Îñîáåííîñòè êèíåìàòèêè ÄÂÑ ñ áîëüøèìè äåçàêñèàëàìè ÊØÌ

9

Ðàçìåùåíî íà http://www.allbest.ru/

Äîíáàññêàÿ íàöèîíàëüíàÿ àêàäåìèÿ ñòðîèòåëüñòâà è àðõèòåêòóðû

Îñîáåííîñòè êèíåìàòèêè äÂÑ ñ áîëüøèìè äåçàêñèàëàìè êðèâîøèïíî-øàòóííûõ ìåõàíèçìîâ

ÓÄÊ 621.43

Ñ.À.Ãîðîæàíêèí, À.Â.Ìàðòûíþê

Èçëîæåíû îñîáåííîñòè êèíåìàòèêè äâèãàòåëåé âíóòðåííåãî ñãîðàíèÿ ñ äåçàêñèàëüíûìè êðèâîøèïíî-øàòóííûìè ìåõàíèçìàìè. Ýòè ìåõàíèçìû ïðèìåíåíû â ðàçðàáîòàííûõ êîíñòðóêöèÿõ äâèãàòåëåé ñ äâóìÿ øàòóíàìè, ñîåäèíåííûìè çóá÷àòûìè ñåêòîðàìè èõ âåðõíèõ ãîëîâîê ñ öåëüþ íàäåæíîãî îáåñïå÷åíèÿ ðàçãðóçêè îò áîêîâûõ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ïîðøåíü. Èññëåäîâàíû çàâèñèìîñòè ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ ïîðøíÿ ñ âåëè÷èíàìè äåçàêñèàëîâ äî èõ ïðåäåëüíûõ çíà÷åíèé.

Êëþ÷åâûå ñëîâà: äâèãàòåëü âíóòðåííåãî ñãîðàíèÿ, äåçàêñèàëüíûé êðèâîøèïíî-øàòóííûé ìåõàíèçì, ñêîðîñòü ïîðøíÿ, óñêîðåíèå ïîðøíÿ.

Ôîðìóëèðîâêà ïðîáëåìû

äâèãàòåëü êðèâîøèïíûé øàòóííûé òðåíèå

Îäíèì èç ïóòåé ïîâûøåíèÿ ÊÏÄ ïîðøíåâûõ äâèãàòåëåé âíóòðåííåãî ñãîðàíèÿ (ÄÂÑ) ÿâëÿåòñÿ ñíèæåíèå ïîòåðü íà òðåíèå â èõ ìåõàíèçìàõ. Èõ âåëè÷èíà â íåêîòîðûõ êîíñòðóêöèÿõ äîñòèãàåò 30% èíäèêàòîðíîé ìîùíîñòè, ïðè÷åì ïðåâàëèðóþùèìè èç íèõ ÿâëÿþòñÿ ïîòåðè íà òðåíèå â êðèâîøèïíî-øàòóííîì ìåõàíèçìå (ÊØÌ). Ïîýòîìó â íàñòîÿùåå âðåìÿ ïðîâîäÿòñÿ ìíîãî÷èñëåííûå èññëåäîâàíèÿ ÄÂÑ íåòðàäèöèîííûõ ñõåì, â êîòîðûõ ïðåäïðèíèìàþòñÿ ïîïûòêè ñíèçèòü ïîòåðè â ïàðå «öèëèíäð-ïîðøåíü». Ê íèì ñëåäóåò îòíåñòè äâóõâàëüíûå äâèãàòåëè, â òîì ÷èñëå ñ êðèâîøèïíî-êóëèñíûì ìåõàíèçìîì, ïîçâîëÿþùèå ñíèçèòü ïîòåðè íà òðåíèå â ÊØÌ [1,2]. Áëàãîäàðÿ ðÿäó äîñòîèíñòâ îíè ïîçâîëÿþò óëó÷øèòü òåõíèêî-ýêîíîìè÷åñêèå ïîêàçàòåëè òàêèõ ìàøèí. Âìåñòå ñ òåì íà ñòàäèè ïðîåêòèðîâàíèÿ è äîâîäêè êîíñòðóêöèè íåîáõîäèìû êàê òåîðåòè÷åñêèå, òàê è îïûòíûå èññëåäîâàíèÿ, êîòîðûå ïîçâîëÿþò îòîáðàçèòü ðåàëüíûå ïðîöåññû, ïðîòåêàþùèå â äâèãàòåëå. Âûøåèçëîæåííîå îïðåäåëÿåò àêòóàëüíîñòü è âàæíîñòü âûïîëíåíèÿ ðàçðàáîòîê è ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé äâóõâàëüíûõ ÄÂÑ, äëÿ êîòîðûõ õàðàêòåðíû çíà÷èòåëüíûå âåëè÷èíû äåçàêñèàëîâ èõ ÊØÌ.

Àíàëèç ïîñëåäíèõ èññëåäîâàíèé

 íàñòîÿùåå âðåìÿ ðàçðàáîòàíû è èññëåäóþòñÿ êîíñòðóêöèè ÊØÌ ñ çóá÷àòûìè ñèíõðîíèçèðóþùèìè ñåêòîðàìè íà ïîðøíåâûõ ãîëîâêàõ øàòóíîâ [3].  òàêîì äâèãàòåëå, ñõåìà êîòîðîãî ïðèâåäåíà íà ðèñ.1, ïðè íàäëåæàùåé òî÷íîñòè èçãîòîâëåíèÿ äåòàëåé ìîæåò áûòü îáåñïå÷åíà ïðàêòè÷åñêè ïîëíàÿ ðàçãðóçêà îò áîêîâûõ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ïîðøåíü. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé [2] êèíåìàòèêè äâóõâàëüíîãî äâèãàòåëÿ ïðè çíà÷åíèÿõ äåçàêñèàëîâ k äî ~1.3 (k = a/R) ïîêàçûâàþò, ÷òî äëÿ óðàâíîâåøèâàíèÿ èõ ïî ñèëàì èíåðöèè ïåðâîãî è âòîðîãî ïîðÿäêà íåîáõîäèìà óñòàíîâêà äîïîëíèòåëüíûõ ïðîòèâîâåñîâ íà êîëåí÷àòîì âàëó è äîïîëíèòåëüíûõ âàëàõ.  òî æå âðåìÿ âåëè÷èíà äåçàêñèàëîâ â íåêîòîðûõ êîíñòðóêöèÿõ ìîæåò äîñòèãàòü çíà÷åíèé 2.5 è áîëåå. Ýòî òðåáóåò ïðîâåäåíèÿ äîïîëíèòåëüíûõ èññëåäîâàíèé êèíåìàòèêè è äèíàìèêè òàêèõ ÄÂÑ.

Ðèñ.1. Ñõåìà äâóõâàëüíîãî ÄÂÑ ñ çóá÷àòûìè ñèíõðîíèçèðóþùèìè ñåêòîðàìè íà ïîðøíåâûõ ãîëîâêàõ øàòóíîâ

Ôîðìóëèðîâêà çàäà÷è èññëåäîâàíèÿ è öåëü ðàáîòû

Íèæåïðèâåäåííûå ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ïàðàìåòðîâ ÊØÌ õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ ñ ìàòåðèàëàìè, èçëîæåííûìè â [2]. Íî â äàííîé ñòàòüå ïðè àíàëèçå èñïîëüçîâàíû àíàëèòè÷åñêèå âûðàæåíèÿ â ÿâíîì âèäå, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü îäíè è òå æå ôîðìóëû ïðè ëþáûõ çíà÷åíèÿõ äåçàêñèàëîâ è äàåò âîçìîæíîñòü ïîâûñèòü òî÷íîñòü ðàñ÷åòîâ â ïðîöåññå ïðîåêòèðîâàíèÿ.

Èçëîæåíèå îñíîâíîãî ìàòåðèàëà èññëåäîâàíèé

ÄÂÑ ñ äâóõâàëüíîé êèíåìàòè÷åñêîé ñõåìîé âêëþ÷àåò ñèììåòðè÷íóþ îòíîñèòåëüíî îñè öèëèíäðà ñèñòåìó èç äâóõ ÊØÌ, â êîòîðîé êîëåí÷àòûå âàëû âðàùàþòñÿ â ïðîòèâîïîëîæíûå ñòîðîíû ñ ñîâïàäàþùèìè ïî àáñîëþòíîé âåëè÷èíå ôàçàìè óãëîâ èõ ïîâîðîòà. Âàëû ñâÿçàíû äâóìÿ ñèíõðîíèçèðóþùèìè øåñòåðíÿìè. Îòíîñèòåëüíîå ñìåùåíèå, íàçûâàåìîå äåçàêñèàëîì (èíîãäà ýêñöåíòðèñèòåòîì), ëåæèò â ïðåäåëàõ

0 ? k < (1/ë - 1),

ãäå ë = R/L - îòíîñèòåëüíàÿ äëèíà øàòóíà.

 äâóõâàëüíûõ äâèãàòåëÿõ, ãäå èñïîëüçóþòñÿ äâà ñìåùåííûõ ÊØÌ, k îáû÷íî íå ïðåâûøàåò 3.

Èç ãåîìåòðè÷åñêèõ ñîîòíîøåíèé (ñì. ðèñ. 1) ìîæíî ïîëó÷èòü âûðàæåíèå äëÿ óãëà îòêëîíåíèÿ øàòóíà â

(1)

èëè

. (2)

Âûðàæåíèå (2) ðàñêëàäûâàåòñÿ â ðÿä ïî áèíîìó Íüþòîíà:

(3)

Äëÿ öåíòðàëüíîãî ÊØÌ, èëè åñëè k íå ïðåâûøàåò 0.15, ñ äîñòàòî÷íîé äëÿ ïðàêòèêè òî÷íîñòüþ â ðàñ÷åòàõ îáû÷íî îãðàíè÷èâàþòñÿ äâóìÿ ïåðâûìè ÷ëåíàìè ðàçëîæåíèÿ â ðÿä. Ýòîãî, êàê ïðàâèëî, äîñòàòî÷íî äëÿ óäîâëåòâîðåíèÿ òðåáîâàíèÿì óðàâíîâåøèâàíèÿ äâèãàòåëÿ è ðàñ÷åòîâ åãî äåòàëåé íà ïðî÷íîñòü.  òî æå âðåìÿ ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ k äëÿ ïîâûøåíèÿ òî÷íîñòè ðàñ÷åòîâ è îáåñïå÷åíèÿ áîëåå âûñîêîé ñòåïåíè óðàâíîâåøåííîñòè ñëåäóåò èñïîëüçîâàòü âûðàæåíèå (3) ñ áîëüøèì ÷èñëîì ÷ëåíîâ ðàçëîæåíèÿ.

Äëÿ äåçàêñèàëüíûõ ÊØÌ íàèáîëüøèå óãëû îòêëîíåíèÿ îñè øàòóíà îò îñè öèëèíäðà ïîëó÷àåòñÿ ïðè sin?_max = ± ? ïðè óñëîâèè, ÷òî óãëû ? îòñ÷èòûâàþò îò îñè öèëèíäðà èëè ïàðàëëåëüíîé åé ëèíèè â íàïðàâëåíèè âðàùåíèÿ êðèâîøèïà êîëåí÷àòîãî âàëà.

Äèôôåðåíöèðóÿ âûðàæåíèå (1) âî âðåìåíè, ïîñëå ïðåîáðàçîâàíèé îïðåäåëÿåì óãëîâóþ ñêîðîñòü ?_ø, à ïîñëå ïîâòîðíîãî äèôôåðåíöèðîâàíèÿ - óãëîâîå óñêîðåíèå ?_ø êà÷àíèÿ øàòóíà:

, (4)

. (5)

Âî ìíîãèõ çàäà÷àõ äèíàìèêè ÄÂÑ óäîáíåå èñïîëüçîâàòü ñîîòíîøåíèÿ, â êîòîðûõ ïåðåìåùåíèå ïîðøíÿ S ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé òîëüêî óãëà ïîâîðîòà âàëà ?.  òåîðèè ÄÂÑ ïðèíÿòî îòñ÷èòûâàòü ïåðåìåùåíèå ïîðøíÿ îò åãî ïîëîæåíèÿ â ÂÌÒ:

(6)

Õîäîì ïîðøíÿ ïî-ïðåæíåìó ñ÷èòàåòñÿ ðàññòîÿíèå ìåæäó åãî ïîëîæåíèÿìè â âåðõíåé è â íèæíåé «ìåðòâûõ» òî÷êàõ (ÂÌÒ è ÍÌÒ). Íà ðèñ.2 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ïîðøíÿ S/R, ïîëó÷åííûå ïî óðàâíåíèþ (6). Èç ãðàôèêîâ ñëåäóåò, ÷òî åñëè â àêñèàëüíîì ÊØÌ è ïðè ìàëûõ äåçàêñèàëàõ (k<0,1) õîä ïîðøíÿ ïðàêòè÷åñêè ðàâåí 2R, òî ïðè áîëüøèõ äåçàêñèàëàõ îí ìîæåò óâåëè÷èâàòüñÿ ïî÷òè äî 3R. Ýòî îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî íàèáîëüøåå ïåðåìåùåíèå ïîðøíÿ äîñòèãàåòñÿ íå ïðè ? =180º, à ïðè ? = 210- 240º, òî åñòü ÍÌÒ ïîðøíÿ íàõîäèòñÿ çíà÷èòåëüíî áëèæå ê îñè êîëåí÷àòîãî âàëà, ÷åì â ñëó÷àå k = 0.

Ðèñ.2. Çàâèñèìîñòü îòíîñèòåëüíîãî ïåðåìåùåíèÿ ïîðøíÿ S/R îò óãëà ïîâîðîòà êîëåí÷àòîãî âàëà ïðè ðàçëè÷íûõ k.

Äèôôåðåíöèðóÿ âûðàæåíèå ïåðåìåùåíèÿ ïîðøíÿ (6), ïîëó÷èì ñîîòâåòñòâåííîå óðàâíåíèå äëÿ ñêîðîñòè ïîðøíÿ

(7)

Òàê, èç ðèñ.3 âèäíî, ÷òî ïðè k = 0 ìàêñèìàëüíîå ïîëîæåíèå çíà÷åíèÿ îòíîñèòåëüíîé ñêîðîñòè äîñòèãàåòñÿ ïðè ? ˜ 75º. Ïðè óâåëè÷åíèè äåçàêñèàëà ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå V/(R?) ñäâèãàåòñÿ â îáëàñòü ? ? 105º,à ìàêñèìàëüíîå îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèå - â îáëàñòü ? ? 305º. Ïðè k = 2 íàèáîëüøåå îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèå V/(R?) ïðåâîñõîäèò ïî ìîäóëþ ñêîðîñòü ïðè k = 0 ïî÷òè â 1,45 ðàçà.

Ðèñ.3 Çàâèñèìîñòü îòíîñèòåëüíîé ñêîðîñòè ïîðøíÿ V/(R?) îò óãëà ïîâîðîòà êîëåí÷àòîãî âàëà ïðè ðàçëè÷íûõ k.

Äèôôåðåíöèðóÿ ôîðìóëó äëÿ ñêîðîñòè ïîðøíÿ (7), ïîëó÷èì, ñîîòâåòñòâåííî, àíàëèòè÷åñêîå âûðàæåíèå äëÿ óñêîðåíèÿ ïîðøíÿ

(8)

 ÄÂÑ àìïëèòóäà ãàðìîíèê âòîðîãî ïîðÿäêà âñåãäà çíà÷èòåëüíî ìåíüøå àìïëèòóä ãàðìîíèê ïåðâîãî ïîðÿäêà, ïðè k = 0 íàèáîëüøåå ïîëîæèòåëüíîå çíà÷åíèå óñêîðåíèÿ äîñòèãàåòñÿ ïðè ? = 0, îòðèöàòåëüíîå ïðè ? = 180º. Ïðè óâåëè÷åíèè äåçàêñèàëà ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå J/(R?²) îñòàåòñÿ íà ïðåæíåì ìåñòå â îáëàñòè ? = 0; ìàêñèìàëüíîå îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèÿ - èç îáëàñòè ? = 180º â ðàéîí ? ˜ 255º. Ïðè k = 2 íàèáîëüøåå îòðèöàòåëüíîå çíà÷åíèÿ J/(R?²) ïðåâîñõîäèò åå çíà÷åíèå ïðè k = 0 ïî÷òè â 1,77 ðàçà.

Íà ðèñ.4 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè èçìåíåíèÿ îòíîñèòåëüíîãî óñêîðåíèÿ ïî óãëó ïîâîðîòà êîëåí÷àòîãî âàëà ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ îòíîñèòåëüíîãî ñìåùåíèÿ k = à/R.

Ðèñ.4. Çàâèñèìîñòü îòíîñèòåëüíîãî óñêîðåíèÿ ïîðøíÿ J/(R?^?) îò óãëà ïîâîðîòà êîëåí÷àòîãî âàëà ïðè ðàçëè÷íûõ k.

Íà ðèñ.5 ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè èçìåíåíèÿ îòíîñèòåëüíîãî óñêîðåíèÿ ïî óãëó ïîâîðîòà êîëåí÷àòîãî âàëà ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ îòíîñèòåëüíîãî ñìåùåíèÿ k = à/R è ??= R/L. Êàê âèäíî èç ðèñ.5, âëèÿíèå ??óâåëè÷èâàåòñÿ ñ óâåëè÷åíèåì îòíîñèòåëüíîãî ñìåùåíèÿ k. Ãîðàçäî áîëüøåå âëèÿíèå îêàçûâàåò èçìåíåíèå äåçàêñèàëà à.

Ðèñ.5. Çàâèñèìîñòü îòíîñèòåëüíîãî óñêîðåíèÿ ïîðøíÿ J/(R?^?) îò óãëà ïîâîðîòà êîëåí÷àòîãî âàëà ïðè ðàçëè÷íûõ k è ?.

Âûâîäû è ïåðñïåêòèâû äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèé â äàííîì íàïðàâëåíèè

Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîçâîëÿþò ñäåëàòü âûâîä, ÷òî â äâóõâàëüíîì äâèãàòåëå ñ äâîéíûì äåçàêñèàëüíûì ÊØÌ (k=1.8…2.5) ñèëû èíåðöèè ïîñòóïàòåëüíî äâèæóùèõñÿ ìàññ ïðåäñòàâëåíû äîñòàòî÷íî ñëîæíûìè ôóíêöèÿìè. Ýòè ñèëû íå ìîãóò áûòü ïîëíîñòüþ óðàâíîâåøåíû ñ ïîìîùüþ óñòàíîâèâøèõñÿ òðàäèöèîííûõ ñõåì (ïðîòèâîâåñû, ðàñïîëîæåííûå íà êîëåí÷àòîì âàëå, äîïîëíèòåëüíûõ âàëàõ). Óðàâíîâåñèòü òàêîé äâèãàòåëü ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì ñ ïîìîùüþ óñòàíîâêè ïðîòèâîâåñîâ, êîòîðûå îòîáðàæàþò ôóíêöèè óñêîðåíèé ïîñòóïàòåëüíî äâèæóùèõñÿ ìàññ äâèãàòåëÿ. Ïðåäñòàâëåííûå àíàëèòè÷åñêèå è ãðàôè÷åñêèå çàâèñèìîñòè ïîçâîëèëè ïîëó÷èòü ÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ ïåðåìåùåíèÿ, ñêîðîñòè è óñêîðåíèÿ ïîðøíÿ ïðè ëþáûõ äåçàêñèàëàõ êðèâîøèïíî-øàòóííûõ ìåõàíèçìîâ ÄÂÑ. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü â äàëüíåéøåì èñïîëüçîâàòü ïðèâåäåííûå ðåçóëüòàòû äëÿ ðàñ÷åòîâ äèíàìè÷åñêèõ íàãðóçîê â äâèãàòåëÿõ, ðåøåíèþ çàäà÷ èõ óðàâíîâåøèâàíèÿ.

Ñìåùåíèÿ óãëîâ, ñîîòâåòñòâóþùèõ âåðõíåé è íèæíåé ì¸ðòâûì òî÷êàì, èçìåíåíèå ïðîäîëæèòåëüíîñòè âî âðåìåíè âñåõ òàêòîâ öèêëà äâèãàòåëÿ ïðèâîäÿò ê íåîáõîäèìîñòè èññëåäîâàíèé òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â íåì.  äàëüíåéøåì íåîáõîäèìî èçó÷åíèå ïðîöåññîâ ãàçîîáìåíà ïðè âïóñêå è âûïóñêå ââèäó èçìåíåíèÿ ïðîäîëæèòåëüíîñòè îòêðûòèÿ êëàïàíîâ (îêîí) è, ñîîòâåòñòâåííî, ïðîâåäåíèå îïòèìèçàöèè ïàðàìåòðîâ ýòèõ ïðîöåññîâ.

Ëèòåðàòóðà

1. Ìèùåíêî Í.È. Íåòðàäèöèîííûå ìàëîðàçìåðíûå äâèãàòåëè âíóòðåííåãî ñãîðàíèÿ. Ò.1. Òåîðèÿ, ðàçðàáîòêà è èñïûòàíèå íåòðàäèöèîííûõ äâèãàòåëåé âíóòðåííåãî ñãîðàíèÿ. - Äîíåöê: «Ëåáåäü», 1998. - 228ñ.

2. Ìèùåíêî È.È., Õèì÷åíêî À.Â. Ðàñ÷åò êèíåìàòèêè äâóõâàëüíîãî äâèãàòåëÿ ñ äâóìÿ øàòóíàìè íà îäèí ïîðøåíü // Òðóäû Òàâðè÷åñêîé ãîñóäàðñòâåííîé àãðîòåõíè÷åñêîé àêàäåìèè. - Ìåëèòîïîëü:ÒÃÀÒÀ, 1998. - Ò.5, âûï.2. - Ñ.26-29.

3. Äâèãóí âíóòð³øíüîãî çãîðÿííÿ. Ïàòåíò íà âèíàõ³ä, Óêðà¿íà. Îïóáë³êîâàíî 29.09.1995 ð., ¹ 7354.

Ðàçìåùåíî íà Allbest.ru