Trägheitsmoment des Kurbeltriebs. Kinematische Berechnung von kshm. Wahl l und Länge Lsh Pleuel

Kinematik und Dynamik der Kurbel Pleuelmechanismus. Der Kurbeltrieb ist der Hauptmechanismus eines Kolbenmotors, der erhebliche Belastungen wahrnimmt und überträgt. Daher ist die Berechnung der Stärke von KShM wichtig. Die Berechnung vieler Motorteile hängt wiederum von der Kinematik und Dynamik der Kurbelwelle ab. Die kinematische Analyse der Kurbelwelle ermittelt die Bewegungsgesetze ihrer Glieder, vor allem Kolben und Pleuel. Um das Studium der Kurbelwelle zu vereinfachen, nehmen wir an, dass sich die Kurbelwellenkurbeln gleichmäßig drehen, d.h. mit konstanter Winkelgeschwindigkeit.

Es gibt verschiedene Arten und Varianten von Kurbeltrieben (Abb. 2.35). Aus kinematischer Sicht sind die zentralen (axialen), gekröpften (deaxialen) und Anhängerlenker von größtem Interesse.

Der zentrale Kurbeltrieb (Abb. 2.35.a) ist ein Mechanismus, bei dem sich die Zylinderachse mit der Achse der Motorkurbelwelle schneidet.

Die bestimmenden geometrischen Abmessungen des Mechanismus sind der Radius der Kurbel und die Länge der Pleuelstange. Ihr Übersetzungsverhältnis ist für alle geometrisch ähnlichen Zentralkurbeltriebe, für moderne, ein konstanter Wert Automobilmotoren .

Bei einer kinematischen Untersuchung des Kurbelmechanismus werden üblicherweise Kolbenhub, Kurbeldrehwinkel, Winkelabweichung der Pleuelachse in der Ebene ihrer Schwingung von der Zylinderachse berücksichtigt (Abweichung in Drehrichtung der Welle wird als positiv und im Gegenteil als negativ betrachtet), Winkelgeschwindigkeit. Der Kolbenhub und die Pleuellänge sind die wichtigsten Konstruktionsparameter des zentralen Kurbeltriebs.

Kinematik der zentralen Kurbelwelle. Die Aufgabe der kinematischen Berechnung besteht darin, die analytischen Abhängigkeiten von Weg, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Kolbens vom Drehwinkel der Kurbelwelle zu finden. Basierend auf den Daten der kinematischen Berechnung wird eine dynamische Berechnung durchgeführt und die auf die Motorteile wirkenden Kräfte und Momente ermittelt.

Bei einer kinematischen Untersuchung des Kurbeltriebs wird angenommen, dass dann der Drehwinkel der Welle proportional zur Zeit ist, daher lassen sich alle kinematischen Größen als Funktion des Drehwinkels der Kurbel ausdrücken. Die Position des Kolbens am oberen Totpunkt wird als Anfangsposition des Mechanismus genommen. Die Verschiebung des Kolbens in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbel des Motors mit zentraler Kurbelwelle wird nach der Formel berechnet. (eines)

Vortrag 7Kolbenbewegung für jeden der Drehwinkel grafisch bestimmt werden, was als Brix-Verfahren bezeichnet wird. Dazu wird die Brix-Korrektur vom Kreismittelpunkt mit einem Radius zum BDC hin hinterlegt. Es gibt ein neues Zentrum. Von der Mitte aus wird durch bestimmte Werte (z. B. alle 30 °) ein Radiusvektor gezeichnet, bis er sich mit einem Kreis schneidet. Die Projektionen der Schnittpunkte auf die Achse des Zylinders (Linie OT-UT) geben die gewünschten Positionen des Kolbens für die gegebenen Werte des Winkels an.

Abb. 2.36 zeigt die Abhängigkeit des Hubvolumens vom Drehwinkel der Kurbelwelle.

Kolbengeschwindigkeit. Ableitung der Kolbenverschiebung – Gleichung (1) nach der Zeit

Rotation ergibt die Geschwindigkeit des Kolbens: (2)

Ähnlich wie die Bewegung des Kolbens lässt sich auch die Kolbengeschwindigkeit in Form von zwei Komponenten darstellen: wobei die Komponente der Kolbengeschwindigkeit erster Ordnung ist, die durch bestimmt wird; ist die Kolbengeschwindigkeitskomponente zweiter Ordnung, die bestimmt wird durch Die Komponente ist die Kolbengeschwindigkeit bei unendlich langem Pleuel. Komponente V2 ist eine Korrektur der Kolbengeschwindigkeit für die endgültige Länge der Pleuelstange. Die Abhängigkeit der Änderung der Kolbengeschwindigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle ist in Abb. 2.37 dargestellt. Die Drehzahl erreicht ihre Maximalwerte bei Kurbelwellenwinkeln von weniger als 90 und mehr als 270°. Bedeutung Höchstgeschwindigkeit Kolben mit ausreichender Genauigkeit als bestimmt werden kann

Kolbenbeschleunigung ist definiert als die erste Ableitung der Geschwindigkeit nach der Zeit oder als die zweite Ableitung der Kolbenverschiebung nach der Zeit: (3)

wo und - harmonische Komponenten der ersten bzw. zweiten Ordnung der Kolbenbeschleunigung. Dabei drückt die erste Komponente die Beschleunigung des Kolbens bei unendlich langer Pleuelstange und die zweite Komponente die Beschleunigungskorrektur für die endliche Länge der Pleuelstange aus. Die Abhängigkeiten der Änderung der Beschleunigung des Kolbens und seiner Komponenten vom Drehwinkel der Kurbelwelle sind in Abb. 2.38 dargestellt.

Die Beschleunigung erreicht maximale Werte, wenn sich der Kolben am oberen Totpunkt befindet, und minimale Werte befinden sich am unteren Totpunkt oder in der Nähe des unteren Totpunkts. Diese Kurvenveränderungen im Bereich von 180 bis ±45° sind wertabhängig .

Verhältnis Kolbenhub zu Zylinderdurchmesser ist einer der Hauptparameter, der die Abmessungen und das Gewicht des Motors bestimmt. Bei Automotoren reichen die Werte von 0,8 bis 1,2. Motoren mit > 1 heißen Langhub und mit < 1 - Kurzhub. Dieses Verhältnis wirkt sich direkt auf die Kolbengeschwindigkeit und damit auf die Motorleistung aus. Bei abnehmendem Wert zeigen sich folgende Vorteile: Die Motorhöhe wird reduziert; aufgrund einer Abnahme der durchschnittlichen Kolbengeschwindigkeit, mechanische Verluste und der Verschleiß von Teilen wird reduziert; Bedingungen für die Platzierung von Ventilen werden verbessert und Voraussetzungen für deren Vergrößerung geschaffen; es wird möglich, den Durchmesser der Haupt- und Pleuelzapfen zu vergrößern, was die Steifigkeit der Kurbelwelle erhöht.

Allerdings gibt es auch negative Punkte: Die Länge des Motors und die Länge der Kurbelwelle nehmen zu; die Belastungen der Teile durch die Gasdruckkräfte und durch die Trägheitskräfte nehmen zu; Die Höhe des Brennraums nimmt ab und seine Form verschlechtert sich, was bei Vergasermotoren zu einer Erhöhung der Klopfneigung und bei Dieselmotoren zu einer Verschlechterung der Gemischbildungsbedingungen führt.

Es wird als ratsam angesehen, den Wert mit zunehmender Drehzahl des Motors zu verringern.

Werte für verschiedene Motoren: Vergasermotoren- ; Dieselmotoren mittlerer Drehzahl -; Hochgeschwindigkeits-Diesel.

Bei der Auswahl der Werte ist zu berücksichtigen, dass die in der Kurbelwelle wirkenden Kräfte stärker vom Zylinderdurchmesser und weniger vom Kolbenhub abhängen.

Dynamik des Kurbeltriebs. Bei laufendem Motor wirken in der Kurbelwelle Kräfte und Momente, die nicht nur auf die Kurbelwellenteile und andere Bauteile wirken, sondern auch zu einem unrunden Motorlauf führen. Zu diesen Kräften gehören: Die Gasdruckkraft wird im Motor selbst ausgeglichen und nicht auf seine Halterungen übertragen; Die Trägheitskraft wird auf das Zentrum der sich hin- und herbewegenden Massen ausgeübt und entlang der Achse des Zylinders gerichtet. Über die Lager der Kurbelwelle wirken sie auf das Motorgehäuse und veranlassen es, auf den Stützen in Richtung der Achse zu vibrieren des Zylinders; die zentrifugalkraft der rotierenden massen wird entlang der kurbel in ihrer mittelebene geleitet und wirkt über die kurbelwellenlager auf das motorgehäuse, wodurch der motor auf den stützen in richtung der kurbel oszilliert. Hinzu kommen Kräfte wie Druck auf den Kolben aus dem Kurbelgehäuse und Schwerkräfte der Kurbelwelle, die aufgrund ihrer relativ geringen Größe nicht berücksichtigt werden. Alle im Motor wirkenden Kräfte interagieren mit dem Widerstand an der Kurbelwelle, Reibungskräften und werden von den Motorlagern wahrgenommen. Während jedes Arbeitsspiels (720° - bei Viertakt- und 360° bei Zweitaktmotoren) ändern sich die in der Kurbelwelle wirkenden Kräfte kontinuierlich in Größe und Richtung, und um die Art der Änderung dieser Kräfte aus dem Winkel von festzustellen Drehung der Kurbelwelle, sie werden alle 10÷30 0 für bestimmte Positionen der Kurbelwelle bestimmt.

Gasdruckkräfte wirken auf Kolben, Wände und Zylinderkopf. Um die dynamische Berechnung zu vereinfachen, werden die Gasdruckkräfte durch eine einzige Kraft ersetzt, die entlang der Zylinderachse gerichtet und auf die Achse des Kolbenbolzens aufgebracht wird.

Diese Kraft wird für jeden Zeitpunkt (Drehwinkel der Kurbelwelle) gemäß dem Indikatordiagramm bestimmt, das auf der Grundlage einer thermischen Berechnung erhalten oder mit einer speziellen Installation direkt vom Motor abgenommen wird. Bild 2.39 zeigt detaillierte Zeigerdiagramme der in der Kurbelwelle wirkenden Kräfte, insbesondere der Änderung der Gasdruckkraft () über den Drehwinkel der Kurbelwelle. Trägheitskräfte. Zur Ermittlung der in der Kurbelwelle wirkenden Trägheitskräfte ist es notwendig, die Massen der bewegten Teile zu kennen. Um die Berechnung der Masse beweglicher Teile zu vereinfachen, ersetzen wir sie durch ein System bedingter Massen, die realen Massen entsprechen. Dieser Ersatz wird als Massenreduktion bezeichnet. Bringen die Massen der Teile der KShM. Entsprechend der Art der Bewegung der Masse der Teile kann die Kurbelwelle in drei Gruppen eingeteilt werden: Teile, die sich hin- und herbewegen (Kolbengruppe und der obere Kopf der Pleuelstange); Teile, die eine Drehbewegung ausführen (Kurbelwelle und unterer Pleuelkopf); Teile, die eine komplexe planparallele Bewegung ausführen (Stab Stab).

Masse Kolbengruppe() wird als auf die Achse des Kolbenbolzens und den Punkt konzentriert betrachtet (Abb. 2.40.a). Ich ersetze die Masse der Pleuelgruppe durch zwei Massen: - konzentriert auf die Achse des Kolbenbolzens an der Spitze , - auf der Achse der Kurbel an dem Punkt . Die Werte dieser Massen werden durch die Formeln gefunden:

;

wo ist die Länge der Pleuelstange; - Abstand von der Mitte des Kurbelkopfes zum Schwerpunkt des Pleuels. Für die meisten vorhandenen Motoren ist im Limit, und Der Wert kann über die auf Basis statistischer Daten gewonnene Strukturmasse bestimmt werden. Die reduzierte Masse der gesamten Kurbel ergibt sich aus der Summe der reduzierten Massen von Pleuelzapfen und -wangen:

Nach dem Einbringen der Massen lässt sich der Kurbeltrieb als ein System darstellen, das aus zwei konzentrierten Massen besteht, die durch eine starre, schwerelose Verbindung verbunden sind (Abb. 2.41.b). An einem Punkt konzentrierte Massen und hin- und hergehende Wunden . An einem Punkt konzentrierte Massen und rotierende Wunden . Zur ungefähren Bestimmung des Wertes , und konstruktive Massen verwendet werden können.

Bestimmung der Trägheitskräfte. Die in der KShM wirkenden Trägheitskräfte werden entsprechend der Art der Bewegung der reduzierten Massen in die Trägheitskräfte translatorisch bewegter Massen und die Fliehkraftträgheitskräfte rotierender Massen unterteilt. Die Trägheitskraft von sich hin- und herbewegenden Massen kann durch Formel (4) bestimmt werden. Das Minuszeichen zeigt an, dass die Trägheitskraft entgegen der Beschleunigung gerichtet ist. Die Fliehkraft der Trägheit der rotierenden Massen ist betragsmäßig konstant und von der Achse der Kurbelwelle weg gerichtet. Ihr Wert wird durch die Formel (5) bestimmt. Ein vollständiges Bild der auf die Teile der Kurbelwelle wirkenden Belastungen kann nur durch die Kombination der Wirkung verschiedener Kräfte erhalten werden, die während des Motorbetriebs auftreten.

Die in der KShM wirkenden Gesamtkräfte. Die bei einem Einzylindermotor wirkenden Kräfte sind in Abb. 2.41 dargestellt. Bei KShM wirkt die Gasdruckkraft , Trägheitskraft hin- und hergehender Massen und Zentrifugalkraft . Die Kräfte und werden auf den Kolben aufgebracht und wirken entlang seiner Achse. Wenn wir diese beiden Kräfte addieren, erhalten wir die entlang der Zylinderachse wirkende Gesamtkraft: (6). Die verschobene Kraft in der Mitte des Kolbenbolzens wird in zwei Komponenten zerlegt: - Kraft, die entlang der Achse der Pleuelstange gerichtet ist; - Kraft senkrecht zur Zylinderwand. Stärke PN wird von der Seitenfläche der Zylinderwand wahrgenommen und verursacht Verschleiß an Kolben und Zylinder. Stärke , wirkt auf den Pleuelzapfen, wird in zwei Komponenten zerlegt: (7) - Tangentialkraft tangential zum Kurbelradiuskreis; (8) - Normalkraft (radial), die entlang des Radius der Kurbel gerichtet ist. Der Wert bestimmt das Indikatormoment eines Zylinders: (9) Die auf die Mitte der Kurbelwelle übertragenen Normal- und Tangentialkräfte bilden die resultierende Kraft, die parallel und gleich groß wie die Kraft ist . Die Kraft belastet die Hauptlager der Kurbelwelle. Die Kraft lässt sich wiederum in zwei Komponenten zerlegen: die Kraft PN, senkrecht zur Achse des Zylinders und die Kraft R", wirkt entlang der Zylinderachse. Kräfte P"N und PN bilden ein Kräftepaar, dessen Moment als Umkippen bezeichnet wird. Sein Wert wird durch die Formel (10) bestimmt. Dieses Moment ist gleich dem Indikatordrehmoment und in die entgegengesetzte Richtung gerichtet: . Das Drehmoment wird über das Getriebe auf die Antriebsräder übertragen und das Kippmoment von den Motorlagern aufgenommen. Stärke R" gleich Kraft R, und ähnlich wie letzteres kann es als dargestellt werden. Die Komponente wird durch die auf den Zylinderkopf ausgeübte Gasdruckkraft ausgeglichen und ist eine freie unausgeglichene Kraft, die auf die Motorhalterungen übertragen wird.

Die Trägheitsfliehkraft wirkt auf den Pleuelzapfen der Kurbel und ist von der Achse der Kurbelwelle weg gerichtet. Sie ist wie die Kraft unausgeglichen und wird über die Hauptlager auf die Motorlager übertragen.

Auf die Kurbelwellenzapfen wirkende Kräfte. Auf den Kurbelzapfen wirkt die Radialkraft Z, Tangentialkraft T und Zentrifugalkraft von der rotierenden Masse der Pleuelstange. Kräfte Z und sind entlang einer geraden Linie gerichtet, daher ihre Resultierende oder (11)

Die Resultierende aller auf den Pleuelzapfen wirkenden Kräfte errechnet sich aus der Formel (12) Kraft verursacht Verschleiß am Kurbelzapfen. Die resultierende auf den Kurbelwellenzapfen ausgeübte Kraft wird grafisch als die von zwei benachbarten Kurbelwellen übertragenen Kräfte gefunden.

Analytische und grafische Darstellung von Kräften und Momenten. Die analytische Darstellung der in der KShM wirkenden Kräfte und Momente wird durch die Formeln (4) - (12) dargestellt.

Anschaulicher kann die Änderung der auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle als erweiterte Diagramme dargestellt werden, die zur Berechnung der Festigkeit der Kurbelwellenteile, zur Beurteilung des Verschleißes der Reibflächen der Teile, Analysieren der Gleichmäßigkeit des Hubs und Bestimmen des Gesamtdrehmoments von Mehrzylindermotoren sowie Erstellen von Polardiagrammen der Belastungen des Wellenhalses und seiner Lager.

Bei Mehrzylindermotoren summieren sich die veränderlichen Drehmomente der einzelnen Zylinder über die Länge der Kurbelwelle, sodass sich am Ende der Kurbelwelle ein Gesamtdrehmoment ergibt. Die Werte dieses Moments können grafisch ermittelt werden. Dazu wird die Projektion der Kurve auf die x-Achse in gleiche Segmente unterteilt (die Anzahl der Segmente ist gleich der Anzahl der Zylinder). Jedes Segment ist in mehrere gleiche Teile (hier 8) unterteilt. Für jeden erhaltenen Abszissenpunkt bestimme ich die algebraische Summe der Ordinaten zweier Kurven (oberhalb der Abszisse des Wertes mit dem „+“-Zeichen, unterhalb der Abszisse des Wertes mit dem „-“-Zeichen). Die erhaltenen Werte sind jeweils in Koordinaten aufgetragen , und die resultierenden Punkte werden durch eine Kurve verbunden (Abb. 2.43). Diese Kurve ist die resultierende Drehmomentkurve für einen Motorzyklus.

Zur Ermittlung des mittleren Drehmomentwertes wird der durch die Drehmomentkurve und die y-Achse begrenzte Bereich berechnet (oberhalb der Achse positiv, darunter negativ): wo ist die Länge des Diagramms entlang der x-Achse; -Skala.

Da die Verluste im Motor bei der Bestimmung des Drehmoments nicht berücksichtigt wurden, erhalten wir, wenn wir das effektive Drehmoment durch den Indikator ausdrücken wo ist der mechanische wirkungsgrad des motors

Die Reihenfolge des Betriebs der Motorzylinder hängt von der Position der Kurbeln und der Anzahl der Zylinder ab. Bei einem Mehrzylindermotor muss die Anordnung der Kurbelwellenkurbeln erstens die Gleichmäßigkeit des Motorhubs sicherstellen und zweitens den gegenseitigen Ausgleich der Trägheitskräfte der rotierenden Massen und der hin- und hergehenden Massen sicherstellen. Um einen gleichmäßigen Hub zu gewährleisten, müssen Bedingungen für abwechselnde Blitze in den Zylindern in gleichen Abständen des Drehwinkels der Kurbelwelle geschaffen werden. Daher wird für einen einreihigen Motor der Winkel, der dem Winkelintervall zwischen Blitzen in einem Viertaktzyklus entspricht, durch die Formel berechnet, wobei ich- die Anzahl der Zylinder und mit einem Zweitakt nach der Formel. Die Gleichmäßigkeit des Blitzwechsels in den Zylindern eines mehrreihigen Motors wird neben dem Winkel zwischen den Kurbelwellenkurbeln auch durch den Winkel zwischen den Zylinderreihen beeinflusst. Um die Gleichgewichtsanforderung zu erfüllen, ist es erforderlich, dass die Anzahl der Zylinder in einer Reihe und dementsprechend die Anzahl der Kurbelwellenkurbeln gerade ist, und die Kurbeln müssen symmetrisch zur Mitte der Kurbelwelle angeordnet sein. Die zur Mitte der Kurbelwelle symmetrische Anordnung der Kurbeln wird als "Spiegel" bezeichnet. Bei der Wahl der Form der Kurbelwelle wird neben dem Gleichgewicht des Motors und der Gleichmäßigkeit seines Hubs auch die Betriebsreihenfolge der Zylinder berücksichtigt. Abb. 2.44 zeigt die Arbeitsfolge der Zylinder von einreihigen (a) und V-förmigen (b) Viertaktmotoren

Die optimale Betriebsreihenfolge der Zylinder, wenn der nächste Takt in dem am weitesten vom vorherigen entfernten Zylinder stattfindet, verringert die Belastung der Hauptlager der Kurbelwelle und verbessert die Motorkühlung.

Auswuchten des MotorsKräfte und Momente, die eine Unwucht des Motors verursachen. Die in der KShM wirkenden Kräfte und Momente ändern sich ständig in Größe und Richtung. Gleichzeitig verursachen sie, wenn sie auf die Motorlager einwirken, Vibrationen des Rahmens und des gesamten Fahrzeugs, wodurch die Befestigungsverbindungen geschwächt werden, Einstellungen von Einheiten und Mechanismen verletzt werden, die Verwendung von Instrumenten schwierig ist und die Geräuschpegel steigt. Diese negativen Auswirkungen werden auf verschiedene Weise reduziert, in einschließlich der Auswahl der Anzahl und Position der Zylinder, der Form der Kurbelwelle sowie der Verwendung von Auswuchtvorrichtungen, die von einfachen Gegengewichten bis hin zu komplexen Auswuchtmechanismen reichen.

Als Motorwuchten werden Maßnahmen bezeichnet, die darauf abzielen, die Ursachen von Schwingungen, d.h. Unwuchten des Motors, zu beseitigen.

Das Auswuchten des Motors reduziert sich darauf, ein solches System zu schaffen, bei dem die resultierenden Kräfte und ihre Momente betragsmäßig konstant oder gleich Null sind. Der Motor gilt als ausbalanciert, wenn im stationären Betrieb die auf seine Lager wirkenden Kräfte und Momente in Betrag und Richtung konstant sind. Alle Hubkolben-Verbrennungsmotoren haben ein dem Drehmoment entgegengesetztes Reaktionsdrehmoment, das als Überdrehen bezeichnet wird. Daher kann das absolute Gleichgewicht eines Kolbenverbrennungsmotors nicht erreicht werden. Je nachdem, inwieweit die Ursachen der Motorunwucht beseitigt sind, werden Motoren jedoch in vollgewuchtet, teilgewuchtet und unwuchtig unterschieden. Ausgeglichene Motoren sind solche, bei denen alle Kräfte und Momente ausgeglichen sind.

Bedingungen für das Gleichgewicht eines Motors mit beliebig vielen Zylindern: a) die resultierenden Kräfte erster Ordnung von sich translatorisch bewegenden Massen und ihre Momente sind gleich Null; b) die resultierenden Trägheitskräfte zweiter Ordnung sich translatorisch bewegender Massen und deren Momente gleich Null sind; c) die resultierenden Fliehkräfte der rotierenden Massen und deren Momente sind gleich Null.

Somit reduziert sich die Lösung des Auswuchtens des Motors darauf, nur die signifikantesten Kräfte und ihre Momente auszugleichen.

Ausgleichsmethoden. Die Trägheitskräfte 1. und 2. Ordnung und deren Momente werden durch die Wahl der optimalen Zylinderzahl, ihrer Anordnung und der Wahl der geeigneten Kurbelwellenanordnung ausgeglichen. Reicht dies nicht aus, werden die Trägheitskräfte durch Ausgleichsgewichte ausgeglichen, die sich auf zusätzlichen Wellen befinden, die eine mechanische Verbindung mit der Kurbelwelle haben. Dies führt zu einer erheblichen Verkomplizierung des Motordesigns und wird daher selten verwendet.

Zentrifugalkräfte die trägheit der rotierenden massen kann bei einem motor mit beliebig vielen zylindern durch den einbau von ausgleichsgewichten an der kurbelwelle ausgeglichen werden.

Das von den Motorkonstrukteuren bereitgestellte Gleichgewicht kann auf Null reduziert werden, wenn die folgenden Anforderungen an die Herstellung von Motorteilen, die Montage und die Einstellung seiner Komponenten nicht erfüllt sind: Gleichheit der Massen der Kolbengruppen; Gleichheit der Massen und gleiche Lage der Schwerpunkte der Pleuel; statisches und dynamisches Gleichgewicht der Kurbelwelle.

Beim Betrieb des Motors ist es erforderlich, dass identische Arbeitsvorgänge in allen seinen Zylindern gleich ablaufen. Und das hängt von der Zusammensetzung des Gemisches, dem Zündzeitpunkt oder der Kraftstoffeinspritzung, der Zylinderfüllung, den thermischen Bedingungen, der gleichmäßigen Verteilung des Gemisches auf die Zylinder usw. ab.

Auswuchten der Kurbelwelle. Die Kurbelwelle muss sich wie das Schwungrad als massives bewegliches Teil des Kurbelmechanismus gleichmäßig und ohne Schläge drehen. Zu diesem Zweck wird das Auswuchten durchgeführt, das darin besteht, die Unwucht der Welle relativ zur Drehachse zu ermitteln und Ausgleichsgewichte auszuwählen und zu befestigen. Das Auswuchten rotierender Teile wird in statisches und dynamisches Auswuchten unterteilt. Körper gelten als statisch ausbalanciert, wenn der Schwerpunkt des Körpers auf der Rotationsachse liegt. Das statische Auswuchten wird an rotierenden scheibenförmigen Teilen durchgeführt, deren Durchmesser größer als die Dicke ist.

Dynamisch Das Auswuchten ist unter der Bedingung des statischen Auswuchtens und der Erfüllung der zweiten Bedingung gewährleistet - die Summe der Momente der Zentrifugalkräfte der rotierenden Massen relativ zu jedem Punkt der Wellenachse muss gleich Null sein. Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, fällt die Rotationsachse mit einer der Hauptträgheitsachsen des Körpers zusammen. Das dynamische Auswuchten wird bei rotierender Welle auf speziellen Auswuchtmaschinen durchgeführt. Das dynamische Auswuchten bietet eine größere Genauigkeit als das statische Auswuchten. Daher werden Kurbelwellen, die erhöhten Anforderungen an die Wucht unterliegen, dynamisch ausgewuchtet.

Das dynamische Auswuchten wird auf speziellen Auswuchtmaschinen durchgeführt.

Auswuchtmaschinen sind mit einer speziellen Messausrüstung ausgestattet - einem Gerät, das die gewünschte Position des Auswuchtgewichts bestimmt. Die Masse der Ladung wird durch aufeinanderfolgende Proben bestimmt, wobei der Schwerpunkt auf den Messwerten der Instrumente liegt.

Während des Motorbetriebs wirken auf jede Kurbel der Kurbelwelle kontinuierlich und periodisch wechselnde Tangential- und Normalkräfte, die im elastischen System des Kurbelwellenstrangs unterschiedliche Torsions- und Biegeverformungen verursachen. Relative Winkelschwingungen von auf der Welle konzentrierten Massen, die ein Verdrehen einzelner Wellenabschnitte verursachen, werden als bezeichnet Torsionsschwingungen. Wechselbeanspruchungen durch Torsions- und Biegeschwingungen können unter Umständen zum Dauerbruch der Welle führen.

Torsionsschwingungen der Kurbelwellen gehen auch mit einem Verlust der Motorleistung einher und beeinträchtigen den Betrieb der damit verbundenen Mechanismen. Daher werden bei der Konstruktion von Motoren in der Regel die Kurbelwellen auf Torsionsschwingungen berechnet und gegebenenfalls die Konstruktion und Abmessungen der Kurbelwellenelemente geändert, um deren Steifigkeit zu erhöhen und die Trägheitsmomente zu verringern. Wenn diese Änderungen nicht zum gewünschten Ergebnis führen, können spezielle Torsionsschwingungsdämpfer verwendet werden - Dämpfer. Ihre Arbeit basiert auf zwei Prinzipien: Die Energie von Schwingungen wird nicht absorbiert, sondern durch dynamische Wirkung in Gegenphase gedämpft; Schwingungsenergie wird absorbiert.

Auf dem ersten Prinzip basieren Pendel-Torsionsschwingungsdämpfer, die ebenfalls in Form von Gegengewichten ausgeführt sind und über Stifte mit Bandagen verbunden sind, die an den Wangen des ersten Knies angebracht sind. Der Pendeldämpfer nimmt die Schwingungsenergie nicht auf, sondern sammelt sie nur beim Verdrehen der Welle und gibt die gespeicherte Energie beim Abwickeln in die Neutralstellung wieder ab.

Torsionsschwingungsdämpfer, die mit Energieabsorption arbeiten, erfüllen ihre Funktionen hauptsächlich durch Nutzung von Reibungskraft und werden in folgende Gruppen eingeteilt: trockene Reibungsdämpfer; flüssige Reibungsdämpfer; Absorber der molekularen (inneren) Reibung.

Diese Tilger sind in der Regel eine freie Masse, die im Bereich der größten Drehschwingungen durch eine nicht starre Verbindung mit dem Wellensystem verbunden ist.

Bei der Untersuchung der Kinematik der Kurbelwelle wird angenommen, dass sich die Motorkurbelwelle mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ω dreht , es gibt keine Lücken in den zusammenpassenden Teilen, und der Mechanismus wird mit einem Freiheitsgrad betrachtet.

In Wirklichkeit ist die Winkelgeschwindigkeit aufgrund der Ungleichförmigkeit des Motordrehmoments variabel. Daher muss bei speziellen Fragestellungen der Dynamik, insbesondere Drehschwingungen des Kurbelwellensystems, die Änderung der Winkelgeschwindigkeit berücksichtigt werden.

Die unabhängige Variable ist der Drehwinkel der Kurbelwelle Kurbel φ. Bei der kinematischen Analyse werden die Bewegungsgesetze der Kurbelwellenglieder und vor allem des Kolbens und der Pleuelstange ermittelt.

Die Ausgangsstellung des Kolbens wird am oberen Totpunkt eingenommen (Punkt IN 1) (Abb. 1.20), und die Drehrichtung der Kurbelwelle ist im Uhrzeigersinn. Gleichzeitig werden zur Identifizierung der Bewegungsgesetze und analytischen Abhängigkeiten die charakteristischsten Punkte ermittelt. Für den zentralen Mechanismus sind solche Punkte die Achse des Kolbenbolzens (Punkt BEI), Hin- und Herbewegung zusammen mit dem Kolben entlang der Achse des Zylinders und der Achse des Pleuelzapfens der Kurbel (Punkt ABER) dreht sich um die Achse der Kurbelwelle Ö.

Um die Abhängigkeiten der Kinematik der Kurbelwelle zu bestimmen, führen wir folgende Notation ein:

l- die Länge der Pleuelstange;

r- Radius der Kurbel;

λ - das Verhältnis des Kurbelradius zur Länge der Pleuelstange.

Für moderne Auto- und Traktormotoren beträgt der Wert λ = 0,25–0,31. Um die Trägheitskräfte der hin- und hergehenden Massen zu verringern, werden für schnelllaufende Motoren längere Pleuelstangen verwendet als für langsamlaufende.

β - der Winkel zwischen den Achsen der Pleuelstange und des Zylinders, dessen Wert durch die folgende Beziehung bestimmt wird:

Die größten Winkel β für moderne Auto- und Traktormotoren betragen 12–18°.

Bewegen (Pfad) Kolben hängt vom Drehwinkel der Kurbelwelle ab und wird durch das Segment bestimmt X(siehe Abb. 1.20), was gleich ist:

Reis. 1.20. Schema der zentralen KShM

Aus Dreiecken A1 AB und OA1A folgt dem

Angesichts dessen , wir bekommen:

Aus rechtwinkligen Dreiecken A1 AB und A 1 OA das stellen wir fest

Wo

dann setzen wir die erhaltenen Ausdrücke in die Formel für die Kolbenverschiebung ein und erhalten:

Seit damals

Die resultierende Gleichung charakterisiert die Bewegung von Teilen der Kurbelwelle in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle und zeigt, dass sich der Kolbenweg bedingt als aus zwei harmonischen Bewegungen bestehend darstellen lässt:

wo ist der Weg des Kolbens erster Ordnung, der bei Vorhandensein einer Pleuelstange unendlicher Länge stattfinden würde;

- der Weg des Kolbens zweiter Ordnung, d. H. Zusätzliche Bewegung, abhängig von der endgültigen Länge des Pleuels.

Auf Abb. 1.21 sind Kurven des Kolbenweges über dem Drehwinkel der Kurbelwelle angegeben. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass bei einer Drehung der Kurbelwelle um einen Winkel von 90° der Kolben mehr als die Hälfte seines Hubs zurücklegt.

Reis. 1.21. Veränderung des Kolbenweges in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle

Geschwindigkeit

wo ist die Winkelgeschwindigkeit der Rotation der Welle.

Die Kolbengeschwindigkeit kann als Summe zweier Terme dargestellt werden:

wo ist die sich harmonisch ändernde Geschwindigkeit des Kolbens erster Ordnung, d. h. die Geschwindigkeit, mit der sich der Kolben bei Vorhandensein einer unendlich langen Pleuelstange bewegen würde;

- sich harmonisch ändernde Kolbengeschwindigkeit zweiter Ordnung, d.h. die Geschwindigkeit der zusätzlichen Bewegung, die aufgrund des Vorhandenseins einer Pleuelstange endlicher Länge auftritt.

Auf Abb. 1.22 Kurven der Kolbengeschwindigkeit sind entsprechend dem Drehwinkel der Kurbelwelle angegeben. Die Werte der Drehwinkel der Kurbelwelle, bei denen der Kolben seine maximale Drehzahl erreicht, hängen ab? und dessen Anstieg in Richtung der Funklöcher verschoben.

Für praktische Schätzungen von Motorparametern wird das Konzept verwendet durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit:

Für moderne Automotoren Waw= 8–15 m/s, für Traktoren - Waw= 5–9 m/s.

Beschleunigung Kolben ist definiert als die erste Ableitung des Kolbenweges nach der Zeit:

Reis. 1.22. Änderung der Kolbengeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle

Die Kolbenbeschleunigung kann als Summe zweier Terme dargestellt werden:

wo ist die sich harmonisch ändernde Beschleunigung des Kolbens erster Ordnung;

– sich harmonisch ändernde Kolbenbeschleunigung zweiter Ordnung.

Auf Abb. 1.23 Kurven der Beschleunigung des Kolbens auf dem Drehwinkel der Kurbelwelle sind angegeben. Die Analyse zeigt, dass der maximale Beschleunigungswert auftritt, wenn sich der Kolben am OT befindet. Wenn sich der Kolben am unteren Totpunkt befindet, erreicht der Beschleunigungswert den minimalen (maximalen negativen) Wert mit entgegengesetztem Vorzeichen und sein Absolutwert hängt von &agr; ab.

Abbildung 1.23. Änderung der Kolbenbeschleunigung in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle

Vorlesung 4. KINEMATIK UND DYNAMIK VON KOLBENVERBRENNUNGSMOTOREN 1. Kinematik und Dynamik des Kurbeltriebs 2. Auswuchten des Motors Wärmekraftmaschine endgültiger Konverter. Das empfindliche Element dieses Konverters ist der Kolben 2 (siehe Abb. 1), dessen Boden den Druck von Gasen wahrnimmt. Die hin- und hergehende geradlinige Bewegung des Kolbens (unter Gasdruckeinwirkung) wird über Pleuel 4 und Kurbel 5 in eine Drehbewegung der Abtriebskurbelwelle umgewandelt.

Zu den beweglichen Teilen der Kurbelwelle gehört auch ein am hinteren Ende der Kurbelwelle montiertes Schwungrad. Die mechanische Energie einer rotierenden Kurbelwelle ist gekennzeichnet durch ein Drehmoment M und eine Drehfrequenz n. Zu den feststehenden Teilen der Kurbelwelle gehören Zylinderblock 3, Blockkopf 1 und Wanne 6. Abb. 1. Schema eines Kolbenverbrennungsmotors: 1 Blockkopf; 2 Kolben; 3 Zylinderblock; 4 Pleuel; 5 Kurbelwelle Kurbel; Gebrauchte Ölwanne (Ölwanne)

Arbeitsbedingungen von KShM-Teilen moderne Motoren, die mit dem Auftreffen von Gaskräften auf den Kolben verbunden sind, sind durch signifikante und schnell variable Geschwindigkeiten und Beschleunigungen gekennzeichnet. Pleuel und Kurbelwelle nehmen erhebliche Belastungen auf und übertragen diese. Eine Analyse aller auf die Motorkurbelwelle wirkenden Kräfte ist notwendig, um die Festigkeit der Motorelemente zu berechnen, die Belastungen auf die Lager zu bestimmen, die Motorbalance zu beurteilen und die Motorhalterungen zu berechnen. Die Größe und Art der Änderung der auf diese Teile einwirkenden mechanischen Belastungen wird auf der Grundlage einer kinematischen und dynamischen Untersuchung der Kurbelwelle bestimmt. Der dynamischen Berechnung geht eine thermische Berechnung voraus, die die Möglichkeit bietet, die Hauptabmessungen des Motors (Zylinderdurchmesser, Kolbenhub) zu wählen und die Größe und Art der Kraftänderung unter dem Einfluss des Gasdrucks zu ermitteln.

ABC Abb. 2. Die wichtigsten Konstruktionsschemata der Kurbelmechanismen von Automotoren: eine zentrale; b verschoben; c V-förmig 1. Kinematik und Dynamik des Kurbeltriebs In Automobil-Kolbenmotoren werden hauptsächlich CVs dreier Konstruktionsschemata verwendet (Abb. 2): a) Die zentrale oder axiale Achse des Zylinders schneidet sich mit der Achse des Zylinders Kurbelwelle; b) verschoben oder deaxial, die Achse des Zylinders ist um einen gewissen Abstand relativ zur Achse der Kurbelwelle verschoben; c) bei einem Anhängerpleuel sind zwei oder mehr Pleuel auf einem Kurbelwellenzapfen angeordnet.

Am weitesten verbreitet bei Automotoren ist die zentrale Kurbelwelle. Lassen Sie uns die Kinematik und Dynamik seiner Arbeit analysieren. Die Aufgabe der kinematischen Analyse der Kurbelwelle besteht darin, die Bewegungsgesetze von Kolben und Pleuel bei bekanntem Bewegungsgesetz der Kurbelwelle herzustellen. Bei der Ableitung der Hauptgesetzmäßigkeiten wird die ungleichmäßige Drehung der Kurbelwelle vernachlässigt, wobei angenommen wird, dass ihre Winkelgeschwindigkeit konstant ist. Die Position des Kolbens, die dem oberen Totpunkt entspricht, wird als Anfangsposition genommen. Alle Größen, die die Kinematik des Mechanismus charakterisieren, werden als Funktion des Drehwinkels der Kurbelwelle ausgedrückt. Kolbenweg. Aus dem Diagramm (siehe Abb. 2, a) folgt, dass die Verschiebung des Kolbens vom OT entsprechend der Drehung der Kurbelwelle um einen Winkel φ gleich Sn = ОА1 - ОА = R(l - cos φ) ist. + Lø (I - cosβ) (1 ) wobei R der Kurbelwellenradius m ist; L w ist die Länge der Pleuelstange, m. Aus der Trigonometrie ist cosβ = (l - sin2 φ) 2 bekannt, und aus Abb. 2, und daraus folgt (2)

Bezeichnend Der Ausdruck ist Newtons Binomial, das zu einer Reihe erweitert werden kann, Sie können schreiben Für Automotoren λ = 0,24 ... 0,31. (3) Unter Vernachlässigung der Terme der Reihe oberhalb der zweiten Ordnung akzeptieren wir mit ausreichender Genauigkeit für die Praxis das Einsetzen des erhaltenen Wertes von cosβ in den Ausdruck (1) und berücksichtigen, dass wir den endgültigen Ausdruck erhalten, der die Bewegung des Kolbens beschreibt

(4) Kolbengeschwindigkeit. Die Formel zur Bestimmung der Kolbengeschwindigkeit v n erhält man durch Differenzieren des Ausdrucks (4) nach der Zeit, (5) wobei die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle ist. Für eine vergleichende Bewertung der Konstruktion von Motoren wird das Konzept der durchschnittlichen Kolbengeschwindigkeit (m / s) eingeführt: wobei n die Kurbelwellendrehzahl in U / min ist. Bei modernen Automotoren variiert der Wert von vp.sr innerhalb von m/s. Je höher die durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit, desto schneller verschleißen die Führungsflächen von Zylinder und Kolben.

Kolbenbeschleunigung. Den Ausdruck für die Kolbenbeschleunigung j p erhält man durch Differenzieren von Ausdruck (5) nach der Zeit (6) Bild 2 zeigt die Kurven der Wegänderung, Geschwindigkeit und Beschleunigung des Kolbens in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle φ, aufgebaut nach den Formeln (4) ... (6) für eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle. Die Kurvenanalyse erlaubt uns folgendes festzustellen: beim Drehen der Kurbel aus Startposition bei der ersten Vierteldrehung (von φ = 0 bis φ = 90°) legt der Kolben einen größeren Weg Rλ zurück als bei der Drehung bei der zweiten Vierteldrehung, was eine größere mittlere Kolbengeschwindigkeit im ersten Viertel und größer bewirkt Verschleiß am oberen Teil des Zylinders; die Kolbengeschwindigkeit ist nicht konstant: an Totpunkten ist sie Null und hat einen Maximalwert bei φ nahe 75° und 275°; Die Kolbenbeschleunigung erreicht die höchsten absoluten Werte bei OT und UT, d.h. in jenen Momenten, in denen sich die Bewegungsrichtung des Kolbens ändert: In diesem Fall ist die Beschleunigung am OT größer als am UT; bei v nmax = 0 (Beschleunigung ändert ihr Vorzeichen).

Die Aufgabe der dynamischen Analyse der Kurbelwelle besteht darin, Berechnungsformeln zur Bestimmung der Größe und Art der Änderung der auf Kolben, Pleuel und Kurbelwelle wirkenden Kräfte sowie der während des Motorbetriebs in der Kurbelwelle auftretenden Kraftmomente zu erhalten. Die Kenntnis der auf die Teile der Kurbelwelle wirkenden Kräfte ist notwendig, um die Festigkeit der Motorelemente zu berechnen und die Belastungen auf die Lager zu bestimmen. Wenn der Motor läuft, wirken Kräfte aus dem Gasdruck im Zylinder und den Trägheitskräften der bewegten Massen des Mechanismus sowie Reibungskräfte und nutzbare Widerstandskräfte auf die Motorwelle auf die Teile der Kurbelwelle. Die Gasdruckkraft Р g, die auf den Kolben entlang der Zylinderachse wirkt, wird nach der Formel (7) berechnet, wobei Рi der Indikatorgasdruck (Druck über dem Kolben) bei einem bestimmten Drehwinkel der Kurbel, MPa, ist ; p 0 Druck im Kurbelgehäuse des Motors (unter dem Kolben), MPa; A p Fläche des Kolbenbodens, m 2.

Die Abhängigkeitskurven der Druckkraft des RG vom Drehwinkel der Kurbel φ sind in Abb. 1 dargestellt. 3. Beim Erstellen eines Diagramms wird berücksichtigt, dass die Kraft positiv ist, wenn sie auf die Kurbelwelle gerichtet ist, und negativ, wenn sie von der Welle weg gerichtet ist. Reis. 3. Änderung der Gasdruckkräfte, Massenträgheit und Gesamtkraft in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle

Die Trägheitskräfte werden je nach Art der Bewegung der beweglichen Teile des KShM in die Trägheitskräfte der hin- und hergehenden bewegten Massen R j und die Trägheitskräfte der rotierenden Massen R a unterteilt. Die Masse m w der Pleuelstange, die gleichzeitig an der Hin- und Herbewegung teilnimmt, wird durch zwei Massen m 1 und m 2 ersetzt, die in Cent A bzw. B des Kolben- und Kurbelkopfes konzentriert sind (Abb. 4, b). . Für ungefähre Berechnungen t x \u003d 0,275 t w und t 2 \u003d 0,725 t w. Die Trägheitskraft hin- und hergehender Massen (Kolben mit Ringen und Stift m p sowie Masse m w, Pleuel) wirkt entlang der Zylinderachse und ist gleich (8) Die Art der Änderung dieser Kraft ist ähnlich der Natur der Änderung der Beschleunigung des Kolbens j n. Das Minuszeichen zeigt an, dass Kraft- und Beschleunigungsrichtung unterschiedlich sind. Das Diagramm der Abhängigkeit von Р j vom Drehwinkel der Kurbel cp ist in Abb. 1 dargestellt. 3. Die Trägheitskraft der rotierenden Massen, die Zentrifugalkraft, ist entlang des Radius der Kurbel von ihrer Drehachse gerichtet und gleich (9)

Wobei t k die unausgeglichene Masse der Kurbel ist, die als auf der Achse der Kurbel am Punkt B konzentriert angesehen wird (Abb. 4, b); m sh.sh. - die Masse des Pleuelzapfens mit den angrenzenden und konzentrisch dazu angeordneten Teilen der Wangen; t y ist die Masse des mittleren Teils der Wange, die in der Kontur a-b-c-d-a eingeschlossen ist, deren Schwerpunkt sich in einem Abstand p von der Drehachse der Welle befindet (Abb. 4, a). Reis. 4. Das System der konzentrierten Massen, dynamisch äquivalent zum Kurbelmechanismus: ein Schema zur Reduzierung der Massen der Kurbel; b ist ein Diagramm des Kurbelmechanismus

Totale Stärke. Die Gasdruckkraft P g und die Trägheitskraft der hin- und hergehenden Massen P j wirken zusammen entlang der Achse des Zylinders. Um die Dynamik des CSM zu untersuchen, ist die Summe dieser Kräfte wichtig (P = P t + P j). Die Kraft P für verschiedene Drehwinkel der Kurbel ergibt sich durch algebraische Addition der Ordinaten der Punkte der Kurven P t und P j (siehe Fig. 3). Um die Wirkung der Gesamtkraft P auf die Teile der Kurbelwelle zu untersuchen, zerlegen wir sie in zwei Kraftkomponenten: R w , die entlang der Pleuelachse gerichtet sind, und N, die senkrecht zur Zylinderachse wirken ( Abb. 5, a): Wir übertragen die Kraft R w entlang ihrer Wirkungslinie auf den mittleren Kurbelzapfen (Punkt B) und ersetzen sie durch zwei Komponentenkräfte tangential (7) und radial (K): (10) (11)

Auf die Mitte O der Kurbel wenden wir zwei einander entgegengesetzte Kräfte T "und T" an, die gleich und parallel zur Kraft T sind. Die Kräfte T und T" sind mit einer Schulter gepaart, die dem Radius R der Kurbel entspricht. Das Moment dieses Kräftepaares, das die Kurbel dreht, wird das Drehmoment des Motors M D \u003d TR genannt. Wir übertragen die Radialkraft auf die Mitte O und finden die resultierenden Р w Kräfte K und T "(Abb. 5, b) . Die Kraft R w ist gleich und parallel zur Kraft R w. Die Ausdehnung der Kraft P w in Richtungen entlang der Achse des Zylinders und senkrecht dazu ergibt zwei Komponenten der Kraft P "und N". Die Kraft P" ist betragsmäßig gleich der Kraft P, die sich aus den Kräften P t und P zusammensetzt. Der erste der beiden Terme der Kraft wird durch die Druckkraft der Gase auf den Zylinderkopf ausgeglichen, der zweite Diese unausgeglichene Trägheitskraft der sich hin- und herbewegenden Teile Pj wird normalerweise durch die Summe zweier Kräfte (12) dargestellt, die als Trägheitskräfte der ersten (PjI) und zweiten (PjII) bezeichnet werden. Ordnungen. Diese Kräfte wirken entlang der Achse des Zylinders.

Die Kräfte N "und N (Abb. 5, c) bilden ein Kräftepaar mit einem Moment M opr \u003d -NH, das dazu neigt, den Motor umzukippen. Das Umkippmoment, auch Reaktionsmoment des Motors genannt, ist immer gleich dem Motordrehmoment, hat aber die entgegengesetzte Richtung.Dieses Moment wird durch die externen Motorlager auf den Fahrzeugrahmen übertragen.Unter Verwendung der Formel (10) sowie der Abhängigkeit M D \u003d TR können Sie das Indikatordrehmoment M d darstellen eines Einzylindermotors in Abhängigkeit vom Winkel φ (Abb. 6, a). Auf diesem Flächendiagramm, das sich oberhalb der Abszissenachse befindet, stellen Sie eine positive und unterhalb der Abszissenachse die negative Arbeit des Drehmoments dar. Dividieren der algebraischen Summe dieser Bereiche A durch die Länge des Graphen l, erhalten wir den Durchschnittswert des Moments, wobei M m die Skala des Moments ist

Um den Grad der Gleichmäßigkeit des Indikatordrehmoments des Motors zu bewerten, führen wir den Koeffizienten der Ungleichmäßigkeit des Drehmoments ein, wobei M max ; M min ; M avg bzw. die maximalen, minimalen und durchschnittlichen Indikatormomente. Mit zunehmender Anzahl von Motorzylindern nimmt der Koeffizient μ ab, d.h. die Gleichmäßigkeit des Drehmoments nimmt zu (Bild 6). Drehmomentungleichmäßigkeit verursacht Änderungen in der Winkelgeschwindigkeit von der Kurbelwelle, die durch den Hubungleichmäßigkeitskoeffizienten geschätzt wird: wobei: ω max ; ω min ; ω cf jeweils die größte, kleinste und mittlere Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle pro Zyklus,

Die angegebene Hubungleichmäßigkeit δ wird durch die Verwendung eines Schwungrades mit einem Trägheitsmoment J unter Verwendung der folgenden Beziehungen sichergestellt: - Skala des Drehwinkels der Kurbelwelle, 1 rad / mm i ab - (i Zylinderzahl, Segment ab in mm); n Drehzahl, U/min Überschüssige Arbeit wird grafisch bestimmt, die Werte von δ und J werden während der Konstruktion festgelegt. Für Automotoren δ = 0,01...0,02.

2. Auswuchten des Motors Der Motor gilt als ausgewuchtet, wenn im stationären Betriebszustand die auf seine Lager wirkenden Kräfte und Momente in Betrag und Richtung konstant oder gleich Null sind. Bei einem unausgewuchteten Motor verursachen die Variablen in Größe und Richtung der auf die Aufhängung übertragenen Kraft Vibrationen im Rahmen und der Karosserie unter dem Motor. Diese Schwankungen sind häufig die Ursache für zusätzliche Ausfälle von Fahrzeugkomponenten. Bei der praktischen Problemlösung von Auswuchtmotoren werden üblicherweise folgende auf die Kolbenmotorträger wirkende Kräfte und Momente berücksichtigt: a) die Trägheitskräfte der hin- und hergehenden Massen der Kurbelwelle erster Ordnung P jI und zweiter Ordnung P jII; b) Zentrifugalkraft der Trägheit rotierender Unwuchtmassen von KShM R c; c) Längsmomente M jI und M jII der Massenkräfte P jI und P jII ; d) Längszentrifugalmoment M c der Trägheitszentrifugalkraft R c.

Die Gleichgewichtsbedingungen des Motors werden durch das folgende Gleichungssystem beschrieben: (13) Das Auswuchten wird auf zwei Arten durchgeführt, die getrennt oder gleichzeitig angewendet werden: 1. durch die Wahl eines solchen Kurbelwellenkurbelschemas, bei dem die angegebenen Kräfte und Momente in verschiedenen Zylindern auftreten sind gegenseitig ausgewogen; 2. die Verwendung von Gegengewichten, d.h. Zusatzmassen, deren Trägheitskraft gleich groß und entgegengesetzt gerichtet ist wie die ausgeglichenen Kräfte. Betrachten Sie das Auswuchten eines Einzylindermotors, bei dem die Massenkräfte P jI , P jII , P c unausgeglichen sind. Die Trägheitskräfte der ersten Ordnung P jI und der zweiten Ordnung P jII können durch ein System zusätzlicher Gegengewichte vollständig ausgeglichen werden.

Die Kraft P jI \u003d m j Rω 2 cos φ wird ausgeglichen, wenn zwei Gegengewichte mit einer Masse m pr 1 auf zwei zusätzlichen Wellen parallel zur Kurbelwellenachse und symmetrisch zur Zylinderachse angeordnet sind und sich mit dem Kurbelwellenwinkel in entgegengesetzte Richtungen drehen Geschwindigkeit ω. Die Gegengewichte sind so installiert, dass die Richtung ihrer Aufhängung zu jedem Zeitpunkt einen Winkel mit der Vertikalen bildet, der dem Drehwinkel der Kurbelwelle φ entspricht (Abb. 7). Während der Drehung erzeugt jedes Gegengewicht eine Zentrifugalkraft, wobei p j der Abstand von der Drehachse des Gegengewichts zu seinem Schwerpunkt ist. Durch die Zerlegung der Vektoren zweier Kräfte in horizontale Y I- und vertikale X I-Komponenten sind wir überzeugt, dass für jedes φ die Kräfte Y I gegenseitig ausgeglichen sind und die Kräfte X I die resultierende Kraft R) vollständig ausgleichen können die Kraft P l abhängig von der Bedingung

Damit ist auch die Kraft P und ausgeglichen, nur die Gegengewichte rotieren in diesem Fall mit doppelter Winkelgeschwindigkeit 2ω (Fig. 7). Die Fliehkraft der Trägheit R c kann mit Hilfe von Gegengewichten vollständig ausgeglichen werden, die von der der Kurbel gegenüberliegenden Seite an den Wangen der Kurbelwelle angebracht werden. Die Masse jedes Gegengewichts m pr wird unter der Bedingung ausgewählt, wobei wobei p der Abstand vom Schwerpunkt des Gegengewichts zur Rotationsachse ist.

Das Schema der Trägheitskräfte, die in einem einreihigen 4-Zylinder-Motor wirken, ist in Abb. 8. Daraus ist ersichtlich, dass bei einer gegebenen Form der Kurbelwelle die Trägheitskräfte erster Ordnung durch Σ PjI \u003d 0 ausgeglichen werden. In der Längsebene des Motors bilden die Kräfte zwei Paare, das Moment P jI davon M jI \u003d P jI a. Da die Richtungen dieser Momente entgegengesetzt sind, sind sie auch ausgeglichen (Σ M jI = 0). Reis. 8. Schema der Trägheitskräfte, die in einem 4-Zylinder-Einreihenmotor wirken

Auch die Fliehkräfte und deren Momente und Trägheitsmomente zweiter Ordnung sind ausgeglichen, so dass bei einem 4-Zylinder-Motor die Kräfte P jII im Ungleichgewicht bleiben. Sie können wie oben erwähnt mit rotierenden Gegengewichten ausbalanciert werden, was jedoch die Konstruktion des Motors verkompliziert. Bei einem 6-Zylinder-Reihen-Viertaktmotor sind die Kurbelwellenkurbeln gleichmäßig in 120°-Intervallen beabstandet. Bei diesem Motor sind sowohl die Trägheitskräfte als auch ihre Momente vollständig ausgeglichen. Ein einreihiger 8-Zylinder-Viertaktmotor kann als zwei einreihige Vierzylinder-Motoren betrachtet werden, bei denen die Kurbelwellen um 90° zueinander gedreht sind. Bei einem solchen Motorschema sind auch alle Trägheitskräfte und ihre Momente ausgeglichen. Ein Diagramm eines V-förmigen 6-Zylinder-Viertaktmotors mit einem Winkel zwischen den Reihen von 90 ° (Zylindersturzwinkel) und drei Doppelkurbeln in einem Winkel von 120 ° ist in Abb. 9.

In jedem 2-Zylinder-Abschnitt sind die Resultierende der Trägheitskräfte erster Ordnung und die Resultierende der Trägheitskräfte der rotierenden Massen des linken und rechten Zylinders betragsmäßig konstant und entlang des Kurbelradius gerichtet. Die resultierenden Trägheitskräfte zweiter Ordnung im Profil sind unterschiedlich groß und wirken in der horizontalen Ebene. Auf Abb. 9 Kräfte P jI, P jII, P c - resultierende Trägheitskräfte für jeden Abschnitt gepaarter Zylinder, Striche in der Bezeichnung der Kräfte in der Abbildung geben die Nummer des Zylinderabschnitts an. Für den gesamten Motor (bei drei Zylinderpaaren) ist die Summe der Trägheitskräfte Null, d. h. die Summe der Momente der Trägheitskräfte erster Ordnung und der Fliehkräfte ist jeweils gleich und wirkt in einer durch die Achse verlaufenden Rotationsebene der Kurbelwelle und bildet mit der Ebene der ersten Kurbel einen Winkel von 30 °. Um diese Momente auszugleichen, sind an den beiden äußersten Wangen der Kurbelwelle Gegengewichte angebracht (siehe Abb. 9). Aus der Bedingung wird die Masse des Gegengewichts t pr bestimmt

Wobei b der Abstand zwischen den Schwerpunkten der Gegengewichte ist. Die gesamten Trägheitsmomentkräfte zweiter Ordnung wirken in der horizontalen Ebene. Üblicherweise wird ΣM jII nicht ausgeglichen, da dies mit einer erheblichen Verkomplizierung des Designs verbunden ist. Um das tatsächliche Gleichgewicht dem theoretischen bei der Herstellung von Motoren anzunähern, sind eine Reihe konstruktiver und technologischer Maßnahmen vorgesehen: - Die Kurbelwelle wird so steif wie möglich gemacht; - während der Montage werden hin- und hergehende bewegliche Teile als Satz mit dem kleinsten Unterschied in den Massen der Sätze in verschiedenen Zylindern desselben Motors ausgewählt; - zulässige Abweichungen in den Abmessungen der KShM-Teile werden so gering wie möglich eingestellt; - Rotierend bewegliche Teile sind sorgfältig ausgewuchtet, Kurbelwellen und Schwungräder sind dynamisch ausgewuchtet.

Das Auswuchten besteht darin, die Unwucht der Welle relativ zur Rotationsachse zu erkennen und sich selbst auszuwuchten, indem Metall entfernt oder Wuchtgewichte angebracht werden. Das Auswuchten rotierender Teile wird in statisches und dynamisches Auswuchten unterteilt. Ein Körper gilt als statisch ausgeglichen, wenn der Schwerpunkt des Körpers auf der Rotationsachse liegt. Das statische Auswuchten wird an rotierenden scheibenförmigen Teilen durchgeführt, deren Durchmesser größer als die Dicke ist. Das Teil ist auf einer zylindrischen Welle montiert, die auf zwei parallelen horizontalen Prismen platziert ist. Das Teil passt sich selbst an, indem es seinen schweren Teil nach unten dreht. Dieses Ungleichgewicht wird beseitigt, indem ein Gegengewicht an einem Punkt angebracht wird, der diametral gegenüber dem unteren (schweren) Teil des Teils liegt. In der Praxis werden zum statischen Auswuchten Geräte verwendet, mit denen Sie die Masse des Ausgleichsgewichts und den Ort seiner Installation sofort bestimmen können. Dynamisches Auswuchten ist unter der Bedingung des statischen Auswuchtens und der Erfüllung der zweiten Bedingung vorgesehen, die Summe der Momente der Zentrifugalkräfte der rotierenden Massen relativ zu jedem Punkt der Wellenachse muss gleich Null sein. Wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, fällt die Rotationsachse mit einer der Hauptträgheitsachsen des Körpers zusammen.

Das dynamische Auswuchten wird bei rotierender Welle auf speziellen Auswuchtmaschinen durchgeführt. GOST legt Auswuchtgenauigkeitsklassen für starre Rotoren sowie Auswuchtanforderungen und Methoden zur Berechnung von Unwuchten fest. So ist beispielsweise eine Motorkurbelwellenanordnung für einen Personenkraftwagen u LKW Es wird von der 6. Genauigkeitsklasse geschätzt, die Unwucht sollte innerhalb der Grenzen von mm rad/s liegen. Während des Motorbetriebs wirken auf jede Kurbel der Kurbelwelle kontinuierlich und periodisch wechselnde Tangential- und Normalkräfte, die im elastischen System des Kurbelwellenstrangs unterschiedliche Torsions- und Biegeverformungen verursachen. Als Torsionsschwingungen werden relative Winkelschwingungen von auf der Welle konzentrierten Massen bezeichnet, die zu einer Verwindung einzelner Wellenabschnitte führen. Wechselbeanspruchungen durch Torsions- und Biegeschwingungen können unter Umständen zum Dauerbruch der Welle führen. Berechnungen und experimentelle Untersuchungen zeigen, dass Biegeschwingungen weniger gefährlich für Kurbelwellen sind als Torsionsschwingungen.

Daher können Biegeschwingungen in erster Näherung bei Berechnungen vernachlässigt werden. Torsionsschwingungen der Kurbelwelle sind nicht nur für die Teile der Kurbelwelle gefährlich, sondern auch für die Antriebe verschiedener Motoreinheiten und für die Kraftübertragungseinheiten des Autos. Üblicherweise reduziert sich die Berechnung für Torsionsschwingungen auf die Ermittlung der Spannungen in der Kurbelwelle bei Resonanz, d.h. wenn die Frequenz der anregenden Kraft mit einer der Frequenzen der Eigenschwingungen der Welle zusammenfällt. Wenn die resultierenden Spannungen reduziert werden müssen, werden Torsionsschwingungsdämpfer (Dämpfer) an der Kurbelwelle installiert. In Autotraktormotoren werden am häufigsten interne (Gummi-) und Flüssigkeitsreibungsdämpfer verwendet. Sie arbeiten nach dem Prinzip, Schwingungsenergie aufzunehmen und anschließend in Form von Wärme abzugeben. Der Gummidämpfer besteht aus einer Trägheitsmasse, die durch eine Gummidichtung an die Scheibe vulkanisiert ist. Die Scheibe ist starr mit der Kurbelwelle verbunden. In Resonanzmodi beginnt die Trägheitsmasse zu schwingen und verformt die Gummidichtung. Die Verformung des letzteren trägt zur Absorption von Schwingungsenergie bei und "setzt" die Resonanzschwingungen der Kurbelwelle "aus".

Bei Flüssigkeitsreibungsdämpfern befindet sich die freie Trägheitsmasse in einem hermetisch dichten Gehäuse, das starr mit der Kurbelwelle verbunden ist. Der Raum zwischen den Körperwänden und der Masse wird mit einer speziellen hochviskosen Silikonflüssigkeit gefüllt. Beim Erhitzen ändert sich die Viskosität dieser Flüssigkeit geringfügig. Torsionsschwingungsdämpfer sollten an der Stelle der Welle eingebaut werden, wo die größte Schwingungsamplitude auftritt.

2.1.1 Auswahl l und Länge Lsh der Pleuelstange

Um die Bauhöhe des Motors ohne nennenswerten Anstieg der Trägheits- und Normalkräfte zu reduzieren, wurde in der thermischen Berechnung des Prototyps der Wert des Verhältnisses des Kurbelradius zur Pleuellänge von l = 0,26 angenommen Motor.

Unter diesen Umständen

wobei R der Radius der Kurbel ist - R = 70 mm.

Die Ergebnisse der auf einem Computer durchgeführten Berechnung des Kolbenhubs sind in Anhang B angegeben.

2.1.3 Winkeldrehzahl der Kurbelwelle u, rad/s

2.1.4 Kolbengeschwindigkeit Vp, m/s

2.1.5 Kolbenbeschleunigung j, m/s2

Die Ergebnisse der Berechnung der Geschwindigkeit und Beschleunigung des Kolbens sind in Anhang B angegeben.

Dynamik

2.2.1 Allgemeine Informationen

Die dynamische Berechnung des Kurbeltriebs dient der Bestimmung der Gesamtkräfte und -momente, die sich aus dem Druck von Gasen und aus den Massenkräften ergeben. Diese Kräfte werden verwendet, um die Hauptteile auf Festigkeit und Verschleiß zu berechnen, sowie um die Ungleichmäßigkeit des Drehmoments und den Ungleichmäßigkeitsgrad des Motors zu bestimmen.

Während der Motor läuft, wirken auf die Teile des Kurbeltriebs: Kräfte durch den Gasdruck im Zylinder; Trägheitskräfte hin- und hergehender bewegter Massen; Zentrifugalkräfte; Druck auf den Kolben aus dem Kurbelgehäuse (ungefähr gleich Atmosphärendruck) und Schwerkraft (diese werden normalerweise nicht in der dynamischen Berechnung berücksichtigt).

Alle im Motor wirkenden Kräfte werden wahrgenommen durch: nützliche Widerstände an der Kurbelwelle; Reibungskräfte und Motorlager.

Während jedes Arbeitsspiels (720 bei einem Viertaktmotor) ändern sich die im Kurbeltrieb wirkenden Kräfte kontinuierlich in Größe und Richtung. Um die Art der Änderung dieser Kräfte durch den Drehwinkel der Kurbelwelle zu bestimmen, werden ihre Werte daher für eine Reihe einzelner Wellenpositionen bestimmt, normalerweise alle 10 ... 30 0 .

Die Ergebnisse der dynamischen Berechnung sind in Tabellen zusammengefasst.

2.2.2 Gasdruckkräfte

Die auf die Kolbenfläche wirkenden Gasdruckkräfte werden zur Vereinfachung der dynamischen Berechnung durch eine entlang der Zylinderachse und nahe der Kolbenbolzenachse gerichtete Kraft ersetzt. Diese Kraft wird für jeden Zeitpunkt (Winkel u) gemäß dem aktuellen Indikatordiagramm bestimmt, das auf der Grundlage einer thermischen Berechnung erstellt wurde (normalerweise für normale Leistung und die entsprechende Anzahl von Umdrehungen).

Wiederaufbau Indikatordiagramm in einem erweiterten diagramm für den drehwinkel der kurbelwelle wird üblicherweise nach der methode von prof. F. Brix. Dazu wird unter dem Indikatordiagramm ein Hilfshalbkreis mit einem Radius R = S / 2 erstellt (siehe die Zeichnung auf Blatt 1 im A1-Format mit dem Titel „Indikatordiagramm in P-S-Koordinaten“). Weiter von der Mitte des Halbkreises (Punkt O) in Richtung N.M.T. Die Brix-Korrektur gleich R1/2 wird verschoben. Der Halbkreis wird durch Strahlen vom Zentrum O in mehrere Teile geteilt, und Linien parallel zu diesen Strahlen werden vom Zentrum von Brix (Punkt O) gezogen. Die auf dem Halbkreis erhaltenen Punkte entsprechen bestimmten Strahlen q (in der Zeichnung im Format A1 beträgt das Intervall zwischen den Punkten 30 0). Von diesen Punkten aus werden vertikale Linien gezogen, bis sie sich mit den Linien des Indikatordiagramms schneiden, und die erhaltenen Druckwerte werden auf der Vertikalen abgetragen

entsprechende Winkel c. Die Entwicklung des Indikatordiagramms beginnt normalerweise bei V.M.T. während des Ansaugtaktes:

a) ein Indikatordiagramm (siehe Abbildung auf Blatt 1 im A1-Format), das in einer thermischen Berechnung erhalten wurde, wird gemäß dem Drehwinkel der Kurbel nach der Brix-Methode eingesetzt;

Brix-Korrektur

wobei Ms die Skala des Kolbenhubs im Anzeigediagramm ist;

b) Skalen des entwickelten Diagramms: Druck Mp = 0,033 MPa/mm; Drehwinkel der Kurbel Mf \u003d 2 gr p c. / mm;

c) Gemäß dem erweiterten Diagramm werden alle 10 0 des Drehwinkels der Kurbel die Werte von Drg bestimmt und in die dynamische Berechnungstabelle eingetragen (in der Tabelle sind die Werte gegeben durch 30 0):

d) Gemäß dem erweiterten Diagramm sollte alle 10 0 berücksichtigt werden, dass der Druck auf dem zusammengeklappten Anzeigediagramm vom absoluten Nullpunkt aus gemessen wird und das erweiterte Diagramm den Überdruck über dem Kolben anzeigt

MN/m2 (2,7)

Daher sind die Drücke im Motorzylinder, die kleiner als der atmosphärische Druck sind, im erweiterten Diagramm negativ. Auf die Achse der Kurbelwelle gerichtete Gasdruckkräfte werden als positiv und von der Kurbelwelle als negativ betrachtet.

2.2.2.1 Gasdruckkraft auf den Kolben Рg, N

P g \u003d (r g - p 0) F P * 10 6 N, (2,8)

wobei F P in cm 2 und p g und p 0 - in MN / m 2 ausgedrückt wird.

Aus Gleichung (139, ) folgt, dass der Verlauf der Gasdruckkräfte Р g in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle denselben Änderungscharakter haben wird wie der Gasdruckverlauf Dr g.

2.2.3 Bringen der Massen der Teile des Kurbeltriebs

Nach der Art der Bewegung der Masse von Teilen des Kurbeltriebs kann man sie einteilen in hin- und herbewegte Massen (Kolbengruppe und oberer Pleuelkopf), Massen, die eine Drehbewegung ausführen (Kurbelwelle und unterer Pleuelkopf): ausführende Massen komplexe planparallele Bewegung (Pleuel).

Zur Vereinfachung der dynamischen Berechnung wird der eigentliche Kurbeltrieb durch ein dynamisch äquivalentes System konzentrierter Massen ersetzt.

Die Masse der Kolbengruppe wird nicht auf die Achse konzentriert betrachtet

Kolbenbolzen an Punkt A [2, Bild 31, b].

Die Masse der Pleuelgruppe m Ø wird durch zwei Massen ersetzt, von denen eine m ØП auf der Kolbenbolzenachse im Punkt A - und die andere m ØК - auf der Kurbelachse im Punkt B konzentriert ist Werte dieser Massen werden aus den Ausdrücken bestimmt:

wobei L SC die Länge der Pleuelstange ist;

L, MK - Abstand von der Mitte des Kurbelkopfes zum Schwerpunkt der Pleuelstange;

L ШП - Abstand von der Mitte des Kolbenkopfes zum Schwerpunkt der Pleuelstange

Unter Berücksichtigung des Zylinderdurchmessers - des S / D-Verhältnisses des Motors mit einer Reihenanordnung von Zylindern und einem ausreichend hohen Wert von p g - wird die Masse der Kolbengruppe (Kolben aus Aluminiumlegierung) auf t P eingestellt \u003d mj

2.2.4 Trägheitskräfte

Die im Kurbeltrieb wirkenden Trägheitskräfte entsprechend der Art der Bewegung der reduzierten Massen R g und die Fliehkraft der Trägheit der rotierenden Massen K R (Abbildung 32, a;).

Trägheitskraft von hin- und hergehenden Massen

2.2.4.1 Aus den am Computer erhaltenen Berechnungen wird der Wert der Trägheitskraft hin- und hergehender bewegter Massen bestimmt:

Ähnlich wie die Beschleunigung des Kolbens lässt sich die Kraft P j: als Summe der Trägheitskräfte erster Ordnung P j1 und zweiter Ordnung P j2 darstellen

In den Gleichungen (143) und (144) zeigt das Minuszeichen an, dass die Trägheitskraft in die der Beschleunigung entgegengesetzte Richtung gerichtet ist. Die Trägheitskräfte hin- und hergehender Massen wirken entlang der Zylinderachse und werden wie die Gasdruckkräfte als positiv angesehen, wenn sie zur Achse der Kurbelwelle gerichtet sind, und als negativ, wenn sie von der Kurbelwelle weg gerichtet sind.

Die Konstruktion der Trägheitskraftkurve hin- und hergehender Massen erfolgt mit ähnlichen Methoden wie die Konstruktion der Beschleunigungskurve

Kolben (siehe Abbildung 29), jedoch auf einer Skala von M p und M n in mm, in der ein Diagramm der Gasdruckkräfte aufgetragen ist.

Berechnungen P J sollten für dieselben Positionen der Kurbel (Winkel u) durchgeführt werden, für die Dr r und Drg bestimmt wurden

2.2.4.2 Fliehkraft der Trägheit rotierender Massen

Die Kraft K R ist betragsmäßig konstant (wenn w = const), wirkt entlang des Radius der Kurbel und ist konstant von der Achse der Kurbelwelle gerichtet.

2.2.4.3 Fliehkraft der Trägheit der rotierenden Massen des Pleuels

2.2.4.4 Im Kurbeltrieb wirkende Fliehkraft

2.2.5 Im Kurbeltrieb wirkende Gesamtkräfte:

a) Die im Kurbeltrieb wirkenden Gesamtkräfte werden durch algebraische Addition der Druckkräfte von Gasen und der Trägheitskräfte hin- und hergehender bewegter Massen bestimmt. Die Gesamtkraft konzentriert sich auf die Achse des Kolbenbolzens

P \u003d P G + P J, N (2.17)

Grafisch wird der Verlauf der Gesamtkräfte anhand von Diagrammen aufgebaut

Rg \u003d f (c) und P J \u003d f (c) (siehe Abbildung 30,

Die Gesamtkraft Р sowie die Kräfte Р g und Р J sind entlang der Achse der Zylinder gerichtet und wirken auf die Achse des Kolbenbolzens.

Der Stoß der Kraft P wird auf die Wände des Zylinders senkrecht zu seiner Achse und auf die Pleuelstange in Richtung ihrer Achse übertragen.

Die senkrecht zur Zylinderachse wirkende Kraft N wird als Normalkraft bezeichnet und von den Wänden des Zylinders N, N wahrgenommen

b) Die Normalkraft N wird als positiv angesehen, wenn das Moment, das sie relativ zur Achse der Kurbelwelle der Zapfen erzeugt, eine Richtung hat, die der Drehrichtung der Motorwelle entgegengesetzt ist.

Die Werte der Normalkraft Ntgv werden für l = 0,26 gemäß Tabelle ermittelt

c) die entlang der Pleuelstange wirkende Kraft S wirkt auf diese und wird dann * auf die Kurbel übertragen. Sie gilt als positiv, wenn sie die Pleuelstange zusammendrückt, und als negativ, wenn sie sie dehnt.

Kraft, die entlang der Pleuelstange S, N wirkt

S = P(1/cos in),H (2,19)

Aus der Wirkung der Kraft S auf den Hubzapfen ergeben sich zwei Kraftkomponenten:

d) entlang des Kurbelradius K, N gerichtete Kraft

e) Tangentialkraft, die tangential zum Kurbelradiuskreis T, N gerichtet ist

Die Kraft T wird als positiv angesehen, wenn sie die Wangen des Knies zusammendrückt.

2.2.6 Durchschnittliche Tangentialkraft pro Zyklus

wo P T - durchschnittlicher Anzeigedruck, MPa;

F p - Kolbenfläche, m;

f - Zyklusrate des Prototypmotors

2.2.7 Drehmomente:

a) nach dem Wert e) wird das Drehmoment eines Zylinders bestimmt

M cr.c \u003d T * R, m (2,22)

Die Kurve der Kraftänderung T in Abhängigkeit von q ist auch die Kurve der Änderung in M ​​cr.c, jedoch auf einer Skala

M m \u003d M p * R, N * m in mm

Um die Kurve des Gesamtdrehmoments M kr eines Mehrzylindermotors aufzuzeichnen, wird eine grafische Summierung der Drehmomentkurven jedes Zylinders durchgeführt, wobei eine Kurve relativ zur anderen um den Drehwinkel der Kurbel zwischen den Blitzen verschoben wird. Da die Größe und Art der Änderung der Drehmomente in Bezug auf den Drehwinkel der Kurbelwelle für alle Motorzylinder gleich sind, unterscheiden sie sich nur in Winkelintervallen, die gleich den Winkelintervallen zwischen Blitzen in einzelnen Zylindern sind, um dann die Summe zu berechnen Motordrehmoment, reicht es aus, einen Drehmomentverlauf von einem Zylinder zu haben

b) Bei einem Motor mit gleichen Blinkintervallen ändert sich das Gesamtdrehmoment periodisch (i ist die Anzahl der Motorzylinder):

Für einen Viertaktmotor bis O -720 / L deg. In der grafischen Konstruktion der Kurve M cr (siehe Blatt Papier 1 im A1-Format) ist die Kurve M cr.c eines Zylinders in eine Anzahl von Abschnitten gleich 720 - 0 (für Viertaktmotoren) unterteilt, alle Abschnitte der Kurve werden auf einen reduziert und zusammengefasst.

Die resultierende Kurve zeigt die Änderung des gesamten Motordrehmoments in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Kurbelwelle.

c) der Mittelwert des Gesamtdrehmoments M cr.av wird durch die unter der Kurve M cr eingeschlossene Fläche bestimmt.

wobei F 1 und F 2 jeweils die positive Fläche und die negative Fläche in mm 2 sind, die zwischen der M cr -Kurve und der AO-Linie eingeschlossen sind und der vom Gesamtdrehmoment geleisteten Arbeit entsprechen (für i ? 6 gibt es normalerweise kein negativer Bereich);

OA ist die Länge des Intervalls zwischen den Blitzen im Diagramm, mm;

M m ist die Skala der Momente. H * m in mm.

Der Moment M cr.av ist der durchschnittliche Indikatormoment

Motor. Das tatsächliche effektive Drehmoment, das von der Motorwelle abgenommen wird.

wo s m - mechanischer Wirkungsgrad des Motors

Die wichtigsten berechneten Daten zu den im Kurbeltrieb wirkenden Kräften für den Drehwinkel der Kurbelwelle sind in Anhang B angegeben.

Die Kurbelwelle ist während des Motorbetriebs folgenden Kräften ausgesetzt: vom Gasdruck auf den Kolben, der Trägheit der sich bewegenden Massen des Mechanismus, der Schwerkraft einzelner Teile, der Reibung in den Gliedern des Mechanismus und dem Energiewiderstand Empfänger.

Die Berechnung der Reibungskräfte ist sehr schwierig und wird bei der Berechnung der Kräfte der Belastungskurbelwellen meist nicht berücksichtigt.

Bei WOS und SOD werden die Gewichtskräfte von Teilen aufgrund ihrer unbedeutenden Größe im Vergleich zu anderen Kräften normalerweise vernachlässigt.

Die Hauptkräfte, die in der KShM wirken, sind also die Kräfte aus dem Druck von Gasen und die Trägheitskräfte bewegter Massen. Die Kräfte aus dem Gasdruck hängen von der Art des Ablaufs des Arbeitszyklus ab, die Trägheitskräfte werden durch die Größe der Massen der beweglichen Teile, die Größe des Kolbenhubs und die Drehzahl bestimmt.

Das Auffinden dieser Kräfte ist notwendig, um Motorteile auf Festigkeit zu berechnen, Lagerbelastungen zu identifizieren, den Grad der ungleichmäßigen Drehung der Kurbelwelle zu bestimmen und die Kurbelwelle auf Torsionsschwingungen zu berechnen.

Bringen Sie die Massen von Teilen und Links von KShM

Um die Berechnungen zu vereinfachen, werden die tatsächlichen Massen der beweglichen Teile der Kurbelwelle durch die reduzierten Massen ersetzt, die an den charakteristischen Punkten der Kurbelwelle konzentriert und dynamisch oder im Extremfall statisch den realen verteilten Massen entsprechen.

Als charakteristische Punkte der Kurbelwelle werden die Mittelpunkte des Kolbenbolzens, des Pleuelzapfens und ein Punkt auf der Achse der Kurbelwelle genommen. Bei Kreuzkopfdieseln wird statt der Mitte des Kolbenbolzens die Mitte des Kreuzkopfquerträgers als charakteristischer Punkt genommen.

Translatorisch bewegte Massen (LMM) M s bei Rumpfdieselmotoren umfassen die Masse des Kolbens mit Ringen, Kolbenbolzen, Kolbenringen und einen Teil der Masse des Pleuels. Bei Kreuzkopfmotoren umfasst die reduzierte Masse die Masse des Kolbens mit Ringen, Stange, Kreuzkopf und einen Teil der Masse der Pleuelstange.

Es wird davon ausgegangen, dass das reduzierte LHD M S entweder in der Mitte des Kolbenbolzens (Kofferraum-ICEs) oder in der Mitte des Kreuzkopf-Kreuzkopfs (Kreuzkopfmotoren) konzentriert ist.

Die Unwuchtrotationsmasse (NVM) M R besteht aus dem verbleibenden Teil der Masse des Pleuels und dem Teil der Masse der Kurbel, reduziert auf die Achse des Pleuelzapfens.

Die verteilte Masse der Kurbel wird bedingt durch zwei Massen ersetzt. Eine Masse befindet sich in der Mitte des Pleuelzapfens, die andere auf der Achse der Kurbelwelle.

Die ausbalancierte rotierende Masse der Kurbel verursacht keine Trägheitskräfte, da der Schwerpunkt ihrer Masse auf der Drehachse der Kurbelwelle liegt. Das Trägheitsmoment dieser Masse geht jedoch als Anteil in das reduzierte Trägheitsmoment der gesamten KShM ein.

Bei Vorhandensein eines Gegengewichts wird seine verteilte Masse durch eine reduzierte konzentrierte Masse ersetzt, die sich in einem Abstand des Kurbelradius R von der Drehachse der Kurbelwelle befindet.

Das Ersetzen der verteilten Massen von Pleuel, Knie (Kurbel) und Gegengewicht durch konzentrierte Massen wird als Massenreduzierung bezeichnet.

Bringt die Massen der Pleuelstange

Das dynamische Modell einer Pleuelstange ist ein gerades Liniensegment (eine schwerelose starre Stange) mit einer Länge gleich der Länge der Pleuelstange L mit zwei an den Enden konzentrierten Massen. Auf der Achse des Kolbenbolzens ist die Masse des translatorisch bewegten Teils der Pleuelstange M shS, auf der Achse des Pleuelzapfens - die Masse des rotierenden Teils der Pleuelstange M shR.

Reis. 8.1

M w - die tatsächliche Masse der Pleuelstange; cm. - Schwerpunkt der Pleuelstange; L ist die Länge der Pleuelstange; L S und L R - Abstände von den Enden der Pleuelstange zu ihrem Massenmittelpunkt; M shS - die Masse des translatorisch beweglichen Teils der Pleuelstange; M shR - Masse des rotierenden Teils der Pleuelstange

Für eine vollständige dynamische Äquivalenz einer realen Pleuelstange und ihres dynamischen Modells müssen drei Bedingungen erfüllt sein

Um alle drei Bedingungen zu erfüllen, müsste ein dynamisches Modell eines Pleuels mit drei Massen erstellt werden.

Zur Vereinfachung der Berechnungen wird das Zwei-Massen-Modell beibehalten, beschränkt auf die Bedingungen nur der statischen Äquivalenz

In diesem Fall

Wie aus den erhaltenen Formeln (8.3) ersichtlich ist, ist es zur Berechnung von M wS und M wR erforderlich, L S und L R zu kennen, d. h. Lage des Massenmittelpunkts der Pleuelstange. Diese Werte können rechnerisch (grafisch-analytisch) oder experimentell (durch Schwingen oder Wiegen) ermittelt werden. Sie können die Summenformel von Prof. V. P. Terskich

wobei n die Motordrehzahl ist, min -1.

Kann man auch grob nehmen

M wS ? 0,4 M W; M wR ? 0,6M m.

Bringt die Massen der Kurbel

Das dynamische Modell der Kurbel lässt sich als Radius (schwereloser starrer Stab) mit zwei Massen an den Enden M to und M to 0 darstellen.

Statische Äquivalenzbedingung

wo ist die Masse der Wange; - Teil der Masse der Wange, reduziert auf die Achse des Pleuelzapfens; - Teil der Wangenmasse, reduziert auf die Ruderachse; c - Abstand vom Massenschwerpunkt der Wange zur Drehachse der Kurbelwelle; R ist der Radius der Kurbel. Aus den Formeln (8.4) erhalten wir

Als Ergebnis nehmen die reduzierten Massen der Kurbel die Form an

wo ist die Masse des Pleuelzapfens;

Die Masse des Rahmenhalses.

Reis. 8.2

Bringen der Massen des Gegengewichts

Das dynamische Gegengewichtsmodell ähnelt dem Kurbelmodell.

Abb.8.3

Reduzierte unausgeglichene Gegengewichtsmasse

wo ist die tatsächliche Masse des Gegengewichts;

c 1 - Abstand vom Massenmittelpunkt des Gegengewichts zur Drehachse der Kurbelwelle;

R ist der Radius der Kurbel.

Es wird davon ausgegangen, dass die reduzierte Masse des Gegengewichts an einem Punkt in einem Abstand R zum Massenmittelpunkt relativ zur Achse der Kurbelwelle angeordnet ist.

Dynamisches Modell von KShM

Das dynamische Modell der KShM als Ganzes basiert auf den Modellen ihrer Glieder, während die an denselben Punkten konzentrierten Massen summiert werden.

1. Reduzierte Translationsmasse konzentriert in der Mitte des Kolbenbolzens oder Kreuzkopfes

M S \u003d M P + M PC + M KR + M ØS, (8.9)

wobei M P die Masse des Kolbensatzes ist;

M PCS - Masse des Stabs;

M CR - Traversenmasse;

M ØS - PDM-Teil der Pleuelstange.

2. Reduzierte unausgeglichene rotierende Masse konzentriert in der Mitte des Kurbelzapfens

M R = Ì Ê + Ì ØR , (8.10)

wo M K - unausgeglichener rotierender Teil der Kniemasse;

M SHR - HBM Teile der Pleuelstange;

Normalerweise werden zur Vereinfachung der Berechnungen absolute Massen durch relative ersetzt.

wo F p - Kolbenfläche.

Tatsache ist, dass sich die Trägheitskräfte mit dem Druck von Gasen summieren und bei Verwendung von Massen in relativer Form die gleiche Dimension erhalten. Darüber hinaus variieren die Werte von m S und m R für Dieselmotoren des gleichen Typs in engen Grenzen und ihre Werte sind in spezieller Fachliteratur angegeben.

Wenn es notwendig ist, die Gewichtskräfte von Teilen zu berücksichtigen, werden sie durch die Formeln bestimmt

wobei g die Freifallbeschleunigung ist, g = 9,81 m/s 2 .

Vorlesung 13. 8.2. Massenkräfte eines Zylinders

Bei Bewegung der KShM entstehen Trägheitskräfte aus den translatorisch bewegten und rotierenden Massen der KShM.

Trägheitskräfte LDM (bezogen auf F П)

Thermodynamischer Kolben für Schiffsmotoren

q S = -m S J. (8.12)

Vorzeichen „-“, weil die Richtung von Trägheitskräften normalerweise umgekehrt zum Beschleunigungsvektor gerichtet ist.

Zu wissen, dass wir bekommen

Am OT (b = 0).

B UT (b = 180).

Bezeichnen wir die Amplituden der Trägheitskräfte erster und zweiter Ordnung

P I \u003d - m S Rsh 2 und P II \u003d - m S l Rsh 2

q S = P I cosb + P II cos2b, (8.14)

wobei P I cosb - Trägheitskraft des PDM erster Ordnung;

P II cos2b - Trägheitskraft zweiter Ordnung LDM.

Die Trägheitskraft q S wirkt auf den Kolbenbolzen und ist entlang der Achse des Arbeitszylinders gerichtet, ihr Wert und Vorzeichen hängen von b ab.

Die Trägheitskraft erster Ordnung PDM P I cosb kann als Projektion eines bestimmten Vektors auf die Zylinderachse dargestellt werden, der vom Zentrum der Kurbelwelle entlang der Kurbel gerichtet ist und so wirkt, als ob es sich um eine Fliehkraft der Trägheit der Masse m S handelt in der Mitte des Kurbelzapfens.

Reis. 8.4

Die Projektion des Vektors auf die horizontale Achse stellt einen fiktiven Wert P I sinb dar, da ein solcher Wert in Wirklichkeit nicht existiert. Dementsprechend existiert auch der Vektor selbst, der der Zentrifugalkraft ähnelt, nicht und wird daher als fiktive Trägheitskraft erster Ordnung bezeichnet.

Die Einführung in die Berücksichtigung von fiktiven Trägheitskräften, die nur eine reale vertikale Projektion haben, ist eine bedingte Technik, die es ermöglicht, die Berechnungen des LDM zu vereinfachen.

Der fiktive Trägheitskraftvektor erster Ordnung lässt sich als Summe zweier Komponenten darstellen: der entlang der Zylinderachse gerichteten realen Kraft P I cosb und der senkrecht dazu gerichteten fiktiven Kraft P I sinb .

Die Trägheitskraft 2. Ordnung P II cos2b lässt sich ähnlich darstellen als Projektion des Vektors P II der fiktiven Trägheitskraft 2. Ordnung PDM auf die Zylinderachse, die mit der Zylinderachse einen Winkel von 2b einschließt und mit einem Winkel umläuft Geschwindigkeit von 2sh.

Reis. 8.5

Die fiktive Trägheitskraft der PDM zweiter Ordnung kann auch als Summe zweier Komponenten dargestellt werden, von denen die eine das reale P II cos2b ist, das entlang der Zylinderachse gerichtet ist, und die zweite das fiktive P II sin2b ist, das senkrecht dazu gerichtet ist Erste.

Trägheitskräfte HBM (bezeichnet als F П)

Die Kraft q R wird auf die Achse des Pleuelzapfens aufgebracht und entlang der Kurbel von der Achse der Kurbelwelle weg gerichtet. Der Trägheitskraftvektor dreht sich zusammen mit der Kurbelwelle in die gleiche Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit.

Wenn Sie es so verschieben, dass der Anfang mit der Achse der Kurbelwelle zusammenfällt, kann es in zwei Komponenten zerlegt werden

vertikal;

Horizontal.

Reis. 8.6

Gesamtträgheitskräfte

Die Gesamtträgheitskraft des LDM und NVM in der vertikalen Ebene

Betrachtet man die Trägheitskräfte erster und zweiter Ordnung getrennt, so ergibt sich in der vertikalen Ebene die gesamte Trägheitskraft erster Ordnung

Trägheitskraft zweiter Ordnung in der Vertikalebene

Die vertikale Komponente der Trägheitskräfte erster Ordnung neigt dazu, den Motor einmal pro Umdrehung anzuheben oder gegen das Fundament zu drücken, und die Trägheitskraft zweiter Ordnung – zweimal pro Umdrehung.

Die Trägheitskraft erster Ordnung in der horizontalen Ebene neigt dazu, den Motor während einer Umdrehung einmal von rechts nach links und zurück zu bewegen.

Die kombinierte Wirkung der Kraft aus dem Gasdruck auf den Kolben und den Trägheitskräften der Kurbelwelle

Der im Motorbetrieb erzeugte Gasdruck wirkt sowohl auf den Kolben als auch auf den Zylinderkopf. Das Änderungsgesetz P = f(b) wird durch ein experimentell oder rechnerisch ermitteltes detailliertes Indikatordiagramm bestimmt.

1) In Anbetracht dessen Rückseite atmosphärischer Druck wirkt auf den Kolben, wir finden den Überdruck von Gasen am Kolben

P g \u003d P - P 0, (8.19)

wobei P der aktuelle absolute Druck der Gase in der Flasche ist, entnommen aus dem Indikatordiagramm;

P 0 - Umgebungsdruck.

Abb.8.7 - Kräfte, die in der KShM wirken: a - ohne Berücksichtigung der Trägheitskräfte; b - unter Berücksichtigung der Trägheitskräfte

2) Unter Berücksichtigung der Trägheitskräfte wird die auf die Mitte des Kolbenbolzens wirkende vertikale Kraft als treibende Kraft bestimmt

Pd = Rg + qs. (8.20)

3) Wir zerlegen die Antriebskraft in zwei Komponenten - die Normalkraft P n und die auf die Pleuelstange wirkende Kraft P w:

P n \u003d R d tgv; (8.21)

Die Normalkraft P n drückt den Kolben auf die Zylinderlaufbuchse bzw. den Kreuzkopfschieber auf seine Führung.

Die auf das Pleuel P W wirkende Kraft staucht oder dehnt das Pleuel. Es wirkt entlang der Pleuelachse.

4) Wir übertragen die Kraft P w entlang der Wirkungslinie auf die Mitte des Kurbelzapfens und zerlegen sie in zwei Komponenten - die Tangentialkraft t, die tangential zu dem durch den Radius R beschriebenen Kreis gerichtet ist

und radiale Kraft z, die entlang des Radius der Kurbel gerichtet ist

Zusätzlich zur Kraft P w wird die Trägheitskraft q R auf die Mitte des Pleuelzapfens aufgebracht.

Dann die Gesamtradialkraft

Wir übertragen die Radialkraft z entlang ihrer Wirkungslinie auf die Mitte des Rahmenhalses und wenden an der gleichen Stelle zwei zueinander ausgeglichene Kräfte und parallel und gleich der Tangentialkraft t an. Ein Kräftepaar t und dreht die Kurbelwelle. Das Moment dieses Kräftepaares heißt Drehmoment. Absoluter Drehmomentwert

M cr = tF p R. (8.26)

Die Summe der Kräfte und z, die auf die Kurbelwellenachse aufgebracht werden, ergibt die resultierende Kraft, die die Lager des Kurbelwellenrahmens belastet. Lassen Sie uns die Kraft in zwei Komponenten zerlegen - vertikal und horizontal. Die vertikale Kraft dehnt zusammen mit der Gasdruckkraft auf die Zylinderabdeckung die Details des Skeletts und wird nicht auf das Fundament übertragen. Entgegengesetzt gerichtete Kräfte und bilden ein Kräftepaar mit einer Schulter H. Dieses Kräftepaar neigt dazu, den Rahmen um die horizontale Achse zu drehen. Das Moment dieses Kräftepaares wird als Kipp- oder Umkehrmoment M def bezeichnet.

Das Kippmoment wird über den Motorrahmen auf die Fundamentrahmenstützen, auf den Schiffsfundamentrumpf übertragen. Daher muss M ODA durch das externe Reaktionsmoment r f des Schiffsfundaments ausgeglichen werden.

Das Verfahren zur Bestimmung der in der KShM wirkenden Kräfte

Diese Kräfte werden tabellarisch berechnet. Der Berechnungsschritt sollte anhand der folgenden Formeln ausgewählt werden:

Für Zweitakt; - für Viertakt,

wobei K eine ganze Zahl ist: i ist die Anzahl der Zylinder.

Antriebskraft pro Kolbenfläche

P d \u003d R g + q s + g s + P tr. (8.20)

Die Reibungskraft P tr wird vernachlässigt.

Wenn gs? 1,5 % P z , dann vernachlässigen wir ebenfalls.

Die Werte von P g werden anhand des Drucks des Indikatordiagramms P bestimmt.

P g \u003d P - P 0. (8.21)

Die Trägheitskraft wird analytisch bestimmt

Reis. 8.8

Die Antriebskraftkurve Pd ist der Ausgangspunkt für die Darstellung von Kraftdiagrammen Pn = f(b), Psh = f(b), t = f(b), z = f(b).

Zur Überprüfung der Richtigkeit des Aufbaus des Tangentialdiagramms ist es erforderlich, die über den Drehwinkel der Kurbel gemittelte Tangentialkraft t vgl.

Aus dem Diagramm der Tangentialkraft ist ersichtlich, dass t cf als das Verhältnis der Fläche zwischen der Linie t \u003d f (b) und der Abszissenachse zur Länge des Diagramms definiert ist.

Die Fläche wird durch ein Planimeter oder durch Trapezintegration bestimmt

wobei n 0 die Anzahl der Abschnitte ist, in die der erforderliche Bereich unterteilt ist;

y i - Ordinaten der Kurve an den Grenzen der Diagramme;

Nachdem Sie t cp in cm bestimmt haben, wandeln Sie es mithilfe der Skala entlang der y-Achse in MPa um.

Reis. 8.9 - Diagramme der Tangentialkräfte eines Zylinders: a - Zweitaktmotor; b - Viertaktmotor

Die Indikatorarbeit pro Zyklus kann in Bezug auf den durchschnittlichen Indikatordruck Pi und den Durchschnittswert der Tangentialkraft tcp wie folgt ausgedrückt werden

P ich F p 2Rz = t cp F p R2ð,

wobei der Zyklusfaktor z = 1 für Zweitakt-Verbrennungsmotoren und z = 0,5 für Viertakt-Verbrennungsmotoren ist.

Für Zweitaktmotoren

Für Viertaktmotoren

Die zulässige Abweichung sollte 5 % nicht überschreiten.