Билет № 24

116. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме. Полярная и развернутая диаграммы нагрузок на шатунную шейку; диаграмма износа.

При воспламенении горючей смеси в цилиндре двигателя расширяющиеся газы равномерно воздействуют на днище поршня, поэтому их можно представить в виде общей силы Р, приложенной к центру поршневого пальца. Когда поршень находится в ВМТ и шатун с кривошипом располагаются на одной линии, то сила Р, действуя вдоль по шатуну и кривошипу, передается на коренные подшипники коленчатого вала, не вызывая его поворота (рис.5, а).

Рис.5. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме:

а – газы воздействуют на поршень, находящийся в ВМТ; б – аксиальный двигатель; в – дезаксиальный двигатель.

При повороте коленчатого вала на некоторый угол шатун отклоняется в сторону от вертикального положения и силу Р можно разложить по правилу параллелограмма на две составляющие: силу Р, направленную вдоль шатуна, и силу N, направленную перпендикулярно к стенке цилиндра (рис.5, б). Перенося силу F по линии ее действия к центру шатунной шейки, вновь раскладывают ее на две составляющие: силу К, касательную к окружности вращения центра шатунной шейки, и силу R, направленную по радиусу кривошипа к центру вала. Сила К, действуя на плечо r, равное радиусу кривошипа, вызывает вращение коленчатого вала с крутящим моментом Мкр = К · r. Этот момент передается через трансмиссию на колеса автомобиля и приводит его в движение.

Сила N (нормальная сила), направленная перпендикулярно к стенке цилиндра, прижимает поршень к стенке, увеличивая трение между ними и их износ. Кроме того, сила N, действуя на плечо l, стремится опрокинуть двигатель в сторону, противоположную вращению коленчатого вала, т. е. создает опрокидывающий момент Мопр, равный: Mопр = Nl.

Этот момент воспринимается рамой автомобиля через детали подвески. Поэтому между рамой и кронштейнами крепления двигателя устанавливают резиновые подушки, а на некоторых и пружины, смягчающие этот момент.

Каким путем уменьшают нормальную силу?

Для уменьшения силы N смещают ось коленчатого вала или ось поршня относительно оси цилиндра в сторону действия силы N на величину m (рис.5, в). Такие кривошипно-шатунные механизмы называются дезаксиальными. Величину смещения подбирают на заводе-изготовителе. Кривошипно-шатунные механизмы, у которых оси коленчатого вала и поршня совпадают с осью цилиндра, называются аксиальными.

Сила R, направленная к центру вала, создает давление на коренные подшипники, вызывая их износ. При движении поршня от ВМТ к НМТ давление газов постепенно уменьшается и соответственно изменяются величины всех сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме.

При движении поршня от НМТ к ВМТ направление действия силы N изменяется на противоположное, но величина ее незначительна, так как давление газов на поршень при вспомогательных тактах невелико.

Следовательно, в одноцилиндровом четырехтактном двигателе газы воздействуют па поршень периодически через каждые три пол-оборота коленчатого вала. Вследствие этого даже при массивном маховике коленчатый вал вращается неравномерно, вызывая вибрацию всего двигателя. Для устранения этих недостатков на современных автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели, в которых такты рабочего хода происходят чаще. Например, в четырехтактном четырехцилиндровом двигателе рабочие ходы чередуются через каждые пол-оборота коленчатого вала и следуют один за другим; в шестицилиндровом четырехтактном двигателе они уже перекрываются на 60° поворота коленчатого вала, а в восьмицилиндровом – на 90°. Следовательно, с увеличением количества цилиндров двигателя равномерность вращения коленчатого вала улучшается, крутящий момент стабилизируется, масса маховика, отнесенная к единице мощности, уменьшается.