Файл: Кшм в паровых машинах 3 кшм в двигателях внутреннего сгорания 5.docx

(Рисунок 12)



Рисунок 12. Устройство коленчатого вала

4. 
   Маховик. Он крепится к фланцу на торцевой части коленчатого вала. Маховик вращается вместе с валом двигателя и частично демпфирует неизбежные в любом ДВС рывковые нагрузки. Но основная задача маховика – раскручивать коленчатый вал (а с ним и цилиндро-поршневую группу), чтобы поршни не замерли в “мертвой точке”. Таким образом, часть мощности двигателя расходуется на поддержку вращения маховика. (Рисунок 13)
   

Рисунок 13. устройство маховика двигателя.

Неподвижной группой можно назвать внешнюю часть двигателя, в которой находится КШМ.

1. 
   Блок цилиндров. По сути, это корпус, в котором располагаются непосредственно цилиндры, каналы системы охлаждения, посадочные места распредвала, коленчатого вала и т.д. Он может выполняться из чугуна или алюминиевого сплава, и сегодня производители всё чаще используют алюминий, чтобы облегчить конструкцию. Для этой же цели вместо сплошного литья используются ребра жесткости, которые облегчают конструкцию без потери прочности. На боковых сторонах блока цилиндров располагаются посадочные места для вспомогательных механизмов двигателя.(Рисунок 14)
   

Рисунок 14. Блок цилиндров.

2. 
   Головка блока цилиндров (ГБЦ). Устанавливается на блок цилиндров и закрывает его сверху. В ГБЦ предусмотрены отверстия для клапанов, впускного и выпускного коллекторов, крепления распредвала (одного или больше), крепления для других элементов двигателя. К ГБЦ, снизу, крепится прокладка (1) — пластина, которая герметизирует стык между блоком цилиндров и ГБЦ. В ней предусмотрены отверстия для цилиндров и крепежных болтов. А сверху — клапанная крышка (5), — ею закрывается ГБЦ сверху, когда двигатель собран и готов к запуску. Прокладка клапанной крышки. Это тонкая пластина, которая укладывается по периметру ГБЦ и герметизирует стык.
   

Рисунок 15. Устройство ГБЦ

---

1 — прокладка ГБЦ; 2 — ГБЦ; 3 — сальник; 4 — прокладка крышки ГБЦ; 5 — крышка клапанная; 6- прижимная пластина; 7 — пробка маслозаливной горловины; 8 — прокладка пробки; 9 — направляющая втулка клапана; 10 — установочная втулка; 11 — болт крепления головки блока

Принцип работы КШМ:

В цилиндрах двигателя сгорает распыленное и смешанное с воздухом топливо. Такая дисперсия предполагает не медленное горение, а мгновенное, благодаря чему воздух в цилиндре резко расширяется.

Поршень, который в момент начала горения топлива находится в верхней точке, резко опускается вниз. Это прямолинейное движение поршня в цилиндре.

Шатун соединен с поршнем и коленчатым валом так, что может двигаться (отклоняться) в одной плоскости. Поршень толкает шатун, который надет на шейку коленчатого вала. Благодаря подвижному соединению, импульс от поршня через шатун передается на коленчатый вал по касательной, то есть вал делает поворот.

Поскольку все поршни по очереди толкают коленчатый вал по тому же принципу, их возвратно-поступательное движение переходит во вращение коленчатого вала.

Маховик добавляет импульс вращения, когда поршень находится в «мертвых» точках.

Интересно, что для старта двигателя нужно сначала раскрутить маховик. Для этой цели нужен стартер, который сцепляется с зубчатым венцом маховика и раскручивает его, пока мотор не заведется. Закон сохранения энергии в действии.
Остальные элементы двигателя: клапаны, распредвалы, толкатели, система охлаждения, система смазки, ГРМ и прочие – необходимые детали и узлы для обеспечения работы КШМ.

---

2. Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма

Целью кинематического расчёта кривошипно-шатунного механизма является определение перемещений, скоростей и ускорений его элементов, на основе которых оцениваются силы, действующие в деталях КШМ при проведении динамического расчёта и анализ нагруженности деталей двигателя.

Основная задача кинематического расчёта КШМ – получение от угла поворота коленчатого вала  зависимостей:

1) перемещения поршня x_п= f ();

2) скорости поршня v_п = f ();

3) ускорения поршня j_п = f ().

Различают КШМ центральный и дезаксиальный. Для упрощения задачи рассмотрим только центральный.


Рисунок 2.1 - Схема КШМ
Анализ схемы центрального КШМ (рисунок 2.1) показывает, что все указанные зависимости являются функциями двух переменных – угла поворота кривошипа  и угла качания шатуна . Например, для перемещения поршня справедливо выражение

, (1)

где _ш = R / l_ш – коэффициент длины шатуна.
Для перехода к одной переменной в классической теории ДВС косинус угла качания шатуна раскладывают в ряд

…. , (2)
При этом оставляют только первые два члена и после преобразований получают зависимость перемещения поршня от угла поворота кривошипа и от удвоенного этого угла

 . (14.3)

Можно использовать другой подход и при этом получить точную зависимость x_п= f (). Рассмотрим два прямоугольных треугольника (рис. 14.2) – OCB и ACB со смежной стороной CB.

Исходя из представленной схемы, имеем x_п = R + l_ш – R cos – l_ш cos. Но сторона CB = R sin = l_ш sin. Тогда угол качания шатуна

---

 = arc sin(_ш sin). (14.4)

Или перемещение поршня только в функции от угла поворота кривошипа:

x_п = R(1 – cos) + l_ш{1 – cos[arcsin(_ш sin)]. (14.5)

Исключительно из геометрических соотношений можно получить ещё одну зависимость для перемещения поршня (см. рис. 14.2.) x_п = R + l_ш – AC – OC. Но с учётом равенств: OC = R cos;   , имеем

 . (14.6)

После дифференцирования x_п= f () получают выражения для скорости поршня  и его ускорения   .

При классическом подходе:

 ; (14.7)

 . (14.8)

На основе точной зависимости, например (14.6), получаем:

 ; (14.9)

 . (14.10)

Анализ зависимостей для x_п, v_п и j_п показывает, что при постоянной угловой скорости коленчатого вала указанные функции не постоянны. Так за угол поворота кривошипа на  = 90 от ВМТ поршень проходит больше половины пути к НМТ. Причём, чем короче шатун, тем больший путь пройдёт поршень за этот угол. И в пределе, если принять _ш = 1, то есть при длине шатуна равной радиусу кривошипа, за первые 90 от ВМТ поршень пройдёт весь путь к НМТ (x_{п 90} = S) и будет там находиться в течение следующих 180 угла ПКВ. Но затем для такого КШМ, чтобы поршень начал движение к ВМТ ему необходим толчок извне. Максимальной величины скорость поршня достигает при перпендикулярном положении кривошипа относительно шатуна |v_п^max| =  R, а минимальной – в мёртвых точках v_п = 0. Наибольшего ускорения, а значит и сил инерции, поршень достигает в ВМТ, а наименьшего, но тоже значительного по модулю, в НМТ. Причём эти величины пропорциональны квадрату угловой скорости коленчатого вала .

---

Характерные графические зависимости кинематических характеристик КШМ (для ЯМЗ-236 при _N = 220) приведены на рис. 14.3.

В КШМ двигателя различают силы:

- давления газов;

- инерции;

- трения.

Силу давления газов F_г определяют как произведение площади проекции днища поршня A_п на разность давлений в цилиндре p и в картере, где последнее соответствует атмосферному p₀ = 0,1 Мпа

F_г = A_п ( p – p₀ ), (14.11)

Д ля построения графической зависимости F_г = f () используют результаты теплового расчёта двигателя и графическую методику проф. Брикса Ф.А. Суть последней заключается в следующем. Под индикаторной диаграммой, построенной в координатах V-p (см. рис. 14.4), проводят вниз полуокружность диаметром V_h. Центр этой полуокружности O располагается в середине V_h. От точки O в сторону V_a откладывается отрезок, так называемая поправка Брикса, другим концом которого является точка O’. Длина поправки Брикса в масштабе индикаторной диаграммы определяется как OO’=R_ш/2. Из точки O проводят лучи с интервалом 10 … 30. А из центра Брикса (т. O’ ) проводят параллельные лучам линии до пересечения с полуокружностью. Из этих точек ведут вертикальные линии до пересечения с индикаторной диаграммой, где и снимаются значения давления p в цилиндре для формулы (14.11) F_г = f ().

Так как в (14.8) для j_п в качестве аргумента присутствует угол поворота коленчатого вала  и удвоенная его величина 2, различают силы инерции поступательно движущихся масс первого и второго порядков:

F_jп1 = –m_п ² R cos ; (14.12)

F_jп2 = –m_п ² R _ш cos2 , (14.13)

где m_п – поступательно движущаяся масса, к которой относят массы поршня с кольцами, поршневого пальца и верхней головки шатуна.

Если же использовать точную зависимость для ускорения поршня, то силу инерции поступательно движущихся масс можно вычислить

 . (14.14)

В любом случае максимальной величины силы инерции поступательно движущихся масс КШМ достигают в ВМТ. Направлены они против действия газовых сил и равны

---