Сили, що діють у кривошипно-шатунному механізмі ДВЗ. Кінематичний розрахунок кшм

Лекція 11

КИНЕМАТИКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНІЗМУ

11.1. Типи КШМ

11.2.1. Переміщення поршня

11.2.2. Швидкість поршня

11.2.3. Прискорення поршня

Кривошипно-шатунний механізм ( K Ш M ) є основним механізмом поршневого ДВЗ, який сприймає та передає значні за величиною навантаження.Тому розрахунок міцності K Ш M має важливе значення. В свою чергурозрахунки багатьох деталей двигуна залежать від кінематики та динаміки КШМ.Кінематіче ський аналіз КШМ встановлює закони руху йоголанок, насамперед поршня та шатуна.

Для спрощення дослідження КШМ вважатимемо, що кривошипи колінчастого валу обертаються рівномірно, тобто з постійною кутовою швидкістю.

11.1. Типи КШМ

У поршневих ДВЗ застосовуються три типи КШМ:

• центральний (аксіальний);
• змішаний (дезаксіальний);
• із причіпним шатуном.

У центральному КШМ вісь циліндра перетинається з віссю колінчастого валу (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Схема центрального КШМ:φ - поточний кут повороту колінчастого валу; β – кут відхилення осі шатуна від осі циліндра (при відхиленні шатуна у напрямку обертання кривошипа кут β вважається позитивним, у протилежному напрямку – негативним); S – хід поршня;
R - Радіус кривошипу; L - Довжина шатуна; х - Переміщення поршня;

ω - кутова швидкість колінчастого валу

Кутова швидкість розраховується за формулою

Важливим конструктивним параметром КШМ є відношення радіусу кривошипу до довжини шатуна:

Встановлено, що із зменшенням λ (за рахунок збільшення L ) відбувається зниження інерційних та нормальних сил. При цьому збільшується висота двигуна та його маса, тому в автомобільних двигунах приймають від 0,23 до 0,3.

Значення для деяких автомобільних і тракторних двигунів наведені в табл. 11.1.

Таблиця 11 . 1. Значення параметра для ррізних двигунів

Двигун
ВАЗ-2106	0,295
ЗІЛ-130	0,257
Д-20	0,280
СМД-14	0,28
ЯМЗ-240	0,264
КамАЗ-740	0,2167

В дезаксіальному КШМ(Рис. 11.2) вісь циліндра не перетинає вісь колінчастого валу і зміщена щодо її на відстаньа.

Рис. 11.2. Схема дезаксіального КШМ

Дезаксіальні КШМ мають щодо центральних КШМ деякі переваги:

• збільшена відстань між колінчастим та розподільним валами, внаслідок чого збільшується простір для переміщення нижньої головки шатуна;
• більш рівномірне зношування циліндрів двигуна;
• при однакових значеннях R і λ більше хід поршня, що сприяє зниженню вмісту токсичних речовин у відпрацьованих газах двигуна;
• збільшений робочий об'єм двигуна.

На рис. 11.3 показанийКШМ із причіпним шатуном.Шатун, який шарнірно з'єднаний безпосередньо з шийкою колінчастого валу, називається головним, а шатун, який з'єднаний з головним за допомогою пальця, розташованого на головці, називається причіпним.Така схема КШМ застосовується на двигунах із великою кількістю циліндрів, коли хочуть зменшити довжину двигуна.Поршні, з'єднані з головним і причіпним шатуном, мають не однаковий хід, тому що вісь кривошипної головки причіпно.го шатуна при роботі описує еліпс, велика піввісь якого більша за радіус кривошипу. В V -Образному дванадцятициліндровому двигуні Д-12 різниця в ході поршнів становить 6,7 мм.

Рис. 11.3. КШМ із причіпним шатуном: 1 - поршень; 2 - Компресійне кільце; 3 - поршневий палець; 4 - Заглушка поршневогопальця; 5 - Втулка верхньої головкишатуни; 6 - головний шатун; 7 - причіпний шатун; 8 - втулка нижньої головки причіпногошатуни; 9 - палець кріплення причіпного шатуна; 10 - настановний штифт; 11 - вкладиші; 12 - конічний штифт

11.2. Кінематика центрального КШМ

При кінематичному аналізі КШМ вважається, що кутова швидкість колінчастого валу стала.У завдання кінематичного розрахунку входить визначення переміщення поршня, швидкості його руху та прискорення.

11.2.1. Переміщення поршня

Переміщення поршня в залежності від кута повороту кривошипу для двигуна з центральним КШМ розраховується за формулою

(11.1)

Аналіз рівняння (11.1) показує, що переміщення поршня можна як суму двох переміщень:

x 1 - Переміщення першого порядку, відповідає переміщенню поршня при нескінченно довгому шатуні(L = ∞ при λ = 0):

х 2 - Переміщення другого порядку, є поправкою на кінцеву довжину шатуна:

Розмір х 2 залежить від λ. При заданому λ екстремальні значеннях 2 матимуть місце, якщо

тобто в межах одного обороту екстремальні значеннях 2 відповідатимуть кутам повороту (φ) 0; 90; 180 та 270°.

Максимальних значень переміщення досягне за φ = 90° і φ = 270°, тобто коли зі s φ = -1. У цих випадках дійсне переміщення поршня становитиме

Розмір λR /2, називається поправкою Бріксу і є поправкою на кінцеву довжину шатуна.

На рис. 11.4 показана залежність переміщення поршня від кута повороту колінчастого валу. При повороті кривошипу на 90 ° поршень проходить більше половини свого ходу. Це пояснюється тим, що при повороті кривошипа від ВМТ до НМТ поршень рухається під дією переміщення шатуна вздовж осі циліндра та відхилення його від цієї осі. У першій чверті кола (від 0 до 90°) шатун одночасно з переміщенням до колінчастого валу відхиляється від осі циліндра, причому обидва переміщення шатуна відповідають руху поршня в одному напрямку, і поршень проходить більше половини свого шляху. При русі кривошипа у другій чверті кола (від 90 до 180°) напрями рухів шатуна і поршня не збігаються, поршень проходить найменший шлях.

Рис. 11.4. Залежність переміщення поршня та його складових від кута повороту колінчастого валу.

Переміщення поршня для кожного з кутів повороту може бути визначено графічним шляхом, який отримав назву метод Брікса.Для цього з центру кола радіусом R = S/2 відкладається у бік НМТ поправка Брікса, знаходиться новий центрО 1 . З центру О 1 через певні значення (наприклад, через кожні 30°) проводять радіус-вектор до перетину з колом. Проекції точок перетину на вісь циліндра (лінія ВМТ-НМТ) дають положення поршня при даних значеннях кута φ. Використання сучасних автоматизованих обчислювальних засобів дозволяє швидко отримати залежність x = f(φ).

11.2.2. Швидкість поршня

Похідна переміщення поршня - рівняння (11.1) за часом обертання дає швидкість переміщення поршня:

(11.2)

Аналогічно переміщення поршня швидкість поршня може бути представлена ​​також у вигляді двох складових:

де V 1 - Складова швидкості поршня першого порядку:

V 2 - Складова швидкості поршня другого порядку:

Складова V 2 є швидкість поршня при нескінченно довгому шатуні. Складова V 2 є поправкою до швидкості поршня кінцеву довжину шатуна. Залежність зміни швидкості поршня від кута повороту колінчастого валу показано на рис. 11.5.

Рис. 11.5. Залежність швидкості поршня від кута повороту колінчастого валу

Максимальні значення швидкість досягає при кутах повороту колінчастого валу менше 90 і більше 270 °.Точне значення цих кутів залежить від величин λ. Для від 0,2 до 0,3 максимальні швидкості поршня відповідають кутам повороту колінчастого валу від 70 до 80° і від 280 до 287°.

Середня швидкість поршня розраховується так:

Середня швидкість поршня в автомобільних двигунах зазвичай знаходиться в межах від 8 до 15 м/с.Значення максимальної швидкостіпоршня з достатньою точністю може бути визначено як

11.2.3. Прискорення поршня

Прискорення поршня визначається як перша похідна швидкості за часом або як друга похідна переміщення поршня за часом:

(11.3)

де і - гармонічні складові першого та другого порядку прискорення поршня відповідно j 1 та j 2 . При цьому перша складова висловлює прискорення поршня при нескінченно довгому шатуні, а друга складова поправку прискорення на кінцеву довжину шатуна.

Залежно зміни прискорення поршня і його складових від кута повороту колінчастого валу показані на рис. 11.6.

Рис. 11.6. Залежності зміни прискорення поршня та його складових
від кута повороту колінчастого валу

Прискорення досягає максимальних значень при положенні поршня у ВМТ, а мінімальних – у НМТ або близько НМТ.Ці зміни кривої j на ділянці від 180 до ±45° залежить від величиниλ. При λ > 0,25 крива j має увігнуту форму у бік осі φ (сідло), і прискорення досягає мінімальних значень двічі. При λ = 0,25 крива прискорення опукла, і прискорення досягає найбільшого негативного значеннятільки один раз. Максимальні прискорення поршня в автомобільних ДВЗ 10 000 м/с 2 . Кінематика дезаксіального КШМ та КШМ з причіп ним шатуном кількавідрізняє ся від кінематикицентрального КШМ і тепервиданні не розглядається.

11.3. Відношення ходу поршня до діаметра циліндра

Ставлення ходу поршня S до діаметра циліндра D є одним з основних параметрів, який визначає розміри та масу двигуна. В автомобільних двигунах значення S/D від 0,8 до 1,2. Двигуни з S/D > 1 називаються довгохідними, а з S/D< 1 - короткохідними.Це безпосередньо впливає на швидкість поршня, а значить і потужність двигуна.Зі зменшенням значення S/D очевидні такі переваги:

• зменшується висота двигуна;
• за рахунок зменшення середньої швидкості поршня знижуються механічні втрати та зменшується зношування деталей;
• покращуються умови розміщення клапанів і створюються передумови збільшення їх розмірів;
• з'являється можливість збільшення діаметра корінних та шатунних шийок, що підвищує жорсткість колінчастого валу.

Однак є й негативні моменти:

• збільшується довжина двигуна та довжина колінчастого валу;
• підвищуються навантаження на деталі від сил тиску газу та сил інерції;
• зменшується висота камери згоряння та погіршується її форма, що у карбюраторних двигунах призводить до підвищення схильності до детонації, а в дизелях – до погіршення умов сумішоутворення.

Доцільним вважається зменшення значення S/D у разі підвищення швидкохідності двигуна. Особливо це вигідно для V -Образних двигунів, де збільшення короткохідності дозволяє отримати оптимальні масові та габаритні показники.

Значення S/D для різних двигунів:

• карбюраторні двигуни- 0,7-1;
• дизелі середньої швидкохідності - 1,0-1,4;
• швидкохідні дизелі - 0,75-1,05.

При виборі значень S/D слід враховувати, що сили, що діють у КШМ, більшою мірою залежать від діаметра циліндра та меншою – від ходу поршня.

PAGE \* MERGEFORMAT 1

При роботі двигуна в КШМ діють такі основні силові фактори: сили тиску газів, сили інерції рухомих мас механізму, сили тертя та момент корисного опору. При динамічному аналізі КШМ силами тертя зазвичай нехтують.

Рис. 8.3. Вплив на елементи КШМ:

а – газових сил; б - сили інерції Р j; в - відцентрової сили інерції К r

Сили тиску газів.Сила тиску газів виникає внаслідок реалізації в циліндрах робочого циклу. Ця сила діє на поршень, і її значення визначається як добуток перепаду тиску на його площу: Р г = (р г - р 0) F п (тут р г - тиск у циліндрі двигуна над поршнем; р 0 - тиск у картері; F п – площа поршня). Для оцінки динамічної навантаженості елементів КШМ важливе значення має залежність сили Р від часу

Сила тиску газів, що діє на поршень, навантажує рухомі елементи КШМ, передається на корінні опори картера і врівноважується всередині двигуна за рахунок пружної деформації несучих елементів блок-картера силою, що діє на головку циліндра (рис. 8.3 а). Ці сили не передаються на опори двигуна та не викликають його неврівноваженості.

Сили інерції рухомих мас.КШМ є систему з розподіленими параметрами, елементи якої рухаються нерівномірно, що призводить до виникнення інерційних навантажень.

Детальний аналіз динаміки такої системи є можливим, проте пов'язаний з великим обсягом обчислень. Тому в інженерній практиці для аналізу динаміки двигуна використовують моделі із зосередженими параметрами, створені на основі методу заміщуючих мас. При цьому для будь-якого моменту часу повинна виконуватися динамічна еквівалентність моделі і реальної системи, що розглядається, що забезпечується рівністю їх кінетичних енергій.

Зазвичай використовують модель із двох мас, пов'язаних між собою абсолютно жорстким безінерційним елементом (рис. 8.4).

Рис. 8.4. Формування двомасової динамічної моделі КШМ

Перша заміщаюча маса m j зосереджена в точці сполучення поршня з шатуном і здійснює зворотно-поступальний рух з кінематичними параметрами поршня, друга m r розташовується в точці сполучення шатуна з кривошипом і обертається рівномірно з кутовою швидкістю .

Деталі поршневої групи здійснюють прямолінійний зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра. Так як центр мас поршневої групи практично збігається з віссю поршневого пальця, то для визначення сили інерції Р j п достатньо знати масу поршневої групи m п, яку можна зосередити в даній точці, і прискорення центру мас j, яке дорівнює прискоренню поршня: Р j п = - m п j.

Кривошип колінчастого валу здійснює рівномірний обертальний рух. Конструктивно він складається із сукупності двох половин корінної шийки, двох щік та шатунної шийки. При рівномірному обертанні на кожен із зазначених елементів кривошипа діє відцентрова сила, пропорційна його масі та доцентровому прискоренню.

В еквівалентній моделі кривошип замінюють масою m до, що віддаляється від осі обертання на відстані r. Значення маси m до визначають з умови рівності відцентрової сили, що створюється нею сумі відцентрових сил мас елементів кривошипу: K к = K r ш.ш + 2K r щ або m до rω 2 = m ш. , Звідки отримаємо m до = m ш.ш + 2m щ ρ щ ω 2 /r.

Елементи шатунної групи роблять складний плоскопаралельний рух. У двомасової моделі КШМ масу шатунної групи m ш поділяють на дві маси, що заміщають: m ш. п, зосереджену на осі поршневого пальця, і m ш.к, віднесену до осі шатунної шийки колінчастого валу. При цьому необхідно виконати такі умови:

1) сума мас, зосереджених у заміщуючих точках моделі шатуна, повинна дорівнювати масі ланки КШМ, що заміщується: m ш. п + m ш.к = m ш

2) становище центру мас елемента реального КШМ і замінює їх у моделі має бути незмінним. Тоді m ш. п = m ш l ш.к /l ш і m ш.к = m ш l ш.п /l ш.

Виконання цих двох умов забезпечує статичну еквівалентність заміщувальної системи реальному КШМ;

3) умова динамічної еквівалентності замінної моделі забезпечується за рівності суми моментів інерції мас, розташованих у характерних точках моделі. Ця умова для двомасових моделей шатунів існуючих двигунів зазвичай не виконується, у розрахунках їм нехтують через його малі чисельні значення.

Остаточно об'єднавши маси всіх ланок КШМ у заміщуючих точках динамічної моделі КШМ, отримаємо:

масу, зосереджену на осі пальця і ​​що здійснює зворотно-поступальний рух уздовж осі циліндра, m j = m п + m ш. п;

масу, розташовану на осі шатунної шийки і здійснює обертальний рух навколо осі колінчастого валу, m r = m до + m ш.к. Для V-подібних ДВС із двома шатунами, розташованими на одній шатунній шийці колінчастого валу, m r = m до + 2m ш.к.

Відповідно до прийнятої моделі КШМ перша заміщаюча маса mj , що рухається нерівномірно з кінематичними параметрами поршня, викликає силу інерції Р j = - mjj, а друга маса mr , що обертається рівномірно з кутовою швидкістю кривошипу, створює відцентрову силу і r До = - mr rω 2 .

Сила інерції Р j врівноважується реакціями опор, куди встановлений двигун. Будучи змінною за значенням та напрямком, вона, якщо не передбачити спеціальних заходів, може бути причиною зовнішньої неврівноваженості двигуна (див. рис. 8.3, б).

При аналізі динаміки і особливо врівноваженості двигуна з урахуванням отриманої раніше залежності прискорення від кута повороту кривошипа φ силу Р j представляють у вигляді суми сил інерції першого (Р jI) і другого (Р jII) порядку:

де З = - m j rω 2 .

Відцентрова сила інерції К r = - m r rω 2 від обертових мас КШМ являє собою постійний за величиною вектор, спрямований по радіусу кривошипа і обертається з постійною кутовою швидкістю ω. Сила К r передається на опори двигуна, викликаючи змінні величини реакції (див. рис. 8.3, в). Таким чином, сила К r , як і сила Р j може бути причиною зовнішньої неврівноваженості ДВС.

Сумарні сили та моменти, що діють у механізмі.Сили Р г і Р j , що мають загальну точку додатка до системи та єдину лінію дії, при динамічному аналізі КШМ замінюють сумарною силою, що є алгебраїчною сумою: Р Σ = Р г + Р j (рис. 8.5 а).

Рис. 8.5. Сили у КШМ:а – розрахункова схема; б - залежність сил у КШМ від кута повороту колінчастого валу

Для аналізу дії сили Р на елементи КШМ її розкладають на дві складові: S і N. Сила S діє вздовж осі шатуна і викликає повторно-змінне стиснення-розтяг його елементів. Сила N перпендикулярна до осі циліндра і притискає поршень до його дзеркала. Дія сили S на сполучення шатун-кривошип можна оцінити, перенісши її вздовж осі шатуна в точку шарнірного зчленування (S") і розклавши на нормальну силу К, спрямовану по осі кривошипа, і тангенціальну силу Т.

Сили К і Т впливають на корінні опори колінчастого валу. Для аналізу їх дії сили переносять у центр корінної опори (сили К", Т" і Т"). Пара сил Т і Т" на плечі r створює крутний момент М до, який далі передається на маховик, де робить корисну роботу. Сума сил К" та T" дає силу S", яка, у свою чергу, розкладається на дві складові: N" і .

Очевидно, що N" = - N і = Р Σ . Сили N і N" на плечі h створюють перекидальний момент М опр = Nh, який далі передається на опори двигуна і врівноважується їх реакціями. Мопр і викликані ним реакції опор змінюються за часом і можуть бути причиною зовнішньої неврівноваженості двигуна.

Основні співвідношення для розглянутих сил та моментів мають такий вигляд:

На шатунну шиюкривошипа діють сила S", спрямована по осі шатуна, і відцентрова сила К r ш, що діє за радіусом кривошипа.

Корінні шийкикривошипа одноциліндрового двигуна навантажуються силою і відцентрової силою інерції мас кривошипу. Їхня результуюча сила , що діє на кривошип, сприймається двома корінними опорами Тому сила, що діє на кожну корінну шийку, дорівнює половині результуючої сили і спрямована у протилежний бік.

Використання противаг призводить до зміни навантаженості корінної шийки.

Сумарний момент двигуна, що крутить.В одноциліндровому двигуні крутний момент Оскільки r - величина постійна, то його зміни по куту повороту кривошипа повністю визначається зміною тангенціальної сили Т.

Представимо багатоциліндровий двигун як сукупність одноциліндрових, робочі процеси в яких протікають ідентично, але зрушені один щодо одного на кутові інтервали відповідно до прийнятого порядку роботи двигуна. Момент, що скручує корінні шийки, може бути визначений як геометрична сума моментів, що діють на всіх кривошипах, що передують цій шатунній шийці.

Розглянемо як приклад формування крутних моментів у чотиритактному (τ = 4) чотирициліндровому (і= 4) лінійному двигуні з порядком роботи циліндрів 1 -3 - 4 - 2 (рис. 8.6).

При рівномірному чергуванні спалахів кутовий зсув між послідовними робочими ходами становитиме θ = 720 ° / 4 = 180 °. тоді з урахуванням порядку роботи кутовий зсув моменту між першим і третім циліндрами складе 180 °, між першим і четвертим - 360 °, а між першим і другим - 540 °.

Як випливає з наведеної схеми, момент, що скручує і-ю корінну шийку визначається підсумовуванням кривих сил Т (рис. 8.6 б), що діють на всіх і-1 кривошипах, що передують їй.

Момент, що скручує останню корінну шийку, є сумарним моментом двигуна М Σ , що крутить, який далі передається на трансмісію. Він змінюється по кутку повороту колінчастого валу.

Середній сумарний крутний момент двигуна на кутовому інтервалі робочого циклу М к. ср відповідає індикаторному моменту М і , що розвивається двигуном. Це пов'язано з тим, що позитивну роботу виробляють лише газові сили.

Рис. 8.6. Формування сумарного крутного моменту чотиритактного чотирициліндрового двигуна:а – розрахункова схема; б - утворення крутного моменту

Вихідною величиною при виборі розмірів ланок КШМ є величина повного ходу повзуна, задана стандартом або з технічних міркувань для тих типів машин, у яких максимальна величина ходу повзуна не обумовлюється (ножиці та ін.).

На малюнку введено такі позначення: dО, dА, dВ – діаметри пальців у шарнірах; е – величина ексцентриситету; R – радіус кривошипу; L - Довжина шатуна; ω – кутова швидкість обертання головного валу; α – кут недоходу кривошипу до КНП; β – кут відхилення шатуна від вертикальної осі; S – величина повного ходу повзуна.

За заданою величиною ходу повзуна S (м) визначається радіус кривошипу:

Для аксіального кривошипно-шатунного механізму функції переміщення повзуна S, швидкості V та прискорення j від кута повороту кривошипного валу α визначаються такими виразами:

S = R, (м)

V = R , (м/с)

j = ω 2 R , (м/с 2)

Для дезаксіального кривошипно-шатунного механізму функції переміщення повзуна S швидкості V і прискорення j від кута повороту кривошипного валу α відповідно:

S = R, (м)

V = R , (м/с)

j = ω 2 R , (м/с 2)

де - коефіцієнт шатуна, значення якого для універсальних пресів визначається в межах 0,08 ... 0,014;
ω– кутова швидкість обертання кривошипу, яка оцінюється, виходячи з числа ходів повзуна за хвилину (з -1):

ω = (π n) / 30

У номінальне зусилля не виражає дійсного зусилля, що розвивається за допомогою приводу, а являє собою граничне по міцності деталей преса зусилля, яке може бути додане до повзуна. Номінальне зусилля відповідає чітко визначеному куту повороту кривошипного валу. Для кривошипних пресів простої дії з одностороннім приводом за номінальне приймається зусилля, яке відповідає куту повороту α = 15...20 про, рахуючи від нижньої мертвої точки.

Кінематика КШМ

В автотракторних ДВС в основному використовуються такі три типи кривошипно-шатунного механізму (КШМ): центральний(аксіальний), зміщений(дезаксіальний) та механізм з причіпним шатуном(Рис. 10). Комбінуючи дані схеми, можна сформувати КШМ як лінійного, і багаторядного багатоциліндрового ДВС.

Рис.10. Кінематичні схеми:

а- центрального КШМ; б- Зміщеного КШМ; в- механізму з причіпним шатуном

Кінематика КШМ повністю описується, якщо відомі закони зміни за часом переміщення, швидкості та прискорення його ланок: кривошипу, поршня та шатуна.

При роботі ДВЗ основні елементи КШМ здійснюють різні видипереміщень. Поршень рухається зворотно-поступально. Шатун робить складний плоскопаралельний рух у площині його гойдання. Кривошип колінчастого валу здійснює обертальний рух щодо його осі.

У курсовому проекті розрахунок кінематичних параметрів здійснюється центрального КШМ, розрахункова схема якого наведено на рис.11.

Рис. 11. Розрахункова схема центрального КШМ:

На схемі прийнято позначення:

φ - кут повороту кривошипа, що відраховується від напрямку осі циліндра у бік обертання колінчастого валу за годинниковою стрілкою, при φ = 0 поршень знаходиться у верхній мертвій точці (ВМТ – точка А);

β - Кут відхилення осі шатуна в площині його кочення в бік від напрямку осі циліндра;

ω - кутова швидкість обертання колінчастого валу;

S=2r- хід поршня; r- радіус кривошипу;

l ш- Довжина шатуна; - Відношення радіуса кривошипу до довжини шатуна;

х φ- Переміщення поршня при повороті кривошипу на кут φ

Основними геометричними параметрами, що визначають закони руху елементів центрального КШМ, є радіус кривошипу колінчастого валу rта довжина шатуна lш.

Параметр λ = r/lш є критерієм кінематичної подоби центрального механізму. При цьому для КШМ різних розмірів, але з однаковими λ закони руху аналогічних елементів подібні. В автотракторних ДВС використовуються механізми λ = 0,24...0,31.

Кінематичні параметри КШМ в курсовому проекті розраховуються тільки для режиму номінальної потужності ДВС при дискретному завданні кута повороту кривошипу від 0 до 360 º з рівним кроком 30 º.

Кінематика кривошипу.Обертальний рух кривошипу колінчастого валу визначено, якщо відомі залежності кута повороту φ , кутовий швидкості ω та прискорення ε від часу t.

При кінематичному аналізі КШМ прийнято робити припущення про сталість кутової швидкості (частоти обертання) колінчастого валу ω, рад/с.Тоді φ = ωt, ω=const та ε = 0. Кутова швидкість і частота обертання кривошипу колінчастого валу n (про/хв)пов'язані співвідношенням ω=πn/30. Дане припущення дозволяє вивчати закони руху елементів КШМв більш зручній параметричній формі - у вигляді функції від кута повороту кривошипа і переходити при необхідності до тимчасової форми, використовуючи лінійний зв'язок φі t.

Кінематика поршня.Кінематика зворотно-поступально рухомого поршня описується залежностями його переміщення х,швидкості Vта прискорення jвід кута повороту кривошипу φ .

Переміщення поршня x φ(м) при повороті кривошипу на кут φ визначається як сума його зсувів від повороту кривошипу на кут φ (x I ) та від відхилення шатуна на кут β (х II ):

Значення x φвизначаються з точністю до малого другого порядку включно.

Швидкість поршня V φ(м/с) визначається як перша похідна від переміщення поршня за часом

, (7.2)

Максимального значення швидкість досягає за φ + β = 90°, при цьому вісь шатуна перпендикулярна радіусу кривошипу

(7.4)

Широко застосовується для оцінки конструкції ДВЗ середня швидкість поршня,яка визначається як Vп.ср = Sn/30,пов'язана з максимальною швидкістю поршня співвідношенням яке для використовуваних λ дорівнює 1,62...1,64.

· Прискорення поршня j(м/с 2) визначається похідною від швидкості поршня за часом, що відповідає точно

(7.5)

і наближено

У сучасних ДВС j= 5000...20000м/с2.

Максимальне значення має місце при φ = 0і 360 °. Кут φ = 180° для механізмів λ< 0,25 відповідає мінімальному значенню прискорення . Якщо λ> 0,25, то є ще два екстремуми при . Графічна інтерпретація рівнянь переміщення, швидкості та прискорення поршня наведена на рис. 12.

Рис. 12. Кінематичні параметри поршня:

а- переміщення; б- Швидкість, в- прискорення

Кінематика шатуну.Складне плоскопаралельний рух шатуна складається з переміщення його верхньої головки з кінематичними параметрами поршня та його нижньої кривошипної головки з параметрами кінця кривошипу. Крім того, шатун здійснює обертальний (качальний) рух щодо точки зчленування шатуна з поршнем.

· Кутове переміщення шатуна . Екстремальні значення мають місце при ? = 90 ° і 270 °. В автотракторних двигунах

· Кутова швидкість хитання шатуна(Рад/с)

або . (7.7)

Екстремальне значення спостерігається при φ = 0 та 180°.

· Кутове прискорення шатуну(Рад/с 2)

Екстремальні значення досягаються при ? = 90 ° і 270 °.

Зміна кінематичних параметрів шатуна по кутку повороту колінчастого валу представлена ​​на рис. 13.

Рис. 13. Кінематичні параметри шатуну:

а- Кутове переміщення; б- кутова швидкість, в- кутове прискорення

Динаміка КШМ

Аналіз всіх сил, що діють у кривошипно-шатунному механізмі, необхідний для розрахунку деталей двигунів на міцність, визначення моменту, що крутить, і навантажень на підшипники. У курсовому проекті проводиться для режиму номінальної потужності.

Сили, що діють у кривошипно-шатунному механізмі двигуна, діляться на силу тиску газів в циліндрі (індекс г), сили інерції рухомих мас механізму та сили тертя.

Сили інерції рухомих мас кривошипно-шатунного механізму, у свою чергу, діляться на сили інерції мас, що рухаються зворотно-поступально (індекс j), і сили інерції мас, що обертаються, (індекс R).

Протягом кожного робочого циклу (720º для чотиритактного двигуна) сили, що діють у КШМ, безперервно змінюються за величиною та напрямом. Тому визначення характеру зміни цих сил за кутом повороту колінчастого валу їх величини визначають окремих послідовних положень валу з кроком рівним 30º.

Сила тиску газів.Сила тиску газів виникає в результаті здійснення циліндра двигуна робочого циклу. Ця сила діє на поршень, і її значення визначається як добуток перепаду тиску на поршні на його площу: Pг =(рг - р o )Fп, (Н) . Тут рг - тиск у циліндрі двигуна над поршнем, Па; р o - тиск у картері, Па; Fп - площа поршня, м2.

Для оцінки динамічної навантаженості елементів КШМ важливе значення має залежність сили Pг від часу (кута повороту кривошипу). Її одержують перебудовою індикаторної діаграми з координат р - V вкоординати р -φ. При графічному перебудові на осі абсцис діаграми р - Vвідкладають переміщення x φпоршня від ВМТ або зміна об'єму циліндра V φ = x φ Fп (рис. 14) відповідні певному куту повороту колінчастого валу (практично через 30°) і відновлюється перпендикуляр до перетину з кривою такту індикаторної діаграми. Отримане значення ординати переноситься на діаграму р- φ для розглянутого кута повороту кривошипу.

Сила тиску газів, що діє на поршень, навантажує рухомі елементи КШМ, передається на корінні опори колінчастого валу і врівноважується всередині двигуна за рахунок пружної деформації елементів, що формують внутрішньоциліндровий простір, силами Рг і Рг ", що діють на головку циліндра і на поршень, як це показано на рис. 15. Ці сили не передаються на опори двигуна і не викликають його неврівноваженості.

Рис. 15. Вплив газових сил на елементи конструкції КШМ

Сила інерції.Реальний КШМ є систему з розподіленими параметрами, елементи якої рухаються нерівномірно, що викликає появу інерційних сил.

Детальний аналіз динаміки такої системи є можливим, проте пов'язаний з великим обсягом обчислень.

У зв'язку з цим в інженерній практиці для аналізу динаміки КШМ широко використовують динамічно еквівалентні йому системи із зосередженими параметрами, що синтезуються на основі методу мас, що заміщають. Критерієм еквівалентності є рівність у будь-якій фазі робочого циклу сукупних кінетичних енергій еквівалентної моделі та заміщуваного нею механізму. Методика синтезу моделі, еквівалентної КШМ, базується на заміні його елементів на систему мас, пов'язаних між собою невагомими абсолютно жорсткими зв'язками (рис. 16).

Деталі кривошипно-шатунного механізму мають різний характер руху, що зумовлює появу інерційних сил різного виду.

Рис. 16. Формування еквівалентної динамічної моделі КШМ:

а- КШМ; б- еквівалентна модель КШМ; в - сили у КШМ; г- Маси КШМ;

д- Маси шатуна; е- маси кривошипу

Деталі поршневої групи здійснюють прямолінійний зворотно-поступальний рухвздовж осі циліндра та при аналізі її інерційних властивостей можуть бути заміщені рівною їм масою тп , зосереджений у центрі мас, положення якого практично збігається з віссю поршневого пальця. Кінематика цієї точки описується законами руху поршня, внаслідок чого сила інерції поршня P jп = -mп j, де j- прискорення центру мас, що дорівнює прискоренню поршня.

Кривошип колінчастого валу здійснює рівномірний обертальний рух.Конструктивно він складається із сукупності двох половин корінних шийок, двох щік та шатунної шийки. Інерційні властивості кривошипу описуються сумою відцентрових сил елементів, центри мас яких не лежать на осі його обертання (щоки та шатунна шийка):

де До rш.ш, До rщ і r, ρ щ - відцентрові сили та відстані від осі обертання до центрів мас відповідно шатунної шийки та щоки, тш.ш і mщ - маси відповідно шатунної шийки та щоки. При синтезі еквівалентної моделі кривошип замінюють масою mдо, що знаходиться на відстані rвід осі обертання кривошипу. Величину mдо визначають з умови рівності відцентрової сили, що створюється нею, сумі відцентрових сил мас елементів кривошипу, звідки після перетворень отримаємо mдо = тш.ш + mщ ρ щ /r.

Елементи шатунної групи здійснюють складний плоскопаралельний рух,яке може бути представлене як сукупність поступального руху з кінематичними параметрами центру мас і обертального руху навколо осі, що проходить через центр мас перпендикулярно до площини хитання шатуна. У зв'язку з цим її інерційні властивості описуються двома параметрами – інерційними силою та моментом. Будь-яка система мас за своїми інерційними параметрами буде еквівалентна шатунної групи у разі рівності їх інерційних сил та інерційних моментів. Найпростіша з них (мал. 16, г) складається з двох мас, одна з яких mш.п =mш lш.к /lш зосереджена на осі поршневого пальця, а інша mш.к =mш lш.п /lш - у центрі шатунної шийки колінчастого валу. Тут lш.п та lш.к - відстані від точок розміщення мас до центру мас.

Кінематика та динаміка кривошипно-шатунного механізму.Кривошипно-шатунний механізм є основним механізмом поршневого двигуна, який сприймає та передає значні за величиною навантаження. Тому розрахунок міцності КШМ має значення. У свою чергу розрахунки багатьох деталей двигуна залежать від кінематики та динаміки КШМ. Кінематичний аналіз КШМ встановлює закони руху його ланок, насамперед поршня та шатуна. Для спрощення дослідження КШМ вважаємо, що кривошипи колінчастого валу обертаються поступово, тобто. з постійною кутовою швидкістю.

Розрізняють кілька типів та різновидів кривошипно-шатунних механізмів (Рис.2.35). Найбільший інтерес з погляду кінематики становить центральний (аксіальний), зміщений (дезаксіальний) та з причіпним шатуном.

Центральним кривошипно-шатунним механізмом (рис.2.35.а) називається механізм, у якого вісь циліндра перетинається з віссю колінчастого валу двигуна.

Визначальними геометричними розмірамимеханізму є радіус кривошипу та довжина шатуна. Їх відношення є постійною величиною для всіх геометрично подібних центральних кривошипно-шатунних механізмів, для сучасних автомобільних двигунів .

При кінематичному дослідженні кривошипно-ша-тунного механізму зазвичай вводять у розгляд хід поршня, кут повороту кривошипа, кут відхилення осі шатуна в площині його хитання від осі циліндра (відхилення в напрямку обертання вала вважається позитивним, а в протилежному - негативним). Хід поршня та довжина шатуна є основними конструктивними параметрами центрального кривошипно-шатунного механізму.

Кінематика центрального КШМ.Завдання кінематичного розрахунку полягає у знаходженні аналітичних залежностей переміщення, швидкості та прискорення поршня від кута повороту колінчастого валу. За даними кінематичного розрахунку виконують динамічний розрахунок та визначають сили та моменти, що діють на деталі двигуна.

При кінематичному дослідженні кривошипно-шатунного механізму припускають, що тоді кут повороту валу пропорційний часу, тому всі кінематичні величини можуть бути виражені у функції кута повороту кривошипа. За вихідне положення механізму приймають положення поршня у ВМТ. Переміщення поршня в залежності від кута повороту кривошипа двигуна з центральним КШМ розраховується за формулою. (1)

лекція 7.Переміщення поршнядля кожного з кутів повороту може бути визначено графічним шляхом, яке отримало назву метод Брікса. Для цього із центру кола радіусом відкладається у бік НМТ поправка Брікса. знаходиться новий центр. З центру через певні значення (наприклад, через кожні 30 °) проводять радіус-вектор до перетину з колом. Проекції точок перетину на вісь циліндра (лінія ВМТ-НМТ) дають шукані положення поршня при даних значеннях кута.

На рис.2.36 показано залежність переміщення поршня від кута повороту колінчастого валу.

Швидкість поршня.Похідна переміщення поршня - рівняння (1) за часом

обертання дає швидкість переміщення поршня: (2)

Аналогічно переміщенню поршня швидкість поршня може бути представлена ​​також у вигляді двох складових: де - Складова швидкості поршня першого порядку, яка визначається ; - складова швидкості поршня другого порядку, що визначається Складова являє собою швидкість поршня при нескінченно довгому шатуні. Складова V 2є поправкою до швидкості поршня кінцеву довжину шатуна. Залежність зміни швидкості поршня від кута повороту колінчастого валу показана на рис.2.37. Максимальні значення швидкість досягає при кутах повороту колінчастого валу менше 90 і більше 270 °. Значення максимальної швидкості поршня з достатньою точністю може бути визначене як

Прискорення поршнявизначається як перша похідна швидкості за часом або як друга похідна переміщення поршня за часом: (3)

де і - гармонійні складові першого та другого порядку прискорення поршня відповідно. При цьому перша складова висловлює прискорення поршня при нескінченно довгому шатуні, а друга складова - виправлення прискорення на кінцеву довжину шатуна. Залежності зміни прискорення поршня та його складових від кута повороту колінчастого валу показано на рис.2.38.

Прискорення досягає максимальних значень при положенні поршня у ВМТ, а мінімальних - у НМТ або близько НМТ. Ці зміни кривої дільниці від 180 до ±45° залежить від величини .

Відношення ходу поршня до діаметра циліндрає одним м основних параметрів, який визначає розміри та масу двигуна. У автомобільних двигунах значення становить від 0,8 до 1,2. Двигуни з > 1 називаються довгохідними, а з < 1 – короткохідними. Це безпосередньо впливає на швидкість поршня, а значить і потужність двигуна. Зі зменшенням значення очевидні наступні переваги: ​​зменшується висота двигуна; за рахунок зменшення середньої швидкості поршня знижуються механічні втрати та зменшується зношування деталей; покращуються умови розміщення клапанів і створюються передумови збільшення їх розмірів; з'являється можливість збільшення діаметра корінних і шатунних шийок, що підвищує жорсткість колінчастого валу.

Однак є і негативні моменти: збільшується довжина двигуна та довжина колінчастого валу; підвищуються навантаження на деталі від сил тиску газу та сил інерції; зменшується висота камери згоряння та погіршується її форма, що у карбюраторних двигунах призводить до підвищення схильності до детонації, а в дизелях – до погіршення умов сумішоутворення.

Доцільним вважається зменшення значення за підвищення швидкохідності двигуна.

Значення для різних двигунів: карбюраторні двигуни -; дизелі середньої швидкохідності -; швидкохідні дизелі -.

При виборі значень слід враховувати, що сили, що діють у КШМ, більшою мірою залежать від діаметра циліндра та меншою – від ходу поршня.

Динаміка кривошипно-шатунного механізму.При роботі двигуна в КШМ діють сили та моменти, які не лише впливають на деталі КШМ та інші вузли, а й викликають нерівномірність ходу двигуна. До таких сил відносяться: сила тиску газів врівноважується в самому двигуні та на його опори не передається; сила інерції прикладена до центру зворотно-поступально рухомих мас і спрямована вздовж осі циліндра, через підшипники колінчастого валу впливають на корпус двигуна, викликаючи його вібрацію на опорах у напрямку осі циліндра; відцентрова сила від обертових мас спрямована по кривошипу в середній його площині, впливаючи через опори колінчастого валу на корпус двигуна, викликає коливання двигуна на опорах у напрямку кривошипу. Крім того, виникають такі сили, як тиск на поршень з боку картера, та сили тяжкості КШМ, які не враховуються через їх відносно малу величину. Всі сили, що діють у двигуні, взаємодіють з опором на колінчастому валу, силами тертя і сприймаються опорами двигуна. Протягом кожного робочого циклу (720° - для чотиритактного та 360° для двотактних двигунів) сили, що діють у КШМ, безперервно змінюються за величиною і напрямом і для встановлення характеру зміни даних сил від кута повороту колінчастого валу їх визначають через кожні 10÷30 0 для певних положень колінчастого валу.

Сили тиску газівдіють на поршень, стінки та головку циліндра. Для спрощення динамічного розрахунку сили тиску газів замінюються однією силою, спрямованою по осі циліндра та прикладеною до осі поршневого пальця.

Цю силу визначають для кожного моменту часу (кута повороту колінчастого валу) по індикаторній діаграмі, отриманої на підставі теплового розрахунку або знятої безпосередньо з двигуна за допомогою спеціальної установки. На рис.2.39 показані розгорнуті індикаторні діаграмисил, що діють у КШМ, зокрема зміна сили тиску газів () від величини кута повороту колінчастого валу. Сила інерції.Для визначення сил інерції, що діють у КШМ, необхідно знати маси деталей, що переміщуються. Для спрощення розрахунку маси деталей, що рухаються, замінимо системою умовних мас, еквівалентних реально існуючим масам. Така заміна називається приведенням мас. Приведення мас деталей КШМ.За характером руху маси деталей КШМ можна розділити на три групи: деталі, що рухаються зворотно-поступально (поршнева група та верхня головка шатуна); деталі, що здійснюють обертальний рух (колінчастий вал та нижня головка шатуна); деталі, що здійснюють складний плоско-паралельний рух (стрижень шатуна).

Масу поршневої групи () вважають зосередженою на осі поршневого пальця та точці (рис.2.40.а). Масу шатунної групи замінюю двома масами: - зосереджена на осі поршневого пальця у точці , - на осі кривошипу в точці . Значення цих мас знаходять за формулами:

;

де - Довжина шатуна; - Відстань від центру кривошипної головки до центру ваги шатуна. Більшість існуючих двигунів перебуває у межі , а у межі .Величина може бути визначена через конструктивну масу, отриману на підставі статистичних даних. Наведена маса всього кривошипу визначається сумою наведених мас шатунної шийки та щік:

Після приведення мас кривошипний механізм можна у вигляді системи, що складається з двох зосереджених мас, з'єднаних жорстким невагомим зв'язком (рис.2.41.б). Маси зосереджені в точці і здійснюють зворотно-поступальний рух рани . Маси зосереджені в точці і рани, що здійснюють обертальний рух. . Для наближеного визначення значення , і можна використати конструктивні маси.

Визначення сил інерції.Сили інерції, що діють в КШМ, відповідно до характеру руху наведених мас, діляться на сили інерції мас, що поступово рухаються, і відцентрові сили інерції мас, що обертаються. Сила інерції від зворотно-поступально рухомих мас може бути визначена за формулою (4). Знак мінус вказує на те, що сила інерції спрямована у бік протилежного до прискорення. Відцентрова сила інерції мас, що обертаються, постійна за величиною і спрямована від осі колінчастого валу. Її величина визначається за формулою (5) Повне уявлення про навантаження, що діють в деталях КШМ, може бути отримано лише в результаті сукупності дії різних сил, що виникають під час роботи двигуна.

Сумарні сили, що діють у КШМ.Сили, що діють у одноциліндровому двигуні, показано на рис.2.41. У КШМ діють сила тиску газів , сила інерції зворотно-поступально рухомих мас і відцентрова сила . Сили та прикладені до поршня і діють на його осі. Склавши ці дві сили, отримаємо сумарну силу, що діє по осі циліндра: (6). Переміщена сила в центр поршневого пальця розкладається на дві складові: - Сила, спрямована по осі шатуна: - Сила, перпендикулярна стінці циліндра. Сила P Nсприймається бічною поверхнею стінки циліндра та обумовлює знос поршня та циліндра. Сила , прикладена до шатунної шийки, розкладається на дві складові: (7) – тангенціальну силу, що стосується кола радіуса кривошипу; (8) - нормальну силу (радіальну), спрямовану по радіусу кривошипу. За величиною визначають індикаторний крутний момент одного циліндра: (9) Нормальна і тангенціальна сили, перенесені в центр колінчастого валу, утворюють рівнодіючу силу, яка паралельна і дорівнює за величиною силі . Сила навантажує корінні підшипники колінчастого валу. У свою чергу, силу можна розкласти на дві складові: силу P" N ,перпендикулярну до осі циліндра, і силу Р",чинну по осі циліндра. Сили P" Nі P Nутворюють пару сил, момент якої називається перекидальним. Його величина визначається за формулою (10) Цей момент дорівнює індикаторному моменту, що крутить, і направлений в протилежну йому сторону: . Крутний момент передається через трансмісію провідним колесам, а перекидальний момент сприймається опорами двигуна. Сила Р"дорівнює силі Р,і аналогічно останній її можна як . Складова врівноважується силою тиску газів, прикладеною до головки циліндра, а є вільною неврівноваженою силою, що передається на опори двигуна.

Відцентрова сила інерції прикладається до шатунної шийки кривошипа і спрямована убік від осі колінчастого валу. Вона як і сила є неврівноваженою і передається через корінні підшипники на опори двигуна.

Сили, що діють на шийки колінчастого валу.На шатунну шию діють радіальна сила Z, тангенціальна сила Ті відцентрова сила від маси шатуна, що обертається. Сили Zі направлені по одній прямій, тому їх рівнодіюча або (11)

Рівнодія всіх сил, що діють на шатунну шийку, розраховується за формулою (12) Дія сили викликає знос шатунної шийки. Результуючу силу, прикладену до корінної шийки колінчастого валу, знаходять графічним способом, як сили, що передаються від двох суміжних колін.

Аналітичне та графічне уявлення сил та моментів.Аналітичне уявлення сил та моментів, що діють у КШМ, представлено формулами (4) - (12).

Наочніше зміна сил, що діють в КШМ залежно від кута повороту колінчастого валу, можна представити в якості розгорнутих діаграм, які використовуються для розрахунку деталей КШМ на міцність, оцінки зносу поверхонь деталей, що труться, аналізу рівномірності ходу і визначення сумарного крутного моменту багатоциліндрових двигунів, а також побудови полярних діаграм навантажень на шийку валу та його підшипники.

У багатоциліндрових двигунах змінні моменти, що крутять, окремих циліндрів підсумовуються по довжині колінчастого валу, в результаті чого на кінці валу діє сумарний крутний момент. Значення цього моменту можна визначити графічно. Для цього проекцію кривої на осі абсцис розбивають на рівні відрізки (кількість відрізків дорівнює числу циліндрів). Кожен відрізок ділять кілька рівних частин (тут на 8). Для кожної отриманої точки абсциси визначаю суму алгебри ординат двох кривих (над абсцисою значення зі знаком «+», нижче абсциси значення зі знаком «-»). Отримані значення відкладають відповідно у координатах , та отримані точки з'єднують кривою (рис.2.43). Ці крива є кривою результуючого крутного моменту за один робочий цикл двигуна.

Для визначення середнього значення моменту, що крутить, підраховується площа обмежена кривою крутного моменту і віссю ординат (вище осі позитивне, нижче - негативне: де - Довжина діаграми по осі абсцис; -Маштаб.

Так як при визначенні моменту, що крутить, не враховувалися втрати всередині двигуна, то, висловлюючи ефективний крутний момент через індикаторний, отримаємо де – механічний ККД двигуна

Порядок роботи циліндрів двигуна в залежності від розташування кривошипів та числа циліндрів.У багатоциліндровому двигуні розташування кривошипів колінчастого упала має, по-перше, забезпечувати рівномірність ходу двигуна, і, по-друге, забезпечити взаємну врівноваженість сил інерції мас, що обертаються, і зворотно-поступально рухомих мас. Для забезпечення рівномірності ходу необхідно створити умови для чергування в циліндрах спалахів через рівні інтервали кута повороту колінчастого валу. Тому для однорядного двигуна кут, що відповідає кутовому інтервалу між спалахами при чотиритактному циклі, розраховується за формулою, де i -число циліндрів, а при двотактному за формулою. На рівномірність чергування спалахів у циліндрах багаторядного двигуна, крім кута між кривошипами колінчастого валу, впливає кут між рядами циліндрів. Для задоволення вимоги врівноваженості необхідно, щоб число циліндрів в одному ряду і відповідно число кривошипів колінчастого валу було парним, причому кривошипи повинні бути розташовані симетрично щодо середини колінчастого валу. Симетричне щодо середини колінчастого валу розташування кривошипів називається «дзеркальним». При виборі форми колінчастого валу, крім врівноваженості двигуна та рівномірності його ходу, враховують також порядок роботи циліндрів. На рис.2.44 наведені послідовності робіт однорядних циліндрів (а) і V-подібних (б) чотиритактних двигунів

Оптимальний порядок роботи циліндрів, коли черговий робочий хід відбувається в циліндрі, найбільш віддаленому від попереднього, дозволяє знизити навантаження на корінні підшипники колінчастого валу та покращити охолодження двигуна.

Врівноваження двигунівСили та моменти, що викликають неврівноваженість двигуна.Сили та моменти, що діють у КШМ, безперервно змінюються за величиною та напрямком. При цьому, діючи на опори двигуна, вони викликають вібрацію рами і всього автомобіля, внаслідок чого послаблюються кріпильні з'єднання, порушуються регулювання вузлів та механізмів, утрудняється використання контрольно-вимірювальних приладів, підвищується рівень шуму. Даний негативний вплив знижують різними способами, вв тому числі підбором числа і розташування циліндрів, форми колінчастого валу, а також використовуючи врівноважуючі пристрої, починаючи від простих противаг і закінчуючи складними механізмами, що врівноважують.

Дії, створені задля усунення причин вібрацій, т. е. неврівноваженості двигуна, називаються врівноваженням двигуна.

Врівноваження двигуна зводиться до створення такої системи, в якій рівнодіючі сили та їх моменти постійні за величиною або дорівнюють нулю. Двигун вважається повністю врівноваженим, якщо при режимі роботи сили і моменти, що діють на його опори, постійні за величиною і напрямом. У всіх поршневих ДВС виникає реактивний момент, протилежний моменту, що крутить, який називається перекидальним. Тому абсолютної врівноваженості поршневого ДВЗ досягти неможливо. Однак залежно від того, якою мірою усуваються причини, що викликають неврівноваженість двигуна, розрізняють двигуни повністю врівноважені, частково врівноважені та неврівноважені. Врівноваженими вважаються такі двигуни, в яких урівноважені всі сили та моменти.

Умови врівноваженості двигуна з будь-яким числом циліндрів: а) результуючі сили першого порядку поступово рухомих мас та їх моменти дорівнюють нулю; б) результуючі сили інерції другого порядку поступово рухомих мас та їх моменти дорівнюють нулю; в) результуючі відцентрові сили інерції мас, що обертаються, і їх моменти дорівнюють нулю.

Таким чином, рішення врівноваження двигуна зводиться до врівноваження лише найбільш значних сил та їх моментів.

Способи врівноваження.Сили інерції першого і другого порядків та його моменти врівноважуються підбором оптимального числа циліндрів, їх розташування та вибором відповідної схеми колінчастого вала. Якщо цього недостатньо, то сили інерції врівноважують противагами, розташованими на додаткових валах, що мають механічний зв'язок із колінчастим валом. Це призводить до значного ускладнення конструкції двигуна, і тому використовується рідко.

Відцентрові силиінерції мас, що обертаються, можна врівноважити в двигуні з будь-яким числом циліндрів установкою противаг на колінчастому валу.

Передбачена конструкторами двигуна врівноваженість може бути зведена до нуля, якщо не будуть виконуватися такі вимоги до виробництва деталей двигуна, збирання та регулювання його вузлів: рівність мас поршневих груп; рівність мас та однакове розташування центрів ваги шатунів; статична та динамічна збалансованість колінчастого валу.

При експлуатації двигуна необхідно, щоб ідентичні робочі процеси у всіх його циліндрах протікали однаково. А це залежить від складу суміші, кутів випередження запалення або упорскування палива, наповнення циліндрів, теплового режиму, рівномірності розподілу суміші по циліндрах і т.д.

Балансування колінчастого валу.Колінчастий вал, як і маховик, будучи потужною рухомою частиною кривошипно-шатунного механізму, повинен обертатися рівномірно, без биття. Для цього виконують його балансування, яке полягає у виявленні неврівноваженості валу щодо осі обертання та підборі та кріпленні врівноважувальних вантажів. Балансування обертових деталей поділяється на статичну та динамічну. Тіла вважаються врівноважені статично, якщо центр мас тіла лежить на осі обертання. Статичному балансуванні піддають деталі дискової форми, що обертаються, діаметр яких більше товщини.

Динамічнабалансування забезпечується при дотриманні умови статичного балансування та виконанні другої умови - сума моментів відцентрових сил обертових мас щодо будь-якої точки осі валу повинна дорівнювати нулю. За виконання цих двох умов вісь обертання збігається з однією з головних осей інерції тіла. Динамічна балансування здійснюється при обертанні валу на спеціальних балансувальних верстатах. Динамічна балансування забезпечує більшу точність, ніж статична. Тому колінчасті вали, до яких пред'являються підвищені вимоги щодо врівноваженості, піддаються динамічному балансуванню.

Динамічне балансування виконують на спеціальних балансувальних верстатах.

Балансувальні верстатиобладнані спеціальною вимірювальною апаратурою - пристроєм, який визначає необхідне положення вантажу, що врівноважує. Масу вантажу визначають послідовними пробами, орієнтуючись показання приладів.

Під час роботи двигуна на кожен кривошип колінчастого валу діють тангенціальні і нормальні сили, що безперервно і періодично змінюються, що викликають в пружній системі вузла коленвала змінні деформації кручення і вигину. Відносні кутові коливання зосереджених на валу мас, що викликають закручування окремих ділянок валу, називаються крутильними коливаннями.За відомих умов знакозмінні напруги, що викликаються крутильними і згинальними коливаннями, можуть призвести до втомної поломки валу.

Крутильні коливання колінчастих валів супроводжуються також втратою потужності двигуна та негативно впливають на роботу пов'язаних з ним механізмів. Тому при проектуванні двигунів, як правило, виконується розрахунок колінчастих валів на крутильні коливання і при необхідності змінюють конструкцію та розміри елементів колінчастого валу так, щоб збільшити його жорсткість та зменшити моменти інерції. Якщо ж зазначені зміни не дають бажаного результату, можуть бути застосовані спеціальні гасники крутильних коливань - демпфери. Їхня робота ґрунтується на двох принципах: енергія коливань не поглинається, а гаситься за рахунок динамічного впливу в протифазі; енергія коливань поглинається.

На першому принципі засновані маятникові гасники крутильних коливань, які виконуються і у вигляді противаг і з'єднуються з бандажами, встановленими на щоках першого коліна за допомогою штифтів. Маятниковий гаситель не поглинає енергію коливань, а лише акумулює її під час закручування валу і віддає запасену енергію за його розкручування до нейтрального становища.

Гасителі крутильних коливань, що працюють із поглинанням енергії, виконують свої функції в основному за рахунок використання сили тертя та діляться на наступні групи: гасники сухого тертя; гасники рідинного тертя; гасники молекулярного (внутрішнього) тертя.

Дані гасителі зазвичай являють собою вільну масу, з'єднану із системою валу в зоні найбільших крутильних коливань нежорстким зв'язком.