ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

УДК 621.432

АНАЛИЗ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЯ ВО ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

А.В. Шевелев1, инженер-конструктор; А.Л.Иванов2, кандидат технических наук, доцент

1ОАО ОмПО Радиозавод имени А.С. Попова (РЕЛЕРО), Омск, Россия

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)», Омск, Россия

Аннотация. Произведенанализ кривошипно-шатунного механизма и его влияния на техникоэкономические характеристики современных поршневых двигателей внутреннего сгорания, выполнен сравнительный анализ с аналогичными по назначению механизмами других конструкций с целью улучшения технико-экономических показателей транспортных двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: двигатели внутреннего сгорания, кривошипно-шатунный механизм, эффективные показатели, механические потери, коэффициент полезного действия.

ANALYSIS OF WAYS TO IMPROVE THE MECHANISM CONVERTING THE MOVEMENT OF THE PISTON INTO THE ROTATIONAL MOVEMENT OF THE CRANKSHAFT

A.V. Shevelev1, Design engineer; A.L. Ivanov2, Ph.D., Associate Professor

1Open Society Omsk Production Association radiozavod named by A.S. Popov

(RELERO),Omsk, Russia

2 Federal State Budget Educational Institution of Higher Education

«The Siberian State Automobile and Highway University», Omsk, Russia

Annotation.Generated the analysis of the crank mechanism and his influence on the technical and economical specifications of modern piston internal combustion engines, completed the comparative analysis with similar as intended of another designed mechanisms for the purpose of emprovementthe technical and economical specifications of the transport internal combustion engines.

Keywords: internal combustion engines, crank mechanism, effective indicators, mechanical losses, efficiency coefficient.

Введение

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) на сегодняшний день являются основным источником энергии для транспортных средств, активно используются в малой энергетике и для автономной системы энергоснабжения удаленных населенных пунктов и производственных мощностей. Требования современных экологических стандартов все более ужесточаются, и соответственно все больше нареканий вызывает несовершенство ДВС. К основным и наиболее существенным возможно отнести следующие недостатки:

-коэффициент полезного действия, как правило, не превышает 30-40%, и это на режиме номинальной мощности, на режиме частичных нагрузок еще меньше;

-потребление кислорода из воздуха, и выбросы огромного количество вредных веществ с

отработавшими газами; - рабочий цикл состоит в основном из вспомогательных процессов;

175

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

-сложная конструкция и низкая надежность механизмов ДВС, наличие кривошипно-шатунного механизма и цилиндро-поршневой группы, в которых теряется существенное количество энергии вследствие наличия значительныхинерционных масси соответственно знакопеременных нагрузок;

-высокие требования к работе системы смазки и качеству горюче-смазочных материалов;

-в случае использования для транспортных средств необходимо дополнительно применять сложную трансмиссию для адаптации к внешним нагрузкам [3].

Общеизвестно, что эффективные показатели ДВС возрастают при уменьшении тепловых и механических потерь. Механические потери напрямую связаны с нагрузками в сопряжениях трущихся деталей. При меньших внутренних потерях, в том числе на трение, снижаются потери энергии на привод масляного насоса и вентилятора системы охлаждения. При этом следует учесть, уменьшаются габаритные размеры и масса вентилятора и радиатора. А при снижении нагрузок и потерь на трение, значительно снижается износ деталей, возрастает ресурс и надежность ДВС в эксплуатации.

Несмотря на значительный прогресс двигателестроения, величина механического КПД на номинальном режиме составляет 75-80 %.

На рисунке 1 приведена внешняя скоростная характеристика бензинового автомобильного двигателя УЗАМ, содержащая кривую зависимости изменения мощности механических потерь Nм от

частоты вращения коленчатого вала.

Рисунок 1 – Внешняя скоростная характеристика бензинового двигателя УЗАМ.

Величина потерь на трение зависит от суммы факторов, связанных с перемещением поршней и поршневых колец в цилиндрах двигателя, поршневых пальцев во втулках шатунов, толкателей и клапанов газораспределительного механизма в направляющих, распределительных и коленчатых валов в подшипниках скольжения, вентиляционными потерями от вращения коленчатого вала и маховика.Потери на трение, возникающие в сопряжениях с жидкостным трением, незначительно зависят от нагрузок. Средняя величина мощности механических потерь практически линейно зависит от скоростного режима двигателя, характеризуемого средней скоростью поршня.В свою очередь составляющие, обусловленные граничным трением, существенно зависят от действия газов и в меньшей мере от инерционных. Эти составляющие также линейно зависят от скорости поршня. Распределение механических потерь приведены в Таблице 1.

176

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

Таблица 1 – Механические потери в поршневых двигателях(в %)

Актуальность

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ), вносящий весомый вклад в общую картину недостаточного совершенства современных ДВС является основным механизмом поршневых двигателей. КШМ предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В процессе работы его детали подвергаются воздействию различных нагрузок:

-от сил давления газов на поршень, головку блока и цилиндр;

-от сил инерции возвратно-поступательно-движущихся масс поршневой группы;

-от сил инерции вращающихся масс кривошипной группы;

-от сил трения;

Конструктивно кривошипно-шатунный механизм может выполняться неодинаково. Наиболее распространенными типами механизма, массово применяемыми в современных ДВС, являются:

-центральный или аксиальный КШМ, в котором траектория движения оси поршневого пальца пересекается с осью коленчатого вала;

-кривошипно-шатунный механизм с прицепным шатуном, где один шатун шарнирно соединяется непосредственно с шейкой коленчатого вала, а второй соединен с главным шатуном посредством пальца, расположенного на головке главного шатуна, и носит название прицепного. КШМ с прицепным шатуном позволяет значительно уменьшить длину и вес двигателя и применяется на двигателях с V – образным расположением цилиндров;

-дезаксиальный или смещенный КШМ, в котором траектория движения оси поршневого пальца не пересекается с осью коленчатого вала и смещена относительно последней на некоторую величину, носящей название дезаксажа [1].

Подавляющее большинство современных массовых ДВС имеют КШМ центрального (рисунок 2) или дезаксиального типов[2].Дезаксиальный КШМ имеют, в основном, бензиновые двигатели. В современных автотракторных ДВС для изменения распределения нагрузки на стенки цилиндра и уменьшения стуков при «перекладке» поршня в в.м.т смещают ось поршневого пальца относительно оси цилиндра в сторону максимального значения боковой силы примерно на 0,03…0,05 от диаметра цилиндра. Применение дезаксиального КШМ в ДВС связано, в основном, с соображениями компоновки, так как в этом случае уменьшается высота двигателя и его масса. Кроме того, в этом случае, несколько снижается боковая сила, что в определенной степени способствует уменьшению износа двигателя.

177

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

Рисунок 2 – Основные геометрические параметры центрального КШМ

Кривошипно-шатунный механизм вносит немалый вклад в то, что величина мощности механических потерь в ДВС достаточно высока. Основными причинами являются: колебательное движение шатуна в плоскости, перпендикулярной продольной оси коленчатого вала, относительно оси коленчатого вала, вызывающее большой угол отклонения шатуна от вертикальной оси цилиндра, вследствие чего боковая сила, действующая через поршень, прижимает его к стенкам цилиндра. Данное обстоятельство усугубляется тем, что при положении поршня в верхней мертвой точке (в.м.т) происходит так называемая «перекладка» поршня – высокочастотное перемещение поршня в цилиндре в условиях граничного (полусухого либо сухого) трения компрессионных колец, поршня и цилиндра при его нахождении вблизи верхней мертвой точки. В ДВС со вставными мокрыми гильзами это вызывает высокочастотную вибрацию гильз цилиндров и кавитационное разрушение поверхностей, омываемых охлаждающей жидкостью.

Вследствие того, что поршень перекашивается в цилиндре, значительно ускоряется износ канавок в поршне и самих поршневых колец, возрастает утечки газов из камеры сгорания в картер, возрастает вероятность перегрева и заклинивания поршня, происходит потеря упругости и нарушается подвижность (происходит залегание) поршневых колец. В ДВС, испытывающих при работе повышенные нагрузки, приходится удлинять юбку поршня, что при росте инерционных сил также вызывает рост потерь на трение. Сила трения в цилиндре значительно зависит от средней скорости поршня (рисунок 3) [4]. Поэтому уменьшение этой скорости существенно снижает потери на трение, что является весьма актуальной конструкторской задачей при создании ДВС. Средняя скорость поршня в ДВС с КШМ определяется длиной его хода и частотой вращения коленчатого вала. 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 размеров головки цилиндра, и, соответственно, поверхностей их теплообмена.

Рисунок 3 – Зависимость давления механических потерь от средней скорости поршня

178

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

В кривошипно-шатунных механизмах, применяемых в современных ДВС, направляющей для движения поршня служит гильза или блок цилиндров, не разгруженные от действия нагрузок от возвратно-поступательно движущихся и вращающихся деталей, что ограничивает ресурс двигателей, который зависит от состояния и износа деталей цилиндро-поршневой группы. Вследствие особенностей кинематики КШМ не представляется возможным организовать прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня независимо от наличия направляющей.

Известны конструкции экспериментальных ДВС с традиционным КШМ в которых реализована переменная степень сжатия и рабочий объем. Тем не менее, на практике эти двигатели не применяются, т.к. невозможно при наличии дополнительных вращающихся и качающихся масс, имеющих значительную массу и моменты инерции, создать эффективный высокооборотный ДВС автотракторного типа [8].

Кроме того, вчетырехтактных ДВС рабочий цикл состоит из четырех тактов, теоретически разделенных в равной мере по продолжительности и углу поворота коленчатого вала, соответствующих 180 градусам поворота последнего на каждый такт. Данное обстоятельство не позволяет организовать полноценные такты сгорания и расширения рабочего тела только в поршневой части. Горючей смеси не хватает времени для полного сгорания, а рабочему телу - для полноценного расширения.

Таким образом, применяемый в современных автотракторных ДВС кривошипно-шатунный механизм (КШМ) обладает рядом органических недостатков, что значительно ухудшает техникоэкономические и эксплуатационные характеристики ДВС, что неприемлемо в современных условиях дефицита и значительного удорожания конструкционных материалов, технологии проектирования и изготовления ДВС, а также эксплуатационных затрат, которые тяжким бременем ложатся на потребителей и окружающую среду. Классический кривошипно – шатунный механизм практически исчерпал возможности для его конструктивного совершенствования и является серьезным сдерживающим фактором на пути совершенствования современных ДВС автотракторного типа.

Для снижения механических потерь применяют крейцкопфные кривошипно-шатунные механизмы, в которых функцию восприятия боковой силы и направление перемещения поршня берет на себя крейцкопф (рисунок 4). Однако при этом значительно увеличиваются вес механизма, сложность конструкции, габаритные размеры всего двигателя, возрастают инерционные силы и моменты от них, что неприемлемо для легких, быстроходных ДВС автотракторного типа. Данные механизмы применяют в тихоходных судовых ДВС большой мощности.

Рисунок 4 – Схема тронкового и крейцкопфного КШМ

Известны конструкции механизмов для преобразования возратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, которые разработаны для устранения недостатков традиционного КШМ и применены при разработке экспериментальных и опытных конструкций ДВС различного назначения. Один из них был разработан С. С. Баландиным и применен при проектировании мощных ДВС авиационного назначения [7].

179

Направление 2. Проблемы и перспективы развития транспортного комплекса

_______________________________________________________________________________________

Рисунок 5 – Схема компоновки двигателей с механизмом Баландина

Однако попытки создания ДВС автотракторного типа с механизмом Баландина конструкторскими подразделениями некоторых двигателестроительных заводов не увенчались успехом. Анализ конструкции механизма показал, что возможно причиной заклинивания явилось то, что поршневой шток крепится к поршню жестко, без шарнирного соединения, что в сочетании с отсутствием требуемой точности изготовления и наличии избыточных кинематических связей в виде составного коленчатого вала, крейцкопфных направляющих, в реально изготовленных образцах двигателей приводило к искажению кинематики механизма и его заклиниванию. Кроме того, в бесшатунных двигателях Баландина трение тронков поршней о цилиндры не устраняется, а всего лишь переносится на крейцкопфные направляющие с лучшими условиями жидкой смазки. К тому же, трение поршневых колец о цилиндры бесшатунный механизм не устраняет вовсе. На этом работы по созданию ДВС автотракторного типа с механизмом Баландина были прекращены.

С целью устранения недостатков кривошипно-шатунного механизма был разработан механизм, относящийся к группе шарнирно-рычажных четырехзвенных прямолинейно-направляющих механизмов – механизм для преобразования возвратно – поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала с возможностью изменения хода поршня и степени сжатия. Схема механизма представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Схема механизма преобразования возвратно – поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала с возможностью изменения хода поршня и степени сжатия.

Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала с возможностью изменения хода поршня (рис. 6), состоящий из неподвижной направляющей 7 (цилиндра), перемещающегося в нем поршня 5 и коленчатого вала 1, С целью уменьшения действия боковых сил на поршень при сохранении приближенно –

180

ОБРАЗОВАНИЕ. ТРАНСПОРТ. ИННОВАЦИИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

Сборник материалов III Национальной научно-практической конференции

_______________________________________________________________________________________

прямолинейного движения шарнира шатуна 2, соединенного с поршневым штоком 4, последний присоединен к механизму, образованному коленом вала, качающимся коромыслом 3 и шатуном 2, на котором имеется три шарнирных соединения, оси которых расположены в вершинах равнобедренного треугольника, причем один шарнир соединен со штоком 4, другой – с коромыслом 3, а третий – с шатунной шейкой коленчатого вала 1. Поршень 5 соединен со штоком 4 также с помощью шарнирного соединения.

При движении поршня, шарнирно сочлененного со штоком, в цилиндре кинематика механизма изменяется таким образом, что коромысло обеспечивает удержание шарнирного сочленения шатуна со штоком на приближенно-прямолинейной траектории в течении всего хода поршня, концентричной оси направляющей (цилиндра), а также минимальное угловое отклонение оси штока от оси цилиндра. При этом полный ход поршня (от крайнего верхнего до крайнего нижнего положения) обеспечивается за угол поворота коленчатого вала равный 240 градусов.

Изменение хода поршня и степени сжатия происходит следующим образом. При повороте эксцентрикового вала 6 (см. рисунок 6) с эксцентриситетом «е» на определенный угол изменяется положение оси качания коромысла 3, что, в свою очередь, приводит к изменению кинематики шатуна 2, штока 4 и поршня 5. При этом изменяется ход ∆S поршня 5 (в сравнении с начальным положением).

Заключение

Таким образом предлагаемый четырехзвенный прямолинейно-направляющих механизм по сравнению с традиционным кривошипно – шатунным механизмом обладает следующими преимуществами:

-приближенно – прямолинейное возвратно-поступательное движение штокового шарнира шатуна, соединенного с поршнем с помощью штока, обеспечивается конструкцией механизма и не лимитируется наличием направляющей для поршня в виде цилиндра;

-радиус кривошипа коленчатого вала меньше хода поршня в 3,5 раза, что делает конструкцию механизма значительно более компактной в сравнении с кривошипно – шатунным механизмом;

-угол отклонения оси штока от оси цилиндра многократно меньше угла отклонения шатуна от оси цилиндра в двигателе с кривошипно – шатунным механизмом что позволит практически исключить или многократно уменьшить трение поршня о цилиндр, а также применять цилиндрические в поперечном сечении поршни в отличие от эллиптичных поршней в двигателях с КШМ;

-ход поршня, на которой приходятся такты сгорания и расширения, теоретически реализуется за угол поворота коленчатого вала равный 240 градусам, а не 180 градусам как в ДВС с классическим КШМ, что позволит повысить индикаторный и эффективный к.п.д рабочего цикла;

-применение управляемой (поворотной) эксцентриковой оси качания коромысла позволит изменять кинематику механизма, что дает возможность изменять ход поршня и степень сжатия.

Выводы

Классический кривошипно – шатунный механизм практически исчерпал возможности для его конструктивного совершенствования и является серьезным сдерживающим фактором на пути совершенствования современных ДВС автотракторного типа.

Одним из способов улучшения технико – экономических характеристик современных ДВС автотракторного типа является применение четырехзвенных прямолинейно-направляющих механизмов для преобразования возвратно – поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Целесообразна разработка бензиновых и дизельных ДВС автотракторного типа с механизмом данного типа, и их всесторонние испытания в составе изделий в реальных условиях эксплуатации.

Библиографический список

1.Энергетические установки транспортных средств специального назначения. – В 2 ч. Ч. 2. Теория и анализ конструкций двигателей: учебник/ Д.В. Нефедов [и др.].– Омск: ОАБИИ, 2014. – 473 с.

2.Автомобильные двигатели / М. Г. Шатров [и др.]; ред. М. Г. Шатров. –2е- изд., испр. –М.: Академия, 2011. – 464 с.

3.Белов, П.М. Двигатели армейских машин / П.М. Белов, В. Р. Бурячко, Е. И. Акатов; под ред. канд. техн. наук доц. П.М. Белова. Москва : Воениздат, 1971.

4.Мацкерле, Ю. Современный экономичный автомобиль/ Ю. Мацкерле; пер. с чешск. В.Б. Иванова;под ред. А.Р. Бенедиктова. – М.: Машиностроение, 1987. – 320 с.

5.Чириков, К.Ю. Необычные двигатели / К. Ю. Чириков. – М., «Знание», 1976. – 64 с.

6. Авторское свидетельство 323562 СССР, М. Кл. F 02b 75/26. Объемная поршневая машина:

№1207314/24-6: заявл. 02.I.1968: опубл. 10.XII.1971./ Г.Г. Гуськов, Н.Н. Улыбин.

7.Баландин,С.С. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания / С.С. Баландин. – М., «Машиностроение», 1968. – 151 с.

8.Тер-Мкртичьян, Г.Г. Двигатели внутреннего сгорания с нетрадиционными рабочими циклами: учеб. пособие / Г.Г. Тер-Мкртичьян. – М.: МАДИ, 2015. – 80 с.

181

Секция 2.2. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ПЕРЕВОЗОК

ПАССАЖИРОВ И ГРУЗОВ. ТРАНСПОРТНАЯ ЛОГИСТИКА