48. Суммарные силы и моменты, действующие в кшм

При динамическом анализе КШМ силы Р_т и Pj, имеющие об­щую точку приложения к системе и единую линию действия, заме­няют суммарной силой, являющейся их алгебраической суммой.

Для анализа действия силы Р_£ на элементы КШМ ее расклады­вают на две составляющие: Sи N. Сила Sдействует вдоль оси шатуна и вызывает повторно-переменное сжатие — растяжение его элементов, а сила JVперпендикулярна оси цилиндра и прижимает поршень к его зеркалу. Действие силы Sна сопряжение шатун — кривошип можно оценить, перенеся ее вдоль оси шатуна в точку их шарнирного сочленения, где она раскладывается на нормаль­ную силу К, направленную по оси кривошипа, и тангенциальную силу Т.

Силы К и Т передаются на коренные опоры двигателя. Для анализа характера нагружения коренных опор двигателя сила К пе­реносится по линии ее действия в центр коренной опоры (К¹); сюда же добавляются равные по модулю силе Т и имеющие параллель­ные с ней линии действия силы Ти Т" (см. рис. 1.12, а). Пара сил Т и Т"на плече г создает крутящий момент М, который далее передается на нагрузку, где совершает полезную работу. Сумма сил К' и Т" даст силу S", проекциями которой на ось цилиндра и ор­тогональное ей направление являются силы 7Y' и Р£. Очевидно, что AV— — N' и P_Z=P£. Силы N и N' на плече h создают опрокидыва­ющий момент, который далее передается на опоры двига­теля и уравновешивается их реакциями. Момент и вызываемые им реакции опор изменяются по времени и могут быть причиной неуравновешенности двигателя.

51. Уравновешивание одноцилиндрового двигателя

В одноцилиндровом двигателе не уравновешены сила инерции вращающихся масс, силы инерции Fn И Ffn возвратно-поступательно движущихся масс и опрокидывающий момент. Одноцилиндровый двигатель можно уравновесить только установкой противовесов.

Уравновешивание силы. Центробежную силу Кг уравновешивают установкой противовесов на продолжении щеки коленчатого вала. Массу противовесов подбирают так, чтобы возникающая при вращении вала центробежная сила противовесов была равна силе Кг Условие уравновешивания центробежной силы или где — расстояние центра тяжести противовеса от оси вращения.

При заданной массе противовесов радиус вращения их центра тяжести.

Для снижения расхода металла следует принимать возможно большим, так как при этом масса противовесов может быть уменьшена. Однако по конструктивным соображениям это не всегда удается.

52. Уравновешивание рядных ДВС. Силы инерции первого порядка поступательно движущихся масс равны и направлены в противоположные стороны, т. е. уравновешиваются. Неуравновешенным остается момент этих сил, раскачивающий двигатель в продольном направлении.

Частично уравновесить этот момент можно противовесами, которые устанавливают на крайних щеках вала. При этом, однако, появляется неуравновешенный момент в горизонтальной плоскости. Полностью этот момент можно уравновесить, установив две пары добавочных противовесов, вращающихся с такой же угловой скоростью, как и коленчатый вал. Горизонтальные составляющие сил инерции этих противовесов взаимно уничтожаются, а вертикальные образуют момент, равный по величине моменту сил инерции первого порядка и противоположный ему по направлению.

Силы инерции второго порядка у обоих цилиндров этого двигателя равны между собой и направлены в одну и ту же сторону, т. е. складываются.

Полное уравновешивание этих сил возможно при помощи двух симметрично расположенных, вращающихся в противоположные стороны валиков с противовесами.

У четырехцилиндрового рядного двигателя силы инерции первого порядка поступательно движущихся масс и моменты этих сил полностью уравновешены.

Уравновешивание сил инерции второго порядка может быть выполнено таким же способом как и для двухцилиндрового двигателя.

У шестицилиндрового рядного двигателя силы инерции первого и второго порядков и их моменты полностью уравновешены.

Это же относится и к восьмицилиндровому рядному двигателю. V-образные двигатели можно рассматривать как два рядных двигателя и геометрически суммировать их неуравновешенные силы инерции и моменты этих сил.

Неравномерность крутящего момента, в особенности при неправильном распределении мощности по цилиндрам или при пропусках вспышек, может вызвать существенную неуравновешенность двигателя и вибрацию его на опорах. Поэтому во избежание проявления вибраций необходимо стремиться к тому, чтобы двигатель работал возможно равномернее.

53.Основные направления совершенствования ДВС. В части уменьшения потерь двигателя на трение эффективным способом является переход от 4-х тактного цикла к 2-х тактному. В 4-х тактном цикле двигатель половину времени работает как поршневой воздушный насос, обеспечивающий газообмен (такты впуска и выпуска). В 2-х тактных двигателях эту работу чаще всего выполняет специальный агрегат – продувочный компрессор с механическим приводом от коленчатого вала двигателя. Размер этого агрегата в десятки раз меньше двигателя. Поэтому переход на 2-х тактный цикл позволяет значительно уменьшить размеры и вес двигателя.

Что мешает использовать 2-х тактные двигатели в автотранспорте? На сегодня в большей степени традиции.

Другим эффективным способом повышения механического КПД двигателя является применение турбонаддува. Использование теряемой с отработавшими газами энергии для привода турбокомпрессора позволяет уменьшить потери двигателя на газообмене, а в некоторых случаях даже превратить газообмен в дополнительную полезную работу.

Турбонаддув активно применяется как в 4-х тактных, так и в 2-х тактных двигателях.

Еще одним способом, снижающим потери на газообмене и улучшающим очистку и наполнение цилиндров, является управление фазами газообмена. Но это возможно только в системах с управляемым газораспределением.

Так что отсутствие газораспределительного механизма само по себе еще не повод для радости.

Тем не менее, доля потерь на привод агрегатов и обеспечение газообмена в классическом ДВС, как правило, составляет порядка 4% от мощности двигателя. Отсюда вывод – увеличение механического КПД ДВС больше 0,96 уже поэтому проблематично.

Остаются основные механические потери на трение – в преобразователе энергии расширения газов в механическую энергию. В классическом ДВС это кривошипно-шатунный механизм – простейшее устройство, состоящее из поршней, шатунов и коленчатого вала. Оно имеет всего несколько пар трения: поршень-цилиндр, поршневые кольца-цилиндр, шатун-палец шатуна, шатун-коленвал и коленвал-коренные опоры. Наибольшую долю в потерях на трение дают поршневые кольца в цилиндре. Мощность трения поршней о цилиндр примерно в 10 раз меньше мощности трения поршневых колец. Трение в цилиндре имеет почти квадратическую зависимость от средней скорости поршня. Поэтому уменьшение этой скорости очень сильно снижает потери на трение.

Средняя скорость поршня определяется длиной его хода и частотой вращения коленчатого вала двигателя. Но снижение частоты вращения – это дефорсирование двигателя. Поэтому путь здесь один – уменьшение хода поршня.

В свою очередь уменьшение хода поршня при сохранении рабочего объема приводит к увеличению диаметров поршня и головки цилиндра, и, соответственно, их поверхностей теплообмена.

Но при этом уменьшение количества цилиндров с увеличением их размера при сохранении рабочего объема двигателя приводит к уменьшению суммарных потерь на трение, а заодно и тепловых потерь.

Поэтому для каждого двигателя, исходя из его назначения и основных режимов работы, специалисты определяют оптимальные конструктивные параметры: количество цилиндров, диаметр и ход поршня, номинальные обороты коленчатого вала.

Полный КПД есть произведение механического КПД на индикаторный КПД. Последний характеризует качество рабочего процесса. С процессом в РЛД не может быть хорошо. По тем же причинам, что и у двигателей двойного действия. Значит, эффект получен за счет снижения потерь на трение.

Но даже если мы возьмем индикаторный КПД для РЛД равным 0,45, что соответствует хорошему поршневому двигателю, то придется признать, что его механический КПД может быть равен 1. Ну а если индикаторный КПД ниже? Механический КПД РЛД автоматически становится больше 1. Хотя, мы выяснили, что и 0,96 – проблема.

Дополнительно добавлю, что КПД кривошипно-шатунного механизма современного 4-х тактного ДВС составляет не менее 0,95, что легко может проверить любой желающий, исключив из состава механических потерь мощность на газообмен, агрегаты и поршневые кольца (кольца являются уплотнением, а не частью КШМ). КПД же кривошипного механизма в составе 2-х тактного двигателя еще выше.

54. Колебания ДВС.Крутильные колебания.Методы уменьшения.3При работе двигателя в коленчатом валу от периодического действия сил давления газов возникают нежелательные колебания, называемые крутильными колебаниями. Если к ободу маховика, насаженного на длинный стальной вал (рис. 31, а), другой конец которого закреплен неподвижно, приложить силу, то вал закрутится на угол а. После прекращения действия внешней силы вал из-за наличия сил упругости и сил инерции начнет колебаться с некоторой угловой амплитудой. Вследствие потерь энергии на трение частиц внутри самого материала и трение о воздух колебания постепенно будут затухать. Коленчатый вал многоцилиндровых рядных двигателей (с шестью и восемью цилиндрами) имеет значительную длину. При работе двигателя силы, действующие на кривошипы, вызывают периодическое закручивание вала, в результате чего вал начинает колебаться относительно своей оси, т. е. возникают крутильные колебания вала. Если период собственных крутильных колебаний вала совпадет с периодом действия внешних сил (силы давления газов и др.), то амплитуды колебаний вала могут возрасти до такой степени, что вызовут поломку вала (явление резонанса). Для устранения таких колебаний на коленчатом валу некоторых рядных многоцилиндровых двигателей ставится специальный гаситель (двигатель ЯАЗ-М206), представляющий собой массу (маховичок) 1 (рис. 31, б), соединенную на упругом основании (резиновом) 2 со шкивом 3 коленчатого вала. В шести- и восьмицилиндровых V-образных двигателях длина вала меньше, чем в рядных двигателях, и, кроме того, увели- крутильных колебаний вала и размеры шеек, в результате чего жест- гаситель крутильных колебаний кость вала повышается. Поэтому опасность возникновения резонансных крутильных колебаний на коленчатом валу в таких двигателях исключена и специальные гасители крутильных колебаний не нужны.

Понятие о крутильных колебаниях и критическом числе оборотов Возникающие во время работы двигателей инерционные силы вызывают дополнительные так называемые динамические усилия. Чем быстроходнее двигатель, тем больше эти усилия, которые могут вызвать нежелательные колебания частей двигателя и фундамента. Так как действие динамических усилий связано с наличием ускорений, то уничтожить эти усилия невозможно. Можно только путем рационального размещения движущихся масс частично, а иногда и полностью уравновесить действие динамических усилий. Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс (шейки мотыля, щек и 0,6 массы шатуна), т. е. центробежные силы, можно уравновесить с помощью противовесов, укрепляемых на щеках мотыля коленчатого вала. При этом вес противовесов подбирается так, чтобы создаваемая ими центробежная сила была равна центробежным силам неуравновешенных вращающихся масс. Уравновешивание сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс 1 у одноцилиндрового двигателя не может быть достигнуто (исключение составляет двигатель со сходящимися поршнями). У многоцилиндровых же двигателей полное или частичное уравновешивание достигается путем соответствующего взаимного расположения мотылей коленчатого вала. Так, например, для полного уравновешивания сил инерции и их моментов для четырехтактных двигателей необходимо иметь шесть или восемь цилиндров с углами между мотылями соответственно 120 и 90°. Число цилиндров двигателя определяет не только степень уравновешенности, но и степень неравномерности двигателя. У многоцилиндровых двигателей чередование рабочих ходов чаще, чем у одноцилиндрового, и поэтому степень неравномерности меньше. Следовательно, чем больше цилиндров имеет двигатель, тем меньше относительный вес и размеры может иметь маховик (при одинаковой мощности и степени неравномерности). Следует подчеркнуть, что у двухтактного двигателя вес маховика на единицу мощности меньше, чем у четырехтактного (при одинаковом числе рабочих цилиндров), так как за одно и то же время у него в ? раза больше рабочих ходов. Многоцилиндровые двигатели более экономичны, чем одноцилиндровые; это объясняется тем, что расход мощности на некоторые вспомогательные механизмы (регулятор, привод газораспределения, топливоподкачивающий насос и др.) мало зависит от числа цилиндров; следовательно, доля затраченной мощности на привод этих механизмов у одноцилиндровых двигателей больше, чем у многоцилиндровых. Преимуществом многоцилиндровых двигателей является их большая компактность. В двигателе периодические изменения вращающихся моментов вызывают вынужденные крутильные колебания коленчатого вала, так как угол его закручивания не остается постоянным, а изменяется по времени. Совпадение частот и направлений свободных и вынужденных колебаний называется резонансом. При этом свободные и вынужденные колебания складываются, что вызывает в материале вала значительные напряжения, и могут вызвать поломку вала. Число оборотов вала, при котором возникает явление резонанса, называется критическим. Оно сопровождается сильной вибрацией двигателя и стуками в соединениях подвижных частей, а иногда и поломкой вала. Если число оборотов станет больше или меньше критического, то явления, сопровождающие резонанс, прекратятся, так как угловая скорость вращения отдельных мотылей постепенно выравнивается. Следовательно, простейшим методом устранения резонанса является изменение числа оборотов двигателя. Критическое число оборотов может быть установлено расчетом или на основании обследования установки с использованием специального прибора — торсиографа, при помощи которого можно получить график крутильных колебаний. При числе оборотов, близком к критическому, амплитуда колебаний резко увеличивается, что отображается на самопишущем приборе. Если критические обороты лежат близко к нормальным, то последние следует снизить на 5—10% и не переходить за это число. Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний до величины, гарантирующей безопасность работы вала, применяется гаситель колебаний — демпфер. Принцип действия демпфера заключается в том, что присоединенная к валу например через муфту дополни-, тельная масса, вращаясь вместе с валом, воспринимает часть энергии возмущающих сил, что способствует затуханию колебаний.

55