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 = (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 значеннямає 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 групиздійснюють 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 = - 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 = K r ш.ш + 2K r щ або m до rω 2 = m ш.ш rω 2 + 2m щ ρ щ ω 2 , звідки отримаємо m к = 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 = m ш
2) положення центру мас елемента реального КШМ і заміщає його в моделі повинно бути незмінним. Тоді m ш. п = m ш l ш.к / l ш і m ш.к = 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 здійснювало зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра, m j = m п + m ш. п;
масу, розташовану на осі шатунной шийки і здійснювало обертальний рух навколо осі колінчастого вала, m r = m до + m Ш.К. Для V-образних ДВС з двома шатунами, розташованими на одній шатунной шийці колінчастого вала, m r = 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 = - mjj, а друга маса mr, що обертається рівномірно з кутовою швидкістю кривошипа, створює відцентрову силу інерції До r = К r ш + до до = - 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 = - m j rω 2.
Відцентрова сила інерції До r = - 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 = 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 "= - N і = Р Σ. Сили N і N" на плечі h створюють перекидаючий момент М опр = 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 шийкукривошипа 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 шийкикривошипа 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 = 4) чотирициліндровому (і = 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 = 720 ° / 4 = 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 роботувиробляють 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 тертяі сприймаються опорами двигуна.Протягом кожного робочого циклу (720 ° для чотиритактногоі 360 ° для двотактного двигунів) Сили, що діють в КШМ, безперервно змінюються за величиноюі 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 тискугазів замінюються однією силою, спрямованої по осі циліндра іприло 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 точціА (рис. 12.2).
Мал. 12.2. Приведення мас шатуна
Масу шатунной групизамінюють двома масами:т шп зосереджена на осі поршневого пальця в точціА, 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 точціВ (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 кривошипа R 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 рівне R , 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 / м 2
|
елемент КШМ |
Карбюраторні двигуни з D від 60 до 100 мм |
Дизелі з D від 80 до 120 мм |
|
Поршнева група(Т "п = т ш / F п) |
||
|
Поршень з алюмінієвого сплаву |
80-50 |
150-300 |
|
чавунний поршень |
150-250 |
250-400 |
|
Шатун (т "к = т ш / F п) |
||
|
шатун |
100-200 |
250-400 |
|
Неврівноважені частини одного коліна колінчастого вала без противаг(Т "к = 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 двигунівз двома шатунами на шийці відповідають великі значеннят "к.
Таким чином, система зосереджених мас, динамічно еквівалентна КШМ, складається з масит А , Зосередженої в точціА і здійснює зворотно-поступальний рух:
і маси т В , Зосередженої в точціВ і має обертальний рух:
У V -образних двигунах зі здвоєним КШМт В = 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 мас P j і відцентрові сили інерції обертових масР ц.
Сила інерції від зворотно-поступально рухомих масможе бути визначена за формулою
(12.1)
Знак мінус вказує на те, що сила інерції направлена в 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 маспостійна 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 газівР г, сила інерції зворотно-Поступукові рухомих мас P j і відцентрова силаР 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 силіР ш. Сила Р "" ш навантажує корінні підшипники колінчастого вала. У свою чергу силуР "" ш можна розкласти на дві складові: силу P "N, перпендикулярну до осі циліндра, і силу Р ", що діє по осі циліндра. Сили P "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 сила P "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 сила Z , Тангенціальна силаТ і відцентрова силаР ц від обертається маси шатуна. сили Z 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 залежностіі (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 способомвизначати крутний момент багатоциліндрових двигунів.
З рівняння (12.10) випливає, що крутний момент одноциліндрового двигуна можна виразити як функціюТ = 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 циліндрівпідсумовуються по довжині колінчастого вала, в результаті чого на кінці вала діє сумарний крутний момент.Значення цього моменту можна визначити графічно. Для цього проекцію кривоїТ = 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 координатахх, 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 площа F, 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 = 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 = 720 ° / i, де i число циліндрів, а при двотактному за формулою φ = 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 ходу n -рядного двигуна цей кут повинен бути в n 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> |
|||
| 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 схемадинаміки 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 особливістюнаукового 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 роботаскладається 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 можливостікапіталізації ... | |||
Вихідною величиною при виборі розмірів ланок КШМ є величина повного ходу повзуна, задана стандартом або з технічних міркувань для тих типів машин, у яких максимальна величина ходу повзуна не обмовляється (ножиці, і ін.).
На малюнку введено такі позначення: Dо, dА, dВ - діаметри пальців в шарнірах; е - величина ексцентриситету; R - радіус кривошипа; L - довжина шатуна; ω - кутова швидкість обертання головного валу; α - кут недохід кривошипа до КНП; β - кут відхилення шатуна від вертикальної осі; S - величина повного ходу повзуна.
За заданою величиною ходу повзуна S (м) визначається радіус кривошипа:
Для аксіального кривошипно-шатунного механізму функції переміщення повзуна S, швидкості V і прискорення j від кута повороту кривошипного валу α визначаються наступними виразами:
S = R, (м)
V = ω R, (м / с)
j = ω 2 R, (м / с 2)
Для дезаксіального кривошипно-шатунного механізму функції переміщення повзуна S, швидкості V і прискорення j від кута повороту кривошипного валу α відповідно:
S = R, (м)
V = ω R, (м / с)
j = ω 2 R, (м / с 2)
де λ - коефіцієнт шатуна, значення якого для універсальних пресів визначається в межах 0,08 ... 0,014;
ω- кутова швидкість обертання кривошипа, яка оцінюється, виходячи з числа ходів повзуна в хвилину (з -1):
ω = (π n) / 30
У номінальне зусилля не виражає дійсного зусилля, що розвивається за допомогою приводу, а являє собою граничне по міцності деталей преса зусилля, яке може бути докладено до повзуна. Номінальне зусилля відповідає строго визначеному куті повороту кривошипного валу. Для кривошипних пресів простої дії з одностороннім приводом за номінальне приймається зусилля, відповідне куту повороту α = 15 ... 20 о, рахуючи від нижньої мертвої точки.
лекція 11
КІНЕМАТИКА кривошипно-шатунного механізму
11.1. типи КШМ
11.2.1. переміщення поршня
11.2.2. швидкість поршня
11.2.3. прискорення поршня
Кривошипно-шатунний механізм ( K Ш M ) Є основним механізмом поршневого ДВС, який сприймає і передає значні за величиною навантаження.Тому розрахунок міцності K Ш M має важливе значення. В свою чергурозрахунки багатьох деталей двигуна залежать від кінематики і динаміки КШМ.Кінематіче ський аналіз КШМ встановлює закони руху йоголанок, в першу чергу поршня і шатуна.
Для спрощення дослідження КШМ будемо вважати, що кривошипи колінчастого вала обертаються рівномірно, т. Е. З постійною кутовою швидкістю.
11.1. типи КШМ
У поршневих ДВС застосовуються три типи КШМ:
- центральний (аксіальний);
- змішаний (дезаксіальний);
- з причіпним шатуном.
У центральному КШМ вісь циліндра перетинається з віссю колінчастого вала (рис. 11.1).
Мал. 11.1. Схема центрального КШМ:φ
поточний кут повороту колінчастого вала; β кут відхилення осі шатуна від осі циліндра (при відхиленні шатуна в напрямку обертання кривошипа кут β вважається позитивним, в протилежному напрямку негативним); S хід поршня;
R радіус кривошипа; L довжина шатуна; х переміщення поршня;
ω кутова швидкість колінчастого вала
Кутова швидкість розраховується за формулою
Важливим конструктивним параметром КШМ є ставлення радіуса кривошипа до довжини шатуна:
Встановлено, що зі зменшенням λ (за рахунок збільшення L) відбувається зниження інерційних і нормальних сил. При цьому збільшується висота двигуна і його маса, тому в автомобільних двигунах приймають λ від 0,23 до 0,3.
Значення λ для деяких автомобільних і тракторних двигунів приведені в табл. 11.1.
Таблиця 11. 1. Значення параметра λ для разлічних двигунів
|
двигун |
|
|
ВАЗ-2106 |
0,295 |
|
ЗІЛ-130 |
0,257 |
|
Д-20 |
0,280 |
|
СМД-14 |
0,28 |
|
ЯМЗ-240 |
0,264 |
|
КамАЗ -740 |
0,2167 |
В дезаксіальном КШМ(Рис. 11.2) вісь циліндра не перетинає вісь колінчастого вала і зміщена щодо її на відстаньа.
Мал. 11.2. Схема дезаксіального КШМ
Дезаксіальние КШМ мають відносно центральних КШМ деякі переваги:
- збільшена відстань між колінчастим і розподільним валами, В результаті чого збільшується простір для переміщення нижньої головки шатуна;
- більш рівномірний знос циліндрів двигуна;
- при однакових значеннях R і λ більше хід поршня, що сприяє зниженню вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах двигуна;
- збільшений робочий об'єм двигуна.
На рис. 11.3 показанийКШМ з причіпним шатуном.Шатун, який шарнірно з'єднаний безпосередньо з шийкою колінчастого вала, називається головним, а шатун, який з'єднаний з головним за допомогою пальця, розташованого на його голівці, називається причіпним.Така схема КШМ застосовується на двигунах з великим числом циліндрів, коли хочуть зменшити довжину двигуна.Поршні, з'єднані з головним і причіпним шатуном мають не однаковий хід, так як вісь кривошипної головки причіпного шатуна при роботі описує еліпс, велика піввісь якого більше радіуса кривошипа. В V -образні дванадцятициліндрового двигуні Д-12 різниця в ході поршнів складає 6,7 мм.
Мал. 11.3. КШМ з причіпним шатуном: 1 поршень; 2 компресійне кільце; 3 поршневий палець; 4 заглушка поршневогопаль ца; 5 втулка верхньої головкишатуна; 6 головний шатун; 7 причіпний шатун; 8 втулка нижньої головки причіпногошатуна; 9 палець кріплення причіпного шатуна; 10 інсталяційний штифт; 11 вкладиші; 12 коніч ський штифт
11.2. Кінематика центрального КШМ
При кінематичному аналізі КШМ вважається, що кутова швидкість колінчастого вала постійна.У завдання кінематичного розрахунку входить визначення переміщення поршня, швидкості його руху і прискорення.
11.2.1. переміщення поршня
Переміщення поршня в залежності від кута повороту кривошипа для двигуна з центральним КШМ розраховується за формулою
(11.1)
Аналіз рівняння (11.1) показує, що переміщення поршня можна уявити як суму двох переміщень:
x 1 переміщення першого порядку, відповідає переміщенню поршня при нескінченно довгому шатуне(L = ∞ при λ = 0):
х 2 переміщення другого порядку, є поправку на кінцеву довжину шатуна:
Величина х 2 залежить від λ. При заданому λ екстремальні значеннях 2 матимуть місце, якщо
т. е. в межах одного обороту екстремальні значеннях 2 будуть відповідати кутах повороту (φ) 0; 90; 180 і 270 °.
Максимальних значень переміщення досягне при φ = 90 ° і φ = 270 °, т. Е. Коли з s φ = -1. У цих випадках дійсне переміщення поршня складе
Величина λR / 2, називається поправкою Брикса і є поправкою на кінцеву довжину шатуна.
На рис. 11.4 показана залежність переміщення поршня від кута повороту колінчастого вала. При повороті кривошипа на 90 ° поршень проходить більше половини свого ходу. Це пояснюється тим, що при повороті кривошипа від ВМТ до НМТ поршень рухається під дією переміщення шатуна вздовж осі циліндра і відхилення його від цієї осі. У першій чверті кола (від 0 до 90 °) шатун одночасно з переміщенням до колінчастого валувідхиляється від осі циліндра, причому обидва переміщення шатуна відповідають руху поршня в одному напрямку, і поршень проходить більше половини свого шляху. При русі кривошипа в другій чверті кола (від 90 до 180 °) напрямки рухів шатуна і поршня не збігаються, поршень проходить найменший шлях.
Мал. 11.4. Залежність переміщення поршня і його складових від кута повороту колінчастого вала
Переміщення поршня для кожного з кутів повороту може бути визначено графічним шляхом, яке отримало назву метод Брикса.Для цього з центру кола радіусом R = S / 2 відкладається в сторону НМТ поправка Брикса, знаходиться новий центрО 1. З центру О1 через певні значення φ (наприклад, через кожні 30 °) проводять радіус-вектор до перетину з колом. Проекції точок перетину на вісь циліндра (лінія ВМТ НМТ) дають шукані положення поршня при даних значеннях кута φ. Використання сучасних автоматизованих обчислювальних засобів дозволяє швидко отримати залежність x = f (φ).
11.2.2. швидкість поршня
Похідна переміщення поршня рівняння (11.1) за часом обертання дає швидкість переміщення поршня:
(11.2)
аналогічно переміщенню поршня швидкість поршня може бути представлена також у вигляді двох складових:
де V 1 складова швидкості поршня першого порядку:
V 2 складова швидкості поршня другого порядку:
Складова V 2 є швидкість поршня при нескінченно довгому шатуне. складова V 2 є поправкою до швидкості поршня на кінцеву довжину шатуна. Залежність зміни швидкості поршня від кута повороту колінчастого вала показана на рис. 11.5.
Мал. 11.5. Залежність швидкості поршня від кута повороту колінчастого вала
Максимальні значення швидкість досягає при кутах повороту колінчастого вала менше 90 і більше 270 °.Точне значення цих кутів залежить від величин λ. Для λ від 0,2 до 0,3 максимальні швидкості поршня відповідають кутах повороту колінчастого вала від 70 до 80 ° і від 280 до 287 °.
Середня швидкість поршня розраховується наступним чином:
Середня швидкість поршня в автомобільних двигунах зазвичай знаходиться в межах від 8 і до 15 м / с.значення максимальної швидкостіпоршня з достатньою точністю може бути визначено як
11.2.3. прискорення поршня
Прискорення поршня визначається як перша похідна швидкості за часом або як друга похідна переміщення поршня за часом:
(11.3)
де і гармонійні складові першого і другого порядку прискорення поршня відповідно j 1 і j 2. При цьому перша складова виражає прискорення поршня при нескінченно довгому шатуне, а друга складова поправку прискорення на кінцеву довжину шатуна.
Залежності зміни прискорення поршня і його складових від кута повороту колінчастого вала показані на рис. 11.6.
Мал. 11.6. Залежності зміни прискорення поршня і його складових
від кута повороту колінчастого вала
Прискорення досягає максимальних значень при положенні поршня у ВМТ, а мінімальних в НМТ або близько НМТ.Ці зміни кривої j на ділянці від 180 до ± 45 ° залежать від величиниλ. При λ> 0,25 крива j має увігнуту форму в сторону осі φ (сідло), і прискорення досягає мінімальних значень двічі. при λ = 0,25 крива прискорення опукла, і прискорення досягає найбільшого від'ємного значеннятільки один раз. Максимальні прискорення поршня в автомобільних ДВС 10 000 м / с 2. Кінематика дезаксіа льного КШМ і КШМ з причіп вим шатуном кількавідрізняє ся від кінематикицентрального КШМ і в сьогоденнівиданні не розглядається.
11.3. Ставлення ходу поршня до діаметру циліндра
Ставлення ходу поршня S до діаметру циліндра D є одним з основних параметрів, який визначає розміри та масу двигуна. В автомобільних двигунах значення S / D від 0,8 до 1,2. Двигуни з S / D> 1 називаються довгохідними, а з S / D< 1 короткоходнимі.Дане відношення безпосередньо впливає на швидкість поршня, а значить і потужність двигуна.Зі зменшенням значення S / D очевидні наступні переваги:
- зменшується висота двигуна;
- за рахунок зменшення середньої швидкості поршня знижуються механічні втрати і зменшується знос деталей;
- поліпшуються умови розміщення клапанів і створюються передумови для збільшення їх розмірів;
- з'являється можливість збільшення діаметра корінних і шатунних шийок, що підвищує жорсткість колінчастого вала.
Однак є і негативні моменти:
- збільшується довжина двигуна і довжина колінчастого вала;
- підвищуються навантаження на деталі від сил тиску газу і від сил інерції;
- зменшується висота камери згоряння і погіршується її форма, що в карбюраторних двигунах призводить до підвищення схильності до детонації, а в дизелях до погіршення умов сумішоутворення.
Доцільним вважається зменшення значення S / D при підвищенні швидкохідності двигуна. Особливо це вигідно для V -образних двигунів, де збільшення короткоходности дозволяє отримати оптимальні масові і габаритні показники.
Значення S / D для різних двигунів:
- карбюраторні двигуни 0,7 1;
- дизелі середньої швидкохідності 1,0 1,4;
- швидкохідні дизелі 0,75 1,05.
При виборі значень S / D слід враховувати, що сили, що діють в КШМ, більшою мірою залежать від діаметра циліндра і в меншій від ходу поршня.
PAGE \ * MERGEFORMAT 1
Основною ланкою енергетичної установки призначеної для транспортної техніки є кривошипно-шатунного механізм. Його основним завданням є перетворення прямолінійного руху поршня в обертальний рух колінчастого вала. Умови роботи елементів кривошипно-шатунного механізму характеризуються широким діапазоном і високою частотою повторення знакозмінних навантажень в залежності від положення поршня, характеру процесів, що відбуваються всередині циліндра і частоти обертання колінчастого вала двигуна.
Розрахунок кінематики і визначення динамічних сил, що виникають в кривошипно-шатунного механізму, виконуємо для заданого номінального режиму, з урахуванням отриманих результатів теплового розрахунку і раніше прийнятих конструктивних параметрів прототипу. Результати кінематичного і динамічного розрахунку будуть використовуватися для розрахунку на міцність і визначення конкретних конструктивних параметрів або розмірів основних вузлів і деталей двигуна.
Основним завданням кінематичного розрахунку є визначення переміщення, швидкості і прискорення елементів кривошипно-шатунного механізму.
Завданням динамічного розрахунку є визначення та аналіз сил, що діють в кривошипно-шатунного механізму.
Кутову швидкість обертання колінчастого вала приймаємо постійної, відповідно до заданої частотою обертання.
У розрахунку розглядаються навантаження від сил тиску газів і від сил інерції рухомих мас.
Поточні значення сили тиску газів визначаємо на основі результатів розрахунку тисків в характерних точках робочого циклу після побудови і розгортки індикаторної діаграмив координатах по куту повороту колінчастого валу.
Сили інерції рухомих мас кривошипно-шатунного механізму ділять на сили інерції зворотно-поступально рухомих мас Pj та сили інерції обертових мас KR.
Сили інерції рухомих мас кривошипно-шатунного механізму визначаємо з урахуванням розмірів циліндра, конструктивних особливостейКШМ і мас його деталей.
Для спрощення динамічного розрахунку дійсний кривошипно-шатунний механізм замінюємо еквівалентної системою зосереджених мас.
Всі деталі КШМ за характером їх руху діляться на три групи:
- 1) Деталі, які вчиняють зворотно-поступальний руху. До них відносимо масу поршня, масу поршневих кілець, Масу поршневого пальця і вважаємо зосередженою на осі поршневого пальця - mn .;
- 2) Деталі, які вчиняють обертальний рух. Масу таких деталей замінюємо загальною масою, наведеною до радіусу кривошипа Rкp, і позначаємо mк. У неї входить маса шатунной шийки mшш і приведена маса щік кривошипа mщ, зосереджена на осі шатунной шийки;
- 3) Деталі, які вчиняють складне плоскопараллельное рух (шатунная група). Для спрощення розрахунків її замінюємо системою 2-х статично заміщають рознесених мас: маси шатунной групи, зосередженої на осі поршневого пальця - mшп і маси шатунной групи, віднесеної і зосередженої на осі шатунной шийки колінчастого вала - mшк.
При цьому:
mшn + mшк = mш,
Для більшості існуючих конструкцій автомобільних двигунівприймають:
mшn = (0,2 ... 0,3) · mш;
mшк = (0,8 ... 0,7) · mш.
Таким чином, систему мас КШМ заміняємо системою 2-х сконцентрованих мас:
Маса в точці А - здійснює зворотно-поступальний рух
і маса в точці В, яка здійснює обертальний рух
Значення mn, mш і mк визначаються, виходячи з існуючих конструкцій і конструктивних питомих мас поршня, шатуна і коліна кривошипа, віднесених до одиниці поверхні діаметра циліндра.
Таблиця 4 Питомі конструктивні маси елементів КШМ
Площа поршня дорівнює
Для початку виконання кінематичного і динамічного розрахунку необхідно прийняти значення конструктивних питомих мас елементів кривошипно - шатунного механізму з таблиці
приймаємо:
З урахуванням прийнятих значень визначаємо реальні значення маси окремих елементівкривошипно - шатунного механізму
Маса поршня кг,
Маса шатуна кг,
Маса коліна кривошипа кг
Загальна маса елементів КШМ роблять зворотно - поступальний рух буде дорівнює
Загальна маса елементів здійснюють обертальний рух з урахуванням приведення і розподілу маси шатуна дорівнює
Таблиця 5 Вихідні дані до розрахунку КШМ
|
Найменування Параметрів |
позначення |
Одиниці виміру |
чисельні значення |
|
1. Частота обертання коленвала |
|||
|
2. Число циліндрів |
|||
|
3. Радіус кривошипа |
|||
|
4. Діаметр циліндра |
|||
|
5. Ставлення Rкр / Lш |
|||
|
6. Тиск в кінці впуску |
|||
|
7. Тиск навколишнього середовища |
|||
|
8. Тиск випуску відпрацьованих газів |
|||
|
9. Максимальний тиск циклу |
|||
|
10. Тиск в кінці розширення |
|||
|
11. Початковий кут розрахунку |
|||
|
12. Кінцевий кут розрахунку |
|||
|
13. Крок розрахунку |
|||
|
14. Конструктивна маса поршневої групи |
|||
|
15. Конструктивна маса шатунной групи |
|||
|
16. Конструктивна маса кривошипа |
|||
|
17. Маса поршня |
|||
|
18. Маса шатуна |
|||
|
19. Маса коліна кривошипа |
|||
|
20. Загальна маса зворотно - поступально рухомих елементів |
|||
|
21. Загальна маса обертових елементів КШМ |