ТРАКТОРИ І АВТОМОБІЛІ, частина І Електронний посібник
Головна Анотація Теоретичні відомості Додатки Список використаних джерел Укладачі	2. ОСНОВИ ТЕОРІЇ АВТОТРАКТОРНИХ ДВИГУНІВ
	2.2. Кінематика і динаміка корбово-гонкового механізму 2.2.1. Загальні відомості 2.2.2. Методи і засоби зрівноваження двигунів 2.2.1. Загальні відомості Корбово-гонковий механізм (КГМ), який перетворює поступальний рух поршня на обертальний рух: колінчастого вала, поділяють на: центральний (нормальний), вісь циліндра якого перетинає вісь колінчастого вала; зміщений (дезаксіальний), вісь циліндра якого зміщена від осі колінчастого вала на відстань, меншу ніж 10 % ходу поршня; з причіпними гонками, в якому два чи більше гонка передають зусилля на одну гонкову шийку. Перший тип КГМ переважно застосовують в автотракторних двигунах, другий – у деяких автомобільних двигунах для зниження тиску, що сприймається поршнем і гільзою циліндра. Вибір розташування й кількості циліндрів істотно залежить від місцезнаходження двигунів на тракторі чи автомобілі, що передбачає мінімальні габарити, доступність до механізмів і систем під час виконання технічного обслуговування та збиральнорозбиральних робіт. Важливою умовою є також забезпечення конструкційної зрівноваженості сил інерції та крутних моментів від них, а також рівномірності крутного моменту. Найменші габаритний об'єм і питому масу мають двигуни з розвалом циліндрів 90°; за 60° досягається добра рівномірність крутного моменту. У процесі роботи двигуна деталі КГМ зазнають дії сил тиску газів у циліндрах, сил інерції рухомих мас деталей, сил тертя та сил тяжіння. Внаслідок складності визначення сил тертя в розрахунках КГМ їх не враховують, силами тяжіння нехтують. Сили тиску газів залежать від способу здійснення робочого циклу, змінюються за складними законами. Тому їх визначають за індикаторними діаграмами (розрахунковими чи експериментальними). Сили інерції залежать від маси деталей, що рухаються зі змінними швидкостями і прискореннями. Їх поділяють на сили інерції від зворотно-поступальних мас (поршень, палець, кільця, верхня головка гонка) Pj та сили інерції від обертальних мас (корбаколінчастого вала, нижня головка гонка) Pв (відцентрові сили). Сили Pj через поршневі пальці передаються до вальниць колінчастого вала, корпусу двигуна. У багатоциліндрових двигунах від сил інерції Pj та Pв виникають моменти, які діють на корпус і кріплення опор. Ефективний момент передається від двигуна до трансмісії, але водночас виникає протилежно спрямований рівновеликий реактивний момент, що діє на корпус у площині, перпендикулярній до колінчастого вала, зумовлюючи його коливання. Для спрощення розрахунків справжній КГМ замінюють на динамічну модель: маси деталей ототожнюють з умовними масами, зосередженими в певних точках механізму, закони руху яких відомі. Масу комплекту поршня вважають зосередженою на осі поршневого пальця. Схема сил, що діють у корбово-гонковому механізмі, зображена на рис. 2.2.1. Сили, що діють у двигуні, можна поділити на внутрішні та зовнішні. До внутрішніх сил належить сила тиску газу, яку можна обчислити множенням тиску газу на площу днища поршня. Ця сила діє на деталі двигуна короткочасно, але має значну величину. Так, для двигуна СМД-62 вона досягає 12 - 16 т (120 - 160 кН), у карбюраторних двигунах вона приблизно в 3 - 4 рази менше. Такі великі навантаження на поршень, гонок, корбу ставлять високі вимоги до міцності цих деталей, які слід враховувати в конструкціях корбово-гонкового механізму. Тиск газів всередині циліндра діє на стінки в усіх напрямках однаково і рівнодійна сил тиску в точках кріплення двигуна до рами дорівнює нулю. Рис. 2.2.1. Схема сил, що діють у корбово-гонковому механізмі: Рг - сила тиску газів; Pj - сила інерції (викликає вібрацію); Pсум - рівнодійна сил тиску газів та інерції; N - нормальна сила (викликає знос циліндрів); t - тангенціальна сила; Z - радіальна сила; Pt - сила, що діє нагонок; Pв - відцентрована сила інерції До зовнішніх сил належатьсили інерції, що спричинюють вібрацію. І хоча за величиною вони значно менші від сил тиску газів, тривалість впливу сил інерції значно більша, ніж сил газів. Поршневі двигуни внутрішнього згоряння з корбово-гонковим механізмом мають обмеження за частотою обертання колінчастого вала. Причиною цього є сили інерції зворотно-поступальних мас, які визначають за формулою: , де mj - маса поршня та 1/3 маси шатуна, віднесена до поршня; r - радіус кривошипа колінчастого вала; ω - кутова швидкість обертання колінчастого вала; - довжина гонка (рис 2.2). Рис. 2.2.2. Схема корбово-гонкового механізму У наведену формулу входить сила інерції першого порядку: (1.2) з періодом зміни 360^о, і сила інерції другого порядку: з періодом зміни 180о. На рис. 1.3 показано характер зміни сили Pj за два оберти колінчастого вала. Сумарну силу одержують векторним додаванням сил тиску газів і сил інерції: У разі розкладання її на складові одержують дві сили: силу Pt, що діє на ганок, і силу N, що притискує поршень до стінки циліндра і спричинює спрацьовуваність цих деталей. На плечі H ця сила створює перекидальний момент. Після перенесення сили Pt за лінєю дії до з'єднання гонка з корбою колінчастого вала, її можна розкласти на дві складові: силу t, що на плечі r (радіус корби) створює крутний момент двигуна, і силу Z, що діє на корбу колінчастого вала. Крім того, під час обертання колінчастого вала виникають відцентрові сили інерції мас, що обертаються; вони разом з силою дії газів Z навантажують щоки: , де mr – неврівноважена частина маси корби і 2/3 маси гонка, віднесеної до корби. Якщо скласти сили Pв і t можна одержати силу, яка діє на окремі елементи корби. На рис. 2.2.3 показано характер зміни сили t за два оберти колінчастого вала, яка діє на одну корбу та створює крутний момент на радіусі корби і спричиняє обертання колінчастого вала. Частина площі F діаграми тангенціальної сили, розміщена над горизонтальною прямою tср, є надлишковою роботою. Енергія, еквівалентна цій роботі, акумулюється маховиком та віддається ним на других тактах. Через це обертання колінчастого вала є нерівномірним. Рис. 2.2.3. Сила інерції Pj та тангенціальна сила t, які діють в двигуні за цикл 2.2.2. Методи і засоби зрівноваження двигунів Наявність сил інерції, моментів сил інерції, а також перевертального моменту викликає зовнішню незрівноваженість двигуна. Для зменшення впливу сил і моментів вживають різні конструкційні заходи: вибір відповідної кількості циліндрів та їх розташування, встановлення противаг і зрівноважувальних механізмів. При цьому забезпечують дотримання допусків на маси поршнів, гонків, колінчастого вала та інших деталей; балансування колінчастого вала; ідентичність робочого процесу в усіх циліндрах. Отже, зрівноважування двигуна – це комплекс конструкційних, виробничих та експлуатаційних заходів, спрямованих на зменшення або повне усунення незрівноважених вільних сил інерції та моментів. В одноциліндровому двигуні діють сили інерції першого порядку PjI, другого порядку PjII та відцентрова сила Pв (рис. 2.2.4). Сили Pj і Pв необхідно зрівноважувати. Зазвичай сили інерції другого порядку через їх малі значення не зрівноважують. Лінії дії всіх сил перебувають в одній площині й перетинаються з віссю колінчастого вала в одній точці, тому незрівноважені моменти відсутні. Для зрівноважування Pв на щоках колінчастого вала встановлюють противаги. Сили PjI і PjII можна зрівноважити за допомогою спеціального механізму (додаткові вали з противагами на кінцях), але через складність конструкції його застосовують обмежено. Рис. 2.2.4. Схема дії сил інерції в одноциліндровому двигуні У двоциліндровому двигуні через розвертання корб колінчастого вала на 180о сума проекцій сил інерції першого порядку на вертикальну вісь дорівнює нулю. Сума проекцій сил інерції другого порядку відмінна від нуля, але через малі значення її зазвичай не зрівноважують. Сума проекцій відцентрових сил мас, що обертаються, також дорівнює нулю. Сили інерції PjI в обох циліндрах однакові і спрямовані в протилежні боки, тобто ΣPjI = 0. У площині осей циліндрів сили PjI утворюють незрівноважений момент: ΣMjI = PjI·Lц, де Lц – відстань між осями циліндрів. Цей момент зрівноважують за допомогою спеціального механізму, що складається з додаткових валів з противагами на кінцях, які обертаються з подвоєною кутовою швидкістю відносно колінчастого вала в протилежному напрямку (рис. 2.2.5) та противаг, які розміщені на маховику і шківі урухомника вентилятора. Рис. 2.2.5. Зрівноважувальний механізм двигуна Д-21 Сили PjII в обох циліндрах однакові, спрямовані в один бік і створюють рівнодійну силу: ΣPjIІ = 2mj Rω^2 λ cos 2φ Оскільки λ в сучасних двигунах становить λ=0,22-0,28, то ця сила незначна і зрівноважуванню не підлягає. Сили Pв від першого й другого циліндрів взаємно зрівноважені, а момент дії цих сил зрівноважується противагами. У чотирициліндровому двигуні незрівноваженими є тільки сили інерції другого порядку, які здебільшого залишають вільними (крім двигуна А-41, в якому застосовано оригінальний зрівноважувальний механізм (рис. 2.2.5). Рис. 2.2.6. Зрівноважувальний механізм двигуна А-41 3 аналізу схеми розміщення корб і напрямків сил інерції в однорядному чотирициліндровому двигуні (рис. 2.2.7.) випливає: сили інерції PjI взаємно зрівноважуються і їх сума дорівнює нулю; це саме стосується і моментів цих сил; сили інерції PjII для всіх циліндрів однакові і спрямовані в один бік. Їх рівнодійна: ΣPjII = 4РjІІ = -4mjRω^2 λ. cos 2φ Рис. 2.2.7. Схема дії сил інерції в однорядному чотирициліндровому двигуні Рівнодійну ΣPjII можна зрівноважити за допомогою спеціального механізму (як у однорядному двоциліндровому двигуні). Сумарний момент цих сил дорівнює нулю. Відцентрові сили інерції Pв для всіх циліндрів однакові й попарно взаємно зрівноважуються, а їх рівнодійна також дорівнює нулю. Незважаючи на конструкційну зрівноваженість відцентрових сил у деяких чотирициліндрових двигунах колінчасті вали мають противаги (для розвантаження корінних вальниць від дії цих сил). Колінчастий вал двоциліндрового V-подібного двигуна з кутом між циліндрами 90° – з одним коліном, на гонковій шийці якого встановлено два гонка. Рівнодійна PjІ стала й спрямована вздовж радіусакорби, може бути зрівноважена збільшенням маси противаг, які застосовують для зрівноваження відцентрових сил інерції. Рівнодійна РjІІ не зрівноважена і передається на опори двигуна. Оскільки сили інерції першого й другого порядку діють в одній площині, перпендикулярній до осі колінчастого вала, то вони не створюють незрівноваженого моменту. Восьмициліндровий V-подібний двигун можна розглядати як сукупність чотирьох двоциліндрових V-подібних з одним чотириколінним валом. У такому двигуні за допомогою противаг на щоках колінчастого вала зрівноважують сили інерції першого порядку, відцентрові сили та їхні моменти. Сили інерції другого порядку зрівноважуються взаємно. Повністю зрівноваженими є шестициліндрові рядні двигуни. Питання для самоконтролю: 1. Які бувають типи КГМ? 2. Які сили діють в КГМ під час роботи двигуна? 3. Як поділяються сили інерції, що діють в КШМ. 4. Які вживають конструкційні заходи для зменшення впливу сил і моментів? 5. Який двигун вважається найбільш зрівноваженим?
	Попередня тема	На початок	Наступна тема