Menu

Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме двигателя

В кривошипно-шатунном механизме двигателя внутреннего сгорания действуют силы от давления газов Рг, силы инерции Pj, центробежные Рс и силы трения и полезного сопротивления.

Изменение давления газов на днище поршня представляется в виде индикаторной диаграммы [image]или[image], где S — ход поршня, м; V— объем цилиндра (Vh+ Vc), м3.

Для удобства выполнения последующих расчетов индикаторную диаграмму перестраивают в координаты [image], где [image] — угол поворота кривошипа (развернутая индикаторная диаграмма). При перестроении графика давление отсчитывают от атмосферной линии, т. е. от рг= (pа—pо), где р0 — давление окружающей среды; ра — абсолютное давление.

6

Индикаторные диаграммы для карбюраторного двигателя и дизеля показаны на рис. 3.

Индикаторная диаграмма в развернутом виде показана на рис. 4. Для перестроения индикаторной диаграммы из координат p—V в координаты р[image] под ней чертят полуокружность радиусом R, имея в виду, что 2R=S, затем полуокружность делят на дуги, охватывающие углы 15 или 30°, и точки на полуокружности соединяют с центром. Затем смещают центр на величину [image]

 

Рис. 3. Индикаторные диаграммы:

а — карбюраторного двигателя: б—дизеля

 

(поправка Брикса), учитывающую конечную длину шатуна (смещение в сторону н. м. т.) Из нового центра строят лучи параллельно радиусам, проведенным к точкам на окружности. Из полученных новых точек на окружности проводят перпендикуляры к диаметру и продолжают их до пересечения с линиями индикаторной диаграммы. Точки пересечения перпендикуляров с линиями индикаторной диаграммы дают значения рг, соответствующие данному углу поворота кривошипа. Значения рг берут от линии р0 и откладывают на развертке. Полученные точки соединяют плавной кривой.

Кроме сил от давления газов на поршень в кривошипно-шатунном механизме действуют силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс. Суммарная сила, отнесенная к оси пальца

[image]. (8)

Для удобства сложения сил давления газов Рг и сил инерции Pj возвратно-поступательно движущихся масс берут их в одинаковом масштабе, тогда PS можно  получить графическим суммированием (рис. 4.).

[image]

Рис. 4. Индикаторная диаграмма карбюраторного двигателя в координатах p-V и Pг=f(a); Pj= f(a) и PS = f(a)

 

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс подсчитывают, приближенно относя их к единице площади поршня (м2 или см2):

[image], (9)

где [image]и [image] — соответственно силы инерции первого и второго порядков; m1— масса, сосредоточенная на оси верхней головки шатуна.

Силы инерции, направленные так же, как и силы от давления газов, считают положительными, если же они направлены в противоположную сторону - отрицательными.

Силы инерции вращающихся масс К' действуют по направлению радиуса кривошипа и определяют их в предположении, что [image]— частота вращения- кривошипа — неизменна. При расчетах принимают частоту вращения, соответствующую работе двигателя с номинальной частотой вращения коленчатого вала,

[image] (10)

где m2 — масса, сосредоточенная на оси нижней головки шатуна.

При определении сил инерции, действующих в кривошипно-шатунном механизме, сложные формы массы деталей двигателей заменяют условными массами, сосредоточенными в точке, совпадающей с центром, тяжести детали, или в точке, лежащей на оси, проходящей через центр тяжести детали или системы деталей (рис. 5, ав).

Масса m1, сосредоточенная на оси верхней головки шатуна, представляет собой сумму масс:

[image],

где [image]пор — масса поршня, кг (кгс×с2/м); тк — масса поршневых колец; тп — масса поршневого пальца; [image]в.г.ш.— масса шатуна, отнесенная к верхней головке; обычно принимают [image]в.г.ш = (0,25¸0,3) тш.

Масса нижней головки шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа,

[image],

где тшмасса шатуна, кг (кгс×с2/м).

Для определения сил, действующих на опорные подшипники, необходимо, отнести массу кривошипной шейки, массу щек и массу нижней головки шатуна на ось кривошипной шейки. Так как центр тяжести щек не совпадает с осью шейки кривошипа, то необходимо пересчитать действительную массу тдщ на эквивалентную тэщ:

[image]

где r — расстояние центра тяжести действительной массы щеки до оси вращения коленчатого вала; R — радиус кривошипа.

Для приближенных :расчетов можно воспользоваться данными удельных масс поршней и шатунов, приведенных в табл. 1. Суммарная масса, отнесенная к оси кривошипа,

[image],

где [image] — масса кривошипной шейки; [image] — масса щек.

Если части щек, примыкающие к кривошипной шейке, имеют сложную форму, то их массы определяют методом расчленение сложной формы на простые элементы, позволяющие с достаточной точностью найти общую массу как сумму масс отдельных элементов данной детали.

[image]

Рис. 5. Схема масс шатунно-кривошипного механизма:

а - определение массы щеки; б,в - распределение массы шатуна между верхней и нижней головками

 

Ранее был рассмотрен случай, когда движущиеся массы приводят к двум точкам — верхней и нижней головкам шатуна. Иногда эту систему рассматривают состоящей из трех масс, две из которых сосредоточены в верхней и нижней головках шатуна, а третья—в центре тяжести шатуна. Так как эта масса в последующих расчетах деталей на прочность существенного влияния не оказывает, то при расчетах на прочность деталей автомобильных и тракторных двигателей пользуются схемой, состоящей из двух масс.

10

Для предварительного определения масс деталей кривошипно-шатунного механизма можно воспользоваться данными табл. 1. В таблице массы поршней и .шатунов автомобильных и тракторных двигателей отнесены к площади поршня. -

Таблица 1.

 

Тип двигателя

Удельная масса, кг/м2 (г/см2)

поршня алюминиевого

поршня чугунного

шатуна стального

Карбюраторные двигатели

 

Автомобильные Дизели

 

Тракторные дизели

100—150 (10—15) 200—250 (20—25) 200—300 (20—30)

120—280 (12—28)

-

-

250—400 (25—40)

120—200 (12—20) 300—400 (30-40) 350—550 (35—55)

[image]На рис. 6 показана схема сил, действующих в кривошипно-Шатунном механизме. Суммарная сила [image] приложена к верхней головке шатуна и разложена на две составляющие: одна, (S) направлена по шатуну, а другая (N) — нормально к стенке цилиндра. Из треугольников со сторонами N, S, [image] определяют силы:

[image]; (11)

[image], (12)

где [image] — угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Сила S может быть перенесена в нижнюю головку шатуна на ось кривошипной шейки и разложена на две составляющие: К — силу, действующую вдоль кривошипа (щеки коленчатого вала), и T — касательную силу, приложенную к точке на окружности с радиусом, равным R.

Рис. 6. Силы, действующие в шатунно-кривошипном механизме

Силы К и Т зависят от углов [image] поворота кривошипа и отклонения [image] шатуна от оси цилиндра:

[image]; (13)

[image]. (14)

Силы N, S, К, Т для удобства пользования в последующих расчетах относят к единице площади поршня м2 (см2). Это позволяет некоторые операции по сложению сил производить графическим методом. На рис. 7 силы N, S, К, Т показаны в зависимости от [image].

11

Из схемы сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме, видно, что кривошипная шейка нагружается силами

[image];[image];[image]

где [image] — центробежная сила.

[image]

Рис. 7. Графики сил, действующих в шатунно-

кривошипном механизме: PΣ=f(α), S=f(α ),N=f(α ),T=f(α ) и К=f(α )

 

Суммарная сила, нагружающая кривошипно-шатунную шейку,

[image], (15)

так как сила Т сдвинута по отношению силы К на угол 90°, поэтому

[image].

Произведение ТR = Мкр. Характер изменения Мкр соответствует характеру изменения тангенциальной силы Т.

 

12

Для определения среднего значения крутящего момента двигателя на диаграмме T=f(α ) (рис. 7) находят среднее значение тангенциальной силы (Н):

[image]

где μ — масштабный коэффициент; [image]— площадь над осью диаграммы (горизонтальной); [image] — площадь под осью диаграммы; L— длина диаграммы.

[image]Крутящий момент одноцилиндрового двигателя (Н·м)

[image]

Для определения крутящего момента многоцилиндрового двигателя суммируют крутящие моменты отдельных цилиндров, для чего на график изменения [image] одного цилиндра накладывают такие же графики для других цилиндров, учитывая при этом сдвиг по фазе рабочих ходов всех цилиндров двигателя. Затем графически суммируют и, определив [image] и [image] находят (Н м)

[image] (16)

 

На рис. 8 показан характер изменения [image] четырехцилиндрового четырехтактного двигателя.

Рис. 8. График суммарного момента четырехцилиндрового четырехтактного

двигателя

Характер изменения крутящего момента одно-, двух-, четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателей показан на рис. 9.

Сдвиг по фазе (град) рабочих ходов соответственно у четырех- и двухтактных двигателей

[image],

где i — число цилиндров двигателя.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4223 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7423 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4412 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Ремонт фасадов

При ремонте фасадов зданий исправляют балконы и водостоки, очищают и окрашивают фасады. Ремонт балконов включает усиление консолей, кронштейнов, плит; замену или исправление ограждающей решетки, пола и гидроизоляционного слоя. Если в балконных...

25-05-2010 Просмотров:8664 Эксплуатация жилых зданий

Динамика вантовых непологих систем произ…

Динамика вантовых непологих систем произвольного вида Составим выражение для кинетической энергии шарнирно-стерж-невой системы с массами, сосредоточенными в узлах   или в криволинейных координатах Переходя в пространство конфигураций, получим      Введем новые переменные Тогда выражения для кинетической и...

20-09-2011 Просмотров:3951 Вантовые покрытия

Строение и состав криогенных пород

Криогенные горные породы, с одной стороны, находятся обычно в условиях, близких к состоянию фазового перехода жидкость — кристалл для НгО, являющейся одним из основных породообразующих минералов, вследствие чего лед, как...

27-09-2011 Просмотров:4388 Электрические и упругие свойства криогенных пород