Взаимодействие поршня и цилиндра

  От качества контакта поршня и поршневых колец с зеркалом цилиндра в первую очередь зависит мощность двигателя. Пор­шень и поршневые кольца герметизируют камеру сгорания во время сжатия и рабочего хода, а качество герметичности непосредственно влияет на количество энергии, передаваемой поршнем коленчатому валу. Другими словами, качество герме­тизации влияет на величины давлений сжатия и сгорания.

  Наибольшие зазоры между поршнем и гильзой цилиндра, которые в современных двигателях объемом 125 см³ составляют всего лишь 0,025—0,03 мм, и маленькие зазоры в замках порш­невых колец должны обеспечить почти абсолютную герметич­ность. Герметичность действительно была бы почти абсолютной, если бы в гильзе цилиндра не было окон, особенно выпускного окна, и если бы шатун двигался только вдоль оси цилиндра.

  Шатун выполняет сложное движение: он движется вдоль оси цилиндра и совершает колебательное движение относительно поршневого пальца (рис. 9.12). Силу F давления газов на пор­шень можно разложить на две силы: силу F_k, действующую вдоль шатуна и создающую крутящий момент на коленчатом валу, и силу F_p, направленную перпендикулярно к зеркалу цилиндра и прижимающую к нему поршень. Если выпускное окно расположено на разгружаемой во время рабочего хода (и одновременного сжатия в кривошипной камере) стороне поршня, то в выпускное окно между поршнем и цилиндром перетекает горю­чая смесь из кривошипной камеры (рис. 9.13, а). Кроме того, выпускное окно будет практически открыто после прохождения верх­ним поршневым кольцом ниже верхней кромки окна. Таким образом, управление открытием выпускного окна осуществляет не верхняя кромка поршня, а кромка поршневого кольца.

Рис. 9.12. Разложение силы давления газов F на составляющие

Рис. 9.13. Расположение выпускного окна относительно направления вращения коленчатого вала:

а — неправильное; б — правильное

 

  Этого нежелательного явления не произойдет, если исполь­зовать поршневые кольца с L-образным сечением, верхняя кромка которых совпадает с верхней кромкой поршня.

  Описанных выше явлений можно избежать, если выпускное окно расположено с той стороны зеркала цилиндра, к которой прижимается поршень во время рабочего хода (рис. 9.13, б). Направление действия силы F_p зависит от направления вращения коленчатого вала.

Уравновешивание механизма кривошипного

  Массы, которые необходимо уравновеши­вать, делятся на два вида (рис. 9.14): массы, участвующие во вращательном движении М₁, и массы, движущиеся возвратно-поступа­тельно, М₂. К вращающимся массам обычно относят массу кривошипа с подшипником шатуна и с частью массы шатуна (массой нижней головки шатуна), условно соединенной с кривошипом. В воз­вратно-поступательном движении участвуют следующие массы: масса поршня с поршневыми кольцами и поршневым пальцем, а также часть массы шатуна (масса верхней головки), условно соединенная с поршнем. Мы говорим «условно» потому, что в действительности масса стержня шатуна участвует как в посту­пательном, так и в колебательном движении, и это значительно усложняет рассуждения. Распределение массы шатуна между кривошипом и поршнем является допустимым упрощением.

  Центробежная сила Fo, действующая на вращающиеся массы М₁, всегда направлена по радиусу (рис. 9.15). Эту силу легко уравновесить, если на коленчатый вал установить противовес с такой массой и на таком расстоянии от оси вращения, чтобы центробежная сила F_0w, действующая на эту массу, была равна центробежной силе F₀. Обе силы Fo и F_0w вращаются вместе с коленчатым валом, но всегда остаются в равновесии, незави­симо от ЧВ двигателя.

Рис. 9.15. Уравновешивание вращающихся масс:

а — неуравновешенная центробежная сила; б — полное уравновешивание

 

  Инерционная сила F_b массы М₂ всегда действует вдоль оси цилиндра (рис. 9.16, а). Как уже говорилось, она нагружает коленчатый вал силой F_hk, действующей на кривошип. Силу F_bk можно разложить на две составляющие: силу F_s, перпендику­лярную радиусу кривошипа, и силу F_ab, перпендикулярную оси коленчатого вала, нагружающую его подшипники и вызывающую дисбаланс. Однако эту силу, внешне похожую на центробежную силу F_o, возникающую в результате вращения массы M₁, пол­ностью уравновесить противовесом не удается. Сила F_ob изме­няется от максимальной в мертвых точках до нуля в некоторых промежуточных положениях. Полное уравновешивание этой силы противовесом возможно только в том случае, если центро­бежная сила противовеса изменяется таким же образом, что и сила F_ob. На практике это невозможно, поэтому надо брать такой противовес, чтобы действующая на него постоянная центробежная сила Fo_P имела некоторое среднее значение. В этом случае в мертвых точках поршня (рис. 9.16, б) сила F_op  будет меньше, чем F_ob, равная F_b, а в промежуточных положениях поршня (рис. 9.16, в) сила F_op будет больше F_ob. Во время каждого оборота коленчатого вала только в двух его положениях F_op = F_ob. В сумме на противовес будет действовать центробежная сила, равная F_ow+ F_0p.

  Возникает вопрос, какая должна быть величина силы F_op? Иначе говоря, какую часть максимальной силы F_ob надо уравно­весить? Если F_o будет большой, она почти полностью уравновесит силу Fob в мертвых точках хода поршня, а в других положениях коленчатого вала будет избыточной. Двигатель будет неуравно­вешен в горизонтальной плоскости. Если Fo мала, то двигатель будет неуравновешен в направлении оси цилиндра.

  Отношение силы Fo к максимальному значению силы F_0b называется коэффициентом уравновешенности. Значения этого коэффициента колеблются от 0,3 до 0,7. Заметим также, что он указывает, какую часть массы М₂ надо учитывать при вычисле­нии среднего значения F_ob = Fo.

Проектирование картов - Доработка двигателя

  Диапазон доработок

  Прежде, чем приступить к работе над двигателем, надо ре­шить, какой показатель мы хотим достичь. В пяти-, шестиступен-чатых двигателях гоночной категории мы можем стремиться к увеличению ЧВ, хотя известно, что в результате этого ЧВ максимального момента приближается к ЧВ максимальной мощ­ности; мы уменьшаем диапазон рабочих оборотов, добиваясь взамен большей мощности.

  В двигателях популярной категории, а это двигатели «Дэмба» объемом 125 см³ с трехступенчатой коробкой передач, не следует стремиться к достижению слишком большой ЧВ, надо добиваться наибольшего диапазона рабочих ЧВ. В таких двигателях (ис­пользуя его собственные узлы и агрегаты) можно добиться мощности более 10 кВт при частоте вращения порядка 7000—8000 об/мин.

  Необходимо также определить диапазон доработок, которые мы собираемся выполнить. Надо заранее знать, будет это внесе­ние усовершенствований в дорабатываемый двигатель или же диапазон доработок будет столь широк, что в итоге получим практически новый двигатель с сохранением нескольких ори­гинальных (но доработанных) узлов, как того требуют пра­вила.

  Предполагая доработку двигателя, предпочтение следует от­давать тем операциям, которые значительно повысят показатели двигателя. Однако не стоит (по крайней мере на этом этапе работ) предусматривать выполнение таких операций, которые требуют значительного труда и о которых заранее известно, что они дадут незначительные результаты. К таким операциям относится полирование всех каналов цилиндра двигателя, несмотря на то, что существует всеобщее убеждение в эффек­тивности этой операции. Стендовые испытания многих двига­телей показали, что полирование каналов цилиндра повышает мощность двигателя на 0,15—0,5 кВт. Как видите, усилия, затра­ченные на выполнение этой работы, совершенно несоизмеримы с результатами.

  Вот операции, которые несомненно повлияют на увеличение показателей двигателя: увеличение степени сжатия; изменение фаз газораспределения; изменение формы и размеров каналов и окон цилиндра; правильный подбор параметров впускной и вы­пускной систем; оптимизация опережения зажигания.