МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАІНИ

Національний Транспортний Університет

Кафедра "Автомобілі"

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

З ДИСЦИПЛІНИ “АВТОМОБІЛІ”

Частина 4

Сучасні тенденції розвитку конструкції автомобіля.

для студентів спеціальності

"Автомобілі та автомобільне господарство”

денної форми навчання

Завідувач кафедри “ Автомобілі”

Сахно В.П.

Старший викладач кафедри “Автомобілі”

Ковальчук Г.О.

Київ 2013 р.

ЛЕКЦІЯ

Тема: Сучасні тенденції розвитку конструкції кривошипно-шатунного та газорозподільного механізмів.

Мета : Вивчити параметри оцінки досконалості та сучасні тенденції розвитку кривошипно-шатунних та газорозподільних механізмів.

Час - 2 години.

Навчально – методичне забезпечення: Мультимедійний проектор, екран, ноутбук, зразки рекомендованої літератури.

Питання, що розглядаються:

1. Параметри оцінки досконалості конструкції кривошипно-шатунних та газорозподільних механізмів і їх дизайну.

2. Тенденції розвитку кривошипно-шатунних та газорозподільних механізмів.

Список рекомендованої та використаної літератури:

1. Транспортна стратегіяУкраїни до 2020 року.

2. Концепсія розвитку автомобільної промисловості та регулювання ринку автомобілів у період до 2015 року.

3. Програма розвитку легкового автомобілебудування в Україні до 2020 року.

4. Автомобілі. Навчальний посібник. М.Ю. Основенко, В.П. Сахно.1992р.

5. Автомобілі. Основи конструкції, теорія. Навчальний посібник.

В.І. Сирота, В.П. Сахно . 2007 р.

6. Основи конструкції автомобілів. Навчальний посібник. В.І.Сирота. 2006 р.

7. Автомобиль. Анализ конструкции, елементы расчета. Учебник.

В.В. Осепчугов, А.К.Фрумкин.

8. Автомобиль. Основы конструкции. Учебник. Н.Н.Вишняков и другие.

9. Автомобілі. Тягово-швидкісні властивості та паливна економічність: Навч. посібник. . Сахно В.П., Безбородова Г.Б., Маяк М.М., Шарай С.М – К.: В-во “КВІЦ, 2004. – 174 с.

10. Основи конструкції автомобіля. Навчальний посібник в електронному вигляді. Г.О. Ковальчук, В.П. Сахно. 2011р. - 805с.

11. Автомобільні двигуни. Підручник. Ф.І. Абрамчук та ін. Вид. Арістей. 2006 р. 475 с.

12. Програми самонавчання.

Кривошипно-шатунний механізм

Кривошипно-шатунний механізм складає основу конструк­ции більшості поршневих двигунів внутрішнього згорання. Кривошипно-шатунний механізм сприймає тиск газів, що виникає в циліндрі, і перетворює прямолінійний зворотно-поступальний рух порш­ня в обертальний рух колінчастого валу. Це дві функції, що виконуються механізмом, і забезпечують вирішення складної проб­леми, пов'язаної з перетворенням теплової енергії згоряння палива в циліндрах двигунів внутрішнього згорання в механічну роботу.

В автомобільних двигунах використовуються наступні типи кривошипно-шатунних механізмів:

• Центральний у якого вісь циліндра перетинає вісь колінчастого вала;

• Зміщений (дезаксіальний) у якого вісь циліндра зміщена відносно осі колінчастого вала у напрямку його обертання, що дає раціональність компонування, зменшує шум та масу деталей приводу розподільного вала;

• Зі зміщенням розташування поршневого пальця відносно осі циліндра проти напряму обертання колінчастого вала. Є найбільш поширений на сьогодні тип кривошипно шатунного механізму. Зміщення поршневого пальця використовують для перерозподілу навантаження на поршень з метою уникнення інтенсивного його закидання біля мертвих точок і пом’ягчення ударів об циліндр.

• З причепним шатуном. Виготовлення такого механізму складне та дороге.

У існуючих поршневих двигунах застосовуються тронкові і крейцкопфні кривошипно-шатунні механізми.

У тронкових механізмах шатун шарнірно сполучений безпосередньо з нижньою направляючою (тронковою) частиною поршня, тоді як в механізмах крейцкопфів поршень з'єднується з ша­туном через шток і крейцкопф, які служать для поршня напрямною частиною. Механізми крейцкопфів складніші і гро­моздкі, що збільшує габарити двигуна по висоті і збільшує масу його конструкції.

У швидкохідних поршневих двигунах автомобільного і трак­торного типів застосовуються простіші і компактніші тронко­ві кривошипно-шатунні механізми.

Сучасні тенденції розвитку конструкції кривошипно-шатунних механізмів

• Ускладнення конструкції за рахунок удосконалення конструкції та масового застосування автоматичних електронних систем керування робочими процесами двигуна;

• Створення конструкцій механізмів зі змінним ступенем стискання;

• Застосування подвійних маховиків з демпферними пружинами та ротора системи стоп-старт в якості маховика;

• Покращення жорсткісті та зносостійкості проти спрацюваня;

• Покращення міцності блоку, головки блока циліндрів, колінчастого вала, корпуса корінних підшипників колінчастого вала тощо; Для зміцнення деталей остову перспективним є застосування гратчастих рам, з каркасом з окремих балок. Покращується охолодженя поршнів. Для зменшення зносу пари поршень - циліндр шатуни у ряду дизелів мають сферичну верхню голівку, завдяки чому забезпечується обертання поршня при роботі дизеля.

• Зменшення габаритних розмірів та маси за рахунок удосконалення конструкції, застосування алюмінієвих сплавів, керамічних матеріалів та пластмас;

• Застосування різних антифрикційних покриттів, здатних значно зменшити силу тертя, а також використання деталей, виготовлених на основі з'єднань нітриду і карбіду кремнію, тобто кераміки.

• Зменшення інерційних навантажень кривошипно-шатунних механізмаїв;

• Покращення руху рідин та повітря без втрат на опір поверхонь;

• Застосування гільз циліндрів з ребрами жорсткості, які покращують міцність та покращують охолодження гільз циліндрів;

- Технологічність виготовленя;

- Зниження собівартості та експлуатаційних витрат.

Жорсткість кривошипно-шатунного механізму досягається застосуванням однорядних та V–образних двигунів, циліндри яких виготовлені монолітно з блоком та верхньою частиною картера, зменшенням кута розвалу між гільзами циліндрів та застосуванням у V–образних двигунах однієї головки блока замість двох.

Одними з основних вимог до поршневих двигунів внутрішнього згоряння є рівномірність обертання та зрівноваженість. При нерівномірному обертанню колінчастого вала двигуна, всі деталі, що передають крутний момент працюють з ударним навантаженням, яке прискорює їх зношення та поломку. Незрівноваженість двигуна пояснюється наявністю сил і моментів, що виникають при поступальному та обертовому рухах мас кривошипно-шатунного механізму, які діють на опори двигуна.

У зрівноваженому двигуні під час роботи на опори діє постійне навантаження. Незрівноважений двигун, передаючи під час роботи сили та моменти на опори, створює вібрацію, яка визиває додаткове навантаження на підшипники, послаблює кріплення деталей та приводить до їх поломки. Ускладнюється експлуатація двигуна.

Особливо велика нерівномірність обертання колінчастого вала та незрівноваженість у одноциліндрових двигунів. Застосування великіх маховиків в двигунах автомобілів збільшує габарити та масу і погіршує можливість швидко збільшувати або зменшувати оберти.

Для усунення перечислених вище недоліків в автомобілях використовують багатоциліндрові двигуни. При цьому від числа циліндрів залежить зрівноваженість двигуна та рівномірність обертання колінчастого вала з меншим маховиком. Застосування багатоциліндрових двигунів дозволяє дещо зменшити обертові маси кривошипно-шатунного механізму та збільшити оберти і потужність двигуна у порівнянні з одноциліндровим.

Застосування стартер - генератора дозволяє гасити вібрації, що виникають в двигуні внутрішнього згорання. При спалюванні палива в двигуні внутрішнього згорання виділяється велика кількість енергії, і залежно від порядку роботи циліндрів змінюється величина крутного моменту. При цьому із-за не рівномірності виділення енергії в циліндрах двигуна - спостерігаються значні пульсації крутного моменту, що негативно впливають на характеристики двигуна внутрішнього згорання . Зменшення пульсації крутного моменту положено в основу створення двигуна з інтегрованим стартер-генератором.

При перевищенні встановленого мінімального значення крутного моменту колінчастий вал гальмується генератором, і надмірна енергія тимчасово акумулюється в конденсаторі, а вході наступного такту стискування ця енергія використовується для того, щоб при недостатньому енергопостачанні збільшити швидкість обертання колінчастого валу.

Рішенням задачі збільшення потужності одночасно зі збільшенням к.к.д.(до 89%) і ресурсу генераторної установки, підвищення екологічності і паливної ефективності автомобіля, а також зменшення маси двигуна внутрішнього згорання і пучка дротів може послужити інтегрований стартер-генератор(ІСГ).

Рис. 1. Стартер-генеаратор фирми Bosch

Інтегрований стартер-генератор встановлений безпосередньо на колінчастий вал двигуна внутрішнього згоряння, що дозволяє значно збільшити надійність системи за рахунок відмови від великого числа зношуваних частин. Заощаджена вага може досягати 12 кг в одному транспортному засобі.

У режимі стартера таке рішення дозволяє відмовитися від традиційно вживаного маховика двигуна внутрішнього згоряння, завдяки чому запуск двигуна відбувається набагато швидше і з меншим рівнем шумів. Це також дозволяє реалізувати систему "стоп-старт", що економить паливо під час зупинки автомобіля, яка виключає двигуна внутрішнього згоряння, якщо машина простоює довше певного проміжку часу і запускає двигун з початком руху. Також можливий режим спільної роботи двигуна внутрішнього згоряння і інтегрованого стартер-генератора, при якому інтегрований стартер-генератор допомагатиме двигуну внутрішнього згоряння при розгоні, істотно підвищуючи динаміку розгону і крутний момент двигуна.

Однією з основних напрямів покращення конструкції кривошипно шатунного механізму є пониження механічних втрат в сучасних двигунах:

1. За рахунок покращення допусків на виготовлення деталей двигунів.

2. Зменшення інерційнійності кривошипно-шатунного механізму, тобто максимального полегшення поршнів, шатунів, колінчастого вала. В сучасних двигунах використовуються поршні з короткою "спідницею", виготовлені на основі алюмінієвих сплавів. Причому для їх виробництва використовуються дві технології. За першою технологією виготовляються поршні для невисоко форсованих двигунів - їх роблять різними методами литва. За другою технологією виготовляються поршні для форсованих двигунів - методом об'ємного штампування (куванням). Крутень роблять максимально легким, щоб не утрудняти двигун обертанням зайвої маси, та і реакція на натиснення педалі газу при цьому скорочується.

3. Використання сучасних моторних мастил з низькою в'язкістю, збільшують коефіцієнт корисної дії (ККД), оскільки знижуються втрати на тертя, як при перекачуванні по масляних каналах, так і у середині самого масла.

4. Розширення застосування різних антифрикційних покриттів, що значно зменшують силу тертя, а також використання деталей, виготовлених на основі з'єднань нітриду і карбіду кремнію, тобто кераміки.

Рис. 2. Кривошипно-шатунний та газорозподільний механізми

Рис. 3. Кривошипно-шатунний механізм двигуна МСЕ-5

автомобіля Пежо-407 зі змінним ступенем стискання

Рис. 4. Деталі кривошипно-шатунного механізму двигуна МСЕ-5 зі змінним ступенем стискання

Рис. 5. Кривошипно-шатунний механізм двигуна V8 TDI CR Audi з V-образним розташуванням циліндрів та опорною рамою для колінчастого вала

Останнім часом спостерігається тенденція зменшення кута розвалу між циліндрами двигуна з V-образним розташуванням циліндрів. Прикладом цього може служити блок циліндрів 6-ти циліндрового двигуна V6 VW з

V образним (10⁰) розташуванням циліндрів.

Рис. 6. Блок циліндрів 6-ти циліндрового двигуна V6 VW з