Колянов механизъм. Изчисляване на коляновия механизъм. Кинематично изчисляване на коляновия вал. Оптимални методи за изчисляване на динамиката на cshm

Кинематика на коляновия механизъм

В автотракторните двигатели с вътрешно горене се използват главно два вида коляно-мотовилкови механизми (KShM): централен(аксиален) и разместен(деаксиален) (фиг. 5.1). Механизъм за изместване може да се създаде, ако оста на цилиндъра не пресича оста на коляновия вал на двигателя с вътрешно горене или е изместена спрямо оста на буталния щифт. Въз основа на посочените схеми на коляновия вал се формира многоцилиндров двигател с вътрешно горене под формата на линеен (в ред) или многоредов дизайн.

Ориз. 5.1. Кинематични диаграми на KShM на автотракторен двигател: А- централен линеен; b- офсет линеен

Законите за движение на частите на коляновия вал се изучават с помощта на неговата структура, основните геометрични параметри на връзките му, без да се вземат предвид силите, които причиняват неговото движение, и силите на триене, както и при липса на празнини между чифтосващи се движещи се елементи и постоянна ъглова скорост на манивелата.

Основните геометрични параметри, които определят законите на движение на елементите на централната KShM, са (фиг. 5.2, а): г-н.радиус на коляновия вал; / w - дължина на свързващия прът. Параметър A = g/1 wе критерий за кинематичното сходство на централния механизъм. В автотракторните двигатели с вътрешно горене се използват механизми с A = 0,24 ... 0,31. В деаксиални колянови валове (фиг. 5.2, б)количеството на смесване на оста на цилиндъра (пръста) спрямо оста на коляновия вал (А)се отразява на кинематиката му. За двигатели с вътрешно горене на автотрактори относителният работен обем Да се = a/g= 0,02...0,1 - допълнителен критерий за кинематично сходство.

Ориз. 5.2. Схема за изчисление на KShM: А- централен; b- изместен

Кинематиката на елементите на коляновия вал е описана, когато буталото се движи, започвайки от TDC до BDC, а манивелата се върти по посока на часовниковата стрелка по законите за промяна на времето (/) следните опции:

• ? работен обем на буталото - x;
• ? ъгъл на коляно - (p;
• ? ъгъл на отклонение на свързващия прът от оста на цилиндъра - (3.

Анализът на кинематиката на коляновия вал се извършва при постоянствоъглова скорост на коляновия вал co или скорост на въртене на коляновия вал ("), свързани помежду си с връзката co \u003d kp/ 30.

При работа на двигателя с вътрешно горенедвижещите се елементи на KShM извършват следните движения:

• ? въртеливото движение на коляновия вал спрямо неговата ос се определя от зависимостите на ъгъла на въртене cp, ъгловата скорост co и ускорението e от времето T.В този случай cp \u003d w/ и с постоянството на w - e \u003d 0;
• ? възвратно-постъпателното движение на буталото се описва от зависимостите на неговото преместване x, скорост v и ускорение йот ъгъла на въртене на манивелата вж.

Преместване на буталото на центр KShM при завъртане на манивелата под ъгъл cp се определя като сумата от неговите премествания от въртенето на манивелата под ъгъл cp (Xj) и от отклонението на свързващия прът под ъгъл p (x p) (виж фиг. 5.2):

Тази зависимост, използвайки отношението х = g/1 w,връзката между ъглите cp и p (Asincp = sinp), може да бъде представена приблизително като сума от хармоници, които са кратни на скоростта на коляновия вал. Например за х= 0,3 амплитудите на първата хармоника се отнасят като 100:4,5:0,1:0,005. Тогава с достатъчна за практиката точност описанието на преместването на буталото може да се ограничи до първите два хармоника. Тогава за cp = co/

скорост на буталотоопределен като и приблизително

ускорение на буталотоизчислено по формулата и приблизително

IN модерни двигатели с вътрешно горене v max = 10...28 m/s, y max = 5000...20 000 m/s 2 . С увеличаване на скоростта на буталото се увеличават загубите от триене и износването на двигателя.

За изместен KShM приблизителните зависимости имат формата

Тези зависимости, в сравнение с техните колеги за централния колянов вал, се различават в допълнителен член, пропорционален на kk.Тъй като за модерни двигателинеговата стойност е kk= 0,01...0,05, то влиянието му върху кинематиката на механизма е малко и на практика обикновено се пренебрегва.

Кинематиката на сложното равнинно-паралелно движение на свързващия прът в равнината на неговото люлеене се състои от движение на горната му глава с кинематичните параметри на буталото и въртеливо движение спрямо точката на шарнирно свързване на свързващия прът с буталото. .

Основната връзка на електроцентралата, предназначена за транспортна техникае колянов механизъм. Основната му задача е да преобразува праволинейното движение на буталото във въртеливо движение на коляновия вал. Условията на работа на елементите на коляновия механизъм се характеризират с широк диапазон и висока честота на повторение на редуващи се натоварвания в зависимост от положението на буталото, естеството на процесите, протичащи вътре в цилиндъра, и скоростта на коляновия вал на двигателя.

Изчисляването на кинематиката и определянето на динамичните сили, възникващи в коляновия механизъм, се извършва за даден номинален режим, като се вземат предвид резултатите от топлинното изчисление и предварително приетите конструктивни параметри на прототипа. Резултатите от кинематичния и динамичен анализ ще бъдат използвани за изчисляване на якостта и определяне на специфичните конструктивни параметри или размери на основните компоненти и части на двигателя.

Основната задача на кинематичното изчисление е да се определи преместването, скоростта и ускорението на елементите на коляновия механизъм.

Задачата на динамичното изчисление е да се определят и анализират силите, действащи в коляновия механизъм.

Ъгловата скорост на въртене на коляновия вал се приема за постоянна, в съответствие с дадената скорост на въртене.

Изчислението отчита натоварванията от силите на налягане на газовете и от силите на инерцията на движещите се маси.

Текущите стойности на силата на налягането на газа се определят въз основа на резултатите от изчисляването на наляганията в характерните точки на работния цикъл след изграждането и развитието на индикаторната диаграма в координати от ъгъла на въртене на коляновия вал.

Силите на инерцията на движещите се маси на коляновия механизъм се разделят на силите на инерцията на възвратно-постъпателните маси Pj и силите на инерцията на въртящите се маси KR.

Силите на инерцията на движещите се маси на коляновия механизъм се определят, като се вземат предвид размерите на цилиндъра, характеристики на дизайна KShM и масите на неговите части.

За да опростим динамичното изчисление, заменяме действителния колянов механизъм с еквивалентна система от концентрирани маси.

Всички части на KShM са разделени на три групи според естеството на тяхното движение:

• 1) Части, които извършват възвратно-постъпателно движение. Те включват масата на буталото, масата на буталните пръстени, масата на буталния щифт и се считат за концентрирани върху оста на буталния щифт - mn .;
• 2) Части, които извършват въртеливо движение. Масата на такива части се заменя с общата маса, намалена до радиуса на манивелата Rkp и означена с mk. Тя включва масата на шийката на мотовилката mshsh и намалената маса на бузите на манивела msh, концентрирани върху оста на шийката на мотовилката;
• 3) Детайли, които извършват сложно равнинно-паралелно движение (прътова група). За да опростим изчисленията, ние го заменяме със система от 2 статично заменящи се раздалечени маси: масата на биелната група, концентрирана върху оста на буталния щифт - mshp и масата на биелата, отнесена и концентрирана върху ос на шийката на коляновия вал - mshk.

при което:

mshn+ mshk= msh,

За повечето съществуващи структури автомобилни двигателиприемам:

mshn = (0,2…0,3) msh;

mshk = (0,8…0,7) msh.

По този начин заместваме масовата система KShM със система от 2 концентрирани маси:

Маса в точка А - възвратно-постъпателна

и масата в точка B, извършваща въртеливо движение

Стойностите на mn, msh и mk се определят въз основа на съществуващите конструкции и структурни специфични маси на буталото, свързващия прът и коляното на коляното, отнесени към единицата площ на диаметъра на цилиндъра.

Таблица 4 Специфични структурни тегла на KShM елементи

Площта на буталото е

За да започнете да извършвате кинематично и динамично изчисление, е необходимо да вземете стойностите на структурните специфични маси на елементите на коляновия механизъм от таблицата

Приеми:

Като се вземат предвид приетите стойности, ние определяме реалните стойности на масата отделни елементиколянов механизъм

Маса на буталото kg,

Маса на свързващия прът kg,

Маса на манивела кг

общо тегло KShM елементите, извършващи възвратно-постъпателно движение, ще бъдат равни на

Общата маса на елементите, извършващи въртеливо движение, като се вземе предвид намаляването и разпределението на масата на свързващия прът, е

Таблица 5 Първоначални данни за изчисляване на KShM

Когато двигателят работи в коляновия вал, действат следните основни силови фактори: сили на налягане на газа, инерционни сили на движещите се маси на механизма, сили на триене и момент на полезно съпротивление. При динамичния анализ на силите на триене на коляновия вал обикновено се пренебрегват.

8.2.1. Сили на налягането на газа

Силата на налягането на газа възниква в резултат на изпълнението на работния цикъл в цилиндъра на двигателя. Тази сила действа върху буталото и нейната стойност се определя като произведението на спада на налягането върху буталото и неговата площ: ПЖ = (стрЖ -стрО )ФП . Тук Р d - налягане в цилиндъра на двигателя над буталото; Р o - налягане в картера; Е n е площта на дъното на буталото.

За оценка на динамичното натоварване на елементите на коляновия вал, зависимостта на силата Р g от времето. Обикновено се получава чрез възстановяване на индикаторната диаграма от координатите Р–Vв координатите Р-φ чрез определяне V φ =x φ FП сизползвайки зависимост (84) или графични методи.

Силата на налягането на газа, действаща върху буталото, натоварва движещите се елементи на коляновия вал, прехвърля се към основните лагери на картера и се балансира вътре в двигателя поради еластичната деформация на елементите, които образуват вътрецилиндровото пространство, сили Р d и Р/ g, действащ върху главата на цилиндъра и върху буталото. Тези сили не се предават към опорите на двигателя и не причиняват дисбаланс.

8.2.2. Инерционни сили на движещи се маси на KShM

Истинският KShM е система с разпределени параметри, чиито елементи се движат неравномерно, което причинява появата на инерционни сили.

В инженерната практика за анализ на динамиката на CSM широко се използват динамично еквивалентни системи с групирани параметри, синтезирани въз основа на метода на заместване на маси. Критерият за еквивалентност е равенството във всяка фаза на работния цикъл на общите кинетични енергии на еквивалентния модел и механизма, който замества. Техниката за синтезиране на модел, еквивалентен на CVSM, се основава на замяната на неговите елементи със система от маси, свързани помежду си с безтегловни абсолютно твърди връзки.

Детайлите на буталната група извършват праволинейно възвратно-постъпателно движениепо оста на цилиндъра и при анализа на неговите инерционни свойства може да се замени с равна маса м n, концентриран в центъра на масата, чиято позиция практически съвпада с оста на буталния щифт. Кинематиката на тази точка се описва от законите на движението на буталото, в резултат на което инерционната сила на буталото PjП = -mП j,Където j-ускорение на центъра на масата, равно на ускорението на буталото.

Фигура 14 - Схема колянов механизъм V-образен двигател с биела на ремарке

Фигура 15 - Траекториите на точките на окачване на свързващите пръти на главния и ремаркето

Коляновият вал на коляновия вал извършва равномерно въртеливо движение.Конструктивно се състои от комбинация от две половини на основните списания, две бузи и съединителна греда. Инерционните свойства на манивелата се описват от сумата от центробежните сили на елементите, чиито центрове на масата не лежат на оста на нейното въртене (бузи и шийка на съединителния прът): K k \u003d K r w.w +2K r w =tш . ш rω 2 +2t sch ρ sch ω 2,Където K rш . ш K r u и r, p u - центробежни сили и разстояния от оста на въртене до центровете на масата, съответно на шийката и бузата на свързващия прът, м w.w и м u - масите, съответно, на шийката и бузите на свързващия прът.

Елементите на групата на свързващите пръти извършват сложно равнинно-паралелно движение,което може да бъде представено като набор от постъпателно движение с кинематичните параметри на центъра на масата и въртеливо движение около ос, минаваща през центъра на масата, перпендикулярна на равнината на люлеене на свързващия прът. В тази връзка неговите инерционни свойства се описват с два параметъра - инерционна сила и момент.

Еквивалентната система, която замества KShM, е система от две твърдо свързани помежду си маси:

Маса, концентрирана върху оста на щифта и движеща се възвратно-постъпателно по оста на цилиндъра с кинематичните параметри на буталото, mj =mП +мш . П ;

Маса, разположена по оста на шийката на мотовилката и извършваща въртеливо движение около оста на коляновия вал, t r =tДа се +тш . до (за V-образни двигатели с вътрешно горене с две биели, разположени на една шийка на коляновия вал, t r = mдо + мтоалетна.

В съответствие с възприетия модел KShM, масата mjпредизвиква сила на инерция P j \u003d -m j j,и маса rсъздава центробежна сила на инерция K r \u003d - a w.w t r =t r rω 2 .

Инерционна сила P jсе балансира от реакциите на опорите, на които е монтиран двигателят.Тъй като е променлив по величина и посока, той, ако не се вземат специални мерки за балансирането му, може да бъде причина за външния дисбаланс на двигателя, както е показано на фигура 16, А.

При анализиране на динамиката на двигателя с вътрешно горене и особено на неговия баланс, като се вземе предвид предварително получената зависимост на ускорението йот ъгъл на манивелата φ инерционна сила R jудобно е да го представим като сума от две хармонични функции, които се различават по амплитуда и скорост на промяна на аргумента и се наричат ​​инерционни сили на първия ( Pj I) и второ ( Pj ii) поръчка:

Pj= – m j rω 2(тъй като φ+λ cos2 φ ) = В cos φ + λC cos 2φ=Pfаз +Pj II ,

Където СЪС = –m j rω 2 .

Центробежна инерционна сила K r =m r rω 2въртящи се маси KShM е вектор с постоянна величина, насочен от центъра на въртене по радиуса на коляното. Сила K rсе предава към опорите на двигателя, причинявайки променливи по отношение на големината на реакцията (Фигура 16, b). Така силата K rкато силата на R й, може да е причината за дисбаланса на двигателя с вътрешно горене.

А -сила Pj; сила K r; K x \u003d K r cos φ = K rзащото ( ωt); K y \u003d K rгрях φ = K rгрях( ωt)

Ориз. 16 - Ефект на инерционните сили върху опорите на двигателя.

Когато двигателят работи в коляновия вал, действат следните основни силови фактори: сили на налягане на газа, инерционни сили на движещите се маси на механизма, сили на триене и момент на полезно съпротивление. При динамичния анализ на силите на триене на коляновия вал обикновено се пренебрегват.

Ориз. 8.3. Въздействие върху елементите на KShM:

а - газови сили; b - инерционни сили P j ; c - центробежна инерционна сила K r

Сили на налягането на газа.Силата на налягането на газа възниква в резултат на изпълнението на работния цикъл в цилиндрите. Тази сила действа върху буталото и нейната стойност се определя като произведението на спада на налягането и неговата площ: P g = (r g - p 0) F p (тук p g е налягането в цилиндъра на двигателя над буталото; p 0 е налягането в картера; F n е площта на буталото). За оценка на динамичното натоварване на елементите KShM е важна зависимостта на силата P g от времето

Силата на налягането на газа, действаща върху буталото, натоварва движещите се елементи на коляновия вал, прехвърля се към основните лагери на картера и се балансира вътре в двигателя поради еластичната деформация на лагеруващите елементи на картера от силата, действаща върху цилиндрова глава (фиг. 8.3, а). Тези сили не се предават към опорите на двигателя и не причиняват дисбаланс.

Инерционни сили на движещи се маси. KShM е система с разпределени параметри, чиито елементи се движат неравномерно, което води до възникване на инерционни натоварвания.

Подробен анализ на динамиката на такава система е принципно възможен, но включва голямо количество изчисления. Ето защо в инженерната практика за анализ на динамиката на двигателя се използват модели със съкратени параметри, създадени въз основа на метода на заместващата маса. В този случай за всеки момент от време трябва да бъде изпълнена динамичната еквивалентност на модела и разглежданата реална система, което се осигурява от равенството на техните кинетични енергии.

Обикновено се използва модел от две маси, свързани помежду си с абсолютно твърд безинерционен елемент (фиг. 8.4).

Ориз. 8.4. Формиране на двумасов динамичен модел на KShM

Първата заместваща маса m j е концентрирана в точката на свързване на буталото с мотовилката и се движи възвратно-постъпателно с кинематичните параметри на буталото, втората m r е разположена в точката на свързване на свързващия прът с манивелата и се върти равномерно с ъгъл скорост ω.

Частите на буталната група извършват праволинейно възвратно-постъпателно движение по оста на цилиндъра. Тъй като центърът на масата на буталната група практически съвпада с оста на буталния щифт, тогава за определяне на инерционната сила P j p е достатъчно да се знае масата на буталната група m p, която може да бъде концентрирана в дадена точка, и ускорението на центъра на масата j, което е равно на ускорението на буталото: P j p = - m p j.

Коляновият вал на коляновия вал извършва равномерно въртеливо движение. Структурно се състои от комбинация от две половини на главната греда, две бузи и съединителна греда. При равномерно въртене всеки от тези елементи на манивелата се влияе от центробежна сила, пропорционална на неговата маса и центростремително ускорение.

В еквивалентния модел манивелата е заменена с маса m k, отдалечена от оста на въртене на разстояние r. Стойността на масата m k се определя от условието за равенство на центробежната сила, създадена от нея, на сумата от центробежните сили на масите на елементите на манивелата: K k \u003d K r w.w + 2K r w или m k rω 2 \ u003d m w.w rω 2 + 2m w ρ w ω 2, откъдето получаваме m k \u003d m w.w + 2m w ρ w ω 2 /r.

Елементите на свързващата прътова група извършват сложно равнинно-паралелно движение. В двумасовия модел KShM масата на групата на свързващите пръти m w е разделена на две заместващи маси: m w. n, концентриран върху оста на буталния щифт, и m sh.k, отнасящ се до оста на шийката на мотовилката на коляновия вал. В този случай трябва да бъдат изпълнени следните условия:

1) сумата от масите, концентрирани в точките на смяна на модела на свързващия прът, трябва да бъде равна на масата на заменената KShM връзка: m sh. p + m w.k = m w

2) позицията на центъра на масата на елемента на реалния KShM и замяната му в модела трябва да бъде непроменена. След това m sh. p \u003d m w l w.k / l w и m w.k \u003d m w l w.p / l w.

Изпълнението на тези две условия осигурява статичната еквивалентност на заместващата система спрямо реалната KShM;

3) условието за динамична еквивалентност на заместващия модел се осигурява, когато сумата от инерционните моменти на масите, разположени в характерните точки на модела, е равна. Това условие обикновено не е изпълнено за двумасови модели на свързващи пръти на съществуващи двигатели, то се пренебрегва при изчисленията поради малките си числени стойности.

Накрая, чрез комбиниране на масите на всички връзки на CVL в точките на заместване на динамичния модел на CVL, получаваме:

маса, концентрирана върху оста на пръста и възвратно-постъпателна по оста на цилиндъра, m j \u003d m p + m w. P;

маса, разположена на оста на шийката на мотовилката и извършваща въртеливо движение около оста на коляновия вал, m r \u003d m k + m sh.k. За V-образни двигатели с вътрешно горене с два свързващи пръта, разположени на една шийка на коляновия вал, m r \u003d m k + 2m sh.k.

В съответствие с възприетия модел на KShM, първата заместваща маса m j , движеща се неравномерно с кинематичните параметри на буталото, предизвиква инерционна сила P j = - m j j, а втората маса m r , въртяща се равномерно с ъгловата скорост на манивелата , създава центробежна сила на инерция K r = K r w + K k \u003d - m r rω 2.

Силата на инерцията P j се балансира от реакциите на опорите, върху които е монтиран двигателят. Бидейки променлив по стойност и посока, ако не са предвидени специални мерки, той може да бъде причина за външен дисбаланс на двигателя (виж фиг. 8.3, b).

При анализиране на динамиката и по-специално на баланса на двигателя, като се вземе предвид предварително получената зависимост на ускорението y от ъгъла на въртене на манивелата φ, силата P j се представя като сума от инерционните сили на първия (P jI) и втори (P jII) ред:

където С = - m j rω 2 .

Центробежната инерционна сила K r = - m r rω 2 от въртящите се маси на коляновия вал е вектор с постоянна величина, насочен по радиуса на манивелата и въртящ се с постоянна ъглова скорост ω. Силата K r се прехвърля към опорите на двигателя, причинявайки променливи по отношение на големината на реакцията (виж фиг. 8.3, c). Така силата K r , както и силата P j , могат да бъдат причина за външния дисбаланс на двигателя с вътрешно горене.

Общите сили и моменти, действащи в механизма.Силите Р g и Р j, имащи обща точка на приложение към системата и една линия на действие, в динамичния анализ на KShM се заменят с общата сила, която е алгебрична сума: Р Σ \u003d Р g + Р j (фиг. 8.5, а).

Ориз. 8.5. Сили в KShM:а - проектна схема; b - зависимостта на силите в коляновия вал от ъгъла на въртене на коляновия вал

За да се анализира действието на силата P Σ върху елементите на коляновия вал, тя се разлага на два компонента: S и N. Силата S действа по оста на мотовилката и предизвиква многократно променливо натиск-напрежение на неговите елементи. Силата N е перпендикулярна на оста на цилиндъра и притиска буталото към неговото огледало. Действието на силата S върху интерфейса на свързващия прът-манивела може да бъде оценено чрез прехвърлянето му по оста на свързващия прът до точката на тяхната артикулация (S ") и разлагането му на нормална сила K, насочена по оста на коляна и тангенциална сила Т.

Силите K и T действат върху основните лагери на коляновия вал. За да се анализира тяхното действие, силите се прехвърлят към центъра на опората на корена (сили K, T "и T"). Двойка сили T и T "на рамото r създава въртящ момент M k, който след това се прехвърля към маховика, където изпълнява полезна работа. Сумата от силите K" и T" дава силата S", която от своя страна се разлага на два компонента: N" и .

Очевидно е, че N" = - N и = P Σ. Силите N и N" върху рамото h създават преобръщащ момент M def = Nh, който след това се прехвърля към опорите на двигателя и се балансира от техните реакции. M def и предизвиканите от него реакции на опорите се променят с времето и могат да бъдат причина за външния дисбаланс на двигателя.

Основните съотношения за разглежданите сили и моменти имат следния вид:

На шийката на манивелатаманивелата се действа от силата S ", насочена по оста на свързващия прът, и центробежната сила K r w, действаща по радиуса на манивелата. Получената сила R w.sh (фиг. 8.5, b), натоварваща коляновия болт, се определя като векторната сума на тези две сили.

Местни шийкиманивела на едноцилиндров двигател са натоварени със сила и центробежна инерционна сила на масите на манивелата. Тяхната резултатна сила , действащ върху манивелата, се възприема от два основни лагера. Следователно силата, действаща върху всяка основна шийка, е равна на половината от получената сила и е насочена в обратна посока.

Използването на противотежести води до промяна в натоварването на кореновата шийка.

Общият въртящ момент на двигателя.В едноцилиндров двигател, въртящ момент Тъй като r е постоянна стойност, естеството на неговата промяна в ъгъла на въртене на манивелата се определя напълно от промяната на тангенциалната сила T.

Нека си представим многоцилиндров двигател като набор от едноцилиндрови двигатели, в които работните процеси протичат еднакво, но се изместват един спрямо друг с ъглови интервали в съответствие с приетия ред на работа на двигателя. Моментът на усукване на основните шийки може да се дефинира като геометрична сума от моментите, действащи върху всички колянове, предшестващи дадения колянов болт.

Помислете за пример за формирането на въртящи моменти в четиритактов (τ \u003d 4) четирицилиндров (i \u003d 4) линеен двигател с работен ред на цилиндри 1 -3 - 4 - 2 (фиг. 8.6) .

При равномерно редуване на светкавиците ъгловото изместване между последователните работни ходове ще бъде θ = 720°/4 = 180°. тогава, като се вземе предвид редът на работа, изместването на ъгловия момент между първия и третия цилиндър ще бъде 180 °, между първия и четвъртия - 360 °, а между първия и втория - 540 °.

Както следва от горната диаграма, моментът на усукване на i-тата главна стойка се определя чрез сумиране на кривите на силата T (фиг. 8.6, b), действащи върху всички колянове i-1, които го предхождат.

Моментът на усукване на последната главна шейна е общият въртящ момент на двигателя M Σ, който след това се прехвърля към трансмисията. Променя се според ъгъла на въртене на коляновия вал.

Средният общ въртящ момент на двигателя в ъгловия интервал на работния цикъл M k.cf съответства на индикаторния момент M i, развит от двигателя. Това се дължи на факта, че само газовите сили произвеждат положителна работа.

Ориз. 8.6. Образуване на общия въртящ момент на четиритактов четирицилиндров двигател:а - проектна схема; b - образуването на въртящ момент

Сили, действащи върху шийките на коляновия вал. Тези сили включват: силата на налягането на газа е балансирана в самия двигател и не се прехвърля към неговите опори; силата на инерцията се прилага към центъра на възвратно-постъпателните маси и е насочена по оста на цилиндъра през лагерите на коляновия вал действат върху корпуса на двигателя, което го кара да вибрира върху опорите по посока на оста на цилиндъра; центробежната сила от въртящите се маси е насочена по протежение на манивелата в средната му равнина, действайки през лагерите на коляновия вал върху корпуса на двигателя ...

Ако тази работа не ви подхожда, има списък с подобни произведения в долната част на страницата. Можете също да използвате бутона за търсене

Лекция 12

ДИНАМИКА НА КШМ

12.1. Сили на налягането на газа

12.2. Сили на инерцията

12 .2.1. Привеждане на масите на частите на KShM

12.3. Обща сума сили, действащи в KShM

12.3.1. Сили действащи върху шийките на коляновия вал

12.4. Редът на работа на цилиндрите на двигателя, в зависимост от местоположението на коляните и броя на цилиндрите

Когато двигателят работи, в коляновия вал действат сили и моменти, които не само засягат частите на коляновия вал и другите компоненти, но също така причиняват неравномерна работа на двигателя. Тези сили включват:

• силата на налягането на газа се балансира в самия двигател и не се предава на неговите опори;
• силата на инерцията се прилага към центъра на възвратно-постъпателните маси и е насочена по оста на цилиндъра, чрез лагерите на коляновия вал те действат върху корпуса на двигателя, карайки го да вибрира върху опорите по посока на оста на цилиндърът;
• центробежната сила от въртящите се маси е насочена по протежение на манивелата в средната му равнина, действайки през лагерите на коляновия вал върху корпуса на двигателя, карайки двигателя да се люлее върху опорите в посоката на манивелата.

Освен това има сили като натиск върху буталото от картера и гравитационни сили на коляновия вал, които не се вземат предвид поради относително малката им величина.

Всички сили, действащи в двигателя, взаимодействат със съпротивлението на коляновия вал, силите на триенеИ приети от опорите на двигателя.По време на всеки работен цикъл (720 ° за четиритактовИ 360° за двутактови двигатели) силите, действащи в KShM, непрекъснато се променят по величинаи посока и за да се установи естеството на промяната на тези сили от ъгъла на въртене на коляновия вал, те се определят на всеки 1030 ° за определени позиции на коляновия вал.

12.1. Сили на налягането на газа

Силите на налягането на газа действат върху буталото, стените и главата на цилиндъра. За да се опрости динамичното изчисляване на силата на натискгазове се заменят с една сила, насочена по оста на цилиндъра иап женски към оста на буталния болт.

Тази сила се определя за всеки момент от време (ъгъл на въртенеколянов вал φ) съгласно индикаторната диаграма, получена въз основа на термично изчисление или взета директно от двигателя с помощта на специална инсталация. На фиг. 12.1 показва разгръщане индикаторни диаграмисили, действащи по-специално промяната в силата на налягането на газовете(R g ) върху ъгъла на въртене на коляновия вал.

Ориз. 12.1. Разширени диаграми на силата на индикатора,
работещи в KShM

12.2. Сили на инерцията

За да се определят инерционните сили, действащи в коляновия вал, е необходимо да се знаят масите на движещите се части. За да опростим изчисляването на масата на движещите се части, ще я заменим със система от условни маси, еквивалентни на масите в реалния живот. Това заместване се нарича намаляване на масата.

12.2.1. Привеждане на масите на частите на KShM

Според характера на движението на масата на частите KShM може да бъде разделен на три групи:

• възвратно-постъпателни части (бутална група и горна глава на мотовилката);
• части, които извършват въртеливо движение (колянов вал и долна глава на мотовилката);
• части, които извършват сложно плоскопаралелно движение (прът прът).

Масата на буталната група(t p ) се счита за концентриран върху оста на буталния болт в точката A (фиг. 12.2).

Ориз. 12.2. Привеждане на масите на мотовилката

Маса на групата на свързващите прътизаменени с две маси: t w центриран върху оста на буталния болт в точката A, t sk по оста на манивелата в точка B. Стойностите на тези маси се намират по формулите:

където L w е дължината на свързващия прът;

L ск разстояние от центъра на коляновия вал до центъра на тежестта на свързващия прът.

За повечето съществуващи двигатели t sh е в границите на 0,2 t w до 0,3 t w и t wk от 0,7 t w до 0,8 t w. Стойност t w може да се определи чрез структурната маса (Таблица 12.1), получена въз основа на статистически данни.

манивела се заменят с две маси, концентрирани по оста на манивелата в точката V (t до ) и по оста на главната шийка в точкатаОколо (t около) (фиг. 12.3).

Ориз. 12.3. Привеждане на масите на манивелата:истински; b еквивалентен

Масата на основната шийка с част от бузите, разположени симетрично спрямо оста на въртене, е балансирана. Неуравновесените маси на манивелата се заменят с една редуцирана маса, при условие че центробежната сила на инерцията на действителната маса е равна на центробежната сила на редуцираната маса. Еквивалентна маса води до радиуса на манивела R и означават t до.

Маса на шийката на мотовилката t shsh със съседните части на бузите, те се приемат за концентрирани в средата на оста на шията и тъй като неговият център на тежестта е отстранен от оста на вала на разстояние, равно наР , не е необходимо намаляване на тази маса. Маса на бузите t w с център на тежестта на разстояние p от оста на коляновия вал се заменя с намалената маса, разположена на разстояниеР от оста на коляновия вал. Намалената маса на цялата манивела се определя от сумата на намалените маси на шийката на мотовилката и бузите:

При проектирането на двигатели стойността t до може да се получи чрез структурните маси на коляното t" към (виж таблица 12.1). За съвременните двигатели с къс ход, стойността t w малък в сравнение с t shsh и може да се пренебрегне.

Таблица 12.1. Стойности на конструктивните маси на KShM, kg / m 2

Бележки.

1. При използване на таблицата. 12.1 трябва да се има предвид, че големи стойности T "подходящ за двигатели с големи отвори на цилиндрите.

2. Намаляването на S/D намалява t"w и t"k.

3. V-образни двигатели с две биели на гърлото отговарят на големи стойности t" до .

По този начин системата от концентрирани маси, динамично еквивалентна на KShM, се състои от масатат А , концентриран в точкатаА и извършване на възвратно-постъпателно движение:

и маса t V , концентриран в точката IN и с въртеливо движение:

V -образни двигатели с двоен колянов вал t V \u003d t k + 2t shk.

При динамичното изчисление на двигателя стойностите t p и t w определени от прототипни данни или изчислени. Ценностите t shh и t sh определя се въз основа на размерите на коляновия вал и плътността на материала на коляновия вал. За приблизително определяне на стойността t p , t w и t k могат да се използват конструктивни маси:

Където .

12.2.2. Определяне на силите на инерцията

Силите на инерцията, действащи в KShM, в съответствие с естеството на движението на намалените маси, се разделят наинерционни сили на постъпателно движещи се маси Pj и центробежни сили на инерция на въртящи се маси R c .

Инерционна сила от възвратно-постъпателни масиможе да се определи по формулата

(12.1)

Знакът минус показва, че силата на инерцията е насочена в посока, обратна на ускорението. Може да се счита, че се състои от две сили (подобно на ускорението).

Първи компонент

(12.2)

• инерционна сила от първи ред.

Втори компонент

(12.3)

• инерционна сила от втори ред.

По този начин,

Центробежна сила на инерция на въртящи се масипостоянен по величина и насочен встрани от оста на коляновия вал. Стойността му се определя по формулата

(12.4)

Пълна картина на натоварванията, действащи в частите на коляновия вал, може да се получи само в резултат на комбинацията от действието на различни сили, възникващи по време на работа на двигателя.

12.3. Обща сума сили, действащи в KShM

Обмисли работа на едноцилиндров двигател.Сили, действащи в едноцилиндров двигател, показан на фиг. 12.4. В КШМ сила на налягането на газа R g , възвратно-постъпателна инерционна силаефективно движещи се маси Pj и центробежна сила R c . Сили Р g и P j закрепени към буталото и действат по оста му. Поставяне на тези двесила, получаваме общата сила, действаща по оста на цилиндъра:

(12.5)

Изместената сила P в центъра на буталния щифт се разлага на два компонента:

(12. 6 )

• сила, насочена по оста на свързващия прът;

(12. 7 )

• сила, перпендикулярна на стената на цилиндъра.

Ориз. 12.4. Сили, действащи в коляновия вал на едноцилиндров двигател

Сила P N се възприема от страничната повърхност на стената на цилиндъра и причинява износване на буталото и цилиндъра. Счита се за положителен, ако моментът, който създава спрямо оста на коляновия вал, е насочен обратно на посоката на въртене на вала на двигателя.

Сила R w се счита за положителен, ако компресира мотовилката, и отрицателен, ако го разтяга.

Сила R w , прикрепен към коляновия болт ( R "ш ) се разлага на два компонента:

(12.8)

• тангенциална сила, допирателна към окръжността на радиуса на манивела;

(12.9)

• нормална сила (радиална), насочена по радиуса на манивелата.

Z-сила се счита за положителен, ако компресира бузите на манивелата. Сила T се счита за положителен, ако посоката на момента, който създава, съвпада с посоката на въртене на коляновия вал.

По стойността на Т определете индикаторния въртящ момент на един цилиндър:

(12.10)

Нормални и тангенциални сили, пренесени към центъра на коляновия вал ( Z" и Т “), образуват резултатна сила R"" w, която е успоредна и равна по големина на силата R sh . Сила R"" w натоварва основните лагери на коляновия вал. На свой ред сила R"" w може да се разложи на два компонента: P"N, перпендикулярна на оста на цилиндъра и силата P ", действаща по оста на цилиндъра. Сили P "N и P N образуват двойка сили, чийто момент се нарича преобръщане. Стойността му се определя по формулата

(12.11)

Този момент е равен на въртящия момент на индикатора и е насочен в обратна посока:

От тогава

(12.12)

Въртящият момент се предава чрез трансмисията към задвижващите колела, а преобръщащият момент се поема от опорите на двигателя. Сила R "е равно на силата R , и подобно на последния, може да бъде представен като

Компонент P "r балансиран от силата на налягането на газа, приложено към главата на цилиндъра, aP "j е свободна небалансирана сила, предавана към опорите на двигателя.

Центробежната инерционна сила се прилага към шийката на мотовилката на коляновия вал и е насочена встрани от оста на коляновия вал. Тя е като сила P "j е небалансиран и се предава през основните лагери към опорите на двигателя.

12.3.1. Сили, действащи върху шийките на коляновия вал

Радиална сила, действаща върху коляновия болтЗ , тангенциална сила T и центробежна сила R c от въртящата се маса на мотовилката. Сили Z и R c насочени по една права линия, така че тяхната резултатна

или

(12.13)

Тук R c не се определя като, но като , тъй като говорим за центробежната сила само на биелата, а не на цялата манивела.

Резултатът от всички сили, действащи върху шийката на мотовилката, се изчислява по формулата

(12.14)

Действието на силата R w причинява износване на коляновия болт. Резултантната сила, приложена към шийката на коляновия вал, се намира графично като силите, предавани от два съседни колянови вала.

12.3.2. Аналитично и графично представяне на силите и моментите

Аналитичното представяне на силите и моментите, действащи в KShM, е представено чрез формули (12.1) (12.14).

По-ясно, промяната в силите, действащи в коляновия вал в зависимост от ъгъла на въртене на коляновия вал, може да бъде представена като разширени диаграми, които се използват за изчисляване на якостта на частите на коляновия вал, оценка на износването на триещите се повърхности на частите, анализира равномерността на хода и определя общия въртящ момент на многоцилиндровите двигатели, както и изграждането на полярни диаграми на натоварванията върху шийката на вала и неговите лагери.

Обикновено при изчисляване се изграждат две разширени диаграми: едната показва зависимостите, И (виж Фиг. 12.1), върху останалите зависимостии (фиг. 12.5).

Ориз. 12.5. Разширени диаграми на тангенциални и реални сили, действащи в коляновия вал

Разширените диаграми на силите, действащи в KShM, дават възможност за сравнение по прост начинопределяне на въртящия момент на многоцилиндровите двигатели.

От уравнение (12.10) следва, че въртящият момент на едноцилиндров двигател може да бъде изразен като функция T=f (φ). Значението на силата T в зависимост от промяната на ъгъла на завъртане, той се променя значително, както се вижда на фиг. 12.5. Очевидно въртящият момент ще се промени по подобен начин.

При многоцилиндровите двигатели променливите въртящи моменти на отделните цилиндри се сумират по дължината на коляновия вал, което води до общ въртящ момент в края на вала.Стойностите на този момент могат да бъдат определени графично. За това проекцията на кривата T=f (φ) по оста x са разделени на равни сегменти (броят на сегментите е равен на броя на цилиндрите). Всеки сегмент е разделен на няколко равни части (тук 8). За всяка получена точка абсцисата определя алгебричната сума на ординатите на двете криви (над абсцисата на стойността със знака “+”, под абсцисата на стойността със знака “-”). Получените стойности се нанасят съответно в координати x, y и получените точки се свързват с крива (фиг. 12.6). Тази крива е резултантната крива на въртящия момент за един цикъл на двигателя.

Ориз. 12.6. Разширена диаграма на резултантния въртящ момент
на цикъл на двигателя

За да се определи средната стойност на въртящия момент, се изчислява площтаЕ, ограничен от кривата на въртящия момент и оста y (над оста стойността е положителна, под нея е отрицателна):

където Л дължина на диаграмата по абсцисата; мМ скала.

При известен мащаб на тангенциалната сила m T намерете мащаба на въртящия момент m M = m T R, R радиус на манивела.

Тъй като загубите вътре в двигателя не са взети предвид при определяне на въртящия момент, тогава, изразявайки ефективния въртящ момент чрез индикатора, получаваме

където M до ефективен въртящ момент;η m — механична ефективностдвигател.

12.4. Поръчка работа на цилиндрите на двигателя в зависимост от разположението на коляните и броя на цилиндрите

При многоцилиндров двигател местоположението на коляновия вал трябва, първо, да осигури равномерност на хода на двигателя и, второ, да осигури взаимното равновесие на инерционните сили на въртящите се маси и възвратно-постъпателните маси.

За да се осигури равномерност на хода, е необходимо да се създадат условия за редуване на проблясъци в цилиндрите на равни интервали от ъгъла на въртене на коляновия вал.Следователно, за едноредов двигател, ъгълът φ, съответстващ на ъгловия интервал между миганията в четиритактов цикъл, се изчислява по формулата φ = 720°/аз, където аз броя на цилиндрите и с двутактов според формулата φ \u003d 360 ° /аз

Равномерността на редуването на светкавиците в цилиндрите на многоредовия двигател, в допълнение към ъгъла между коляновия вал, също се влияе от ъгъла γ между редовете на цилиндрите. За оптимална равномерност на движениен -редов двигател, този ъгъл трябва да е навътрен пъти по-малко от ъгъла между коляновия вал, т.е.

След това ъгловият интервал между мига за четиритактов двигател

За двутактов

За да се изпълни изискването за баланс, е необходимо броят на цилиндрите в един ред и съответно броят на коляновия вал да бъде четен, а манивелите да са разположени симетрично спрямо средата на коляновия вал.Разположението на коляновите колена, симетрично спрямо средата на коляновия вал, се нарича "огледало".При избора на формата на коляновия вал, освен баланса на двигателя и равномерността на хода му, се взема предвид и редът на работа на цилиндрите.

Оптималният ред на работа на цилиндрите, когато следващият такт се извършва в най-отдалечения от предишния цилиндър, намалява натоварването върху основните лагери на коляновия вал и подобрява охлаждането на двигателя.

На фиг. 12.7 показва последователността на работа на едноредови цилиндри (а) и V-образна (б ) четиритактови двигатели.

Ориз. 12.7. Последователността на работа на цилиндрите на четиритактовите двигатели:

едноредов; b V-образна

СТРАНИЦА \* MERGEFORMAT 1