Лекция 11 кинематика кривошипно-шатунного механизма
11.1. Типы КШМ
11.2. Кинематика центрального КШМ
11.2.1. Перемещение поршня
11.2.2. Скорость поршня
11.2.3. Ускорение поршня
11.3. Отношение хода поршня к диаметру цилиндра
Кривошипно-шатунный механизм (KШM) является основным механизмом поршневого ДВС, который воспринимает и передает значительные по величине нагрузки. Поэтому расчет прочности KШM имеет важное значение. В свою очередь расчеты многих деталей двигателя зависят от кинематики и динамики КШМ. Кинематический анализ КШМ устанавливает законы движения его звеньев, в первую очередь поршня и шатуна.
Для упрощения исследования КШМ будем считать, что кривошипы коленчатого вала вращаются равномерно, т. е. с постоянной угловой скоростью.
11.1. Типы кшм
В поршневых ДВС применяются три типа КШМ:
центральный (аксиальный);
смешанный (дезаксиальный);
с прицепным шатуном.
В центральном КШМ ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала (рис. 11.1).
Рис. 11.1. Схема центрального КШМ: φ — текущий угол поворота коленчатого вала; β — угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра (при отклонении шатуна в направлении вращения кривошипа угол β считается положительным, в противоположном направлении — отрицательным); S — ход поршня; R — радиус кривошипа; L — длина шатуна; х — перемещение поршня;
ω — угловая скорость коленчатого вала
Угловая скорость рассчитывается по формуле
Важным конструктивным параметром КШМ является отношение радиуса кривошипа к длине шатуна:
Установлено, что с уменьшением λ (за счет увеличения L) происходит снижение инерционных и нормальных сил. При этом увеличивается высота двигателя и его масса, поэтому в автомобильных двигателях принимают λ от 0,23 до 0,3.
Значения λ для некоторых автомобильных и тракторных двигателей приведены в табл. 11.1.
Таблица 11.1. Значения параметра λ для различных двигателей
Двигатель |
λ |
ВАЗ-2106 |
0,295 |
ЗИЛ-130 |
0,257 |
Д-20 |
0,280 |
СМД-14 |
0,28 |
ЯМЗ-240 |
0,264 |
КамАЗ-740 |
0,2167 |
В дезаксиальном КШМ (рис. 11.2) ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала и смещена относительно ее на расстояние а.
Рис. 11.2. Схема дезаксиального КШМ
Дезаксиальные КШМ имеют относительно центральных КШМ некоторые преимущества:
увеличенное расстояние между коленчатым и распределительным валами, в результате чего увеличивается пространство для перемещения нижней головки шатуна;
более равномерный износ цилиндров двигателя;
при одинаковых значениях R и λ больше ход поршня, что способствует снижению содержания токсичных веществ в отработавших газах двигателя;
увеличенный рабочий объем двигателя.
На рис. 11.3 показан КШМ с прицепным шатуном. Шатун, который шарнирно соединен непосредственно с шейкой коленчатого вала, называется главным, а шатун, который соединен с главным посредством пальца, расположенного на его головке, называется прицепным. Такая схема КШМ применяется на двигателях с большим числом цилиндров, когда хотят уменьшить длину двигателя. Поршни, соединенные с главным и прицепным шатуном имеют не одинаковый ход, так как ось кривошипной головки прицепного шатуна при работе описывает эллипс, большая полуось которого больше радиуса кривошипа. В V-образном двенадцатицилиндровом двигателе Д-12 разница в ходе поршней составляет 6,7 мм.
Рис. 11.3. КШМ с прицепным шатуном: 1 — поршень; 2 — компрессионное кольцо; 3 — поршневой палец; 4 — заглушка поршневого пальца; 5 — втулка верхней головки шатуна; 6 — главный шатун; 7 — прицепной шатун; 8 — втулка нижней головки прицепного шатуна; 9 — палец крепления прицепного шатуна; 10 — установочный штифт; 11 — вкладыши; 12— конический штифт