Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования тепловой энергии давления сгоревших газов в механическую работу, т.е. создавая вращение коленчатого вала. Конструкция КШМ состоит из поршней с шатунами, которые соединены с коленчатым валом. Во время работы двигателя, поршни двигаются в гильзах цилиндров.

Принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Давление газа, возникающее во время сгорания топлива, заставляет двигаться поршень по возвратно-поступательной траектории, передавая усилие на шатун.

По своей конструкции, поршень состоит из юбки и головки. Головка может быть выполнена различной формы: вогнутая, выпуклая, плоская. В ней также есть специальные канавки, в которые устанавливаются кольца. В настоящее время, на двигателях устанавливаются два различных типа колец. Первые компрессионные, вторые — маслосъемные. Компрессионные кольца предотвращают попадание газов в картер. Маслосъемные кольца служат для удаления избытков масла со стенок цилиндров. В юбке поршня расположены две небольшие бобышки, к которым прикрепляется поршневой палец. Он в свою очередь соединен с шатуном.

Для передачи усилия от поршня к коленчатому валу, на шатуне предусмотрены шарнирные соединения. Материалом для изготовления шатуна является высокопрочная сталь. Для автомобилей, предназначенных для гонок, шатуны изготавливаются из титанового сплава.

Конструкция шатуна представляет собой верхнюю, нижнюю головки и стержня. В верхней головке устанавливается поршневой палец. Он называется «плавающим». Нижняя головка — разборная, благодаря чему она крепиться к шейке коленчатого вала.

Поступающие усилия к коленчатому валу, заставляют его вращаться. Для изготовления этого элемента двигателя применяется сталь или чугун. В конструкцию коленчатого вала входят несколько элементов, среди которых шатунные и коренные рейки. Между собой они соединяются при помощи щеками. Щеки выступают в роли уравновешивателя всего механизма. Шатунные и коренные рейки вращаются в скользящих подшипниках, выполненных из тонких металлических вкладышей. Во внутренней части шеек и щек, предусмотрены специальные отверстия, через которые под давлением закачивается масло.

На конце коленвала расположен маховик. В современных автомобилях часто устанавливаются двухмассовые маховики. Конструктивно они представляют собой два соединенных между собой диска. Запуск двигателя осуществляется благодаря вращению зубчатого венца маховика, благодаря передаче усилия от стартера.

Чтобы в двигателе не возникало крутильных колебаний, проявляюшихся чередующимися раскручиваниями и закручиваниями коленчатого вала, на обратной его стороне располагается гаситель колебаний. Конструктивно он представляет собой два металлических кольца, между которыми располагается вязкое масло или эластомер. Внешняя сторона гасителя соединена с ременным шкивом.

Вместе, шатун, гильза цилиндра и поршень образуют цилиндро-поршневую группу.  В зависимости от модели, в двигателе может быть от одного до шестнадцати цилиндров.

В зависимости от расположения цилиндров в двигателе, может быть несколько вариантов компоновочной схемы:

• Рядная. При таком расположении, оси цилиндров расположены на одной линии.
• V-образная — оси цилиндров расположены в двух плоскостях;
• Оппозитная (оси расположены на 180° по отношению к друг-другу;
• VR — оси расположены под незначительным углом к друг-другу;
• W-образная. В данном случае, предусмотрены две схемы VR, которые установлены с небольшим смещением на одном валу.

В зависимости от типа компоновочной системы, определяется уровень балансировки двигателя. Лучшим в этом плане, является двигатель, имеющий оппозитное расположение цилиндров. Хорошо сбалансирован и двигатель с четырехцилиндровой рядной системой. В V-образном двигателе, наилучшие показатели балансировки достигаются путем расположения цилиндров по отношению друг к другу под углами 120° и 60°.

Специально для снижения уровня возникающих во время работы двигателя вибраций, в масляном поддоне располагаются специальные балансировочные валы, непосредственно под коленчатым валом.

Кривошипно-шатунный механизм погрузчика: взгляд изнутри

КШМ погрузчика выполняет основную функцию, которая обеспечивает движение спецтехники. Если рассматривать данную процедуру более детально, то можно заметить, что в данном случае перемещения поршня трансформируются в непосредственное движение коленвала. С конструкционной точки зрения, кривошипно-шатунный механизм погрузчика — это уникальный конструктор, состоящий из картера двигателя внутреннего сгорания, подшипников, уплотнителей, цилиндрического блока, поршневой группы, шатунов и прочих элементов крепления.

При этом, картер, вместе с блоком цилиндров, оснащенных головкой, образуют корпус двигателя внутреннего сгорания. Следует отметить, что производители изначально оснащают цилиндры специальными чугунными гильзами. Эти гильзы обладают высокой устойчивостью к воздействию кислоты. Такая конструкционная особенность увеличивает время общего износа механизма.

На поверхности цилиндрического блока (ЦБ) находится головка. Седла клапанов находятся с одной стороны ЦБ, при этом здесь же находятся как выпускные, так и впускные клапаны. Они производятся с учетом установленных технических требований, поскольку все время находятся в среде газов и высокой температуру. В роли материала изготовления данных элементов выступает жаропрочная сталь, чьи характеристики обеспечивают нормальное состояние седел на продолжении длительной эксплуатации механизма.

Рабочий такт КШМ погрузчика

Данный процесс происходит при существенном нагревании поршня. Чтобы минимизировать влияние высоких температур, производители воспользовались сплавом алюминия, который отличается крайне высокой способностью пропускания тепла (теплопроводности). Однако, не смотря на наличие данного материала внутри механизма, все равно может произойти зацикливание поршня, поскольку алюминий, в отличие от чугунных стен цилиндра, гораздо сильнее расширяется под воздействием температуры.

Чтобы предотвратить данную неисправность, кривошипно-шатунный механизм погрузчика обладает специальным тепловым зазором, исключающим возможность зацикливания даже при полном перегреве двигателя внутреннего сгорания.

Следует отметить, что головка ЦБ содержит 4 канавки кольцевого типа. Нижняя из них оснащается маслосъемными кольцами, обеспечивающие своевременный вывод лишнего масла из двигателя. Остальные три канавки предназначены для предотвращения прорыва газа. Данную защиту обеспечивают установленные компрессионные кольца.

Крепежные элементы маслосъемного типа выполняют аналогичную задачу, однако, главная цель их применения состоит в выпуске лишних объемов смазочного вещества из «внутренностей» цилиндрического блока. Такая функция осуществляется за счет наличия радиальных щелей и продольной канавки, которая выходит в плоскость поршня через радиальные отверстия.

Кривошипно-шатунный механизм погрузчика — это сложный конструктор, который выполняет жизненно важные задачи в спецтехнике. В случае поломки, настоятельно рекомендуется обращаться к специалистам-механикам. Их услуги помогут вам сократить общую длительность ремонта погрузчика.

детали и запчасти КШМ двигателя

Подобрать запчасти в каталоге «Кривошипношатунный механизм»

Основные компоненты и принцип работы КШМ

Состоит кривошипно-шатунный механизм из таких подвижных деталей и элементов крепежа, как:

• Коленвал
• Поршни с поршневыми кольцами и пальцами
• Шатуны
• Вкладыши, втулки
• Стопорное кольцо
• Крышки

Недвижимыми составляющими данного устройства считаются цилиндры, ГБЦ, блок цилиндров, картер, поддон, прокладка ГБЦ.

В процессе загорания топливно-горючей смеси, оказавшиеся в цилиндрах газы, перемещают поршень в нижнее положение. Благодаря поршневому кольцу шатун может прокручиваться, компенсируя момент прокручивания коленвала при нахождении поршня вверху.

Противовесы не позволяют коленвалу повернуться, поэтому крутящий момент на него подают газы, проходящие сквозь шатун и поршень. Вращают колено латунные подшипники скольжения или шатунные вкладыши. В результате коленвал передает усилие на коробку передач и колеса.

Компрессионные кольца предназначены для обеспечения герметичного состояния и необходимой компрессии в камере сгорания. Для предотвращения проникновения внутрь смазки установлено маслосъемное кольцо, которое снимает остатки масел со стенок цилиндра.
 

Неисправности кривошипно-шатунного механизма

Так как данный механизм эксплуатируется в чрезвычайно тяжелых условиях при повышенной температуре на высоких скоростных режимах, именно он повреждается первым в системе двигателя. Если возникают неисправности в этом узле, они часто приводят к дорогостоящему ремонту мотора.

Причиной неполадок обычно является естественный износ компонентов силового агрегата или нарушение правил его эксплуатации. При несвоевременном проведении техобслуживания, применении низкосортных смазочных материалов, топлива, фильтров, продолжительной эксплуатации перегруженного транспортного средства преждевременно могут возникнуть проблемы в работе кривошипно-шатунного механизма.

Типичными неполадками данного узла считаются:

• Изнашивание коренных и шатунных подшипников. Такое повреждение сопровождается приглушенным стуком в блоке цилиндров, который отчетливо слышен при повышении оборотов, также падает давление масла в системе. В подобном случае эксплуатация автотранспортного средства запрещена
• Изнашивание поршней и цилиндров, которое сопровождается звонким гулом при работе непрогретого мотора и возникновением синеватого дыма из выхлопной трубы
• Изнашивание поршневых пальцев
  . Для данной проблемы характерен звонкий стук вверху блока цилиндров при работающем моторе
• Повреждение и залегание поршневых колец. Оно проявляется перебоями в работе силового агрегата, падением компрессии, повышением расхода масла и появлением синего дыма из выхлопа

Кроме этого со временем на поршнях и на стенках камеры сгорания может появляться нагар, который приводит к сильному нагреванию двигателя, увеличенному расходу топлива и понижению мощности авто.

Чтобы максимально продлить срок службы кривошипно-шатунного механизма следует постоянно контролировать крепления, при необходимости подтягивать болты на картере и ГБЦ, а также содержать мотор в чистоте и периодически удалять нагар, который образуется в камере сгорания.

СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

Полная библиографическая ссылка: Яманин А. И. СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА / Александр Иванович Яманин, Владимир Анатольевич Жуков, Сергей Олегович Барышников // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — №1(47). — C. 191-200. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1-191-200

СИЛОВОЙ АНАЛИЗ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

Аннотация

Требуемый уровень надежности современных форсированных двигателей может быть обеспечен лишь при условии их качественного проектирования, в основе которого лежат прочностные расчеты наиболее нагруженных деталей, к которым относятся детали кривошипно-шатунного механизма. В статье показана важность кинематического и динамического анализа кривошипно-шатунного механизма в процессе проектирования двигателя внутреннего сгорания и его роль в обеспечении надежности двигателя, описаны способы решения задачи кинематического и динамического анализа кривошипно-шатунного механизма. Приведен сравнительный анализ статических и динамических моделей кривошипно-шатунных механизмов. Представлены расчетные схемы, последовательность проведения кинематического и динамического анализа механизма; рассмотрены системы уравнений, позволяющие определить усилия, действующие в кривошипно-шатунном механизме. На основании приведенных в статье векторных диаграмм нагрузок на шатунную шейку коленчатого вала обоснована целесообразность применения при аналитических расчетах динамики поршневых двигателей динамических моделей кривошипно-шатунных механизмов с симметричными и несимметричными шатунами. Представлены результаты аналитических расчетов динамики кривошипно-шатунного механизма четырехтактного дизеля с наддувом размерностью 13/14. Показано, что при современном развитии вычислительной техники и программного обеспечения трудоемкость таких расчетов практически не увеличивается, а результаты приближаются к получаемым при численном анализе динамики с применением трехмерных твердотельных моделей. Даны рекомендации по использованию «легких» программных продуктов. Представленные в статье результаты доказывают перспективность использования координатного метода для определения кинематических параметров третьей замещающей массы шатуна и возможность обеспечения требуемой точности расчетов, выполняемых на основании анализа стержневых систем.

Ключевые слова

кривошипно-шатунный механизм, статическая модель шатуна, динамическая модель шатуна, силовой анализ, численный расчет, векторные диаграммы нагрузок

Читать полный текст статьи:  PDF

Список литературы

Чайнов Н. Д. Конструирование двигателей внутреннего сгорания / Н. Д. Чайнов, Н. А. Иващенко, А. Н. Краснокутский, Л. Л. Мягков. — М.: Машиностроение, 2008. — 496 с.
Яманин А. И. Компьютерно-информационные технологии в двигателестроении / А. И. Яманин. — М.: Машиностроение, 2005. — 480 с.
Безюков О. К. Состояние и перспективы судового двигателестроения в России / О. К. Безюков, В. А. Жуков // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2017. — № 2. — С. 40-53. DOI: 10.24143/2073-1574-2017-2-40-53.
Горобцов A. С. Расчетные задачи динамики систем твердых и упругих тел в программном комплексе ФРУНД / А. С. Горобцов, С. В. Солоденков // Машиностроение и инженерное образование. — 2008. — № 4. — С. 31-38.
Истомин П. А. Динамика судовых двигателей внутреннего сгорания / П. А. Истомин. — Л.: Судостроение, 1966. — 280 с.
Истомин П. А. Динамические модели кривошипно-шатунных механизмов и их деталей / П. А. Истомин, М. А. Минасян // Двигателестроение. — 1984. — № 9. — С. 20-24.
Минасян М. А. Особенности динамики ДВС с несимметричными шатунами: дис. … канд. техн. наук / М. А. Минасян. — Л.: ЦНИДИ, 1988. — 262 с.
Платонов К. Ю. Разработка программного обеспечения динамического анализа кривошипно-шатунного механизма поршневых двигателей внутреннего сгорания на переходных режимах / К. Ю. Платонов, П. С. Ширинкин, Р. Н. Хмелев // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. — 2016. — Т. 3. — № 3 (6). — С. 248-252.
Li X. H. Dynamic Analysis of Crank-Connecting Rod-Piston Mechanism of S195 Diesel Engine Based on MATLAB / X. H. Li, X. M. Zhang, X. J. Guo // Applied Mechanics and Materials. — 2014. — Vol. 490-491. — Pp. 992-996. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.490-491.992.
Вальехо Мальдонадо П. Р. Реализация процесса проектирования кривошипно-шатунного механизма ДВС в системе AUTODESK INVENTOR / П. Р. Вальехо Мальдонадо, Д. К. Гришин, В. А. Лодня // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. — 2008. — № 2. — С. 85-89.
Яманин А. И. Динамические расчеты поршневых двигателей в среде AUTODESK INVENTOR PROFESSIONAL / А. И. Яманин. — Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2013. — 112 c.
Жуков В. А. Анализ алгоритмов расчета кинематики кривошипно-шатунных механизмов с прицепными шатунами / В. А. Жуков, А. И. Яманин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. — 2016. — № 2 (36). — С. 109-118. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-2-109-118.
Zhang X. M. Dynamic Simulation of Crank-Connecting Rod-Piston Mechanism of Internal Combustion Engine Based on Virtual Prototype Technology / X. M. Zhang, Y. Q. Wang, J. Fang // Applied Mechanics and Materials. — 2012. — Vol. 143-144. Pp. 433-436. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.143-144.433.
Liu S. Kinematics and dynamics simulation of a diesel engine’s crank-connecting rod-piston mechanism based on virtual prototype technology [J] / S. Liu, H. Chen, X. Chen, S. Yao // Ship Engineering. — 2006. — Vol. 3. — Pp. 007.
Яманин А. И. Динамический расчет поршневых двигателей в среде Working Model 2D / А. И. Яманин. — Ярославль: Издат. дом ЯГТУ, 2015. — 172 c.
Хозенюк Н. А. К определению нагруженности коренных опор коленчатого вала / Н. А. Хозенюк, А. А. Мыльников, Д. О. Клюканов // Наука в ЮУрГУ: матер. 66-й науч. конф. — Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2014. — С. 355-360.

Об авторах

Яманин Александр Иванович — доктор технических наук, профессор

[email protected]. [email protected]

ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет»

Жуков Владимир Анатольевич — доктор технических наук, доцент

[email protected]. [email protected]

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Барышников Сергей Олегович — доктор технических наук, профессор

[email protected]

ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»

Кривошипно шатунный механизм. Назначение и его главная миссия

Приветствую читателей нашего уютного блога! Сейчас поговорим о сердце наших железных коней, двигателях внутреннего сгорания. А если точнее, кривошипно шатунный механизм – один из ключевых механизмов мотора.

Трудно переоценить назначение кривошипно шатунного механизма. По сути, именно его мы обязаны благодарить за то, что наши железные кони не стоят на месте, а могут перевозить наши бренные тела и дарить нам радость вождения.

Если говорить сухим техническим языком, то назначение КШМ предназначено для преобразования энергии сгоревшей топливно-воздушной смеси в механическое вращение.

Естественно, кривошипно шатунный механизм не монолитная конструкция и состоит из ряда более простых деталей, о которых пойдёт речь ниже.

Кривошипно шатунный механизм: дьявол кроется в деталях

Условно элементы кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две большие подгруппы: подвижные и неподвижные части.

К первой относятся поршни с кольцами и пальцами, шатуны, коленчатый вал (в простонародье коленвал), а также маховик.

Блок цилиндров

Неподвижные элементы КШМ представлены блоком цилиндров и головкой блока цилиндров, картером, а также прокладкой, расположенной между блоком и головкой.

Поршень

А теперь чуточку подробнее о роли каждого из актёров театра кривошипно шатунного механизма. Одним из первых удар сгорающей топливно-воздушной смеси принимает на себя поршень.

Этот героический элемент представляет собой металлическую цилиндрическую деталь, грубо говоря, имеющую форму стакана.

На самом деле его форма довольно непростая – с канавками, выпуклостями, отверстиями и вырезами.

Все эти сложности форм нужны не только для эффективной работы мотора. Чтобы было где разместить поршневые кольца, а также куда вставить поршневой палец, к которому крепится следующая важная деталь механизма – шатун.

Шатун

Смысл существования шатуна прост, как пять копеек — передача поступательного движения поршня коленчатому валу.

Довольно скучная, но важная роль. Сам по себе шатун выглядит как металлический стержень двутаврового сечения.

С одного его конца находится отверстие для крепления к поршню при помощи поршневого пальца, а с другого – полукольцо, которое надевается на шатунную шейку вала и фиксируется болтовыми соединениями специальной крышкой.

Стоит отметить, что соединение шатуна с коленвалом подвижное – он же должен вращаться.

Коленчатый вал

Важность следующего элемента КШМ сложно переоценить – это коленчатый вал.

Конечно, назвать эту деталь валом в привычном понимании довольно трудно – форма у него сложная и всё из-за того, что к нему крепятся все шатунно-поршневые связки двигателя.

Коленвал — ключевой вращающий элемент мотора и ему приходится выдерживать невероятные нагрузки, поэтому и требования к качеству его исполнения и прочности материалов высочайшие.

Основными деталями коленчатого вала являются шатунные шейки (места, куда крепятся шатуны), щёки, коренные шейки и противовесы.

Кстати, своё название кривошипно шатунный механизм получил именно благодаря части коленвала. Если быть точным, кривошипу – так иногда называют связку шатунной шейки и щёк по обе стороны от неё.

Маховик

Венчает коленчатый вал с одной из сторон маховик.

Нужно отметить, что, несмотря на свою относительную внешнюю простоту, маховик играет сразу несколько ролей.

Во-первых, в его главную задачу входит поддержание равномерного вращения коленвала во время работы мотора.

Во-вторых, именно это скромное металлическое колесо выступает связующим звеном между стартером и коленчатым валом, когда Вы поворачиваете ключ зажигания для запуска двигателя.

Практически все подвижные части кривошипно шатунного механизма располагаются в блоке цилиндров. А закрывает всё это крутящееся и вращающееся безобразие от наших с Вами глаз головка блока цилиндров.

В неё, как правило, встроены клапаны, свечи и каналы для подвода охлаждающей жидкости, масла, а также воздушно-топливной смеси.

Нужно отметить, что именно блок цилиндров вместе с головкой обуславливают такой немаловажный параметр двигателя, как его масса.

В классическом исполнении эти элементы изготавливаются из чугуна, но, благодаря современным технологиям, автопроизводители всё чаще применяют алюминий в их конструкции, что благотворно влияет на вес мотора и, как следствие, всего автомобиля.

Применение лёгких сплавов стало возможным даже в столь критичном элементе блока. Гильзы цилиндров (в них перемещаются поршни), должны обладать стойкостью к износу и выдерживать высокие температуры.

А сколько цилиндров у твоего коня?

В заключение, дорогие наши читатели, хотелось бы сказать несколько слов о видах компоновки двигателей внутреннего сгорания и схемах расположения цилиндров.

Автомобильные концерны комплектуют свои творения моторами нескольких видов, а именно:

• рядными;
• V-образными;
• оппозитными;
• W-образными.

С точки зрения баланса, самыми оптимальными являются рядные и оппозитные двигатели.

Первые довольно распространены в автомире – рядные четырёхцилиндровые агрегаты встречаются сплошь и рядом. А вот судьба оппозитных не столь публична, они стали синонимом некой эксклюзивности и «клубности».

Так, к примеру, их можно встретить в недрах спортивных Porsche или Subaru.

Оптимальным же сочетанием характеристик обладают V-образные и их родственные W-образные двигатели. На их базе строят как доступные для среднестатистического автолюбителя машины, так и сумасшедшие суперкары, стоимость которых столь же невероятна, как и характер.

Работа W-образного двигателя:

Уважаемые посетители блога, в этой небольшой статье мы попытались прояснить назначение кривошипно шатунного механизма, рассмотреть его в общих чертах его компоненты.

Читайте статьи на блоге и повышайте свой профессиональный уровень.

Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя

Категория:

   Техническое обслуживание автомобилей

Публикация:

   Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя

Читать далее:

Кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы двигателя

В кривошипно-шатунный механизм многоцилиндрового двигателя входят блок цилиндров, головки цилиндров с уплотнительными прокладками, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик, поддон картера.

Блок цилиндров отливается из серого чугуна или алюминиевого сплава.

У автомобильных двигателей применяют рядное расположение цилиндров, когда цилиндры располагаются в ряд один за другим в одной плоскости, и V-образные, при котором один ряд цилиндров расположен к другому ряду обычно под углом 90°.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Цилиндры двигателей могут быть образованы стенками самого блока или выполнены в виде сменных гильз.

Головка цилиндров изготовляется общей все цилиндры одного ряда в виде отливки из алюминиевого сплава чугуна. Против каждого из цилиндров она имеет углубление, образующее камеру сгорания. Головка блока цилиндров крепится к блоку цилиндров шпильками или болтами.

Блок цилиндров закрывается снизу подвдном. Для устранения пропуска газов при работе двигателя и утечки охлаждающей жидкости между блоком и головками цилиндров устанавливаются уплотнительные прокладки.

Коленчатый вал воспринимает усилия от поршней и передает образующийся крутящий момент механизмам трансмиссии. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, носка, фланца и противовесов. Шейки коленчатого вала соединяются щеками, которые с шатунными шейками образуют кривошипы коленчатого вала. Количество и расположение шеек зависят от числа и расположения цилиндров и числа тактов двигателя.

На переднем конце (носке) вала устанавливают шестерню, шкив, храповик для пусковой рукоятки. Шестерня коленчатого вала находится в постоянном зацеплении с шестерней распределительного вала. Шкив коленчатого вала служит для привода вентилятора, водяного насоса, компрессора, генератора и насоса гидроусилителя рулевого управления.

На заднем конце коленчатого вала к фланцу крепится маховик.

Противовесы предназначаются для равномерного вращения коленчатого вала и разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил. Противовесы обычно выполняют заодно с валом.

Для поступления смазки к шатунным шейкам вала е щеках имеются сквозные каналы.

Коленчатые валы штампуют из качественной стали или отлиЕают из магниевого чугуна (двигатели ЗМЗ и ВАЗ).

Шатун соединяет поршень с шатунной шейкой коленчатого вала состоит из стержня двутаврового сечения, верхней неразъемной головки и нижней разъемной головки.

Рис. 1. Головка блока цилиндров (а), блок цилиндров (б) и поддон картера (в): 1 — головка блока цилиндров, 2 — прокладка крышки головки блока цилиндров, 3 — крышка головки блока цилиндров, 4, 7 — прокладки выпускного трубопровода,-5 — выпускной трубопровод, 6 — прокладка головки блока цилиндров, 8 — блок цилиндров, 9 — втулка передней шейки распределительного вала, 10 — крышка распределительных шестерен, 11— прокладка крышки распределительных шестерен, 12 — крышки коренных подшипников, 13 — поддон картера, 14 — прокладка, 15 — картер сцепления

Рис. 88. Детали кривошипно-шатунного механизма восьмицилиндрового V-образного двигателя: 1 — храповик, 2 — шкив, 3 — носок коленчатого вала, 4 — шестерни коленчатого вала, 5, 8, 9 — крышки коренных подшипников, 6 — противовес, 7 — вкладыш коренного подшипника, 10 — фланец, 11 — зубчатый венец маховика, 12 — маховик, 13 — поршень, 14 — шатун, 15 — шатунная шейка, 16 — коренная шейка, 17 — нижняя крышка шатуна, 18 — нижняя (кривошипная) головка шатуна, 19 — стержень шатуна, 20 — верхняя (поршневая) головка шатуна, 21 — втулка верхней головки шатуна, 22 — вкладыш шатунного подшипника, 23 — стопорное кольцо, 24 — поршневой палец, 25 — поршневые компрессионные кольца, 26, 27, 28 — детали составного маслосъемного кольца

Так как при работе поршень, сильно нагреваясь, расширяется, то его устанавливают в цилиндре с определенным зазором, а направляющую часть поршня делают разрезной (пружинной).

Внутри поршня имеются две бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца. Нагреваясь, поршень расширяется в направлении оси поршневого пальца больше, так как в бобышках сосредоточена большая часть массы металла. Чтобы поршень при нагреве получил цилиндрическую форму, его диаметр в плоскости, перпендикулярной оси пальца, делают на 0,3—0,5 мм больше, чем в осевом направлении.

Для равномерной работы двигателя поршни всех цилиндров подбирают равной массы.

Поршневой палец служит для соединения поршня с верхней головкой шатуна. Обычно применяют пальцы

плавающего типа, которые могут поворачиваться и в отверстиях бобы шек поршня и в верхней головке шатуна. Для предотвращения продоль”| ного (бокового) перемещения пальца в поршне, что может привести к повреждению зеркала гильзы, палец закрепляют стопорными коль-цами 23.

Поршневые кольца, устанавливаемые на поршне, отливаются из чугуна и подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют соединения поршня с цилиндром и служат для предотвращения прорыва газов через зазор между юбкой поршня и гильзой.

Маслосъемные кольца служат для снятия излишков масла с зеркала гильз и препятствуют его проникновению в камеру сгорания. Поршневые кольца изготовляют несколько большего диаметра, чем поршни. На кольцах делается разрез, называемый замком, который позволяет кольцам пружинить. При установке колец в гильзу вместе с поршнем их предварительно сжимают. Зазор в замке должен составлять 0,2— 0,4 мм.

Маслосъемное кольцо имеет сквозные прорези для отвода масла. Устанавливается оно на поршне ниже компрессионных колец. Маслосъемные кольца двигателей автомобилей ГАЗ-БЗА, ЗИЛ-130 и ГАЗ-24 «Волга» состоят из двух стальных кольцевых дисков 26, осевого 27 и радиального 28 расширителей.

Шатунные и коренные подшипники. Шатунные подшипники, расположенные в нижней головке шатуна, изготовлены в виде разрезных сменных вкладышей 22, чтобы их можно было надеть на шейку коленчатого вала. Они взаимозаменяемые.

Коренные подшипники также представляют собой сменные тонкостенные вкладыши. Верхние вкладыши коренных подшипников устанавливаются в гнезда блока цилиндров, а нижние — в крышки, которые крепятся к картеру болтами.

Вкладыши коренных и шатунных подшипников бывают сталеалюми-ниевые или триметаллические. У сталеалюминиевых вкладышей антифрикционный слой содержит 19—24% олова, около 1% меди, остальное алюминий, у триметаллических на стальную ленту наносят медно-никелевый подслой и сплав СОС6-6 (олово 6%, сурьма 6%, остальное свинец).

Маховик служит для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала и крепится к его фланцу болтами. На маховик напрессован зубчатый венец, с которым зацепляется шестерня электродвигателя пускового устройства — стартера.

Порядок работы двигателя. В каждом цилиндре многоцилиндрового двигателя происходит один и тот же рабочий цикл, но одноименные такты происходят в разные моменты. Последовательное чередование одноименных тактов в разных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Принято указывать порядок работы двигателя по чередованию такта рабочего хода, начиная с первого цилиндра.

Для правильного чередования рабочих ходов коленчатый вал двигателя имеет определенное расположение кривошипов.

Рис. 3. Рабочий процесс четырехцилиндрового карбюраторного двигателя: полуобороты коленчатого вала: а — первый, б — второй; в — третий, г — четвертый; 1, 2, 3, 4 — поршни

При первом полуобороте (180°) коленчатого вала двигателя (рис. 3, а) с порядком работы 1—3—4—2 крайние поршни опускаются, а средние поднимаются. В первом цилиндре происходит впуск, а в третьем — выпуск, в четвертом — рабочий ход, во втором – сжатие.

в первом цилиндре происходит рабочий ход, в третьем — сжатц« в четвертом — впуск, во втором — выпуск.

При четвертом полуобороте (720°) коленчатого вала (рис. 89) поршни поднимаются, а поршни опускаются; при этом в первом цилиндре происходит выпуск, в третьем — рабочий ход в четвертом — сжатие, во втором — впуск.

При дальнейшем вращении коленчатого вала рабочие процессы повторяются в той же последовательности.

У четырехтактного четырехцилиндрового двигателя автомобиля ГАЗ-24 «Волга» порядок работы 1—2—4—3.

В четырехтактном шестицилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала произойдет 6 рабочих ходов, чередоваться он и будут через 120°. Порядок работы двигателя будет 1—5—3—6—2—| (ГАЗ-52) или 1—4—2—5—3—6 (двигатель ЯМЗ-236).

В восьмицилиндровых двигателях автомобилей ГАЭ-53А и ЭИЛ-130 рабочие ходы чередуются через 90°. Порядок работы 1—5—4—2— 6—3—7—8.

Неисправности кривошипно-шатунного механизма. В процессе эксплуатации автомобиля могут выявиться следующие наиболее характерные неисправности кривошипно-шатун-ного механизма: пригорание, износ и поломка поршневых колец; износ поршней и гильз цилиндров; износ шатунных и коренных подшипнп-ков; нарушение уплотнения прокладки головки цилиндров при слабой или неравномерной затяжке гаек крепления; обрыв шпилек и повреждение резьбы вследствие слабой или неравномерной затяжки; нага-рообразование в камерах сгорания и др.

Газораспределительный механизм служит для своевременного впуска в цилиндры горючей смеси и выпуска отработавших газов. На современных карбюраторных двигателях впуск смеси и выпуск отработавших газов производится клапанами, которые могут иметь нижнее или верхнее расположение.

Большинство современных двигателей имеют газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов (рис. 4). Распределительный вал располагается в блоке между двумя рядами цилиндров. От него при помощи толкателей, толкающих штанг и коромысел приводятся в действие клапаны как правого, так и левого рядов цилиндров.

Распределительный вал имеет кулачки, опорные шейки, эксцентрик для привода топливного насоса и шестерню для привода масляного насоса и прерывателя-распределителя (вал изготовляется заодно с кулачками и опорными шейками).

У каждого цилиндра на валу имеется два кулачка — впускной и выпускной. Одноименные кулачки располагаются в четырехцилиндровом двигателе под углом 90е, в шестицилиидровом под углом 60°, в восьмицилиндровом под углом 45°.

На переднем конце распределительного вала устанавливается на шпонке шестерня, которая находится в зацеплении с шестерней, установленной на коленчатом валу.

Рис. 4. Детали газораспределительного механизма восьмицилиндрового V-образного двигателя: 1 — распределительный вал, 2 — распределительная шестерня, 3 — упорный фланец, 4 — опорная шейка, 5 — эксцентрик привода топливного насоса, 6 — втулка шейки распределительного вала, 7 — кулачки распределительного вала, 8 — шестерня привода масляного насоса и прерывателя-распределителя. 9 — стойка коромысел клапана, 10 — коромысло клапана, 11 — ось коромысла, 12 — толкатели клапана, 13 — толкающая штанга, 14 — выпускной клапан, /5 — механизм вращения выпускного клапана. 16 — регулировочный винт, 17 — пружина клапана. 18 — направляющая втулка клапана, 19 — впускной клапан, 20 — сухарь, 21 — опорная шайба пружины клапана, 22 — седло клапана, 23 — металлический натрий

В четырехтактных двигателях рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала. За это время должны последовательно открыться все клапаны, поэтому распределительный вал должен вра щаться в два раза медленнее коленчатого вала. Таким образом, шестерня имеет в два раза больше зубьев, чем шестерня на коленчатом валу.

Шестерни изготавливают из чугуна или текстолита, шестерни коленчатого вала — из стали.

В двигателях, у которых распределительные валы располагаются на головках цилиндров («Москвич-412», ВАЗ-2101 «Жигули»), привод распределительного вала осуществляется от коленчатого вала двухрядной роликовой цепью.

Для правильной работы двигателя коленчатый и распределительный валы должны находиться в строго определенном положении относительно друг друга. Поэтому при сборке распределительные шестерни вводятся в зацепление по имеющимся на их зубьях меткам.

Осевые перемещения распределительного вала у большинства карбюраторных двигателей ограничиваются упорным фланцем, закрепленным на блоке между торцом передней шейки вала и ступицей распределительной шестерни. Опорные шейки распределительного вала, вращаются в стальных втулках 6, залитых сплавом СОС6-6, или металлокерамических втулках.

Клапаны состоят из головок и стержней. Впускные клапаны изготовляют из хромистой, а выпускные — из жаростойкой стали. Головка клапана имеет узкую, скошенную под углом 45 или 30° кромку, называемую фаской, которой она прилегает к седлу, запрессованному в головку цилиндров.

Для лучшего наполнения цилиндров горючей смесью диаметр головки впускного клапана выполняют большим, чем диаметр головки выпускного клапана. Клапаны установлены в направляющих втулках, изготовляемых из чугуна или металлокерамики.

Для улучшения охлаждения стержни выпускных клапанов двигателей ГАЭ-53А и ЗИЛ-130 выполняют полыми. В них помещают металлический натрий с температурой плавления 97 °С. Во время работы двигателя натрий плавится и, переливаясь, при встряхивании переносит теплоту от головки клапана к стержню, а от последнего к направляющей втулке.

Плотное прижатие клапана к седлу обеспечивается давлением клапанной пружины, закрепленной при помощи опорной шайбы и конических разрезных сухарей. Головка выпускного клапана имеет жаростойкую наплавку посадочной фаски.

Выпускные клапаны для уменьшения неравномерной выработки седла и фаски головки клапана принудительно поворачиваются во время работы двигателя специальным механизмом поворота.

Толкатели представляют собой стальные стаканы, на внутреннюю сферическую поверхность которых опираются толкаю-, щие штанги. Для повышения износостойкости торцы толкателей, соприкасающиеся с кулачками, наплавляют специальным чугуном.

Для устранения неисправностей газораспределительного механизма необходимо: отрегулировать зазоры между стержнями клапанов и носками коромысел, притереть клапаны к седлам, заменить сломанные пружины или изношенные детали (втулки коромысел, втулки распределительного вала и др.).

Рекламные предложения:

Читать далее: Система охлаждения двигателей автомобиля

Категория: — Техническое обслуживание автомобилей

Главная → Справочник → Статьи → Форум

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ): назначение, устройство, принцип работы

Если есть что-то, что прочно ассоциируется с любым автомобилем, это механизм двигателя. Как ни странно, принцип его действия мало изменился с тех пор, как 120 лет назад Карл Бенц запатентовал свой первый автомобиль. Система усложнялась, обрастала сложной электроникой, совершенствовалась, но кривошипно-шатунный механизм (КШМ) остался самым узнаваемым “портретом” любого мотора.

Что такое КШМ и для чего он нужен?

Двигатель в процессе работы должен давать какое-то постоянное движение, и удобней всего, чтобы это было равномерное вращение. Однако силовая часть (цилиндро-поршневая группа, ЦПГ) вырабатывает поступательное движение. Значит, нужно сделать так, чтобы один тип движения преобразовался в другой, причем с наименьшими потерями. Вот для этого и был создан кривошипно-шатунный механизм.
По сути, КШМ – это устройство для получения и преобразования энергии и передачи ее дальше, другим узлам, которые уже эту энергию используют.

Устройство КШМ

Строго говоря, КШМ автомобиля состоит из самого кривошипа, шатунов и поршней. Однако говорить о части, не рассказав о целостной конструкции, было бы в корне неправильно. Поэтому схема и назначение КШП и смежных элементов будет рассматриваться в комплексе.

Устройство КШМ: (1 — коренной подшипник на коренной шейке; 2 — шатунный подшипник на шатунной шейке; 3 — шатун; 4 — поршневой палец; 5 — поршневые кольца; 6 — поршень; 7 — цилиндр; 8 — маховик; 9 — противовес; 10 — коленчатый вал.)

1. Блок цилиндров – это начало всего движения в моторе. Его составляющие – поршни, цилиндры и гильзы цилиндров, в которых эти поршни движутся;
2. Шатуны – это соединительные элементы между поршнями и коленвалом. По сути, шатун представляет собой прочную металлическую перемычку, которая одной стороной крепится к поршню с помощью шатунного пальца, а другой фиксируется на шейке коленвала. Благодаря пальцевому соединению поршень может двигаться относительно цилиндра в одной плоскости. Точно так же шатун охватывает посадочное место коленвала – шатунную шейку, и это крепление позволяет ему двигаться в той же плоскости, что и соединение с поршнем;
3. Коленвал – коленчатый вал вращения, ось которого проходит через носок вала, коренные (опорные) шейки и фланец маховика. А вот шатунные шейки выходят за ось вала, и благодаря этому при его вращении описывают окружность;
4. Маховик – обязательный элемент механизма, накапливающий инерцию вращения, благодаря которой двигатель работает ровней и не останавливается в “мертвой точке”.

Эти и другие элементы КШМ можно условно разделить на подвижные, те, что выполняют непосредственную работу, и неподвижные вспомогательные элементы.

Подвижная (рабочая) группа КШМ

Как понятно из названия, к подвижной группе относятся элементы, которые активно задействованы в работе двигателя.

1. Поршень. При работе двигателя поршень перемещается в гильзе цилиндра под действием выталкивающей силы при сгорании топлива – с одной стороны, и поворотом коленвала – с другой. Для уплотнения зазора между ним и цилиндром на боковой поверхности поршня находятся поршневые кольца (компрессионные и маслосъемные), которые герметизируют промежуток и препятствуют потере мощности во время сгорания топлива.

   Устройство поршневой группы: (1 — масляно-охлаждающий канал; 2 — камера сгорания в днище поршня; 3 — днище поршня; 4 — канавка первого компрессионного кольца; 5 — первое (верхнее) компрессионное кольцо; 6 — второе (нижнее) компрессионное кольцо; 7 — маслосъемное кольцо; 8 — масляная форсунка; 9 — отверстие в головке шатуна для подвода масла к поршневому пальцу; 10 — шатун; 11 — поршневой палец; 12 — стопорное кольцо поршневого пальца; 13 и 14 — перегородки поршневых колец; 15 — жаровой пояс.)

2. Шатун. Это соединительный элемент между поршнем и коленвалом. Верхней головкой шатун крепится к поршню с помощью пальца. Нижняя головка имеет съемную часть, так что шатун можно надеть на шейку коленвала. Для уменьшения трения между шейкой коленвала и головкой шатуна ставятся шатунные вкладыши – подшипники скольжения в виде двух пластин, изогнутых полукругом.

   Устройство шатуна

3. Коленвал. Это центральная часть двигателя, без которой сложно представить себе его принцип работы. Основной его частью является ось вращения, которая одновременно служит опорой для коленвала в блоке цилиндров. Выступающие за ось вращения элементы предназначены для присоединения к шатунам: когда шатун движется вниз, коленвал позволяет ему описать нижней частью окружность одновременно с движением поршня. Так же, как и в случае с шатунами, опорные шейки коленвала лежат на подшипниках скольжения – вкладышах.

   Устройство коленвала

4. Маховик. Он крепится к фланцу на торцевой части коленвала. Маховик вращается вместе с валом двигателя и частично демпфирует неизбежные в любом ДВС рывковые нагрузки. Но основная задача маховика – раскручивать коленвал (а с ним и цилиндро-поршневую группу), чтобы поршни не замерли в “мертвой точке”. Таким образом, часть мощности двигателя расходуется на поддержку вращения маховика.

Устройство маховика

Неподвижная группа КШМ

Неподвижной группой можно назвать внешнюю часть двигателя, в которой находится КШП.

1. Блок цилиндров. По сути, это корпус, в котором располагаются непосредственно цилиндры, каналы системы охлаждения, посадочные места распредвала, коленвала и т.д. Он может выполняться из чугуна или алюминиевого сплава, и сегодня производители всё чаще используют алюминий, чтобы облегчить конструкцию. Для этой же цели вместо сплошного литья используются ребра жесткости, которые облегчают конструкцию без потери прочности. На боковых сторонах блока цилиндров располагаются посадочные места для вспомогательных механизмов двигателя.

   Блок цилиндров

2. Головка блока цилиндров (ГБЦ). Устанавливается на блок цилиндров и закрывает его сверху. В ГБЦ предусмотрены отверстия для клапанов, впускного и выпускного коллекторов, крепления распредвала (одного или больше), крепления для других элементов двигателя. К ГБЦ, снизу, крепится прокладка (1) — пластина, которая герметизирует стык между блоком цилиндров и ГБЦ. В ней предусмотрены отверстия для цилиндров и крепежных болтов. А сверху — клапанная крышка (5), — ею закрывается ГБЦ сверху, когда двигатель собран и готов к запуску. Прокладка клапанной крышки. Это тонкая пластина, которая укладывается по периметру ГБЦ и герметизирует стык.

Устройство ГБЦ: (1 — прокладка ГБЦ; 2 — ГБЦ; 3 — сальник; 4 — прокладка крышки ГБЦ; 5 — крышка клапанная; 6- прижимная пластина; 7 — пробка маслозаливной горловины; 8 — прокладка пробки; 9 — направляющая втулка клапана; 10 — установочная втулка; 11 — болт крепления головки блока.)

Принцип работы КШМ

Работа механизма двигателя основана на энергии расширения при сгорании топливно-воздушной смеси. Именно эти “микровзрывы” являются движущей силой, которую кривошипно-шатунный механизм переводит в удобную форму. На видео, ниже, подробно описанный принцип работы КШМ в 3Д анимайии.

Принцип работы КШМ:

1. В цилиндрах двигателя сгорает распыленное и смешанное с воздухом топливо. Такая дисперсия предполагает не медленное горение, а мгновенное, благодаря чему воздух в цилиндре резко расширяется.
2. Поршень, который в момент начала горения топлива находится в верхней точке, резко опускается вниз. Это прямолинейное движение поршня в цилиндре.
3. Шатун соединен с поршнем и коленвалом так, что может двигаться (отклоняться) в одной плоскости. Поршень толкает шатун, который надет на шейку коленвала. Благодаря подвижному соединению, импульс от поршня через шатун передается на коленвал по касательной, то есть вал делает поворот.
4. Поскольку все поршни по очереди толкают коленвал по тому же принципу, их возвратно-поступательное движение переходит во вращение коленвала.
5. Маховик добавляет импульс вращения, когда поршень находится в «мертвых» точках.

Интересно, что для старта двигателя нужно сначала раскрутить маховик. Для этой цели нужен стартер, который сцепляется с зубчатым венцом маховика и раскручивает его, пока мотор не заведется. Закон сохранения энергии в действии.

Остальные элементы двигателя: клапаны, распредвалы, толкатели, система охлаждения, система смазки, ГРМ и прочие – необходимые детали и узлы для обеспечения работы КШМ.

Основные неисправности

Учитывая нагрузки, как механические, так и химические, и температурные, кривошипно-шатунный механизм подвержен различным проблемам. Избежать неприятностей с КШП (а значит, и с двигателем) помогает грамотное обслуживание, но всё равно от поломок никто не застрахован.

Стук в двигателе

Один из самых страшных звуков, когда в моторе вдруг появляется странный стук и прочие посторонние шумы. Это всегда признак проблем: если что-то начало стучать, значит, с ним проблема. Поскольку в двигателе элементы подогнаны с микронной точностью, стук свидетельствует об износе. Придется разбирать двигатель, смотреть, что стучало, и менять изношенную деталь.

Основной причиной износа чаще всего становится некачественное ТО двигателя. Моторное масло имеет свой ресурс, и его регулярная замена архиважна. То же относится и к фильтрам. Твердые частички, даже мельчайшие, постепенно изнашивают тонко пригнанные детали, образуют задиры и выработку.

Стук может говорить и об износе подшипников (вкладышей). Они также страдают от недостатка смазки, поскольку именно на вкладыши приходится огромная нагрузка.

Снижение мощности

Потеря мощности двигателя может говорить о залегании поршневых колец. В этом случае кольца не выполняют свою функцию, в камере сгорания остается моторное масло, а продукты сгорания прорываются в двигатель. Прорыв газов говорит и о пустой растрате энергии, и это чувствует автовладелец как снижение динамических характеристик. Продолжительная работа в такой ситуации может только ухудшить состояние двигателя и довести стандартную, в общем-то, проблему до капремонта двигателя.

Проверить состояние мотора можно самостоятельно, измерив компрессию в цилиндрах. Если она ниже нормативной для данной модификации двигателя, значит, предстоит ремонт двигателя.

Повышенный расход масла

Если двигатель начал “жрать” масло, это явный признак залегания поршневых колец или других проблем с цилиндро-поршневой группой. Масло сгорает вместе с топливом, из выхлопной трубы идет черный дым, температура в камере сгорания превышает расчетную, и это не добавляет двигателю здоровья. В некоторых случаях может помочь очистка без демонтажа двигателя, но в большинстве случаев предстоит разборка и дефектовка двигателя.

Нагар

Отложения на поршнях, клапанах и свечах зажигания говорят о том, что с двигателем есть проблема. Если топливо не сгорает полностью, нужно искать причину неисправности и устранять ее. В противном случае мотору грозит перегрев из-за ухудшения теплопроводности поверхностей со слоем нагара.

Белый дым из выхлопной трубы

Появляется, когда в камеру сгорания попадает антифриз. Причиной чаще всего бывает износ прокладки ГБЦ или микротрещины в рубашке охлаждения двигателя, и для устранения проблемы необходима ее замена.

Медлить в этой ситуации нежелательно: маленькая протечка может обернуться гидроударом. Камера сгорания наполняется жидкостью, поршень движется вверх, но жидкость, в отличие от воздуха, не сжимается, и получается эффект удара о твёрдую поверхность. Последствия такой катастрофы могут быть любые, вплоть до “кулака дружбы” и продажи машины на запчасти.

Заключение

Несмотря на высокие нагрузки, критические условия работы и даже небрежность владельцев, кривошипно-шатунный механизм отличается завидной живучестью. Вывести его из строя можно неправильным обслуживанием, нештатными нагрузками, поломкой смежных элементов. Да, двигатель почти всегда можно починить, но эта услуга обойдётся в разы дороже, чем просто грамотное регулярное ТО. Недаром же есть двигатели “миллионники”, которые способны служить десятилетиями, не доставляя проблем владельцу машины.

Кривошипный механизм — обзор

14.1 Гидравлическая система шагового винта корабля

Судовой гребной винт преобразует энергию главного двигателя корабля в кинетическую энергию корабля. Как показано на рис. 14.1, когда главный двигатель тянет гребной винт для вращения с угловой скоростью w, гребной винт отталкивает воду слева от судна в направлении корабля, так что корабль получает тягу p , что перемещает вправо.

Рисунок 14.1. Принципиальная схема винта шага.

Чтобы более эффективно отбрасывать воду и создавать большую тягу, лопасть гребного винта должна иметь спиральную поверхность. Таким образом, пересечение цилиндрической поверхности, которая соосна гребному винту и лопасти гребного винта на рис. 14.1F, представляет собой спиральную линию. Если треугольник с основанием 2p r и высотой H ₁ , как показано на рис. 14.1G, катится по цилиндрической поверхности с радиусом r , скошенная кромка этого треугольника становится спиралью. изображенный на рис.14.1F. H ₁ и q ₁ называются углами наклона и спирали этой спирали соответственно.

На рис. 14.1F поперечное сечение лопасти, разрезанное цилиндрической поверхностью, соосной с гребным винтом, известно как сечение лопасти. Некоторые лопасти гребных винтов могут регулировать свое вращение вокруг гребного вала r. До и после вращения, если поверхность цилиндра с радиусом r открывается в плоскость, то профиль лопасти будет таким, как показано на рис.14.1G 1, 2. Сравнение показывает, что шаг переносится с H ₁ на H ₂ , а угол тангажа переносится с q ₁ на q ₂ . От этого происходит название винт шага.

Как показано на рис. 14.1E, кривошипно-шатунный механизм ползуна является обычно используемым поворотно-лопастным механизмом. Когда толкатель 1 движется в осевом направлении, скользящий блок 2 приводится в движение, чтобы скользить в канавке, затем ползун 2 приводит в движение кривошип 3 и лопасть, соединенную с кривошипом 3, для вращения вокруг вала гребного винта с помощью вала штифта для регулировки шага лезвие.Когда весло настроено на состояния, показанные на рис. 14.1A, B, C и D, соответствующая скорость корабля — вперед, замедление, остановка и отступление. Вышеуказанные характеристики шагового винта дают ему следующие основные преимущества:

1.

В любых навигационных условиях мощность главного двигателя может быть полностью использована для увеличения выносливости корабля.

2.

При условии, что направление и скорость главного двигателя постоянны, гребной винт шага может изменять навигационное состояние судна, регулируя шаг.Таким образом, время и расстояние, необходимое для изменения состояния плавания корабля, сокращаются, а маневренность корабля значительно улучшается.

3.

Когда судно меняет навигационное состояние, скорость и управляемость главного двигателя могут быть полностью неизменными. Таким образом, можно значительно уменьшить количество запусков и регулировку частоты вращения основного двигателя, что продлевает срок службы основного двигателя.

4.

После использования гребного винта шага, если на судне в качестве главного двигателя используется дизельный двигатель, весь набор реверсивного оборудования может быть исключен; если в качестве основного двигателя используется газовая турбина, нет необходимости устанавливать отдельный реверсивный двигатель.В результате легко реализовать автоматизацию управления главным двигателем.

Недостаток заключается в том, что механизм сложен и, следовательно, создает ряд проблем. Это необходимо учитывать при проектировании гидравлической системы.

Требования к гидравлической системе винта шага следующие:

1.

Жизнеспособность силового агрегата требует, чтобы гидравлическая система гребного винта шага приняла соответствующие технические меры для его удовлетворения.Например, для устранения сбоев питания всего корабля, сбоев управления и других серьезных сбоев обычно используется несколько источников энергии. Кроме того, должны быть созданы взаимные помехи между источниками энергии и устройствами защиты.

2.

Гидравлическая система гребного винта с регулируемым шагом является более крупной силовой системой на корабле, и внешняя нагрузка сильно варьируется. Как показано на рис. 14.2, давление в системе относительно высокое, когда шаг изменяется, и давление низкое, когда шаг стабильный, особенно когда скорость нормальная, давление масла приближается к нулю.Когда шаг регулируется, производительность насоса большая, но когда шаг стабильный, насосу нужно только компенсировать утечку в системе. Следовательно, необходимо настроить схему разгрузки, чтобы уменьшить потери мощности и нагрев масла в системе.

Рисунок 14.2. Напорные характеристики гидросистемы винта шага на регулируемом и стабильном шаге.

3.

Когда лопасть отрегулирована на требуемый шаг, она должна иметь возможность «заблокироваться» для достижения «стабильного шага», поэтому следует установить схему блокировки.Когда лопасть переходит от положительного шага к нулевому, гидродинамический момент представляет собой активный крутящий момент (состояние отрицательного крутящего момента), который должен быть в состоянии предотвратить чрезмерное вращение лопасти вокруг вала гребного винта.

4.

Чтобы уменьшить массу и размер системы (особенно размер корпуса гребного винта), в большинстве гидравлических систем используется среднее и высокое давление, поэтому необходимо решить некоторые технические проблемы большого масштаба. диаметр высокоскоростного поворотного шарнира.

5.

Существуют определенные требования к диапазону шага, времени и точности винта шага.

В дополнение к вышесказанному, гидравлический удар системы должен быть небольшим, способным предотвратить проникновение морской воды в корпус гребного винта, простым в обслуживании и экономичным. Кроме того, следует установить индикатор угла наклона спирали.

Гидравлическая система винта шага такая же, как гидравлическая система рулевого двигателя; бывают также открытого типа, закрытого типа, открытого и закрытого контура.Обычно используется замкнутая система. В следующих разделах анализируются две типичные гидравлические системы гребного винта шага.

14.1.1 Открытая система

На рис. 14.3 показана открытая гидравлическая система гребного винта шага. Эта открытая система была представлена ​​компанией KAMEWA, Швеция. Схема системы представлена ​​на рис. 14.3А. Фактический угол винта q ₂ , управляемый гидроцилиндром 15 шага, сравнивается с требуемым углом спирали q ₁ основной команды после обратной связи и преобразуется в сигнал напряжения u _q , который отражает ошибку угла наклона спирали. q ₁ — q _{2 900 16.После того, как сигнал напряжения u q усилен фазочувствительным выпрямителем, можно управлять коммутацией и размером открытия пропорционального электромагнитного реверсивного клапана 8, чтобы контролировать положительный и отрицательный полюс угла спирали и скорость шага винт регулируемого шага.}

Рисунок 14.3. Открытая гидравлическая система с гребным винтом регулируемого шага.

Например, ручка используется для поворота потенциометра на угол в определенном направлении.Если есть ошибка между желаемым углом спирали и фактическим углом спирали, то есть сигнал ошибки u _q с определенной полярностью вводится в систему, то пропорциональный электромагнит D ₂ входов клапана 8 ток I ₂ соответствует u _q . Клапан 8 смещен вправо и открывается пропорционально I ₂ , а масло, выпускаемое насосом ₁ и ₂ , поступает в правую камеру цилиндра 15 с правой стороны клапанов 8, 10. и 14.Возвратное масло в левой камере цилиндра 15 проходит через клапан 9 и правую сторону клапана 8 в топливный бак. Шток поршня цилиндра 15 регулировки шага выдвигается, чтобы толкать шток механизма поворотной лопасти на фиг. 14.1E, заставляя лопасти вращаться вокруг вала гребного винта до тех пор, пока лопасть не будет отрегулирована на желаемый угол спирали q ₁ . Затем сигнал ошибки u _q исчезает, клапан 8 возвращается в среднее положение, а клапан 14 блокирует правую камеру гидроцилиндра 15 шага для поддержания стабильного шага.

На рис. 14.3 клапан 13 используется для определения управляющего давления цилиндра шага. Рабочее давление цилиндра шага в стабильном шаге ниже; максимальное — 3 МПа. Следовательно, управляющее давление масла регулируемого насоса ₁ и ₂ низкое, и насос ₁ и ₂ работают с небольшой производительностью, чтобы дополнить потребность в утечке цилиндра с регулируемым шагом. При регулировке расстояния рабочее давление цилиндра 15 выше, а максимальное — 7.5 МПа. В это время более высокое управляющее давление заставляет насосы ₁ и ₂ достичь максимальной производительности, чтобы удовлетворить потребность в быстром регулировании. Следовательно, система представляет собой систему, адаптирующуюся к потоку, с меньшими потерями энергии.

При фиксированном шаге обратный клапан 14 гидравлического управления используется для блокировки правой камеры цилиндра 15. Если шаг остается стабильным в течение длительного времени, угол спирали лопасти уменьшается из-за утечки масла под давлением правого цилиндра. камера, клапан 8 переставляется в правильное положение, затем насос ₁ и ₂ с небольшим потоком через правую сторону клапана 8 заполняет правую камеру цилиндра маслом.

В системе используется конструкция с резервированием, и надежность системы относительно высока. Даже если насос ₁ или ₂ поврежден, система все равно может работать; односторонние клапаны 2 и 3 используются для предотвращения столкновения двух насосов. Если пропорциональный электромагнитный направляющий клапан 8 поврежден, пока электромагнит D ₃ и D ₄ находятся под напряжением, то клапаны 9 и 10 закрываются, а клапан 7 находится в управлении. Когда электромагнит клапана 7 поврежден, клапан 7 также может управляться вручную.Когда вся система повреждена, весло для измерения расстояния можно отрегулировать на положительный шаг с помощью ручного насоса ₃ . Клапан 16 служит предохранительным клапаном для системы, а клапан 1 — предохранительным клапаном для насоса с регулируемым контуром регулирования ₁ и ₂ . Клапаны 1 и 16, челночный клапан 13 и клапаны 9 и 10 — все вставные, вставленные в один и тот же блок клапанов картриджа. Клапаны 7 и 8 и реле давления 5 и 6 соединены пластинчатым типом и также расположены на поверхности блока плунжерных клапанов.Поэтому степень интеграции этой системы очень высока.

14.1.2 Замкнутая система

На рис. 14.4 показана замкнутая гидравлическая система с двухшаговым гребным винтом с замкнутым контуром управления. Ниже анализируется принцип работы одной гидравлической системы гребного винта.

Рисунок 14.4. Закрытая гидросистема с винтом регулируемого шага.

Гидравлическое масло, отводимое вспомогательным насосом C ₁ и C ₂ , делится на три маршрута: один используется для управления регулируемым механизмом главного насоса A ₁ , A ₂ и A ₃ ; через односторонний клапан 1 или 2 масло заливается в низковольтную сторону главной цепи; а левый переливается через предохранительный клапан 8, а затем возвращается в резервуар после прохождения через корпус насоса основного насоса для охлаждения основного насоса.Клапан 8 используется для регулировки рабочего давления вспомогательного насоса.

Когда поступает сигнал полярной ошибки, соленоидный клапан 10 меняет направление влево. Масло, выпускаемое вспомогательным насосом, поступает в цилиндр 12 через клапан 10 и заставляет регулируемый механизм насоса A ₁ отклоняться из нулевого положения в другое направление. Таким образом, масло, выпускаемое правой камерой насоса A ₁ , разделяется на два пути: первый — в малую камеру цилиндра B ₁ ; а другие плечи открывают клапан 5 через масляный контур гидравлического обратного клапана 5 (пунктирная линия на рисунке), таким образом возвращая масло в цилиндр B ₁ большая полость, за исключением насоса A ₁ всасывание масла, излишек масла может обратный поток в бак через клапан 5 и обратный клапан 7.Шток цилиндра B ₁ перемещается вправо для регулировки шага. Когда лопасть гребного винта достигает желаемого шага, сигнал ошибки исчезает, клапан 10 возвращается в среднее положение, а пружина в цилиндре 12 заставляет регулируемый механизм главного насоса A ₁ вернуться в нулевое положение. На этом этапе насос A1 эквивалентен запорному клапану для поддержания шага.

В условиях отрицательного момента насос A ₁ находится в состоянии гидравлического двигателя. Он затягивает вращение гребного винта вместе с основным тянущим насосом, чтобы избежать превышения скорости вращения лопастей вокруг гребного вала.Это также называется «ограничением скорости регенерации», и эффективность системы высока.

Односторонние клапаны на вспомогательном насосе C ₁ и выход C ₂ используются для предотвращения взаимного влияния двух насосов. Односторонние клапаны 3 и 4 и перепускной клапан 6 вместе образуют двунаправленный предохранительный клапан. При выходе из строя основного насоса A ₁ или A ₂ вместо него можно использовать основной насос A ₃ . Когда соленоидный клапан 10 выходит из строя, ручной реверсивный клапан 11 может использоваться в аварийном режиме.Следовательно, надежность системы относительно велика.

Коленчатый вал — x-engineer.org

Коленчатый вал — подвижная часть двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Его основная функция — преобразовывать поступательное движение поршня во вращательное движение. Поршни соединены с коленчатым валом через шатуны. Коленчатый вал установлен внутри блока цилиндров.

Изображение: Кривошипный механизм двигателя (источник: Rheinmetall)

1. Поршни
2. Шатуны
3. Маховик
4. Коленчатый вал

Поршни, шатуны и коленчатый вал вместе образуют кривошипно-шатунный механизм .

Вторичная функция коленчатого вала — передача мощности другим системам двигателя:

• фазы газораспределения
• масляный насос
• охлаждающий (водяной) насос
• компрессор кондиционера
• генератор и т. Д.

Изображение: ICE Коленчатый вал с коваными противовесами

Коленчатый вал устанавливается в блок цилиндров через его основные шейки. Шатуны закреплены на шатунных шейках коленчатого вала. На противоположных сторонах шейки шатуна коленчатый вал имеет противовесы, которые компенсируют внешние моменты, минимизируют внутренние моменты и, таким образом, уменьшают амплитуды колебаний и напряжения в подшипниках.. На одном конце коленчатого вала соединен маховик, а на другом конце — зубчатая передача.

Изображение: Описание коленчатого вала двигателя (источник: Rheinmetall)

1. Сторона управления или приводная сторона
2. Противовесы
3. Коренная шейка подшипника
4. Шатун
5. Сторона маховика / передача усилия
6. Масляный канал

9 шейки и шатунные шейки зависят от количества цилиндров и типа двигателя (V-образный, прямой и т. д.)). Как на главной шейке, так и на шатунных шейках коленчатый вал имеет отверстия для смазки (масляное отверстие), через которые масло течет при работающем двигателе.

Изображение: Коленчатый вал ДВС с привинченными болтами противовесами

Крутящий момент двигателя не является постоянным, поскольку он создается только тогда, когда каждый поршень находится в цикле расширения. За счет этого на коленчатый вал устанавливается маховик для сглаживания крутящего момента двигателя и уменьшения вибраций.

На V-образном двигателе на одинаковых шатунных шейках установлены два шатуна.Благодаря такому расположению V-образный двигатель с таким же количеством цилиндров более компактен, чем прямой двигатель. Длина двигателя V6 короче, чем длина прямого 6-цилиндрового двигателя (L6).

Изображение: Анимация кривошипного механизма ДВС (щелкните по нему)

Между коленчатым валом и блоком двигателя, на коренных шейках, установлены подшипники коленчатого вала. Их роль заключается в уменьшении трения за счет слоя антифрикционного материала, который контактирует с опорами блока цилиндров.

Коленчатый вал выпускается двух типов: литой и кованый . Противовесы можно также наделать непосредственно на коленчатый вал или прикрутить (закрепить болтами с резьбой).

Все поршни двигателя внутреннего сгорания передают свои силы на коленчатый вал. С механической точки зрения коленчатый вал должен выдерживать высокие крутящие усилия, изгибающие усилия, давления и вибрации.

Для любых вопросов или замечаний относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.

Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!

Microsoft Word — final mmse (1)

% PDF-1.4 % 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект /Заголовок /Предмет / Автор /Режиссер / CreationDate (D: 20210808220027-00’00 ‘) / ModDate (D: 201501635 + 03’00 ‘) >> эндобдж 2 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 4 0 obj > эндобдж 5 0 obj > эндобдж 6 0 obj > ручей PScript5.dll Версия 5.2.22015-09-09T16: 16: 35 + 03: 002015-09-09T16: 16: 35 + 03: 00application / pdf

Microsoft Word — final mmse (1)

ил

Элементы Acrobat 9.0.0 (Windows) uuid: c84b8937-b0ec-47fe-a877-920638bb04b5uuid: 14c25d1d-c4f5-4661-89e6-6b54c8624424 конечный поток эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 14 0 объект > эндобдж 15 0 объект > эндобдж 16 0 объект > эндобдж 17 0 объект > эндобдж 18 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC / ImageB / ImageI] >> эндобдж 19 0 объект > ручей x ڝ XɎ # 7 + H -%! ȂoA.] u9%] Zga> Kn, Cp7 + z | g: ˯ˏ / XX] h./67 [V} i $ _hk ‘») NPO / nbK] 5h4NEHl $ u: aA`A # 4 / G6 و (! ny8 .WHH nze «(a4 ~ HY> \ 2kHx9z qXJgfEbO, CqP | V

Конструкция кривошипно-шатунного механизма | Производство автомобилей

Кривошипный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращение коленчатого вала на .

Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две группы: стационарные, и подвижные.

Подвижные элементы кривошипно-шатунного механизма: поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик.

Стационарные компоненты кривошипно-шатунного механизма : блок цилиндров двигателя , блок головки двигателя, поддон, цилиндры .

Стационарные детали двигателя

Поршень — деталь двигателя внутреннего сгорания . Назначение поршня — передавать усилие от расширяющегося газа в цилиндре на коленчатый вал через шатун.

Поршневые кольца — разъемное кольцо, которое входит в канавку на внешнем диаметре поршня в двигателе внутреннего сгорания .

Шатун — это элемент, который соединяет поршень с коленчатым валом в поршневом двигателе.

Коленчатый вал — представляет собой механическую часть, выполняющую преобразование возвратно-поступательного движения поршня и шатуна во вращательное движение.Когда дефект коленчатого вала невозможно избежать дорогостоящего ремонта, поэтому вы можете увидеть здесь стоимость ремонта коленчатого вала .

Маховик — это механическое устройство, предназначенное для эффективного хранения энергии вращения коленчатого вала .

Блок цилиндров двигателя — это конструкция, которая содержит цилиндры , и другие части двигателя внутреннего сгорания.

Головка блока цилиндров двигателя — находится над цилиндрами в верхней части блока цилиндров в двигателе.

Цилиндр — центральная рабочая часть двигателя , пространство, в котором перемещается поршень .

Механизмы: кривошипы с поршнями — BirdBrain Technologies

В этом уроке вы расширите кривошипно-шатунный механизм, чтобы создать кривошипно-поршневой механизм. Посмотрите это видео, чтобы увидеть, как это будет выглядеть.

Этот механизм состоит из четырех частей:

• Кривошип прикреплен к двигателю, который его вращает.
• Шток прикреплен к кривошипу, а поршень прикреплен к шарнирам , которые могут свободно вращаться.
• Направляющая зафиксирована на месте; его цель — заставить поршень двигаться по прямой. Поршень может свободно двигаться вверх и вниз по линии, но не может вращаться.

При вращении кривошипа поршень движется вверх и вниз в линейном возвратно-поступательном движении. Кривошипно-поршневая система преобразует вращательное движение в поступательное. Линейное движение может быть вертикальным или горизонтальным (или в другом направлении), в зависимости от ориентации направляющей.

Необходимые материалы

Бумажный шаблон (см. Материалы для учителей)

При печати шаблона обязательно распечатайте его в реальном размере (без масштабирования) на бумаге размером 8,5 x 11 дюймов. Вы будете использовать шаблон, чтобы вырезать картон, как показано в приведенных ниже инструкциях. Обязательно используйте картон толщиной менее дюйма.

Другие материалы

• кривошипно-шатунный механизм (из урока кривошипа)
• 1 Фрикционный колышек оси Technic
• 1 Балка Technic 13M
• очиститель труб
• линейка или рулетка
• секундомер

Сборка кривошипно-поршневого механизма

1. Для этого урока вам понадобится кривошипно-шатунный механизм.Если вы еще не закончили урок по проверке кривошипа, сделайте это в первую очередь.
2. Затем используйте это видео, чтобы собрать кривошипно-поршневой механизм.

3. Присоедините двигатель к порту двигателя 1 на доске Hummingbird. Напишите простую программу для включения мотора. Наблюдайте за движением механизма.

Графическое изображение положения поршня

Подумайте о запуске таймера при включении двигателя. По прошествии секунд кривошип вращается, а поршень перемещается вверх и вниз.Мы могли бы построить график со временем по оси абсцисс и положением поршня по оси ординат. Этот график будет выглядеть примерно так, как изображенная ниже кривая.

На рисунке выше показан только один оборот кривошипа. По мере того как кривошип вращается снова и снова, эта кривая будет повторяться. Этот тип периодического движения называется волной.

1. Самая высокая точка волны называется пиком , а самая низкая точка называется минимумом . Обозначьте один пик и одну впадину на графике выше.
2. Расстояние между пиком и впадиной называется высотой волны . Обозначьте высоту волны на графике выше.
3. Как определить высоту волны поршня? Измерьте это значение, а затем сравните свой метод и ответ со своими одноклассниками.
4. Волну часто описывают по амплитуде, а не по высоте. Амплитуда составляет половину высоты волны. Найдите амплитуду поршневой волны.

Изменение длины кривошипа

Теперь вы исследуете, как можно изменить волну поршня, изменив длину кривошипа.Вы можете изменить длину рукоятки, используя другие отверстия по ее длине.

1. Переместите соединительный штифт на конце кривошипа в соседнее отверстие.

2. Измерьте амплитуду поршневой волны.
3. Снова измените длину рукоятки. На этот раз поместите соединительный штифт между двумя соединительными штифтами, которые соединяют кривошип с адаптером двигателя.
4. Измерьте амплитуду поршневой волны.
5. Как амплитуда поршневой волны связана с длиной кривошипа?
6. Может ли шток быть короче кривошипа? Почему или почему нет?

Период поршневой волны

Период времени между одним пиком и следующим называется периодом волны.

1. Установите 20 оборотов двигателя.
2. Воспользуйтесь секундомером, чтобы измерить, сколько времени нужно кривошипу, чтобы повернуться 10 раз.
3. Какой период волны?
4. Заполните таблицу ниже.
5. Как период волны связан со скоростью двигателя? Угадайте период скорости 50 и подтвердите свой ответ.
6. Проверьте свой ответ на предыдущий вопрос. Насколько близко было ваше предсказание?

Использование кривошипов и поршней для создания роботов

Кривошипно-поршневые механизмы используются в роботах для линейного движения в определенном направлении.Например, в этом видео показан проект, в котором поршень используется для перемещения персонажа вверх и вниз. Можете ли вы определить детали механизма на видео? Эта роботизированная черепаха также использует кривошип и поршень. Что может быть внутри панциря черепахи?

А теперь попробуйте это на собственном роботе! Как далеко вы хотите переместить поршень? Какой длины должны быть кривошип и шатун, чтобы это произошло? Помните, что поршень не должен двигаться только вертикально или горизонтально. Он может двигаться по прямой в любом направлении!

Получение дополнительной информации

• Кривошипно-ползунковый механизм: на этом веб-сайте показано движение кривошипно-поршневого механизма и описаны его части.
• Дизельный двигатель: В этом видео показано, как в дизельном двигателе в легковом или грузовом автомобиле используется кривошипно-поршневой механизм. В этом случае взрыв топлива вызывает поступательное движение поршня, и механизм преобразует это движение для вращения колес транспортного средства.

(PDF) Кинематика и расчет нагрузки на кривошипно-шатунный механизм двигателя

Механика, материаловедение и инженерия, октябрь 2015 г. — ISSN 2412-5954

Журнал MMSE. Открытый доступ www.mmse.xyz

Кинематика и расчет нагрузки на кривошипно-шатунный механизм двигателя

Hailemariam Nigus1a

1 — Федеральный институт ТПО, Школа механических технологий, Департамент автомобильных технологий, Аддис-Абеба, Эфиопия

a — [email protected]

: кинематика, кривошипно-шатунный механизм

АННОТАЦИЯ. В данной статье представлена ​​кинематическая формулировка кривошипно-шатунного механизма двигателя внутреннего сгорания. Формулировка кинематики

кривошипно-шатунного механизма выполняется с использованием метода векторной петли, и применяется правило косинуса для определения положения поршня

.Отслеживание скорости поршня и шатуна выполняется путем дифференцирования положения

с точки зрения угла поворота кривошипа и угла шатуна соответственно. Уравнение ускорения в краткой форме:

, выведенное из скорости по тому же принципу. На основе кинематики формулируются уравнения движения компонентов кривошипно-шатунного механизма

для каждого подвижного звена и платформы, затем легко выводятся все параметры движения каждого компонента относительно его угла поворота кривошипа

.Кроме того, 2D-модель предоставляется с использованием программного обеспечения 2D Auto CAD для визуализации системы и математического алгоритма, решаемого с помощью программного обеспечения MATLAB. Силы, действующие на кривошипный механизм

, и прилагаемый крутящий момент также рассчитываются на основе углов кривошипа и шатуна.

Введение. Двигатель внутреннего сгорания — это двигатель, который сжигает свое топливо, которое представляет собой смесь воздуха

и бензина из карбюратора внутри цилиндра или сжимает воздух только в цилиндре и впрыскивает дизельное топливо

из форсунки.Эти двигатели внутреннего сгорания преобразуют химическую энергию, хранящуюся в их топливе, в тепловую энергию во время рабочего хода поршня. Энергия, вырабатываемая при сжигании топлива, используется для движения поршня

; Работа четырехтактного двигателя основана на простом кривошипно-шатунном механизме. Кинематика

двигателя внутреннего сгорания не отличается от простого кривошипно-шатунного механизма. Кинематическая формула

кривошипно-шатунного механизма, такая как движение поршня и движение шатуна, использует различное программное обеспечение

и методики, для которых он подходит для манипуляций. Кривошипный механизм состоит из таких компонентов, как коленчатый вал, шатун и т. Д. поршень, который изменяет положение внезапного смещения

на плавный вращающийся выход, который является входом для многих устройств, таких как насосы, генераторы

и компрессоры.

Подробная процедура получения напряжений в области галтели кривошипно-шатунного механизма, в частности вала кривошипа

, была представлена ​​Генри и др. [1], в котором использовались МКЭ и БЭМ (метод граничных элементов)

. Полученные напряжения подтверждены результатами экспериментов на турбированном компрессионном двигателе ИГ-

с конфигурацией камеры сгорания типа Рикардо. Инструмент для оценки долговечности кривошипно-шатунного механизма, использованный в этом исследовании, был разработан RENAULT Guagliano et al.[2] провели

исследования коленчатого вала и шатуна судового дизельного двигателя. Payer et al. [3] разработали двухступенчатую методику

для выполнения нелинейного анализа переходных процессов кривошипно-шатунного механизма, объединяющую модель балки

и модель твердого элемента, а Prakash et al. [4] выполнили анализ напряжений и усталости на

трех примерах деталей, принадлежащих к трем различным классам двигателей, коленчатый вал легковых автомобилей был

, изученный Borges et al.[5]. Геометрия кривошипно-шатунного механизма была геометрически ограничена

из-за ограничений компьютерных ресурсов, доступных авторам. Шеной и Фатеми [6] провели

динамический анализ нагрузок в компонентах шатуна и поршня, которые контактируют

с коленчатым валом. Динамический анализ шатуна аналогичен динамике вала кривошипа

, поскольку эти компоненты образуют кривошипно-скользящий механизм, и движение шатуна прикладывает динамическую нагрузку

к подшипнику кривошипа.. Шеной и Фатеми [7] оптимизировали кривошипно-шатунный механизм

с учетом динамической служебной нагрузки на компонент. Было показано, что динамический анализ

является надлежащей основой для расчета усталостных характеристик и оптимизации динамически нагруженных компонентов. Обзор литературы, проведенный Зоруфи и Фатеми [8], сосредоточен на оценке долговечности

и сравнении коленчатых валов из кованой стали и чугуна.

Узел поршень-шатун-коленчатый вал в поршневых двигателях с возвратно-поступательным движением

преобразует силы газа, возникающие во время сгорания в рабочем цилиндре, в ход поршня

, который коленчатые валы преобразуют в полезный крутящий момент, доступный на маховике. .Циклический режим работы

приводит к неравным газовым силам, а также к ускорению и замедлению возвратно-поступательного движения.

Прикладные науки | Бесплатный полнотекстовый | Кинематический концептуальный дизайн рядных четырехцилиндровых механизмов двигателя с переменной степенью сжатия с учетом вертикального ускорения второй гармоники

Рисунок 1. Ползунно-кривошипный механизм.

Рисунок 1. Ползунно-кривошипный механизм.

Рисунок 2. Составляющие гармонического ускорения на поршневом пальце кривошипно-шатунного механизма: ( a ) цилиндр 1 и ( b ) цилиндр 2.

Рисунок 2. Составляющие гармонического ускорения на поршневом пальце кривошипно-шатунного механизма: ( a ) цилиндр 1 и ( b ) цилиндр 2

Рисунок 3. Первоначальная конструкция механизмов двигателя видеомагнитофона: ( a ) Stephenson III и ( b ) Watt II.

Рисунок 3. Первоначальная конструкция механизмов двигателя видеомагнитофона: ( a ) Stephenson III и ( b ) Watt II.

Рисунок 4. Составляющие вертикального гармонического ускорения на поршневом пальце (P ₆ ) первоначально разработанного механизма Stephenson III в одном цилиндре.

Рисунок 4. Составляющие вертикального гармонического ускорения на поршневом пальце (P ₆ ) первоначально разработанного механизма Stephenson III в одном цилиндре.

Рисунок 5. Составляющие вертикального гармонического ускорения в шарнирах P ₂ и P ₅ первоначально спроектированного механизма Stephenson III: ( a ) шарнир P ₂ в цилиндре 1; ( b ) Соединение P ₂ в цилиндре 2; ( c ) Шарнир P ₅ в цилиндре 1; и ( d ) шарнир P ₅ в цилиндре 2.

Рисунок 5. Составляющие вертикального гармонического ускорения в шарнирах P ₂ и P ₅ первоначально спроектированного механизма Stephenson III: ( a ) шарнир P ₂ в цилиндре 1; ( b ) Соединение P ₂ в цилиндре 2; ( c ) Шарнир P ₅ в цилиндре 1; и ( d ) Соединение P ₅ в цилиндре 2.

Рисунок 6. Вертикальное ускорение второй гармоники на каждом шарнире в механизмах-кандидатах в рядном четырехцилиндровом двигателе: ( a ) первоначально спроектированный Stephenson III и ( b ) первоначально разработанный Watt II.

Рисунок 6. Вертикальное ускорение второй гармоники на каждом шарнире в механизмах-кандидатах в рядном четырехцилиндровом двигателе: ( a ) первоначально спроектированный Stephenson III и ( b ) первоначально разработанный Watt II.

Рисунок 7. Влияние на максимум вертикальной суммы ускорений второй гармоники изменения длины в: ( a ) r ₁ , r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y и ( b ) r ₂ , r ₄ и r ₅ тройного звена; влияние на ход изменения длины в: ( c ) r ₁ , r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y и ( d ) r ₂ , r ₄ и r ₅ в рядном четырехцилиндровом двигателе.

Рисунок 7. Влияние на максимум вертикальной суммы ускорений второй гармоники изменения длины в: ( a ) r ₁ , r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y и ( b ) r ₂ , r ₄ и r ₅ тройного звена; влияние на ход изменения длины в: ( c ) r ₁ , r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y и ( d ) r ₂ , r ₄ и r ₅ в рядном четырехцилиндровом двигателе.

Рисунок 8. При минимальной длине r ₄ и максимальной r ₅ влияние на максимум вертикальной суммы ускорения второй гармоники изменения длины в: ( a ) r ₁ и r ₂ и ( b ) r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y ; влияние на ход изменения длины в: ( c ) r ₁ и r ₂ и ( d ) r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y дюйм рядный четырехцилиндровый двигатель.

Рисунок 8. При минимальной длине r ₄ и максимальной r ₅ влияние на максимум вертикальной суммы ускорения второй гармоники изменения длины в: ( a ) r ₁ и r ₂ и ( b ) r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y ; влияние на ход изменения длины в: ( c ) r ₁ и r ₂ и ( d ) r ₃ , r ₆ , r _0x и r _0y дюйм рядный четырехцилиндровый двигатель.

Рисунок 9. Сумма скорректированного хода и максимального значения вертикального ускорения второй гармоники в каждом случае: ( a ) скорректированный ход и ( b ) максимальная сумма вертикального ускорения второй гармоники в рядном четырехцилиндровом двигателе.

Рисунок 9. Сумма скорректированного хода и максимального значения вертикального ускорения второй гармоники в каждом случае: ( a ) скорректированный ход и ( b ) максимальная сумма вертикального ускорения второй гармоники в рядном четырехцилиндровом двигателе.

Рисунок 10. Механизм двигателя видеомагнитофона Stephenson III: ( a ) первоначальный проект и ( b ) окончательный вариант.

Рисунок 10. Механизм двигателя видеомагнитофона Stephenson III: ( a ) первоначальный проект и ( b ) окончательный вариант.

Рисунок 11. Компоненты вертикального гармонического ускорения на поршневом пальце одноцилиндрового двигателя: ( a ) окончательный вариант механизма Stephenson III и ( b ) кривошипно-ползунковый механизм.

Рисунок 11. Компоненты вертикального гармонического ускорения на поршневом пальце одноцилиндрового двигателя: ( a ) окончательный вариант механизма Stephenson III и ( b ) кривошипно-ползунковый механизм.

Рисунок 12. Вертикальные компоненты ускорения второй гармоники на каждом шарнире в четырехцилиндровом двигателе: ( a ) окончательный вариант механизма Stephenson III и ( b ) кривошипно-ползунковый механизм.

Рисунок 12. Вертикальные компоненты ускорения второй гармоники на каждом шарнире в четырехцилиндровом двигателе: ( a ) окончательный вариант механизма Stephenson III и ( b ) кривошипно-ползунковый механизм.

Рисунок 13. Вертикальные компоненты ускорения второй гармоники в сочленениях механизма Stephenson III в четырехцилиндровом двигателе: ( a ) предложенный метод и ( b ) оптимизация с использованием коммерческого программного обеспечения.

Рисунок 13. Вертикальные компоненты ускорения второй гармоники в сочленениях механизма Stephenson III в четырехцилиндровом двигателе: ( a ) предложенный метод и ( b ) оптимизация с использованием коммерческого программного обеспечения.

Рисунок 14. Двигательные механизмы Stephenson III VCR с двухкривошипной четырехзвенной навеской.

Рисунок 14. Двигательные механизмы Stephenson III VCR с двухкривошипной четырехзвенной навеской.

Таблица 1. Возможные механизмы двигателя с переменной степенью сжатия (VCR).

Таблица 1. Возможные механизмы двигателя с переменной степенью сжатия (VCR).

Таблица 2. Технические условия на механизм двигателя видеомагнитофона.

Таблица 2. Технические условия на механизм двигателя видеомагнитофона.

Инсульт 910 внутреннее пространство

Тип двигателя	Рядный четырехцилиндровый
Фазовый угол поворота кривошипа	90 °, 270 °, 270 °, 90 °
Диаметр цилиндра	86 мм
86 ± 0.025 мм
Положение ВМТ	220 ± 10 мм (поршневой палец: 190 ± 10 мм)
Рабочий объем	2 л
Смещение поршня	0 мм
82,5 мм (измеренное по центру кривошипа)

Таблица 3. Размеры изначально разработанных механизмов двигателя видеомагнитофона.

Таблица 3. Размеры изначально разработанных механизмов двигателя видеомагнитофона.

₂ 10001000109

Звено	Длина звена и положение поворота (единицы: мм)
	Механизм Stephenson III	Механизм Watt II
r 1	2510	57,000	43,000
r 3	73,500	64,000
r 4	44.000	25.000
r 5	93.500	85.000
r 6	140.000	100.000
10
10
10	r 0y	−53,000	35.600

Таблица 4. Результаты анализа изначально спроектированных механизмов.

Таблица 4. Результаты анализа изначально спроектированных механизмов.

Положение пальца

	Stephenson III	Watt II	Конструктивные характеристики
Ход (мм)	85.993	86.008	86 ± 0,025	197,391	199,191	190 ± 10

Таблица 5. Прописанные допуски.

Таблица 5. Прописанные допуски.

Длина звена	r i ± 2 мм
Ход	86 ± 1 мм

Таблица 6. Варианты изменения длины звена для этапа S3.

Таблица 6. Варианты изменения длины звена для этапа S3.

910 9108

Корпус		Номер варианта	Длина звена
			r 2	r 3	r 4	r 5
1	Уменьшить r 3 с мин.r 2 , r 4 и макс. r 5	1	56	73,5	42	95,5	140	−53
		:	56	:	10 421082	10 421082
		21	56	71,5	42	95,5	140	−53
2	Уменьшение r 6 с мин.r 2 , r 4 и макс. r 5	1	56	73,5	42	95,5	138	−53
		:	56	73,5
		21	56	73,5	42	95,5	140	−53
3	Уменьшение r 0y с мин.r 2 , r 4 и макс. r 5	1	56	73,5	42	95,5	140	−53
		:	56	73,5
		21	56	73,5	42	95,5	140	−55

Таблица 7. Сравнение начального и конечного механизма.

Таблица 7. Сравнение начального и конечного механизма.

910 ₂ 16 0, 0, 0, 0, 0000

		Установка	Первоначальный проект	Окончательный проект	Эффект (%)
Ссылка	r 1	мм	2510.000	2510.000
	2510.000
	мм	57.000	56.000
	r 3	мм	73.500	73,500
	r 4	мм	44,000	42,000
	r 5	мм 82	6	мм	140.000	140.000
	r 0x	мм	78.000	78.000
	-53,900
Результат	Ход	мм	85,994	86,018
	Положение поршневого пальца в TD10				910 Максимум. суммы ускорений 2-й гармоники	мм / рад 2	35,911	14,963	−58,333
	Макс. суммы ускорений 4-й гармоники	мм / рад 2	10.714	6,977	−34,882

Таблица 8. Сравнение результатов предложенного метода и оптимизации с ограничениями.

Таблица 8. Сравнение результатов предложенного метода и оптимизации с ограничениями.

08282

02 50082 90081.994 Макс. Сумма ускорений 2-й гармоники

		Установка	Первоначальная конструкция	Результат предлагаемого метода	Результат оптимизации	Эффект (%)
Ссылка	r 1	25.000	24.95798	—
	r 2	мм	57.000	56.000	56.00000	—
	—
	73.44895	—
	r 4	мм	44.000	42.000	42.00000	—
	r 51081	95.500	95.49999	—
	r 6	мм	140.000	140.000	138.0000	—
	80.00000	—
r 0y	мм	−53.000	−53.900	−55.00000	—
86.018	85.975	—
Положение поршневого пальца	мм	197.391	185.124	184.424	—
мм / рад 2	35,911	14,963	13,773	−7,940
Макс. Сумма ускорений 4-й гармоники	мм / рад 2	10,714	6.977	7,114	+1,997

Таблица 9. Вертикальные компоненты ускорения второй гармоники в окончательно разработанном одноцилиндровом Stephenson III с четырьмя стержнями кривошипно-коромысла при низкой и высокой степени сжатия.

Таблица 9. Вертикальные компоненты ускорения второй гармоники в окончательно разработанном одноцилиндровом Stephenson III с четырьмя стержнями кривошипно-коромысла при низкой и высокой степени сжатия.

00... Ход поршня

Механизм	Узел	Stephenson III (кривошипно-коромысло)		Шатун
Степень сжатия	—	8	16.5	—
r 0x	мм	72.100	78.000	—
r 0y	мм	−	мм	85,502	86,018	86,000
Ускорение 2-й гармоники на поршневом пальце	м / с 2	3,701	0,588	691
Макс. Сумма ускорений 2-й гармоники	м / с 2	5,542	3,692	12,691

.