Общее устройство поршневого двс. Скоростные Характеристики двс и их влияние на эксплуатационные свойства.

Классификация:

1) По способу смесеобразования:

· с внешним смесеобразованием (бензиновые и газовые);

· с внутренним смесеобразованием (дизели).

2) По способу воспламенения рабочей смеси:

· с принудительным воспламенением (бензиновые и газовые);

· с самовоспламенением (дизели).

3) По способу осуществления рабочего цикла:

· четырехтактные;

· двухтактные.

4) По числу цилиндров: 1о-; 2х-; многоцилиндровые.

5) По расположению цилиндров: рядные с вертикальным/наклонным расположением цилиндров; V-образные с расположением цилиндров под углом; оппозитные (расположение цилиндров под углом 180°).

6) По способу охлаждения: с жидкостным/воздушным охлаждением.

7) По виду применяемого топлива: бензиновые; дизели; газовые; многотопливные.

8) По способу наполнения цилиндра свежим зарядом: без наддува; с наддувом.

Основными частями поршневого ДВС являются КШМ и ГРМ, а также системы пуска, питания, охлаждения, зажигания (кроме дизелей) и система смазки.

КШМ преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленвала.

ГРМ обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания.

Система пуска - для запуска двигателя.

Система питания - для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а т.ж. для отвода продуктов сгорания.

Система смазки - для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов изнашивания.

Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма.

Система зажигания - для принудительного воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Действие поршневого ДВС основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня от ВМТ (крайнее верхнее положение КШМ) к НМТ (крайнее нижнее положение КШМ). Нагревание газов в положении ВМТ достигается в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом ↑ t° газов и давления. Под действием разницы давлений сверху и снизу поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Рабочий цикл двигателя - периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот колен. вала, то такой двигатель называется двухтактным. Автом. двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя: 1) Впуск. Поршень движется от ВМТ к НМТ, под действием образующегося разрежения ч/з открытый впускной клапан в цилиндр засасывается горючая смесь (бензиновые двигатели) или воздух (дизели). 2) Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении колен. вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема t° и давление рабочей смеси ↑. 3) Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры (бензиновые двигатели). У дизелей в этот момент ч/з форсунку впрыскивается топливо, которое, перемешиваясь с воздухом, воспламеняется под действием ↑ t° в цилиндре. t° и давление образующихся газов резко ↑, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и ч/з кривошип приводит во вращение колен. вал. 4) Выпуск. При четвертом полуобороте колен. вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу ч/з выпускной трубопровод.

«+» дизелей: более экономичен (расход топлива на единицу мощности ↓ ≈ на 30%), более экологичен, более надежен в работе, применяемое топливо имеет меньшую стоимость.

«-»: хуже приемистость, меньше литровая мощность, повышенная шумность работы, сложнее запуск в зимнее время, больше размеры и масса. Двухтактные двигатели отличаются от четырехтактных тем, что у них наполнение цилиндров горючей смесью или воздухом осуществляется в начале хода сжатия, а очистка цилиндров от отработавших газов – в конце хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска происходят без самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных двигателей - продувка, т.е. процесс удаления отработавших газов из цилиндра с помощью потока горючей смеси или воздуха. У этого типа двигателей отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Ч/з эти окна цилиндр в определенные моменты сообщается с впускным и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер), которая не имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет 3 окна: впускное, выпускное и продувочное, которое сообщается с кривошипной камерой двигателя. Рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта: 1) Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности создается разряжение, под действием которого из карбюратора ч/з открытое впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру. 2) Рабочий ход. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результатете чего t° и давление газов резко ↑. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно опускающийся поршень закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь. Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начинается выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре ↓. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов. Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в 2 раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на привод продувочного компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%. «-» является т.ж. худшая топливная экономичность. Исходными для определения продольных реакций на ведущих колесах АТС являются скоростные характеристики двигателя. Скоростной характеристикой двигателя называется графическая зависимость эффективной мощности N_e, крутящего момента М_е, часового и удельного расходов топлива от частоты n_e вращения колен. вала двигателя. Различают внешнюю (при полной подаче топлива) и частичные характеристики, с ограничителем (у всех дизелей и высокофорсированных бензиновых двигателей грузовых авто и автобусов) и без ограничителя (в основном бензиновые двигатели легковых автомобилей) частоты вращения вала. На графиках внешних скоростных характеристик можно выделить следующие точки: N_{e max} – макс эффективная мощность при полной подаче топлива в двигатель, кВт; M_{e max} – макс крутящий момент, Н^.м; n_{e min} – миним устойчивая частота вращения коленчатого вала, об/мин; n_M – частота вращения при максимальном моменте, об/мин; n_N – частота вращения при максимальной мощности (номинальная), об/мин

кривая силы тяги Для оценки тяговой динамики АТС большое значение имеет запас крутящего момента в диапазоне частот вращения колен. вала n_N … n_M. Если увеличение сопротивления движению вызывает уменьшение частоты в этом диапазоне, а момент ↑, то двигатель автоматически приспосабливается к изменению нагрузки. Это свойство двигателя оценивается коэффициентом приспосабливаемости. Его используют для сравнительной оценки двигатель различных типов. 1) Коэффициент приспосабливаемости по моменту – характеризует автоматическую приспосабливаемость двигателя к изменению внешней нагрузки (к изменению дорожных условий). K_м = М_{e max} / M_N; 2) По частоте – характеризует диапазон устойчивой работы двигателя. K_n = n_N / n_М. Пределы изменения этих коэффициентов для поршневых ДВС следующие: бензиновые К_м = 1,05…1,35, K_n = 1,5…2,5; дизели К_м = 1,10…1,20, K_n = 1,4…2,0. Внешнюю скоростную характеристику можно получить экспериментально и расчетным путем. При получении эксперимент. способом часть оборудования снимается, а часть работает в нехарактерных для себя условиях. Скоростные характеристики двигателя экспериментально получают при их испытаниях на стендах, где для каждого значения частоты вращения n_e определяют величину крутящего момента М_е. Связь м/у параметрами характеристики двигателя м.б. выражена формулой М_е = 9550 N_e / n_e. (Н^.м). Все точки скоростной характеристики двигателя снимаются при установившемся режиме его работы, т. е. при таком режиме, при котором, по крайней мере, в течение одной минуты не изменяются не только крутящий момент и частота вращения колен. вала, но и его тепловое состояние: t° охлаждающей жидкости (охлаждающего воздуха), масла, отработавших газов. Стендовые испытания проводятся по методикам, различным в различных странах. Усл. работы двигателя на АТС существенно отличаются от тех, при которых его испытывают на стенде. Во-первых, при работе двигателя на авто часть его мощности расходуется на те приборы, которые были сняты при испытаниях на стенде (радиатор, вентилятор, генератор, глушитель и т. п.), а мощность, расходуемая на некоторые из тех приборов, которые при испытаниях на стенде не были сняты, при работе в реальных усл. отличается от мощности, расходуемой при снятии скоростных характеристик. Во-вторых, t°, давление и влажность воздуха, засасываемого в двигатель при его реальной работе, существенно отличаются от стандартных атмосферных усл. (барометрическое давле­ние – 100 кПа, t° воздуха - +25º С), к которым приводятся результаты стендовых испытаний двигателя при построении скоростных характеристик. Таким образом, реальные значения мощности, передаваемые на ведущие колеса, меньше полученных на стенде. В частности, в технической характеристике двигателя указана стендовая макс мощность N_ст.max. Поэтому при использовании официальных данных для расчета тяговых свойств, полученные по внешней скоростной характеристике значения мощности следует умножить на некоторый коэф. коррекции (k_р = 0,85…0,95), меньший единицы. Коэф. коррекции зависит от того, по какой методике получена скоростная характеристика. Он различен для различных двигателей, а для одного и того же двигателя зависит от того, на каком АТС он установлен. Зависит он т.ж. от усл. эксплуатации и режима работы двигателя. Реальная мощность установленного на АТС двигателя: N_{e max} = k_p N_cт.max (кВт). Для построения внешн. скоростной характеристики аналитическим методом используют формулы С.Р.Лейдермана. Согласно ей, текущее значение мощности, соответствующей определенной частоте, равно N_e = N_{e max} (a n_e / n_N + b n_e² /n_N² - c n_e³ /n_N³), (a, b, c – коэф-ы Лейдермана, зависящие от типа и конструкции двигателя; n_e – текущее значение частоты). При этом a + b - c = 1,0.

5. Механические трансмиссии: агрегаты, требования к конструкции, основы расчета.

Включает в себя: сцепление, коробку передач, карданную передачу, главную передачу, дифференциал и полуоси. Три последних элемента авто объединяют в один агрегат – ведущий мост. В трансмиссию многоприводных авто может входить раздаточная коробка.

При расчете элементов трансмиссии используются 3 расчетных режима: 1) По макс крутящему моменту двигателя (метод дает условные величины напряжений, которые меньше пиковых, но больше эксплуатационных, поэтому такой метод используется для поверочных расчетов); 2) По макс сцеплению ведущих колес с дорогой (такой расчетный режим целесообразно применять для авто с высокой удельной мощностью, когда расчетная сила тяги выше, чем сила тяги по сцеплению на низших передачах, например, при расчете раздаточных коробок). 3) По макс динамическим нагрузкам, наблюдающимся при переходных режимах движения авто.

Сцепление - для кратковременного отсоединения двигателя от ведущих колес и последующего плавного их соединения. Требования к конструкции: надежная передача крутящего момента от двигателя к трансмиссии; плавность и полнота включения; чистота включения; мин. момент инерции ведомых элементов; хороший отвод теплоты от поверхностей трения; предохранение трансмиссии от динамических нагрузок; поддержание нажимного усилия в заданных пределах; мин. затраты физических усилий на управление; хорошая уравновешенность; Общие требования: мин. масса и размеры, простота устройства и обслуживания, технологичность, ремонтопригодность, ↓ уровень шума, надежность.

Классификация: 1)По способу передачи крутящего момента –гидравлические, --электромагнитные, --фрикционные а) По форме элементов трения: -дисковые (с дисками в масле, сухими, одно-, двух-, многодисковые), -специальные. 2)По способу управления: --автоматические, --принудительные, 3) По способу создания нажимного усилия: --центробежные, --электромагнитные, --пружинные: (с периферийными пружинами, с центральной диафрагменной пружиной). 4) По типу приводов: --с механическим, --гидравлическим, --комбинированным. 5) По хар-ру работы:-- постоянно замкнутые, --постоянно разомкнутые.

Постоянно разомкнутые применяются при автоматическом управлении. Выбор размеров сцепления производится из условия передачи макс. крутящего момента двигателя посредством трения с некоторым запасом. Основным параметром фрикционного сцепления является наружный диаметр ведомого диска. После определения геометрических размеров дисков и параметров нажимных пружин производится расчет давления на фрикционные накладки. К показателям нагруженности деталей сцепления относятся т.ж. удельная работа буксования (отражающая т.ж. износостойкость сцепления) и нагрев деталей сцепления при одном трогании с места. Пружины гасителя крутильных колебаний рассчитываются на кручение в стесненных условиях (определяют касательные напряжения среза и кручения), рычаги выключения сцепления – по напряжениям изгиба, шлицы ступицы ведомого диска – на смятие и срез. При расчете привода рассчитываются его передаточное число, усилие на педали и ход педали. Кроме этого, определяются геометрические размеры рычагов, цилиндров и тяг привода.

Коробка передач (КП) - для получения различной силы тяги на ведущих колесах авто (путем изменения передаточного числа); для отсоединения двигателя от ведущих колес на длительное время; для обеспечения движения авто задним ходом.

Требования: обеспечение оптимальных тягово-скоростных и топливно-экономических свойств авто при заданной внешней скоростной характеристики двигателя; простота и удобство управления; обеспечение ↑ КПД; бесшумность при работе и переключении передач; общие требования. Классификация: 1)По способу изменения передаточного числа -- ступенчатые (3х-,4х-,5ти-, многоступенчатые), --бесступенчатые, --комбинированные. 2) По конструктивной схеме: --с неподвижными осями (2х-,3х-, многовальные), --вращающимися, --комбинированные. 3) По типу зубчатого зацепления: --прямозубые, --косозубые («-» наличие осевой силы воспринимаемой подшипниками), -- шевронные (не имеют осевой составляющей), --смешанные. 4) по способу переключения: --с подвижными зубчатыми колесами, --с муфтами легкого включения, --с синхронизаторами. 5) по способу управления: --с непосредственным, --с дистанционным, --с автоматическим.

Ступенчатые КП отличаются простой конструкцией и меньшей стоимостью по сравнению с бесступенчатыми. Поэтому они получили широкое применение на авто различных типов. Передаточные числа при неподвижных осях зубчатых колес и внешнем зацеплении определяются: , где n – число зацеплений, ч/з которые на данной передаче передается мощность, z –число зубьев зубчатых колес. Для проектирования КП необходимо вначале определить передаточное число низшей ступени, которое, если не установлен диапазон, определяется из необходимости соблюдения трех условий: возможности преодоления авто заданного макс. дорожного сопротивления; возможности реализации макс. силы тяги по усл. сцепления колес с дорогой; возможности движения с мин. устойчивой V. Передаточные числа промежуточных ступеней КП в большинстве случаев рассчитывают по геометрич. прогрессии, что обеспечивает возможность работы двигателя при разгоне АТС в одинаковом режиме на всех передачах с наилучшим использованием мощности. После выбора схемы и передаточных чисел КП определяют ее основные размеры: межосевое расстояние ; параметры зубчатых колес (модуль, углы наклона зубьев и ширину шестерен) и валов (диаметры и длины). Число зубьев колес определяется по известному передаточному числу. При расчете деталей КП расчетный момент определяется по макс. крутящему моменту двигателя. Расчет шестерен производится: на прочность (по напряжениям изгиба зубьев) и на долговечность (по контактным напряжениям).

Синхронизатор – устройство, которое используется в коробке передач для выравнивания угловых скоростей соединяемых элементов перед включением передач. Они полностью исключают ударную нагрузку и шум в процессе включения передач.

М.б. одностороннего действия для включения 1передачи и 2х стороннего для включения двух передач.

Элементы: 1) Выравнивающий – фрикционный элемент поглощающий энергию сил инерции вращающихся масс. 2) Блокирующий – устройство препятствующее перемещению включающей зубчатой муфты до полного уравнивания ω. 3) Включающий – зубчатая муфта включающая передачу. Сейчас используют только инерционные синхронизаторы. Они блокируют включающую зубчатую муфту до тех пор, пока кинетич.энергия деталей вращающихся с ведомым диском сцепления не будет поглощена работой трения в синхронизаторе. Цель расчета синхронизатора - определение углов наклона конусов и блокирующих поверхностей, обеспечивающих соблюдение усл. невключения передачи до полного выравнивания угловых скоростей соединяемых деталей, а т.ж. момента трения и времени синхронизации. Синхронизаторы принято оценивать по удельной работе буксования, которую рассчитывают после определения их геометрич. параметров.

Валы КП рассчитывают на кручение и изгиб (оценивают по результирующему напряжению). Жесткость валов оценивают по их прогибу; шлицы валов рассчитывают на смятие. Критерием оценки долговечности подшипников является базовая долговечность, соответствующая 90%-ной надежности (оценивается путем расчета эквивалентной динамической нагрузки).

Раздаточная коробка служит для передачи и распределения крутящего момента м/у несколькими ведущими мостами многоприводных авто.

Требования: распределение крутящего момента м/у ведущими мостами в соотв. со сцепным весом, приходящимся на мосты; отсутствие циркуляции мощности в трансмиссии авто; ↑ силы тяги на ведущих колесах, необходимое для преодоления дорожного сопротивления при движении авто по плохим дорогам и бездорожью; возможность движения авто с мин. V (2 - 5 км/ч) при работе двигателя с макс.крутящим моментом; общие требования. Обычно раздаточную коробку устанавливают за КП, соединяя их карданной передачей. При этом раздаточную коробку одновременно используют в качестве демультипликатора. Расчет РК производится аналогично расчету КП, с учетом передаточного числа низшей ступени РК.

Карданная передача - для передачи крутящего момента под углом и при изменении расстояния м/у агрегатами.

Требования: надежная передача крутящего момента; возможность передачи крутящего момента независимо от угла м/у соединяемыми валами; высокий КПД; общие требования.

В общем случае карданная передача состоит из карданных шарниров, карданных валов и компенсирующего соединения.

Классификация:

1) По конструкции карданной передачи: --открытая/закрытая, --однозвенная (2шарнира, 1 карданный вал без промежуточной опоры)/многозвенная (с 2я и более карданными валами и промежуточными опорами).

2) По конструкции карданных шарниров: --неравных ω (упругие и жесткие), --равных ω (шариковые с делительными канавами, шариковые с делительным рычажком, кулачковые).

При расчете карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей рассчитываются: карданный вал, крестовина, вилки и подшипники карданного шарнира. Карданный вал, размеры которого выбираются исходя из условий передачи макс. крутящего момента и макс. частоты вращения, рассчитывается на изгиб (по напряжениию изгиба), кручение (по напряж. кручения и углу закручивания) и устойчивость (по критич. частоте). Размеры крестовины находят из условий, что крестовина не будет иметь остаточных деформаций под действием макс. расчетного крутящего момента. Шипы крестовины карданного шарнира рассчитывают по напряжению изгиба и среза; вилку шарнира – на изгиб и кручение. Игольчатые подшипники карданных шарниров рассчитывают по допустимой нагрузке. Шлицы компенсирующего соединения рассчитывают на смятие и срез.

При расчете карданных передач с шарнирами неравных угловых скоростей рассчитываются: карданный вал (только по углу закручивания) и карданный шарнир (по допустимому окружному усилию).

Главная передача обеспечивает постоянное ↑ крутящего момента и передачу его к ведущим колесам.

Требования: обеспечение передаточного числа, соответствующего оптимальным тяговым качествам и топливной экономичности; отсутствие колебаний угловой скорости в трансмиссии; ↓ уровень шума; малые габаритные размеры для осуществления простой компоновки и обеспечение необходимого дорожного просвета; достаточная прочность и жесткость при мин. массе; общие требования.

Классификация:

1) Одинарные: --червячные, --цилиндрические (переднеприводные автом.), --конические (заднеприводн.), --гипоидные.

2) Двойные: --центральные, --разнесенные. Схема и конструкция главной передачи обусловлены прежде всего ее передаточным числом, определяемым исходя из условия обеспечения движения авто с макс. V.

Расчетным моментом для АТС общего назначения для главной передачи служит передаваемый макс. крутящий момент на первой ступени КП. Исходя из известного передаточного числа главной передачи определяют числа зубьев и другие параметры зубчатых колес. Затем производят расчет зубчатых колес на прочность (по напряжениям изгиба зубьев) и на долговечность (по контактным напряжениям). Расчет на прочность и долговечность производят, как правило, путем приведения конических и гипоидных зубчатых колес к эквивалентным цилиндрическим колесам.

Дифференциал – механизм трансмиссии, распределяющий подводимый к нему крутящий момент м/у выходными валами и позволяющий им вращаться с неодинаковыми угловыми скоростями.

Требования: обеспечение различной частоты вращения ведущих колес; распределение крутящего момента м/у ведущими колесами (мостами) в необходимой пропорции; общие требования.

Расчетным моментом для дифференциала, как и для главной передачи, служит максимальный передаваемый крутящий момент. После определения параметров зубчатых колес дифференциала, из условия, что окружная сила распределена поровну между всеми сателлитами, и каждый сателлит передает усилие двумя зубьями, определяют нагрузку детали дифференциала. Шипы крестовины рассчитывают по напряжениям смятия и среза; торцы сателлитов и полуосевых шестерен рассчитывают только на смятие. Расчет зубчатых колес дифференциала на долговечность не обязателен, вследствие малой частоты их вращения; производят только расчет по напряжению изгиба.

Полуоси - для передачи крутящего момента в приводе ведущих неуправляемых колес.

В зависимости от конструкции внешней опоры полуоси в балке моста и, следовательно, от испытываемых нагрузок полуоси делят на полуразгруженные, разгруженные на три четверти и полностью разгруженные. При расчете полуосей особое внимание обращают на опасное сечение – место установки подшипника.

Расчет полуразгруженных полуосей производится для четырех режимов: 1) передача макс. крутящего момента; 2) экстренное торможение; 3) режим заноса; 4) режим динамических нагрузок (переезд ч/з неровности). Во всех случаях оцениваются приведенные напряжения изгиба и кручения. Расчет по углу закручивания ведется аналогично расчету валов карданных передач. При этом расчетным моментом служит меньший из моментов (по двигателю или по сцеплению).

Расчет полностью разгруженных полуосей ведется на кручение и по углу закручивания, причем, только для режима передачи максимального крутящего момента.

Мост - это узел авто, соединяющий колеса 1оси между собой и ч/з подвеску с несущей системой. Мост воспринимает от колес силы и реактивные моменты, возникающие в результате взаимодействия колес с дорогой и передает их подрессоренной части. Функционально мост подразделяется на: --ведущие (задние и средние мосты), --управляемые (передние), --поддерживающие (обычно задние и промежуточные, для повышения грузоподъемности авто), --комбинированные (обычно передние, реже промежуточные и задние).