Автор работы: Пользователь скрыл имя, 08 Сентября 2014 в 19:32, лекция
Кинематика кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Условия работы деталей криво-шипно-шатунного механизма характеризуются значительными и быстропеременными усили-ями, возникающими в них при различных режимах работы двигателя. Величина и характер из-менения механических нагрузок, приходящихся на эти детали, определяются на основе кине-матического и динамического исследования кривошипно-шатунного механизма.
Динамическому расчету предшествует тепловой расчет, обеспечивающий возможность выбо-ра основных размеров двигателя и нахождения величины и характера изменения сил от давле-ния газов.
Сила определяется как проекция на ось цилиндра вектора , вращающегося с угловой скоростью ω коленчатого вала.
Сила находится аналогично, как проекция на ось цилиндра вектора , вращающегося с угловой скоростью 2ω .
Центробежная сила вращающихся масс кривошипно-шатунного механизма
, где
Эта сила направлена по радиусу кривошипа, постоянна по величине и приложена к центру В шатунной шейки кривошипа. Силу можно перенести по линии ее действия в центр О вала и разложить на две составляющие по координатным осям:
.
Рассмотрим подробнее действие сил давления газов на поршень и сил инерции движущихся масс. Исходной силой является суммарная сила Р, действующая на поршень:
Из рассмотрения кривой суммарной силы (см. рис. 17, а) видно, что силы инерции в конце хода сжатия и в начале рабочего хода уменьшают усилия, действующие на поршень от давления газа.
Сила Р, действующая вдоль оси цилиндра (рис. 20), может быть разложена на две составля-ющие:
боковую силу N, перпендикулярную к оси цилиндра:
(7)
и силу S, направленную вдоль оси шатуна:
Приближенные выражения, как и выше, справедливы с точностью до членов второго порядка малости λ2 и kλ включительно. (Погрешность этих выражений составляет не более 2%). Величина kλ обычно очень мала и в практических расчетах ею можно пренебречь.
Из формулы (7) видно, что смещение оси цилиндра при > 0 несколько уменьшает нормальную силу N в такте расширения.
Силу S можно перенести по линии ее действия в центр шатунной шейки кривошипа (S' = S) и разложить на две составляющие:
- нормальную силу К, направленную по радиусу кривошипа:
- и тангенциальную силу Т, касательную к окружности радиуса кри-вошипа:
(
Нормальную силу К перенесем по линии ее действия в центр вала и обозначим через К' (К = К'). Тангенциальную силу Т также можно перенести в центр вала (T = Т' = Т"), добавляя при-
Рис.20. Силы и моменты, дейст- соединенную пару сил (Т, Т') с моментом Мкр, называемым кру-
вующие в кривошипно-шатунном тящим моментом. Крутящий момент
механизме
передается через коленчатый вал к маховику и трансмиссии.
Силы К' и Т" могут быть сложены, их равнодействующая S", равная силе S, действующей вдоль шатуна, нагружает коренные подшипники вала. Сила S" может быть разложена на две составляющие: N', перпендикулярную к оси цилиндра, и действующую парал-лельно оси цилиндра.
Силы N' и N, а также силы и (см. рис. 18 ) образуют две пары сил, сумма моментов ко-торых называется опрокидывающим моментом Мопр , действующим на неподвижные части кривошипно-шатунного механизма. Момент Мопр направлен против крутящего момента и в соответствии с условием равновесия подвижных деталей механизма в целом по величине ра-вен сумме крутящего момента и момента присоединенной пары, добавляемой при переносе силы инерции на ось вращения кривошипа. Действительно, как видно на рис. 20:
Кроме опрокидывающего момента на неподвижные части кривошипно-шатунyого механиз-ма действуют постоянная сила тяжести, переменная по величине и знаку сила инерции и центробежная сила инерции KR. Указанные силы уравновеши-ваются реакциями опор и частично — внутренними усилиями между отдельными механизмами и деталями двигателя.
Направления всех сил и моментов, показанные на рис. 20, принимаются за положительные (поэтому в формуле Мопр слагаемые суммируются).
Построение полярной диаграммы нагрузок на шатунную шейку с использованием рис.17. Вычислив силы N, К и Т для ряда значений угла , строят кривые (см. рис. 17, в—д). Кривая тангенциальных сил Т (рис. 17, д) одновременно является кривой крутящего момента Мi одного цилиндра в другом масштабе.
Далее определяют усилия, действующие на шатунные и коренные подшипники коленчатого вала. Результирующую силу Rшш, приложенную к шатунной шейке кривошипа, находят сложе-нием силы S, действующей по оси шатуна, с центробежной силой возникаю-щей вследствие вращения части массы шатуна.
Построение производят в виде полярной диаграммы вектора силы Rшш, ориентированной относительно кривошипа коленчатого вала, принимаемого неподвижным. Сначала строят полярную диаграмму силы S, откладывая в прямоугольных координатах с полюсом О (рис. 21) ее составляющие К и Т для различных углов поворота кривошипа и получая соответствующие им точки конца вектора S (см. треугольник сил K, T, S на рис. 20). Полученные точки и т. д. последовательно в порядке углов соединяют плавной кривой, кото-рая является полярной диаграммой силы S с полюсом в точке О.
Для получения полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку достаточно переместить на полученной полярной диаграмме силы S полюс О по вертикали на величину вектора в точку Ош и
Рис. 21. Схема построения поляр- соединить точки и т. д. Такая диаграмма, построенная по точ-
ной диаграммы нагрузки на шатун- кам через 30° угла поворота вала для быстроходного четырехтакт-
ную шейку (построение точек диаг- ного карбюраторного двигателя, изображена на рис. 22, а. Проекция
раммы )
Полярная диаграмма, перестроенная в прямоугольные координаты и Rшш – зависимость нормальной нагрузки на шатунную шейку в зависимости от угла поворота коленвала - (рис. 22, б), позволяет определить среднее значение , а следовательно, и среднюю удельную на-грузку на подшипник, отнесенную к единице площади его диаметральной проекции:
где
- dшш – диаметр шатунной шейки; lшш – рабочая ширина вкладыша.
Рис. 22. Полярная диаграмма нагрузки на шатунную шейку.
Пользуясь полярной диаграммой, можно построить так называемую диаграмму износа шейки (рис. 23), дающую условное представление о характере износа в предположении, что износ пропорционален усилиям, действующим на шейку и происходит в секторе ± 60° от мгновенного направления силы S. Для построения диаграммы под углом: 60° к направлению каждого усилия (рис. 23, а) в обе стороны проводят кольцевые полоски, высота которых пропорциональна соот-ветствующему усилию Rшш. Суммарная площадь этих полосок в итоге представляет собой усло-вную диаграмму износа (рис. 23, б). На диаграмме износа шейки видна зона наименьших дав-лений на нее. В этом месте шейки должно выводиться отверстие для подвода масла к подшип-нику.
Пользуясь полярной диаграммой нагрузки на шатунную шейку, можно найти результирующую силу Rк, действу-ющую на колено вала и изгибающую шатунную шейку.
Методом построения полярных
диаграмм определяют силы
При исследовании работы многоцилиндровых двига-телей возникает необходимость определения суммар-
а)
Рис.23. Построение диаграммы износа шатунной коленчатого вала.
шейки
щих моментов для отдельных цилиндров. При этом кривые для отдельных цилиндров дол-жны быть сдвинуты одна относительно другой на угол θ, соответствующий интервалу между рабочими ходами в отдельных цилиндрах. Для четырехтактных двигателей с равными интерва-лами между рабочими ходами θ = 720°/i, где i — число цилиндров двигателя (для двух-тактных двигателей θ = 360°/i) .
Суммарный крутящий момент периодически изменяется с периодом, равным θ . Построение участка кривой суммарного крутящего момента , соответствующего углу θ , для четырех-цилиндрового четырехтактного двигателя показано на рис. 24. При этом использована кривая крутящего момента для одного цилинд-ра (рис. 17, д). Среднее значение суммарного крутящего момента двигателя
, где
- F1 и F2 — положительная и отрицательная площади диаграммы.
Ввиду того, что при построении диаграммы крутящего момента двигателя не учитывались затраты на трение и на приведение в движение вспомогательных механизмов, действительный эффек-тивный крутящий момент Ме, снимаемый с вала, меньше получен-ного среднего суммарного крутящего момента:
Момент представляет собой средний индикаторный мо-мент двигателя; он изменяется пропорционально работе газов за Рис. 24. Построение кривой суммар-
цикл, так как работа сил инерции за каждый оборот коленчатого ного крутящего момента для четы-
вала двигателя равна нулю.