7. Расчет кинематики и динамики кшм

7.1. Кинематика кшм

В автотракторных ДВС в основном используются следующие три типа кривошипно-шатунного механизма (КШМ): центральный (аксиальный), смещенный (дезаксиальный) и механизм с прицепным шатуном (рис. 10). Комбинируя данные схемы, можно сформировать КШМ как линейного, так и многорядного многоцилиндрового ДВС.

Рис.10. Кинематические схемы:

а — центрального КШМ; б — смещенного КШМ; в — механизма с прицепным шатуном

Кинематика КШМ полностью описывается, если известны законы изменения по времени перемещения, скорости и ускорения его звеньев: кривошипа, поршня и шатуна.

При работе ДВС основные элементы КШМ совершают различные виды перемещений. Поршень движется возвратно-поступательно. Шатун совершает сложное плоскопараллельное движение в плоскости его качания. Кривошип коленчатого вала совершает вращательное движение относительно его оси.

В курсовом проекте расчет кинематических параметров осуществляется для центрального КШМ, расчетная схема которого приведена на рис.11.

Рис. 11. Расчетная схема центрального КШМ:

На схеме приняты обозначения:

φ - угол поворота кривошипа, отсчитываемый от направления оси цилиндра в сторону вращения коленчатого вала по часовой стрелке, при φ = 0 поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ - точка А);

β- угол отклонения оси шатуна в плоскости его качения в сторону от направления оси цилиндра;

ω - угловая скорость вращения коленчатого вала;

S=2r - ход поршня; r - радиус кривошипа;

l_ш - длина шатуна; - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна;

х_φ – перемещение поршня при повороте кривошипа на угол φ

Основными геометрическими параметрами, определяющими законы движения элементов центрального КШМ, являются радиус кривошипа коленчатого вала r и длина шатуна l_ш.

Параметр λ = r/l_ш является критерием кинематического подобия центрального механизма. При этом для КШМ различных размеров, но с одинаковыми λ законы движения аналогичных элементов подобны. В автотракторных ДВС используются механизмы с λ = 0,24...0,31.

Кинематические параметры КШМ в курсовом проекте рассчитываются только для режима номинальной мощности ДВС при дискретном задании угла поворота кривошипа от 0 до 360º с шагом равным 30º.

Кинематика кривошипа. Вращательное движение кривошипа коленчатого вала определено, если известны зависимости угла поворота φ, угловой скорости ω и ускорения ε от времени t.

При кинематическом анализе КШМ принято делать допущение о постоянстве угловой скорости (частоты вращения) коленчатого вала ω, рад/с. Тогда φ = ωt, ω=const и ε = 0. Угловая скорость и частота вращения кривошипа коленчатого вала n (об/мин) связаны соотношением ω=πn/30. Данное допущение позволяет изучать законы движения элементов КШМ в более удобной параметрической форме — в виде функции от угла поворота кривошипа и переходить при необходимости к временной форме, используя линейную связь φ и t.

Кинематика поршня. Кинематика возвратно-поступательно движущегося поршня описывается зависимостями его перемещения х, скорости V и ускорения j от угла поворота кривошипа φ.

• Перемещение поршня x_φ (м) при повороте кривошипа на угол φ определяется как сумма его смещений от поворота кривошипа на угол φ(x_I) и от отклонения шатуна на угол β(х_II):

(7.1)

Значения x_φ определяются с точностью до малых второго порядка включительно.

• Скорость поршня V_φ (м/c) определяется как первая производная от перемещения поршня по времени

, (7.2)

и равна

(7.3)

Максимального значения скорость достигает при φ + β = 90°, при этом ось шатуна перпендикулярна радиусу кривошипа и

(7.4)

Широко применяемая для оценки конструкции ДВС средняя скорость поршня, которая определяется как V_п.ср = Sn/30, связана с максимальной скоростью поршня соотношением которое для используемых λ равно 1,62…1,64.

• Ускорение поршня j (м/с²)определяется производной от скорости поршня по времени, что соответствует точно

(7.5)

и приближенно

(7.6)

В современных ДВС j = 5000...20000 м/с².

Максимальное значение имеет место при φ = 0 и 360°. Угол φ = 180° для механизмов с λ<0,25 соответствует минимальному значению ускорения . Если λ>0,25, то имеется еще два экстремума при . Графическая интерпретация уравнений перемещения, скорости и ускорения поршня приведена на рис. 12.

Рис. 12. Кинематические параметры поршня:

а — перемещение; б — скорость, в — ускорение

Кинематика шатуна. Сложное плоскопараллельное движение шатуна складывается из перемещения его верхней головки с кинематическими параметрами поршня и его нижней кривошипной головки с параметрами конца кривошипа. Кроме того, шатун совершает вращательное (качательное) движение относительно точки сочленения шатуна с поршнем.

• Угловое перемещение шатуна . Экстремальные значения имеют место при φ = 90° и 270°. В автотракторных двигателях

• Угловая скорость качания шатуна (рад/с)

или . (7.7)

Экстремальное значение наблюдается при φ = 0 и 180°.

• Угловое ускорение шатуна (рад/с²)

(7.8)

Экстремальные значения достигаются при φ = 90° и 270°.

Изменение кинематических параметров шатуна по углу поворота коленчатого вала представлено на рис. 13.

Рис. 13. Кинематические параметры шатуна:

а — угловое перемещение; б — угловая скорость, в — угловое ускорение