Дезаксиальный кривошипно-шатунный

МЕХАНИЗМ

В некоторых автомобильных и тракторных двигателях применяется

кривошипно-шатунный механизм, у которого ось цилиндра не пересекает

ось коленчатого вала, а смещена относительно нее на некоторое расстоя-

ние e (рис. 11). Такой механизм называется дезаксиальным или смещен-

ным КШМ. Кроме параметра e, характеризуется величиной относительно-

го смещения k = e / r, где r – радиус кривошипа. Для современных автомо-

бильных и тракторных двигателей параметр k находится в пределах 0,05..

.0,20. Смещенный КШМ в двигателях с нижним расположением распреде-

лительного вала применяется главным образом для выполнения требова-

ний конструктивной компоновки.

При ходе поршня от ВМТ до НМТ (за цикл расширения) угол откло-

нения __________шатуна β меньше, чем при обратном ходе. Как будет показано в гла-

ве ｫДинамика кривошипно-шатунного механизмаｻ, это приводит к сниже-

нию величины бокового давления поршня на цилиндр, а значит и умень-

шается величина износа цилиндра.

В двигателях, имеющих одинаковые величины r и λ, ход поршня s п д

немного больше, чем в случае центрального КШМ. Кроме того, возрастает

и время такта впуска, так как при движении поршня от ВМТ до НМТ угол

27

поворота коленчатого вала дезаксиального двигателя больше 180ｺ, что

улучшает его наполнение.

К преимуществам дезаксиального

КШМ следует отнести и меньшую, чем в

центральном механизме, скорость поршня

около ВМТ, благодаря чему улучшается

процесс сгорания, протекающий при ус-

ловиях, приближающихся к условиям сго-

рания при постоянном объеме. В зависи-

мости от расположения распределитель-

ного вала смещение оси цилиндра позво-

ляет или увеличить расстояние между ко-

ленчатым и распределительным валами и,

следовательно, пространство для беспре-

пятственного вращения нижней головки

шатуна или уменьшить это расстояние, а

вместе с тем и диаметры распределитель-

ных шестерен и габариты приводов.

Следует отметить, что силы инерции

возвратно-поступательно движущихся

масс в двигателе с дезаксиальным КШМ

несколько больше, чем в двигателе тех же

размеров с центральным КШМ. Однако

разница в величине этих сил для автомо-

бильных и тракторных двигателей так ма-

ла, что практически все расчеты на проч-

ность деталей двигателя можно вести, как для центрального КШМ.

Ось цилиндра в двигателях с дезаксиальным КШМ и направлением

вращения коленчатого вала по часовой стрелке обычно смещают вправо по

направлению вращения (рис. 10).

За нулевое положение дезаксиального кривошипно-шатунного меха-

низма принимается такое, при котором кривошип, находясь в вертикаль-

ном верхнем положении OB 0, параллелен оси цилиндра.

Положения кривошипа, соответствующие ВМТ и НМТ, т. е. совмеще-

нию радиуса кривошипа и продольной оси шатуна по одной прямой, опре-

деляются углами φ1 и φ2, которые находятся из треугольников OАЕ и

Рис. 11. Схема дезаксиального

Кривошипно -шатунного меха-

Низма

28

OА 1 Е:

+ λ

λ

=

+

=

+

ϕ = =

1

sin 1

k

r

l r

r

e

l r

e

OA

OE; (9)

− λ

λ

= −

−

= −

−

ϕ = − = −

1

sin

1

2

k

r

l r

r

e

l r

e

OA

OE. (10)

Как следует из (9) и __________(10) sinϕ2 >sinϕ1 и ϕ2 >ϕ1. Так при λ=1/3, k =0,2

sinφ1 = 0,05; sinφ2 = 0,1; φ1 =1ｺ50’; φ2 = 5ｺ50’.

Таким образом, угол поворота коленчатого вала при прямом ходе (от

ВМТ) больше 180ｺ, а при обратном ходе (от НМТ) – меньше 180ｺ.

Ход поршня дезаксиального механизма согласно рис. 10

2 2 2 2

S д = EA − EA 2 = (l + r) − e − (l − r) − e

или

1 1 1 1 2.

2

2

2

д 







 





− 







 −

λ

− − 







 +

λ

S = r k k (11)

Разница между ходами поршня дезаксиального S д и центрального

S = 2 r КШМ для современных автомобильных и тракторных двигателей

очень незначительна. Так, при λ=1/3, k =0,20 S д = 2,005 r. Таким образом,

даже при максимальном значении k эта разница составляет менее 1 %.

Перемещение поршня дезаксиального КШМ в зависимости от угла

поворота коленчатого вала

s п д = EA − EA 1,

или

1 1 (cos 1 cos).

() (cos cos)

2

2

2 2

п д

 





 





β

λ

+ ϕ − − 







+

λ

=

= + − − ϕ + β =

r k

s l r e r l

(12)

Из рис. 10 следует, что

BC = r sinϕ = l sinβ + e,

откуда

29

sinβ = λ(sinϕ − k) (13)

и

cos 1 sin [1 (sin) ].

2 2 2 1 2 β = − β = − λ ϕ − k

Разлагая правую часть этого выражения в ряд по биному Ньютона и

ограничиваясь ввиду малости последующих членов двумя первыми члена-

ми ряда, получим

,

2

sin sin 1

2

1 1

(sin)

2

cos 1 1

2 2 2 2 2

2 2

k k

k

= − λ ϕ + λ ϕ − λ

β = − λ ϕ − =

или

cos2.

4

sin 1

4

1

2

cosβ =1− 1 λ2 k 2 − λ2 + λ2 k ϕ + λ2 ϕ

Подставляя это выражение cosβ в формулу (12), получаем

 





 





− λ + λ ϕ − λ + λ ϕ

λ

+ ϕ − − 







 +

λ

= cos2

4

1

4

sin 1

2

1 1 2 (cos 1 1 2

2

s д r k k k (14)

Скорость поршня дезаксиального КШМ из (14)

st

ds

v д

п д =

или

sin 2 cos.

2

sin д п 







 ϕ − λ ϕ

λ

v = r ω ϕ + k (15)

Так как угол поворота коленчатого вала при прямом ходе поршня

больше 180ｺ, а при обратном ходе – меньше 180ｺ, то, следовательно, сред-

няя скорость поршня при прямом ходе меньше, чем при обратном.

Ускорение поршня дезаксиального КШМ из (15)

dt

dv

j п д

п д =

или

2 (cos cos2 sin).

j п д = r ω ϕ + λ ϕ + λ k ϕ (16)

На рис. 12 изображены кривые изменения поршня в зависимости от

угла поворота коленчатого вала φｺ, построенные согласно формуле (16)

для значений λ=1/4, k = 0,2, n =3600 мин-1 и r =0,055 м.

30

Из графика следует, что ускорение j п д дезаксиального кривошипно-

шатунного механизма на участке 0 > φｺ < 180ｺ превышает ускорение j п

центрального КШМ, а на участке 180ｺ > φｺ < 360ｺ – j п > j п д. Это проихо-

дит потому, что на первом участке составляющая полного ускорения j п д

r ω2λ k sinϕ – положительная.

Угловое перемещение шатуна дезаксиального КШМ определяется

по формуле (13) или

β = arcsin[λ(sinϕ − k)], (17)

из которой следует, что:

• наименьший угол βmin отклонения шатуна, при котором ось шатуна

совпадает с осью цилиндра (β=0), получается при sinβmin = 0, е. е. при

sinϕ = k;

• наибольший угол βmax отклонения шатуна от оси цилиндра соответст-

вует sinϕ = ±1, е. е. при φ =90ｺ и 270ｺ, когда sinβmax = ±λ − k λ.

При отклонении шатуна в ту или другую сторону от оси цилиндра

наибольшие углы βmax отклонения получаются неодинаковыми.

Угловую скорость качания шатуна ωшд= d β dt (из зависимости

Рис. 12. Графики изменения ускорения поршня дезаксиального