Динамика кривошипно-шатунного механизма

Тема: КИНЕМАТИКА и ДИНАМИКА КШМ ДВС.

План

1. Кинематика кривошипно-шатунного механизма ДВС.

2. Динамика КШМ.

3. Уравновешивание двигателей.

4. Крутильные колебания коленчатого вала.

Содержание лекции

Кинематика КШМ двигателей внутреннего сгорания.

Кинематика механизмов – раздел теории механизмов, который изучает движение звеньев механизма

Кривошипно-шатунный механизм поршневого двигателя служит для преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня, воспринимающего давление газов, во вращательное движение коленвала.

Рассмотрим схему центрального КШМ двигателя рис. 1.

Основными геометрическими размерами КШМ являются радиус R кривошипа коленвала и длина шатуна L.

 

Поршень перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ.) до нижней мертвой точки (НМТ.) совершая полный ход S.

Шатун совершает переносное движение вместе с поршневым пальцем и качательное вокруг поршневого пальца, отклоняясь от оси цилиндра на угол β.

Коленчатый вал совершает вращательное движение, при этом φ – угол поворота кривошипа коленчатого вала;

При повороте кривошипа на угол φ, перемещение поршня составит Sφ

Рисунок 1

Наибольшее отклонение шатуна β max ≤ 15-17^о

будет при φ, равным 90 и 270^о.

 

 

Задачами кинематики кривошипно-шатунного механизма является определение угловой скорости и ускорения кривошипа коленчатого вала и перемещения, скорости и ускорения поршня.

 

Угловая скорость ω вращения коленчатого вала определяется как первая производная углового перемещения кривошипа по времени. При условии постоянства угловой скорости она может быть выражена через заданное число оборотов коленчатого вала в минуту

ω = dφ/dt = 2πп/60 ≈ 0,1047 п рад/сек.

Угловое перемещение кривошипа φ при ω = const определяется по формуле равномерного движения

φ = ωt или φ = 6nt°

где – ω угловая скорость вращения коленчатого вала, с^{- 1};

n – частота вращения коленчатого вала, мин.^{- 1}

Перемещение поршня S_φ (рис.1).

На рисунке 2 представлены кривые перемещения поршня в зависимости от угла поворота кривошипа.

Рис. 2. Кривые перемещений поршня.

При φ = 0° S_п = 0;

При φ = 90° S_п = R (1 + λ/2);

При φ = 180° S_п = 2 R

При повороте кривошипа от положения ВМТ на первые 90° (φ = 90°) перемещение поршня значительно больше, чем при повороте кривошипа на следующие 90° (φ = 180°). Это объясняется тем, что движение поршня происходит под влиянием двух причин: перемещения шатуна вдоль оси цилиндра, и отклонения оси шатуна от оси цилиндра, с которой он совпадает при положении поршня в ВМТ. Оба эти фактора вызывают перемещение поршня в одном направлении, вследствие чего поршень при повороте кривошипа на первые 90° от ВМТ проходит больше половины своего хода.

Скорость поршня.

На рисунке 3 приведены кривая зависимости скорости поршня от угла поворота кривошипа. Скорость поршня считается положительной, когда её вектор направлен от ВМТ к НМТ, и отрицательной при обратном направлении вектора.

В ВМТ и НМТ скорость поршня равна нулю вследствие изменения в этих точках направления движения поршня. При φ = 90° v_п = Rω, т.е.скорость поршня равна окружной скорости оси шатунной шейки.

 

Для современных автомобильных двигателей v_п = 10…16 м/с.

Рис. 3. Кривые скорости поршня.

 

Ускорение поршня.

Зависимость ускорения поршня jп в зависимости от угла поворота криво-

шипа коленчатого вала показано на рис. 11.4.

 

Рис. 4. Кривые ускорений поршня.

Из графиков ускорения поршня видно,

При φ = 0° ω_птах = Rω ²(1 + λ);

При φ = 180° ω_птin = - Rω ²(1 - λ);

Ускорение поршня положительно, если его вектор направлен к оси коленчатого вала. У ВМТ ускорение всегда положительно, а у НМТ – отрцательно, независимо от направления движения поршня. В тот момент, когда шатун и кривошип образуют прямой угол, ускорение поршня равно нулю.

Динамика кривошипно-шатунного механизма