вала

На шатунних шийку діють радіальна силаZ , Тангенціальна сила Т і відцентрова сила Р ц від обертається маси шатуна. силиZ і Р ц спрямовані по одній прямій, тому їх рівнодіюча

або

(12.13)

Тут Р ц визначається не як , а як , оскільки мова йде про відцентрової силі тільки шатуна, а не всього кривошипа.

Рівнодіюча всіх сил, що діють на шатунних шийку, розраховується за формулою

(12.14)

Дія сили R ш викликає знос шатунной шийки. Результуючу силу, прикладену до корінної шийки колінчастого вала, знаходять графічним способом, як сили, що передаються від двох суміжних колін.

12.3.2. Аналітичне та графічне представлення сил і моментів

Аналітичне подання сил і моментів, що діють в КШМ, представлено формулами (12.1) (12.14).

Найбільш наочно зміна сил, що діють в КШМ в залежності від кута повороту колінчастого вала, можна уявити як розгорнутих діаграм, які використовуються для розрахунку деталей КШМ на міцність, оцінки зносу поверхонь, що труться деталей, аналізу рівномірності ходу і визначення сумарного крутного моменту багатоциліндрових двигунів, а також побудови полярних діаграм навантажень на шийку вала і його підшипники.

Зазвичай при розрахунках будуються дві розгорнуті діаграми: на одній зображуються залежності, і (Див. Рис. 12.1), на іншій залежності і (рис. 12.5).

Мал. 12.5. Розгорнуті діаграми тангенциальной і реальної сил, що діють в КШМ

Розгорнуті діаграми, що діють в КШМ сил, дають можливість порівняно простим способом визначати крутний момент багатоциліндрових двигунів.

З рівняння (12.10) випливає, що крутний момент одноциліндрового двигуна можна виразити як функцію Т \u003d f (Φ). значення силиТ в залежності від зміни кута повороту значно змінюється, як видно на рис. 12.5. Очевидно, що і крутний момент буде змінюватися аналогічно.

У багатоциліндрових двигунах змінні крутний момент окремих циліндрів підсумовуються по довжині колінчастого вала, в результаті чого на кінці вала діє сумарний крутний момент. Значення цього моменту можна визначити графічно. Для цього проекцію кривої Т \u003d f (Φ) на осі абсцис розбивають на рівні відрізки (число відрізків дорівнює числу циліндрів). Кожен відрізок ділять на кілька рівних частин (тут на 8). Для кожної отриманої точки абсциси визначають алгебраїчну суму ординат двох кривих (над абсциссой значення зі знаком «+», нижче абсциси значення зі знаком «-»). Отримані значення відкладають відповідно в координатах х, у і отримані точки з'єднують кривої (рис. 12.6). Ця крива і є кривою результуючого крутного моменту за один робочий цикл двигуна.

Мал. 12.6. Розгорнута діаграма результуючого крутного моменту
за один робочий цикл двигуна

Для визначення середнього значення крутного моменту підраховується площаF, обмежена кривою крутного моменту і віссю ординат (вище осі значення позитивне, нижче негативне):

де L довжина діаграми по осі абсцис; мМ масштаб.

При відомому масштабі тангенциальной сили мТ знайдемо масштаб крутного моменту мМ \u003d м Т R, R радіус кривошипа.

Так як при визначенні крутного моменту не враховувалися втрати всередині двигуна, то, висловлюючи ефективний крутний момент через індикаторний, отримаємо

де М до ефективний крутний момент;η м механічний ККД двигуна.

12.4. порядок роботи циліндрів двигуна в залежності від розташування кривошипів і числа циліндрів

У багатоциліндрові двигуні розташування кривошипів колінчастого вала повинно, по-перше, забезпечувати рівномірність ходу двигуна, і, по-друге, забезпечити взаємну врівноваженість сил інерції обертових мас і зворотно-поступально рухомих мас.

Для забезпечення рівномірності ходу необхідно створити умови для чергування в циліндрах спалахів через рівні інтервали кута повороту колінчастого вала. Тому для однорядного двигуна кут ф, відповідний кутовому інтервалу між спалахами при чотиритактному циклі розраховується за формулою φ \u003d 720 ° /i, де i число циліндрів, а при двотактному за формулою φ \u003d 360 ° /i.

На рівномірність чергування спалахів в циліндрах багаторядного двигуна, крім кута між кривошипами колінчастого вала, впливає і кут γ між рядами циліндрів. Для отримання оптимальної рівномірності ходуn -рядного двигуна цей кут повинен бути вn раз менше кута між кривошипами колінчастого вала, т. е.

Тоді кутовий інтервал між спалахами для чотиритактного двигуна

для двотактного

Для задоволення вимоги врівноваженості необхідно, щоб число циліндрів в одному ряду і відповідно число кривошипів колінчастого вала було парних, причому кривошипи повинні бути розташовані симетрично щодо середини колінчастого вала.Симетричне щодо середини колінчастого вала розташування кривошипів називається «дзеркальним». При виборі форми колінчастого вала, крім врівноваженості двигуна і рівномірності його ходу, враховують також порядок роботи циліндрів.

Оптимальний порядок роботи циліндрів, коли черговий робочий хід відбувається в циліндрі, найбільш віддаленому від попереднього, дозволяє знизити навантаження на корінні підшипники колінчастого вала і поліпшити охолодження двигуна.

На рис. 12.7 наведені послідовності робіт циліндрів однорядних (а) і V-подібних (б ) Чотиритактних двигунів.

Мал. 12.7. Послідовність робіт циліндрів чотиритактних двигателй:

а однорядних; б V-подібних

PAGE \\ * MERGEFORMAT 1

Інші схожі роботи, які можуть вас заінтересовать.вшм\u003e
10783.		динаміка конфлікту	16.23 KB
	Динаміка конфлікту Питання 1. Загальне уявлення про динаміку конфлікту предконфликтная ситуація Всякий конфлікт може бути представлений трьома етапами: 1 початок 2 розвиток 3 завершення. Таким чином загальна схема динаміки конфлікту складається з наступних періодів: 1 Предконфликтная ситуація латентний період; 2 Відкритий конфлікт власне конфлікт: інцидент початок конфлікту ескалація розвиток конфлікту завершення конфлікту; 3 Послеконфликтная період. Предконфликтная ситуація це можливість конфлікту ...
15485.		динаміка асосларі	157.05 KB
	Модді нуқта дінамікасінінг бірінчі Асосом масаласіні ечіш 5. Модді нуқта дінаміканінг іккінчі Асосом масаласіні ечіш 6. Дінамікада Модді нуқта Модді нуқталар сістемасі ва абсолют жісмнінг ҳаракаті шу ҳаракатні вужудга келтірувчі кучлар билан біргалікда ўрганіладі. Дінамікада дастлаб Модді нуқтанінг ҳаракаті ўрганіладі.
10816.		динаміка популяцій	252.45 KB
	Динаміка популяції одне з найбільш значущих біологічних і екологічних явищ. Образно кажучи життя популяції проявляється в її динаміці. Моделі динаміки і зростання популяції.
1946.		динаміка механізмів	374.46 KB
	Задачі динаміки: Пряма задача динаміки силовий аналіз механізму по за цим законом руху визначити діючі на його ланки сили а також реакції в кінематичних парах механізму. До механізму машинного агрегату під час його руху прикладені різні сили. Це рушійні сили сили опору іноді їх називають силами корисного опору сили тяжіння сили тертя і багато інших сили. Своїм дією прикладені сили повідомляють механізму той чи інший закон руху.
4683.		ДИНАМІКА НАУКОВОГО ЗНАННЯ	14.29 KB
	Найважливішою особливістю наукового знання є його динаміка - зміна і розвиток формальних і змістовних характеристик в залежності від тимчасових і соціокультурних умов виробництва і відтворення нової наукової інформації.
1677.		Лідерство і групова динаміка	66.76 KB
	Метою даної роботи є виявлення потенційних лідерів в учнівському колективі а також: Основні теми в дослідженні лідерства; Взаємодія лідер і групи; Функції лідера Теоретичні підходи до лідерства різних дослідників. Дана робота складається з двох розділів: перший розділ теоретична частина огляд основних тем в дослідженні лідерства взаємини лідера і групи функції лідера і теоретичні підходи до лідерства другий розділ експериментальне дослідження однієї таблиці шести діаграм і двох ...
6321.		ДИНАМІКА МАТЕРІАЛЬНОЇ ТОЧКИ	108.73 KB
	Сила діюча на частинку в системі збігається з силою діючої на частку в системі. Це випливає з того що сила залежить від відстаней між даною часткою і діючими на неї частинками і можливо від відносних швидкостей частинок а ці відстані і швидкості покладаються в ньютонівської механіці однаковими у всіх інерційних системах відліку. В рамках класичної механіки мають справу з гравітаційними і електромагнітними силами а також з пружними силами і силами тертя. Гравітаційні та ...
4744.		СТРУКТУРА І ДИНАМІКА ТОВАРИСТВА ЯК СИСТЕМИ	22.85 KB
	Суспільство - це історично розвивається цілісна система відносин і взаємодій між людьми, їх спільнотами та організаціями, що складається і змінюється в процесі їх спільної діяльності.
21066.		ДИНАМІКА РОЗВИТКУ зоопланктону В НОВОРОСІЙСЬКОЇ БУХТІ	505.36 KB
	Новоросійська бухта - найбільша бухта Північно-Східної частини Чорного моря. Разом з прилеглою до неї відкритою акваторією вона довгі роки була одним з важливих рибопромислових і нерестових районів Російського сектора Чорного моря. Особливості географічного положення, великі глибини і площа, достатній водообмін з відкритим морем, хороша кормова база - всі ці фактори сприяли масовим заходам в бухту різних видів риб для розмноження і нагулу
16846.		Сучасна фінансово-економічна динаміка і політекономія	12.11 KB
	Основним протиріччям сучасної фінансово-економічної системи є протиріччя між виробництвом реальної вартості і рухом її грошових і фінансових форм. перетворення вартості втіленої в різноманітних ресурсах в джерело отримання додаткової вартості укладеної в вироблених благах. Збільшення капіталізації створює додатковий попит на гроші для обслуговування зростаючого обороту вартості що призводить до зростання монетизації економіки яка в свою чергу створює додаткові можливості капіталізації ...