1.1 Кинематика кривошипно-шатунного механизма

При проведении кинематического исследования кривошипно-шатунного механизма используем уравнения кинематики, полученные для поршневых машин в общем и опубликованные в литературных источниках.

Кинематические исследования проводим исходя из следующих положений:

1. Рассматривается только центральный (аксиальный, нормальный) кривошипно-шатунный механизм, где ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала.

2. Предполагается, что вращение коленчатого вала происходит с постоянной угловой скоростью щ = const на заданном скоростном режиме работы двигателя.

3. Независимой переменной принимается угол поворота первого кривошипа коленчатого вала (град.) или (рад), отсчитываемый от положения кривошипа первого цилиндра, соответствующего положению поршня в нем в верхней мертвой точке (ВМТ) такта впуска (для четырехтактных двигателей) или ВМТ такта сжатия (для двухтактных двигателей). При этом поворот коленчатого вала (пкв) = 0? или = 0 рад (ГОСТ ДОО 23550 ? 79).

4. Основными геометрическими размерами кривошипно-шатунного механизма являются: радиус кривошипа R и длина шатуна L.

5. Характеристикой кривошипно-шатунного механизма двигателя является отношение л = R/L, которое для современных автотракторных двигателей лежит в пределах: л = R/L = 0,23...0,31.

При выборе л для проектируемого двигателя необходимо руководствоваться следующими соображениями: с точки зрения уменьшения нормальных усилий на стенку цилиндра более длинный шатун (т.е. меньшее значение л) предпочтительнее. Однако с уменьшением значения л происходит увеличение высоты и массы шатуна, что приводит к росту сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс КШМ. При коротком шатуне возникает опасность задевания шатуна за нижнюю кромку цилиндра, а юбки поршня - за коленчатый вал.

В общих случаях анализа кинематики кривошипно-шатунного механизма принимают л = 0,25.

6. Кривошипно-шатунный механизм включает три группы движущихся деталей, различающихся характером своего движения:

а) детали, совершающие вращательное движение ? кривошип коленчатого вала и т.д.;

б) детали, совершающие прямолинейное движение ? поршневая группа;

в) детали, совершающие сложное плоско-параллельное движение ? шатунная группа.

7. В кинематическом исследовании выявляются закономерности изменений по углу поворота кривошипа:

а) перемещения детали ;

б) скорости детали ;

в) ускорения детали .

Радиус кривошипа принимаем в соответствии с принятым прототипом:

R = S/2 = 70/2 = 35 мм.

Принимаем = R/Lш =0,25.

Длина шатуна будет:

Lш = R/0,25 = 35/0,25 = 140 мм.

Кривошип коленчатого вала совершает простое вращательное движение.

Поршень совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение.

Перемещение поршня определим по формуле:

Используя данное выражение, аналитическим путём определяем значения перемещения поршня от ВМТ до НМТ для ряда промежуточных значений и результаты заносим в таблицу 1.1.1.

Уравнение текущей скорости поршня может быть получено путём дифференцирования уравнения текущего перемещения поршня по времени. Скорость поршня определим по формуле:

где угловая скорость кривошипа будет:

Результаты значения скоростей поршня для ряда промежуточных значений заносим в таблицу 1.1.1.

Средняя скорость поршня представляет собой классификационный параметр и положена в основу теории подобия движения. Среднюю скорость поршня определим по формуле:

Этот параметр определяет не только быстроходность двигателя, но и характеризует его конструкцию с точки зрения тепловой и динамической напряженности, а также линейного износа цилиндров.

Максимальная скорость поршня будет:

Положения кривошипа в моменты максимального значения скорости поршня найдём из зависимости:

Получаем углы положения кривошипа, соответствующие максимальным скоростям поршня равными:

Уравнение текущего ускорения поршня может быть получено путём дифференцирования уравнения скорости по времени (или второй производной от уравнения перемещения по времени). Ускорение поршня вычислим по формуле:

Ускорение достигает максимальных значений при положении поршня в ВМТ (), а минимальные (наибольшие отрицательные) значения его имеют место в НМТ () и составляют соответственно:

Результаты значения скоростей поршня для ряда промежуточных значений заносим в таблицу 1.1.1.

Таблица 1.1.1 - Перемещение, скорость и ускорение поршня