Кривошипно-шатунный механизм. 
Тракторы в лесном хозяйстве

Виды и общая схема устройства кривошипно-шатунного механизма

Во время работы двигателя силы, возникающие в кривошипношатунном механизме, при движении от одной мертвой точки к другой изменяют свое значение и направление. Характер этих сил определяют кинематическим и динамическим исследованием кривошипно-шатунного механизма. Его кинематику и динамику рассматривают в установившемся скоростном режиме, когда достигается постоянная частота вращения коленчатого вала. Угловая скорость (со) при установившемся режиме определяется по формуле.

где п — частота вращения коленчатого вала, об/с.

В автотракторных двигателях применяются два вида кривошипношатунных механизмов: центральные (аксиальные) и смещенные (дезаксиальные), представленные на рис. 9.

Рис. 9. Схемы кривошипно-шатунных механизмов:

а — центральный (аксиальный); б — смещенный (дезаксиальный).

Центральный (аксиальный) кривошипно-шатунный механизм — это такой, у которого ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала двигателя.

Смещенный (дезаксиалъный) кривошипно-шатунный механизм — это такой, у которого ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала. Смещение (дезаксаже) для двигателей равно е = 1,5. Л, 6 мм. Относительный дезаксаж К — это отношение дезаксажа к радиусу кривошипа г, т. е.

Для современных двигателей относительный дезаксаж К = 0,04. .0,1.

Перемещение Х_п, скорость С_п и ускорение j_n зависят от угла поворота коленчатого вала а, т. е. Х_п =/(а), C_n = /(ос), j_n = /(а).

Графики зависимости перемещения, скорости и ускорения от угла поворота коленчатого вала центрального дизельного двигателя показаны на рис. 10.

Рис. 10. Графики зависимости перемещения, скорости и ускорения поршня центрального дизельного двигателя от угла поворота коленчатого вала.

Положительным считается направление скорости и ускорения, если они направлены к оси коленчатого вала, и отрицательным — от оси коленчатого вала.

Математическое выражение для определения перемещения, скорости и ускорения поршня при повороте коленчатого вала на некоторый угол, а запишется в следующем виде:

В этих формулах: X — это отношение радиуса кривошипа к длине шатуна I, т. е.

Для тракторных дизельных двигателей А, принимается равным 0,22…0,31.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя внутреннего сгорания (рис. 11) состоит из блока цилиндров, закрытых головкой 1, поршней 34 с поршневыми и маслосъемными кольцами, поршневых пальцев 33; шатунов 32 с втулками в верхней и вкладышами в нижней головках, коленчатого вала 27 с коренными подшипниками и маховика 41. Все детали кривошипно-шатунного механизма размещены в корпусе, состоящем из блок-картера 17, головки блока цилиндров и поддона 29 картера.

Рис. 7 7. Двигатель СМД-18БН:

• 2 — головка блока цилиндров; 2 — рубашка охлаждения; 3 — валик декомпрессионного механизма; 4 — сапун; 5 — гайка; 6 — шпилька;
• 7 — впускной клапан; 8 — пружины клапана; 9 — штанга толкателя;
• 10 — отводная труба; 11 — форсунка; 12 — вставка камеры сгорания;
• 13 — цилиндр; 14 — прокладка; 15 — толкатель; 16 — распределительный вал; 27 — блок-картер; 18 — шестерня распределительного вала; 19 — промежуточная шестерня; 20 — счетчик мото-часов; 21 — передняя опора; 22 — шкив;
• 23 — шестерня коленчатого вала; 24 — ведущая шестерня привода масляного насоса; 25 — ведомая шестерня привода масляного насоса; 26 — масляный насос;
• 27 — коленчатый вал; 28 — маслоприемник; 29 — поддон картера;
• 30 — упорное полукольцо; 31 — крышка шатуна; 32 — шатун; 33 — поршневой палец; 34 — поршень; 35 — стенка блок-картера; 36 — верхний вкладыш коренного подшипника; 37 — крышка пятого коренного подшипника;
• 38 — нижний вкладыш коренного подшипника; 39 — картер маховика;
• 40 — венец маховика; 41 — маховик; 42 — боковая крышка

Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют давление газов, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, инерции неуравновешенных вращающихся масс, сил тяжести и трения. Значение и направление этих сил (за исключением силы тяжести) изменяются в зависимости от угла поворота коленчатого вала и процессов, происходящих в цилиндре. Одни из этих сил полезны, так как обеспечивают работу двигателя, а другие вредны, так как вызывают износ его деталей.

К полезным силам относится сила давления газов, возникающая в цилиндре при рабочем ходе поршня. Наибольшего значения она достигает в начале рабочего хода. Так, сила газов на поршень двигателя СМД-18БН (трактор ЛХТ-100, ТЛТ-100А), диаметр цилиндра которого 120 мм, составляет около 110 кН (11 тс).

К вредным силам относятся силы инерции движущихся деталей и силы трения, возникающие при их движении.

Поршень движется в цилиндре неравномерно. При подходе к мертвым точкам его скорость уменьшается, а по мере удаления от них увеличивается. В мертвых точках скорость поршня равна нулю, при этом изменяется направление его движения. Когда поршень находится в ВМТ (шатун с кривошипом коленчатого вала в это время расположены вертикально), давление газов Р (рис. 12), действуя на шатун и кривошип, передается на коренные подшипники коленчатого вала, не вызывая его поворота. При повороте коленчатого вала на некоторый угол сила Р разлагается на две составляющие: силу F, направленную по шатуну, и нормальную силу N, действующую перпендикулярно стенке цилиндра. Перенося силу F по линии ее действия к центру шатунной шейки вала и затем, разложив ее на две составляющие, получим касательную силу Т, действующую по окружности вращения шатунной шейки, и радиальную силу R, направленную по кривошипу к центру вала.

Рис. 12. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме.

Действуя на плече г, равному радиусу кривошипа, сила Т вращает его. Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, увеличивая трение поршня и износ цилиндра. Кроме того, сила N, действуя на плече а, равному расстоянию между осями поршневого пальца и коленчатого вала, создает момент, стремящийся опрокинуть двигатель в сторону, обратную вращению коленчатого вала. Опрокидывающий момент, образуемый силой N, воспринимается опорой двигателя и рамой трактора. Сила R, направленная по кривошипу, создает давление на коренные подшипники коленчатого вала.

Кроме этих сил, в двигателе действуют силы инерции, возникающие в результате неравномерного движения деталей шатунно-поршневой группы, а также центробежные силы. Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс — поршня с кольцами, поршневого пальца и верхней части шатуна (масса верхней части шатуна приблизительно равна 0,275 массы шатуна в сборе) — равны произведению массы этих деталей на их ускорение, т. е.

где т_п — масса возвратно-поступательно движущихся деталей, кг; j_n _ ускорение возвратно-поступательно движущихся масс, равное ускорению поршня, м/с².

Можно принять, что масса т_п сосредоточена на оси поршневого пальца.

Сила инерции направлена в сторону, противоположную ускорению.

Для центрального кривошипно-шатунного механизма в общем виде сила инерции запишется так:

Из формулы видно, что уменьшение силы инерции возможно при меньших значениях X, т. е. при увеличении длины шатуна. Но это ведет к увеличению габаритных размеров и массе двигателя, что нежелательно.

При увеличенных зазорах в сопряжениях переменные по значению и направлению силы вызывают повышенный износ деталей. Условия работы цилиндра, поршня, колец и поршневого пальца усложняются вследствие химического и теплового воздействия горячих газов.