Кинематические характеристики движения

В автомобильных двигателях в основном используются следую­щие типы кривошипно-шатунного механизма (рис. 8.1): централь­ный (аксиальный), смещенный (дезаксиальный). Комбинируя дан­ные схемы, можно сформировать кривошипно-шатунный меха­низм (КШМ) как линейного, так и многорядного многоцилинд­рового двигателя. При этом смещенный механизм возможен в двух вариантах. В первом случае ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала, а во втором — ось поршневого пальца сме­щена относительно оси цилиндра.

Рис. 8.1 Кинематические схемы КШМ:

а – центральная линия; б – смещенная линия

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

Расчетная кинематическая схема КШМ представлена на рис. 8.2. Основными геометрическими параметрами, определяющими за­коны движения элементов центрального КШМ, являются: r — радиус кривошипа коленчатого вала; l_ш — длина шатуна.

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

В смещенных КШМ имеется еще один геометрический пара­метр, влияющий на его кинематику, — смещение оси цилиндра (пальца) относительно оси коленчатого вала а. При этом относи­тельное смещение k = а/r является дополнительным к λ критери­ем кинематического подобия смещенных КШМ. Таким образом, подобные смещенные КШМ имеют одинаковые λ и k, где k изме­няется от 0,02 до 0,1.

Рис. 8.2 Расчетные схемы КШМ: а – центральная; б – смещенная.

При кинематическом анализе КШМ приняты следующие до­пущения:

угловая скорость (частота вращения) коленчатого вала ω по­стоянна;

элементы КШМ абсолютно жесткие;

зазоры в подвижных сочленениях КШМ отсутствуют.

Кинематику КШМ можно полностью описать, если известны законы изменения во времени следующих параметров:

перемещения поршня X. Начало отсчета (X = 0) соответствует положению поршня в ВМТ; положительное направление отсчета принято при его движении от ВМТ к НМТ при вращении криво­шипа по ходу часовой стрелки;

угла поворота кривошипа φ (начало отсчета — положение кри­вошипа при нахождении поршня в ВМТ);

угла отклонения шатуна β от оси цилиндра (β = 0 при φ = 0).

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

Для постоянной частоты вращения коленчатого вала φ = ωt и ω = πn/30.

Кинематика поршня. Кинематика возвратно-поступательно дви­жущегося поршня описывается зависимостями его перемещения Х_φ, скорости υ_φ и ускорения j_φ в функции угла поворота кривоши­па φ.

Перемещение поршня при повороте кривошипа на угол φ опре­деляется как сумма его смещений от поворота кривошипа на угол φ(X_I) и отклонения шатуна на угол β(Х_II): X = r + l_ш - r cosφ - l_ш соs β

или окончательно с учетом λ = r/l_ш X = r[(1-соsφ) + (1/λ)(1-соsβ)].

С достаточной для практических расчетов точностью можно упростить эту зависимость: X = r[(1 - соsφ) + (λ/4)(1 - соs2φ)] = Х_I+Х_II.

Скорость поршня определяется как первая производная от пе­ремещения поршня по времени:

и приближенно .

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

Для современных двигателей λ составляет 1,62... 1,64.

Ускорение поршня определяется производной от скорости пор­шня по времени:

и приближенно

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

Для дезаксиального КШМ приближенные значения υ и j име­ют вид:

С учетом того, что для современных двигателей произведение kλ = 0,01...0,05 и его влияние на кинематику механизма невели­ко, на практике им обычно пренебрегают.

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