Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Главная / Оснастка /  

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) воспринимает давление газов при рабочем ходе и преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленвала. КШМ состоит из блока цилиндров с головкой, поршней с кольцами, поршневых пальцев, шатунов, коленчатого вала, маховика и поддона картера.

Принцип действия кривошипно-шатунного механизма

Основная же задача лежит на этом механизме, ведь он преобразовывает возвратно-поступательное перемещение поршня во вращение коленчатого вала, того вала, от движения которого и производится полезное действие.

Устройство КШМ

Чтобы было более понятно, в двигателе есть цилиндро-поршневая группа, состоящая из гильз и поршней. Сверху гильза закрыта головкой, а внутри ее помещен поршень. Закрытая полость гильзы и является пространством, где производится сгорание топливной смеси.

При сгорании объем горючей смеси значительно возрастает, а поскольку стенки гильзы и головка являются неподвижными, то увеличение объема воздействует на единственный подвижный элемент этой схемы – поршень.

То есть поршень воспринимает на себя давление газов, выделенных при сгорании, и от этого смещается вниз.

Это и является первой ступенью преобразования – сгорание привело к движению поршня, то есть химический процесс перешел в механический.

И вот далее уже в действие вступает кривошипно-шатунный механизм. Поршень связан с кривошипом вала посредством шатуна. Данное соединение является жестким, но подвижным. Сам поршень закреплен на шатуне посредством пальца, что позволяет легко шатуну менять положение относительно поршня.

Шатун же своей нижней частью охватывает шейку кривошипа, которая имеет цилиндрическую форму. Это позволяет менять угол между поршнем и шатуном, а также шатуном и кривошипом вала, но при этом смещаться шатун вбок не может. Относительно поршня он только меняет угол, а на шейке кривошипа он вращается.

Поскольку соединение жесткое, то расстояние между шейкой кривошипа и самим поршнем не изменяется. Но кривошип имеет П-образную форму, поэтому относительно оси коленвала, на которой размещен этот кривошип, расстояние между поршнем и самим валом меняется.

За счет применения кривошипов и удалось организовать преобразование перемещения поршня во вращение вала.

Но это схема взаимодействия только цилиндро-поршневой группы с кривошипно-шатунным механизмом.

На деле же все значительно сложнее, ведь имеются взаимодействия между элементами этих составляющих, причем механические, а это значит, что в местах контакта этих элементов будет возникать трение, которое нужно по максимуму снизить.

Также следует учитывать, что один кривошип неспособен взаимодействовать с большим количеством шатунов, а ведь двигатели создаются и с большим количеством цилиндров – до 16. При этом нужно же и обеспечить передачу вращательного движения дальше.

Поэтому рассмотрим, из чего состоит цилиндро-поршневая группа (ЦПГ) и кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

Начнем с ЦПГ. Основными в ней являются гильзы и поршни. Сюда же входят и кольца с пальцами.

Основные части КШМ

Разберем КШМ у которого ведущим является ползун. Здесь прямолинейное циклическое(вперед-назад) перемещение поршня трансформируется во вращение коленчатого вала. Наиболее распространенный механизм данного типа – двигатель, работающий на бензине или солярке. Проще говоря мотор автомобиля, теплохода, генератора, мотоцикла.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Составные части КШМ разделяются на движущиеся и не движущиеся.

Типы и виды КШМ

  • Центральный КШМ, у которого ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала.
  • Смещенный КШМ, у которого ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на величину а;
  • V-образный КШМ (в том числе с прицепным шатуном), у которого два шатуна, работающие на левый и правый цилиндры, размещены на одном кривошипе коленчатого вала.

По соотношению хода и диаметра поршня различают:

  • короткоходные(S/D1) КШМ.

В автомобильных высокооборотистых ДВС преобладает короткоходная схема.

По наличию бокового усилия на гильзе КШМ бывает:

Гильза

Съёмная гильза

Гильзы существуют двух типов – сделанные непосредственно в блоке и являющиеся их частью, и съемные. Что касается выполненных в блоке, то представляют они собой цилиндрические углубления в нем нужной высоты и диаметра.

Съемные же имеют тоже цилиндрическую форму, но с торцов они открыты. Зачастую для надежной посадки в свое посадочное место в блоке, в верхней части ее имеется небольшой отлив, обеспечивающий это. В нижней же части для плотности используются резиновые кольца, установленные в проточные канавки на гильзе.

Внутренняя поверхность гильзы называется зеркалом, потому что она имеет высокую степень обработки, чтобы обеспечить минимально возможное трение между поршнем и зеркалом.

В двухтактных двигателях в гильзе проделываются на определенном уровне несколько отверстий, которые называются окнами. В классической схеме ДВС используется три окна – для впуска, выпуска и перепуска топливной смеси и отработанных продуктов. В оппозитных же установках типа ОРОС, которые тоже являются двухтактными, надобности в перепускном окне нет.

История

В природе

Задние конечности кузнечиков представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.

Бедро и голень человека и роботов-андроидов тоже представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.

В Римской империи

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Самые ранние свидетельства появления на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к пилораме из Иераполиса, 3-й век нашей эры, римский период, а также византийским каменным пилорамам в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (6-й век нашей эры). Ещё одна такая пилорама возможно существовала во 2 веке н. э. в римском городе Августа-Раурика (современная Швейцария), где был найден металлический кривошип.

Это интересно: Муфта для соединения валов — типы, соединения, параметры

Газораспределительный механизм

Распределительный вал должен быть синхронизирован с коленчатым валом. Чтобы совпадали фазы сгорания топлива и движение клапанов. Для этого эти валы соединены между собой зубчатым ремнем.

Такой ремень не проскальзывает, поэтому сохраняет жесткую связь с маховиком, а значит и с коленчатым валом.

Тем самым сохраняется синхронизация двух валов: коленчатого и распределительного, что является основой нормальной функционирования мотора.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Принцип работы кривошипно-шатунного механизма

  • Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу.
  • Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля.
  • В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма – вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.
  • By A. Schierwagen using OpenOffice Draw , via Wikimedia Commons

Уравнения движения поршня (для центрального КШМ)

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Диаграмма показывающая геометрическое положение шатуннопоршневой оси — P, кривошипношатунной оси — N и центра кривошипа — O

Определения

  1. l — длина шатуна (расстояние между шатуннопоршневой осью и кривошипношатунной осью)
  2. r — радиус кривошипа (расстояние между кривошипношатунной осью и центром кривошипа, то есть половина хода поршня
  3. A — угол поворота кривошипа (от «верхней мёртвой точки» до «нижней мёртвой точки»)
  4. x — положение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
  5. v — скорость шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
  6. a — ускорение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
  7. ω — угловая скорость кривошипа в радианах в секунду (рад/сек)

Угловая скорость

Угловая скорость кривошипа в оборотах в минуту (RPM):

Отношения в треугольнике

Как показано в диаграмме, центр кривошипа, кривошипношатунная ось и шатуннопоршневая ось образуют треугольник NOP. Из теоремы косинусов следует, что:

Неисправности КШМ

К признакам неисправности КШМ относятся: появление посторонних стуков и шумов, падение мощности двигателя, повышенный расход масла, перерасход топлива, появление дыма в отработанных газах.

Стуки и шумы в двигателе возникают в результате износа его основных деталей и появления между сопряженными деталями увеличенных зазоров.

При износе поршня и цилиндра, а также при увеличении зазора между ними возникает звонкий металлический стук, хорошо прослушиваемый при работе холодного двигателя.

Резкий металлический стук на всех режимах работы двигателя свидетельствует об увеличении зазора между поршневым пальцем и втулкой верхней головки шатуна.

Усиление стука при резком увеличении числа оборотов коленчатого вала свидетельствует об износе вкладышей коренных или шатунных подшипников, причем стук более глухого тона указывает на износ вкладышей коренных подшипников. При большом износе вкладышей возможно резкое падение давление масла. В этом случае эксплуатировать двигатель нельзя.

Падение мощности двигателя возникает при износе или залегании в канавках поршневых колец, износе поршней и цилиндров, а также плохой затяжке головки цилиндров. Эти неисправности вызывают падение компрессии в цилиндре. Компрессию проверяют при помощи компрессометра на теплом двигателе.

Для этого выкручивают все свечи, и на место одной из них устанавливают наконечник компрессометра. При полностью открытом дросселе прокручивают двигатель стартером в течение 2-3 секунд. Таким образом последовательно проверяют все цилиндры. Величина компрессии должна быть в пределах, указанных в технических данных двигателя.

Разница в компрессии между отдельными цилиндрами не должна превышать 1 кГ/см2.

Повышенный расход масла, перерасход топлива, появление дыма в отработанных газах (при нормальном уровне масла в картере) обычно появляются при залегании поршневых колец или износе колец и цилиндров. Залегание кольца можно устранить без разборки двигателя, залив в цилиндр через отверстие для свечи зажигания специальную жидкость.

Отложение нагара на днищах поршней и камер сгорания снижает теплопроводность, что вызывает перегрев двигателя, падение мощности и повышение расхода топлива.

Трещины в стенках рубашки охлаждения блока и головки блока цилиндров могут появиться в результате замерзания охлаждающей жидкости, заполнения системы охлаждения горячего двигателя холодной охлаждающей жидкостью или в результате перегрева двигателя. Через трещины в блоке цилиндров охлаждающая жидкость может попадать в цилиндры. При этом цвет выхлопных газов становится белым.

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ)

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа.

https://www.youtube.com/watch?v=hg1wK5y7Bqc

Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

Скорость

Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):

Ускорение

Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):

Маховик

Маховик устанавливается на конце коленчатого вала. На сегодняшний день находят широкое применение двухмассовые маховики, имеющие вид двух, упруго соединенных между собой, дисков. Зубчатый венец маховика принимает непосредственное участие в запуске двигателя через стартер.

Пример графиков движения поршня

График показывает x, x’, x» по отношению к углу поворота кривошипа для различных радиусов кривошипа, где L — длина шатуна (l) и R — радиус кривошипа (r):

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

  • Единицами вертикальных осей являются: для положения, для скорости, для ускорения.
  • Единицами горизонтальных осей является угол поворота кривошипа в .
  • Анимация движения поршня с шатуном одинаковой длины и с кривошипом переменного радиуса на графике выше:
  • Анимация движения поршня с различными радиусами кривошипа
Читайте также:  Плазменные сварочные аппараты: видео, фото, своими руками

Блок и головка блока цилиндров

Блок цилиндров и головка блока цилиндров отливаются из чугуна (реже – сплавов алюминия). В блоке цилиндров предусмотрены рубашки охлаждения, постели для подшипников коленчатого и распределительного валов, а также точки крепления приборов и узлов. Сам цилиндр выполняет функцию направляющей для поршней.

Головка блока цилиндра располагает в себе камеру сгорания, впускные-выпускные каналы, специальные резьбовые отверстия для свечей системы зажигания, втулки и запрессованные седла. Герметичность соединения блока цилиндров с головкой обеспечены прокладкой.

Кроме того, головка цилиндра закрыта штампованной крышкой, а между ними, как правило, устанавливается прокладка из маслостойкой резины.

В целом, поршень, гильза цилиндров и шатун формируют цилиндр или цилиндропоршневую группу кривошипно-шатунного механизма. Современные двигатели могут иметь до 16 и более цилиндров.

Применение

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Кривошипно-шатунный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, поршневых насосах, швейных машинах, кривошипных прессах, в приводе задвижек некоторых квартирных и сейфовых дверей. Также кривошипно-шатунный механизм применялся в брусовых косилках.

Поршневой палец

Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек.

Такое крепление позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы.

Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.

Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или цементации, а затем шлифуют и полируют.

Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца, палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых пределах.

Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные нагрузки.

Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).

Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:

  • шатуна
  • верхней и нижней головок шатуна
  • подшипников
  • шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации
Поделитесь в соц.сетях:

Источник: https://intehstroy-spb.ru/osnastka/chto-takoe-krivoshipno-shatunnyy-mehanizm-i-kak-on-rabotaet.html

Устройство и принцип работы кривошипно-шатунного механизма двигателя

Кривошипно-шатунный механизм двигателя преобразует возвратно-поступательное движение поршней (от энергии сгорания топливной смеси) во вращательное движение коленчатого вала и наоборот. Это технически сложный механизм, составляющий основу ДВС. В статье подробно рассмотрим устройство и особенности работы КШМ.

Краткая история возникновения

Первые свидетельства о применении кривошипа найдены ещё в III веке нашей эры, в Римской Империи и Византии в VI веке нашей эры. Ярким примером является пилорама из Иераполиса, на которой был применен коленчатый вал.

Металлический кривошип был найден в римском городе Августа-Раурика на территории современной Швейцарии.

Как бы то ни было, запатентовал изобретение некий Джеймс Пакард в 1780 году, хотя свидетельства его изобретения были найдены еще в древности.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применениеКривошипно-шатунный механизм двигателя

Подвижные и неподвижные части КШМ

Составные части КШМ условно делят на подвижные и неподвижные компоненты. К подвижным частям относятся:

  • поршни и поршневые кольца;
  • шатуны;
  • поршневые пальцы;
  • коленчатый вал;
  • маховик.

Неподвижные части КШМ выполняют функцию основы, крепежей и направляющих. К ним относятся:

  • блок цилиндров;
  • головка блока цилиндров;
  • картер;
  • поддон картера;
  • крепежные детали и подшипники.

Картер и поддон картера двигателя

Картер – это нижняя часть двигателя, где располагаются опоры и каналы смазочной системы для коленчатого вала. В картере происходит движение шатунов и вращение коленвала. Поддон картера представляет собой резервуар с моторным маслом.

Основа картера в работе подвергается постоянным тепловым и силовым нагрузкам. Поэтому для этой детали предъявляются особые требования по прочности и жесткости. Для его изготовления используют алюминиевые сплавы или чугун.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применениеНеподвижные части КШМ

Картер двигателя крепится к блоку цилиндров. Вместе они составляют остов двигателя, основную часть его корпуса. В блоке располагаются непосредственно сами цилиндры. Сверху крепится головка блока ДВС. Вокруг цилиндров имеются полости для жидкостного охлаждения.

Расположение и число цилиндров

На сегодняшний день существуют следующие наиболее популярные схемы:

  • рядное четырех- или шестицилиндровое положение;
  • V-образное шестицилиндровое положение под углом 90°;
  • VR-образное положение под меньшим углом;
  • оппозитное положение (поршни двигаются навстречу друг другу с разных сторон);
  • W-образное положение с 12 цилиндрами.

В простом рядном расположении цилиндры и поршни расположены в ряд перпендикулярно коленчатому валу. Такая схема наиболее простая и надежная.

Головка блока цилиндров

К блоку с помощью шпилек или болтов крепится головка блока цилиндров. Она накрывает цилиндры с поршнями сверху, образуя герметичную полость — камеру сгорания. Между блоком и головкой предусмотрена прокладка. Также в ГБЦ располагаются клапанный механизм и свечи зажигания.

Цилиндры

В цилиндрах двигателя непосредственно происходит движение поршней. От хода поршня и его длины зависит их размер. Цилиндры работают в условиях меняющегося давления и высоких температур.

Во время работы стенки подвергаются непрерывному трению и температурам до 2500°C. К материалам и обработке цилиндров также предъявляются особые требования. Они изготавливаются из легированного чугуна, стали или алюминиевых сплавов.

Поверхность деталей должна быть не только прочной, но и легко подвергаться обработке.

Внешнюю рабочую поверхность называют зеркалом. Ее покрывают хромом и полируют до зеркальной поверхности, чтобы максимально снизить трение в условиях ограниченной смазки. Цилиндры отливаются вместе с блоком (цельные) или изготавливаются в виде съемных гильз.

Кривошипно-шатунный механизм

Основными рабочими компонентами КШМ являются коленчатый вал, поршни с шатунами и маховик.

Поршень

Движение поршня в цилиндре происходит в результате сгорания топливовоздушной смеси. Возникает давление, которое воздействует на днище поршня. В разных типах двигателей оно может отличаться по своей форме.

В бензиновых изначально днище было плоским, затем стали применять вогнутые конструкции с проточками под клапаны. В дизельных моторах в камере сгорания сжимается изначально не топливо, а воздух.

Поэтому днище поршня имеет также вогнутую форму, которая и образует камеру сгорания.

Форма днища имеет большое значение для формирования правильного факела сгорания топливовоздушной смеси.

Остальная часть поршня называется юбкой. Это своего рода направляющая, которая движется в цилиндре. Нижняя часть поршня или юбки сделана так, чтобы она не соприкасалась с шатуном во время его движения.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применениеПоршень и его элементы

На боковой поверхности поршней выполнены канавки или проточки под поршневые кольца. Сверху располагаются два или три компрессионных кольца.

Они необходимы для создания компрессии, то есть препятствуют проникновению газов между стенками цилиндра и поршнем. Кольца прижимаются к зеркалу, уменьшая зазор. Снизу расположен паз под маслосъёмное кольцо.

Оно необходимо для снятия излишков масла со стенок цилиндра, чтобы то не проникало в камеру сгорания.

Поршневые кольца, особенно компрессионные, работают при постоянных нагрузках и высокой температуре. Для их изготовления применяется высокопрочные материалы типа легированного чугуна, который покрывают пористым хромом.

Поршневой палец и шатун

Шатун крепится к поршню при помощи поршневого пальца. Он представляет собой цельную или полую деталь цилиндрической формы. Палец устанавливается в отверстие в поршне и в верхней головке шатуна.

Существуют два типа крепления пальца:

  • с фиксированной посадкой;
  • с плавающей посадкой.

Наиболее распространен так называемый «плавающий палец». Для его фиксации используются стопорные кольца. Фиксированный палец устанавливается с натягом. Как правило, используется тепловая посадка.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применениеШатун двигателя

Шатун, в свою очередь, соединяет коленчатый вал и поршень и создает вращательные движения. При этом возвратно-поступательные движения шатуна описывают восьмерку. Он состоит из нескольких элементов:

  • стержня или основы;
  • поршневой головки (верхней);
  • кривошипной головки (нижней).

Для уменьшения трения и смазки соприкасающихся деталей в поршневой головке запрессовывается бронзовая втулка. Кривошипная головка выполнена разборной, чтобы обеспечить возможность сборки механизма.

Детали точно подогнаны друг к другу и крепятся с помощью болтов и контргаек. Чтобы уменьшить трение, устанавливаются шатунные подшипники скольжения. Они выполнены в форме двух стальных вкладышей с замками. По масляным канавкам осуществляется подвод масла.

Подшипники с высокой точностью подогнаны под размер соединения.

Вопреки расхожему мнению, вкладыши удерживаются от проворота не за счет замков, а из-за возникающей силы трения между их внешней поверхностью и головкой шатуна. Поэтому при установке внешнюю часть подшипника скольжения нельзя смазывать маслом.

Коленчатый вал

Коленчатый вал является сложной по устройству и изготовлению деталью. Он принимает на себя крутящий момент, давление и другие нагрузки, поэтому выполнен из высокопрочной стали или чугуна. Коленвал передает вращение от поршней на трансмиссию и другие элементы автомобиля (например, приводной шкив).

  Устройство и принцип работы датчика детонацииКривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применениеУстройство коленчатого вала

Коленчатый вал состоит из нескольких основных элементов:

  • коренные шейки;
  • шатунные шейки;
  • противовесы;
  • щеки;
  • хвостовик;
  • фланец маховика.

Конструкция коленвала во многом будет зависеть от количества цилиндров в двигателе. В простом рядном четырехцилиндровом двигателе на коленчатом валу имеются четыре шатунных шейки, на которых устанавливаются шатуны с поршнями.

Пять коренных шеек расположены по центральной оси вала. Они устанавливаются в опоры блока цилиндров или картера на подшипники скольжения (вкладыши). Сверху коренные шейки закрываются крышками на болтах.

Соединение образует П-образную форму.

Специально обработанное место опоры под установку коренной шейки с вкладышем называется постелью.

Коренные и шатунные шейки соединены так называемыми щеками. Противовесы обеспечивают гашение излишних колебаний и обеспечивают равномерное движение коленчатого вала.

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применениеУстройство КШМ

Шейки коленвала термически обработаны и отполированы, что обеспечивает высокую прочность и точность посадки. Коленчатый вал также имеет очень точную балансировку и центровку для равномерного распределения всех действующих на него сил. В районе центральной коренной шейки, по бокам от опоры, устанавливаются упорные полукольца. Они необходимы для компенсации осевых перемещений.

На хвостовик коленвала крепятся шестерни (звездочки) привода ГРМ, а также приводной шкив навесного оборудования двигателя.

Маховик

На задней части вала имеется фланец, к которому крепится маховик. Это чугунная деталь, представляющая собой массивный диск.

 Благодаря своей массе маховик создает необходимую инерцию для работы КШМ, а также обеспечивает равномерную передачу крутящего момента на трансмиссию. На ободе маховика выполнен зубчатый венец для соединения с шестерней стартера.

Читайте также:  Сталь 20: характеристики, свойства, область применения

Именно маховик раскручивает коленвал и приводит в движение поршни в момент запуска двигателя.

Кривошипно-шатунный механизм, конструкция и форма коленчатого вала долгие годы остаются неизменными. В основном происходят только небольшие конструктивные доработки, направленные на снижение веса, сил инерции и трения.

(2

Источник: https://TechAutoPort.ru/dvigatel/mehanicheskaya-chast/krivoshipno-shatunnyi-mehanizm.html

кривошипно-ползунный механизм двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению, в частности к производству поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания.

Кривошипно-ползунный механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршень с отверстием, в котором установлен поршневой палец, шатун, втулку поршневой головки шатуна с внутренним цилиндрическим отверстием под поршневой палец, при этом содержит компенсатор угловых отклонений от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира, установленного между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна, причем поршневая головка шатуна содержит сферическое отверстие под втулку, втулка выполнена из упругого антифрикционного материала, снаружи содержит сферическую поверхность и разъем вдоль ее продольной оси с углом наклона в поперечной плоскости относительно касательной к ее внутренней цилиндрической поверхности в интервале от 0 до 90°. Изобретение обеспечивает уменьшение отклонения взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в его продольной плоскости и снижение удельного давления в сопряжениях между деталями механизма, скоростей их изнашивания и увеличение его ресурса. 3 ил. Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы, применение: принцип действия, анализ, применение

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к производству поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Из-за прогибов коленчатого вала кривошипно-ползунного механизма, неточностей в его изготовлении или монтаже имеются отклонения от одинаковости взаимного углового положения шатунных шеек, коленчатого вала, поршневого пальца, оси поршня и оси цилиндра (см. К.Энглиш. Поршневые кольца. Т1. Теория, изготовление, конструкция и расчет. — М., 1962, с.114, 115).

При отклонении в продольной плоскости механизма от одинаковости взаимного углового положения оси поршня от оси цилиндра со стороны цилиндра на поршень действует сила, которая относительно оси шатунной шейки вала коленчатого создает большой изгибающий момент, который деформирует механизм в продольной плоскости и стремится повернуть ось поршня к оси цилиндра.

Недостаток кривошипно-ползунного механизма состоит в использовании деформации его деталей для компенсации отклонений от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости и создании большого изгибающего момента, что увеличивает удельные давления в его сопряжениях, скорости их изнашивания и снижает его надежность.

Известен поршень, преимущественно для поршневых машин с кривошипно-шатунным механизмом, состоящий из корпуса с выполненными в нем отверстиями для установки поршневого пальца и демпфирующего элемента, который с целью снижения динамических нагрузок выполнен в виде концентрически расположенных распорного и пружинного колец в отверстиях поршня, причем пружинное кольцо выполнено разъемным (см. АС СССР № 678228, F16J 1/10. Опубл. 05.08.79. Бюл. № 29).

Недостаток конструкции состоит в использовании демпфирующих элементов для компенсации отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости, недостаточном снижении изгибающего момента, удельных давлений в сопряжениях, скоростей их изнашивания и незначительном повышении ресурса механизма.

Известен кривошипно-ползунный механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршень с отверстием, в котором установлен поршневой палец и кольцевые демпфирующие элементы, которые имеют овальную форму и расположены попарно между поршневым пальцем и шатуном с одинаковым угловым смещением относительно друг друга (см. АС СССР № 870806, F16J 1/16. Опубл. 07.10.81. Бюл. № 37).

  • Выполнение демпфирующих колец овальными обеспечивает «плавающее» соединение шатуна с поршнем и позволяет поршню самоустанавливаться относительно зеркала цилиндра, что приводит к уменьшению износа и повышению надежности их пары.
  • Недостаток кривошипно-ползунного механизма состоит в использовании демпфирующих элементов для уменьшения отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости, недостаточном снижении изгибающего момента, удельных давлений в сопряжениях, скоростей их изнашивания и малом повышении ресурса механизма.
  • Техническая задача создания кривошипно-ползунного механизма, обеспечивающего уменьшение отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра, снижение изгибающего момента, удельных давлений в его сопряжениях, скоростей их изнашивания и увеличения его надежности решается установкой между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира.

Кривошипно-ползунный механизм двигателя содержит цилиндр, поршень, поршневой палец, шатун и втулку поршневой головки шатуна. Поршневая головка шатуна имеет сферическое отверстие под втулку.

Втулка выполнена из упругого антифрикционного материала и содержит внутреннее цилиндрическое отверстие под поршневой палец и наружную сферическую поверхность под поршневую головку шатуна. Втулка вдоль продольной оси имеет разъем.

Угол наклона разъема относительно касательной к внутренней цилиндрической поверхности отверстия втулки может быть в интервале от 0 до 90°.

Втулку скручивают, что уменьшает ее до нужного размера, и устанавливают в смазанное сферическое отверстие поршневой головки шатуна, где она распрямляется сама частично или полностью и (или) ее распрямляют с помощью приспособления в форме конуса, а затем дорном калибруют ее внутреннее отверстие под размер поршневого пальца.

Поршневой палец при сборке поршня с шатуном через отверстие в бобышке поршня устанавливают во внутреннее цилиндрическое отверстие втулки. Внутренняя сферическая поверхность поршневой головки шатуна и наружная сферическая поверхность втулки образуют сферический шарнир.

Для уменьшения момента сил трения сферические поверхности шарнира разделены смазочным материалом.

Работа кривошипно-ползунного механизма состоит в том, что увеличение отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в продольной плоскости механизма вызывает появление силы давления со стороны цилиндра на поршень, которая относительно центра сферического шарнира создает момент силы. Однако момент этой силы увеличивается только до величины момента сил трения в сферическом шарнире. Как только момент силы преодолеет момент сил трения в сферическом шарнире, он повернет ось поршня в сторону оси цилиндра, что уменьшит угол отклонения его оси от одинаковости взаимного углового положения с осью цилиндра. Поворот оси поршня в сторону оси цилиндра снижает изгибающий момент силы, действующей со стороны цилиндра на поршень до момента меньше момента сил трения в смазочном слое между его поверхностями вплоть до его полного исчезновения.

Уменьшение момента силы давления со стороны цилиндра на поршень снижает до минимального значения удельные давления в сопряжениях, скорости их изнашивания и увеличивает его надежность.

Преимущество кривошипно-ползунного механизма состоит в размещении между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна компенсатора угловых отклонений оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира.

Сферические поверхности шарнира для снижения трения разделены смазочным материалом.

Поэтому момент силы, действующей со стороны цилиндра на поршень относительно центра сферического шарнира, может быть снижен от величины момента сил трения в смазочном материале между его сферическими поверхностями до нуля.

Конструкция предлагаемого кривошипно-ползунного механизма двигателя внутреннего сгорания представлена фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 приведен кривошипно-ползунный механизм ДВС при отклонении оси поршня в продольной плоскости от оси цилиндра на начальный угол, обеспечивающий контакт поршня с цилиндром.

На фиг.2 приведен кривошипно-ползунный механизм ДВС после поворота оси поршня к оси цилиндра.

На фиг.3 приведена конструкция втулки с углом наклона ее продольного разъема.

Где: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — поршневая головка шатуна, 4 — втулка; 5 — поршневой палец; 6 — сферическая поверхность шарнира; 7 — продольный разъем втулки; Рц — сила давления со стороны цилиндра на поршень; Оц — ось цилиндра; Ош — ось шатуна; Оп — ось поршня; Цш — центр сферического шарнира; 1 — начальный угол отклонения оси шатуна и оси поршня от оси цилиндра в продольной плоскости механизма. 2 — полный угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра; — угол поворота оси поршня к оси цилиндра; — угол наклона продольного разъема втулки.

Работает кривошипно-ползунный механизм следующим образом.

Увеличение угла отклонения от одинаковости взаимного углового положения оси шатуна Ош и оси поршня Oп относительно оси цилиндра Оц в продольной плоскости механизма двигателя на начальный угол 1 обеспечивает выбор зазора между поршнем 2 и цилиндром 1 и появление силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2 (фиг.1). Дальнейшее увеличение угла 1 отклонения оси шатуна Ош от оси цилиндра Оц до величины угла 2 сопровождается увеличением силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, и созданием относительно центра сферического шарнира Цш момента этой силы. Моменту силы Рц противостоит момент сил трения в слое смазочного материала, находящемся между сферическими поверхностями 6 втулки 4 и поршневой головки 3 шатуна. Как только момент силы Рц относительно центра сферического шарнира Цш превысит момент сил трения в сферическом шарнире, то он преодолеет его и повернет ось поршня Оп в сторону оси цилиндра Оц на угол , что уменьшает угол отклонения оси поршня от одинаковости взаимного углового положения оси поршня Оп относительно оси цилиндра Оц (фиг.2). Поворот оси поршня в сторону оси цилиндра снизит момент силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, от момента сил трения до нуля. Сила Рц достигнет нулевого значения при условии, что угол поворота оси поршня 2 в сторону оси цилиндра будет равен углу 2 наклона оси Ош шатуна. В этом случае ось поршня 2 будет параллельна оси Оц цилиндра 1 (фиг.2). Уменьшение момента силы Рц, действующей со стороны цилиндра 1 на поршень 2, от момента сил трения в сферическом шарнире до нуля уменьшает удельные давления в сопряжениях кривошипно-ползунного механизма, скорости их изнашивания и повышает его надежность.

Преимущество кривошипно-ползунного механизма состоит в установке между его поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна вместо демпферов компенсатора угловых отклонений оси поршня от одинаковости взаимного углового положения с осью цилиндра в виде сферического шарнира, что снижает момент силы Рц, действующей со стороны цилиндра на поршень, от момента сил трения в сферическом шарнире до нуля, уменьшает удельные давления в сопряжениях, скорости их изнашивания и увеличивает его надежность. Компенсатор срабатывает сразу при появлении углового отклонения оси поршня от оси цилиндра, поэтому эксплуатация двигателя будет проходить при минимальных отклонениях, что снизит работу сил трения, повысит эффективную мощность двигателя, снизит удельный расход топлива и затраты на ремонт.

Формула изобретения

Кривошипно-ползунный механизм двигателя внутреннего сгорания, содержащий поршень с отверстием, в котором установлен поршневой палец, шатун, втулку поршневой головки шатуна с внутренним цилиндрическим отверстием под поршневой палец, отличающийся тем, что содержит компенсатор угловых отклонений от одинаковости взаимного углового положения оси поршня относительно оси цилиндра в форме сферического шарнира, установленного между поршневым пальцем и поршневой головкой шатуна, причем поршневая головка шатуна содержит сферическое отверстие под втулку, втулка выполнена из упругого антифрикционного материала, снаружи содержит сферическую поверхность и разъем вдоль ее продольной оси с углом наклона в поперечной плоскости относительно касательной к ее внутренней цилиндрической поверхности в интервале от 0 до 90°.

Читайте также:  Горячая ковка: оборудование для горячей ковки своими руками

Источник: http://www.freepatent.ru/patents/2362930

Кривошипно-ползунный механизм

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в устройствах с изменяемым ходом исполнительного звена.

Известны кривошипно-ползунные механизмы, в которых в качестве исполнительного звена использован ползун, связанный с рабочим инструментом и снабженный устройством для изменения своего хода и скорости при непрерывном вращении кривошипа /см.

, например, АС СССР №630470, кл. F16H 21/20, 1977 [1]; АС СССР №903630, кл. F16H 21/20, 1982 [2]; Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике, т. 2, М., «Наука», 1971, с. 444, рис. 1477 [3]; АС СССР №920303, кл. F16H 21/20, 1980 [4]; АС СССР №777285, кл.

F16H 21/28, 1978 [5]/.

Недостатками известных устройств являются значительные сложности конструкций и невозможность автоматического адаптивного изменения хода и скорости ползуна в зависимости от нагрузок на рабочий инструмент.

При этом известны, например, устройства для автоматического адаптивного управления металлорежущими станками, автоматически изменяющими величину подачи режущего инструмента при изменении нагрузки /усилия при резании/ на последний /см. АС СССР №1172675, кл. B23Q 15/12, 1984 [6]; АС СССР №889385, кл.

B23Q 15/013, 1979 [7]/, а также машины ударного действия с кривошипно-ползунными механизмами/ см., например, АС СССР №1047676, кл. B25D 11/12, 1982 [8]; АС СССР №1590368, кл.

B25D 11/04, 1988 [9]/, в которых перемещение рабочего инструмента автоматически связано с плотностью и твердостью разрушаемого материала.

Однако использование в известных адаптивных устройствах ползуна кривошипно-ползунного механизма в качестве автоматически управляемого исполнительного звена приведет к предельному усложнению конструкций за счет применения специальных систем регулирования.

Кроме того, известны кривошипно-ползунные механизмы, содержащие устройства, предохраняющие механизмы от перегрузок либо за счет создания условий для изгиба дополнительных элементов /см. АС СССР №227811, кл. F16H 35/40, 1968 [10]/, либо для их разрушения /см. АС СССР №209165, кл. F16H 35/10, 1966 [11]/.

Однако данные устройства сложны, имеют ограниченные возможности, не позволяют автоматически и адаптивно изменять свою кинематическую структуру и требуют значительных материальных и временных затрат на восстановление после разрушения.

Известны принципы действия ряда способов, согласно которым интенсивность режимов осуществления различных процессов механической обработки, регулировки и т.п. оценивают по температуре саморазогрева различных деталей и узлов /например, шпиндельных узлов токарных станков/, участвующих в данных процессах /см., например, АС СССР №1294569, кл. B23Q 11/14, 1985, [12]/.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является кривошипно-ползунный механизм, состоящий из установленных на основании кривошипа в качестве ведущего звена, ползуна в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом, и шарнирно соединенного с кривошипом с помощью шатуна /см. Артоболевский И.И. Механизмы в современной технике. т. 2, М., «Наука», 1979, с. 436, рис. 1404 [13]/, и принятый за прототип.

  • Недостатками устройства-прототипа является невозможность автоматической адаптивной перестройки его конструктивно-кинематических параметров непосредственно в процессе работы для защиты от поломок и заклиниваний при перегрузках на ведомом звене.
  • Сущность изобретения заключается в создании простой конструкции кривошипно-ползунного механизма, обеспечивающей возможность адаптивной перестройки конструктивно-кинематических параметров шатуна при заданном увеличении температуры рабочего инструмента, приводящей к формированию упругого состояния ползуна с автоматической защитой механизма от поломок при перегрузках.
  • Технический результат — расширение эксплуатационных возможностей механизма за счет обеспечения автоматической адаптивной перестройки его кинематической структуры в процессе работы.
  • Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном кривошипно-ползунном механизме, содержащеми кривошип в качестве ведущего звена, ползун в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом и шарнирно соединенного с кривошипом с помощью шатуна, особенность заключается в том, что в теле шатуна вблизи места его шарнирного соединения с ползуном между двумя жесткими участками сформирована упругая перемычка, снабженная концентрично охватывающей ее и плотно надетой на жесткие участки шатуна винтовой цилиндрической пружиной сжатия, выполненной из сплава с эффектом термомеханической памяти формы и характеризующейся релейным срабатыванием с уменьшением своей длины при повышении температуры до заданного порогового значения, при этом пружина зафиксирована на шатуне только своим обращенным к ползуну концом с обеспечением возможности ее постоянного контакта с ползуном и освобождения пружиной при ее релейном срабатывании упругой перемычки шатуна.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично на виде сбоку изображен предлагаемый механизм в текущем рабочем положении; на фиг. 2 — тот же механизм после релейного срабатывания пружины на шатуне; на фиг. 3 — продольный разрез шатуна с ползуном /увеличено/; на фиг. 4 — вид А на фиг. 3 /увеличено/.

Кривошипно-ползунный механизм содержит установленные на корпусе 1 имеющий возможность поворота кривошип 2 в качестве ведущего звена, а также ползун 3 в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом 4, шарнирно соединенного с кривошипом 2 с помощью шатуна, и имеющий возможность возвратно-поступательного перемещения в прямолинейных направляющих 5 на корпусе 1.

При этом в теле шатуна вблизи места 6 его шарнирного соединения с ползуном 3 между двумя жесткими участками 7 и 8 сформирована упругая перемычка 9, снабженная концентрично охватывающей ее и плотно надетой на жесткие участки 7 и 8 шатуна винтовой цилиндрической пружиной сжатия 10, имеющей значительную изгибную жесткость и жесткость на кручение.

Жесткие участки 7 и 8 шатуна 7, 8, 9 выполнены в виде отрезков стальной трубки, а упругая перемычка 9 — в виде цилиндрической сплошной резиновой втулки, вставленной концами в участки 7, 8 трубок по прессовой посадке с клеевой фиксацией.

Причем, для крепления ползуна 3 шарниром 6 на конце участка 8 шатуна 7, 8, 9 выполнены ушки 11, охватывающие ползун 3 по бокам свободно и снабженные отверстиями для запрессовки концов шарнирной оси.

При этом винтовая цилиндрическая пружина сжатия 10 выполнена из сплава с эффектом термомеханической памяти формы типа нитинол /TiNi/, относящегося к классу интерметаллических соединений, и характеризуется релейным /скачкообразным/ срабатыванием с уменьшением своей длины /сжатием/ при повышении температуры пружины 10 до заданного порогового значения /температурного порога срабатывания/, причем, практически может быть подобрана пружина 10 с любой заранее заданной температурой срабатывания. В частности, в устройстве использована пружина 10 с температурным порогом срабатывания около 120°С, так как эта температура становится опасной при разогреве до нее в процессе эксплуатации рабочего инструмента 4 с точки зрения его заклинивания в обрабатываемом материале или поломки. Пружина 10 зафиксирована на шатуне 7, 8, 9 только своим обращенным к ползуну 3 концом путем приваривания пружины 10 к концевой части участка 8 трубки /см. зону утолщения 12 на фиг. 4/ с обеспечением при этом постоянного подвижного контакта этой зоны 12 с верхней поверхностью ползуна 3, что необходимо для быстрой передачи температуры нагрева от рабочего инструмента 4 и ползуна 3 к пружине 10. При этом остальное тело пружины 10 свободно от фиксации, так как последняя надета на жесткие участки 7, 8 шатуна 7, 8, 9 плотно без фиксации, что обеспечивает возможность освобождения пружиной 10 при ее релейном сжатии /срабатывании/ упругой перемычки 9 шатуна 7, 8, 9 /см. фиг. 2/, и, соответственно, возможность изгиба шатуна 7, 8, 9 при повышенной нагрузке на ползун 3 с рабочим инструментом 4, сопровождающейся опасным нагревом последнего.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.

На фиг.

1 показан предлагаемый механизм в рабочем текущем положении с заданным выходом рабочего инструмента 4 вправо из корпуса 1, при этом упругая перемычка 9 шатуна 7, 8, 9 с натягом охвачена плотно надетой на жесткие участки 7, 8 шатуна 7, 8, 9 пружиной 10 значительной жесткости на изгиб и кручение, так что шатун представляет собой практически недеформируемое твердое тело. В случае возникновения сложного режима работы инструмента 4 с большой перегрузкой /участки с высокой твердостью и плотностью обрабатываемого материала, наличие посторонних внедрений и т.п./, и, соответственно, большой вероятностью его поломки или заклинивания, происходит разогрев инструмента 4 вместе с ползуном 3 и пружиной 10 до температурного порога срабатывания пружины 10, в результате чего пружина 10 релейно срабатывает /сжимается/, принимая положение, показанное на фиг. 2. Так как обращенный к ползуну 3 конец пружины 10 зафиксирован на шатуне 7, 8, 9, а остальное тело пружины 10 не зафиксировано, то сжатие пружины 10 приведет к сосредоточению всей ее сократившейся длины на жестком участке 8 шатуне /см. фиг. 2/, то есть к освобождению упругой перемычки 9. 3а счет этого шатун 7, 8, 9 сразу же приобретает изгибную степень свободы в упругой перемычке 9. Поэтому под действием нагрузки на рабочий инструмент 4 в опасном режиме работы ползун 3 уходит назад, сгибая шатун 7, 8, 9, в результате чего механизм автоматически адаптивно изменяет свою геометрическую структуру, рабочий инструмент уходит влево в корпус 1, срывая тем самым опасный режим и устраняя возможность поломки и заклинивания. После устранения причины возникновения опасного режима и остывания механизм автоматически приходит в исходное рабочее положение.

Предлагаемое устройство, имея сравнительно простую конструкцию, позволяет за счет автоматической адаптации режимов обработки к параметрам обрабатываемой среды расширить эксплуатационные возможности механизма, увеличить надежность, безопасность и стабильность работы, уменьшить вероятность поломок и заклинивания рабочего инструмента при различных характеристиках обрабатываемых сред.

Кривошипно-ползунный механизм с кривошипом в качестве ведущего звена, ползуном в качестве ведомого исполнительного звена, связанного с рабочим инструментом и шарнирно соединенного с кривошипом с помощью шатуна, отличающийся тем, что в теле шатуна вблизи места его шарнирного соединения с ползуном между двумя жесткими участками сформирована упругая перемычка, снабженная концентрично охватывающей ее и плотно надетой на жесткие участки шатуна винтовой цилиндрической пружиной сжатия, выполненной из сплава с эффектом термомеханической памяти формы и характеризующейся релейным срабатыванием с уменьшением своей длины при повышении температуры до заданного порогового значения, при этом пружина зафиксирована на шатуне только своим обращенным к ползуну концом с обеспечением возможности ее постоянного контакта с ползуном и освобождения пружиной при ее релейном срабатывании упругой перемычки шатуна.

Источник: https://findpatent.ru/patent/265/2655124.html

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector