Для чего служит кривошипно шатунный механизм: Кривошипно-шатунный механизм двигателя (КШМ): устройство и принцип работы – Кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Назначение, устройство, принцип действия

Содержание

Кривошипно-шатунный механизм — Википедия. Что такое Кривошипно-шатунный механизм

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение (например, во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания), и наоборот. Детали КШМ делят на две группы, это подвижные и неподвижные детали:

Подвижные: поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал с подшипниками или кривошип, маховик.
Неподвижные: блок цилиндров (является базовой деталью двигателя внутреннего сгорания) и представляет собой общую отливку с картером, головка цилиндров, картер маховика и сцепления, нижний картер (поддон), гильзы цилиндров, крышки блока, крепежные детали, прокладки крышек блока, кронштейны, полукольца коленчатого вала.

Принцип действия

Прямая схема: Поршень под действием давления газов совершает поступательное движение в сторону коленчатого вала. С помощью кинематических пар «поршень-шатун» и «шатун-вал» поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал состоит из:

шатунных шеек
коренных шеек
противовеса

Обратная схема: Коленчатый вал под действием приложенного внешнего крутящего момента совершает вращательное движение, которое через кинематическую цепь «вал-шатун-поршень» преобразуется в поступательное движение поршня.

История

В природе

Задние конечности кузнечиков представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.
Бедро и голень человека и роботов-андроидов тоже представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.

В Римской империи

Самые ранние свидетельства появления на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к пилораме из Иераполиса, 3-й век нашей эры, римский период, а также византийским каменным пилорамам в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (6-й век нашей эры).^[1] Ещё одна такая пилорама возможно существовала во 2 веке н. э. в римском городе Августа-Раурика (современная Швейцария), где был найден металлический кривошип.^[2]

Уравнения движения поршня

Диаграмма показывающая геометрическое положение шатуннопоршневой оси — P, кривошипношатунной оси — N и центра кривошипа — O

Определения

l — длина шатуна (расстояние между шатуннопоршневой осью и кривошипношатунной осью)
r — радиус кривошипа (расстояние между кривошипношатунной осью и центром кривошипа, то есть половина хода поршня
A — угол поворота кривошипа (от «верхней мёртвой точки» до «нижней мёртвой точки»)
x — положение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
v — скорость шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
a — ускорение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра)
ω — угловая скорость кривошипа в радианах в секунду (рад/сек)

Угловая скорость

Угловая скорость кривошипа в оборотах в минуту (RPM):

ω=2π⋅RPM60{\displaystyle \omega ={\frac {2\pi \cdot \mathrm {RPM} }{60}}}

Отношения в треугольнике

Как показано в диаграмме, центр кривошипа, кривошипношатунная ось и шатуннопоршневая ось образуют треугольник NOP.
Из теоремы косинусов следует, что:

l2=r2+x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A{\displaystyle l^{2}=r^{2}+x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A}

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (Угловая область)

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа.
Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

l2−r2=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A{\displaystyle l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A}

l2−r2=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A+r2[(cos2⁡A+sin2⁡A)−1]{\displaystyle l^{2}-r^{2}=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}[(\cos ^{2}A+\sin ^{2}A)-1]}

l2−r2+r2−r2sin2⁡A=x2−2⋅r⋅x⋅cos⁡A+r2cos2⁡A{\displaystyle l^{2}-r^{2}+r^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=x^{2}-2\cdot r\cdot x\cdot \cos A+r^{2}\cos ^{2}A}

l2−r2sin2⁡A=(x−r⋅cos⁡A)2{\displaystyle l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A=(x-r\cdot \cos A)^{2}}

x−r⋅cos⁡A=l2−r2sin2⁡A{\displaystyle x-r\cdot \cos A={\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}

x=rcos⁡A+l2−(rsin⁡A)2{\displaystyle x=r\cos A+{\sqrt {l^{2}-(r\sin A)^{2}}}}

Скорость

Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):

x′=dxdA=−rsin⁡A+(12).(−2).r2sin⁡Acos⁡Al2−r2sin2⁡A=−rsin⁡A−r2sin⁡Acos⁡Al2−r2sin2⁡A{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x’&=&{\frac {dx}{dA}}\\&=&-r\sin A+{\frac {({\frac {1}{2}}).(-2).r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}\\&=&-r\sin A-{\frac {r^{2}\sin A\cos A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}\end{array}}}

Ускорение

Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):

x″=d2xdA2=−rcos⁡A−r2cos2⁡Al2−r2sin2⁡A−−r2sin2⁡Al2−r2sin2⁡A−r2sin⁡Acos⁡A.(−12)⋅(−2).r2sin⁡Acos⁡A(l2−r2sin2⁡A)3=−rcos⁡A−r2(cos2⁡A−sin2⁡A)l2−r2sin2⁡A−r4sin2⁡Acos2⁡A(l2−r2sin2⁡A)3{\displaystyle {\begin{array}{lcl}x»&=&{\frac {d^{2}x}{dA^{2}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}\cos ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {-r^{2}\sin ^{2}A}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{2}\sin A\cos A.(-{\frac {1}{2}})\cdot (-2).r^{2}\sin A\cos A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\\&=&-r\cos A-{\frac {r^{2}(\cos ^{2}A-\sin ^{2}A)}{\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}}-{\frac {r^{4}\sin ^{2}A\cos ^{2}A}{\left({\sqrt {l^{2}-r^{2}\sin ^{2}A}}\right)^{3}}}\end{array}}}

Пример графиков движения поршня

График показывает x, x’, x» по отношению к углу поворота кривошипа для различных радиусов кривошипа, где L — длина шатуна (l) и R — радиус кривошипа (r):

${\displaystyle {\begin{array}{lcl}x$ Единицами вертикальных осей являются: [дюймы] для положения, [дюймы/рад] для скорости, [дюймы/рад²] для ускорения.
Единицами горизонтальных осей является угол поворота кривошипа в [градусах].

Анимация движения поршня с шатуном одинаковой длины и с кривошипом переменного радиуса на графике выше:

${\displaystyle {\begin{array}{lcl}x$

Анимация движения поршня с различными радиусами кривошипа

Применение

${\displaystyle {\begin{array}{lcl}x$

Кривошипно-шатунный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, поршневых насосах, швейных машинах, кривошипных прессах, в приводе задвижек некоторых квартирных и сейфовых дверей. Также кривошипно-шатунный механизм применялся в брусовых косилках.

См. также

Другие способы преобразования вращательного движения в прямолинейное

Здесь была возможность смены Хойкена.

Примечания

↑ ¹ ² Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), «A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications», Journal of Roman Archaeology, 20, pp. 138—163
↑ Schiöler, 2009

Литература

Schiöler, Thorkild (2009), «Die Kurbelwelle von Augst und die römische Steinsägemühle», Helvetia Archaeologica Т. 40 (159/160): 113–124

Ссылки

Кривошип — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 июля 2019; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 26 июля 2019; проверки требует 1 правка.

Пистолет Люгера. При откате затвора кривошипный механизм выводится из положения «мёртвой точки» боковыми выступами рамки, воздействующими на цилиндрические выступы кривошипа на шарнире. Кривошип начинает вращаться и отправляет затвор в крайнее заднее положение.

Кривошип (англ. crank) — звено кривошипно-шатунного механизма, совершающее циклическое вращательное движение на полный оборот вокруг неподвижной оси. Используется для преобразования кругового движения в возвратно-поступательное и наоборот. Как правило, выступает в роли ведущего звена рычажных и зубчато-рычажных механизмов. Название кривошипа у коленчатых валов тяжелых двигателей — мотыль^[1]. Переход от коренной шейки к шатунной, который и образует кривошип, также может называться «щека»^[2].

При рассмотрении кривошипа в качестве входного звена механизмов, независимой переменной является угол поворота кривошипа φ. Его движение может быть как односторонним, так и реверсивным.

Из геометрических параметров выделяют радиус кривошипа r. В центральном кривошипно-шатунном механизме он находится в простейшем кинематическом соотношении с ходом поршня (ползуна):

S=2r{\displaystyle S=2r}

Как правило, в динамических расчетах ДВС все детали вращательного движения сводят к группе кривошипа с приведенной массой m_к сведенной в точку на радиусе r.

На кривошип действует внешние силы, приложенные к шатунному шарниру (сила давления газов, силы сопротивления резанию и т.д.). При анализе их обычно раскладывают на тангенциальную и радиальную составляющие.

$S=2r$ Кривошип (образован коренной и шатунной шейкой и двумя щёками). Прилив напротив шатунной шейки — противовес.

Также на кривошип действует центробежная сила, функция угловой скорости кривошипа:

K_R = m_к ω² r

Эта сила является одним из факторов неуравновешенности КШМ. С ней борются установкой противовесов на шейке коленвала.

Изгибающий момент на кривошип может передаваться только в границах сил трения в шарнире, как правило в реальных конструкциях он незначителен.

В коренной шейке кривошипа возникают реакции, при анализе раскладываемые на горизонтальную и вертикальную.

В расчетах на прочность в рычажных механизмах обычно проверяют кривошип на сжатие и на разрыв. Кручение как правило отсутствует, а изгиб может появиться у тонких длинных стержней при потере устойчивости.

В зернотёрках кривошип представлен неявно, как часть диска. Отверстия вне центра указывают на не сохранившиеся рукояти. Римская кривошипная ручная дрель из Augusta Raurica, датированная 2-м веком до н.э.

Одним из первых примеров применения идеи кривошипа являются зернотерки. Первоначально в них использовалось поступательное движение жерновов, но в позднем каменном веке изобретены дисковые жернова с приводом от кривошипа.

В античности имелся большой набор инструментов использующих кривошип, например дрели-коловороты, в т.ч. для хирургических целей.

Кривошипы применялись в подъемных механизмах, метательных машинах и т.д. Распространение в странах с системами ирригации получили насосы с круговым приводом от упряжки животных или группы людей, которая воздействовала на кривошип. Аналогично действовали механизмы подъема якоря.

Одна из особенностей кривошипов в древности — сильная привязка к антропометрическим размерам. Как правило механизмы приводились в действие мускульной силой, поэтому радиус кривошипа был не более длины руки человека.

$S=2r$ Кованые кривошипы коленчатого вала

В современных машинах кривошип выступает как отдельная деталь, так и как часть коленчатого вала.

Основные методы получения кривошипного колена в составе коленчатого вала: