Вопрос кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма (общие сведения)

§ 1. Кинематика центрального кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-шатунный механизм КШМ называ­ют центральным (рис. 138, а, в), если ось коленчатого вала пе­ресекает ось цилиндра, и смещенным (рис. 1386), когда ось коленчатого вала смещена по отношению к оси цилиндра.

В процессе работы двигателя на КШМ действуют различные силы, закономерность изменения которых за цикл можно уста­новить в результате кинематического и динамического анализов. При этом предполагают, что коленчатый вал двигателя вращает­ся с постоянной угловой скоростью: .

Рассматривая кинематику КШМ, за исходное положение принимают ВМТ и все величины выражают в функции угла поворота коленчатого вала.

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Основные геометрические разме­ры центрального (аксиального) ме­ханизма (рис. 139); L _ш — длина ша­туна; R — радиус кривошипа; _ш = R/L_ш — постоянная КШМ (без­размерный параметр); S — полный ход поршня (S = 2R); — угол по­ворота кривошипа; — угол откло­нения оси шатуна от оси цилиндра.

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Расчет кинематики центрально­го КШМ заключается в определе­нии параметров поршня (текущего значения перемещения S_x, скорости W_n, ускорения ) и шатуна (угла отклонения, угловой скорости качания, ускорения , характеризующих их движение.

Поршень совершает возвратно-поступательное перемещение. Егo положение определяется отрезком S_x, который можно определить из выражения

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

В практических расчетах эта точная формула неудобна, так как перемещение поршня зависит от двух переменных и . Поэтому чаще пользуются приближенной формулой, в которой переменная выражена через на основе бинома Ньютона

Рис.139.Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Полученное выражение представляет собой уравнение пере­мещения поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала.

Скорость движения поршня можно определить дифференци­рованием по времени уравнения перемещения поршня

где —угловая скорость вращения кривошипа.

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 139. Схема центрального кривошипно-шатунного меха­низма

Рис. 140. Зависимости перемещения , скорости W_п и ускорения поршня от угла поворота кривошипа

Тогда

Ускорение поршня определяют по формуле, которую получа­ют дифференцированием по времени уравнения скорости

Перемещение, скорость и ускорение поршня графически изобра­жены на рисунке 140.

При работе двигателя шатун совершает сложное движение, состоящее из переносного движения вместе с поршнем и качательного вокруг оси поршневого пальца. Угол отклонения ша­туна от оси цилиндра определяют по формуле

Угловую скорость качания и угловое ускорение шату­на рассчитывают по формулам

34 вопрос Механизмы газораспределения и …….

Назначение механизма газораспределения (МГР) — управление процессом газообмена и обеспечение возможно лучшего наполне­ния цилиндров. В современных четырехтактных двигателях применяют в ос­новном клапанные механизмы газораспределения, харахтеризую-щиеся простотой конструкции, малой стоимостью изготовления и ремонта, хорошим уплотнением камеры сгорания и надежностью в работе.

Широкое распространение получили конструкции двигателей с двухклапанными МГР, включающие в себя один впускной и один выпускной клапаны. В двигателях с цилиндрическими и клиновидными камерами сгорания клапаны располагаются в один ряд вдоль оси блока. Впускные и выпускные клапаны чередуются или располагаются попарно. В последнем случае впускные клапаны соседних цилиндров могут иметь один общий или раздельные патрубки для каждого клапана. Двухрядное расположение клапанов приме­няют в ДсИЗ, имеющих шатровые или полусферические камеры сгорания. Оси клапанов могут быть наклонены к оси цилиндра , что позволяет увеличить диаметры горловин клапа­нов и упростить форму каналов в головке. В дизелях двухрядное расположение клапанов обычно не применяется в связи с трудно­стью размещения форсунок в местах, удобных для обслуживания. В двигателях с искровым зажиганием и однорядным расположени­ем клапанов впускной и выпускной трубопроводы могут быть размещены как с одной стороны головки цилиндров, так и с обеих сторон. В двигателях с двухрядным расположением клапанов и в У-образных двигателях трубопроводы располагаются по обе сто­роны головки цилиндров.

Все большее распрост­ранение получают констру­кции механизма газорасп­ределения с тремя и четырьмя клапанами на один цилиндр. Это позволяет увеличить площади проходных сече­ний клапанов при уменьше­нии их размеров. С умень­шением диаметра головки клапана увеличивается ее жесткость и улучшается охлаждение. Одновременно снижается инерционная на­грузка на детали механизма

газораспределения. Трехклапанные механизмы выполняются с одним выпускным клапаном большого диаметра и двумя впуск­ными или с одним впускным большого диаметра и двумя выпускными. При установке четырех клапанов на один цилиндр одноименные клапаны могут распола­гаться вдоль продольной оси блока или в двух рядах. При двухрядном расположении стержень выпускного клапана, расположенного со стороны выпускного патрубка, подвер­гается интенсивному нагреву. С этим связано более широкое рас­пространение конструкций с расположением одноименных клапанов в различных рядах.

При выборе схемы привода клапанов стремятся максимально снизить массы движущихся элементов механизма газораспределе­ния и увеличить его общую жесткость.

Механизмы газораспределения подразделяют на механизмы с нижним или средним и верхним расположением распределительных валов. Нижние распределительные валы устана­вливаются в картере. В У-образных конструкциях они располагают­ся обычно в развале блока цилиндров. Нижнее расположение рас­пределительного вала широко применялось и применяется в силу простоты конструкции и компактности привода. Существенным его недостатком являются сравнительно большая масса движущихся элементов и наличие длинной податливой штанги, снижающей об­щую жесткость механизма. В связи с этим распределительные валы стремятся по возможности располагать в верхней части блока.

Верхние распределительные валы размещаются на головке блока цилиндров; при этом для привода клапанов могут использоваться один или два распределительных вала.

Нижний распределительный вал чаще всего приводится во вра­щение непосредственно от коленчатого вала с помощью зубчатой пары. При большом межцентровом расстоянии распределительного и коленчатого валов в привод могут быть введены промежуточные шестерни или может быть использована цепная передача. Для большей плавности зацепления и уменьшения шума при работе зуб шестерен выполняется косым, С этой же целью шестерню распределительного вала нередко выпо­лняют из текстолита (всю шестерню или только ее обод) и выбира­ют модуль шестерен по возможности малым.

Верхние распределительные валы Приводятся в движение при помощи системы промежуточных валов с коническими или винто­выми шестернями, цилиндрическими шестернями, цепью или зубчатым ремнем. Привод с промежуточными валами надежен в работе, но сложен в конст­руктивном отношении, требует тщательной регулировки зацепле­ния шестерен. Передача из цилиндрических шестерен имеет обычно большоеих количество, что отрицательно сказывается на металло­емкости конструкции всего двигателя. К достоинствам цепной пе­редачи следует отнести: • возможность передачи вращения при больших межцентровых расстояниях коленчатых и распределитель­ных валов; • сравнительно малую шумность работы; 9 простоту конструкции; • снижение массы привода. Устанавливаются зуб­чатые и втулочно-роликовые двухрядные цепи. Последние получили большее распространение вследствие меньшей их стоимости. Ос­новными недостатками цепного привода являются вибрация цепи при резко меняющихся нагрузках, а также износ и вытяжка цепи в процессе эксплуатации. Поэтому для цепных приводов обязатель­ными являются натяжные устройства (лениксы) и успокоители ко­лебаний цепи. На современных быстроходных двигателях широкое распространение получили передачи, в которых вместо цепи исполь­зуется зубчатый ремень, изготовленный из синтетических матери­алов со стеклонитяным или проволочным кордом. Привод с зубчатым ремнем не требует смазки и отличается достаточной дол­говечностью, устойчивостью регулировок, невысокой стоимос­тью, низким уровнем шума. От схода с цилиндрических зубчатых шкивов, включая и натяжной ролик, он предохраняется бурти­ками.

Существует ряд конструкций МГР, позволяющих оперативно изменить фазы газораспределения во время работы двигателя. Для этого используются механизмы газораспределения с регулируемы­ми фазами подъема клапана, в которых моменты его открытия и закрытия регулируются изменением взаимного положения оси вращения кулачка (распределительного вала) и оси качания рычага. Выполняются они в двух вариантах. В первом варианте регулиру­емым элементом является распределительный вал , вращающийся в эксцентричных отверстиях опор, угловое положе­ние которых устанавливается исполнительным устройством в за­висимости от частоты вращения коленчатого вала. Во втором вари­анте регулирование фаз осуществляется изменением положения рычага относительно кулачков распределительного вала, вращающегося в неподвижных опорах.

Привод клапанов при нижнем расположении распределитель­ного вала осуществляется кулачками, толкателями, штангами и коромыслами. В большинстве случаев впускные и выпускные клапаны приводятся от одного распределительного вала. Привод одноименных клапанов четырехклапанного механиз­ма, расположенного в двух рядах, выполняется аналогично, но при этом коромысло воздействует на поперечную связу­ющую траверзу, перемещающуюся в направляющей стойке. При расположении одноименных клапанов в отдельных рядах они при­водятся вильчатыми коромыслами, с непосредст­венным воздействием кулачков на клапаны, либо через продольные траверзы.

В случае верхнего расположения распределительных валов привод клапанов осуществляется следующим образом:

• при расположении клапанов в один ряд — непосредственно от кулачков распределительного вала;

• при двух клапанах на один цилиндр, расположенных в двух рядах: 1) в случае двух распределительных валов — непосредствен­но от кулачков распределительного вала; 2) в случае одного распределительного вала — через коромысла, продольную траверзу или с помощью вильчатых коромысел .

Привод клапанов трехклапанных механизмов осуществляется непосредственным воздействием кулачков на клапаны от двух рас­пределительных валов.

35 вопрос

Индикаторная мощностьдвигателя —это работа, совер­шаемая газами внутри цилиндров в единицу времени.

Для многоцилиндрового двигателя (кВт)

где — рабочий объем одного цилиндра, л (дм³); — число цилиндров; n — частота вращения коленчатого вала, мин ; — тактность двигателя.

Индикаторный удельный расход топлива отражает расход топлива на единицу индикаторной мощности:

,

где Gт — часовой расход топлива, кг/ч.

Для современных дизелей = 175...230 г/( ).

Индикаторный КПД характеризует экономичность дей­ствительного цикла (степень использования теплоты сгорания топлива).

Если известно значение , индикаторный КПД определяют по формуле

или

где — низшая удельная теплота сгорания топлива, МДж/кг.

Для дизеля = 0,38 ... 0,50.

Индикаторный КПД всегда ниже термического из-за допол­нительных тепловых потерь, вызванных теплообменом между газом и стенками, неполнотой сгорания и т. п.

Относительный КПД оценивает степень совершенства действительного рабочего цикла по отношению к теоретиче­скому:

36 вопрос

НА НЕУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМАХ

В условиях эксплуатации двигатель автомобиля часто рабо­тает на так называемых неустановившихся режимах (НУР). Из числа НУР наиболее значимы режимы разгона. Возможны НУР при постоянной частоте вращения, поддержание которой при изменении внешней нагрузки осуществляется либо непосредст­венно водителем, либо с помощью автоматического регулятора.

Неблагоприятными в экологическом отношении являются неустановившиеся режимы пуска и прогрева двигателя, а также режимы принудительного холостого хода (ПХХ), которые, как правило, также бывают неустановившимися.

В частности, признаком НУР является неравенство (дис­баланс) энергии, отдаваемой двигателем, и энергии, израсхо­дованной потребителем. Если энергию характеризовать крутя­щими моментами двигателя и потребителя (Af_c), то это условие примет вид

(7.2)

dm

Мк- Мс=± J——,

d τh

где / — приведенный к оси коленчатого вала суммарный поляр­ный момент инерции вращающихся и возвратно-поступательно

Установившиеся режимы и устойчивость режима работы двигателя. Режимы работы двигателя могут быть установившимися (равновесными) и неустановившимися (нерав­новесными). Установившимися режимами называют такие, при которых параметры, характеризующие работу двигателя (М„ п и др.), с течением времени не изменяются. При установившемся режиме работы крутящий момент двигателя, равен моменту сопротивления потребителя энергии

M_f=M_c, при отсутствии внешней нагрузки

М,-М»._а=0;р,-р_м._а=0. (5.16)

Уравнения подобные им для других парамет­ров, характеризующих работу двигателя, называют уравнениями статического равновесия

При неустановившемся режиме двигатель вырабатывает эне­ргию, большую или меньшую той, которая необходима для преодоления внешней нагрузки или в случае холостого хода — механических потерь.

Под устойчивостью режима работы понимают способность системы двигатель — потребитель восстановить равенство их крутящих моментов при изменении частоты вращения. Рассмот­рим примеры устойчивого и неустойчивого режимов (рис. 5.35, а, б). Предположим, во время работы двигателя на установившемся режиме по каким-то причинам произошло увеличение частоты вращения на величину Ал'. При устойчивом режиме работы двигателя (рис. 5.35, а) М'_С>М^ и двигатель будет уменьшать частоту вращения, возвращаясь в исходное состояние. При не­устойчивом (без регулятора) режиме работы двигателя (рис. 5.35, б) подобное увеличение частоты вращения на An' приведет к Мъ>Мё и двигатель будет увеличивать частоту вращения (дви­гатель «идет в разнос»). В случае уменьшения частоты вращения на Ал" в зависимости от крутизны характеристики M_t=f(n) двигатель или дальше уменьшает частоту вращения и останав­ливается (рис. 5.35, б), или возвращается в исходное состояние (рис. 5.35, а).

На рис. 5.36 приведены аналогичные примеры устойчивой (а) и неустойчивой (б) работы двигателя на режиме холостого хода. Устойчивость режимов работы двигателя можно оценить коли­чественно. Она зависит от разности моментов сопротивления и крутящего момента, вызванной определенным отклонением Део угловой частоты вращения коленчатого вала двигателя (рис. 5.37), и количественно оценивается фактором устойчивости

• Необходимость уста­новки на двигатели автома­тических регуляторов часто­ты вращения. Устойчивость ре­жима определяется, формой кривой зависимости крутящего момента от частоты вращения. Известно, что характер зависимости момента от частоты вращения определяется комплексом взаимодействия момента сопротивления и крутящим моментом В кар­бюраторных двигателях с искровым зажиганием наиболее значи­мым фактором воздействия на M_t при неизменном положении дросселя является rj,. Особенно резко падает наполнение двига­теля и М_х с увеличением п при сильно прикрытой дроссельной заслонке,