/
Текст
,
,
I
I I
I
,
N
... ....
wr ..,
\
\
\
Pr
м
jJ3
I
f
.
._._L
" . ,
!N 1 ::, "
,
_
..
t:
...L
I ,1',
\ , ,
\ I '
" 1....
ffi '
,
.
т т
I
." ... ...
ex.pert'22. .. 1.
.,
Динамика
и констр ировоние
I
. "
...,
Е
r
"-..
....
,
" '....
,.. . А
" . ..
, "
,.
......."
..
-
lIIt
t
.
,
,
...
..
.
1.
11
f
..,-
,
..
'- .
"- " .
, ..
..
'. .
..е
в
r
РЕ
Р
r
Динамика
и конструирование
Издан 11 е "'ретье, lIерерuБОllluнное
Ilод редакцией
члена
корреспондента РАН,
проф., д
pa техн. наук В.Н. Лукаllина
и ПРОФ."J д
pa ТСХН. наук I\1.r. Шатровз
J
to IIY u(el (О
МlillИСТСрСТВОМ образоваllltя и ItaYKI1
Р()ссийскоii ФедсраllJ1И
8 качествс уqеt)llика для С1удеlll
О8
BhlCllllfX учеu"ых заве
r:tеIIJfJ.f..
Q(}}"ЧЗIОЩИХСЯ 110 спсциаJIЬ11ОСТ11
«ABTOMoGIIJJli 11 автомобl-IЛЬНОС хозяiiство))
118праВЛСllliЯ подrОТОВКl1 ДlfПЛОl\1liроваllllЫХ
спеЦl18ЛI-lСТОВ (
ЭксплуатаЦIIЯ наЗСМНоrо
траНСП(JрТ8 1-1 транспортноru оборудоваНJIЯ»
МОСКВА
«вышАяя Ш K<)Jll\)
2007
expert22 для http://rutracker.org
УДК 621.43
ББК 31.365
Д23
УчебнW<.--ком.плекс ( ДВС» удостоен nремuи Правuтельства
Российской Федерации в области науки и техники эа 1999 zод
Авторы: В. Н. Луканин, и. В. Алексеев, М. r. JИaтров,
А. В. Павлов, ю. В. rOpUIКOB, Н. и. Назаров, с. п. Ежов,
л. М. Матюхив, В. В. СИНЯВСКИЙ
Рецензент
:кафедра <<Поршневые и lCомбинированные двиrатели))
МПУ им. Н. э. Баумапа (зав. кафедрой заслуженный деJ1тель науlCИ
и техники РФ, д--р теки. нa}'IC, проф. Н. А. Иващенко)
ДВИI атели виутреноеrо сrорании. В 3 кв. КН. 2. Динамика
Д 21 1.1 КОllструирование: Учебник для вузов/В. Н. Луканин,
и. IJ. Алексеев, М. r. Шатров и др.; ПОД ред. В. Н. Луканина и
М. r. Шатрова. 3--е изд. перераб. М.: Высш.. ШК., 2007.
400 с.: ил.
ISBN 978--5..06 004143..9
в книrе содержатся сведения по lШВемаТИICе и динамике кривоmипво..
шатунноrо механизма, излаrаЮТСJI вопросы уравновеlIШвавия,. колебаний ту..
ма и вибрации две и их элементов; проведен анализ условий работы, особен..
ноcrе.й коиструКЩ!И, расчета деталей и систем двс; рассмотрены основы
проектировави.JI две с использованием ЭВМ.
ДЛЯ студентоq еJrnМ Ч С1CUХ вузов и спечиалuстО8.
УДК 621.43
ББК 31.365
ISBN 978 5 О6 О0414З..9 (кв. 2)
ISBN 978..5 О6--004145..З @ ФrYП <<Издательство (<Высшая школа» 2007
Ориrинал"макет дa.НRoro издания Jlвляется собственноcrью издательства <<вы...
сmая школа», и есо реlIродуцирова.лие (воспроизведение) moбым способом без
соrласия издательства запрещается.
IIРЕДИСЛОВИЕ
Настоящая Пlиrа JlВляется. второй частью учебника по двиrа....
'"
теням виутреииеrо сrорания, вхлючающеи разделы, касающиеси
кинематиlCИ, динамики, основ конструирования и расчета элементов
и сиcrем двс.
Основу приведевноrо в квиrе учебноrо материала составляют
...
курсы леIЩИИ, ICоторые читались членами aвTopClCoro коллектива
в МАДИ (I1Y) для студентов, обучающихся по направлению «Ha
земные транспортные системы», и по объему и содержанию cooт
ветствовали их учебным планам и проrpаммам.
УчеБНИIC может быть использован таюке студентами ВЫСШИХ
учебных заведений, обучающихся по направленик.i <<Энерrомашино--
строение» и специальности <<Двиrатепи ввутреннесо сrорания»; по
направлению «Техвопоrические машины и оборудование» и специ
алъноcrи <<lIодъемно--транспортвые, строительные, дорожные Ma
шивы и оборудовавие»; по направлению «Эксплуатация трапспорт
вых средств» и специальностям «Орrанизация дорожноrо движе
НИЯ», «Сервис и техническая эксплуатация транспортных в тex
нолоrвческих м. 11 : И оборудовaнJIЯ» (автомобильный транспорт;
строительное, дорожное и ICоммунальное машиностроение); по на--
правленИIO «Наземные транспортные систеъ1ы> и специальностям
<<А.втомобил и тракторостроение», «Автомобили и автомоБШlЬВое
хозЯЙство», «М. 11 I:bl инжеверноrо вооружения».
Методика изложения материала отдельных разделов максима..
льно адаптирована IC современным способам анализа работоспособ
fUO "
НОСТИ, а та:кже термическои и динамическоя нarpуженности элемен...
ТОВ двиrателя с использованием ЭВМ.
В учебный материал ВICЛЮчены новеЙШИе достижения в lCонстру
...,
ировании двиrателеи, используемых в средствах наземноrо транспо--
рта, их элементов и сиcrем, а тахже описаны современные Tex
нолоrии их производства, эксплуатации и ремонта.
Во второй lCНIIre авторы учли изменения в двиrателестроении,
проиcmедшие со времени ее nepBoro издания (1995).
отделъныIe разделы написали: В. Н. ЛукаllИН предисловие,
rл. 15; и. В. Алексеев 1.1.2, rл. 2, 8 (кроме 8.15); М. r. Шат
ров rлавы 1 (кроме 1.1.2) 1.1.1, 1.2, 3.5, rл. 4, 5, 8.15, 9.4;
А. В. Павлов rл. 7, 10, 14; ю. В. rоршlCОВ rл. б, 11, 9.1, 9.2,
3
9.3; Н. и. Назаров rл. 3 (хроме 3.5), 15; с. п. Ежов . 12.1,
12.2, 13.1, 13.2; л. М. Матюхин 13.3; В. В. СиНЯВСКИЙ 12.3.
АвторСКИЙ lCоме:пив выражает искреннюю блarодарностъ КОЛ
леICТИВУ кафедры <<Поршневые двиrателИ» МПУ ИМ. Н. э. Баумана
(зав. кафедрой д p техн. наук, проф. Н. А. Иващенко) за привци
пиалъное и доброжелательное рецензирование рукописи. их замеча..
пия ВО мноrом способствовали улучшению качества учеБНИlCа.
Авторы
...
,
rЛАВА 1
МАТИКА И
КРИВО О...ША
МЕХАНИЗМА
МИКА
oro
1.1. КИНЕМАТИКА КРИВОIIIИIIНО-ШАтУННоrо
МЕХАНИЗМА
в автотракторных две в основном ИСПОJlliЗуются следующие
три типа кривошипво шатунноrо механизма (кшм): ценmральный
(аксиальный), смещенный (дезаксвальный) и механизм с прrщепны'м
шатуном (рис. 1.1). Комбинируя да :1:1. е схемы, можно сформиро
вать кmм как линейноrо, так и мвоroрядноrо мносо 11: :':дроиоrо
двс.
РеализаЦIUI смещевноrо (дезаксиальноrо) механизма возможна
в двух вариантах: в перВОМ случае ось цилиндра не пересекает ОСЬ
JC:оленчатоrо вала двс, а во втором ось порmневоrо пальца
смещается относительно оси цилиндра.
КрИВОШИlIНо mатунный механизм с прицепным шатуном oт
личаетс.я от дрyrих схем н. I fI ем прицепноrо шатуна, соединен--
""
носо пальцем с rлавным шатуном в ero кривошипнои rоловке..
.
#+
, I
" I
т-- .........
, I
" . ,
'-. 1 "",#"
.
.
у
. .
I I
.
I
I
. .
I I
. 11
а I I
+ r n
" I
, I
, ,
......... .. ..........
, I
" . ,
, 1 '
'"' .,.
.
.
б в
I
I
.
I
I
I
.
I
а
Рис. 1.1. Кивематичеса:ие схемы:
Q цевтра.пъвоro КШМ; 6 смещ etJJt оro КШМ; 8 .. . ме :Jа:mrэм а с ПРИЦС 11НhIМ шаtyВОМ
s
Необходимо отметить, что кинематика механизма rлавноrо тату..
на не отличается от кинематики централъноrо и смещенноrо
кшм.
Изучение законов движения деталей :КШМ проводится с учетом
...
только ero структуры и rеометрических соотношении между звенья--
:ми механизма независимо от СИЛ, вызывающих ero движение, и сил
трения, при отсутствии зазоров между сопряженньwи элементами
... ..,
и ПОСТОЯННОИ yrловои скорости кривошипа.
При работе две основные элементы КШМ совершают различ..
вые ВИДЫ перемещевий. Поршень движется возвратно--поступатель--
но. Шатун совершает сложное ПЛОСlCопараллельное движение
в плоскости ero качания. Кривошип lCоленчатоrо вала совершает
вращательное движение относительно ero оси.
1.1.1. КИНЕМАТИКА ЦЕНТРАЛЬноrо и СМЕЩEШIоrо
кривоIIIипно...шАтунных МЕХАНИЗМОВ
Расчетная кинематическая схема КIПМ представлена на рис. 1.2.
основныldи ....еомеТрическими параметрами, определяющими заха....
вы движении элементов центральноrо КШМ, являются радиус кри"
80шипа lCоленчатоrо вала r и длина шатуна 1ш-
Ilараметр l == rll.n является критерием кинематическоrо ПОДО--
бия Ilell rрЮlьноrо механизма. При этом дЛЯ КШМ различных раз--
MCPOII'l 110 С одинаковыми 1 законы движения аналоrичвых элемен..
Н'Ш I I О)lоб 11 ы. В автотракторных две используются механизмы
с l 0..24.. .0,3 1
11 CMClltelllIЫX КШМ существует еще один rеометрический пара....
.....
МС I p НJIИЯЮIЦИИ на ero кинематику, величина смещения ОСИ ци--
линдра (пальца) относительно оси
lCол нчатоrо вала а. При этом ОТ....
носительное смещение k == а/т ЯВЛЯ...
ется дополнительным (к 1) lCpитери..
ем кинематичеСlCоrо подобия. Таким
образом, подобные смещенные
КШМ IOdеют одинаковые 1 и k, rде
k изменяется в пределах 0,02...0,1.
Как следует из схемы (см. рис.
1.2), кинематика КШМ полностью
описывается, если известны законы
изменения по времени следующих
параметров:
. перемещеlШЯ порпmя х. Нача..
ло отсчета (х == О) положение 110--
... '"
ршня в верхнеи мертвои точке
I:JMT А
.....
вмт
А
нмт
CI)
НМТ I
)(&
(J) ><
........ ...
". ,
, "
" "-
, Е ...
" w r '
I '
.. . I
О "
, I \
" ,,' ""
"
"
....... ....' ....
а
а
6
Рис. 1..2. Расчетные схемы КШМ:
а :це: ., ; oro; 6 смещеиноrо
6
(ВМТ); за положительное Ilвправление отсчета принято ero движе
вие от ВМТ IC нижней мертвой точке (НМТ) при вращении криво..
""
шипа по часовои стрелке;
. yrла поворота кривошипа qJ. Начало отсчета (qJ==O) соответ..
ствует положе :. ' . кривошипа при нахождении партия в BMT;
. yrла отклонения шатуна от оси цилиндра Р (jJ==O при ср==О).
Кинематика криВОDIИПа. Вращательное движение кривошипа ко..
левчатоrо вала определено, если известны зависимости уrла ПОВО--
""
рота ер, уrловои ClCорости ClJ И УСICорения е ОТ времени t.
При кинематическом анализе КШМ принято делать допуще..
ние о постоянстве yrловой СКОростИ (частоты вращения) колен..
чатоrо вала со. Тоrда qJ==rot, co==const и е==О. Уrловая скорость
и чаCIота иращеиия Iривошиnа к-оленчатоrо вала п связаны сооу...
ношением со==пп/30. Данное допущение позволяет изучать законы
движения элементов КШМ в более удобной параметричес:кой
форме в виде функции от yrла поворота КрИВОШШIа и перех
дить при необходимости к временной форме, используя JШНейнyIO
связь ер и t.
Кинематика поpmвll. Кивематшса возвратно...постynательво ДВИ"
жущеrося поршня описывается эависимocrями ero перемещения х,
СКОрОСТИ v И ускорения j от уrла поворота кривошипа ер.
. Перемещение поршня при повороте кривошипа на yrол ер опре..
"'"
деляетСJJ как сумма есо смещении gr поворота ICривоmипа на уrол
ер (XI) и от ОТICЛонения шатуна на усол р (хп):
х.,==r+lПJ rсos qJ lwcosP
ИЛИ с учeroм 1== r/1m
х., == r [(1 cos ер ) + (1/ А) (1 cos р)].
(1.1)
Связь между yrлами ер и р определяется по общей стороне пЕ
треyrолъПИlCОВ ODE и CDE (см. рис. 1.2, а), опсуда для центрально
со механизма r sin (jJ == Iш. sin Р или 1 sin (jJ == sin /1, а для смещенносо
rsintp а=='шsinР, J.(sintp k)==sin/1. Используя данвые соотноше..
пия, а также учвтьmая, что cos f3 == 1 ...... sin. /1, получим следующие
зависимости перемещении порmня ОТ уrла поворота кривошипа:
дли централъноrо КШМ
х., == r [(1 cos tp ) + (1/ А) (1 ..; 1 12 sin 2 tp )]; (1.2)
.
для смещенноrо КШМ
x,,==r
1
121
1 + k2 cos p cos ер .
1 А
(1.3)
7
,
с целью упрощения расчетных зависимостей для девтральвоrо
КШ М разлож им в рид по формуле бинома Ньютона радикал
J l )..2 sin 2 ер:
1 12 sin 2 == 1 (lsin ф)2 (lsin ср)4 (l sin ср)6
2 8 16
.5 ( 1. 8
------ л Sln <р) + ..-
128
При 1.==0,25 амплитуды при rармоничесDIX членах разложения
сооmосятся как 1: 0,031 : 0,000488 : 0,0000 15, а при ).. == 0,30 как
1 : 0,045 : 0,001012: 0,000046. С учетом этоrо с достаточной для прак--
ТИICИ точвоcrъю можно оrpаничиться двумя первыми членами раз--
ложения и полarать
Jl A2 sin 2 'P 1 1 ).2sin 2 ср== 1 )..2(1 cos2tp).
2 4
Тоrда
x,, T[(1 СОSqJ)+()..14)(I сos7Ф)]==ХI+ХП. (1.4)
Скорость nОршllЯ определяется как первая ПрОИЗDОДНая ОТ
IIСрСМСlltСllИЯ поршн.я по времени, т. е.
dx dx dtp
".......... ........................
,, dl dtp dI'
(1.5)
'11"0 IIримснительно к уравнениям (1.1) и (1.4) дает точную
v,,== тю sin (ер + fJ)Jcos fJ
(1.6)
и приближенную
V" rro [sin qJ + (1/2) тп 2QJ]
(1. 7)
зависимости скорости поршня от yrла поворота кривоmипа..
Как видно из (1.6), маКСИМaJIЬноro значения скорость дocrиraет
при ер + р == 900, J(оrда sin (ер + /3) == 1. При этом ось шатуна пеРDев
дикулярна радиусу кривошипа и
v max ==rco J l +А2.
(1.8)
ШиРОКО npименяемая ДJlЯ оценки lCонструкции две средняя
скорость поршня, которая определяется как СО == Sn/30, связана
8
13,
аВМТ
о
I :
нмт
I
1800
I
: I
:ВМТ
I
-
.-. .. Еш
" ....
, ,
,
,
,
, ,
J
I . . .....-L
, I
\ . "
'\. I
" '
... '
" ,
....... ...'
<ош
б
(j)
Ew
в
о
вмт
I
I
I
НМТ
, .
I
I
t
I
I
I
I
I
I
.
I
I
:ВМТ
. I
<р
.
I
Рис. 1.4. КивемаТИ1fеские параметры Пl8туиа:
а yrловос псремещевие; 6 yrnовв.. Cl:0POCТЬt 11 yrпOBoe ускорение
члене, пропорционалъном kl. Так :как для современвых двиraтелей
kl==O,Ol...O,05, то ero влияние на юmематику механизма вевелиlCО
и па практихе им оБычвo превебреrают.
Кинематика шатуна. Сложное ШIОСlCопараллелъное движение ша..
'"
туна складывается из перемещения ero верхнеи СОЛОВКИ с lCинемати--
...
ческими Ilараметрами ПОрnШЯ и ero иижвеи :кривошипнои rоловlCИ
с IlёlраМС1-рами конца ICривошиnа. Кроме Toro, шатун совершает
IIPll.ll{itl-СJIЫIОС (качателъное) движение относительно ТОЧКИ сочлене--
IIИЯ 111.' "Y118 С IIОрIIШем.
. У? Аовое пере.мещение шату"а fJ == arcsin (А sin qJ). Экстремалъ
11..ac IlIаЧСIIИЯ р== :f:::arcsinl имеют место при ср==90 и 2700. В aвTO
IIlUKIOPlIblX двиrателях Pтnltx == i:(12 ..18°).
. УZАовая скорость качания шатуна OJщ==dfJш/dt или fйш==
== lш cos cp/cos Рш.
Экстремальные значения COm::::::f: J..ro наблюдаются при qJ == о
и 1800.
. Уzловое ускорение шатуна
dШш
Вш
dt
--...
dWm drp dт ш . l2 1
== ro :::: lco 2 SlD ер .
drp dt dip (1 l2 sin 2 ф)3/2
Экстремальные значения Em == f:.lro2./ .J 1 + Xi достиrаются при
9'::90 и 2700.
Изменение кинематических параметров шатуна по yrлу ПОБОрО--
та lCоленчатоrо вала npeдставлево на рис. 1.4.
10
Ро
.....
о l' 1 1 а I S(VJ
' I .
, .... I
h -:,,'" " I
: I 1 ,3 r):':
.. ... .... ... ер Ip. ............. "1
I Zд I ,.
'Ь
. . . . ..
..... " J / 'а
I " ..... ,ер. ' З60 0 .. '
.... .... , !. <Р
..... .... ... .. .... '\ «
4Ii() ,
.,"
2,4 '.............'
I ..
zA I
I
-
I
I
.
I
.
I
I
.
I
.
Впуск Сжатие
. . ...
.
I
..... L
.
I
I
t
I
I
.
,
.
I
Расwире...
ние Выпуск
... .
I
I
.
I
r
1
I
.
I
I
.
7200 ер :
I
.
I
.
I
I
4 (: fP
р
.
,
. I
I t
I I
. I
I I
I I
I 1
18
fP 1 о
360 .. fP
о
ЗБО + <р
fPZ д
вмт
о
720 .- <р
Рис.. 1..8" Переcrpoевие : I. : w торной диarpа.ммы из р у.. в р ........... tp-йl[оордиваты
р v в :координаты р qJ посредством определения У" == х"Fп
с использованием зависимости (1.1) или rрафичесхи:х методов
(рис. 1.8).
Сила давления rазов, дейcrвующая на порmень, наrружает под--
Ilижные элементы КШМ, передается на коренные опоры картера
" уравновешивается внутри двиrателя за счет ynрyrой деформации
Р;
.
..,..
"
"
/
I
I
I
,
'" Р "
" I
"-
" . "
............ ...
.
Рис 1.9. Воздействие rазовых сил на элемепты конcrpУПUIИ КШМ
15
элементов, формирующих внутрицилиндровое пространство, силами
Ре и Р;, действующими на rоловку цилиндра и на поршенъ, как это
показано на рис. 1.9. эти силы не передаются на опоры двиrателя
и не вызывают ero неураввовеmенности.
1.2.1. СИЛЬ) ИНЕРЦИИ дв
ся МАСС кшм
Реальный КШМ представляет собой систему с распределенными
параметрами, элементы КОТОрОВ движутся неравномерно, что вы..
зывет по.явление инерЦИОННЫХ сил.
ДетальнЫЙ анализ динамики такой системы принципиалъно 80З'"
можен, однако сопряжен с большим объемом вычисленИЙ.
В связи с ЭТИМ в инженерной пра:к:тике для анализа динамики
КПIМ широко используют динамичесlCИ эквивалентные ему свете--
мы с сосредоточенными параметрами, синтезируемые на основе
метода замещающих масс. Критерием эквивалентности является
равенство в любой фазе рабочеl'О ЦИICЛа сово:купвых ICИНeтичес:ких
энерrИЙ эквиваленmой модели и замещаемоrо ею механизма. Ме..
тодика синтеза модели, эквивалентной КШМ, базируется на замене
ero элементов системой масс, связанных между собой вевесомыми
абсототно жесткими связями.
. Детали пОРШllевой zpyппbl совершшот прямолинейное возврат..
ho--пОСt1Jупательное движение ВДОЛЬ оси цилиндра и при анализе ее
ИIIСРltИОlllJЫХ свойств MOI'YT быть замещевы равной им массой пlu,
'-1
С(>СРСJ,оточеIIIIОИ в центре Macc положение ICOToporo практически
C()141IU)(ac'." с осью поршвевоrо пальца. Кинематmcа этой ТОЧICИ ОПИ..
CI.llltlC .-ся законами движения поршня, вслеДствие чеrо сила инерции
IJ()JlIIIIJJI P jlJ == т,j, I'де j ускорение центра масс, равное ускоре..
IIИ.С,) IIОрUIНЯ.
. Кривошип коленчатоzо вала совершает равномерное враща..
тельное движение. КОНСТРУКТИВНО он СОСТОИТ ИЗ совокупности двух
IIОЛОВИН коренвых шеек, двух щек и шатунной шейки. Инерционные
свойства кривошипа описываются суммой центробежных сил эле..
ментов, центры масс ICоторых не лежат на оси есо вращения (щеки
и шатунная шейка): к..==Кrш.ш+2Кrщ==-тшJ(JJ2+2т.щ/Jп!fJ2, rде Kr m.m ,
и Т, рщ центробежные СИЛЫ и расстояния от оси вращения ДО
..,. "
центров масс соответственно шатуннаи шеиm и щеки, тrпJ'C( и Iпщ
массы соответственно шатунной шейхи и щеки. При синтезе экви
'" -.......
валентнои модели кривошип заменяют массои т.., находящеися на
расстоянии r от оси вращения кривошипа. Величину mж. определяют
из условия равенства создаваемой ею центробежной силы cYl\1Мe
центробежных сил масс элементов ICривоmипа, откуда после преоб--
разований получим == 1пm..m + 2т-щр,Jr.
. Элементы шатунной zpyппbl совершают сложное пЛОС1\опарал--
лельное движение, которое может быть представлено как СОВОКУП--
16
НОСТЬ постynательноrо движеllИЯ с кинематическими параметрами
..-.
центра масс и вращательноrо движения BOICpyr ОСИ, проходящеи
через центр масс перпендикупярво ШIоскости качания шатуна.
В связи с этим ее инерционные свойства описываются двумя пара..
метрами инерционнЬUdИ силой и моментом. Любая система масс
по СВОИМ инерционным параметрам будет эквивалентна шатунной
I рynпе в случае равенства их инерцио :1.1.. сил и инерционных
моментов. Простейшая из НИХ, показанная на рис. 1.10, состоит из
двух масс, одна из которых "'ш.в == т-шlш /l m сосредоточена на оси
lIоршпевоrо пальца, а друrая muu. == тuJш-п/ 1ш в центре шатунной
JIIейки коленчатоrо вала. Здесь /m..п и 1m... расстояния от точек
размещения масс до центра масс. В этом случае ДЛЯ обеспечения
Jквивалентности инерционных свойств необходимо, чтобы соблю...
}taJIИСЪ следующие условия:
1) сумма масс эквивалентной системы должна быть равна массе
I рупnы шатуна: пlm.п + 1пm-ж == mш;
2) положение центра масс эквиваЛентной системы ДОЛЖНО со..
.Illадать с центром масс шатунной rрyпnы.. Вьшолнение этоrо уело..
....
.,ия при равенстве ДЛИН ЭlCвивалентнои системы и шатуна rapaH
I ирует тождественность их кинематики;
3) CYМAia моментов инерции масс эквивалентной модели J ЭD
должна быть равна моменту инерции реалъноro шатуна J ш oт
..,.
Ilосительно ОСИ, проходящеи через центр масс перпендикулярно
IIJIОСКОСТИ качания.
Первых два условия в данном случае ВЫnОПНЯЮТСJI, так как
''''IU Q + mш..... == mш1ШJ./1m + mшlw..J I ш == mш. и сумма статичесlCИХ момен",
I ()В масс эквивалентной системы ОТНОСительно точки О, СООТ--
,
I
,
'"
...'"
8
m п
т ш . n
.
J
, ,
'- \: I
" '
..... "
..... ...'
цм
с
.........3
б
в
J ш
..
т
Wk .
дк I\w К тк J('
щ rщ. 'к
тЩ о.. :f
.
-
w;""
mШ 1(
,
I
, т.
. ,.....
. I
А
2
Оt 5 т кш О,5т к . ш е
Рис. 1.10. Формирование эквивалентной динамической модели КШМ:
кшм. б ЭПlивале: :,. ... ....-. .ji .................. . : ..ii," ":ССЫ КШМ.: д MaCCЬ1.
, . -, w
шатyВli;У HaxН t ; ,. . "*а
17
ветствующей центру масс шатунной rpуппы, 1пw-п1m.п "'ш..жlw... ==
== mu,.(1ш.J luJlш.п mm(lш.п/ l,JlшJ. == о.
Третье условие для шатунов существующих две обычно
не вьшолняercя. ПРИIЩШIИалъно ло несоответствие может быть
скомпенсировано добавлением к системе инеРЦИОlПlоrо момента
AМm==(Jm J.J8, еде в уrловое ускорение шатуна. На Dрахти
Ее данной добавкой пренебperают ввиду незначительной ее вели
чины.
Таким образом, эквивалентная система, замещающая КШМ,
представляет собой систему двух жестко связанных между собой
масс:
. массу, сосредоточенную на оси пальца и совершающую 80З--
bpatho--постynатеЛЬDое движение вдоль оси цилиндра с lCинемати"
чесICИМИ параметрами паршия, тJ==т п +пIш.п;
.... -...
. массу, расположенную на ОСИ шатуннаи шеики и соверша..
ющую вращательное движение BOlCpyr оси коленчатоrо вала,
m,==т..+1пm... (для V образных две с двумя шатунами, распо--
.... ...
ложенными на однои шатуннои теике коленчатоrо вала, т r ==
== mж + 2.rnm-К 8
в соответствии с принятой моделью кmм масса тj вызывает
силу инерции Pj== mjj, а масса т, создает центробежную силу
инерции К, == tJ.n.uI'fl, == m,rro2. ·
с raT и сти чес кие данные по рассмотренным: параметрам KIIIМ
coDpcMclllIых автотракторных двиrателей представлены в табл. 1.1
n DИ)(С КОIIСТРУICТИВНЫХ масс т'==т/F п , rде F п ШIощадъ поршн.я;
пJ масса соответствующеrо элемента КШМ.
Таблица 1.1
Чacrота КОВC"IpYrПIВВ'" м асса п{. О'IВоm еки е lm...l'm
Тип п/м2.
д;виrаТCJl8 вращеиИJI, П орUIR СВОЙ ... V --абразвые
....1 ша-ryва J]ин е ииыe
мин
rpуuпьJ
Двиrате.ли с
искровым эажи.. 11 <4500 (1,О8...1,2)n. (1 ,3S ..1 4S)D O 26...0,28 O,28 ..O,30
rанием 11 >4500 (1 2...1,25)D (1,7...2,O)D O 26...0,28 0,28...0,30
Дизели авто- 11 < 3000 (1 ,8. . 2,O)D (2, 1. ..2,2S)D 0,26...0,30 0,30...0,34
мобильные 11>3000 (1,S ..1,7)D (1,б...l,9)D 0,22...0,23 0,22...0,23
Дизели тpaI - ( O... 2)п (2,3.. .2,S)D 0,26.._0,30 0,30...0,34
торные
.D диаме1'р .I , :.,a, мм.
Сша инерции Р) уравновешивается реажциями опор.. на которые
установлен двиrатель. Будучи переменной по величине и направле--
..,
НИЮ, она, если не предусмотреть специальных мероприятии по ее
18
== Р(<Р)
х
т.
J
I
,
J
,
.,
"
" JI'
.,..
у
R R(<p) R == R(<p)
а
ХА
Pnp
I
I
I
,
,
"
"' ,
....
т np
1 Х В == f(roQ
б J == f(rot}
Рис. 1.11 Воздействие СИJI инерции на опоры двиrаrеля:
а сила Р; 6 ........... сила к,; Kx:=Kr cos <о==к,со! (0)1); к,,==к,sп (D==к,sin (ю')
уравновешиванию, может быть причиной внешней неуравновешен--
I(ОСТИ двиrателя:, как ЭТО паказано на рис.. 1.11, й.
При анализе динамmcи ДВС и особенно ero уравновешенности
..... .
с учетом полученнои ранее зависимости ускорения) от yrла поворо--
ra кривоmипа qJ силу инерции Pj удобно представлять в виде суммы
двух rарМQничесlCИX фУВIЩИЙ, ICоторые отличаются амплитудой
и скоростью изменения арrумеита и называются силами инерции
lIepBoro ( iJ и BToporo (Р jп ) порядка:
Pj== m./w 2 ( cos rp + 1 cos 2ср) ==
== с cos ер + лС cos 2ср =:; Р}l + Р}П,
I де с== т}-rro2.
Центробе:ж:ная CUJШ инерции к,==щrro 2 вращающихся масс
КШМ представляет собой постоЯННЫЙ по величине вектор, направ
IIСННЫЙ ОТ центра вращения по радиусу кривошипа. Сила К, переда
,
'''..ся на опоры двиrателя, вызIваяя переменные по величине реакции
(рис. 1.11, 6). Таким образом, сила /(" как и сила Р р может являться
IIРИЧИПОЙ неуравновеmепности двс.
19
1.2.3. CYММAPmIE СИЛЬ) И MOМEНThI,
ДЕЙCfВYЮЩИЕ В кmм
При динамичесКОМ анализе КШМ силы Pr И Pj, имеющие об
..,
щую точку ПРWIожения IC системе и единую л 1:1 Ю деиствия, заме..
няют суммарной силой, JIВляющеЙСJJ их aлreбраичесКОЙ суммой:
P'E==Pr+Pj (рис. 1.12).
Для анализа дейcrвия СШIЫ РЕ на элементы КШМ ее расклады..
вают на две составляющие: S и N. Сила S действует ВДОЛЬ оси
шатуна и вызывает повторно--перемеНБое сжатие растяжение ero
элементов, а сила N перпевдикулярва оси цилиндра и пр . мает
порmень к ао зеркалу. Действие силы S на сопряжение шатун
кривошип можно оценить, перенеся ее ВДОЛЬ ОСИ шатуна в точку их
mарнирноrо сочленения (S'), сде она раСlCJIадывается на НОРМаль
ную силу К, направленную по оси кривошипа, и ташенциальвую
СШ1у Т.
Силы К и Т передаются на коренные опоры двиrателя. для
анализа характера нarpужевия коренных опор двжатеЛJI сила К пе
ревосится по линии ее действия в центр коренной опоры (К'); сюда
же добавляются равные по модулю силе Т и имеющие параллелъ...
ные с ней линии действия силы Т' и Т" (см. рис. 1.12, а). Пара сил
т и т' на плече r создает крутящий момент Мир, КОТОРЫЙ далее
передается на lIarрузlCУ, еде совершает полезную работу. Сумма сил
К' и Т" дае r силу 811, проек:циями КОТОРОЙ на ось цилиндра и ар...
rО."ОllаЛЫlое ей направление являются силы N' и РЕ. Очевидно, что
N-.. N' и PE==P . Силы N и N' на плече h создают ОПрОПIДыва--
I()II\ИЙ MOMCIIT Мопр==Nh, lCоторый далее передается на опоры двиrа
Pr Pr
РА
}
Pr,
Pr
\
,
,
,
,
" s
РХ
I}
о
<р
............
--t:
м
,,, ОIф
"
" -- .....
, , ,,' ....,
-'!. , Н '
v ,
,
Т' Т" .'
"
К , , ",
\ I ,
\" "1'
" ", : ,,' S'
''Itoo. I,'?
((J """... ,,' Т"
Р'Е S"
а
N .,
к
т т
ер
,
,
.....
" "
........
,
,
"
"
"
"
.......
'\,
\
,
,
\
,
"
<р
6
Рис. 1.12. сиJIы в КШМ:
а расчетвu схема; 6 . зависимость сил в кmм or yrла поворота :колевчатоro вала
20
теля и уравновешивается их реaJCЦиями. Момент М опр и вызываемые
им реaIЩИи опор изменяютс.я по времени и MorYT быть причиной
неураввовешенности двиrателя.
Соотношения междУ СШIовыми факторами, наrpужающими эле
менты КШМ, с учетом есо rеометрии и характера действия сил:
cos (СР+Р>
N==Pr..tgp, S==Pr.(I/cosP), К==Рт. ,
cosp
Т ..... Р sin (ер + р> М, ......... rл
......... 1: , Ер........... ..1.. Т.
cosfJ
Особо следует отметить соотношение между крутящим и опро
кидывающим моментами:
sin(tp+p>
Мопр==Nh==РЕtgР(1mсоsfJ+rСОSQJ) Рr.r
cos fJ
==Tr Mrp.
1.1.4. силыI, ДЕйcrвУЮЩИЕ НА IIIEЙКИ
КОЛЕНЧАтоrовАЛА
cIIJIы' действующие па шатунную шейку. на шатунную шейку
КРИВОIIlИпа действуют сила S, направлеlПlRЯ по оси шатуна,
а также центробежная сила Кrш, действующая по радиусу кри"
вошипа (рис. 1.13). Результирующая сила R.n.ш, нarpужающая
...,
шатунную mеику, определяется ках векторная сумма этих двух сил.
Ее зависимость от yrла поворота :коленчатоrо вала qJ может быть
..,
представлена в виде полярнои диarраммы нarрузки на mатунную
шейку (ПДНIПШ), lCоторая является reoметрическим местом точек
конца радиуса--веlCТора Rrn ш , ориентированноrо относительно си--
стемы координат, связанной с кривошипом. При этом кривошип
условно полаrается неподвижным, а ось цилиндра вращается в про..
rИВОDОЛОЖНУЮ сторону с той же усповой скоростью. Такое пред..
ставление не изменяет взаимноrо расположения элементов КШМ и,
w
следовательно, значения и ориентацию сил, деиствующих на них.
raк как при неподвижном кривошипе линии дейcrвия сил К,
т и к,ш однозначно определены, то прс:цедура построения диа--
I paммы сил RПI m значительно упрощается. ПДНШШ дает яаr...
...
Ilядное представление о значении и направлении деиствия относите..
'lbHO элементов КШМ СИJIы, нarpужающей в данной фазе рабочеrо
..,
I{икла шатунную шеи:ку, а также определяет условную точку ее
11 риложения. .
Зависимость модуля силы R IJJ J1] от уrла ПОБорота, построенная
.1 пр оуrолъных lCоординатах Rm.ш qJ, далее используется для
21
ry;
I
I
J ш
...Т
в
К
ОСЬ масло..
т ПОД80дящеrо
К отверстия
TJP fP Rw.wЧ'
T
)( ТЧJ
ra
Е
u 3 ОШ
. .
3 rl
-
r:l
+К
<р 180 360 540 720 <р
б
2
Рис. 1.13 К расчету СИJI, вarpуж:ающих mатунную шеЙКу:
Q рв.счетна8 схема; 6 по .. :I e ПДНШШ; 8 ПДНШIП; z теореlи-{еа u д:иarpaм.ма
mиоса шатунной m ейки
;lllillJИ:lа Ilаrруженности шатунноrо подшипника. Дли этоrо исполъ..
., YIO ."СИ следующие ее параметры: R ш .m mА1r . при выборе материала
7t'f
1
антифриlЩИОННОro слоя; Rm.m.ep == Rш.m dqJ
пт
О
ДЛЯ расчета ICоличе...
'PI:
ства тешIoты, выделяющейся от трения; R:В JП ер == 1 Rm.ш dcp
'Р'Ж, fPи
СРИ
...
при расчете минимальнои ТО 111 I. Ы маСШIНоrо слоя в подшипнике.
Здесь 1tL yrловая длительность рабочеrо ци:кла; 1: коэффициент
такТRQCТИ; €[Jи, lfJ.. соответственно yrлы начала и жонца петли
максимальных вarрузоlC (участоlC максимальных нarрузоlC на диа
rpзмм:е, оrpаниченный yrлами, при которых Rш.m == Rm.шr;p).
с учетом изложеввоrо вfuше метод построения ПДНШШ cвo
ДИТСЯ К следующему. В ПрJDdОyrолъных lCоординатах из полю..
са О (рис. 1.13, 6), lCоторый соответствует центру шатунной шейки,
2Z
ДЛЯ каждоrо значения ер на соответствующих осях наносятся век--
торы СИЛ К. и Т"' реЗУ11ьтатом rеометричесlCоrо суммировании
которых является сила S". КОНЦЫ векторов ЭТОЙ силы, полученной
....
ДЛЯ множества значении ер, последовательно соединяют плаввои
кривой, в результате чеrо формируют ее полярную диаrpамму.
Затем полюс диаrраммы О переноситс.я в ТОЧКУ Ош В положитель..
НОМ направлении по оси К на величину центробежной СИЛЫ части
массы шатуна, приведенной к кривошипу К'Ш8 Вектор, соединяющий
любую точку диarраммы с полюсом Ош, является результирующей
силой Rm-ш-
Для V..образноrо двиrателя ВИД диarраммы определяется типом
соединения шатунов с lCоленчатым: валом. Для двиrателя с шатуна..
ми, расположен :1. I 1. последовательно на одной шатунной шейке,
результирующие силы, наrpужающие соответствующие участки
....
шеиlCИ для каждоrо из шатунов, определяются отдельно, аналоrич..
....
но тому, как это вьшолнялось В случае линеиноrо двиrатели.
В пднmm V..образноrо двиrателя с сочлененными шатунами ре..
зультирующая сила Rm..m, нarружающая шатунную шейку, определя--
ется rеометричecIOlМ суммированием векторов RDLJD(JI) И Rmщ.п), oднo
... ..,.
временно деиствующих на шеику со стороны цилиндров левоrо
и правоrо РЯДОВ.
Силы, вarpужающие коренные шейки. Коренные шейки кривоmи
IIa одноцилиндровоrо двиrател.я нarружаются силой Rш.m==S+К rш
и центробежной СШIой инер:ции неуравновешенных масс кривошипа
К. (рис. 1.14). их результирующая сила Rж==Rш.ш+к. воспринимает--
....
ся двумя lCоренными опорами, поэтому СШIа, деиствующая на )Саж..
J{УЮ коренную шейку, равна половине результирующей силы R ж
и противоположно направлена:
R][.m== O,SR][== O,5 (s + + KJ== O,5 (8 + к,),
' дe К, == К rш + К Ж 8
Это обстоятельство позволяет для определения вarрузICИ на
...
коренные шеиlCИ ОДRQЦИЛИНДрOBorо двиrателя использовать
IIДнmш, если ее полюс перенести из ТОПИ ОШ В ТОЧ КУ ОХ, положе...
IIне :которой о преде ляется величиной отрезка ОшО. == )к,). в этом
случае отреЗОК 00... представляет собой модуль суммы векторов
К,Ш и К-.. Уменьшив масштаб сил в 2 раза и изменив ориентацию
I(иаrраммы R... на противоположную, получим полярную диarрамму
lIаrрузICИ на коренную шейку (пДНКШ).
ВЛ ,-': е противовеса на коренную шейку можно учесть, при...
IIОЯСИВ есо инерционную результирующую силу Rпр к точке ОК.
23
5 '
f;)<P
Ч>j 1
'....,
'-....,
.....
О,5Rш wj- """.-.
,
R '.....
а . ' ln
пр IC Ш Jnp "..... Y.f1
Il)
3
t.,.
Il)
...
о
......
......
'r""U')
, ,.
O
u) ........
.. ...J....
а t=
I.t)
".
а
J
I
I
,
,
I
I
I
I
I
I
I
I
Q Б 1.l ,/
к} q$ :'
".. I (О\
'./0 о "
I$ ш J 1... О
,. . .....<р. 1 +(720 ...0.
((,...... О) 0.58} J J- J.
In
:111&:
t.,.
1()
..
а
1..5 ...3...6...2..4..1...5
о о
1 4 0.J., 480 J
3,4
.
I
· О
6:= 480 +q>
Qs
'(ив
Рис. 1..14. Поcrpоение ПОШlpНОЙ диarpа.ммы вarpУ3КИ на IОренвую шеЙКу (шестa.I.
жаренная шеЙХа шеcrици I 1: J .OBO:rO четырехтактвоrо ливеЙВоrо дввrатели)
Ilа."рузICИ на коренные шеЙКи мноrоцилиндровоrо двиrателя мо--
ЖIIО ОIJрсдеJШ""fЬ, представив ero в виде совокупности одоноцилинд--
ропых двиrателеи, кривоmиnы :которых вращаются синхронно и ПО...
ItCP"YTbl друr относительно дрyrа на yrол ь, определяемый ком..
...- ...,
11()II0UОЧUОИ схемои lCоленчатоrо вала, а процессы в ero ЦШIиндрах
сдвинуты по фазе в соответствии с порядком работы и yrлом
чередования рабочих ХОДОВ. В этом случае результирующая сила
к.лф действующая на j..ю жаренную опору, получается суммирова..
Ilием нarружающих ее сил со стороны опирающихея на нее КрИВО"
uшпов: R)[-шj:=:О,5 (R.U l)+RJ. Идентификация векторов сил, дейст..
вующих. одномоментно со стороны смежных кривошипов, реализу--
ется сопоставлением фаз npоцессов в j"M И (j 1)-м ци I 1: I рах:
ЧУ== qJj 1 + (720 (Jjj 1), rде (Jjj 1 yrол запаздывания работы j ro
цилиндра относительно (j l}ro.
На рис. 1.14 приведев пример построения полярной диarpаммы
.., ..,
нarpузки на шестую коренную шеику шестицилиндровоrо линен..
Horo двиrателя. Для этоrо пднкш flТ ПЯТОrО и шестоrо ICривоmи"
w"'"
ПОВ ориентируют дрyr относительно друrа в соответствии с их
взаимным расположением на коленчатом валу (в данном случае ПОД
yrлом Ь::= 120°). Полюсы О. обеих диarрамм совмещают. Затем
производят попарно rеометрическое суммирование вежторов RJ1:5 И
24
R K . W6
R
К.Ш ер
_UJ cp
r,
, \
,
,
"".
I ,
,..,
\
I '
I '
\ 1 \
..., ,
,
о 90 u 1800 270 IJ 3600 4500 540 u 6300 7200 fP
Рис. 1.1 S.. Диarpа.мм:а иаrpуЗОI на IОренную mеЙIу:
спл оцm ... ]IИЯИ. без пр ОIИtt О8сеов; штрихов............. с противовесами
R I6 , идентифицируя их по фазам рабочеrо процесса: ЧJ, == ЧJ + 4800.
Отсчет yrлов в полученной ПДНКШ ведут по o l}-мy (в данном
примере по 5..му) кривошипу.
Влияние противовесов на нarруженность lCоренной шейки пока..
зано на рис. 1.15.
1.2.5. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ДИAI'РАММА ШНОСА ШЕЙКИ ВАЛА
с использованием полярных диаrpамм строят теоретическую
диarрамму износа шейхи вала (ТдтпВ). с ее помощью можно
определить Mecro на поверхности mейхи, в хотором целесообразно
расположить ВЫХОД маслоподводящеrо канала. Построение Т дmIIB
ведется при следующих допущениях:
'" "U
. величина износа теип пропорциовальна деиствующеи на нее
силе-
,
. износ равномерен в пределах секторов, опираюЩИХСJl на цент--
ралъные yrлы 600 в обе crороны ОТ условной ТОЧICИ приложеНИJJ
СИЛЫ, что соответствует зове KOBT8.ICTa вала и подшипника в пре..
I,елах дyrи 120°;
--... ... ....
. lCоррозиоввыи И эро3иовныи износ шеиlCИ отсутствует.
Для построения Т дИШВ МОЖНО принять тu.ую последователь--
I.ОСТЬ действИЙ (СМ. рис. 1.13, в, z).
1. На поверхность mейu, изображенной в ПроИ3ВОЛЬВОМ маею..
.-абе, плоскопараJШельно с полярной диarраммы перенос.ит силы
R ш ш, получе :1:1. е через равные }тловые интервалы поворота колен..
113Toro иала, кратные 3600 (например, 300), TaIC, чтобы СИЛЫ Были
....
Ilаправлены I центру mеихи.
25
2. На шейке выделяют сектор в 1200, ориентированный своей
дyrой вниз, с биссектрисой уrла, совпадающей с вертикальной осью
кривошипа.
3. Производят суммирование всех сил Rm.ш", попавших в данный
сежтор. С учетом принятых допущений ИЗНОС в пределах давноrо
сектора будет равномерным и по веJШчиве пропорциовалъвым по...
"
лученнои сумме СИЛ.
4. В привятом масштабе (так, чтобы сумма СШ1 для вarлядвости
составляла npиблизительпо 1/3 радиуса шейхи) на биссектрисе yrла
-..
сектора опmадывают отрезок, пропорционалъныи износу, ОТ на..
w .....
ружнои поверхности IC центру окружности mеики.
5. Затем выделяют следующий сектор, повернутый относительно
предыдущerо на фИICсироваввый yrол, соответствующий принятому
yrлу дискретизации Rш.ш (в нашем случае 300), и повторяют опе-
рации 3 и 4. Данные действия ПрОВ3ВОДЯТ последовательно до тех
пор, пока интервал дискретизации не перекроет ВСЮ окружность
'"
mеики.
6. Полученные ТОЧКИ, хараrrеризующие износ, соединяют Ш1ав"
...., 8.1
НОИ кривои.
7. На основании сформироваШlОЙ КРИВОЙ выбирают ось мае..
лоподводящеrо канала так, чтобы она находиласъ в зоне с ми..
нимальным износом, что соответствует минимальному уделъ..
"ому давлеlIИЮ между ПОДIШlПIШКQМ и шеЙКой.. Именно в ЭТОЙ
OIIC возможно наименьшее перекрытие канала поверхностью
11С1}{IIIИllllика. Необходимо отметить, что ТДИШВ позволяет
JIИIIII. качествеШlО описать характер износа шеЙКи. При выборе
Р.I.I ИОllальноrо места расположении отверстия для масла на
IlIейке следует также учитывать и факторы, ВJШJIЮщие на ее
IlрОЧНОСТЬ.
1.2.6.
ный КРУТ 11111 l' МОМЕНТ
ДВШАТЕЛЯ
MoMeвты' скр -, I ающие коре I : I w е шеЙКи мвоrоци I 1: J poBoro
двиrатeJIИ. В одноцилиндровом двиrателе крутящий момент Мкр==
== Tr. Так :как r величина постоянная, то характер ero изменения
по уrлу ПОБорота кривошипа полностью i»пределяется изменением
тaнrенциальной силы Т.
Мноrоцилиндровый двиrатель можно представить как СОБОICyn"-'
НОСТЬ i С!дноцилиндровых, рабочие процессы в которых протекают
идентично, но сдвинуты дрyr относительно друrа на yrловые ИН...
тервалы в соответствlШ с принятъrм порядком работы и yrпом
чередования рабочих ходов двиrателя. Момент, скручиваюЩИЙ KO
26
ревную шейку, может БЫl Ь определен как сумма моментов, дейст..
'"
вующих на всех ICрИ80ШИllах, предшествующих еи.
В качестве примера на рис. 1.16 представлева схема формирова..
пия крутящих моментов в четырехта.пвом (т==4) четырехцилинд
раБОМ (i==4) линеЙНом двиrателе с ПОРJIДICОМ работы ци ' I: . ров
1 З 4 2 1. При равномерном чередовании вспыmек для дaв
Horo двиrателя yrповой сдвиr между последователь :1.1 I рабочим:и
ходами соcrавит B 7200Ii==7200/4== 180°. Фазовый сдви момента
между первым и третьим кривошипами составит 1800, между пер.-
вым и четвертым 3600, а между первым и вторым 5400. Ках
следует из приведенной схемы, момент, скручивающИЙ любую (i..ю)
...
коренную шеиlCУ,
' 1
М. т ;== L Mi==r L 7;.
о
./
Порядок работы цилиндров
1..... 3 4 2 1
М 2 =Т2'
М 1 =Т 1 '
" Т 1
--..., [&
.
I
.
....
о
e1 =180
о
01-4=360
о
e1 2=540
.....
1200
е ---
..... .
,
о
e1 1=720
а
о 180 360 540 720 180 360 540 720 q>
"
о
"
'!
б
Рвс. 1.1 б. Схема формиро-
вавиJl cyммapBoro крутsще..
ro момента 'lетырехтахтно--
ro четырехци. 1: 1'.' Boro
"
лввеивоrо двиraтeJ1Jl:
а схема мо меа 1 08. де йствую-
щих на OТДeJIЬ RLЦ. ЖРИВО .'IВU ах;
6 схема DOC1JIOC ВИJI круп:щс.
ro MO MCb a
'4
27
Кривая изменения М.. шi по уrлу ПОБорота кривошипа в этом
случае определяется суммированием кривых сил т, действую...
щих на всех i 1 кривоmиnах, предmествующих данной .кopeH
"" ....
нои шеике.
Момент, скручивающИЙ последнюю коренную шейку, является
сум.м.арным крутящим .моментом двиzаmеля Mr., lCоторый далее
передается на трансмиссию. Совершаемая им работа может быть
получена интеrрировавием Mr..(t'p) по уелу поворота крИВОIIIИПа rp
в уrловом интервале, соответствующем рабочему ЦИIШУ двиrате..
ля (J (О == 7200 для четырехтактноrо двиrателя и (J == 3600 для двyx
тактносо ):
в
L}:. == Мкрт. «({J ) d({J.
о
Нормирование ее по yrловому интервалу длительности рабочеrо
цикла в дает средний суммарный lCpyrЯЩИЙ момент
в
1
Мжр.qJ== в Мжpt(qJ)dqJ,
о
Ct\() I"uс.к-сrвующий индикаторному моменту M i , развиваемому дви
1. ll.CJICM.
Моменты, скручивающие юатунllыe шеiкн миоroцилиндровоrо
дви..в"rели. В ОДНQЦИЛИНДроВОМ двиrателе в результате действия
...,.
суммарных сил на lCоренных mеИlCах lCоленчатоrо вала возникают
реакции R K и R T , одна из которых R T == 0,5 Т, действующая в ШIОСlCо
... ...
СТИ, перпевдикулярнои teривоmиny, скручивает шатунную mеику.
Тоrда величина скручивающеrо момента будет равна Mm-ш==Rr
==O,5Tr.
Представив мноrоцилиндровblЙ двиrателъ в виде совокупности
'"
одноцилиндровых И рассматривая только В08деиствие на хривоmи--
.
пы танrенциальных СИЛ, получим момент, скручивающии I"Ю ша..
...
тунную шеику:
м ш.mi== М...шi+ Rrr == м кт; + 0,5 Tir,
rде М... шi
. .... ...,
момент на l--И кореннои mеике.
28
1.2.7. В
консrруктивных СООТНОШЕНИЙ В кшм
НА ПОКАЗАТЕЛИ двиrАТEJIЯ
КОНСТРУХЦИЯ КШМ существенным образом влияет на харах..
теристики двс, такие, как ЭICОНОМJIЧНОСТЬ, rабариты, масса, дожо..
вечность и Т. д. Рассмотрим механизм влияния на параметры две
ocHoBHых IcовструIcтиввых соотношенИЙ в ero КШМ: коэффициента
л==r/l m и отношения K==S/D.
Oтнomeнвe радиуса кривошипа r к д.ливе шатуна lш. (l:=rlluJ
Анализ влияния л на параметры две проведен при неизменном
рабочем объеме У" и диаметре ЦUJlUНдpa п. В этом случае измен
lIие л вызывается только вариanиями дливы шатуна. При yмeнъ
Iпении 1 «<длинный» шатун) возрастают масса 1пm и ее cocтaв
Jlяющие 1пm.п и "'тЖ'- При этом растет центробежная СШIа инерЦИИ
КУШ; для ее компенсации потребуется увеличение crатическоrо MO
мента противовесов на продолжении щек кривоmиnа, что связано
с повышением материалоемкоcrи :конструкции двиrателя. Влияние
снижения 1 на Pj противоречиво: с ОДНОЙ стороны, растет mп-п и св.я
lанная с ней масса mj, что ДОЛЖНО привести IC увеличению .
С друrой йороны, из за наличия 1 в выражении, определяющем
амплитуду силы инерции BToporo ПОрJJДКа -п, ВОЗМОЖНО ее yмeнь
Illение. Уменьшение 1 вызовет увеличение высоты и массы двс, что
связано с <<удлинением») шатуна. Более ДJШНВЫЙ шатун ПРИВОДИТ
I акже J{ уменьшению yrла !Jnt8I ' ЧТО вызывает уменьшение боковой
сш1ы N. Меньшие N и Р обеспечивают, при прочих равных условиях,
Сllиженве износа в ПОДВИЖНЫХ сочленевuяx цилинДропорmневои
. "РУППЪI.
у современных двиrателей с искровым зaжиrанием (ДсИЗ) ша..
..уны, К8.IC правило, дд 41:1: ее, чем у дизелей. Эrо св-язано с повьпnен"
IIОЙ быстроходностью первых и превалирующим влиянием у них на
Р} второй I'арМQВШИ. В дизелях из за более ВЫСОICИX максимальных
l.азовых наrpузоIC. поперечное сечение стержня шатуна больше и уве--
Jlичение пlm.n при удлинении шатуна оказъrnает на Pj большее ВЛИЯ
IIHe, чем уменьшение aмшIитуды РjП.
Величина 1 оказывает ВЛИJIНИе на харlIСТер износа цилиндра.
11 ксплуатации износ ЦИJШНдра нераВБQмерен больше изнamива...
(-("СИ та ero сторона, IC которой боковая сила N прижимает поршень
Ilrи рабочем ходе, что связано с большим ее значением вследствие
максимальных значенИЙ Pr на такте расширения.. При введении
1,С1аксажа махсимa.лыJый yrол OТICЛонения шатуна р при рабочем
,()де по абсолютному значению становитс.я меньше, чем наиболъ--
II.ce ОТЮIонение при такте сжатия, что позволяет выровнять износ
ItИJlиндра по есо периметру.
29
Необходимо отметить, что применение «ICорот.ких» шатунов
.
в некоторых случаях может усложнять :компоновку двиrателя, так
lC8lC вэ за болъDШX значений Рrпa,< возможно задевание шатуна за
:I ' · юю часть цилиндра ИЛИ юбку порmня.
Отвоmевие хода DОрШШl S К диаметру " ' : J 18 D (K==S/D)..
При неизменном рабочем объеме двиzателя У А увеличение К ВОЗ--
можно за счет уменьшеНWI D при одновременном увеличе.l
хода поршня s. Выбор рациональной для данной :конструкции
двиrатепя не ' · I... К В значительной мере связан с ВОЗМОЖ"
НОCJЪЮ уменьшения средней скорости порmня Сп == Sn/30. Данный
параметр характеризует :КОRСтрУХЦИЮ ДБС С ТОЧКИ зреmrя ее
.... "" ...
динамическои и тепловои напряженности, а также износостои...
КОСТИ элементов двиrателя (особенно ero цюшндропорmневой
cpyrmы). Известно, что наnpЮICения ОТ инерциоlШЫX наrpузож
на элементы КШМ пропорциональны С:, а тепловая вапряжеВ
... '" .... v
ность двиrателя и линеиныи износ деталеи ЦИПИНДрОDорmневов
rpynnы пропорционалъвы сп-
Формальный анализ выражения, определяющеrо среднюю cкo
рость порmня, показывает, что добиться ее снижения при веизмен",
......
нои частоте вращения lCоленчатоrо вала п можно за счет уменъше--
ния s.
Однако, как правило, это ПРИВОДИТ J( pocry инерционных виру..
ЗОIC 113 элементы КШМ. Это объясняется тем, что масса деталей
KIUM flропорциональна Dэ, в то время !сак с :В" епие СКОросТИ
II(')I)IIIIIЯ вследствие уменьшения ero хода ПрОDорциональво D. При
У'IСJIИЧСIIИИ D также возрастают rазовые нarрузlCИ на КШМ, что
СIIЯ.lаIIО С ростом площади порmня.
Таким образом, уменьшение К неоднозвачно влияет на долrове
,
ЧlIОСТЬ двmателя. С одной cropoБы, она увеличивается иэ за умевъ--
шения Сп, а с дрyrои уменьшается из..за возрастания иверцион",
ных И rазовых нarрузоlC на детали КШМ. KaICO из приведенвых
факторов будет превапироватъ, решается индивидуально ДЛJllCаж
дой конкретной конструIЩИИ двс.
В современlЩX быстроходных ДеИЗ наблюдаетСJI тенденция
IC использованию ICОРОТКОХОДНЫХ ICОНСТРУJЩИй с К < 1, ЧТО ПОЗВОЛЯ...
'-IIt
ет получить ДОПОIШитель .I.' резерв увеличения п-,N при веизмен--
ной СП' В дизелях с их меньшей быстроходноcrъю используют более
дливноходвые КШМ с К== 1,0...1,2.
Уменьшение К прИВОДИТ IC увеличению rабаритной ДЛИНЫ две
и длины колевчатоrо вала. При этом уменьшается высота камеры
'""
сrоравия, что в pJIДe случаев усложняет получение ОПТIOdальнои ее
формы. Это может приводить :к ухудшению условий протекания
30
процессов смесеобразоваllИЯ и сrорания. У ДсИЗ возрастает таюке
вероятиоcrь возникновения детонации. К положительным качест..
...
вам IcоротIcоходных КОНСТРУКЦИИ следует отвести снижение теШ10"
отдачи в стешси цилиндра, улучшение возможности увеличения
прохо I :1. t' сеченИЙ rорловин клапанов, обеспечение бс1лъmеrо пере--
крытия шеек lCоленчатоrо вала, уменьmепие поперечных l'абаРИТОD
картера и массы двс.
r ЛАВА 2
УРАВНО в ЕШЕlПIО СТЬ
И УРАВНОВЕШИВАНИЕ ДВИf'АТ
ВНУТРЕlПIErо сrОРАНИЯ
При работе две в ero КОВСТРУIЩИИ возникают СИЛЫ, вызыва...
ющие :колебательные явления как в элементах caмoro двиrателя
(<<внутреЮlЯЛ» неуравновешеввость), T8lC И В системе автомобиль
(трактор) дввrатель «<внешнля» неуравновеюенвоCIЪ).
Внешнеуравновеше1ШЫМ называетСJI такой двиrатель, при уставо--
вившемс.SJ режиме работы ICOToporo реакции на ero опорах остаюТСЯ'
посто-яввыми по величине и направлению. Такой двиrателъ сам не
совершает колебаний на опорах (подвесках), а таюке не передает
колебательную энерmю и не возбуждaer. lCолебаний в КОНстрУКЦИИ
машины, на ICОТОрую ОН установлен.
Комплекс мероприятИЙ по улучшению уравновешенности вазы...
иаеrrСJl уравновешиванием двиzатеЛR.
2.1. СИЛОВЫЕ ФАКТОРЫ, ВЫЗЪШАЮЩИЕ
НЕУРАВНОВЕШЕнноcrь
ПОРlПНEвоrо двиr АТЕЛЯ
силовы:и факторами, определяющими неуравновешенность
ДвС J1ВЛЯЮТСJI все силовые факторы, которые уравновешиваются
реаIЩИЯМИ опор и при этом изменяют свою величину и (или)
направление.
2.1.1. одно
Часть реак II I'! опор, ответственная за уравновешенность ОДНО"
цилиндровоrо двиrателя (ОД), определяется СОIJОICУПНОСТЪЮ следу..
ющих СИЛОВЫХ факторов (рис. 2.1): RAR.,...,R.==j(P jI , Р jп , к" Меир).
В их ЧИСЛО не ВХОДЯТ: .
. rазовRЯ сила Pr как не иызывющая реакЦИЙ на опорах;
. вес двиrателя G как параметр, не изменяющИЙся по величине
и направлению.
32
Ijl
r 1jII
Рт
I М оnр
А
.,'" .....
, "'-
,
"
, "
I \
/ ,
, ,
\ ,
, ,
" "
'...... "
"'- ..,
К,
в
I ис. 2.1. Силовые факторы, вызывающие иеуравновешенноcrь ОДВ:ОЦИ I: I.OBoro
ДВ8rRтеJUI
Таким образом, силовыми факторами, вызывающими HeypaB
Ilовеmенность ОДRОЦИЛИНДрОDоrо двиrатепя, являются
'Ъ /jn,. К" М ОJф'
ровый двиr АТЕЛЬ
мноrоцилиндровый двиrателъ (МД) представляет собой COBOКY
IIIIОСТЬ i (i lCоличеcrво цилинДРОВ) ОД, Icривошипы которых по
ш:рнуты друс относительно дpyra' на yrол Ь, определяемый :КOM
IU' "
11(1110ВОЧНОИ схемои колевчатоrо вала, и вращаютс-я синхронно,
il рабочие процессы сдвинyrы по фазе на yrловой интервал в COOT
IIC ."СТОJШ С принятым ПОРЯДКОМ работы двиraтеля.
Ila Каждом из од действует :комплекс СИЛОВЫХ факторов, ВЫЗЫ
,а.IIОЩИХ ero веуравновешенпостъ (Р.1"1., п, /(" :J опр). . Величин а и нап
...
I ';IIIJlение их деиcrвия определяются положением PJCривоmипа .каж....
JII)I"O од односительно ero ВМТ.
( уммируясь по длине двиrателя, одноименныe силовые факторы
"--11 ,. ут ослаблять или усиливать неуравновеmивающее действие ДРуr
111'y."a. При ЭТОМ MorYT ВОЗНИIШуть продольные момеиты, урав..
"с IllСllIИВающиеси реакциями опор двиrателя..
33
в качестве примера рассмотрим уравновешенность ДВУХЦИЛИНД--
ровосо OДHopJJДHOCO двиrателя (i==2) с yrлом между кривошипами
1800 2P(b== 1800), схема которосо npиведена на рис. 2.2.
Здесь СШПd инерции nepBoro порядка, действующие на пер--
вом p.,"I()) == с cos qJ и втором условном од lj1(2) == С cos (ер 180°) ==
== CCOSlp. они ослабляют (в данном случае нейтрализуют) Heypaв
новешивающее действие друс друта, так :как 1:Р и ==О. Однако при
ЭТОМ возникает ПроДОЛЬНЫЙ момент "EМJ1== 1a=fiO, :который ypaB
новешивается реакциями опор. Соответственно силы инерЦИИ вто--
poro порядка:
РJП(l) == l.C COS ЧJ; 1jЦ1) == )"С cos 2 (ер + 180°) == )"С cos 2qJ,
"EJ'JD == ис cos 2ср =# о.
Orсюда следует, что силы -п в данном случае усиливают He
уравновешивающее действие дpyr ДPYl'a, но при этом не образуется
неуравповеmеввый продоль ....'! момент, так как "Е -п==о. Авало
rИЧНЫЙ анализ центробежных сил
инерции показывает, что к,(l) ==
== ), к,=:o И 1:М,==K,a O.
Та:ким образом, СИЛОВЫМИ фа:к
тора!rfИ, вызшающими HeypaBHOBe
шевность мд, являются:
ЦI
1JI(I)
о
о
};PJ], :E 1I; K,.; 'EM}I;
A r ( 1)
IM onp
JП; 1:М,; 1:М ОПР.
WJft
к,(2)
Отдельные силовые факторы, пе
речисленные ВЪШlе, не Moryт урав--
новеmивать дрyr дрyrа, так как име..,
ют либо различные линии действия,
либо различ :1. I закон изменения по
времени. Поэтому для уравновеmи..
нанки МД необходимо порознь ДО..
биваться вьmолвения следующих
--..
условии:
"ЕР}1 == о; 'EJ'j'Il:= о; I;A: == о;
М,
.,.
Рис. 2.2а К анализу СИЛОВЫХ фак.--
ТOpoB вызывающих иеура.виове--
шенность &fiIoro 11 I : , . оных ДВИ""
""
rателеи
1:11(11==0; щп==о; };М,==О;
Мопр===О.
34
Выполнения первых шести из НИХ ВОЗМОЖНО добиться двумя
(".IОСобами:
. выбором рациональной компоновочной схемы две (числа
....
I И yrna развала осеи ЦШ1индров )1, yrла между кривошипами
колевчатоrо вала д);
. использованием специальных уравновешивающих механиз",
МОВ.
В наcrоящее время не существует механизмов, уравновешива--
IОIЦИХ 1:Мonp, поэтому, Korдa речь идет о <<ПОJПIОСТЪЮ ypaвHoвemeH
'IC)M двшателе», имеется в виду ero уравновешенность по суммар--
III..IM силам инерции и их моментам.
2.2. принциIlыI ур АВНОВЕПlИВАНИЯ
I {ЕнтроБЕжных сил ИНЕРЦИИ И их МОМЕНТОВ
(УРАВНОВЕШИВАНИЕ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ)
Комплекс ICовcrРУКТОРСJ(о технолоrических мероприятий, нап--
1\ 'I'Jlенных на вьmолвение условИЙ 1:К,==О и 1:М, == О, вазъmаетс-я
"1)JIIIllовешиванвем валОВ.
Ilьшолнение условия ,==o называют статическим уравНО8еши
"""'l.eM так как преДПОСЫЛICОИ ero вьmОJШения является нахождение
"C:III-pa масс (ЦМ) вала на оси ero вращения; при этом сумма
," I а [ических моментов масс те относительно нее (рис. 2.3, а) должна
1".111. равна нуто:
,
j. К,(1)
I
J
m l
r
К Т (1)
(о
а
I
I
J rn
R A
б
Рис. 2аЗ. К.:. I зу условий уравновешен..ос I и KOJICIIII'I".JX nSJIC )II
а c-raтич ес.к:ой; 6 . . ДRn8МI1''n ..,1
"
I:A:,. == 1(,.(1) + К,(2) == М J:r(1)W 2 + м &:I(2)(JJ2 == m,rro2 + т, ( r)cif == о.
Orсюда следует, ЧТО I:к,==о при I:Mcт==O.
Контроль вьшолнения этоrо условия осуществляется в статике
при медленном ПрОБорачивании вала на призмах с проверlCОИ вали--
чия «безразличноrо» равновесия во всех возможных ero положеви..
ях. Выполнение I:M,==O являетс-я условием динамическоzо уравнове..
шивйния, так как проявляется только при вращении вала и оценив а..
ется по уровню вибрации ero опор (рис. 2.3, 6). Здесь I:M, == КА
уравновешивается моментом, ВОЗНИlCающим на опорах: Mon==Ronb
и R оп == К,а/ Ь.
На npaЖТИlCе вьшолнение условия 'ЕК,==О доcтиrается установкой
противовесов на продолжении щек коленчатоrо вала. На рис. 2.4, а
проИJШюстрирован принцип подбора параметров противовесов для
уравновешивания I:K, на примере однокопенноrо вала.
Условие уравновешивания: J(,.==2Кпр, ["де КПР==МI:f.ЩJw 2 , к,==mтrro'J
и MI:f.Dp == O,5m,r.
Системы противовесов на продолжении щек используются так--
же для динамическоrо уравновешивания .к:оленчатоrо вала. На рис.
2.4, б на примере плос:коrо двух:коленноrо вала продемонстрирован
ПрИ111tип уравновешивания I:M,. Противовесы на продолжении
краЙIIИХ щек создают пару сил кщ, == М (:f:щIfJ2 == тнрРпpW2, которая
оа ШJсче Ь формирует момент Мур== Кnpb, уравновешивающий M,==
K,a::т,rw 2 a.
к,
K'(l)
тир
Кир
K r (2)
Кир
КИР
б
а
Рис. 2.4.. Пр :a III. ураВRQвешив8.НИЯ коленчатых валов:
а craтичесх оrо; 6 дивамическ:оrо
36
Отсюда следует, что динамическое уравновешивание будет
иметь место при Мr:r_пр ==т" (а/Ь).
При выборе количества и расположения противовесов для уран--
новешивания вала необходимо отдавать предпочтение тем вариан
raM, которые обеспечивают:
одновременное вьшолнение обоих условий уравновешивания
(!: == О, "'EM r == О);
.... .., ...
минимальныи СУl.Шарныи статическии момент всех противо--
.IeCOB.
Примеры неоптималъных с этих ПОЗИЦИЙ систем размещения
11 ротивовесов приведены на рис. 2.5.
Вариант уравновешивания ОДНОlCолевноrо вала, предcrавленный
Ila рис. 2.5, а, не оптимален по сравнению с вариантом рис. 2.4, й,
laK как здесь при Мr:rJф==т,r и :ЕК,==О появляется неуравновешен
111.lЙ продольный момент "'EM r == к,.с. Также не рациональна схема
уравновешивания плоскоrо двухколенноrо вала, приведенная на
рис. 2.5, б, так 1C3.IC в этом случае по сравнению с вариантом рис.
.'.4.. б для вьшолвевия условий "'Ек,== О, "'EM, О требуются проти
IloueCbl С большим crатическим моментом М::Т.np т,.r(аIЬ,) (М::Т.пр>
.. Мrл_пр, так К3JC Ь' <Ь). _
в мноrоцилиндровых двиrателях возможны конструкции колен--
'I.i .-ых валов, дли IcoTopых условии их полноrо уравновешивания
III.IIIОЛНЯЮТСJI автоматически без установlCИ противовесов. Такие
IljtJlbl называются самоуравновешенны.мu.
::>Тим свойством обладают, например, плоский четыреXICолен
III,.Й вал (рис. 2.6, а), а также пространственный mести:коленный вал
, УI"ЛОМ между кривошипами 1200 (рис. 2.6, 6).
к,
(1)
тпр
Рпр
1J$
К, (2)
Ь'
а
б
18н," 2.5. Примеры неоп1имaJIьвыx сиcrем уравновешивании коленчатых валов:
а ста IИЧесх оro; 6 II I: I . есхото
37
K r (4)
к,(l)
\
\
\
\
\
\
\
\
\ ,
,
, О
\ ,
\ ,
/
К, (2)
а
6
ffP
\
3 "
\
\
\
\
\
\
\
\
,
\
\
1,6
' '" ""'-'-,120 О
, ,
I I
2, 5 ' ........' 3 ,4
1200
б
Рис. 2.6. Самоуравновешенвые коленчатые валы:
ый ... 6 .. ..
lJ четырепо ле Н I1 пло ск: ии ; m lDJ(олеЯRЬ1И пространств е" ныи С yrлом Мскду' ИРИ80 Пrи ..
пами 120 О
Для конструкцИЙ само уравновешенных валов характерно:
четное ЧИСЛО кривошипов (больше ИЛИ равно четырем);
"
плоскость, npоходящая через rеометричеCICИИ центр вала перпен--
...
ДИКУЛЯрНО ero продольвои ОСИ, является ШIоскостью зеркальна и
симметрии.
Ila Ilрактике противовесы используются и в конcrрукциях само--
YP:1IJIIOneIIIeHHЫX валОВ. В этом случае их назначение разzрузка
K'Jpr""blX подшunнuков от действия центробежных сил инерции
и K()IIC rрукции вала от действия изrибающих моментов.
O,5K r (4)
О,5К'(4)
O,5K r (l) K r (2)
O,5K r (l)
Рис. 2.7_ Схема нarpуж:еНИJI lCореН-
выx опор в самоураВRQвешенном четы..
рехколенном плоском коленчатом вале
Mr(2 4)
К, (4)
MT(1 2)
о,5К r (з)
38
,,-
('
МnP(3 4)
КИР
МIф(1 2r
Рис. 2.8. Размещение противовесов ДЛJI
разrрузIИ хореlпlых опор в самоурав..
новешенном четырехи:оленном плос..
КОМ коленчатом вале
I'He. 2.9.. Размещение противовесов в .:ои..
с rрущии ч:етыреXIолеиноrо ШIоси:оrо ко..
Jlенчатоrо вала, обеспечивающее ero нан--
Jlyчmую ввyrpeвиюю И внешнюю уравно"
вешенность
Принцип использования противовесов в самоуравновешенных
Ilалах рассмотрев на рис. 2.1 на примере ППОClCоrо четыреполев..
Iloro вала.
Из приведенной схемы следует, что силы К" действующие на
кривошипах, вarружают опоры вала: l--ю опору силой O,5K r ; 3..ю
()IIOpy силой к,; 5--ю опору силой О,5К,.
ДЛЯ их разrpузки может быть использована система противове
СОВ, пожазаниая на рис.. 2.8.
Здесь при статичecICОМ моменте противовесов Mcr:_np == 0,5т,r,
к,. == о и I:,M, == О, а силы, нarpужающие опоры с t..й по 5..ю, равны
IIУЛЮ. Однако при этом момент от пары сил К,, действующих на
I M И 2"м :кривоmипах, М,) 2, уравнове 11 1: аясь парой центробе :1..
сил 1..ю и 2"1"0 противовесов М пр(1 2 нarpyжaет :констру:кцию вала
И'1mбающими напряжен ., I (все сказанное выше в равной мере
справедливо и для 3..ro, и 4-со кривошипов).
для уcrpанения данноrо недостатка в некоторых двиrателях
..римев.яется система противовесов, приведенная на рис. 2.9.
В ЭТОМ случае Kr уравнове 11 1: ается непосредственно на жриво
Illиnе, что позволяет при полностью уравновешенном вале (1:к,==о;
M,==O) и полностью разrpужевных опорах в значительной мере
разrрузить есо lCонcrрукцию от дейcrвия изrибающих моментов.
()днако при ЭТОМ суммарнЫЙ статичес ' I'! момент противовесов
увеличивается в 2 раза.
2.3. ПР I ур АВНОРЕШИВАНИЯ
'1
проcfрАнствЕIпIыIx колЕнчАтыIx ВАЛОВ
Валы, кривошипы которых расположены в несlCОЛЪПIX ПЛОClCО..
с rях, носят название пространетвенных.
Рассмотрим принцип их уравновешивания на примере трехко..
Ilснноrо вала с ICривошиnами, расположен: 1. I I В трех ПЛОClCОСТИХ
IIОД УI"ЛОМ 45== 120°. Схема есо приведена на рис. 2.10, а.
39
К пр
12.0 "
1200
б
K r ()
IM r
Мr(З)
Плоскость действия IM r
а
Mr(l)
3
в
Рис. 2.10. К анализу уравновешенности трехколевиоrо пространственвоrо колен..
чатоrо вала с yrлом между криво I I - И 120 О :
IJ схема вarpуж е ЯИII ; 6 ВСПОрИ8JI диarpамм8 цc1Iтpoб е.-.I:Iы x сил; " ВeIТОрИa.l дн. ,: . а
момента :цсвтроб е"-Нbl Х сил
Результирующая центробежных сил в данном случае определя..
с ..си ВCK.1 opHЫM суммированием сил к" действующих на отдельных
КРИНО111ИПах, И, как видно из рис. 2.10, б, равна нулю:
..... ........ ...... ......
K, == Kr(l) + Kr(2) + Kt(3) == о.
...... ....... ........
Момент этих сил относительно точки о: 1:M,==Mr(l)+Mt(3). Mo
дули слarаемых моментов сил к,., дейcrвующих в ШIОСICОСТJIX l..ro
и З rо кривошипов, 1 1)1 == l з)1 ==K,a==т,rro 2 a. Векторное суммиро
ванне этих моментов представлено на рис. 2.10, 8. Отсюда следует,
....
что модуль cyммapBoro момента, определенныи по теореме косину--
СОВ из зamтрИХОВ3НБоrо треyrольппа,
11:м,1 == .J"( ]{,a ) 2 + (К",а)2 2 (к,а)'" cos 1200 ==
==.J3](,a == щrro 2 а.
Уrол epl, определяющИЙ ПЛОСКОСТЬ ero действия относительно
ПЛОСКОСТИ )...то хривошиnа, равен 300. Уравн.овесить ЭТОТ момент
40
Рис.. 211. Размещение противовесов
11 треXICоленвом проcrpaвcrвенвом KO
.Iенчатом вале, обеспечивающее ero
IIОЛную внешнюю и наилучшую BHYТ
реннюю уравновешенность
можно, создав в плоскости есо действия Мур== 1:Mr; IM yp l==I1:ЬLI==
КщЬ==../3т,rro 2 а. для этоrо, JCaК ПОlC3Зано на рис. 2.10, а, в плос
К()СТИ действия M, на продолжении Kpa I:I t' щек устанавливаются
Ilrотивовеcъr со статическим моментом M&;I_np==..j3m,r(a/b). Возника
IОlцая при этом на плече Ь пара сил КПР==М&;I.пр(JJ2==тпp/Jпрro 2 создает
Ilt"обхоДИМЫЙ для уравновешивания момент Мур.
Этот вариант размещения противовесов обеспечивает полную
'-i ....
VI}сI.Dновешенност вала при минималънои СУМldарнои материалоем--
костИ противовесов Mcт.np---+min). Однако при этом все коренные
"II()Pbl наrружаются центробежными силами,- а КОНСТРУIЩИЯ вала
11 ,."ибающими моментами.
РадикальНЫЙ способ их разrрузки при сохранении полной ypaB
11()ltсшенности вала размещение противовесов на продолжении
11( сх еео щек, как это показано на рис. 211, по при этом М3J(сималъ
11t) IJозрастает материалоемкость конструкции (1:М ст ..пр---+ шах).
Ila практике часто используются комбинации этих двух схем,
-11 () IIозволяет частично разrрузить опоры и lCонструкцию вала при
IIРОМежуточном значении Мr:r.пр.
2.4. ПР I УРАВНОВЕШИВАНИЯ сил
ИНЕРЦИИ МАСС, движущихея
ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЪНО
Идея КОНСТРУКЦИИ механизма дли ураLвовеmивания сил инерции
Ilrl'll()I"O Р}1 И второсо PJn порядков базируется на возможности
1lllCД<.,iавлевия их в виде rеометрическl.:И суммы вращающихея
.. 11(10ТИВОПОЛОЖНЫХ направлениях центробежных сил. На рис.
.. 12. а сила Рд представлена как результат сложения вектора с MO
J( V IICM (О,5С+), вращающсroся с yrловой скоростью + ю, и вектора
CII. ,С' ), имеющеrо yrnовую частоту .....ClJ. Здесь же приведев меха..
1111 1М уравновешивания силы PJ1, СОСТОЯЩИЙ из противовесов со
I 1111 ическим моментом Мет_пр. == т-щ,.Рпрl, которые размещены на двух
41
I
.
Ijl == с COSfP
,,'.',
. " " I
t....,. '---t
тор.
а
I
.
.
16
Рис. 2.12. Пр : 11 t . ура.вио:. 111 .; 8.IDII СИJI инерции масс, совершuoIЦIIX возвратно--
поступательное движение:
IJ ocpBOro оорадка; 6 aтoporo пор-цка
валах, вращающихея с уrловой частотой :l::coa Возникающие при
этом центробежвыe силы J(..pl + И Кщ,1 вращаются синхронно
с уравновешиваемыми ими силами О,5С+ И O,5C a Условие урав..
новешив8.ВIIJI Кирl ==тпр1РПРlw 2 == О,5С == O,5п1j тоо 2 выполняетСЯ при
MCТ.llpI == О,5т,.
На рис. 2.12, 6 показан аналоm -.:...'! механизм урарвовеmивания
силы "П.а Здесь PJJI reoметрическзя сумма сил О,5АС+ и O,51C ,
вращающихея соответственно с yrловыми ClCоростими + 2й) и ш.
каждая ИЗ них уравновemиваетсJI центробеж :1.' . силами .к;:,2 и
42
К;а, которые образуются при вращении с yrловьrми частотами + 2т
.rротИБОВесов, имеющих М r:J:.пр2 == 2Рпр2, на двух дополнитель..
11ЫX валах. Условие уравновешивания Кпр2 == 1пnp2fJ 2m)2 == О,5лС ==
=: O,5hп;w2 ВЫnОЛШIется при М .пр2 == 1пup2Pпр2::::: 1 J 8hпj r.
2.5. 3 ур АВНОВЕШЕIПIОcrи И
УРАВНОВEПlИВAIШE двиrАТFЛЕй С линЕйным
РАСПОЛОЖЕНИЕМ ЦИЛИНДРОВ
2.5.1. одно
РОНЫЙ ДВИI' АТЕЛЬ
Одноцилиндровый двиrателъ имеет одноколеННЫЙ :вал, уравно-
.'сшивание IC.OTOpOro рассмотрено в разд. 2.3.
Уравновешивание сил инерции lj.... и Р Jп реализуется с помощью
механизма Ланчестера, построевноrо на базе рассмотренных выше
1I ринципов их уравновешивания.
Ero основу составляют (рис. 2.13):
I
I
I
q>
ro
2ы
+2(0
2<р
Рис. 2.13. Схема механизма Ланчecrера
43
Рис. 2.14. Привцип перевоса ча..
crи силы инерции nepBoro по..
pJIДКa в WIОСХОСТЬ, перпевдику...
Шlpную оси цилиндра
. два вала, вращающиеся с уrлоны--
ми СКОрОСТЯМИ :1: 00, и установленные
на НИХ противовесы со crатическим мо--
ментом М r:r
прl == О,5т.; r; они уравнове..
uшвают силу инерции Рл;
. два вала, вращающиеся с yrЛОВЫ--
ми частот8.l\.1И :f: 2m, и установленные
на НИХ противовесы со статическим мо--
ментом М ш
пр2 == 1/8
r; ОНИ уравнове--
шивают силу инерции P.iп.
Вследствие rромозДI<ОСТИ и :канет..
руктиввой сложности механизм Ланче..
стера прахтичесlCИ не используется
в транспортных двиrателях и примен.я--
ется ЛИШЬ в специальных стационар"
ных установках, предназначенных для
проведения исследовательсlCИХ работ.
В больпшнстве транспортных и
ПрОМЬПШIенных одно I
.,1. Jpoeыx две
для облеrчения работы упрyrих эле
ментов подвески используется их разr
РУЗlCа за счет перевоса чаcrи СИЛЫ !jl
В ПЛОСКОСТЬ, перпендикулярную оси ци...
линдра. _
Для этоrо на противовесы вала уcrанавливается дополнительная
масса Aтu p , как это показано на РИС. 2.14. При вращении кривошипа
с yr повой частотой (J) возникает сила А/(пр == Am,JJпр(JJ2. Ее npoeкция
lIa ось цилиндра АК,,== АКпр cos ЧJ. Эта сила может уравновесИТЬ
час.'ь силы PjI == с cos ЧJ. Необходимые для этоrо конcrруктивныe
lIараметры противовеса определяются из равенства ЛК,,== APj1.
Здесь А == 0...1 часть силы P J], подлежащая уравновешиванию.
Отсюда при Мcr.пр==Атjr вдоль оси цилиндра действует сила Р Е ==
==lj'1
AK,,==(l
A)PJ1. Однако при этом в перпеНДИICYЛЯрНОМ нап
равлевии возникает сила АК у == АКпр sin qJ == м ш.npC1J2 sin qJ == А С sin ЧJ.
I
I
I
!jI
\
\
I
I
/'/' /00
2.5.2. дв
РОВЬIЕ ДВШАТEJllI
Двухцилиндровые двиrатели ВЬШОПНЯIOТСЯ по двум ICOhcrpyk--
тинным схемам:
с yrлом между кривошипами 180°
2Р (
== 180°);
с yrлом между кривошипами З600
2Р (Ь==З600).
Двнraтeт. 2Р (
== 1800). КовcrpУКТИВНая схема и анализ ypaB
новешенности данвоrо двиrателя приведены в разд. 2.1.2. Неурав--
новешенными в двиrателе являются: .
44
expert22 для http://rutracker.org
. суммарный момент центробе :1..' сил r==m,rwZa;
. суммарная сила инерции 2 co порядка 1:ljn==UCcos 2tp;
. суммарный момент сил инерции 1 ro порядка 'ЕЦ.. ==
Са cos tp.
Уравновешивание 1:М, для плоскоrо двухкопенноrо вала, не..
1I0льзуемоrо в 2р (д== 1800), рассмотрено в разд. 2.3.
Неураввовешенность по 1:Рj'П сравнительно певеЛИICа, и этот
СИЛОВОЙ фактор в большинстве КОНСТРУIЩИЙ оставляют неуравнове..
IIIcIIным:.
Наиболее существенно на уравновешенноcrь двиrателя из пере--
Ilисленных СИЛОВЫХ факторов влияет суммарный момент сил инер--
I{ИИ 1 ro порядка MJ1 == Са cos ф. Для ао уравновешивания может
"
() 1.1 rb использован специальныи механизм, схема ICOToporo приведе..
11.1. на рис. 2.15, а. КонстрYIЩИЯ уравновеmивающесо механизма
.1 "lIачительной мере определяется тем обстоятелъством, что ЕМ. д
II( изменяет ПЛОСКОСТЬ cвoero действия; он всеzда находитс.я в плос...
"'" "
Ik ()сrи осев цилиндров, как ЭТО показано на силовои схеме механиз--
MJI (рис. 2.15, 6). Противовесы на дополнительных валах (их уrловые
(К()f>ОСТИ +ro н ro) создают на ШIече Ь пары сил, формирующие
I\IC)MeHTbl:
М + ..... K + ".......... М 2 Ь 2 Ь .
ур ..... пр'" ...... r::r пр(JJ ........ тпр.р пр со ,
M == К;Ь == М cr.щI1J 2 Ь == 1ппррпр(JJ2Ь,
II(-K [оры .которых перпендикул.ярвы плоскостям расположения про...
1IIIIOOecOB. ПроеlЩИИ этих моментов на оси х и у равны соответст..
.IC.IIIIO
м+ ==K+ b cos п. М+ ==K+ b sin п.
у пр ..".. , х пр .." ,
м; == Q cos ( tp); м; ==к;ь sin ( qJ).
Таким образом м: ==м; и '1:.Му==2Мcr.пр(JJZЬСОSqJ, в то время ICU
'1,' == .....а м; И ЕМ х == о.
у словне уравновешивания '1:.MJ1' ICaIC это следует из силовой
I Jt("МЫ, '1:.Цl=='1:.М у , что имеет место при Мcr_ор== l/ jr(alb).
Конструкция механизма может быть существенно упрощена,
I I IIИ 8 качестве одвоrо из валов, а ИМ НО вала, вращающеrося
I уlЛОВОЙ скоростью +m, использовать коленчатый вал (рис.
! I ",. в).
К ак существенНЫЙ недостаток двиrателя 2Р ( == 180°) следует
,t I IСТИТЬ, что четырехтактные две при такой компоновке криво...
IIIIIII()B имеют неравномерное чередование рабочих ходов соответст--
I'''IIII() через 180 и 5400 поворота коленчатоrо вала.
45
tq>
к:.,
J
r
K ---.р I
пр
""
а
кщ,
....ф
t
I
/+00
I
I
М.....
ур
'(о
б
,
+<0 I
,
\
в
...
Рис. 2.1Sa Уравновешивание двухци I : J .OBoro pJJДRoro двиrателя с yrлом между
Iфивошипами 1800:
о............. привцип ураIlВО &еJIIИВани. мом евта сил инерции первоrо ПОРJIДJ:а; 6 BCXТOpВ8JI II , .. ..
ма формиро ваМЦ8 ура.вво ве 1пи вающerо моме нта; а схема механизма ураввовеШИВ J\ВИ1I МО"
мента сил ИВcpцIIИ первоro ПОРJlДЖа с ОДВИМ: ДОПО :1 ' I QblМ ВалОМ
Двиraтель 2р (lJ==360 0 ). Компоновочная схема двисателя приве
дева на рис. 2.16, а. Практическа.я целесообразность есо в значителъ--
IIОЙ мере определяетСJl возможностью обеспечения paвHOMepHoro
чередования рабочих ходов (через 3600 поворота коленчатоrо вала)
в четырехтактных двс.
По ураввовеmенноcrи данный двиrатель эквивалентен двиrа..
телю ОДБоцилиндровому, имеющему удвоенные массы ПОДВИЖНЫХ
)лемевтов. В соответствии с ЭТИМ силовые факторы, определяющие
Cf"O уравиоиеmенноcrь:
1: I == 2 1 == 2С cos qJ; 1:PjJI == 2 Тl == 2АС cos 2ф;
1:K,==2/(,==Un,rro 2 ; Щl==О; Щп==О; 1:М,==О.
На рис. 2.16, б приведена схема уравновешивания ЕМ,., соrлаСDО
'"
котаров на продолжении щек размещаются противовесы со стати..
"'IССICИМ моментом M cr .up==1/ 2т ,r.
Неуравновеmевность, вызываемая силой 1: 1I, относительно ве-
I'СЛИICа, и данный силовой фактор в больmинcrве констру:кций ДВС
()Liавляют неуравновеmенным.
Обязательному уравновешиваншо в двиrателях 2Р (ь == 3600) под
IIсрrается наиболее знаЧИМЫЙ из веуравновешенных силовых фак
I оров I; 1 == 2С cos qJ. На праICТIIICе эта задача может быть решена
JtllУМЯ способами:
1) использованием части механизма Ланчестера, предназначен...
II()И для уравновешивания силы инерции первосо ПОрJJДКа, приняв
....
,.. ."атичесхии момент противовесов на дополнительных валах, рав"
IIIdM Mr:r.пpl ==1пjT;
2) применевием уравновеmивающеrо механизма с двумя ДОПОЛ"
Ilи еnьными валами, вращающимиси в одном направлении с УZАовой
.,
'/IIC-тОтОи ....... m и дополнителъвыми противовесами на коленчатом
.....лу.
Схема такосо механизма приведена на рис. 2.16, В. Здесь сила
1:PJ1==2PjI замещена эквивалентной ей reометричесжой суммой двух
{"ИЛ с модулем С, одна из которых (с+) вращается с УI'ЛОВОЙ
коростью +ю (синхронно с ICpивошипом), а дрyrая (C ) с yr
"" ..,..
II()НОИ частотон ......... (J).
Для уравновешивания силы с+ масса противовесов на lCолен
'1.1."OM валу увеличивается совокупно на величину Aтuт", в результате
,.t....o воЗВИIC3.ет центробежная сила K == Атпррnpro 2 . Условие ypaв
1I0ltСmивания ==C==т"(JJ2 выполняется при !!тпр==тjr/рпр.
Сила C уравновешивается равнодействующей 2к; двух цент..
I'обежных сил к;, возникающих от вращения противо:весов на двух
I(()IIоJшительныx валах, вращающихся с уrловой частотой ........ йJ (сив--
kl}OHHO С уравновешиваемой силой). Оси вращения валов
47
Kr
К,
т пр
К пр
т пр
К пр
а
б
М опр I
,
2lj(
...",
;' "" с .....
/ '
I '
I \
,
\
\
\.
............... --
"
'"
"- ......
.-. .....,
С +" "
" "-
/ ,
I \
,
а
· кл
,
"'
т пр
I
.
м
в
М опр . ......l....oro цилиндра
<р
М пр
М ,
" ,
IМ опр
,.....
" "
\
, ер
"
......
М
М ОПР . рез. ==(! оп М лр )
.".
z
Рис. 2..16. Уравновешивание двухци I : 1.IOBoro РЯJtНоrо двиrатеЛJI с yrлом между
кривошипами 3600: .
а схема двиrатeJU; 6 ураввовсmив "я-и е J[ОЛС!f1l8.ТОro вала; IJ мех ани зм ур8вво ве п tиваии.
суммарной CИJIЬ1 иверции псрвоro ПОРJIJUа; 2. дн. . . 1. моментов, ура.вВО8 C1VUв аем:ых реэж...
I' "I опор ДВИf атели
с противовесами смещены относительно ОСИ коленчатоrо вала на
Ilеличину а в направлении ВМТ.
У славие уравновешивании 2К; == С == »Ij тro 2 выполняется при
Мст-пр== 1/ 2mjr .
При этом за счет смещения осей вращения lCоленчатоrо вала
и допоJIвительпых валов возникает момент М bj) == с (А О.) == Са sin qJ,
который взаимодейcrвует с МОПР' как это показано па рис. 2.16, z.
11 результате результирующий момент Мопр.рr:з==:'Моnp Мпр, пере--
....
)\аваемыи на опоры, имеет меньшую неравномерность, чем момент
опроющывающий. Это позволяет улучшить уравновешенность дви
I ателя по ОПРОЮlдывающему моменту.
Величина смещения осей коленчатоrо и дополнительных валов а
определяется из условия обеспечения максимальноrо эффекта Bыpa
IllIивавия М опр на наиболее характерном эксплуатационном режи
ме работы двиrателя (обычно это режим номинальной мощности).
у читывая то обстоиrелъство, что Мопр (t) периодическая функция
с периодом для четырехтаICТВоrо двиraтеля Т==Фя/ro, он может быть
I)азложев в ряд Фурье:
tX)
Мопр(t)==Мср+ L Mltsin(krot+tp,J, rде k=::.l, 2, з. .
Ic=-l
Так как cp (JJt, то Mup==Casintp==Casinrot и может вейтрализо
.1.1. ть ОДИН из членов триrовометрическоrо полинома, а именно член
(: k 1. Это возможно при М 1 == Со, вследствие чеrо a==M1/C.
2.5.3. ТРЕ
РОВЬIЙ ДВШАТЕЛЪ
Двиrатель имеет треХlCолевНЫЙ пространстоенНЫЙ коленчатый
II lЛ, кривошипы KOToporo развернуты друс относительно дрyrа на
УI оп 120°. Схема ДВШ'ателя компоновки ЗР ([, == 120°) приведена на
I'HC. 2.17, а. К ero достоинcmам следует отнести возможность иметь
1'4tHHOMepHoe чередование рабочих ходов IC В четырех--, так и в
1I.IIYXTaICTHOM исполнении.
В четырехт8.ICТНОМ две при порядке раБОТt.J цилиндров 1 2
, 1 рабочие ходы чередуются через 240°, в двухтактном через
t 100 при работе цилиндров в порядке 1 3 2 1.
Анализ уравновешенности и уравновешивание lCолевчатоrо вала
1{llиrателя ЭР (д=.::: 120°) рассмотрены ранее в разд. 2.3.
Суммарная сила инерции nepBqro порядка равна (IУЛЮ:
1 == Pjl(l) + 1(2) + Pfl(]) == с cos tp +
+ С cos (ер + 120°) + с cos( ер + 2400) == о.
49
1]1 (1)
ljII(I)
1
о
о
l)11(2)
ljl(3}
VJIJ
WJ
,
,
I
I
J
,
\
З', 1200 /
.... T ....
"
, 1200
K
w
IЦI
....1
, I
I \
I
"" I
' I
")-' ,
J..
/
1500' ,
,
\
\
I
,
I \
\
I
... J
" "
,"
I
.
,
б
Рис. 2.17. Ураввове "1', .. ;, е трехци , I: I . . Boro РJIДИоrо двиrатеJUI с yrлом между
кривошипами 1200:
а ........... схема двиrа тeлs; 6 . мех авиз м уравВQВ С 11IИ В fklПla мом ента сил инерции первоro Dор.иджа
Суммарная сила инерции BToporo ПОрJIДlCа также равна нулю:
1: Р JП == П(I) + Р}Щ2) + П(3) ==
== 1,С cos 2f{J + лС cos 2 ( f{J + 120°) + лС cos 2 ( f{J + 240°) == о.
Суммарный момент сил инерции nepBoro порядка неуравнове...
шен; ero значение относительно точки о:
"E 1(O) == l(l)1.a + Р}l(2)а == Са [2 cos ер + cos (ер + 120°)] ==
== Са (1,5 cos ер 0,866 sin ер).
ЭrОТ момент действует Bcer да в плоскости осей цилиндров
и уравновесить ero можно, жак и в случае двиrателя 2Р (Ь== 180°),
системой противовесов на двух встречно вращающихея валах (од--
IIИМ ИЗ них может ЯВЛЯТЬСЯ коленчатый вал). Схема TalCoro механиз
ма приведена ва рис 2 17, б. Для определения началъвоrо yrлово"
I О положения противовесов относительно WIОСICОСТИ nepBoro КРЯ--
.,ошиna найдем экстремумы "ЕЦ1(О); Цl(О)ldер == Са ( 1,5 sin ер
0,866 cos ер) == о, опуда 1;Ц1maх == 1 ,732Са и имеет место при ({JI ==
1500 и СР2 == 3300. Эrо означает, что при повороте }..ro кривошипа
Ila yrол 1500 противовесы на обоих валах ДОЛЖНЫ находиться
"'"
.1 ПЛОСКОСТЯХ, параллельных ШIОСICОСТИ осеи цилиндров, как это
.... ...
Ilоказано на схеме, и создавать там максимальныи суммарныи
vравновешивающий момент 1;Myp==(M )+( Myp ). для этоrо проти"
11()OecLI должны располаrатъся в ШIОСICОСТЯХ ПОД уrлом f: 300 IC плос--
кости l--ro кривошипа. их статическИЙ момент определяется из
условия уравновешивания 1max == M + м;. Отсюда с учетом Toro,
'11"0 )M;I== I I ==J(..pЬ==Мr:r.прbro 2 ; Мr:r_пр==0,866тjr(а/Ь).
В двиrателе ЗР ( == 120°) неуравновешен также суммарный мо"
1\.1CHT сил инерции второсо порядка:
ЩlI(О) == РJпо)l.а + П(2)а == лСй [2 cos 2ЧJ + cos 2 (qJ + 120°)] ==
== лСа (1,5 cos 2ер + 0,866 тп 2ср ).
Он также действует в ПЛОСКОСТИ осей цилиндров и уравновесить
""
Itl О можно устанОВICОИ противовесов на двух дополнителъных на..
II.iX, вращающихся с yrловыми скоростями f:2ro. ВВИДУ несущест..
IIt"IIIIОСТИ неуравновеmивaIOЩero действия I;Цп и rpoМОЗДICОСТВ
I\lсханизма уравновешивания ero обычно оставляют неуравнове--
IIIcIIным.
51
2.5.4. ЧЕТЬIРЕ
ровый двиr АТЕЛЬ
четырехтаlcтвый четырехцилиндровый дввrатель имеет ПЛОСКИЙ
v ...
четырехколенныи коленчатыи вал с yrлами между кривошипа--
ми 1800, что позволяет иметь равномерное чередование рабочих
ХОДОВ через 1800 при двух возможных порядках работы ЦШIиндров:
1 3 4 2 1 или 1 2 4 3 1.
Схема двиraтеля с компоновкой 4Р ( == 180°) приведева на рис.
2.18. Ero коленчаТЫЙ вал удовлетворяет условиям самоуравнове--
mенно, СТИ поэтому СУМl\iарная сила инерции масс, совершающих
вращательное движение, EKr, так же как и момент этих см "ЕМ"
автоматически равны нуто.
В данном двиrателе уравновешены "ЕР}1 и 1:,М}1:
EJ'J1 == Т(I) + ljТ(2) + "I(3) + 1(4) ==
== Ccos ср+ Ccos(cp+ 180j+ Ccos(tp+ 1800)+Ccos q>==0;
'1:M J1 (0)==Pjl(l) "1,5а+ Pj1(2). О,5а+ Р}1(3) " 0,5а+ Pj1(4) "1,5а==О.
Суммарная же сила инерции BToporo пор.ядка здесь не уран--
новешена:
,.
1(4) 1I(4)
I{I)
ljII(I)
о
ljп (2) О
1]11(3)
t$
WP
114
1р
/
I
,
4
\
\
,
,
'......
Вид по А
.
Рис. 2.18. К анализу уравновешенности четырехцилиндровоrо pJJДНoro двиrате.ла
с плоским коленчатым валОМ
52
JlI == PJII(I) + Р JЩ 2) + Р JlI (Э) + РjЩ4) ==
== lС cos 2ср + lС cos 2( ер + 1800) + lС cos 2( ер + 1800) + АС cos 2ср ==
==41Ccos 2lp.
Однако в силу симметричности колевчатоrо вала суммарный
момент этих СRЛ уравновешен:
jП(О) == Р.iП(I). 1 ,5а + РiП(2) · О,5а + РjПQ) · 0,5а + PjJl(4) · 1 ,5а == о.
Таким образом, в двиrателе 4Р (Ь== 180°) пеураввовemен только
ОДИН силовой фактор п ==41С 2 cos f/J.
Так как по уравновешенности jn четыреХЦИЛИlIдровый двиrа
I ель подобен ОДНОЦИJШВДровому при тjэn == 4т.;, то и уравновесить
CI'Q ВОЗМОЖНО той чаcrъю механизма Ланчеcrера, :которая предназ--
lIачена для уравновешивания силы п, Т. е. двумя вращаЮЩИМИСJI
с yr повой частотой 1: 2т валами с установленными на НИХ проти",
11 О весами со статическим моментом M cr .up==4(1/ 81пjr l).
2.5.5.
УРАВНОВElПЕIШОСТИ И УРАВНОВЕШИВAIШE
доиr АТЕЛЯ SP (ь == 720)
Схема двиrател.и приведена на рис. 2.19, а. он имеет пятиколен...
III.JЙ вал С yrлом между кривошипами Ь== 720; схема вала ПОlCазана
1'3 рис. 2.19, б. Такой вал обеспечивает равномерное в четырехтахт..
II()M варианте чередование рабочих ХОДОВ с yrловым интервалом
);;:= 720° /; == 1440 при порядке работы цилиндров 1 2 4 5
, 1.
Рассмотрим уравновешенность J(оленчатоrо вала по центробеж.-
IIIAlM силам инерции.
Как следует из силовой схемы (рис. 2.20, а) и мноrоуrОЛЬНlfl(а
t'И1l /(,(1) (рис. 2.20, 6), суммарная сила инерции
.1
5..... .... ..... ...... ...... .......
L К,(,) == K,{I) + К'(2) + ) + K'(i + Kr{S) == о.
i...l
Для анализа момента центробежных CШI инерции М,(О paccMOT
IJIIM сумму ЭТИХ моментов относительно ТОЧКИ О на рис. 2.20, а:
s
...... .... ...... ..... ......
L М,(;) == [Мr(1) + M,( + [M r (2) + M'(4 .
i-I
53
1]1(5)
l}I ( J)
l)11(4)
1
1I(1) I1(2)
Ijll(З) 1]1(4)
ljll(5)
I
4,5
1], (3)
2 3
1]1(2)
А
0==72 ·
Рис. 2.19. Компоновочная схема I I I : I .OBoro pJlДНoro двиrатели
Модули моментов попарно равны:
IМцl)l:::::; IМц5)1 ==К,. 2a==m,rw 2 . 20;
IM r (2)1 == IMr(4)1 ::::f(,a==т,.rro2 a .
Некторы моментов MI'(I") направлены перпепдmcулярно ПЛOClCо
t,'ИМ их действия (плоскостям соответствующих i x кривошипов),
как ЭТО ПОICазано на рис. 2.21, а.
После сложения векторов моментов м,(1) и Mr{S) (рис. 2.21, б)
получим, ЧТО модуль cy apHoro момента
IMr(J.j)I== .Jiм RI) 2M 1)COS 720 == 1,17557M,(1)==2,35m,rcп 2 a
и веКТОР есо направлен под yrлом 540 1( плоскости, перпеНДИlCуляр--
ной l-мy кривошипу (рис. 2.21, 6).
Аналоrично, :как ПОlCазано на рис. 2.21, 8, модуль cyммapHoro
момента
IМr(2.4)1== .J2М 2М 2)СОS 1440== 1,902m,rт2 ;
есо ЛИВИJI действия находится ПОД yrлом 540 IC ПЛОСКОСТИ, перпен
дикулярnой ШIОСКОСТИ l..ro кривоmиnа.
54
Kr(l)
K'(l)
720
а
К'(2)
а
72 а
К'(3)
K r (5)
б
Рис. 2.20. Схема вa.rpуиешu: коленчатоrо вала цевтробе .4: 1. I С". :. инерции:
tJ ............ с:вло.... схема; 6 СИЛОВОЙ мвоroyro.пьви.:
Таким образом, векторы Mr(I.SJ и M r (2.4) имеют единую ливию
.... 1LI
Jtеиствия; суммар :1. I момент
5
LМцi) == 1м,,{I.S)1 IM r (2.4)1 ==O,449т,rro2 a
1
It вектор ero нахОДИТСJJ ПОД yrлом 540 I( ПЛОСКОСТИ, перпевДИICYЛ
IIОЙ l мy кривошипу (рис. 2.21, z и д). как следует из механихи, сам
момент действуer в ШIосх.оCfИ, перпеНДИlCУЛЯрНОЙ есо вежтору (см.
рис. 2.21, д), т. е. в плоаocrи ПОД уrлом 540 I( оси l ro кривошипа.
()II может быть уравновешен моментом Мур==Кпph, создаваемым
II lроЙ центробежных сил кпр ==пlupp-вpй:l' противовесов, расположен
.... ....
III.IX на ((раиних щеках вала в ШIОСlCОСТИ деИС1'ВIIJI момента.
Условие уравновешивания: IМлJ == rм,<J Отсюда может быть
1 ,
.)IJределев необходимый для этосо статичесICИЙ момент npoтивове
('08 Мcr,пр==т.ч,Рnp==О,4491пrт(а/Ь).
Рассмотрим далее уравновешенность двиrателя по силам ииер-
.,ии масс, ДВИЖУЩИХСЯ 80звраТRо--поcrупатеЛЬRО, и по моментам
J I их сил:
ss
18" !Jr(5)
Mr(l)
Mr(I 5)
а
М,( 1,5)
I
I
б
M r (4)
I M r {2,4)
в
2
.
I M r (2.4)
5
Mr(i)
1==1
Плоскость
момента
IM,
I
J
д
Рис 2.21. Диarpамм:а формировании суммариоrо момеиrа цевтробе.иых сил
иверции:
а ............. веПОРВ3JI ДJJ: 1. I . MOM CSТO B, дейcrвующих на отдел ьвых жривО l(JИпа 6 вскторва..
диarpaмма cyммapBoro момента на 1 M И 5"м кривошипах; а B I1)p BU 11 .: I " сум..
марноro мом ента на 2....М И 4-м IpИВO Wип ах; z веи:торваа lXИarpaмм:а cyммapBoro MOM eв1 a всех
центра. '.:I Х сил вала; д схема фОрмироВ ЯlJВ- ураввове JIIJ1В 8ЮЩСro момента
540
5
I(i)
, ::::: 1
540
oof/
тпр
А "
'
J' п
,
....... \
/' ', ro
r ,
Р пр \
1'т пр
Вид по А
Рис. 2.22. КОRстрyrrиВВ8Jl схема механизма уравиовешиваllИJl суммарвосо момента
сил инерции nepBoro порядха. ·
5
1) L I(') == PJI(I) + P J 1(2) + Pjl(3) + РД(4) + pJl(S) == с [cos ер + cos (ср + 216°) +
1
+COS(tp+ 1440)+сos (l/J+ 72°) + cos (ЧJ +288°)]== о;
s
2) L Р}П(i) == РjП(J) + Р}П(2) + Р Jп (з) + Р}П(4) + Р}П(S) ==)..С [cos 2ЧJ +
i-I
+cos2(QJ+216°)+cos2(rp+ 144°) + cos 2 (ер + 72°)+cos2(tp+288°)]==
==0;
3) суммар :1. I момент сил инерции nepBoro порядка относи--
телъно точки О.:
5
L 1(O == Ц1(J) + ц,1(2) + Ц1(3) + Ц1(4) + Ц1(5) ==
;=-1
т пр (2)
Рпр(2)
I
т пр (2)
..... " Рnр(2)
\
\
I
+2(0
1,/
,
Рпр(2)
./
+2<0 /;"... ,
I II ,
r L ,
РnР(2) "
,
" ",,/
""""
(J)
А .
/ \ " 2(O
/ . \
) ' \
r , · J
\ РПР(2)
, /
" /
.......
т ПР (2)
18°
Вид по А
...180
I
I'ис 2.23. КОИС1рУJ:rввна.к схема механизма ураll80ВeJIIИваНИJI суммариоrо момента
сил инерции BToporo nopJIДIa
57
==4alj1:(I) + 3 1(2) + 2a 1(3) + a l(4) + о ==4аС COS qJ +
+ ЗаС cos (ер + 2160) + 2аС cos (ер + 144 j + аС cos (ЧJ + 720) + О ==
== аС (0,2639 cos ер...... 0,36327 sin ер ) == О,449аС cos (ер + 540).
Этот момент действует в ШIОСICОСТИ осей цилиндров И имеет
экстремальные значения :1: О,449аС при (jJ == 3060 и ер == 1260.
Схема мехаШlзма ero уравновешивания приведена на рис.
2.22. Статический момент противовесов на продолжеlПlИ край..
них щек коленчатоrо вала и на дополнительном валу М П1J s:r==
==O;l.245C(a/b)/ro 2 ==O,2245mj т(а/Ь);
4) суммарНЫЙ момент сил инерции BToporo поряща относитель..
НО точки О):
5
L -ЩiJ == Ц"П(I) + М jП(2) + Цu(з) + М JП (4) + ЦП(S) ==
i-l
== 4а1jП(1) + За П(2) + 2а П(Э) + a Т1(4) + 0==
==4алС cos 2ЧJ + ЗалС cos 2( qJ + 2160) + 2аlС cos 2( qJ + 1440) +
+ алС cos 2( ({J + 120) + 0== аАС [4, 736 cos 2tp 1,5388 sin щ] ==
== 4,9797 алС cos (2ср + 18°).
..
Этот момент всеrда дейcrвует в ПЛOClCОСТИ осей ЦИJШвдров
и имеет экстремальные зваче :I ' t:..4,9797alC при qJ== 81, 171, 261
и 3510.
IIРИllЦИПИальво ero можно уравновесить системой двух валов
с противовесами, вращаюЩИМИСJI с yrловыми частотами :1:200 (рис.
2.23). СтатичесПIЙ момент противовесов на дополнителъных, вра..
II{аЮЩИХСJl навстречу друс друсу валL"t
Мпр.сл(2) == 2,48985лС (aJb )/4m 2 == O,6224625hп, (а/ Ь).
2.5.6.1ПE
РОВЬIЙ ДВШАТЕЛЬ
ШестициливдровЬ1Й четырехт8.lcтный лине!. :1. Й двиrатель (рис.
2.24) имеет пpocrpанствеввый mecтИlCолен :1. I вал с yrлом между
ICpивоmипамв 1200, что обеспечивает равномерное чередование ра..
бочих ХОДОВ с yrловым: интервалом 1200 при четырех возможных
порЯДl[.ах работы. Наиболее востребованными из них JIВЛЯЮТСЯ:
I 5 3 6 2 4 1; 1 4 2 б 3 5 1.
КоленчатЫЙ вал самоуравновешев и 1:1(,.==0; :ЕМ,==О.
. ,
Силы инерции nepBoro и BToporo ПОрJIДICОВ, так же как и центро--
бе '. :.. е СИПЫ, ураввовешевы и ве создают неуравновеше :.:.. ' мо-
ментов:
S8
Pjl == Jj"I(I) + JjI(2) + 1(3) + 1(4) + 1(5J + 1(6) ==
== с cos ер + С COS (qJ + 240°) + с COS (ЧJ + 120°) + С COS (qJ + 1200) +
+ с cos (ер + 2400) + С cos ер == о;
};Р.1 П == Р.1 П (I) + P.iD(2) + ljп(3) + РJЩ4) + Р}щS) + П(6) ==
==;.с cos 2ср + lС cos 2( qJ + 2400) +).С cos 2( qJ + 120°) +
+ АС cos 2( q> + 2400) + lС cos 2( q> + 120°) + лС · 2 cos q> == о;
"EMiI(O) == lj1(l) · 2,5а + lj1(2) · 1 ,5а + PJ1(3) · 0,5а + 1'.11(4) · 0,5а +
+ lj1(S) · 1 ,5а + 1'il(6) · 2,5а == о;
Щ"П(О) == 1'jП(l) · 2,5а + Р1'П(2}' 1 ,5а + 1' jП (З) · 0,5а +
+ 1'1'0(4) · О,5а + 1'Jп(S) · 1 ,5а + ljП(б) · 2,5а == о.
Таким образом, дввrателъ 6Р (ь == 120°) полностью уравновешен
110 силам инерции и моментам ЭТИХ сил.
3
I I
з
IЦI
з
IЦII
I 6
3
I II
"
/
I
I
2,3 4,5
"
J
2 5 ""
.......
Вид по А
i$
Рис. 2.24. Анализ уравновешенности mестици...
: 1: . . . Boro РJЩИоrо двиrателя с yrлом между
кривошипами 1200
S9
2.6. АНАЛИЗ УРАВНОВЕШЕIПIОСТИ И
УРАВНОВЕПIИВАНИЕ V",()БРАЗНЫХ двиr АТЕЛЕЙ
При анализе уравновешенности У--образнъrx двиrателей их рас--
сматривают как совокупность i/2 (; количество цwmндpoB) двyx
цилиндровых у ---образных двиrателей с тем же уrлом развала осей
ЦWIиндров }'. их кривошипы повернуты друr относительно дрyrа на
yrол , определяемый КОМПОНОВОЧНОЙ схемой двиrатеЛJI, и враша
ются синхронно.
Одноименные CШlовые факторы на отдельных условных ДВУХЦИ--
ливдровых двиrателJIX далее суммируются по длине lCоленчатоrо
вала.
Таким образом, анализу уравновешенности V..образноrо двиrа--
тели предшеcrвует анализ уравновешенности двухцилиндровоrо V...
образпоrо двиrателя с тем же yrлом развала осей ЦИЛИНДРОВ)I.
В автотракторной TeXНJIICe наибольшее распространение получи
ли V образНЪIе двиrатели с )' == 900 .
2.6.1. YrАВНОВElПЕННОcrи ДВУХ POBOrO
V..ОБРАЗноrо двиrАТЕЛЯ с YrЛОМ РАЗВАЛА 9f)°-----ZV (1==900)
Двиraтелъ 2V (у == 900), схема lCoToporo пред ставлена на рис. 2.25,
й, имеет одноколенНЪ1Й вал. Для есо уравновешивании (рис. 2.25, б)
на продолжении щек ycrанавливаются два противовеса с Мcr-пр==
== muppup == 1/ r",'r, rде т,' == Iпx + 2тmж. Здесь удвоение массы шатуна,
Ilри"едеllНОЙ lC кривошипу 111пи, связано с тем, что в 2V (у == 900) на
кр"uошип опираются два шатуна. В соответствии с этим цептробеж..
IlaH сила инерции К:==т,'rro 2 .
Суммарная сила инерции перВОI'О порядка формируется как
rcoметрическая сумма одноименных сил левоrо (индеКС л) и ира..
Boro (индекс п) цилиндров:
..... ...... .......
P}1 == Р iI(л) + Р}1(п); IРjI(л)1 == с cos qJ; IРjl(п)1 == с COS (qJ + 2700) == С sin qJ.
Модуль суммарной силы Pjl
1D»}11 == .; Р А(п) + Р}\п) == ./( с cos q> )2 + (С sin ер)2 == С == const.
Усол между ве:ктором P}l и осью левоro цилиндра:
.
а == arctg [PjI(n)/ P}l(п == ф.
..
Таким образом, в двиrателе 2V ('}':=90 0 ) суммарная сила инерции
первоrо поряджа I:, l==C==const и направлена по кривошипу от
60
Ij I (л)
' II(п)
ljII(n)
с
у==9О 0
l1т лр
IP- 1 == с
, J
,
"
,
lj l (л)
,
я==к,+с
б
а
O' c-t! 4п
11# в
I'HC. 2.25. К анализу уравиовemевиости двухци 1:1: . .OBoro V бразноrо двиrатеЛJl
с yrllOM развала ос;ей ЦИЛИНДРОВ 9QC:
l' СИЛОВ8.8 схема; 6 ураВВОВ IIИВsumе CJhDdарвой СИЛЬ1 инерции псрвоro ПОрJIДК&; , эж
ВИlUlлснrв u си.ло вaJ схема
((снура ero вращения (аналосичными свойётвами обладает цент..
I}обежная сила K ). Соответственно ова может быть уравнове..
IllCHa установкой на противовесах дополнительных масс IYnпр =:
1 J 2 т j (r/ Рпр).
Суммарная сила инерции BToporo ПОрJIДlCа:
.....
I:.P jП == Р.iП(л) + РJП(П); IPJ1(п)1 == lС cos 2tp;
IРiп(п)1 == лС cos 2( ер + 2700) == лС cos 29';
'1:Р jПl == .JР Jп(л) + P1( ==
== Qм C cos ЩJ)2 + (ЛС c os 2 )2 == lC ..J2 cos 2qJ.
Уrол между осью левоro цилиндра и вектором 1: P iII равен tpI==
arсtg[(РJП(щ/РJп(л ==аrctg[ 1]=:45 или 135°.
61
Тахим образом, при анализе уравновешенности V образноrо
мноrоцилиндровоrо двиrателя с у == 900 lCаждый условный двухци
.., ..,
линдровыи двиrатель, состо .I'II И из кривошипа и одноименных
цилиндров правоrо и левоrо рядов заменяется кривошипом с при--
ложевными к нему следующими силами (рис. 2.25, в): R==к,'+с==
== <т: + mj)rro 2 , направленной по ero оси от центра вращения; 1:R jп ==
==.J2J.CcoS2qJ, направленной перпендикулярно ШIОСICОСТИ осей ци..
ЛИНДрОВ.
2.6.2. ШЕСТ ровый двиrАТЕЛЬ с YrЛОМ РАЗВАЛА
900 И YrЛОМ МЕЖДУ КРИВО 1200 БV (у==90 0 )
Двиrателъ 6v (}' == 900) (рис. 2.26) имеет неравномерное чередова..
вие рабочих ходов (90 1500) при ПОРJIДl(е работы цилиндров l п
l п 2 л 2n эл 3 п 1. Для анализа уравновешенности он мо--
жет быть рассмотрен как совокупность трех двиrателей 2V (у == 900),
кривошипы lCоторых развернуты на yrол 1200. К каждому кривоmи..
ny приложены силы:
l) == 2) == я...З) == к, + с == (т; + m j )rro 2 ;
Jn(l) == .J2 ).,с cos 2ф, 1:R jщ2 ):::::: .J21C COS 2( qJ + 1200),
..
1:R jIl (]) == .J2lC cos 2( qJ + 2400).
OI{CHKa уравновешенности данной схемы по силам R и по их
MOMellTaм методически аналоrична анализу уравновешенности
'п
3 п
900
3 , .... 120 о".. ....
1
а
300
б .,
Рис. 2.26. 1:. ' K ураввовеmeниости mecrици '41:.. 'Boro V4развоrо двиrатeлJI
с yrлом развала осей ци I I: . .ОВ 900:
а схема двиrатели; 6 схема : : · : еяи.. ][олевчатоrо вала : Ij R и RJn
62
lреххоленноrо вала с t5== 1200 (см. разд. 2.3) с той лиmъ разницей,
.II O здесь вместо сил К, Фиrурируют СИЛЫ R. Вследствие этоrо
2
1:R== о. Tu ках R=:К;+ с==к;.+ :LPJl, то одновременно выполняют..
6 6
СJI два условия уравво8tmенности: L к,. == о и L P jI == о.
Момент сил R равен I:ЕМRJ==..jЗRa==..jЗ<щ+m,;)rro 2 а. Он дей..
Cl BYeт под уrлом 300 :к плос:кости первоrо хривоmиnа и может быть
уравновешен двумя противовесами, установлен: .1 ' на продолже...
IIИИ крайних щек ПОД yrлом 300 К плоскости ero действия. Для этосо
CI-атичесIOlЙ момент Мr:r_вр=:..jЗ (т; + тj)r (а/Ь). При этом ОДБовре..
......
МСННО решается проблема уравновешивания, I:M R := О И I;м." == о.
Двиrателъ 6v (')' == 90°) уравновешен по силам инерции второсо
11 ОрЯДICа так 1C3lC
б 2 Z 2-
L p;Jn == L P jll (l) + L ljЦ2) + L РjП(З) ==
== -J2 лС [cos 2ср + cos 2( qJ + 120°) + cos 2( ер + 2400)] == о.
Неураввовешенным является суммарнЫЙ момент этих сил:
1:Цп == R jщl )2а + R;JЩ2)а == иСа [008 2qJ + cos 2( lp + 1200)] ==
== ../иСа [1,5 cos 2lp + 0,866 sin Цр] 1= о.
Он действует в rОрВЗОВТ8ЛЪБОЙ плоскоcrи и имеет максимум
ЦПmax== 1,732.J2lCa при qJ== 15 и 195°. ЭтОТ момент может быть
vравновешен противовесами, установленными на двух вращающих..
t.:я в противоположных направлениях с уrловыми скоростями 2со
J'()поJшительныx валах. Противовесы располаrаются так, чтобы при
'р== 15, 105, 195 и 2850 их центробежные силы действовали в rори
аонталъной ПЛОСКОСТИ (в ПЛОСКОСТИ дейcrвия 1:Ц-ц) и создавали
.., ....
максималъныи уравновешивающии момент.
Вследствие конструктивной СЛОЖНОСТИ в практических конструк--
-(ИЯХ две тuой механизм не примевяется.
ОНЫЙ двиrАТЕЛЪ С YrЛОМ
РАЗВАЛА 900....... 8V (')' == 900)
Двиrателъ 8V (у == 900) в большинстве lCонcrрУ:КЦИЙ имеет кре..
с ."ообразный :коленчатый вал (рис. 2.27, а), что при наиболее
IJ.ilспрострапепном ПОрJIДКе работы l л lп 4 п 4 п 2 п З л
БЗ
К ПР
ln
З л
90 Q
J n
2"
R] R3
R jII (2)
3 п
4п
R 2
I 2
'" . /
....... ...,,"
II(l)
4
а
Ч»1==18 Q 26 ·
К nр
"
,
'2 R 2
\
З\ М,( 1 4)
"-
...
"
4
14 К пр
б
в
Рис 2.27. УравновеШИВ8.иие восъмицилиищювorо V образвоrо двиrатела с yrлом.
развала 90 а и хреcrообразвым коленчатым валом:
а СИЛО В8..8 схема; 6 нектарии д;иarpaмма сил R;
IJ ВCJ:ТОрП8JI диarpaмма м()ментов аш R
3 п 2 д lл обеспечивает равномерное через 900 чередование ра..
бочих ХОДОВ.
При анализе уравновешеlШОСТИ такой двиrатель может быть
представлен как совокупность четырех двиrателей 2V (')' == 900),
КРИВОШШIЫ которых расположены в двух IШОСКОСТЯХ, находя
ЩИХСЯ ПОД yrлом 900. На каждом из них действуют силы 1...4) И
4
.............. ..... ....... ........
1:R.,'П(1...4). Как следует из рис. 2.27, б, LR== I)+ 2)+R(З)+R(4)==0.
1
4..... .....
Момент этих сил LMR==MR(I 4)+MR(2 ]). Здесь IMR(I 4)I==R' За==
1
.
64
== (щ + m,;)rro 2 3a . момент сил I) И 4)' действующий в плоскости
l..ro и ro крИВОIIIИпов (Berrop ero перпендикулярен данной плом
ClCОСТИ, СМ. рис. 2.27, в); IМR(2 з)I Rа (m;.+Iп.i)rсо2а момент сил
) и 3), действуюЩИЙ в ШIОСКОСТИ 2..ro и 3..ro кривошипов. Мо..
дуль cyммapBoro момента СИJl R
4
L м == .J М 2 R(I 4) + М 2 R(2 Э) ==.J 1 ОЯа .JiO(т; + тj)rro 2 a.
1
8
Уrол между вектором L и ШlOCICОСТЬЮ 2 ro и 3..m кривошипов
ер. ==аrctg[МR(2 зJМR(I 4 ==arctg[1/3]== 18026'.
8
Т8.ICИМ образом, плоскость действия момента LM R расположена
под уrлом 18°26' IC ПЛОСlCости l---ro кривоmиnа.
для ero уравновешивания в ЭТОЙ ПЛОСКОСТИ на продолжении
крайних щек располarаются два противовеса, центробежные СИЛЫ
lCоторых кщ. создают на плече Ь уравновешивающий момент Мур==
== к-щ,ь ==Мr::r_прro 2 Ь.
8
Условие уравновешивания: rMR==Myp, откуда
Мcr.ПР == .JiO (т + 1пj)T (а/ Ь).
Суммарная сила инерции BToporo порядка 1:PjII == 1:R jll (l) + 1:R}ll(2) +
+ 1: п(3) + R jП (4). все эти СИЛЫ действуют в поперечной ШIос:коcrи,
имеют пара.ллелъвые ЛИНИИ деиствия и по величине равны:
1:R.,П(I) == иc cos 2tp;
1:R}П(2) == .J2 лС cos 2 (ер + 900) == .J2 лС cos щ;
:ER.iD(3) ==.J2 лС cos 2 (tp + 2700) == .J2 лС cos 29';
R.lЩ4) ==.J2 лС cos 2( ер + 1800).:= .J2 лС cos щ.
8
Отсюда следует, что L -п==О.
СУl\1М3.рный момент сил инерции BToporo tIоридка относительно
8
I ОЧКИ О (рис. 2:1.7, б) равен нуmo: L м j(II(O) == о.
6S
1.6.4. шЕс"ициJIиндровый днЮ' AТEJIЬ
С YrЛОМ РАЗВАЛА I20 0 ----БV (}'==120 0 )
Двиrатель 6v ()' == 120°) при ИСПО.JIЬЗовании в ero lCонcrpукции
трехколенноrо пространетвенвосо вала с yrлом между жривоmипа..
ми lJ == 120° имеет равномерное чередование рабочих ходов при
ПорJIДКе работы цилиндров l л l п 2-п 2n 3 л 3 п l-п.
Для анализа уравновеmенности ЭТОТ двиrателъ целесообразно
рассматривать IC8.IC совокупность двух трехцилиндровых одноряд..
вых двс, плоскости осей цилиндров lCоторых расположены под
3 3
yrлом 120° (рис. 2.28). T3.IC k3.IC сумма сил инерции L.Pj1 И L Р jп в
каждом ИЗ условных трехцилиндровых двиrателеи равна нуmo, то
6 6
И В двиraтеле 6v (}'== 120°) имеем: LP}I==O и LРjп==О.
в каждом из условных трехциливдровых две действует Heypaв
...
новешенныи момент сил инерпии первоrо порядка:
3
LM j(I(л) == Са (1,5 cos ер 0,866 sin ер) в ШIОСХОСТИ осей цилинд
ров левоrо pJJДa;
3
L 1(o) == Са [1,5 cos (ер + 240°) 0,866 sin (ер + 240°)] в плоскости
"'"
...
осев цилиндров правоrо ряда.
6 3...... 3 ......
для 6V (у== 1200) I:м,,1== I:м,,1{л) + :L М j1(п) и, как это следует из
схемы рис. 2.28, 6,
6
LM}1 ==
3 2 3 2 3 3 ]/2
LЦ"l(п) + L Цl(П) 2 L M j1VI ) L Ai.J1(п) cos 60°
.
ЭтОТ момент в процессе работы двиrателя меняет свое значение,
....
направление и ПЛОСКОСТЬ деиствия.
Обычно, будучи неуравновешенным, ОН оказывает большое воз..
буждающее воздейcrвие на опоры двиrателя.
При :III П ФУНICЦИонирования механизма для уравновешивания
cyммapooro момента сил инерции 1 co ПОрЯДICа в двиrателе 6v ()' ==
3
:::= 120°) зак:точается в следующем. Для уравновешивания L М j1 (л) Be
оБХОДИМО, lC8J( и ДЛЯ moбоrо 3Р (ь==120 0 ), расположиtь два проти
вовеса с Мcr.пр о,866 тjr(a/b) на коленчатом валу в плоскости под
yrлом +300 IC первому кривошипу, а Т3.ICЖе на дополнительном
валу, вращающемся с частотой ...... ClJ ПОД yrлом ........ 300, как ПОlCаза..
бб
1200
6
!: I
120 V
1 2 п
п
3
1:Мj. (rl)
I
.
А
а
q>+240 cl
I
" /'
'A
,
;' '
б
,
I
ВМТ в lл
t
.
I
.
3
:ЕЦI(л)
ВМТ В lп I
I
,
" I /'
...... .JII1'
......
/' @) А.
I I
f ..,
аю ',
\
А ,.
\
\
\.
"
A';,, .......
/ ... з(f,
. \
... 30 с) I
/
/'
(J)
в
ro
(о
2
(O
J 600 600 f
'А
I
А 1
""""
""""
Кл р. п) \ "
I \ 210a
, J Кпр(л)
, , /
......' ",. ""
д е
ro ю
I.HC.. 2.28. Уравновешивание шее 11: ' : I 'OBoro V..образиоrо дввrател.и с yrлом
развала 1200:
" схеМа дв-тaтtJnl; 6 ве:порвв.. ДВ8.IPsммa моментов сил инерции псрвоro DOpJIДD.;
If, cxeJdы мех ани мов ураввов еIJIИRаии- MOМCllТOB с:ил инерции oepsoro DopJIДI:a аютвeтcr...
"CIIIIO пeвoro и правоrо усло JUIWX трсхци I I: ' ' -BЬiIX .' JI:I Х двиrа телей; d схема ураввовеПIИ'"
ПМ'С'.ЦСТО меХ fUП' 1М8.; ЭD ИВ &леIffВU схема -ме щ . системы противовесов на допол
IfИI ЬВОМ валу
НО на рис. 2.28, 8. Аналоrичный механизм уравновешивания
I
L М J 1(П) приведен на рис. 2.28, z.
llротивовесы на коленчатом и дополнительном валах MorYT
f.IJrb объединены, как это по:к8.ЗЩIО на рис. 2.28, д. На lCоленчатом
ШIIIУ противовесы совмещаются и мосут быть заменены парой
67
I
I
+00;;.... ,
""'L r l
I ""
,
\
+300 \
J
, I
I
I
Рис. 2.29 Механизм ураввовешив8.IIIU: суммарвосо момента сил инерции первоrо
порJJДXa в шест II &дровом V..обра.зном двиrателе с yrлом развала 1200
противовесов с м:r.пр== l,73'2т.;r(а/Ьj, расположенной в ШIосlCОСТИ
ПОД уrлом 300 к l"MY кривошипу.
На дополнительном валу противовесы располarаются в разных
IUIоскосrях., нахОДЯЩRXся ПОД yrлом 1200. они MorYT быть заменены
Jlарой противовесов, размещенных в ШIОСКОСТИ биссектрисы yrла
..... ........ ....
120°, при условии (рис. 2.28, е) кор==к.пр(л)+Кпр(р).
Таким образом, I1:Кпрl == I )I + IКпр.)п)I, откуда М .пр == О,8б6т; (а/Ь),
а сами противовесы располarаются в плоскости ПОД yrлом 2100
IC nлоскоcrи I--ro кривошипа. Кинематическая схема ураввовешива--
ющеrо механизма привед на на рис. 2.29.
В двиrателе 6v (у== 1200) так: же неуравновешен момент сил
инерции BToporo ПОрJIДlCа. Ero параметры Moryт быть определены
по методике, аналоrичнои ТОИ, что ИСПОЛЬЗ0валась для анализа
момента сил инерции nepBoro ПОрJIДIC:а.
для ero уравновешивания повадобился бы механизм, состо '1111 Й
из двух встречно"вращающихся с уrловой частотой :t:2ro валов
и системон размещенных на них противовесОВ. ...
Учитывая сравнительно несущественное влияние момента сил
инерции второro порядка на общую уравновешенность двиrателя,
СЛОЖНОСТЬ и rpомоздкость механизма уравновешиваllWl, в боль--
""
IПИнстве .lCОНСТРУIЩИИ ero оставляют неур авно вешенны..
68
2.6.5.
УРАВНОВЕШЕННОСТИ И УРАВНОВЕШИВАНИЕ
двиr А ТЕЛЯ 10V (у == 144 О )
Схема двШ'ателя в положении, соответcrвующем повороту
IlepBoro кривошипа относительно ВМТ в первом левом (lJ
цилиндре на yroл qJ, приведена на рис. 2.30. Двшателъ имеет
lIятиколеННЫЙ вал с yrлом между кривошипами /j == 12°, что обес--
Ilечивает равномерное в четырехтактном варианте чередование
рабочих ХОДОВ с yrловым интервалом 8== 120 0 /i==72° при порядке
работы I ' J ров l J1 4 п ""' 2 п 5 п 4 л 3 в 5 л lп З п
211 I Л 8
Силовые факторы, ответственные за неураввовешевпость двиra
."еня 10V ()' == 1440), MOryт быть определены как I'еометричесICU
'"
cYlWda одноименных СИЛ и моментов, деиствующих на отдельных
(IIpaнOM и левом) пятицилиндровых рядных двиrателях:
10 S 5 5 5
.... ..... ..........
1) L l== L 1(JI)+ L l(п)==О, так как L l(л)== L "I(п)==О;
1 О ...... 5 ..... 5 ..... 5 ...... 5 ....
2) L 'П== L П(n)+ L "П(П)==О' так K8.IC L П(Л)== L -П(п)==О;
10 5 S
....... ...... .....
З) LM jI == LMjI(JI) + LМ J 1(П) =#=0;
Модуль вектора суммарноrо момента сил инерции nepBoro по--
I)ядка левоrо условноrо п.ятицилиндровоrо двиrатеШl
у== 144 а
I
..
ro
Рис. 2.30. Компововочна.в: схема двиrателА 10V (у=== 1440)
69
5
L M}l(JI) == 0,449аС COS (tp + 540).
Момент действует в плоскости осей ero цилиндров и вектор
...
направлен перпендиICУЛЯРНО ЭТОН ПЛОСКОСТИ, как показано на рис.
2.31.
Аналоrично, для правоrо двиrателя:
5
L M j I(lI) == 0,449аС cos «({J + 2160 + 540) == 0,449 а С cos (ЧJ + 270°).
Модуль cyммapHoro момента может быть определен по теореме
lCосинусов из заштрихованноrо СШIовоrо треуrольвика (СМ. рис.
2.31 ):
10
L M.I"I ==
5 2 S 2 5 5 1/2
L Ц"I(Л) + L М Д (II) 2 L Ц-Цл) L -ЦЛ) cos 1440
== 0,449aC[cos 2 «({J + 540) +0082 (tp + 2700) 2 cos (lp + 54°) х
х cos (tp +270°) cos 14411/2.
.
10
Направление вектора момента L м.,"I определяется yrлом /11 ==
==90°+(11' I'де /11 yrол между вектором момента и плоскостью
""
осеи цилиндров левоrо pJIДa;
-
а) == arCSln
5
LЦ (П)
10
L Ц"I sin 1440 ·
Синтез уравновеmивающеrо механизма реализуется как СОВО..
ICyIIНocть механизмов уравновешивания моментов сил инерции
nepBoro порядка левоrо (рис. 2.32, а) и правоrо (рис. 2.32, б)
УСЛОВНЫХ ПЯТИЦИЛИНДРОВЫХ двШ'ателей. Эrи механизмы предcтwr
ляют собой системы противовесов со статическим моментом
Мпр..r:r==О,2245т;(а/Ь), расположе: :1.. на продолжении крайних Щех
ICолевчатоrо вала и на дополнительных встречно"вращаЮЩИХСJl на--
пах ПОД yrлами I<: ПЛОСКОСТИ nepBoro кривошипа соответственно
+ 540 и ..... 540. Совмещение ЭТИХ двух механизмов, вьmолневное на
рис. 2.32, В, показывает, что эффект полвоrо уравновешивания
cyммapHoro момента сил инерции nepBoro ПОрJIДlCа может быть
... ...
достиrнут следующеи системои:
70
у== 1.440
5 п
IЦ.
10
IЦ1
..
Рис. 2.31. Схема формированиJl cyммapHoro момента сил инерции первосо ПОРJ1Дl[а
. двумя противовесами со crатическим моментом M:,.cr == 2М СТ.1ф ==
==O,44 r(alb), раcnопaraeмыми на концах :коленчатоrо вала
n ШIОСICОСТИ под yrлом + 540 J( плоскости nepBoro кривошипа;
. двумя противовесами на концах дополнитепьноrо вала, вра..
.., ...
Iltающеrося с yrловои часто тои .......ш, которые расположены в плое...
кости ПОД yrлом ......... 2340 J( первому кривошипу; их статичесlCИЙ
момент может быть определен по теореме lCосинусов из силовоrо
.-реyrОЛЬНИICа центробе ' :1..- сил противовесов, размещаемых на
дополнительном валу (рис. 2.32, в):
Mcт. )== .J2М .пр 2м:r.1ф cos 1080 == 0,363тjr(a/b).
КонcrpyJCТИВная схема механизма приведена на рис. 2.33.
НеураввовеmенНЬ1Й сумм:арвый момеъ r сил инерции BToporo
I I ()рядка
10 5 5
.... ..... .....
4) LЦП== LЦlI(Л) + LЦп(п) О.
Модуль вепора cyммapooro момента сил инерции BToporo по--
l'I1J Ka левоrо УСЛОВБоrо п.ятицилиндровоrо двиrателя
I1;М jll (л)1 4,9191 алС cos (2tp + 18 О).
71
I
П1IОСКОСТЬ осей
левых цилиндров
.
I
,
540
а
.пр I
ПЛоскость осей
правых цилиндров
..,.........--- ...
.... ....
I
I
...
..
б
I
I
1
f
]
\ Кпр(п)
\
\ 360
\
... ... ...............
(й\ Клр(п)
М. I
8
СТАПР I
Mcт.np(I)
234
Рис. 2.32. Синтез механизма ураввовешив8.ШПI cyммapBoro момента СИJl инерции
первосо ПОРJI.,ЦКа: ...
а схема ур8Вво веJlП!JI8.lDltl cyJdМapвoro момента аш инерции первоro ПОрJIДD певоro условно..
ro .. II' I I: ' ' oвoro двиrатепа при ВМТ 8 II ' 1: . . - lл; 6 схема уравs:ов еumв"яи. су.ммар-
Boro момента сил инерции первоro ПорJIДК& правоrо условвоro l' jll' ,: I . . вото двиrатепа при
ВМТ в цилинцре I n ; fJ схема совмещсвноrо M eX8.lD 3Ma
(j)
,
I
f
I
,
I J
/
."
"
/ I ,
\
1
I
\ I
, I ,
""
м
СТ.ЛР(1:) I
I
I
I I
, I ,
\ / ;
".,,/ ю
"
,
\
234 а
'1PJ.
1f11.
I
/ ,
I \
I I \
, ,
I I
UP!. I
, I
\ J
\
,
MCT..np(I,)
I
I.HC.. 2.33. КОВСТРУКТИВИaJi схема механизма ураВRовemивавиJl суммарносо blомеиrа
сил: инерции nepBoro ПОрllДU.
Момент действует в плоскости осей цилиндров левоrо ряда
-...
.1 "ектор ero направлен перпендиКУЛЯрНО этан nЛОСICоcrи, lCах пока..
1.1110 на рис. 2.34.
Аналоmчно, для правоrо двиrателя:
I1:М jII (п)1 == 4,9797 алС cos [2 (rp + 216°) + 18°)] ==
== 4,9197 алС cos (2", + 450°);
...
Ilt.K rop ero перпендикулярен плоскости осев цилиндров npaвoro
IIИJ а.
Модуль cyмм:apHoro момента сил ИНРРЦИИ BToporo ПОРJIДка
может быть определен по теореме КОСИХУСО8 из зaпrrpихованпосо
I 11 JIOBoro треуroЛЬНИJ(8. (рис. 2.34):
I ()
L М jп ==
5 2 S 2 5 S 1/2
LЦЩд) + L l1(п) 2 L ЦП(л) LМ.iП(п) COS 144 О
......
.......
==4,9797 аЛС [0082 (щ --1;- 18 О) + cos 2 (2q> + 4500)
1/2
2 cos (2lp + 18' cos (2rp +4500) cos 144'1 .
73
I
.
lл
,.
I
....
5 «2../1
п 'J 5
IM '- / I n
}1' " J:Цll
:110
IЦ1I
Рис. 2.34. Диarpа.мма формировании суммариоrо момента сил инерции второсо
ПОРJI.,ЦI(а
.
осев цилиндров левоrо ряда; а2 == arCSln
10
Направление вектора момента L М}П определяется yrлом Р2 ==
== 900 + а2- Здесь Р2 yrол между вектором момента и плоскостью
5 10
L А/.,П(п) L ЦТJ sin 1440 ·
Для ero уравновешивания необходимо иметь систему двух ветре..
ЧНО вращающихея валов с yrловой частотой :1:200 с установленной
на них системой противовесов (рис_ 2.35). Ввиду конструктивной
сложности такие механизмы на практике не применяются.
.
I
.+20)
I
I M
f СТ.ПР(2), 2ro
",..
Рис. 2.35. Конструктивная схема механизма уравнове 111: : · : ' суммариоrо момента
сил инерции BToporo порllДI8..
74
2.6.6. ДВЕНАДЦАТИЦИЛИНДРОВЫЙ ДВИТ АТЕЛЪ С yr лом
РАЗВАЛА 6О О .....12V (у == БО О )
Двиrатель ICОМШIеlCТУется шесТИlCоленным пространственным
валом с ICривошипами ПОД yrпом 1200 (такой же вал имеет шести
цилиндровый линейный двиrатель), что позволяет обеспечить paв
IIOMepHoe, через 600 чередование рабочих ХОДОВ при порядке работы
I_ИЛИНДРОВ lл 6п 5л 2п Зл · 4п 6л lп 2л А
5п 4л Зп lл.
Такой двиrатель можно рассматривать как СОВОКУIПIОСТЪ
}{ВУХ однорядных шестицилиндровых двиrателей, имеющих об...
I(,ий коленчатый вал. Так как каждый из IOIХ полностью УРав..
I(овешен, то и 12V (lJ== 120°) также будет полностью ypaвHOвe
IIleH Это справедливо при тобом уrле развала; однако paвHO
мерное чередование рабочих ХОДОВ будет иметь место лишь при
у==60, 120 и 1800.
2.7. ТЕХНОЛОrичEСКАЯ НЕУРАВНОВЕШEIПIОCIЪ
двиr лТЕЛЕЙ BHYТPEННErO crОРAIШЯ
ПроведеннЬ1Й анализ уравновешенности две различных схем
....
11 ТИПОВ носит теоретическии характер, так как построен на
111)едположении о равенстве всех силовых факторов, формиру..
1t)IIЩХ суммарные СИЛЫ и моменты. На пра.ктике они будут He
, К()ЛЪКО отличаться друт от друrа в силу естественных технопоrи--
....
IllХ:КИХ отклонении при производстве ОДНОТИПНЫХ элементов дви--
I ...-сля.
Так, в мноrоцилиндровых двиrателях вследствие ДОПУСТИМЫХ
....
I . I клонении в пределах тех.нолоrических допусков MorYT отличать...
....
I '1 массыI порmиен, а также массы и положения центра масс
111.11"УПОВ.
ЛО приведет IC изменению масс ==1пn+mш.(1пu!1,J и СИJl инер
IIIIИ Р р принадлежащих отдельным цилиндрам. Для оrpаничения
U .."
" i1 Ilиации т} разНQВесность порпшеи, и:спользуемых для одноrо
IIIIIIf'ателя, оrpаничивается пределами 1...6. При этом паршии сор..
IIII'УIОТСЯ по BecoBым rруппам, а ДЛЯ БОJ1 ТОЧНОЙ падrонки в их
.. )IIC I"рукции предусматриваются технолоrические ЗОНЫ, в lCоторых
.r 8111т можно удалять.
IUaTYHbl аналоrично сортируются и подrоняются по массе и по..
111,)kСIIИЮ центра масс..
J л.я определения и 1m.:.. шатун в сборе с вкладьnпами и шатун..
III.IМИ болтами взвешивается (определяется m,J и затем уcrаиав..
75
пивается своими rоловlCами с ПОМО--
...
щью специальных жронштеинов на две
чаши весов, как DОlCазано на рис. 2.36.
Добавлением массы Ат на чашу
т шlC С верхней соловкой весы приводятс.и
в состояние равновесия. При этом
т-ш п + 11т == т-т...
Так как т ш . п + 1пm.ж == 1пm, т ш .. п ==
== 1/2 (mш Ат) и пJш.... == Inш mщп, то
Lm.п == 1 (тш-Jm,J и lШJ == 1 (mw.JщJ.
Для подrонПI шатунов по массе
mш и по положению центра масс на
rоловжах шатуна предусматриваются
места, в lCоторых метaJШ может быть удален.
Для устранения техволоrической неуравновешенноcrи по СШlам
инерции вращающихся масс и их моментам коленчатые валы, ма...
ХОВИКИ, а затем коленчатый вал в сборе с маховиком подвер:rаются
динамической балансировке.
Балансировка вала ПРОВОДИТСJl при установке на шатунные шей--
IQI технолоrических масс, ИМИТИРУЮЩИХ присутствие на НИХ пр иве...
денных масс шатуна mw.ж- Балансировка ведется как минимум по
двум ШIОСКОСТЯМ по плоскости передней и задней опор. Лучше,
если балансировка ведется по ПЛОСICОСТJIМ всех кривошипов, центро--
бежные силы которых уравновешиваются противовесами.
Кроме Toro, уравновешенность двиrателя в значительной мере
1ависит ОТ разброса yrлов между отдельными кривошипами Ь.
Ilаиболее стабильны эти уrлы в ПЛОСКИХ валах и в коленчатых
Ilалах, получаемых ОТЛИВКОЙ из высокопрочных чуrунов в обоnоч--
lCовые ФОРМЫ.
В кованых валах после разведения кривошипов на нужнЫЙ yrол
необходим тщательНЫЙ отжиr зarотовки для СНЯТИЯ остаточных
напряжений. В противном случае yrлы по истечении времени
мосут самопроизвольно уменьшаться с вепредсказуемым: измевени--
ем уравновешенности двиrателя.
lшп
I ш "
I
I
...
m шп
т ш
дт
Весы
Рис. 2.36. Разнесение масс шату..
на методом взвешивания
2.8. НЕРАВНОМЕРНОСТЬ КРУТЯЩЕrо МОМЕНТА
Парво действующие в системе двиrателъ трансмиссия под..
...
веска ICРУТЯIЦИИ и ОПРОlCИДывающии моменты в силу их вераввомер"
насти по yrлу поворота кривошипа MorYT вызывать переменвую
захрутху элементов двиrатсли и трансмиссии (крутильные ICолеба..
пия), а также переменные реакции на опорах двиrателя (ero неурав"
новеюенвость). Для суждения о степени равномерности суммарвото
76
крутящеrо момента пользуются коэффициеюпом Ш!рав1l0мерности
круmящеzо .момента р.==(Мжmax М...miп)/М...r:p, rдe M"mo, М-..рrrш",
Аf'Ж ср соответственно максимальное, минимальное и среднее зна
'.синя cyммapHoro ICрутящеrо момента двиrателя.
Коэффициент р изменяет свою величину в зависимости от режи...
ма работы двиrателя. Тах как MLCp пропорциовален работе двиrа
IСЛЯ за ЦИКЛ, Т. е. наrрузке на двиrатель, ТО знаменатель выражении,
tНlисывающеro IJ., определяется наrрузоЧflЫМ режимом еео работы.
'1 ислителъ же в большей степени зависит ОТ максимальвоrо и МИ...
1IIIМальносо значеНИЙ сил инерции (обычно ero величина pacreT
.. увеличением чаcrоты вращения двиrателя), Т. е. в ОСНОВНОМ апре...
I(сляется скоростным режимом работы двиrателя. С учетом этоrо
,1"tзпичные двиrатели сравниваются по коэффициенту р. ва режиме
..,
11()МИНалънои мощности.
м
11== 13 9
М kJ'-сР.
;== 1
'р
а
м
JJ.==9, 7 · 2
1==
M kp ер
2 y 1800
q>
б
м
М тах
в
1l==6 8
М I<p.ср
.а · 4
1==
fP
м
M miп
М тйХ
li==l,5
М i==6
kpACP tJ
<р
J,L==OJ92
z
M тiп
м
M тill
М тох
;==8
м -cp
· у==90 о
q>
J.L==О 2З
д
м
i== 12
М Jф ер "'==60 D
11 I
е
о 1800 360 О 540 е 7200 ч'
"", 2.37.. Суммарные крyrящие моменты четырехтаlCТИЬtX двиrателей с искровым
за::аиrанием и различиыM количеством ЦRJIИВДРОВ (а...е)
77
из конструктивных параметров двиraтеля, определяющих значе
вие коэффициента р., следует выделить:
. число цилиндров двиrателя i;
. фактор равенства yrловых интервалов между рабочими xoдa
l\fИ в отдельных цwшндрах.
На рис. 2.37 приведепы кривые суммарных крутящих моментов
ОДНОТИПНЫХ двиr, ателей имеющих одинаковые рабочИЙ процесс,
D и S, но различное количество цилиндров i. Анализ ЭТИХ кривых
показывает, что р. резко уменьшается с увеличением количества
цилиндров.
В качестве иruuocтpaции влияния на веЛJl1lИНУ р. фаlCТОра paвHO
мерности чередования рабочих ХОДОВ отметим, что в шесТИЦИЛИНД'"
'"
ровых дизелях с линеиным расположением цилиндров и равномер--
ным, через 120°, чередованием рабочих ходов р.== 1,5, в то время :как
в двиrателях 6v при 1==90° (чередование рабочих ХОДОВ неравномер..
но: fJ == 90 и 150°) Р. == 2,08.
Таким образом, для обеспечения наилучшей уравновешенности
по ОПРОlOlДЫВающему моменту более предпочтительны двиrатели
с равномерным чередованием рабочих ХОДОВ и с большим числом
цилиндров.
2.9. РАВНОМЕРНОСТЬ ХОДА двиrАТЕЛЯ
IlеравномериOCIЪ Мк, кроме Toro, что она вызывает иеурав'"
IIО"СUIСШ1ОСТЬ двиrателя по Меир, имеет еще одно неrативное для
работы двиrател.я последcrвие она является причиной неравно...
......
мерности уrловои частоты вращения коленчатоrо вала.
Происхождение этоrо явления может быть пояснено на основе
анализа баланса моментов на валу четырехцилиндровоrо четырех
тактносо двиrателя, приведевноrо на рис. 2.38. Для простоты ава--
лиза оrраничим рассматриваемую задачу следующими условиями:
. момент сопротивления Мс не изменяется по времени (yrлу
поворота кривошипа);
. режим работы двиrателя установившийся; индикаторный
момент равен моменту сопротивления Mi==Mrp.cp==Mc; при этом
..,
средняя yr ловая частота Шср остается неизменнаи;
. момент инерции всех ПОДВИЖНЫХ элементов двиrателя J o , при--
.."
веденныи к оси ICоленчатоrо вала, не изменяется по вреиени.
В этом случае на коленчатом валу в любой фазе рабочеrо цикла
Мкр Мс==Мии; Мж Мс==JоЕ==Jо(d(JJ/dt), сде МJQI инерционный
...
момент; 6 уrловое ускорение системы коленчатыи вал ма--
ХОВИК.
78
Из приведевноrо BыIIIc уравнеВIDJ следует, что в моменты време--
IIИ, ICоrда Мжр==М с (ТОЧICИ 1...8 на рис. 2.38), dro/dt==O. Это соответ..
ствует эк-crремуму yrnО80Й СКОростИ.
Качественный анализ показывает, что если этому предmествова..
1(0 М.>Мс И dro/dt>O, то 8 этих топах (2. 4. 6 8) будет Wmи;
cooтвeтcrвeнвo, если М.<МС и dro/dt<O, то будет CD,mп. (ТОЧКИ l 3.
. 7).
Приведениые рассуждения свидетельствуют о неизбежности В03..
"
Ilикновевия нераввомерности yrЛОВОИ СICОрОCfИ вследствие перемев"
I.ОСТИ по yrлу поворота IC:ривоmипа крутящеrо момента двиrателя..
Неравномерность ro оценивается коэффициентом HepaвНOMep1IO
l"ти хода двиzаmeля lJ==(romвx ro",in )/(J)cp.
Для нахождения завИСlD.10СТИ ОТ КОНСТРУКТИВНЫХ и peжmdных
факторов, характеРИЗУЮЩИХ работу двшателя, проинтеrрируем
уравнение баланса моментов на участке от qJl "" IO:min до ЧJ2"'" щ"ах (СМ.
рис. 2.36). После разделения перемевных с учетом Toro, что
(dm/dt)== (dro/dqiXdtp/dt) == m(dro/dqJ) == 1/ 2 (dro 2 /dqJ), получаем
J BX
1
(М. Mc)d({J == J o dro 2 .
2
I o
.а
Обозначив (M... Mc)dqJ через избыточную работу А JDб (зamт..
"1
рихованная площадка на рис. 2.38) и вьшолвив интеrpирование
'fWt
.(равов 'lаcrи, получим
А mб == 1/ 2 JJ... ro x ro:in ) == 1/ 2 J O ( СОтах + СОшiПХ wпw( Wu,in )( mcJrocp).
После преобразовавий с учerом Toro, что тер 1/ 2 (со lJ1Их + COmш),
имеем АlDб==Jоro t5, откуда lJ==Аизб/(Jоro . .1
Данная зависимость ИШIюстрирует ICОН lруктивные параметры,
с помощью lCоторых возможно управление вtличиной fJ при раз
работке двиrателя. Это в первую очередь варьирование числом
l(ИЛlШДрОВ И фактором равномерноcrи чередования рабочих ходов,
ОТ которых ИСlCJПOчителъно зависит величина А mб , а при принятой
ко.мnововочной схеме двиrателя изменение 10- Для получении
rребуемоrо в конструкции двита"reля предусматривается махови](,
IlрИ использовании IC.OTOpOro JO JN' Т. е.. практичесхи весь l\40MeUT
инерции в этом случае сосредоточен в маховике.
79
Мс
Мк.
Мк(ср)=М;
4
Мс
ч'
(йср
Е
Э
(JJmin
q>
Ч'I "'- (J)miп
11>2 Ютах
PAC 2.38. Баланс моментов на валу четьrpeХТ8.J:Твоrо '1етырехци I : '1. . BOrO двиrа..
теJIJI на уставовивmемс.ll режиме работы
Увеличением J,. можно получить СКОЛЬ уrодно малую величи..
ну 11. Однако в автомобильных двиrателях не всеrда целесообраз..
но использовать маховИICВ с большим J."" тах ках ЭТО приводит
(( возрастанию инерционности и замедляет процесс перехода ero
с режима на режим, особенно при рaзrове. При этом MOryт сущест..
вевво ухудшиться динамические характериCТИlCИ автомобиля 8 цe
ЛОМ.
ДЛЯ тяrачей и тракторов, в которых приемистость не имеет
первостепеввоrо значения, величина J N определяется из условия
плавности троrания с места при включенном сцеплении и рабочем
положении буксировочноrо устройства.
В соответствии с этим в современных КОНСТРУКЦИЯХ травСПОрТ
ных средств для автомобильных двиrателей .5==0,02...0,025, для
двисателей тракторов и ТJJraчей Ь==О,ОО5...0,Оl.
При подборе маховика автомоБШIЪНОI'О двиrателя часто исполъ..
зуют так называемый безразмерный .момен.." инерции Ф ===
80
:::::: J ",рз;'м/ М..:в.о},о lCоторый Д1]Я мax
НИКОВ большинства двиrателей авто...
мобилей варьируется в сравнитель
110 узких пределах, так что с доcrа..
u
rочнои дли прак.тики точностью МО--
жно полarать '" const.
Здесь М... жаМ и т вом cooTBeтcr..
венно эффективный момент и часто--
ra вращения lCопенчатоrо вала на
...
режиме ном:иналънои мощности.
На этом основании JM
ф(М..вON/ ' еде m. == пп,.,м/ЗО;
пво", ЧИСЛО оборотов в :минуту ко...
ленчатоrо вала на расчетном режи
ме; 1/1 =::: 200...350.
При конструировании маховика
ero фактический момент инерции
J1tI..1 должен быть равен JN. Величина Jм-д с достаточной практичесIC:ОЙ
rочноcrъю может быть определена делением тела маховика на
N кольцевых элеменrов с простейшей rеометрией сечения, жак это
показаво па рис. 2.39.
N
В ЭТОМ случае J-м..д.t::: L m;r;1, сде Щ и '; .. соответственно масса
;:sl
.
т 4 /
, ./
, '..... / тз
/ " ......,
-1
" ,/
" "
'\,. / т 2 'з
,.,
/'
", "
;' "-
, ,
{....... ...... .....:
\ I
, ,
\ ,,1
J r\ т1
J \
I ';
,
r4
j
'2
"
N
J... д = т..r!
'" ;::::;::1 1 ,
l .1..
Рис. 2.39. Определение деicrвителъ
иоrо момента виерции маховика
.
и расстояние от оси вращения до центра поперечноrо сечения , ro
колъцевоrо элемента.
2.10. ОСНОВЫ ЗА И АМОРТИЗАЦИИ
КОЛЕБАНИй двиr АТЕЛЯ НА ПОДВЕСКЕ
1.10.1. силовыIE фАкторыI' выIъшАющиЕ КОЛЕБАНИЯ
порппlEвых две НА ПОДВЕСКЕ
Как следует из рис. 2.40, колебания ДВlirателя на элементах ero
фиксации на раме или :кузове автомоБИJ1Я (трактора, дорожно стро.-
ительной машины) MOryт возбуждаться ВG МИ силовыми фa.ICтора
МИ, вызываюЩИМИ неуравновешенностъ двиrателя. Та:кже может
иметь место юmематическое возбуждение .колебаний со стороны
шасси при наезде транcnортносо средства на преnятcтвие (RJ.
во втором СЛ)"l3.e колебания возникают в :конcrpуlЩИВ всей
u
rpавспортвои еа I:I ЦЫ, И их аьализ ВЫХОДИТ за рамки ваcrо.ящеrо
курса. Поэтому здесь оrраничимся изучением колебаний от
81
...--""
-- ....
--
.--
""
I
""
I
I
I
I
\
,.... )
I \а.
I
I
I _.-
.... ...
I
\
\
,
,
""
1 I I \
I I I \
I I I \
lj J , I I I \
I ,
.--...... .... ., " ... ........
--..,.. ,
\
I
,
,
М опр ,
I
,
,
I
J
I
I
,
Упрyrие
элементы
подвески
Рис. 2а40. СИJ10вые факторы, вызывающие колебании двиrаТeJIJI на подвеске
неуравновешеввых сил инерции т., I:J ;lI' 1:к;. их моментов !;Цl'
1:.А(,п,1:М" а также ОПРОlЩЦЫВающеrо момента МОПР.
ДЛЯ уменьшения количества энерrии, передаваемой ОТ колеб..
JПOщеrося двиrателя на экипаж и наоборот, две виброизолиру
ют ОТ кузова (рамы) с помощью установки есо на систему
упруrих элементов, называемую подвеской. Однако при этом
возможно возрастаlПlе амШIИТУД колебанИЙ c8Moro двиrателя до
веЛИЧШI, нарушающих работоспособность ero элемеlIТОВ и си..
creM.
Таким образом, задача проектирования подвески может быть
сформулирована следующим образом: минимизация количества
Эllерrии, которая передается сиcrеме двиrатель .. подвеска ЭICИ..
паж при сохранении на практичесICИ nриемлемом уровне aмшmтуд
вибрацИЙ двиrателя.
2.10.2. РАСЧЕТНАЯ СХЕМА двиrАТEJIЯ,
КОЛЕБJПOЩЕrоси НА ПОДВЕСКЕ
Расчетные исследования колебанИЙ в системе двиrателъ ПОД"
веска требуют замены ее упрощенной динамичесICИ эквивалентной
....
моделью, в КОТОрОИ сохраняются только существенные для данноrо
расчета свойства объекта. rr
Анализ lCолеба :н __'; двиrателя на подвеске принято проводить при
следующих ОСНОВНЫХ допущениях:
. двиrатель (силовой arperaT) полarается абсо.зюmо жеCТICИМ
(недеформируемым) телом;
82
. рама (кузов) полarается абсолютно жеcncой и имеющей бес...
конечно большую массу;
. начало системы координат совпадает с центром инерции сило--
ВОСО arperaTa, оси ICоординат ЯВЛЯЮТСЯ центральными.
В этом случае (рис. 2.41) ПОД действием перечисленных выше
СИЛОВЫХ факторов двиrатель совершает шесть возможных lCолеба--
rелъных движений: три поступательных в направлении осей x x(t),
У== y(t), z z(t) и три yrловых относительно этих осей qJ qJ(t), а==
== a(t), р== fJ(t).
Для вьшолнения хачественноrо анализа явлений, определяющих
характер колебанИЙ двиrателя на подвеске, рассмотрим проcrейший
случай колебательное движение две оmосительво координаты
ПОД действием силы инерции первоrо ПОрJIДlCа "ЕР}) == А cos qJ ==
== А cos (йJt) (рис. 2.42).
Полarая для простоты [. == 12 И жесткость левоrо упрyrоrо элемен
."а C J , равной жесткости правосо элемента С 2 , получим расчетную
схему, соответствующую колебательной системе с одной crепевью
свободы. После введения в систему элемента, обозначенноrо на рис.
2.42 через '1 и имитирующеrо неупруmе потери эверrии колебаний
11 системе, с учетом npивципа д'Аламбера составим уравнение бала
Ilca сип:
Р JПI. + р в.п + Р упр == P.,1
ИЛИ
т (d 2 x/dt 2 ) + r(dx/dt)+ I;Cx==A cos (rot).
Iдесъ т
r(dxldt)
масса двиrателя; P IIlI ==т(d 2 x/dt 2 ) сила инерции; Ри-п==
сила неупруrих потерь; r == 271т; 11 == W (ютl W 1108 коэф--
х
P;I
х
Ip
,.
"
P)Z
С,
С 2
'12
11,
1.
12
"НС. 2.41a Схема амортизированво...
ro двиrате.ли
I Рис. 2.42. РасчетН8JI схема колебаний дви--
....
raTeJUI на подвеске относительно ОДНОИ из
обобщенных координат оси х
83
фициевт неупрyrих потерь (W пот энерrия, рассеиваемая в системе;
W подв эверrия, подводимая 1( lCолебателъной системе); Рупр==
==I:Cx
упрyrая сила деформированныx упрyrих элементов.
Orсюда может быть получено уравнение движения амортизирован
Boro двиrателя относительно :координаты х:
(d 2 х/ dt 2) + Щ(dх/dt) + ro: х == а cos (cot),
еде C1Jo== ..jI; C/ ';' частота со6стве :1:1. Х колебаний сиcrемы; а==
== А/т.
Решение этоrо уравнения известно:
а
х== -
-
СОS(C1Jt
ф),
.J (w2
ш
)2 + 4'12ш2
Рис. 1.43.. Частотная диаrpзмма фу...
:1: 11:: передачи ICолебатeJIЬВОЙ СИ J
стемы: С ОДКОЙ степенью свобоДЬJ
('11 >'12)
('де (L) крyrовая частота возмущающей СИЛЫ (в данном случае
она совпадает с yrловой скоростью JCоленчатоrо вала); '" ==
== arctg [2'1CJJ/( (J)"J.
rol)] фазовый сдвиr между перемещевием и BЫ
нуждающей силой 'E
1.
OrВЛeIC8JIСЪ ОТ фазы колебаний, несущественно влияющей на
энерrетичес:кие оценки, решение м ожет быть записан о в следующем
виде: x==K(oi)};PjI, ('де K«(O)== (.J( m2
ro
)2+ 4'1 2ro2)
1
функция
передачи колебательной сиcrемы. Фактически К(ш) JIВляется часто
ТНо....зависимым lCоэффициентом про..
порциональности между перемеще..
вием и силой, возбуждающей коле..
бавия. Ее величина при фИХСИРОJ)ан
НОМ значении ro определяетСJI не--
КJПOчителъво ynрyrомассовыми ха..
раICтеристmcRМИ колебательной си..
стемы, Т8.ICИми, жак т,
C, 1/. rрафи..
ческая зависимость К (ro }==f( ro), при
ведевная на рис. 2.43, ПОlC8.Зывает,
что ее значение изменяетСJI в завися..
МОСТИ от ClCopocтнoro режима рабо..
ты двшателя, достиrа.я максимума
при OJ == Ша (ш == хn/30; п число
оборотов коленчатоrо вала в мину
ту). Численное значение К(Ш )I1I"
определяется коэффициентом неyn--
руrих потерь в сист-еме '1. Чем ниже
уровень неynруrих потерь, тем боль..
те К (Сй)шах; при отсутcrвии потерь
(1]==0) К(ro>тц
оо.
110
К( (о)
Зона
рабочих
режимов
две
(0)>(00
(п»nо)
Ю]
(O==
= пn
t 30
84
expert22 для http://rutracker.org
Отсюда следует, что наибольшая aмшIИтуда колебаний и l\t1aK"
симум колебательной энерrии, передаваемой на ЭlCИпаж, достиrа..
IОТСЯ при совпадении (резонансе) чаcrот возмущающей СИЛЫ и
co6cтвe:I:I.. коле6.: н: системы (п==30ro/п==no==30roo/7r.). Для исклю..
IIСНИЯ резонанса необходимо либо не ДОПУClC8.ТЬ работу двиraтеЛJI
с п == 110 (обычно п» 110), либо понижать чacrоту собственных коле..
fiаний па ДО вьшолнения отмеченноrо ВЬШIе условия.
2.10.3. ПОНЯТИЯ ОБ ОСЯХ, ЦEНfPE ЖЕcrкоcrи
ПОДВЕСКИ И связАнныIx КОЛЕБАНИЯХ
Анализ колебаНИЙ две на подвеске относительно оси Х, выпл"
IIСНВЫЙ В предыдущем парarра.фе, базировался на допущениях о ра..
'\снстве 1. == 12 И С) == С 2 - Блarодар-я этому в рассматриваемом слу..
°lae сила U jI вызывала смещение двиrателя ТОЛЬКО в направлении
.. 1СИ Х, что, вообще rО80рЯ, является лишь чacrным случаем Невы..
Ilолнение любоrо из оrоворенных вышe условий приведет IC тому,
I ro сила, направленная crporo в направлении оси х, вызовет смеще..
IIHe двиrателя относительно двух (или более) координат. Для пояс..
IIСНИЯ этоrо рассмотрим колебания двс, изменив жеспсость З3.Днс..
I о упрyrоrо элемента так, чтобы С 2 == 2С] (рис. 2.44).
ПростеЙШИЙ анализ показывет:: для даниых условИЙ, учитывая,
'.1'0 реакции на опорах возникают за счет их упрyrой деформации,
IIОnyчим RI == C1A 1 ==R 2 == С1А.2 И, следовательно, A2==AI(CI/C2}==1/2!J'l.
'десь /1] и /12 деформации соответственно l..й и 2..й опор. Это
() Jначает, что в данной ситуации силовой фаICТОр, дейcrвующий
() rносительно одной из координат (х), вызывает смещение двиrа
I спя одновременно относительно двух :координат оси х и паво--
l'OTa на yrол р относительно ОСИ z. Такие колебания носят название
t)нухсвязанных (в общем случае АС1ЮZОС8ЯЗtlIOlЫХ).
Нежелательность феномена связанности колебаний очевидна. На
11 рактшсе уменьшить ИЛИ, наоборот, усилить эффект связанности
колебанИЙ возможно изменением положения JШНИИ действия В03--
('уждающей СИЛЫ. В пределе ЛИНИЮ деЙI;ТВИЯ можно Ор1Jентировать
() rносителъно элементов подвес:ки таким: образом, что направлен--
IIЫЙ вдоль нее силовой ф8.IC.тор будет Bы ы.Baть смещение двиrателя
IОЛЬКО относительно одвой из осей координат (на рис. 2.45 от..
lIосительно оси х). В данном примере ЭТО имело бы место при
Ilаправлении возбуждающих сил вдоль оси, разделяющей расстоя..
Ilие между опорами в отношении 2: 1 (/,==2/2). Тоrда R 1 ==11 1 C 1 ==
2RI ==2A 1 C., а тц как С 1 ==2С., то AI ==112' Это направление носит
11 l.звание оси жесткости подвески.
85
.....
<j
1: P il
Ось жесткости
...... .... .....
, ....---....
L
"EP i )
....-----IIIIIIIJIIIIIII.... --.--_-
"
\
..... .....
,
\
....
'1
,
I
.-.- .-...-.-..........---................-. .....-----..-.-
N
<1
("'ч
..(]
11
.....
-<::]
С 2 ==2С.
,
"
"-
.......
,
...........-...---............-.....
'.
12
/' С)
IJ ==2/2
'2
I С 2 ==2С.
Рвс. 2.44. Схема ВОЗНИIВовеНWI СВJlЗав..
вых колебаний
Рис. 2.45. Схема размещеВИJl оси .ест--
КОСТИ подвеса:в, паp8JШельноi оси х
Принциnиально их может быть три ЭТО ОСИ жесткости,
параллельвые ОСЯМ lCоординат Х, у и z. Они Moryт пересекаться
в ОДНОЙ точке (не обязательно!), хоторая в этом случае носит
название центра жесткости подвески.
Tu :как связанность :колебаний явление неж.елательное, ТО
при проектировRНИИ подвесICИ и выборе количества, размещения
и характеристик упрyrих элементов необходимо стремиться 1( со--
вмещению центра масс двиrателя (худа приложены инерционные
СlШовые факторы, возбуждающие колебания) с центром жесткости
IIОДВески (при ero наличии) ИЛИ совпадению ero с наибольшим
....
количеcrвом осеи жестlCОСТИ.
2.10.4. основныIE ТРЕБОВАНИЯ
К КОНcrРУКТИВшIМ ПАРАМЕТРАМ ПОДВЕСКИ
При проеlCТИрОВании подвески необходимо, чтобы ее ICObcrpyk--
ция удовлетворяла следующему минимуму требований:
. количество, размещение и упруrие характеристики элементов
подвески ДОЛЖНЫ обеспечивать отсутствие собственных резонанс..
ных колебаний в диапазоне частот вращения коленчатоrо вала
вшnе минимальных уcrойчивых оборотов холостоrо хода двиrа
теля (зона рабочих режимов двиrателя на рис. 2.43);
. материалы и IC.OHCТPYKЦWI упруrих элементов ДОЛЖНЫ обес--
печивать наибольший уровень неyпpyrих потерь (наибольшие вели
ЧИНЫ '1); ..
. при проработICe констрynиввых вариантов" предпочтение сле
дует отдавать тем из вих, в которых набтодается совмещение
центра масс с наибольшим ICоличестJЮМ осей жесткости.
86
--
..
ЦМ
а
а
65 71
t'fj
1 1
r")
941..1
48
б
Рис. 2..46. Схема DОдвеCПI (а) в вариант lCонстр : I I упрyrих элементов (6) автомо-
бильвorо двиrатела
На рис. 2.46 в DЧecrвe примера npиведевы схема размещения
и вариант ICонструкции упрyrиx элементов поДDeCICИ автомобилъ
Horo двиrатеЛJl.
rЛАВА з
- ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И
ПРЕДПОСЫЛКИ К РАСЧЕТУ ДЕТАЛЕЙ
двиrАТЕЛЯ НА ПРОЧНОcrь
3.1. ЭКСПЛУ АтАциоIпIыЕ
ТРЕБОВАНИЯ К ПРОЕКТИРУЕМОМУ
двиr АТЕЛЮ
Проектирование двиrателя является сложным процессом, при
lCотором специалистам ПРИХОДИТСЯ решать комплекс проблем, свя"
занных с удовлетворением требований, определяемых назначением
двиrатепя и условиями ero эксплуатации. Для создания ВЫСОlCопро"
....... ...
И380дительнои, ЭКОНОМИЧНОИ в эксплуатации и ЭlCолоrичесхи ЧИСТОВ
..... ..,.......
транспортнов, дорожв троительвои и сельсхохозяиствевнои тех--
ники автотракторные двиrатели ДОЛЖНЫ обеспечивать:
. высокую надежность в разнообразных ЭJCCПJIy8Тадионных
условиях;
. необходимые эверrетичесхие и экономические характеристиlCИ
на всех режимах работы;
. нормативные ЭlCолоmчеспе параметры двиrателя;
. хорошие пусковые качества;
. пеrlCОСТЬ управления и автоматизацию работы;
. простоту техничсскоrо обслужив. .I И ремонта;
. минимум экcnлуатационВЬ1Х затрат.
ОДНОЙ из основных эксплуатационных характеристик двиrателя
являетс.я ero надежность, поскольку с ее уровнем напрямую связаны
затраты на поддержание работоспособности и расходы, вызванные
,.,..
простоем маишны из..эа отхазОВ энерrетичеClCОИ устанОВICИ.
ПОД наде:нсностью понимают свойство объекта сохранять раб о..
тоспособностъ на установленном уровне ЭICсплуатационных показа..
-...
телеи при заданных условиях ero эксплуатации и реМОНТОВ В течение
требуемоrо промежутка времени и (или) требуемой нарабоТICИ.
88
3.2. выIорp ТИПА И основных конcfрvк1ивных
ПАРАМЕТРОВ ДВlffАТЕЛЯ
Освовополаrающим документом при разрабопre энерrетической
устанОВICИ машин, определяющим идеолоrию ее lCонструкции, .явля..
стся техническое задание. В нем оrовариваютс.я назначение, условия
)ксплуатации и моторесурс двиrателя, а таюке есо энерrетичесПlе,
)кономичесmе, ЭICолоrичеСlCИе И весоrабаритные характеристики.
На выбор типа двиzателя решающее влияние ОICaЗывают назна--
чение и условия эксплуатации двиrателя, а таюке заданные уровни
cro ЭICономичеCICИХ (эксплуатационный расХОД топлива) в ЭlCолоrи..
чесlCИХ (эмиссия ТОICСИЧecICИХ компонентов и уровни шума и виб-
раций) показателей.. При ЭТОМ ИСХОДЯТ из Toro, ЧТО дизели по
сравнению с ДсИЗ обеспечивают существенно более НИЗПlе (до
40%) ЭICСШIуатациовные расходы топлива, имеют меньшИЙ ИСХОД'"
IIЬШ уровень выхода ТОICСИЧесIOlX ICOМnOHeHTOB, менее критичны
к номеИJUIатуре используемых ТОШIив. их основные недостатки:
большие уде.пьная масса и ra6аритны.й объем, а также высокие
u
уровни шума в значительнои мере нивелируются ВОЗМОЖНОСТЬЮ
использования наддува в широком спектре эксплуатационных режи--
МОВ. К дocroинствам ДсИЗ следует отнec:rи ПQЧТИ вдвое меньnше
удельную массу и rабариТНЫЙ объем (ПО сравнению с безнаддувным
J,изелем). В связи с отмеченным дизели в настоящее время ЯВЛЯЮТСЯ
()СНОВНЫМ ТИПОМ энерсетичесICОЙ уcrановПI для rpузовых автомоби
IIСЙ, автобусов, тракторов и дорожно"строительных машин. Двиrа..
l еJIИ с искровым зaжиrанием устанавливают преимущественно на
JlerKoBых автомобилях, у которых достоинства связаны с их XOpO.-а
IUИtdИ массоrабаритнЬUdИ ПОlC.азателями. Вместе с тем следует от..
метить расширение применевия дизелей и на леrковых автомоби..
IIЯХ, особенно на такси.
Последующие crадии разработки двиrателя начинаются с выбо..
ра способа получения комплекса ОСНОВНЫХ ИСХОДНЫХ по:казателей
IlроеlCтируемоrо двиrателя, таких, :как номинальная мощность Неи;
удельная масса gN и rабаритный объем двиrателя V r -
Требуемое сочетание заданных параметрО8 возможно получить,
Ilарьируя значения рабочеrо объема ДВllI'ателя iV,., номинальной
'.астоты вращения колевчатоrо вала дви['ателя п.., среднесо эффеж..
..,
I ивноrо давления Ре с учетом технических воз ожностеи и ЭКОВОМИ'"
,.есICОЙ целесообразности их реализации.
Номинальная МОЩНОСТЬ двиrателя при прочих равных условиях
Ilропорционалъна есо рабочему объему. Однако с увеличением iV,.
существенно возрастают raбариты и масса lCонструкции, повьппа..
с rся расход топлива. В связи с этим за последние десятилетия
"'"
I ) (Iределилась тенденция повьпnеНИJl энерrетичесЮlХ показателеи
89
и с: .' ения мЩ'аллоеМICОСТИ конструкции ДВИI'ателя путем форсиро--
ванив ero по nИОN и p .
Увеличение номинальной частоты вращения lCоленчатоrо вала
..,.
двиrателя ПРИВОДИТ IC ПРОIIОРЦИОНальному росту номинальнои МО"
ЩНОСТИ, НО при этом соответственно увеличиваются инерционные
нarрузки на элементы двиrателя ( , ухудшаются ЭJ(ОНОМИЧес
!СИе показатели двиraтеля и сокращается ресурс за счет роста Сп.-vrlвoм,
а также возрастает эмиссия токсических компонентов и шумность
есо работы. Пределы форсирования по частоте вращения дизелей
оrpаничиваются возможностями орrанизации эффеlCТllВноrо проте.
lCавия процессов смесеобразования и сrорания, а также ДОПУСТИ
:мым уровнем инерционных наrрузоlC на есо элементы. Вследствие
t&.IIII
этоrо практически для всех ТИПОВ двшателеи различныx транспорт..
вых средств устанОDИЛИСЬ рациональные уровни предельных зваче..
u
нии п-зм.
Форсирование двиrателя по p достиrается rлавным образом
применевием наддува. Этот способ позволяет получить заданную
N q при относительно невысоких 1lвoM. Практическая возможность
ero ИСПО1lЪЗования в ДсИЗ оrраничивается ухудшением при этом
экономических и ЭlCолоrических характеристик двиrателя и при
меняется в основном ICраповременно на форсированных режимах
есо работы. Широкое использование наддува в дизелях ООъясняercя
блаroприятным есо влиянием на характер протекания процессов
смесеобразования и сrорания И, IC8.I( следствие этоrо, улучшением
ЭICОНОМИICо--эверrетических и ЭlCолоrических характеристик двиrа..
тели. Увеличение p при наддуве прахтичесхи пропорциовально
...,
степени повьnnевия давления 1tz, значение ICоторои оrравичиваетсSl
...,. ....
в основном допустимым уровнем тепловои и механическои на..
rруженности элементов двиrателя и ТРУДНОСТЯМИ обеспечения за
данноrо ero ресурса.
Количество цилиндров двиrателя определяется рациональным
рабочим объемом цилиндра V,. и соотношением ero rеометрических
параметров S и D с точки зрения ВОЗМОЖНОСТИ орrанизации эффеlC
mвHOCO протекания в нем рабочеrо процесса.
Основная масса автотракторных дизелей, выпускаемых промы--
....
тленностью, имеет диаметр цилиндра, нахоДЯIЦИИС.я в диапазоне
100...140 мм. При меньших диаметрах цилиндра ухудшаются усло
Бая смесеобразования и сrорання из..за снижения интенсивности
движе-!ШЯ воздуmноrо заряда, а при больших возрастают тепловые
и механические нarрузки на rоловху цилиндра и JJоpmенъ.
В ДсИЗ максимальное значение диаметра циливдра оrpaничива
.... ...
ется деТQНRциеи, вероятность ВОЗВИlCНовения lCоторои повышается
.
9с
с увеличением расстояния от электродов свечи до наиболее удален
Bых объемов топливовоздушной смеси. Ввиду этоrо диаметр ЦИЛИВ--
дра ДсИЗ не превъппает, lCак правило, 105 мм.
При выбранном D ХОД поршия S опредеШIeIСЯ коэффициентом
ICОРОnCОХОДНОСТИ k== SI D.
С увеличением количества цилиндров улучшается равномер.-
ность хода двиrателя, облеrчается пуск, уменьшается масса махо--
вика. Вместе с тем увеличение количества цилиндров приводит
IC усложнению lCовcrpуJCЦИИ и росту затрат на обслуживание в ЭJ(СП
луат8ЦИИ двиrателя.
При отмечевных Bыme диаметрах цилиндров на Cpe.I:I X, боль...
merpузвых автомобилях и автобусах устанавливают npeимущест
вевно mести...а и восьмицилиндровые двиrатели. для леповых авто..
мобилей в большинстве случаев применяют четырехцилиндровые
двиrатели.
При определенном числе цилиндров решающее влияние на rаба..
рИТЫ, rеометричесхиi объем и уравновешенность двитателя о:казы--
вает способ ИХ lCомпоновки. для автомобильных и тракторных
""
двиrателеи преIOdущественное распространение получили ICOМnOBO"
вочные схемы с расположением цилиндров в один (линейные двиrа..
тели) или два (V бразвые двс) ряда с различным yrлом }' между
осями цилиндров левоrо и правоrо PJIДOB.
Среди четырех.. и шест. 1. ВI Jровых двиrателей преобладают
модели с ОДНОрЯДНЫМ расположением a IJ.. 'РОВ. ДВШ"Rтели, вы...
ПОJШенные по подобной схеме, хорошо компонуются как на авто--
мобилях с кабиной за двиrателем, так и на автомобилях с кабиной
над двиrателем. Они имеют достаточно простую конструкцию
блок"картеров и удобны для обслуживания в процессе ЭICСШIY
атации.
Значительно реже примевяют mестицилиндровые двшатели с V
образным расположением ЦИЛИНДРОВ. ОДНИМ из преШIТСТВИЙ .J( при..
'"'
меневию тaJCIIX двиrателеи является веравномервость чередования
рабочих ходов при наиболее распространенном yrле развала цилин
J\POB 900. ИСlCЛючение составляют рассматривае:мые двиrатели со
" ..,
смещенными шатунными mеиками :коленчатоrо вала для каждои
Ilapbl шатунов сме :1 _.' ЦИЛИНДРОВ. ПrИ ЭТОМ достиrается равно..
мерное чередование рабочих процес..сов отдельных цилиндров, во
усложняется конструкция .коленчатоrо в?Д]а.
В двиrателях с количеством цилиндров восемь и более применя..
.ОТ ИСICJПOчителъво V образвое расположение ЦИЛИНДроВ.
Достоинством V образных двшателей по сравнению с одвор.яд..
.... ..,
IlbIМИ ТОИ же мощности является уменьшение удельнои массы ДВИ"
l"aTeJIJI, ero rабаритвых разМqIOв (ДЛИНЫ и высоты) И, как следcrвие,
Ilовыmение жесткости блоlC картера И коленчатоrо вала.
91
При ICонструировании V--образвых двиrателей особое внимание
уделяют выбору yrла развала цилиндров }', от значения lCoToporo
зависят уравновешенность двиrателя, равномерность ero хода и ra..
барит вые размеры.
Одним из В. : ... аспектов при проектировавии двиrателя явли..
ется выбор ero сиcreмы охлаждения, ICоторая в значительной мере
...
определяет ero конструкцию и эксплуатационные СБоиcrва.
Несмотря на простоту и более высокую надежность в ЭlCсШIУ
атации, системы воздушноrо охлаждения находят оrраниченное
прим:енение rлавным образом на транспортных двшателях малой
мощности из--за rлавноrо CBoero недостатка: невозможности эффек",
тивноrо обеспечеНИJI теШIоотвода от соловок цилиндров и портней
двиrателей при их форсировании наддувом.
Поэтому с учетом сложившейся в мировой пракТИlCе тенденции
повыmения удельных мощностных и экономических показателеи
двиrателей за счет форсирования рабочеrо процесса преимущеcr
венное распространение получила система жидкостноrо охлажде..
ПИЯ, которая обеспечивает стабильное теШ10вое СОСТОJIНИе двиrа
теля в mироком диапазоне.сlCОрОСТНЫХ и вarрузочных режимов есо
эксплуатации.
3.3. ОПРEДEЛEIПIE рАсчЕтных НArPУЗОК
И РЕЖИМОВ
Во время работы двиrателя механические нarpузlCИ на детали
двиrателя вызываются силами давления rазов Pr, силами инерции
поступательно дв.ижущихся и вращаюЩИХСJI масс , силами трения,
также упруrими колебаниями, развивающимися в результате
перемеШlОСТИ и периодичности действующих сил. В элементах
двиrателя имеют место таюке термические напряжения, возника...
IOщие в ТОМ случае, если по объему детaJШ имеется rpадиент
температур.
При расчетах деталей двиrателя на прочность ОСНОВ :1. I I на..
rрузками JIВЛЯЮТСJI СИЛЫ давления rазо.в Pr В инерционные силы 1'.;.
эти силы на болъшинcrве эксплуатационных режимов работы дви..
rатепя взаимно уравновешивают дрyr дрyrа, поскольку они ДО'"
стиrают максимальных значении практичесICИ одновременно при
положении порпmя в вмт в начале хода расширения и при этом
противоположно направлены.
За · расчетные .. , мы выбирают наиболее тяжелые из ЭI<:СПЛУ'"
... w
атационныx J а именно тахие режимы, при которых ОДВОИ из деист..
ВУЮЩИХ сил можно превебречъ. К НИМ можно отнести:
. режим пуска (ICorдa происходит первая вспышка);
92
. режим максимальноrо крутящеrо момента М.. тах при частоте
Ilращения 1ZМ;
. режим: максимальной частоты вращения :коленчатоrо вала при
колостом ходе.
Первые два из указанных режимов характеРИЗУЮТСJI максималъ..
IIЫМ: значением СИЛЫ давления rазов (Р rm.J, вarружающей детали
Jtвиrателя. При расчетах на этих режимах действием сил инерции
11 ренебреrают.
На третьем расчетном режиме силы инерции дocтиrают наибо--
JIЬишх значенИЙ, а давление rазов незначительно. Для дизелей мак..
сималъная частота вращения холостоrо хода nХПJ&Х == (1 ,05...1 ,О7)n вом
и определяется работой реryлятора. для двиrателей с искровым
lажиrанием без оrраничител.я частота вращения принимается
tl хmax ==(1,4...1,6)п.юtoо а с оrpаничителем частота вращения п хтах ==
(1,1...1,15)nВoM.
Расчет тепловоrо и наПрJIженно деформированноrо состояния
J,сталей по дефектам, ПРОЯВЛЯЮЩИМСJI на длительном периоде экс"
IIлуатации (уcraлоствые полоМICИ, износ и Т. д.), производится на
Ilаиболее характерном ЭlCсплуатационном режиме работы. В lCачест--
IIC TaKOBoro ДЛЯ aBToтpaкTopных двиrателеи принимается режим
IIОМИНальной мощности Неком при частоте вращения коленчатоrо
.,ала -пвйм-
3.4. РАСЧЕТ Д:ЕТАЛЕй двиrАТЕЛЯ НА прочноcrь
с УЧЕТОМ пЕрЕмЕнных НArРУЗОК
Мноrие детали двиraтеля (lCоленчатый -вал, шатун, Dорumевой
Ilалец и др.), работающие в условиях ЦИICличесlCИ изменяющихея
11 l.rрузоlC, разрушаются при максимальных напряжениях, намносо
меньших предельно допустимых при их статическом вarружении.
11 ричиной этих разрушенИЙ является усталость материала.
у сmалость материала ЭТО JlВление разрушения детали при
11()здействии на нее болъmоrо числа повторво--переменвыx ваrруже--
IIИИ. Особенностями усталостных разрушений являются:
. внезапность проявления, минующая (.,-тадию пластических де..
сll()рмаций;
v
. поломки происходят в местах lCонце}; ..рации напряжении;
. предельно допустимые напряжения определяются не только
.'.IОЙСТВами материала и lCовфиrypацией детали, во зависят и от
'""
А.' рактера циклов напряжении.
Циклом напрЯ3ICений назывIoтT СОВОКУПНОСТЬ всех значенИЙ пере--
I\IcIIных напряжений за один перИОД процесса их изменения (рис.
, 1).
93
cr
IlltКJI
1:
Ь
а й
й'т
ай
t
Ii::
...
1:.
Ь
Рис. 3.1. Цикл вапрJlIеНИЙ
Общим случаем ЦИl(ла напряженИЙ является асимметричный
цикл. КаЖДЫЙ из их совокупности характеризуется маICСИМаль..
ным t1ПU1Х , минимальным Uпain и средним (Jт (a m.I + иmiQ )/2 вапряже..
пиями цикла, а таюке амплитуДОЙ t:1а==(t:1mп t:1miD )/2 И коэффици
ентом асимметрии цикла r== (1min / t1 mu . Экстремальные напр.яжения
цикла а т8 х И U m1n соответcrвенно равны: ишах==ит+а ll ; Umiп ==ит.....а а .
Наиболее харaICтерными частными случаями аСИl\4Метричноrо цикла
являются цикл симметричный (а т == О, t:1 Q == t:1min == О'шах, r== 1)
и ЦИI01 статическоzо наzружения (аа==О, Gm= O'nnn ==O'max, r== 1).
При расчете на прочность ПОД действием ЦИЮIИчесlCИ изменя
4.
ЮЩИХСЯ ВО времени нarрузоlC за предельно допустимое принимается
напряжение, назьшаемое пределом выносливости. Предел вьmосли
вости а, определяется жак максимальное напряжение в циклах
с одинаковым коэффициентом асимметрии r, которое может Bыдe
жать мет3.Ш1 без разрушения при заданном числе (обычно 10)
l!ИКЛОВ наrружения.
Наиболее опасным ДЛЯ усталоствых разрушенИЙ являетс.я сим..
метричный ЦИl(л. Этот ЦИКЛ по сравнению с друrими циклами имеет
наибольшую амплитуду при одинаковых значениях а шах .
Влияние коэффициента асимметрии r на предел ВЫНОСЛИВОСТИ
может быть установлено по диаrpаммам предельных амплитуд
(рис. 3.2), полученных по результатам экспериментальных иcпыа
пий цилиндрических образцов. Эrа диarрамма строится в коор.-
динатах UQ........U m И характеризует зависимость предельных аМШIИТУД
цикла ОТ значения коэффициента асимметрии.
На диаrрамме предельных амплитуд точка А соответствует
пределу выносливости при симметричном цшсле (1 1, ТОЧ1С8 D
пределу текучести ат, а точка V пределу прочности при ПОСТОЯВ..
ной наrpузке (1.. Луч, проведенный из начала кl>ординат через
точку N с координатами и а и а"., является rеометрическим местом
V ....
точек, соответСТВУЮЩИХ вееи возможнои совокупности ЦИICЛОВ
94
С1 а
А
(1'". ""
r==
rr ',1 + ("J 1I
....
.
t>
Ь b
v r ==]
б,,,
ат
От,
от
a l .
Рис. 3.2. Двarp , ,; преДeJIЬВЬIX aмптnyд
с одинаковым коэффициентом асимметрии т, T3.IC JCaJ( tg1 t1,Jt1т==
(1 r)/(1 + т).
Сумма координат этой точки равна М3.ICсимальному рабочему
I.апряжению цикла ищи -
Предельная амплитуда ДJIJI цихла с заданным :коэффициентом
.tсИММетрии нахОДИТСЯ на пересечении продолжения луча ON с КРИ--
IIОЙ диarраммы (точка В), а предел ВЫНОСЛИВОСТИ (1, ках сумма
координат этой точ:ки: (/,== (/а,+ (Jmr-
для деталей из пластичных материалов опасен не ТОЛЬКО факт
разрушения, но и воз lа:. овение остаточных деформаций, т. е.
Ilроявление текучести. Поэтому из области, оrpаниченной линией
А У, все точки :которой соответствуют циклам, безопасным в от..
Ilоmении уcrалостных разрушении, выделяют зону 2 соответству..
IОЩУЮ ЦИICлам с максимaJIьным.. напРИЖСНИ.Jll\{И, меньшими ире..
J{ела текучести. Для этоrо из ТОЧХИ D проводят прямую под yrлом
450 К абсциссе ДО пересечения с ' ':I ей А. V в точке с. ТОЧКИ,
I(ежащие выше I I.I и сп, будут cooтвeтcrвoвaTЬ :цих.л:ам с мах..
симальными напряжениями, превышающими предел текучести
(G шах > ау). ТаlCИМ образом, цихлы, безопасные в отношении уста--
JIOCТHoro разрymенив: и ВОЗВИlCНовения текучести, расположены
11 области ОАспо. В принципе участок диаrраммы АС криволиней..
..,
IIЬШ, однахо ДJll1 Пр8JCТИЧесlCИX расчетов возможно схематизировать
J(Иarpамму предельных амплитуд (рис. 3.3). Для этоrо кривая АС
lаменяетСJl ПРЯМОЙ, проходящей через точку А до пересечения с ли...
I.ией Сп. Луч ОС делит диаrрамму на два участка: слева находятся
Ilce ЦИКЛЫ, для IcoTopых. прочноcrь лимитируется пределом вынос...
IIИВОСТИ и, (участок 1), справа пределом текучести а у (участок I/).
Ilоложение разделительноrо луча определяется yrлом )'т, тaнrеис
KOToporo
95
116 == и I/аа, nc == т I/TQ.
Для расчета запасов орочности по пределу выносливоcrи
"61 асимметричных ЦИlCЛОВ обычно пользуются процедурой приведе
IIИЯ асимметричноrо цикла к эквивалентному симметричному. Про--
и:Iволъный асимметрИЧНЫЙ ЦИIШ с lCоэффициентом асимметрии r
считают эквивалентным симметричному с амплитудой (см. рис. 3.3)
fТ:- (J Q + а.р т, r де а. 6 tg ер коэффициент приведения заданноrо
асимметричноro цmшa к эквиваленmому симметричному. Коэ
.llициент (%6 зависит только ОТ е80Йcrв материала. Тоrда запас
11 рочности для асимметричноrо ЦlПCЛа будет равен
D' ....... I
n" ==
(1" + а.аа m
.
Аналоmчно, ДЛЯ касательных напряжеНИЙ:
1' 1
n"(
1'" + 1:".
.
.
Из диаrpамм предельных напряженИЙ получено выражение для
lапаса прочности без учета концентрации папряжений, вызываемых
наличием в деталях резких изменений ее формы, абсолютных раз
меров и качества обработlCИ поверхности. Влияние на запас прочно..
с rи вышеперечисленных факторов ДЛЯ lCонкретной детали учитыва...
с rся эффеlCТИВным коэффициентом концентрации напряжений
К6 (К 1 ), масmтабным фактором е:, ( ) и технолоrическим фактором
"( 1' )
':" \E .
ЭффективнЫЙ коэффициент концентрации напряжеНИЙ (KJ
Ilредставляет собой отношение предела выносливости образца при
Ilarpужении ero си:мметричвым ЦИКЛОМ в случае отсутствия в нем
концентрации напряжений IC пределу выносливости образца тех же
...
раз еров, НО при наличии в нем концентрации напряжении.
Масштабный фактор E ( ) равен отношению пределов BЫНOC
....
IIИВОСТИ при тех же условиях вarружевия В""ТУРВОИ детали и I'лаДI(ИХ
()бразцов диаметром 7...10 , изrотовленвых из Toro же металла,
11 ro и деталь.
Технолоrический фактор Е:; (e ) представляет собой отношение
Ilредела вывосливоcrи образца с поверхностной обработlCОЙ, анало
."ичной обработке детали, IC пределу выносливости полированноrо
с rандартноrо образца.
С учетом влияния lCонцентрации напряжений, размера и качества
()бработки поверхности детали выражение запаса прочности при
97
расчете по пределу выносливости для нормальных напрJDICении
имеет вид
а .......1
п ll == ,
( I t,,(J а" + rltsf1m
...
для хасательвых напряжении
T I
n.r== (K I ' " ) ·
'[/ '( 1'a+ Tт
При сложном напряженном соcrОJ.UIИи (при совместном дейст
вин переменных ка.сательных и нормальных напряжений) напр.яжен
Н«rдеформировавное состояние детали оценивается суммарным: за
пасом прочнQCТН
1I"п'(
пЕ == ·
J 1I2 +",2
11 '1'
3.5. МЕТОДЫ РАСЧЕтноrо МОДЕЛИРОВАНИЯ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОР ОВАНноrосостояния
и ТЕПЛОВЫХ полЕй ДЕТАЛЕй и УЗЛОВ две
в процессе работы в ICОНСТРУIЩИИ двиrателя имеют место изме..
IlяющиесJJ по объему ero элементов температуры, перемещения,
напряжения и дрyrие факторы, определяющие их нanряженно..де..
формированное состояние. Для определения ЭТИХ факторов необ..
ХОДИМО математически описать их связь с конструктивными пара..
метрами элементов, в которых они существуют.
ТеоретичесICИ данную задачу можно решать аналитически. Одна--
ICО практически этот путь малопродуктивен вследствие сложности
аналитичесКИХ моделей, описывающих данное явление. Поэтому
в настоящее время при решении подобных задач используются
методы ДИСlCретноrо моделирования, lCоrда деталь сложнои кон..
фиrурации представляется системой rеометрически простых элемен--
тон, в пределах которых связь между условиями на их rранице
..."
и характериcrи:кои поля описывается математически, а rраничные
условия на «Входе») идентифицируются по аналоrичныM парамет..
рам на <<выходе» соседнеrо элемента. Реализация данноrо подхода
требует больmоrо объема вычислительных работ и стала доcryпной
для практичеСlCоrо использования в результате развитии современ..
... "
НОИ вычилителъноии техники. ·
98
Наибольшее распространение в праICтихе двиrателестроения по...
JIУЧИЛИ методы конечных разностей (МКР) и конечных элементов
(МКЭ). .
В первом случае решают дифференциальные уравнения с задан
IIЫМИ rра.ничвыми условиями. во втором случае (МКЭ) мивимизи
руетСJl ивтеrралъная величина, связанная с соответСТВУЮЩИМ диф..
ференциальным уравнением.
При определении поля перемещений в системе минимизируется
Ilотевциальвая энерrия рассматриваемой системы. Для моделиро--
...
Ilавия распределения напряжении минимизируют ДОПОJIНитеJThНУЮ
работу системы. При определении ПОЛЯ температур мивимизирует
ся фунхциовал, описывающИЙ перепое теплоты.
При использовании МКЭ анализируемую непрерывно изменя--
смую величину в детаJШ двиrателя (температуру, давление, переме..
Ilжение) апnро:ксимируют дискреmой моделью, lCоторая описывается
множеством кусочпо"непрерывных ФУВICЦИЙ, определенных на ко-
Ilечном числе подобластей элементов. Совокупность данных эле--
ментов формирует рассматриваемую систему. Элементы в зависи
мости от их lCонфиrурации и типа задачи (одно-, двух.., трехмерной)
нзаимодействуют между собой в тоЧlCах, по л r: : ям И поверхностям.
lначения анализируемой величины рассчитывают в конечном числе
.'ОЧeIC (уз.lUlX) рассматриваемой области дискретной модели, а за
..еы, используя известные свойства кусочно"вепрерывых ФУНКЦИЙ
(функцИЙ формы, lCоторые обычно задаются в виде полиномов),
Ilаходят значения данной величины в любой точке элемента.
В качестве элементов используют фиrуры достаточно простой
( OPMЫ, кусочно"непрерьrвные фymщии, lCоторые однозначно описы..
IJаются в элементе по их значениям в узловых точках.
Исходя из этоrо, при построении конечно..элементвой модели
..,.
решается следующии ICОМШIеlCС задач.
1. В исследуемой дет8JШ. задают конечное ЧИСЛО узловых точек.
Они выбираются в тех местах, в которых целесообразно задать
I раничвые условия, а также там, rде необходимо детально описать
конфиrурацию детали ИЛИ определить исследуемую величину.
2. В зависимоcrи от размерности задачи и от расположения
узловых точек исследуемую область разбв:вают на lcонечныe эле..
менты. В качестве элементов MoryT выбираться стержни для одно..
мерной задачи; балки, треуrольнИICИ, четырехуrольниlCИ для
двухмерной; балu, тетраэдры, призмы и Т. п. для трехмерной
lадачи. Выбор вида жонечноrо элемента определяется простотой
lадания ero ФУНКЦИИ формы, rпадкоетью этой функции и/или ее
IJрОИЗВОДНЫХ на rраницах при переходе от элемента IC элементу.
Цилиндрические детали в ряде случаев можно рассчитывать в осе..
симметричной (двухмерной) постановке. Степень дискретизации
99
<<rYCTOTЬD) сетКИ из ЭllемеНТQВ определяется необходимой точно..
" ...
стью описания rеометрии детали, задания деиcrвующеи нarрузки
а также потребностью описания изменения аваJIИзируемоrо параме
тра в определенной области, в КОТОроЙ, например, большие тем..
пературные rрадиенты ИЛИ вanр.яжеВIUI. Обычно исследователь
обозначает контуры разбиваемых областей детали, задает crепенъ
их Дискретизации и тип используемых ICонечных элементов, а пре--
процессор конечно..элементноrо lCомnлекса выполняет разбивку ЭТИХ
областей автоматичесlCИ по специальному aлroритму.
Естественно при ПОВЬПIIении размерности задачи и степени ДИСК--
ретизации исследуемой детали растут требования IC возможной
производительности вычислительной техники, ее быстродействию
и объему памяти, ашоритмическим возможностям используемых
проrраммных ICОМШIексов, что определяет качество и вреldЯ рас..
четОВ.
3. В узловых точках ШIИ на rранях элементов задаются rраиич--
'"
вые условия в зависимости от реmаемои задачи: перемещения,
2
2]0
220
210
190
170
1М
14)()
100
130
220
210
(, (/ с I
а
./
О'.,МПа
б
Рис. 3 4. Температурное -поле (а)
и мивимальвыe rлавные напр:аже--
ИИJl порmии ДИЗeJU[ (6), полученвыe
v
с помощью I[онечно..элементарнои
модели (8)
силы, давления (задачи теории упрyrости), температуры, lCоэффици...
СНТЫ теПЛОQтдачи или тепловые потош (тепловые задачи).
4. ПРОИЗВОДИТСJl расчет анализируемой величины относительно
узловых точек и затем с использованием фушщий формы элементов
... ""
рассчитываются распределения перемещении, напрюкевии, темпера...
ryp, lCоторые обычно визуализируются nостпроцессором. конечно-
-лемевтноrо комплекса в rрафической форме в виде изолиний или
.... ...
изоповерхвостеи в рассматриваемои детали.
На рис. 3..4 представлены конечно элемевтная модель, тeМJIepa
I урное поле и напрJDКения поршня дизеля.
Использование МКЭ при проеlCтировании, исследовании две
Ilce в большем объеме внедряется в практИICУ двиrателестроения. Он
Ilримевяется для реmения тешIовых, прочностных задач, исследова...
IIИЯ колебаний деталей двс, задач динамики ЖИДКОСТИ и rаза,
! таюке акуcrиlCИ двиrателей. В последнее время для решения по...
следних трех задач начал применяться метод rраничных элементов
(мrэ).
rЛАВА 4
ЦИЛИНДРОВАЯ rP
и КАРТЕРЫ
Корпус двиrателя является комплексом базовых элементов, на
которых монтируются ero основные механизмы и системы, а также
устройства, с помощью ICоторых обеспечивается установка две на
транспортном средстве. Корпус формируется совокупностью следу
ющих элементов: цилиндров или блока цилиндров, ZOA08KU цилиндров
и картера, обычно состоящеrо из двух разъемных частей. Нижняя
часть в двиrателях с мокрым картером является емкостью для
масла и называется масляным поддоном.
В автотракторных две внутрицилиндровые пространства фор..
мируются съемной ZOA08KOи цилиндров, IC:оторая с помощью анкер--
ных (cuлoвых) шпилек (оолтов) фшссируется на блоке, а стык между
НИМИ, назьmаеМЫЙ zазовы-м стыком, ..УШlотв.яетСJl проlCЛaдlCОЙ. Име--
ются конструкции С .моноблочны.м корпусом, в lCоторых блок и ro
....
ловка цилиндров ВЬШОЛНЯЮТСJI В виде единаи отливки.
В двиrателях разноrо назначения указанные элементы MorYT
иметь различную конструкцию в зависимости от lCоличеcrва, раз...
меров и способа КОМПОНОВКИ ЦИЛИНДРОВ. В aвToTpaKTopныx две
наибольшее распространение получили компоновочные схемы
с расположением цилиндров в один ряд линейные (однорядные.
рядные) и два ряда V pa3Нble (двухрядные). KoмnoHOBxa кор.-
пуса и КОНСТРУICЦИЯ отдельных eFO элементов во мноrом определи--
ются ТИПОМ системы охлаждения двиrателя. Так, для двиrателей
с жидкоcrвым охлаждением возможно объединение цилиндров
в единый узел, называеМЫЙ блоком ЦU/lUН,дpoв. В двиrателJIX с воз
душным охлаждением используются индивидуальные оребренные
цилиндры, что определяется техволоrичесlCИМИ сложностями ОТЛИВ--
lCИ ИХ В виде единоrо блока. В ряде случаев цилиндры оснащаются
съе:мными элементами, называемыми zильзами (втулками) цилинд.-
ров. В практике двиrателестроения при наличии технолоrических
возможностей предпочтение отдается блочным lCонструкциям xop
пусных элементов, что позволяет обеспечить наибольшую жест..
lCость корпуса без существенноrо увеличения есо материалоеl\.fICОСТИ.
В связи с ЭТИМ в aвToTpaKTopHых двиrателJIX с жид:коствым охла..
ждением блох цилиндров и верхнюю половину Юiртера обычно (при
102
количестве цилиндров в ряду менее шести) вьшолwпoт в виде
единой отливщ называемой б.JЮк картером.
На ICонструхцию корпуса две в ряде случаев решающее влияние
оlcазывIoтT условия ezo работы, такие, lCах:
. большие I ' . ес:кие наrрузки ОТ rазовых и инерцио .1.1. t' сил;
. высокие TeъmepaTypa, давление и СlCорость движения во
8Пyrpициливдровом пtюCтраНC'fое рабочеrо тела, содержащеrо к.ор-
розионно аlCтивные элементы;
. значительные относительные СlCорости перемещения сопри....
w
женных элементов цилиндропоршневои rруппы и ПОДШИПНИКОВЫХ
узлов при больших удельных давлениях между ними;
. большие rpадиенты температур по объему элементов при
....
высоlCОИ степени их BarpeBa;
""
. коррозионное и эрозионное воздеиствие на наружные элемен--
'"
rbl корпуса со стороны охружающеи среды.
Функциональное назначение и условия работы :корпуса двиrа
rепя и отдельных ао элементов формируют ряд фундаментальных
требований к ezo кош:трукци.и, таких, как:
. макСIOdалъва-я :жеCТICОСТЬ lCонструкции, что необходимо для
оrpаничения деформаций, которые мосли бы привести к. изменению
8заимноrо расположения сопряженных подии f :1.' элементов с ча...
стичвой (повьnпенНЬ1Й износ) или полной (зажлививание или полом..
ка) потерей их работоспособности;
. минимально возможная масса (в сооременвых автотрактор..
IIых двиrателях масса корпуса составлиет 25.. .35% от массы BcerO
Jtвиrателя).
у довлетворевие ЭТИХ двух в значительной мере противореЧИВЫХ
(-ребованИЙ является IШючевой проблемой lCонструирования IC0Jr
IIYca двиrателя.
4.1. КОРПУCIПdE ЭЛЕМЕНТЫ двиrАТЕЛЕЙ
ocrнoro ОХЛАЖДЕНИЯ
Блоки в картеры. Блок 11 I I: ДРОВ состоит из следующих элемен
[ОВ: боковых и торцевых стенок, II ' ядрон, межцилиндровых пере--
мычек (В некоторых конструкциях МОЖе1 oтcyrcтвoBaть) и верхней
..оризонтальной ПЛИТЫ, объедине : 1: 1.." термином <<водяная рубаш....
ка». При отливке цилиндров совместно с 80ДЯНОЙ рубашкой и при
(}тсутствии установленвых в НИХ тонкостенных rильз, сухих zилЬ3,
блок называется иеZUAЬЗ08а.нны.м блоком цU/ШНдров. Если цилиндры
..,
съемные и омываются охлаждающеи жидкоcrью, то их называют
мокрыми zильзамu.
Картер состоит из боICОВ И торцевых стенок, пересородоlC
...
Kopeвных опор И двух ШIИТ: верхнеи в месте CfЬnCОВICИ цилиндров
103
и картера и нижней, на которой фиксируется масляный ПОДДОН.
После 'I:I Й может быть вьшолнен как в виде тонкостенной
штампованной конструкции, предназначенной только для сбора
и р мещеНШI масла, так и в виде монолитноrо несущеrо элемен..
та, обьединяющеro в единый блок крышIcи коренных подшип..
ников.
По тому, какие элементы корпуса двиrателей с жидIcостным
охлаждением воспринимают ваrpузху ОТ rазовых СИЛ, различают
следующие их силовые схемы.
1. С несущим блоком 'Цuлиндров (рис. 4.1, а), коrда сипы давления
raзов вarружают элементы блока цилиндров. Разновидностью дaн
... .... ..,.
НОИ СШIОВОИ схемы при мокрых rильзах является схема «С несущеи
рубamкой» (рис. 4.1, 6). в этом случае raзовьre силы наrpужают
(рacтяrивают) только стенки водяной рубашхи.
2. С несущими силовыми шпильками (рис. 4.1, в). При этом
элементы блока цилиндров в результате предварительной затЯЖПI
шпилек находятся в сжатом состоянии и rазовые силы разrpужают
их. БЛОIC--картеры, въшолненные по данной схеме, в силу их меньшей
вarруженности Moryт отливаться из ато 1:I eBoro сплава.
Практика двиrателестроения выработала pJIД типовых lCонструх"
тивных приемов, позвоJUIЮЩИХ повысить жесткость жорnyсов две
без существенноrо увеличения их металлоеМICОcrи:
....,
. вьшолнение корпуса двиrателя в виде единои отливки;
. использование полвоопорных коленчатых валОВ. При этом
из..за БОJIЬшеrо количества перerородоlC коренных опор конструкция
БЛОIC lCартера получается более жесткой (рис. 4.2, а);
. оребрение переrородок жоренных опор и боковых аеноIC бло..
ка цилиндров и картера (рис. 4.2, 6);
Pr. t t Pr'
.........
2 Р, 2
а
....
Р, 4
2 2
+ Р,
2
P +
2
"
p;t t Р;
............ ..........
2 2
б
p. .t t f';"
r r
..............
2 2
в ".
Ркс. 4.1. Силовые схеыы две с :llllдEocтвым охлаждение..:
tJ с BecyJ1""" БЛОЕОМ II .',: 1\' ..; 6 с несущel руб о:l; . с В.. .'I t ". салО8ЫМ- ......7& ..
D.Ja
104
в
а
б
.
.
е
д
е
ж
..НС. 4а2. Основвые I[оиетрухтивные мерОпрИJIТИJI по повьппевию _еста:ocrи блок
картера:
,. переход от веПОJI!-IОQDорвоrо :к полвоопорвоNy :коленчатому валу; 6 ореб и е пеperоро-
JI(JI( коре няы x опор И бо.и:овыx crcвож; 8 по ииж евис плоск ости раз-ы:ма :картера; z ТУВВCЛlr
111.111 жартер; iJ об'ЬСдивевие IpЬUПек Kop ell H I.1X опор в единую ЕQВСТРУЖЦИЮ; е «apo'1ll8Jl'»
'111)pмa боковых злемсвтов бло:к:...:картера; 3IC совмещение осей а.вхериыx цmилс к С oc.u.m
болтов крепл и. 'Ер1dПП!Ir :К., ;':16. ПО 1I I' III:I ' 08
. усиление боковых стеНОIc блоlС3. ЦШIИНДров И картера за счет
I'РИДания им «арочной» формы (рис. 4.2, е);
. выполнение ШIОClCоcrи крепления масляноrо поддона ниже
IIJIОСICОcrи раз-ъема lCоренных опор, вследствие чеrо СШIЫ. и момен"
I Ы, передаваемые на хорпусные элементь , воспринимаюТСJI болъ--
IIIИМ объемом металла (рис. 4.2, в);
. применевие rоризонтальных CТЮICНЫ7 болтов ИЛИ шпилек для
ДОIIОJШИТелъвой СВJIЗИ крышIc коренных опор с upтepoM (рис. 4.2,
не). Это особенно важно для БЛОIC--хартеров двиrателей V...образной
К()lill!ОНОВП;
. объединение lCpышек коренных опор lCоленчатоI'О вала В одну
МUНОЛИТНУЮ КОНСТРУКЦИЮ В вrще специальной :: t' : ей коробчатой
IIJ1СТИ картера ((DоcrеЛЬН8JJ Ш1ИТ3.» коренных ПОДШИПВИICОВ), хОТО....
105
рая изrотовляетс.и из 8Jlюминиевоrо СШIава литьем ПОД давлением
или рамы (рис. 4.2, д);
. использование туннельноrо картера, не имеющеrо разъема по
lCоревным опорам (рис. 4.2, z).
для уменьшения деформаций блок:..к:артера оси анкерных бол..
тов (mпилек:) целесообразно совмещать с осями болтов к:реlШения
крышек к:opelDIЫX подшипников (рис. 4.2, .ж), что позволит избе..
жать появления ДОПОJПШтелъных моментов, наrружающих ero
элементы.
Цвтmдpы. Применение неrильзовавноrо блоICa ЦИЛИНДРОВ ру..
башки обеспечивает высокую прочность и жесткость БЛОIC"ICартера.
Такаи КОНСТРУКЦИИ способствует уменьшению rабаритов и массы
корпуса и сокращает объем ero механической обработки.
Однако при этом технолоrически сложно получить качественную
отливку со craбильными reомerpическими параметрам:и. Кроме
Toro, при изrотовлении блока необходимо предусмотреть lCомплекс
....
технолоrических мероприятии по повьппению износостоикоcrи по...
верхвоcrи .1. а.дра (по этой причине в таких конструкциях затруд"
нево применение атомивиевых сплавов). При выходе же из crpоя
односо из цилиндров требуется замена всесо блока.
Блоки цилиндров с мокрыми вставньwи и сухими rильзRМИ
в большей ИЛИ меньшей степени лишены указанных недостатков.
Однако мокрые rильзы MOryт ДОПОJШИТельно деформироваться при
нарymении технолоrии монтажа.
Сухие zильзы изrотовляют двух ВИДОВ: с верхним опорным бур..
moм и без Hero (рис. 4.3, а, 6). Толщина стенок таких rильз ЦИЛИНД"
ров составляет 2...4 мм. rШIЬЗЫ второсо типа запрессовывают
в блок с нежоторым: натяrом с целью фиксации их для ОlCончатель--
НОЙ обработки после установки в блок и при работе двиrателя.
rильзы с опорными буртами по заверmе :Ia механИческой обработ"
J
-5
а
б
6
2
1
g 4
.
2
.
I
в
z
Pвc 4.3. Основные тиIIы rИJIЬЗ 11: I : I .. в:
.6
з
2
д
".
а ........... CYX&JI без QDOpBOro бурта; 6 cyl.3JiI С B ep опо рJП.Пvl буртом; . MO:Ip8JI С верх.вим
Qпоpllыы фланцем; z мохраа с :, ,: ..: I I опорВ1aDd фп аJfQе м; d мохра. со . - I _;I I опорВЬ1М
фланцем; l оп орRYii флавец; 2 ваправ ... 111 e (центрирующие) DOJIC8; ynло :I 1. :.. е
кольца; 4 опо р1П.lЙ бурт; j cyxu rильэа; 6 МОlipUl'ИJIЬЭа
106
кв запрессовывIoтT в блок (блоlCИ из алюминиевоrо сплава) ИЛИ
устанавливают в нем по скользящей посадке с зазором 0,01...0,04 мм
(чyrунные блоlCИ). РазНОВИДНОСТЬЮ сухих rильз JIВЛЯЮТСЯ укорочен..
u
Ilble вставки из ауcrевитноrо чyrуна в верхнеи зоне цилиндра,
IIОДВерженной наибольшему износу.
Особое внимание при использовании сухих rильз уделяют обес--
печению хорошеro контакта с блоком. В противном случае ухудша
IОТСЯ условия теплоотдачи от rильзы в охлаждающую ЖИДКОСТЬ,
t радиальное распределение температур становится более верав--
IIОМерным, что вызывает ее нежелательную термическую дефор..
мацию.
Мокрая вставная zuльза имеет опорный фланец (1), который
.... ... w
распопarается в верхнеи, среднеи или нижнеи части rилъзы в коль..
цевых приливах блока (рис. 4.3, 8, z, д). Жесткость фланца должна
быть достаточной ДЛJI предотвращении излишней деформации rиль--
Ibl при затяжке силовых болтов (шпилек).
Более низкое расположение опорноrо фланца способствует улуч..
IIIению охлаждения наиболее термически нarpужепных верхней ча..
\.,.и rильзы и поршвeвыx колец. Это уменьшает термическое короб
Jlение иерхнеrо пояса rилъзы' позволяет снизить износ и исключить
.... .....
lадиры поверхноcrеи трения элементов ЦИЛиндра и поршневои
'"рynпы..
С целью уменьшении деформации от действия боковой СИЛЫ
N rильзу фmcсируют в двух опорных направляющих поясах (2),
.... ....
расположе :1:1. Х В верхнеи и вижнеи ее частях.
Для rерметизации водяной рубашlCИ в кольцевых канавках НИЖ--
Ilcro ваправляющеro пояса rильзы уcrанавливают уплотнительные
кольца (3) из Фтороучука, фторyrОJIЪво водородноrо каучука, фто"
росиликововоrо каучука или резины.
ВерхнИЙ посадоЧНЫЙ пояс rильзы располаrают Таким образом,
I.lтобы уплотняющИЙ пояс паршия при ero положении в ВМТ нахо..
J'ИЛС'я на уровне жидкости в рубашке охлаждения.
Вследствие высо:кочастотной вибрации, вызываемой ударами
....
от перекладоlC ПОрIIIНЯ, на охлаждаемои поверхности МОКрОН
.-ИЛЬЗЫ ПРОИСХОДЯТ кавитационные nроцессы, приводящие :к ее
)розив. Снижению их интенсивности способствует ICОМIIЛек:с кон..
....
структивНblХ мероприятии, уменьшающих энерrию ударов ОТ пе..
rек:ладок: ПОрIIIНей, а также: повьппениCt жесткости rилъзы, более
I(лотная ее посадка в направляющие пояса, установка специалъ..
lIoro демпфирующеrо жольца в зоне нижнеrо стыжа rиЛЬЗЫ и бло..
ка (рис. 4.4).
ВерхнИЙ торец IИJThЗЫ должен выступать нид опорной IIЛОСКО--
СТЪЮ блоха на 0,05...0,15 мм ,с целью более надежной I'ерметиза
I{ИИ rазовоrо стыка при затяжке анкерных шпилек..
107
ТОJПЦИНУ стенок цилиндра назначают
....
минимально достаточнои для оrраниче..
ния до уровня допустимой есо деформа
ции при сборке и работе двиrателя (для
creHoIC мокрых чyryнныx CИJlliЗ 5...8 мм).
В неrилъзованных блоках выбор толщины
стешси цилиндра ПрОИЗВОДЯТ с учетом воз..
....
можнои есо «разностевностю) при изrотов"
левии и веобходимоrо припуска на расточку
Рис.. 4.4. Уплотнение rИJIЬ.. при ремонте.
ЗЫ в :1 ....:eM поясе: Длину цилиндра устанавливают мини..
мальвой из условия обеспечения возможно...
СУН своБОДБоrо движения противовесов
и шатуна. При этом допускается ВЫХОД ниж..
ней кромки юбки поршия за пределы ци
линдра при ero положении в НМТ ДО ве1Ш"
чины О,2п в случае отсутствия на поршне нижнеrо маслосъемноrо
lCольца на юбке партия.
для уменьшения массы блок"картера высота водяной рубamlCИ
внизу оrраничивается осью поршневоrо пальца при нахождении
порпmя в нмт и составляет ОКОЛО 70% хода поршня S.
Требуемая допroвечноcrь цилиндров достшаетСJI рациональным
подбором материалов rильзы, поршвя и поршневых колец, оп..
тимизацией Аmкроreoметрии и твердости их рабочих поверхностей,
обеспечением crаБИЛЬБОСТИ ero тепловоrо состояния вне зависимо..
сти от режимов работы двиrателя, а таюке подбором характеристик
и качества ОЧИСТКИ топлива, масла и воздуха.
rильзы цилиндров изrотовляются методом центробежноrо
литья из:
'"
. серых и малолеrиро: · :1. ых чyrунов перлитнои структуры со
среднепластинчатым: неориентированным rpафитом, с добавками
хрома, молибдещ фосфора, меди, ванадия для ПОВЬШIеНИJl износо
,.,.. ""
и ICоррОЗИОВНОИ стоикости поверхности цилиндра;
...
. азотируемых сталев;
. аmoминиевых эаэвтектичесlCИХ сплавов с протравливанием ра...
бочих поверхностей цилиндра до появления на НИХ вкраплений
"
кремния для повышения износостоикоcrи.
Снижению расхода масла на yrap и повьnпению износостой...
lCости поверхности цилиндра способствует создание по периметру
и по образующей рабочей поверхности цилиндра маслоудержива..
ющеrо рельефа методом накатlCИ ИЛИ хонинrовавия..,.
Коре :1:1. е ПОJIII' II : I В являются одними из наиболее нarружев--
ных элементов двиrателя (рис. 4.5). для повьпnеНИJI коэффициента
надежности I. '1 OCTHoro трения в ПОДШИIlниках В. ..:o оrраиичить
108
1
4
3
5
2
1 rи.льза ЦИJIин ,цра; 2
бло:к..пртер; 3 жольцо ДJП
уплотв еИJI- cтыЕ; 8В1И..
. :, I' ОВВОС :кольцо; j
QСJ1 рИРУЮ ЩИЙ ПОJlС
4
I
I I
I I
, ..... .... ... ...1
5
1
Рис. 4.5. Крепление крьппех Icopeвных ПО.. 1': 11: ICОВ а:олеичатоrо вала:
I освовиаа силовв.. uthJ\ЛЬ.ж а; 2 CТxIlYl '" а:ВО1Вв.. IIIII 1. :; 3 т х:&l:l.О Й бопr; 4 .. а .. .у..
IОЩ3.JI поверхвоcrь; 5 приэо вва.. В1УЛIа; фиксирующие выступы' е'. .'.. ; 7............ установочнЫЙ
ШJВ фТ
}tеформации элементов данноrо узла, а таюке обеспечить СООСНОСТЪ
коренных опор двиrателя.
При разъемных lCоренных подшипниках нижняя ero часть вьшол"
IleHa в виде крышки и фиксируется в neperopoдкe картера болтами
или шпильками. для уменьшения момента, деформирующеrо
крЬШIICУ, расстояние от оси пшилек до оси lCопенчатоrо вала прини.....
мается минимально возможным. Посадка КрЬUПICИ осуществляетс-я
110 TopцeBым ПЛОСlCостям, выфрезеронанным в прилив ах пересород--
ки картера. Увеличению жесткости и прочности картера способст--
IIYeт СТJIЖI(а крьпnlCИ со стенками картера с помощью болтов (рис.
4.2, ж). or ВОЗМОЖНЫХ боlcовых смещений крышки фиксируют
11 ряде случаев специальными уcrанОDOЧНЫМИ штифтами или при..
IОВНЫМИ втупкаldИ 5 (СМ. рис. 4.5).
В amo I 1: евых lCовcrрукциях для ф 1Ссации анкернь!х пшилек
IlрИМеняют бронзовые втулки (футурки) С внутренней резьбой, заJШ..
оаемые в тело блок картера.
Тонкостенные вкладыши коренных ПОДШИПНИКОВ скольжении
устанашшвaIOТ в опорах с патЯI'ОМ (б6льшим в случае картеров из
:UIюминиевых СШIавов); ОТ проворачивания и осевых перемещений
их фиксируют штифтами, зanресованными в картер (крышIc),, ШIИ
t}тrибными <<усиками», упир8.Р>ЩИМИСЯ D плоскости стыха верхней
u
И нижнеи частеи опоры.
109
В картере обычно располarаюТСJI zлавная .масляная мazuстра.ль
диаметром 10...14 мм и каналы диаметром 3...5 мм для подвода
масла ПОД давлением IC подшипникам lCопенчатоrо вала.
МaTepl8JIЫ ICорпусвых деТ8Лei. Блок:..к:артеры двиraтелей в ос-
новном изrотовЛЯIOТ из чуryна или алюминиевоrо сплава и пока
достаточно редко из мarниевоrо СIШава. Amoминиевый СШIав по
сравнению с чyryном менее И3RОСОСТоек, имеет в 2,5 раза мень..
тую плотность, в 1,5 раза меньшую прочно в 3 раза большую
теплопроводность, вдвое больший коэффициент линейноrо
mирения. для обеспечения требуемой прочности и жесткости элеме
нты lCонcrруIЩИИ блок"картера из алюминиевых СШIавов имеют
большие размеры, что частично нивелирует их преимущества по
массе по сравнению с чyrу .1;1.1 . блоками. В целом изrотовление
блох хартера из аmoмивиевоrо сплава позволяет уменьшить «о
массу до 30% и массу вcero двиrателя на 12...20%. Алюминиевые
CШIавы обеспечивают лучший теплоотвод от пarpeтыx зон и, следо
ватеЛЬБО, меньшие величивы температурных rрадиевтов и терми--
чесlOlX напрюкений. Однако большее температурное расширение
приводит х веобходимocrи учета этоrо JIВЛевия при назначении
величин зазоров между элементами сопряжения порmень ци--
линдр. Цилиндры изrотовляют из атомивиевоrо сплава, содер--
жащеrо 30% кремния с оптимизированной структурой ICpиcrаллов,
'"
и для ПОВЬШlения их ИЗНОСОСТОИICОСТИ предусматривают специалъ..
иые технолоrичесlC.ие мероприятия.
ПерспеlCТИВНЫМ материалом корnyсвых элементов является. чу
ryв с вермикулярвым rрафитом, имеющий в 2 раза большую про--
чность по сравнению с серым чуrуном с пластинчатым rpафитом.
Ero применение позволяет снизить массу lCовструlCЦИИ и прибли..
зиться по этому параметру IC блок--картерам из алюминиевых СШIа..
80В.
При окончательном выборе материала для lCорпусных деталей
две ИСХОДЯТ из совокупной стоимоcrи всех этапов их жизненноrо
ЦИICЛа, в том числе изrотовления (стоимости материала, отливки
и обрабопси) и эхсплуатации (затрат на перемещение дополвитель..
вой массы, вадежнocrи и долrовечности).
rоловкв ЦИJlИВДРОВ. в соответствии С функциональным вазначе
вием lCонструкция соловки цилиндров должна:
. создавать объем камеры crоравия в соответствии с требовани..
ЯМИ, предъявляемыми к ее форме способом орrанизации рабочerо
процесса;
. обеспечивать оптимальную конструкцию впусmьrx и выпуск..
ных каналов;
. создавать надежное уплотнение rазовоrо cTыlc;; ...
.....
. осуществлять . - ' циркуляции охлаждающеи жидкости,
обеспечивающий наименьшую тепловую напряженность элементов
соловки на всех режимах работы; .
110
. обеспечивать рациональное размещение необходимых деталей
двиrателя (свеЧ/форсунок, опор распределительноrо вала и Т. д.),
монтируемых на rоловке ЦИЛИНДРОВ.
rоловICИ цилиндров ВЬШОЛНЯЮТ В виде единой отливки дли
одноrо pJIДa цилиндров ИЛИ индивидуально дли lCаждоrо цилиндра.
Индивидуальные ZOA08KU позволяют минимизироватъ их терми
ческие деформации, ЧТО позволяет повысить ЭКСШIуатационную на...
дежность rазовоrо cтьnca, облеrчить монтажно...демовтажные рабо
rbl при производстве, ремонте и ЭICСШIуатации двиrателя. rоловlCИ
данноrо типа обычно используют в двиrателях, форсированных
наддувом.
Ввиду высоких rазовых и термичесlCИХ вarpУЗОК ДЛЯ обеспечения
lIеобходимой :жесткости rоловки ее нижнюю опорную степку со
... ....
стороны привалочнои плоскости делают достаточно массиввои.
При ЭТОМ снижается веро.ятпость ICоробления седел клапанов и по
вышается надежность rазовоrо стыка. Опорная стенка в rоловках из
алюминиевоrо сплава имеет приблизителъно в 1,5 раза большую
rолщину, чем в чyrуиных.
В rоловlCИ из amoминиевоrо сплава двиrателей с искровым
зaжиrапием свечи ввертывают в бронзовые ВТУJIICИ бобышeIC, КОТО--
w
рые со всех сто ров омываются охлаждающеи ЖИДICостью.
В дизелях с разделен :.. I .: камерами сrорани.н вихревые камеры
и предкамеры располаrают в rоловк:е и вьшолняют составными.
Верхняя часть вихревой камеры располarается в теле I'ОЛОНО, а ни....
.... ..
>княя изrотовляетс.я из жаростоикои стали и монтируется с внутрен..
.., w
неи стороны rоловlCИ заподлицо с привалочнои ее плоскостью.
I]редхамеры устанавливают в специальную ПОлость rоловlCИ с На....
ружнои ее стороны.
При f: j' оетном охлаждении для снижения теШIОВОЙ вarружен..
.... ...
НОСТИ rоловlCИ в веи создают системы каналов и полостеи для
циркуляции охлаждающей жидкости. В дизелях жидкость поступает
в rоловlCУ из блока цилиндров IC наиболее ее нмретым зовам
к форсунке/свече, IC седлу И приливам направляющей втулки въшуClC..
Horo ЮIапана, IC перемычкам между lCЛапанами, ]с вьшускным пат..
рубкам IC вихревой камере ИЛИ предкамере. В ДсИЗ охлаждающая
ЖИДICОCIЪ в соловку подается насосом непесредствевно из ради..
атора. для интенсификации охлаждения наиболее термонarpужев"
ных ЗОВ орrавизуют направленное двиxreние ЖИДКОСТИ с ПОМОIЦЬЮ
специальных запрессованных распределител.;lDых трубок, ваправл.я..
ющих ребер и Т. п.
rоловха цилиндров является одним из наиболее наrpуженных
элементов двиrатеЛJl. Она наrружается усилиями ОТ предваритель..
'"'
нои затяЖICИ, воспринимает и передает на анкерные СВЯЗИ усилии
от давления сазов. Характерной особенностью условий работы
.
rоловlCИ цилиндров являются высокие термические напряжения,
111
по величине значительно Ilревышающие механические. Это .явл.яется
следствием высоких температур и больших их rpадиевтов между
отдеЛЬ:I.. ' элементами ее конструкции. При неудачно орraвизо..
ванном охлаждении в перемыЧICRX между lCЛапанами мосут образа..
выватьсв трещины вплоть до появления nporapOB. При больших
термичесlOlX деформациях rоловlCИ может ва6moдаться разrермети"
зация клапанов и rазовоrо crык..
В rоловICaХ из чyryна температура поверхности :камеры crорания
достиrает 350 ос, перепады температур между отдельными то '1,
ДОХОДЯТ до 150°С, а rpадиепты температур составлsnoт 6...10 К/мм.
В rоловках из аmoминиевых сплавов. обладающих лучшей теШJО"
проsодностью, максимальные температуры не превьnnают 300 ос,
перепады температур доcтиrают 60 ос, а rpадиенты температур
1,5...2 Kf1!dМ. Более блarоприятное тепловое состояние rоловок из
алюlwиниевых СШIавов позволяет успешно использовать их в двиrа..
телJIX, форсированных наддувОМ.
УПJIотнение rазовOI'O стыка (рис. 4.6). для предотвращения про..
рыва rазов и охлаждаюmей ЖИДКОСТИ между rоловкой и блоком
цилиндров их стыковочная зова уплотняется ПрОlCЛадками. К их
lCонструкции предъявЛJIЮТСЯ следующие требования:
. сохранять работоспособность в течение длительноrо периода
....
эксплуатации при ВQздеиствии на них ВЫСОICИХ температур, а также
КОрроЗDонво--аICТИВВЫХ элементов;
. обладать достаточной плаcrичностью ДЛЯ заполнения неров"
ностей на опорных поверхноcrях rоловlCИ и блока ЦШIиндров;
. иметь неоБХОДимую ynpyrocть для обеспечения rерметичво..
.... ...
crи rаЗО80rо стыка при высокои ее усталостнои ПроЧНОСТИ.
у пруrость и толщину ПрОlCладки определяют величинаlWl нерон--
"" ....
Ilостеи УШIотн.яемых поверХDостеи; жесТКОСТJIМИ, упруrомеханичес..
...,. '"
кими своиcrвами стяI'иваемых деталеи и характеристиками матери..
ала ПрОlCЛaдICи.
4
J
2
а
б
в
5 4
z
...
Рис.. 4.6. Уплотнение rазовоrо CTЬJI(a:
tJ С ynлО1ВJlЮщей ПРОIЛ8ДI:оii и ПnОCПIМ ТОРЦОМ I'ИЛ ЬЭ ЬТ ; 6 с про:кладк:ой и выступающим
б о м 8epxвe:rO торца rильзы; 8 С прохладхой и уп.лОТШIЮЩИМ JtОЛЪЦОМ; Z с уплот..
IUПOЩВМ :кольцом; l опори8.tl ПЛOCIоcrь; 2 цеll1pИРУЮЩИЙ ПСЕ; 3 проIЛ а; 4 ушют"
ИJIIOщее :КОЛЬЦОi j ре uяо вое :кольцо уплотве яи. Дl:О СТIfО ro CТЬ1I:a
112
в автотракторных двиrателях в основном используют проклад"
ки следующих КОНСТРУКЦИИ:
...
. цельнометаллические в виде IШста из мяrкои стали, меди ИЛИ
.tЛЮМИНИJl;
. наборно--металлuческuе, представЛЯIOщие собой набор (пакет)
Ilесколысих тонких листов МЯflCоrо металла;
. прокладки с основой в виде сетки шu nерфорированноzо листа
из стали или алюминия с наполнителем из листов rрафитизирован"
Iloro термостойкоrо картона. Для повыпlнияя прочности картон
..,
Ilропитывают резивои ИЛИ специальными СВЯЗУЮЩИМИ жаростои..
кими материалаldИ.
Металлическая окантовка отверстия ПрОlCЛадки в зове камеры
'"
сrорания позволяет защитить ее от деиствия rазов, повысить ее
ynpyrocTh, прочноcrь и надежность. для создания больших уде.пь--
lfJ
IIЫX давлении в зоне окантовки толщину ПрОlCЛадки здесь несколько
увеличивают.
В ряде конструкЦИЙ на каждом цилиндре устанавливаютс-я уп--
..-
Ilотняющие кольца из краснои меди или алюминия, заполняющие
кольцевые канавки торца rильзы при затяжке анкерных пшилек
(болтов). В ВЫСОlCофорснрованных двиrателях аналоrичным обра...
'"'
-ЗОМ MOryт использоваться ПрОlCЛадки из мяrlCОИ стали.
Для уплотнения ВОДО" и маСЛОПРОВОДЯЩИХ каналов в ПрОlCЛадке
устанавливают резиновые lCольца.
Нижния половина картера выполняет роль резервуара для сбора
и хранения масла и изrотовляется либо штамповкой из листовой
стали тотциной 1...1,5 ММ, либо отпивается из aJПOldИниевоrо спла..
па. Для повьппения жесткости и интенсификации охлаждения ero
онутреннюю и наружную поверхности в ряде случаев ореf?ряют,
.... "'"
а в зоне стыка сверхнеи ПОЛОВИНОИ картера приваривают пластину
из листовой стали. Дли rерметизации и снижения шумоизлучения
...,
подцона есо изолируют от верхнеи части картера с помощью специ...
альных проlCЛадоlC.
В пракТИICе cOBpeMeнHoro двиrатеnecrроения все большее рас..
"
пространение получают целънолитые КОНСТРУКЦИИ нижнеи части
...
картера, в KoTopых IcрыIIIки lCоренных опор И масляныи поддон
объединены в одном блоке. При ЭТОМ существенно ПОВЬШIается
жecnc:остъ корпуса s уменьшаются деформапии и повь:ппается соос..
НОСТЬ ICоренных опор.
4.2. РЫ и КАРТЕРЫ двиr АТЕЛЕЙ
С воздушным ОХЛАЖДЕНИЕМ
Корпус двиrателя с ВОЗДУIIIВЫМ охлаждением обычно состоит из
картера с установленными на нем: отдельными цилиндраl\Ш.
В целях интенсификации отвода теплоты от деталей, форми--
рующих камеру сrорания, наружную поверхность ЦШ1индров и со..
113
ловок цилиндров ореБРJlЮТ. Обычно lCоэффициент оребрения
""
отношение площади контакта с охлаждающим воздухом наружнои
""
поверхности цилиндров IC величине ICOHT8JCТa ввутреннеи поверх..
НОСТИ цилиндров составляет в автотраIcториых две 15...23.
Доля теплоты, ICотора.я ОТВОДИТСJI через систему охлаждения
и приходится на соловку цилиндра, составляет для дизелей 45...60%
и ДЛЯ ДсИЗ 60...15%. В таком же соотношении находятся и площади
их оребрения.
По способу фиксации цилиндров на картере различают следу"
ющие силовые cxeмъr корnyсов две (рис. 4.1):
. с несУЩИМИ цилиндрами, lCоrда силы давления rазов вое..
принимаЮТСJl стенками цилиндра; при ЭТОМ rоловIC3 J( цилиндру,
а также цилиндр к опорному фланцу картера крепятся lCоротlCИМИ
шпильками;
. с несущими силовыми шпильками, lCоrда rоловка цилиндра
и цилиндр фпсируются на картере с помощью длинных шпилек;
...
при этом rоловка и цилиндр сжимаются усилиями предварительнои
эаТJJЖКИ пшилек.
Оребренные цилиндры две ВОЗдyIПноrо охлаждения изrотовляют
отливкой из чyryна или алюминиевых сплавОВ. В риде случаев
используют БD+lеталличесuе цилиндры, представляющИЙ собой чу..
ryнпyю rильЗУ с напрессованной (залитой) на нее алюминиевой
оребренной ВТУЛICОЙ (рис. 4.8). Во втором случае обеспечивается
лучшая теплопередача от цилиндра IC оребренной втулке вследствие
более качественноro контакта металла rильзы и элементов оребре--
пия цилиндра.
В цилиндрах из алюминиевых сплавов на внутреннюю рабочую
IIOBepXHOCTb наносят специальное противои]восное антИICОРРОЗИОН--
ное покрытие (в прОСТСЙшем случае слой пориcroro хрома).
1"4
."",:&
I
I
I
I
I
I
I
I
.
.
а
б
а
б
Рис. 4.1. Силовые cxeмы две с воздym..
вым охлаждением:
Рис. 4.8.. .;,: I ':Ы дв е с во I 1'1:1.' J
охпа -дени ем:
а МQВQМет 8JJJIИЧCCПlС ; 6 биметал..
.JIИ .. ескис
.
а с в. li" ЦИ J1И"ДР ами; 6 с вссухцими
СИЛОВЫМИ JШIИЛЬЖ&ми
114
Оребренная часть цилиндра, составлu.ющая 45...55% всей есо
....
длины, начинается непосредственно от cтыIca с rоловкои и ДОХОДИТ
до зовы расположения nopIIIHeBых колец при положении ПОрШНJJ
8 НМТ.
rеометричесJCИе параметры ребер и их количество опредеЛЯЮТСJJ
w
uеличинои площади поверхноcrи охлаждения цилиндра и технопо..
.'ИЧеским:и возможностями производства. Наиболее рациональной
формой поперечноro сечения ребра является трапециевидная. Стен..
ки цилиндра с ребрами соединяют плавными переходами в виде дyr
окружностей. На интенсивность теплоотвода ОТ ребер существенно
влияет шar между ними. Ок.оло 1/3 шara приходится на тотцину
ребра. Если шar недостаточен, то у основании в промежУТlCе между
ребрами образуются застойные «мeprвые» зоны и эффективная
Ilоверхность охлаждения уменьшается. В практичесЮlХ ICОНСТРУ:КЦИ--
их величина шат находится в пределах от 8 до 3,5 мм.
Высота ребер цилиндров обычно не превышает 14...18 мм; ее
рациональная величина зависит от теплопроводности материала
I {илиндра, а практичесхая определяется технолоrичесICИМИ ВОЗ--
МОЖНОСТЯМИ литейноrо производства. Для обеспечения одинаковой
радиальной жесткости оребренноrо ЦИJllШдра при вевозможности
обеспечить одинаковую высоту ребра по всему ero периметру их
делают разрезными. При применевии высоlCИX ребер с целью сни)Ке
.(ия их вибрации и myмоизлучения между ними устанавливают
специальные демпфирующие элементы.
Температура подоrpeва воздуха при прохождении между реб
рами может достиraть 60...70 ОС, а ero скорость между ребрами
J'ОХОДИТ до 50 м/с.
Толовка цилиндра в двиrателях с ВОЗДУШНЫМ: охлаждением ЯВЛЯ--
стс.я одним из наиболее теплонаrруженных элементов. Вследствие
)TOrO ее, как правило, изrотовляют из алюминиевых сплавов, об...
.... ""
падающих хорошеи теШIОПрОВОДНОСТЬЮ, ОТЛИВICОИ в меТaJШические
формы. Допустимая температура в ее наиболее вarpeтыx. зонах
1I этом случае должна оrpаничиваться 215...230 ос и лишь кpaТICO
нременно может доходить до 260 ОС. При конструировании rоловки
большое внимание уделяют обеспечению равномерности темпера..
I YPHOro поля с целью уменьшения термических деформаций rолов"
ки и верхней части цилиндра. При изrО70влении rоловки вследствие
сложной ее конфиrурации высоту рtzбер охлаждения нельзя сделать
более 50...60 ldld. При изrотовлении prfiep фрезерованием удается
Ilесколь:ко скомпенсировать ЭТОТ недостаток за счет доведения тол..
IЦИНЫ ребра ДО 1,5 мм при шarе 3,5...4,0 мм.
rерметизацию rазО80rо стыка при изrотовлении rоповоlC из
dJIюминиевоrо сплава ВОЗМОЖНО обеспечить без применения про-
кладОIc за счет деформации элементов стыка при заТJlжке СШIОВЫХ
I 1 IпилеIC.
115
4.3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНocrи
ЭЛЕМЕНТОВ r Азовоrо cfыIА
Работоспособность rазО80rо стыка двиrателя оценивают по ero
repметичности при реализации рабочеrо npoцесса и по уровню
вапряженно.-деформированноrо состояния ero элементов шпиль..
ICИ или болта, проlCЛ8ДКИ И блоlC3..
Основ: · I I расчетными вarрузками на rазовblЙ cтык являютс.я
(рис. 4.9, а):
....
. сила предварительвои затяжки;
....
. нarРУЗICа ОТ rазовои СИПЫ;
. термическая сила, образующаяся при проrpeве двиraтеля вслед
ствие различных коэффициентов линеЙНоrо расширения элементов
сты:ка..
OцeHICa работоспособности rазовоrо crьп<а проводится с учетом
податливости ero элементов.
Связь между силой Р, ynрyrой деформацией л элемента постоян
Horo сечения F, длиной 1 и модулем упрyrости Е описывается
законом ryкa
J. == Pl/ EF.
Это выражение можно представить в следующем виде:
р р А
л== == PK
EFI' с '
rде С жесткость элемента; C==EF/I, Н/м; К податливость эле--
мента: K==l/(EF)== l/C, м/и.
ПОД дейcrвием силы предварительной затяжки шпильки/болта
Р пр деформируются детали rазовоrо стыка: сжимаются rоловжа,
ПрОlCЛадка и рабочая чacrь блока при одновременном растяжении
ШПИЛЬКИ (рис. 4.9, 6).
При реализации рабочеrо процесса rазовая сила сжимает СОЛОН--
ку и раcrяrивает пшилысу, а деформации npОlCЛадки и блока умень--
mаются происходит разrрузка rазовоrо стыка. Естественно, если
нет разrерметизации стыка, ТО приращение деформаЦИЙ шпилыси
и rоловки А(Amп + lrOJ равно приращению деформаций прокладкв
и блока А(лпр + лбц>. для нarЛЯДБОСТИ выводов обратимся к диаI'рам
ме сила деформация в виде, ПОICазанном на рис. 4.9, 8.
Сила на cтыIce при zазоо6мене будет равна сумме СШ1 пред"
варителъной затяжки и термической Р" что соответствует мини..
...
мальной силе. растяzившощей шпильку:
Р cr == Р пр + Р, == Р рmin .
116
.-< -
<:J шп
...,. roл
.......
Pz
---
...........
...... пр
р. .....
z бn
Р СТ ,
,
а
р
Р пр
р
..л
+л
Q.
0-1:
А шп
А.-ал + Anp + Л 6n
б
р
а. .....
...
о... р:
Q..tJ
..t
ft
Л wп + Л rOn
л
Л WN + Л rОО Л пр + Абл
р
....... """'-'
Q. Et
.-...... .. --.....---- .-.
""--"'"
...
л
l'
в
Рис. 4.9. К оцевке надежности элементов rазОDоrо crьп:а двиrатеЛJI:
tJ 1-: .. :... схема; 6 дефорN8ЦIUI элементов СТЬ1Ка при за1Jt с;
« диarpамма деформаций
Если предположить, что rазовая сила, нarpужающая rоловку,
равномерно воспринимается шпильками, ОТНОСЯЩИМИСJI IC данному
I {ШlИвдру, ТО мaкClDdaJIЪHoe ее значение, приходящееся на одну
IUПИЛЬКУ, определяется жак Pz==PJi, rде P:z==P%1tD 4 макси..
'"
малъная сила давления rазов де&ствительноrо цИItJ.Iа на расчетном
117
.
режиме; I количество шпилек, приходящихея на один цилиндр;
pz махсимальное давление рабочerо ЦИICЛa; Dпр диаметр отвер..
стия в ПрОЮIадlCе.
В результате действия zйзовой силы на детали силовой схемы
двиrателя:
. сила на стьпсе уменьшается на величину АР и равна
Р:с == (Р пр + Р,) АР;
. деформации ПроlCЛ8.ДlCИ и блока уменьшатся на величину
А<4 + ЛmJ;
. шпилька и rоловха дополнительно будут нarружены СИЛОЙ
pz АР и максимальная сила, растяrивающая пшильку, будет равна
Рр nих ==P:r+ == (Р пр+ Р;)+ АР;
. деформации шпилыси и rоловlCИ увеличатся па величину
A( + lroл}.
С учетом тосо, что A(4+lmJ==A(1um+AroJ и l==РК, получим
А(х.ф + XWJ ==(Pz АР)(Xmп + .
После преобразований окончательно получим
АР == xum + Xroл == р; кшп + K roJI .
+K + +R& ЕК
-
Сила, дополнительно растяrивающая ШПИЛЬКУ и сжимающая
rоловlCУ цилиндра,
р' АР == 1". кup + А6л == р'
z z 1:к Хп
rде Х коэффициент дополнительной нarрузки резьбовоrо сое..
динеиия: Х ==(Кпр + КoJ/I:.K. Максимальная сила, растяrивающая
ШПШIЬКУ и сжимающая rоповlCУ,
Р Р m 8" ==(РПР+ Р,)+ xP'r
Значения Х определяются соотношением податливостей элемев..
тов cТЫICa. Чем больше совокупная их податливоCfЬ, тем меньшая
часть rазовой силы будет наrружать силовую шпильку. TaIC, дЛЯ
ДВС с короткими (:жесТЮlМИ) силовыми пшильками Х находятся
в пределах 0,06...0,07 (до 0,15), в то время как при относительно
удлиненных (податливых) шпильках 0,03...0,04. Мё-ньmие значе..
.....
ния l харахтерны для конструкции, в lCоторых ИСПОЛЬЗУЮТСJI детали
из алюминиевоrо сплава.
118
Условие вера.скрытия rазовоrо стьпс:а может быть сФОрмули
роваво В виде P: O или Р:==(Рпр+Р,)+(l х) О. с учетом
Toro, что термическая сила увеличивает rерметизирующий эффект
предварительной заТJIЖКИ, величину Р пр следует определять при ее
отсутствии (например, при холодном запуске). Orсюда минималь
ная сила затJIЖICИ Рпр min ==(l x) . для ДОСТИЖения требуемой Ha
дежности стьпса силу затJIЖКИ увеличивают и Рпр==т(1 x) . Коэф
фициент запаса m принимается равным 1,3...3. Меньшие значения
относятся IC ДеИЗ, большие J( высоlCОфОРСИроВанным дизелям
с наддувом.
Термическая сила Р, может быть определена из соотношения
деформаций элементов стыка при ero HarpeBe до рабочей тем..
пературы:
aroпlroлАt roл + aщJпрАtпр + awr.lwAtбп a..mJпп/!t mп ==
==XronP, + KJ, + Кш)',+ ,.
откуда
( OJIlroлt\troл + а.пр/прl!.Iпр + Clбл 1 бл f1t бл>....... Cl.um 1 uш l1t шп
.
K
ЗДесь а коэффициент линейвоrо расширения; At температура
подоrpева соответcrвующеrо элемента crЫICa. Тоrда
Р р miп == Р пр + Р,; Р p J1l8X == Р пр + Р, + X ; p:r == р пр + Р, (1 x). .
По известнЬВ! параметрам цикла нarруж.ения ШIIИЛЬПI опреде..
ляют напряжения в резьбовой части, соответствующие ее мини..
малъному диаметру:
р ршах
и1!\'):
Fop
........
............
Рпр+Р,+I Рпр+Р,
, amin == .
Fop Рор
Коэффициент концентрации напряжеВИJI /(t,A,') для шпилек из
леrиpoванвых сталей 4...5,5. Коэффициент запаса орочности
ШПИЛЬКИ п tl нахОДИТСЯ в пределах 1,3.. .2.
Из анализа характера СИЛ, нarруж.ающих силовую ПШШIьку,
следует, что наиболее ТJlЖелые условия ее работы имеют место на
режиме максимальвоrо крутящеrо момента..
Полученные зависимости позволяют проrнознровать поведение
элементов rазО80rо CТЫICa в различных условиях ЭICСШIуатации. При
neperpeBe двиrателя в результате нарушения сrорания или из..за
нарymения работы системы охлаждения происходит рост силы Р, и,
как следствие, шпилька ВОСПРlblИмает дополнительные наrрузlCИ.
119
При переходных режимах работы двиrателя возрастает веро.ятность
«заброса» РЖ, что делает вероятным увеличение вarpузlCИ на пшиль..
к-у и уменьшение СИJI на стьпсе Р:.
Важным при монтаже является достижение требуемой силы
.... ..,...
предварителъвои затяжки, устанавливаемо и инструкциеи завода--из"
..,
rотовителя и провер.яемои с помощью динамометричеСlCоrо lCЛюча.
Последовательность затяжки IIШИЛeIC/болтов, cтporo определенная
для обеспечения одинаковой деформации элементов по всему об-v
ему rоловlCИ ЦИЛИНДРОВ.
ЗИМОЙ в условиях НИЗICИХ температур окружающей среды Край..
Hero Севера при ХОЛОДНОМ запуске двиrатепя с алюминиевой СОПОВ"
КОЙ и чуrувным блоком возможно раскрытие rазовоrо crыка из..за
Toro, что термическая сила принимает отрицательное значение при
lWIПУСОВЫХ температурах.
rЛАВА 5
ПОРIПНEВАЯ rp
Поршневая rруппа ВlCЛючает в себя поршень, порmневые жольца
(УШIотнительные и маслосъемвые), порmневой палец и элементы,
()rраничивающие ero осевые перемещеНИJl.
Поршень воспринимает давление rазов, развивающеес.я в ЦИЛИН'"
дре при реализации в нем рабочеrо цихла, и через палец передает
усилие на шатун.
Для rерметизации внутрицилиндровоrо пространства хонструк--
ItИЯ поршWI cOBMecrHo с системой компрессиоНных колец образуют
Jlабиривтвое ero уплотнение. .
Равномерное распределение масла по зеркалу цилиндра и пре..
дотвращение попадания избьпочноrо ero жоличества в lCамеру cro
рания реализуются с помощью .маСАосъемных колец.
В процессе работы двиrатеЛJI элементы поршневой rpуппы
..
Ilодверж:ены воздеиствИIO на них интенсивных пере:менных меха..
IIИЧеских (от ra.зовых и инерционных сил) и тепловых (в резулъ
raтe цикличесl(оrо изменении температуры рабочеrо тела) HMpy
-'01(. К особенностям условий работы, вЛИJlЮЩИХ на ICOHCТpyк
({ИЮ деталей поршневой rpуIшы, следует отнести большие cxopo
сти относительноrо перемещеНИJI элементов их ТРУЩИХСJl сопр.иж:е--
'-1
IIИИ при ВЫСОКИХ удельных давлеИИJIХ между ..: ' t ударные явле...
IIИJI, сопровождающие перемещеиие «<пере:клaдICу») порmня:
'-1
u пределах зазора между порmнем и ЦИJ1'i!ИДРОМ под деиствием
боковой cилы N, а также lCовтахт с рабочим ТСЛОМ, содержащим
ICОрРОЗИОННО активные компоненты и Иl\I ..:ющим высокую тем..
IlepaTypY.
Следует отметить, что механичесжие потери на трение между
Jлементами цилиндропорmнсвой rpуппы составШПОТ 45...65% от
суммарных потерь на трение в двс; из них до 50% ПРИХОДИТСЯ на
дото СОПРJlЖеВИJI поршневые ЖNIЬца зеркало цилиндра.
121
5.1. ПОРIПEНЪ
Фушщиональное назначение и условия работы поршия предоп..
ределяют следующие требования J( есо lCонструкции:
. формирование заданной конфиryрации камеры сrоравия;
. надежная rерметизации внутрицилиндровоrо пространства
(утечm рабочеrо тела в .картер не должны превыmaть 0,5...10/0 от
расхода воздуха);
. предотвращение попадания чрезмерноrо :количества масла
в камеру сrорания, расход масла на yrap должен быть не более
0,3...0,6% расхода ТОШIИва;
. уменьшение тепловосприимчивости днища И обеспечение эф..
фективноrо теШIоотвода от rоловIOI порmвя в стенlCИ цилиндра;
'" ....
. достижение минимально возможнои конструктивная массы
....
при достаточнои прочности и :жеCТICОСТИ;
. уменьшение работы трения элементов поршвевой rруппы
и обеспечение их высокой износостойкости;
. обеспечение стабильности величин зазоров между элементами
порпmя и зеркалом цилиндра на раэличных режимах работы двиrа..
теля.
В ICонcrpухции порmвя: Пр I:' О выделять (рис. 5.1): zоловку 1,
в фушсции которой входят формирование камеры crорания, тепло
ОТВОД основной доли теплоты, воспринимаемой ооршнем от рабо--
чеrо тела, и rерметизация внутрицилиндровоro прocrpавства; юбку
2, задача которой восприятие динамических нarрузоlC и обеспече..
ние движения портия в цилиндре без ПepeICосов. КовС1рУICЦИЮ
rоловIOI формируют днище 3, ozнeeoи (жаровой) 4 и уплотюиощий
5 пояса. Юбка партия состоит из бо--
бышек 6 и направляющей части.
На рис. 5.2 и 5.3 пред ставлены ТВ..
...
пичные lCовструlCЦИИ порmвеи автотра...
u
ICторвых двиrателеи различноrо типа.
Ковcrрухция днища порmней опре..
деляетс.JI типом двиrателя, принятым
способом смесеобразования и формой
хам еры сrорания. Поршпи с ШIOCICIOd
днищем наиболее распроcrpанены
в ДсИЗ, а также в дизелях с разделен
.: 1. '- камерами сrораниJI.. Такая ICОВСТ а8
руJЩИЯ обеспечивает наименьшую теп..
Рис. 5.1. ocвoввые элемеиты ловоспри . .. : ОСТЬ днища, а Т8.1СЖе
IJOplJIWl: упрощает технолоrию изrотовления
поpmня. В ДеИЗ MOryт использоваться
l roпOBI&j 2 юбu.; 3 ДJtИlце ;
4. 5 orиевой (-щювой) и уппоТ также порmни с выпуклым (с вытесни..
IIJIЮЩИЙ поиса; б-......- бобЫIIID телем для обеспечения требуемой
з
2
4
/{5
6
122
з
r Р//А
, 4: 1
2
...
.
iII!
)IJ
Рис. S.2 Конструкции порmвей дизелей:
1 реб со II ':.' .щие ДВИIЦе и бо бЫIIIII:И П орJflнlI; 2 бобьппжа со аОПIe ннhDd ввyrpc 8}tkJld
торцом; 3 вырез ПОД ЮIап8В
lIени сжатия) и воmутым днищем. В дизелях с объемным, приcrе
ночным и объемио приcreночвым смесеобразованием :камера aopa
IIИЯ располarается в rоловке поршня. Ее rеометрвчесхие параметры
строео соrлаСуюТСJl с расположением форсунки, количеством и pac
IIределением по объему камеры фaIcелов распыляемоrо ТОШIива,
а объем определяется принятой степенью сжатия.
Сложная конфиrур8.ЦИJI поршня, быстро меняющиеся по вели
'"
чине и направлению тепловые потоки, воздеиствующие на ero эле
менты, ПРИВОДЯТ к большим rpадиентам температур по еео объему
и, 1C8.IC следствие, :к: значительным перемевным по времени ЛОlCаль..
IIЫМ термичесICИМ иапрJIЖениям и деформациям (см. рис. 3.4).
ТеШ1ОТа, воспринимаемая rоловкой порnmЯ от рабочеrо тела,
о [ВОДИТСJl В систему охлаждения через отдельные ero элементы
8 следующем соотвоше:ВI. (%): в охлаждае fYIO стенку цилиндра
через lcомпрессионныe кольца 60... 70, через юбку поршия
20...30, в сиcrему смазКИ через внутреннюю поверхность днища
IIОРШН,Я 5....10. Поршень также восприним ет часть теплоты, BЫ
... ....
деляющеис.и в результате трения между элементами порmневов
I РУППЫ и цилиндра.
для портией современных автотракторных двиrателей xapaK
rерны следующие эксплуаmационные дефекты:
.., .... ....
. износ и разрушение поверхностен верхнеи кольцевои ICRНавlCИ;
. разрушение (проrар) днища DОрnШЯ;
123
1
#=
,
1
з
3
....
,
.
11
.
-- .......
..........
5
2
4
Рис. 5.3. Портив двиrателей с искровым ззжиrавием:
1
термореryпирующв..; ::' а; 2
Т .-.образвu прорезь; з
ветана :кавав:п: ПОД первое а:омп"
ресси:о ввос :кольцо;
зова выбоРIИ металла дл.. по 11 .; 1"'
по ма ссе; '............ ПОПepe'IВU прорсэь;
е
дезаж СА .
· появление треЩИН и обrорание кромок камеры crорания;
. neperpeB зоны IC.анавlCИ BepxнerO lCомпреССRоввоrо кольца с по--
...
терев ero ПОДИ
.
: ости;
. интенсивное отложение sarapa на элементах rоловКИ порпmи;
. ваволакивание метаШIа и задиры на элементах цилиндропорм
""
mневои rpynпы;
. ИЗНОС боковых поверхностей юбки;
.
бразование трещин в бобыIIIкax поршня.
дaвныe дефекты приводят IC ухудшению пожазателей работы
двиrателя, вплоть до Bыхдаa ero из строя, и связаны, как правИJIО,
с уменьшением МОЩНОСТИ" ПОВЬШIевием расхода ТОШIива и масла,
снижением моторесурса, а TalOКe ухудшают ЭJC:олоrичеспе харак"
териcrики двс.
124 expert22 для http://rutracker.orQ.
5.1.1. конcfруктивныIE пАрAl\1Етры
OCНOBmlX ЭЛЕМЕНТОВ ПОРПIНЯ
Высота ZОЛО8к.u h r определяет rабариты и массу Bcero портия,
11 связи С чем ее выбирают минимально необходимой для нормалъ
IlorO фушщиовирования элементов уплотняющеrо пояса. Особое
1IIIимание при этом обращается на тепловое соcrояние зоны канавки
IIcpxнero lCомnрессиовноrо кольца и бобытеlC портия.
При выборе высоты oZ1leBozo пояса h стремятся обеспечить рас--
Il()ложение вepxнero к.омnрессионвоrо кольца в пределах охлажда..
(-мой части цилиндра при нахождении ПОрШНJI в ВМТ. Увеличение h,
I(иктуемое неоБХОДИМОСТЬЮ поддержания температуры верхней lCa
Ilавки на уровне ниже температуры коксования масла, ПРИВОДИТ
к росту температуры днища порmня И, следовательно, IC необходи
МОСТИ увеличения мовтажноrо зазQра между оI'иевым поясом и ци
IIИНДрОМ. Это вызывает pocr вредноrо объема над первым lCoмnpec..
сионным кольцом, что ухудшает, особенно у дизелей, качество
I)абочеrо процесса, повышая концентрацию ТОlCсичесICИХ KOМnOHeH
."08 в отработавших rазах.
Высота уплотняющеzо пояса определяется количеством и тол...
IltИНОЙ компрессионных жолец. В современных двиrателях для обес--
IlечеНИJI эффективноrо уплотнения их ЧИСЛО, как правило, не превы--
...ает двух (рис. 5.4) и в ряде случаев доводится дО ОД80СО. Большее
количество колец, праlCтичесlCИ не улучшая rерметизацию внутри--
цилиндро.воrо пространства (рис. 5.5), помимо увеличения массы
It rабаритов поршня приводит К существенному возрастанию по..
."ерь на трение. При выборе их числа необходимо иметь в виду
."акже и тот факт, что через компрессионные кольца ОТВОДИТСЯ
e
.
.......
t:t::
,1
rg
-t:
16
а
Ь
lп
16
Рис. 5.4. Параметры J(ОВСТРУХ:ТИВВЫХ элементов поршневой rpуlпlы
125
Р о 10 20 ЗО 40 50 60 70 80 90 100%
Z
:.... Lx ....... ".........,
S Pz
't' "'
...... 10.. " '\ ........
:-- r-;
l' '
S I ...
.. ....
\ ..... t-..
\ ..,::-.., Р1
\ .... , "
\ ........""" ""
'" "' ....
......... ".....,L
,........-::
\"'
'.""""".....":-""" i
",.
1
1"'"'11 'P2
...
....
... '/":.о ...
J.КJ '! .
Рис. S.S. Изменение дав
....
... . , , , ВИJl В лабириитвом yrш
: : Рз
веник ори разЛИЧНОМ
"' , личecrве к:омпрессио
'
к-оneц
ле..
оу--
O..
ввых
основная ДОЛЯ теплоты, воспринимаемой DopmнeM. Это обстоите..
льство накладывает существенные оrраничения на минимизацию их
количеcrва и ТОJllЦины.
В нижней части УПЛОТЮlIOщеrо ПОJlса устанавливается ОДНО мае..
лосъемное кольцо. Для оrpави:чения поступлении масла в зазор
между юбкой и rильзой цилиндра при большой есо величине на
иепроrpетом двиrателе в нижней чаcrи юбки иноrда устанавливают
второе маслосьемвое кольцо.
Высота .межкольчевых пepe'мЬNeК hu npинимаетCJI прахТИ'lесlCИ
равной высоте кольца, ЧТО обеспечивает их достаточную прочность.
Исключение составляет переМblЧI(а между первым и вторым xoмn..
рессиовными ICолъцами, lCоторая имеет БОльшую высоту, так как
она воспринимает иысокие давления rазов.
Для отвода в запорmвевое пространство ИЗЛИШКОВ масла, сии..
маемых маслосъемным КОЛЬЦОМ, и днище ero ханавки ДМ масло-
cъeмных :колец высверливают 6...12 дренажных отверстий диамет-
ром 3...5 мм со стороны рабочих поверхностей юбхи.
Толщину днища поршня lJ назначают исходя из требований обес-
печения иеобходимоrо теплоотвода от элементов ero rоловlC.И.
С увеличением толщины дншца снижается термическое сопротив-
ление на пути распространения теплоиоrо поток.а, что приводит
к выравниваШlЮ и снижению температуры элементов rоловICИ
поршня, улучшению условИЙ работы компреССИОННЫХ колец. По
'" ...
этан же причине и с целью оrраничения значении локальных rради
евтов температур переходы от днища поршня IC. уплотняющему
поясу и бобыш..сам ВЫПОJIНЯЮтс.я массивными, особенно у порmней
...
дизелеи.
126
.
Высота юбки h.o должна быть минимально достаточной для
обеспечения движении портия в цилиндре без переlCОСО8. В ЭТОМ
случае поршень при ero перекладке должен контактировать с зерка--
лом цилиндра нижней и верхней кромками юбки, что rарантирует
отсутcrвие кромочноrо контакта с цилиндром в зове ero rоловlCИ..
Таким образом, рациональная величина hx, зависит от высоты
I ОЛОВICИ порmня, величины диаметральных зазоров между порт..
IleM и цилиндром в зоне rоловlCИ и юбки, от их профилей по
нысоте.
Положение оси пальца h 2 выбирают из условия обеспечения
paBHOMepHoro распределения давления силы N по высоте юбки,
...
достаточноrо для недопущения разрыва маслянои nлеmcи на зер..
кале цшmндра. С этой целью ось пальца стремятся максимально
приблизитъ к центру масс поршня, что позволяет также миними
ироватъ интенсивность ero перекладкв. Достиrается ЭТО при раз--
мещении пальца примерно в середине высоты юбки поршня.
Уменьшению энерrии удара при переХJIaДICе способствует также
,...
смещение ОСИ отверстия ПОД палец относительно ПРОДОЛЪНОИ оси
симметрии порmня в сторону наиболее наrруженной ero боковой
IIоверхности на величину, равную (О,О2...0,ОЗ)D. При этом в зове
IJMT момент начала движения порmня ОТ СДВОЙ стенlCИ ЦШIИндра
к дрyrой не будет совпадать с моментом реЗlCоro нарастания давле
IIИЯ сrорания.
Опорная длина 1r, отверстий 8 бобышках при заданном диаметре
Ilалъца должна обеспечивать приемлеМЫЙ уровень удельных давле--
u ...
IIИИ И, следовательно, достаточную ИЗНОСОСТОИlC.оcrь сопряжения.
I)еличина данноrо параметра должна соrласовыватьс.и с минималь...
110 необходимой ДЛИНОЙ порmневой rоловп шатуна.
При проектировании поршн.я в качестве исходных параметров
используются статистические даввые по ковcrРУКТИВНЫМ размерам
ссо элементов (см. рис. 5.4, табл. 5.1).
Таблица 5..1
Наименование парамetpa ДсИЗ Дизели
Высота ПОрlDИJI н/п 0,60...0,80 0,80...1,20
ТОJПЦииа II:I I а ПОРШВJIlJ/D 0,06...0,09 0,15...0,22
Высота иаровоrо поаса h/ D ... О ОЗ...О]tО8 O,06.._0 18
Высота первой кольцевой пере 1. ... h,JD 0,04...0,05 0,05...0,08
Высота стенки rоловки порmия s/ D 0,05...0,10 O,OS...O, 1 О
РассТОJlНИе до оси пальца h./D 0,30...0,50 0,50...0,62
ТОJПЦВВа crеllkИ IOБJCИ ПОрIWIJI s .ММ 1,50...3,00 1,50...3,50
127
ПродОА:Ж и та6л. 5.1
Наимcsо....lПlс JapaMeтpa ДсИЗ Дизели
Радиальва.к толщина кольца ':
1(0 11.;,. .. оввоrо './ D 0,040.. .0,045 0,040.. .0,045
м:аслосъемвоrо ,М!п 0,038.. .0,043 0,038...0,043
Высота а:ольца Ь..., мм 1,00...1,7S 1,75...3,00
Р I . 1. вый зазор IОЛЬца В aвa.вIe ПОрIШIJI AI,
мм:
компрессиоввоrо 0,70...0,95 0,70...0,95
маслосьемвоrо 0,9...1,10 0,90...1,10
Разнocrь ме-ду в. I .. : · И зазоров зaмПL KOJlЬ
ца В свободном и раоочеы СОСТО. :I' 4' 8/1 2,5...4,0 3,2...4,0
Количество мас.лавых отверстИЙ в ПорIIIНе i"".o 6...12 6...12
Диаметр отверстИJl M8.CJl8НOCO капала dM.o/b 0,30...0,50 0,30...0,50
Наружный диаметр пальца dп..и/D 0,20....0,28 0,32...0,40
ВнутреННИЙ диаметр пальца dп../ О,БS...О 1t 75 O,SO...O,70
длина пальца 'пfп O,8S...0,90 O 8S...0,90
РаССТОllВИе между торцами бобыmеI Ьб/D O,2S....0,40 0,25...0,40
Диаметр боб. 111 . dr,/D 0,30...0,50 0,40...0,50
Длина rоловки шатуна а/п 0228....0,45 ()7 ._.()'
..
При ме"l ав и с.. :: . ...j;':' диамctp П О}JпrA. мм: di==D 2(8+I+AI).
5.1.2. зАзорыI МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ
порmня и РОМ
Зазоры между элементами партия и зеркалом цилиндра при
проrреТQМ двиrателе .являются ОДНИМ из наиболее В. :1. t парамет..
ров, ВЛИЯЮЩИХ lC3.IC на работоспособность порmневой rpуппы, T8JC
и на потребительсжие хачecmа двиrателя в целом. Наличие зазоров
... w ....
И их величина зависят от уровнен механичесlCОИ и тепловои ни..
""
ружевности элементов цилиндропорmнеВQИ rpуппы, соотношения
конcrpухтивных параметров и теплофизичecrcиx свойств материалов
их элементов.
Проблема стабилизации величины зазоров в сопряжении по..
ршень цилиндр для Bcero МНОl'ообразИJI эксплуатационных режи..
МОВ работы осложняется тем, что коэффициент линейноrо расшире..
ния поршней из алюминиевых СШIавов в 1,5...2 раза превышает
коэффициент линейноrо расширения стальной или чyrунной rильзы
цилиндра. Тепловое СОСТОJIНИе порmня на раз.личных режимах рабо..
ты две существенно варьируется. Ero температура изменяется от
"
минималънои при пусхе и nporpeBe холодноrо двиrателя до мак...
128
сималъной на . I ах наибольших нarpУЗОlC. На фоне относитель--
НО стабильноrо тепловосо СОСТОJlНИЯ цилиндра это обстоятельство
предопределяет существенные изменения величин зазоров по реж.и--
мам работы двс. Стабилизация зазора в сопряжении юбка по
"
рmня зеркало цилиндра является ОДНОИ из ключевых и тру дно
решаемых проблем конструированИя порпшей из алюминиевых
СШIаВQВ.
Уплотняющему поясу rоловки портия по есо образующей при..
дается одна из следующих форм: ступенчатая. коническая. пepe.мeH
ная по лекальной кривой. Учитывая характер распределения тем--
пературы по высоте УШIотняющerо пояса (верхняя хромжа
280...320 ос, НИЖНЯЯ 120...140 ос), такая ero конфиrурация позво
ляет при достижении штатноrо тепловоrо состояния придать rолов",
ке порШЮI цилиндрическую форму.
I06ке порmня в современных КОНСТРУКЦИЯХ придается бочкооб...
разная форма. Это позволяет избежать кромочноrо удара при
перекладках порпmей, облеrчитъ условия формирования масля..
носо кпина в сопряжении юбка порmвя зеркало цилиндра, а так..
же учесть особенности ее термической деформации вследствие Hepa
ВНDМерности распределения температуры по высоте (от 120...140°C
в верхней дО 95...100°С в нижней зонах). Применевие поршней
с оптимальной формой ero образующей (рис. 5.6) обеспечивает
уменьшение (ДО 20%) их термонаrpуженности, а также способствует
улучшению ЭICолоrичесlCИХ характеристик и снижению расхода мае..
ла на yrap.
При нarружевии юбки поршня боковой силой N происходит ее
овализация, что является следствием веравномерности распределе...
ния нarрузки по ее периметру (зона вarpуз:ки оrpаничена в попереч
НОМ сечении дутой с yrлом 80...100°) (рис. 5.7). Это обстоятельство,
а также нераВБОМерность деформации КОНСТР)'IЩИИ поршня ОТ дав--
IIения rазов на днище и при теШIОВОМ расширении приводят IC. тому,
что рабочая чаcrъ юБJCИ npиобретает форму овала с большей осью
8 направлении оси пальца. Для нейтрализации этоrо явления при
изrотовлении порmня предусматривается технолоrическая овализа..
ция ero юбп с меньшим диаметром по оси nopmнeBoro пальца (см.
рис. 5.6). В этом случае при штатном теI:ЛОВОМ состоянии форма
lобки приближается IC цилиндрической.
Лимитиро.вать величину тепловой деlf' рмации юбки ВОЗМОЖ"
110 за счет оrраничени.я поступающих в нее теrшовых ПОТОКОВ ОТ
."ОЛОВК:И порmня с помощью ОДНОИ или двух симметрично рас..
....
Ilоложенных поперечныx прорезеи по днищу канавки маслосъем..
носо кольца (СМ. рис. 5.3). Однако при ЭТОМ затрудняется теплоот
JJОД ОТ элементов соловки, а также уменьшается жесТICОСТЬ конет..
JlУКЦИИ порmня.
129
Профиль поршня в осевом
сечеНИИ,перпендимулярном
ОСИ поверхности Д
т 1 v6
.225.. 0.245
R 1,5vб 0,190.. 0.210 "
011152 ... 0,172 о)
0,118 0,135 ::
10
0.100.. 0.115 ...
м 0.060 .. 0.070
N .045 0.055
со 0.024 0.030
('t)
о 0.011 0.016
t-- . ........
)( ....... CQ 0.004 .. 0,007
..
ra о ...
Е '" 0.001 0.003
I <3
I.t) it) 0,000
.. Q
...
C'\.I
...-- 0.003 0.006 со
(\') 1 1 1 010 .. О 015 '"
..... Для подrонки
119.86.0.02
массы
CD До покрыияя
C'\I
....
..
о
.
I
OD . 1800 0.000
.+.
0.003
.
1
.
ltJ
.....
....
.
о
';j.
..
о
Рис. 5.6. Профвль порmии по ero высоте и по ОХ]1)'J[ВОСТИ
Термостабилизацию зазора между цилиндром и юбкой по-
рпшя при изменении режиыа работы две в ряде конструкций
осуществляют вертикальными прор ез ИМИ, располаrаемыми на
""
тои ее стороне, которая не прижимается к цилиндру во время
рабочеrо хода порmня (СМ. РИС. 5.3). При ЭТОМ в холодном состо..
130
r I
. J
I I
. I
=- -
:::
N ''''' ...
... )
\...
...... .....
... .
=-
()
80... /00
а
t б
8
Рис. S.7. Деформации ПОрПIWl:
а эпюра давлеНИЙ :на юбку DO }JIIIН. от боковой cвлы N; 6 деформации по рП1R. ПОД
.цействием raзoвых сил; . дефор , .1 1 ПО РJIIR. ПОД дсйcrвием тепловой В arpyt и
янин зазор создается достаточно малым, что способствует YCTpa
нению стуков порmня и шума. По мере проrрева двиrателя юбка
расmиряется, но заклинивания портия при выборке зазора не
прОИСХОДИТ, так ках увеличение диаметра юбки компенсируется
.....
уменьшением ширШlЫ прорезеи.
В порIIIШIX ДеИЗ используют комбинированные п и Т образ
ные прорези. Следует заметить, что данные мероприятия значи..
телъво снижают механическую прочность конструкции порmия,
вследствие чеrо не применяются в современных форсированных
двиrателих.
эффеlcтиввым средcrвом реrулирования тепловоrо расширения
юбки JlВляется применение специальных термореrулирующих Bcra..
вок, размещаемых в верхней чаcrи юбки. Наибольшее распрост
...
ранение получили ICОВClpУКЦИИ nоршнеи со вставкамl/, следующих
.
ТИПОВ.
. Автотер.мик. В поршень заливаютс две стальные вcrавки,
совместно с литыми стешами связывающие юбку с бобыmками
(рис. 5.8, а). две поперечные прорези me'J-..ду" rопоВICОЙ и юбкой
обеспечивают снижение температуры юб:ки, а также оrраничивают
влияние деформа 11 I rоповки на ее форму. Бимет8.ШIическая creHKa
из..за развости lCоэффициентов линейноrо расширения ее слоев при
нпреве изrибается в направлении оси пальца и втяrивает внутрь
рабоЧИЙ участок юбки, lCомnенсируя при ЭТОМ увеличение ее диамет"
...
ра за счет линеиноrо расширения.
131
Fc
......
4!....В!
ЛI
'I''''II,
.,............
.,.1-.-..
.............
а
б
Рвс. 5.8_ Термореryлирующие вставки порmней:
а............... попе. .1:1. ; .... "!-иа а авто терМИЕ; 6 КОЛЬЦСВU вставка типа Ю1срома lD.A.
. А втотер.матик. Конструктивно аналоrичен автотер:мику, но
без поперечных прорезей между rоловICОЙ и юбкой. Естественно,
такая lCовстрyюuuI менее эффеICТИВва, НО при этом поршень имеет
более выокую :жесткость и меньшую температуру УПЛОТВЯIOщеrо
повса..
. Клеро.матuк. или конфор.ма11Шк.. В верХНIOЮ часть юбки зали
вается crалъное армирующее .кольцо (реже два полукольца) крyrло--
1'0 WIИ npямоyrолъноro сечения (рис. 5.8, 6). Такая КОНстрУКЦИЯ
увеличивает жестJ(ОСТЪ верхней зовы юбхи и тем самым оrраничива
ет радиальные тепловые деформации не ТОЛЬКО в плоClCОcrи pac
положения колец, но и ПО всей высоте юбки.
. Диoтep.мamuк. В юбку поршня заливаютСJI фиrурвые вставки,
u
верхние кромки которых ДOXOДJIT до торцевои поверхноcrи канавПl
маслосъемноrо кольца.
Для уменьшения работы трения, ускорения процесса приработ
:КН, придания юбке поршпя хороших антифрикционных и антииз
Hocных качеств, защиты от коррозии на ее рабочую поверхность
наносят раз ' · 8.. е леrкоплавmе покрытия с помощью лужения
ОЛОВОМ, свинцевания, фосфатирова.ни.я, rpафитизации. ДЛЯ ПОВЫ--
mения маслоемкости трущеrОСJI сопр.ижеНИJl на наружнои поверх
ности юбки создают орrанизованный микрорельеф.
В нижней чacrи юбка может иметь прорези для прохода пp<r
тивовесов :коленчатоrо вала.
для осраничения технолоrической неуравновеmевности две ли
митируется разновесностъ поршней, величина lCоторой обычно не
превышает 0,5...1,0%. Подrовху поршвей по массе осуществляют
..,
снятием металла со специалъвых приливов на внутеевнеи поверх--
ности юбки.
132
5.1.3. конcrрyктиDныE МЕРОIIPИЯТИЯ ПО повышниIo
прочноcrи И долrОВЕЧНОcrи
Одним из наиболее уязвимых элементов КОНСТРУIЩИИ поршня
ЯВJlЯЮТСЯ стенки канавки sepxнezo KoMпpeccиOHHOZO КОАьца, которые
I)азрymаются в результате механическоrо, эрозионноrо и коррози--
онноro их износа. Срок службы элемента DОpmня в некоторых
случаJIX определяет моторесурс Bcero двиrателя. для устранении
J1amoro дефекта праlCтика двиrателестроения использует р-яд конет..
...,
руктивных мероприятии, ОСНОВНЫМИ из lCоторых являются следу--
lощие.
. Размещение в rоловке партия из алюминиевоrо сплава встав..
Ки из U31Юсостойкоzо .материала (рис. 5.9, а). В качестве материала
ncтaвoK используются аустенитный чyryн (нирезист) (15...17% Ni, 5%
Се, ДО З% Си) и слаболеrированные стали. Монтаж вставICИ произ...
IIОДИТСИ С использованием а1ПJфин..процесса, суть ICOToporo заключа...
....
СТСЯ В алитировании ее наружных поверхностен, установке в ICОICИЛЬ
И заливке основным метаЛЛОМ. В результате образуется диффузнон"
w
Irая металлурrическая СВJIЗЪ между вставков и телом порmня в виде
алюмида железа ТОЛЩИНОЙ 0,02...0,03 мм. ДанНый метод позволяет
увеличить ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ICававJCИ в 3...4 раза. Однако при ЭТОМ
резко 80зраcrают трудозатраты на ПрОИЗ80ДСТ80, связанные с необ---
ходимостью lCонтроля качества ее установки с помощью ультразву'"
KOBOI'O дефектоскопа (неспай не должен превьиnать 7% ее перимет
ра). В целом трудоемхость изrотовлени.и поршня повъnnаетс.и на
4)0...60% при возраста .Ia ero массы на 7...10%.
В поршнях, зarотовlCИ которых изrотовляются методом rоряче--
."0 прессования, вставку делают в виде бандажа и приваривают
к I'оловке порпmя электронво..лучевой сваркой (рис. 5.9, 6). При
Электронно лучевая
сварка
й
.
б
Рис. 5.9. противоизиосвыe вcrавки порmвевых юшавDК:
(J. ........... типы 1ICТ8.80Ж; 6 вставка с составным DОрпmсм
133
этом одновременно ТСХllОJlоrически рационально решается пробле-
ма формирования в ПОрШllе охлаждающих каналов для циркуляции
масла.
. Повьпnение твеРДОСТИ и жаропрочности элементов верхней
канавlCИ nереnЛа80-М их пoBepxнocтHOZO СЛОЯ с введением леrиру..
ЮЩИХ элементов. Переплавка ведется электродом из железовиICелъ..
w
ХРОМОВQИ проволоки.
. Упрочнение верхней канавlCИ (и ICpOMOK lCамеры сroрания)
порmнЯ введением в структуру ero rоловки ориентированных в про..
странстве керамических волокон из оксида алюJdИНИЯ, нитрида
и карбида кремния. Такие порmни изrотовлJIЮТ методом жидкой
mтампОВICИ. Достоинством метода JlВляетс.я ТО, ЧТО выокая меха--
w ""
ническая прочность, СТОИICОСТЬ IC воздеиствию выоких температур,
большая износостоЙКость элементов порmив обеспечиваются без
увеличения материалоемхоств ero :конструкции.
. Покрытие rоловки порmня, включая первую кольцевую ка..
иаВI(У, эмалью, что помимо защиты ОТ эрозии и :коррозии позволяет
уменьшить теШIОВОСПрИИМЧИDоcrъ днища. Это существенно облеr..
чает условия работы порПIШl и компрессионных колец.
Одной из важных npоблем конструирования порnшей является
необходимость оzраничения температуры 8 зоне sepxнezo KO.мnpeC"
CиOHHOZO кольца. При температуре выIпe 200 ос дЛЯ pJIДa масел
... ..,
с НИЗКОВ температурои :КОlCсовавия возможно зак.ОlCсовываиие пер--
ВОЙ кольцевой lCанавlCИ с потерей подвижности lCольца. Данная
проблема решается либо увеличением высоты ozнesozo пояса, что
ухудшает массоrабаритвые характеристики поршня, либо орrавиза...
цией каналов для охлаждения этой зоны .маСЛОAf. Однако ЭТО еВJ1за..
flO с усложнением конструкции порmня и приводит IC сокращению
срока службы MOTopHoro масла. для этих же целей используются
спеltиальные са.моочищшощиеся ко.мпрессионные кольца.
В высоlcофорсированных двиrателJIX для уменьшения теШlОВОЙ
нarруженности поршней используется их пРWlудиmельное охлажде--
u
ние, lCоторое орrавизуется по ОДRои из следующих конструктивных
схем. ;
1. Струйное опрые: 1: ание внутренней поверхности днища по..
рmня маслом, подводимым от lCолевчатоrо вала по каналу в стерж..
не шатуна IC верхней есо rOnOBKe. Масло распыливается через lCалиб
рованные отверстия в верхней rоловке шатуна (рис. 5.10, а). данный
способ обеспечивает снижение температуры Д :. 1" а DОрDIШI на
15...20 ОС. Большая эффективность охлаждения доcrиrаетея при рас..
пь.uшвании масла через Форсуmc:У, неподвижно уcrановленную в зо..
не :1 . ей части цилиндра на картере двиrателя. При этом тем..
пература днища портия может быть снижена на 25...зо о С.
2. Подача масла через шатун в охлаждающие полости в nopmвe,
заполняемые маслом примерно на 1/3 объема. При нераввомерном
.,
134
JI.ВИЖевии ПОрПIВJI прОИСХОДИТ ero перемешива.ние, ЧТО интенсифи
IШРУет теплоотвод от ero днища. Такой способ позволяет снизить
reмnepaTYPY днmцa поршия на 30...40 ос.
Полость в цельнолитых поршнях формируется при отливке с по-
мощью водорастворимых стержней (рис. 5.10, 6). В составных по
ршпJIX ПОЛОСТИ формируются сиcrемой уrлублевий на элементах
+
8 t
2 t
6
-
..
..
в
t
д
Рис. 5.10. ПО. III:I С привудительвым ох.лаждеивем:
tJ ........... струйное охлаж Дени е 11: I . . I t: п оpnrwr ; 6 ......... d ....... Dо лоса1:fо е охлаждение П ОpпJR- (6 полость
8 QtЛЬвометалличеаом порmие; 8 ПО С1Ъ.. ". Ы T'" эл емarrО N, ф.. ,1 · ующим :камеру
а. . : :11 .; z. d .......... DOлOCТlt, сформвро. : :1;. двум_ Еемеll"l'8.МИ составиоro ПО РПIR_)
135
DОрШВJI, соединяемых сиаркой (рис. 5.9, б; 5.10, в), либо с по..
мощью резьбовоrо соеJ'Иllения (рис. 5.10, z, д).
Ориентировочно оцепи"rь на стадии ПроeICтирования тепловую
напряженность поршневой rруппы и целесообразность ero принуди..
тельвоrо охлаждения маслом позволяет ряд :критериев, ОСНОВНЫМИ
из lCоторых являются:
· :критерий rинцбурrа N == N eJIOM/(iD) == 1 ,96p JJ, rде N ВDM
номинальная мощность, кВт; i количество цилиндров; D дна...
метр цилиндра, см; не охлаждаемые паршии автотракторных двиrа..
телей имеют N == 1,5...2,5 КВТ/СМ;
. .критерий Костина (для четырехтактных двиrателей) qп==
==2,34с .S(р,g ТJТD)О'SS[D/(р1ЛI1)t35, rде св средняя аорость порш
ня, м/с; p среднее эффективное давление, МПа; g ' удельный
эффективный расход топлива, п/(кВт. ч), D диаметр цилиндра,
дм; Pk И Tk давление, МПа, и температура, к., на ВПУCJCе; '111
коэффициент наполнения; для двиrателей aвтoтpanopHoro типа
qп== 3,5...1,0;
. порmневая мощность Nп==Nnoм/(iFJ, rде F п ШIощадъ
порпmя, м 2 ; В дизелях С N п более (0,22...0,30).104 кВт/м2 целесооб--
разно орrанизовывать принудителъное масляное охлаждение пор..
u
пmеи.
за ЦИЮI работы двиrателя температура рабочеrо тела, KOHTa:к:
тирующеrо с .I.I II ем поршия, изменяется на 2000...ЗОООК, что
может сопровождаться образованием трещин, особенно на KpOM
ках ка.меры сzорания, являющихея КОlЩентраторами термиче..
ских напряжений. Для борьбы с этим JlВЛением праrcrика двиrате
лестроения выработала комплекс технических меропрИЯТИЙ, Ta
КИХ, как:
. удаление уzлублeнuй под клапаны в днище портия, скруzлeнuя
к.ро.мОК камеры сzоранил и т. д.;
· оплавление поверхноcrиоrо слоя кромок камеры сzорания лазе..
ро.м;
. твердое анодирование кромок и поверхности днища nоршня
с повышением содержания меди в поверхностном слое, что позволи..
er в 3...4 раза замеДЛВТЬ процесс образования термоусталостных
., '" .., ...,
треЩИН путем создания твердои О:КСИДНОИ пленки с ВЫСОICОИ СТОИКО..
crью против ПОЛЗУЧести.
Для двзелей, форсированных наддувом, применяют ПОрIIIНи
с упрочняющими полость камеры сrорания экранами и вставками из
черных мет8JШОВ, порошIcовых и ICОМПОЗИЦИОВНЫХ материалов. Ие--
.,.
ПОЛЬЗУЮТСJl порmни с зонным армированием po.м.OK, камеры ссора..
ния :керамическими волокнами на основе оксида атоминия, вит..
рида и карбида кремнии (10...20% от вcero объема). эти меропри
пия ПОЗВОЛЯЮТ получить 2...З"кратвое повышение прочности эле..
136
ментов I :1: I а поршв.я при существенном усложнении и удорожании
ero конструкции.
Более доступны при сериЙНом и массовом производстве канет--
рукции cocTaBных поршнеи, в которых для увеличения термопроч"
ности rоловку или днище изrотовляют из жаропрочных матери--
алов crали, чyrуна, керамИICИ (рис. 5.11). Однако при ЭТОМ
необходимо считаться с тем, что масса составных ПОрIШIей npи
мерно на 30% больше, чем монометалличесlCИХ из amoминиевоrо
сплава.
К наиболее нarруженным элементам поршия относятся 60быш
ки пОРШНR. Деформации поршня и поршневоrо пальца ПОД действи--
ем СШI давления rазов нарушают пар8.JШельвость опорных поверх--
ностей бобЪШIек (рис. 5.12, а), в связи с чем у КРОМОХ их отверстий
имеют место значительвыe концентрации напряженИЙ. Данное ив..
пение может усуryбиться при обработке отверстия по недостаточно
высокому lCЛассу ТОЧНОСТИ, что может ЯВИТЬСЯ причиной образова..
IIИЯ трещин на опорных nOBepXНOCTJIX.
Решение проблемы повышения несущей способности бобыmек
связано с реализацией конструктивных способов уменьшения удепъ...
...
IIЫX давлении в сопряжении с поршневым пальцем, T8.ICIIX, как:
...
. выравнивание удельных давлении по периметру опорных по--
uерхностей, что способствует улучшению условий смазICИ СОПРJDКе..
ния в различных фазах рабочеrо ци:кла; наиболее рационально эта
"tадача решается при вьшолпении внутренних торцов бобъпneж со
.., u
СКОСОМ В сочетании сверхнеи rоловlCОИ шатуна трanециевиДнои
ФОРМЫ. При ЭТОМ ПЛОЩадь верхней части опорной поверхности
бобыIIIкK превьпnает нижнюю, что обеспечивает снижение давления
8 данной зоне на 15...400/0;
2
1
2
1
1
-
I
а
б
в
1
2
Рис. 5.11. Варианты соединеНИJl составвых порmвей:
" . цевтр&львым бал (ом ; 6 винтами по оерифсрии; . сDсциальвыми выcryпами; z ............. бал--
т8МИ ПО периферии; l вep XВJlS часть COCТ&8HOro ПОРШИJl; 2 крепе -иыii элемент
137
А
..... ... ....
" i'IIiI
. . -
!IrIJ -- J
....... ........... - .........
б
--....... ..
а
БидА
Трещина
.
Рис. S.12. НarpузПl и дефор--
м8ЦИИ бобыmек ПОрППUI:
tl .............. дефо. j: 1141 В вапр"e.RИ8:
В боб. .111 DOpIl1ВJl; 6 профи,.
пиров -вае поршвевоro пальца
. профилвровавие формы наружной поверхности пальца тахим
образом чтобы при вarружевии она соеласовывалась с линией есо
npom6a на участке ICOBтaICТa с бобыШICОЙ (рис. 5.12, 6). Это позволя..
ет ПОВЫСИТЬ несущую способность бобыmех порmня на 40%;
. аналое .,: ый эффект может быть получен также соответст..
вующим профилированием опорнЫх поверхноcreй бобышек в зоне
внутренних КроМОЕ, однако ЭТО связано с существенным усложвени..
ем технолоrии иэrотовлени.R поршвя;
. СICруrление наружных кромок отверстий в бобыmкax (с фас..
КRМИ по упрощенному варианту), что позволяет уменьшить ковцеи--
трацию напряженИЙ на 40%;
. расположение в отвеpcrиях ДЛЯ пальца втулок из подаТЛИВЫХ
материалов (amoминиево ме. :1.. сплавов, ато а.l евой бронзы,
DOpoIIIXOBЫX материалов); вал 'I. е ynpyroro элемента между паль..
цем и б06. 1111. ой позволяет повысить их трещиностопость на
30...50%;
. дробеструйная обработка или расхатха роликом внутренней
поверхности отверстий в бо6blIIIК&х, что способствует повышению
их усталостной прочвости (на 8...20%);
w
. изrотовлевие зarотовоIC порmнеи из эвтектичесIC:оrо силумива,
что повышает на 15...26% трещииоcroЙ1сОСТЬ бобыmек.
...
138
5.1.4. мАтЕриАлыI И ТЕхнолоrия
изrОТОВЛЕНИЯ ПОРIПНEЙ
с учетом специфиICИ работы порmией к их материалам предъяв..
JlЯЮТСЯ следующие требования: малая плотноcrь, высокая про..
-1 "ОСТЬ, низкая СКЛОННОСТЬ к трещинообразованию и усталости,
"'"
.-ермо", . I I I О.. И износостоикость, малая теплопроводность, HeBЫ
соmй коэффициент линеЙНоrо расширения, низкая СТОИМОСТЬ мате..
риала и технолоrии изrотовления портия.
для изrотовления поршвей aвToтpaкTopHых две в HaCTOJIIЦee
.....
Itремя в основном используют алЮ 1Иниевые сплавы, реже серыи
ИЛИ ICОВICИИ чуrун, а также ICОlWIоэиционные материалы.
Алюминиевые сплавы им:еют малую ПЛОТНОСТЬ, что позволяет
СIIИЗИТЬ массу поршня, обладают ВЫСОlCой теплопроводностью,
""
Ilозволяющеи при прочих равных условиях иметь меньшие тем--
lIературы элементов поршвевой rpynпы. К положительным JCaчеcr
IlaM алюминиевых сплавов следует отнести и малые значения lCоэф--
( ициента трения в паре с чуrунными ИЛИ стальными mлъэами
.'ШlИНДРОВ.
Однако поршням из атоминиевых сплавов присущ ряд серьез--
IIЫX недостатков, ОСНОВНЫМИ из KoTopых являются невысокая уста..
IIOCТB8JI прочностъ, резко умевъшающаяСJl при повышении тем--
Ilepaтypbl, высопШ lCоэффициевт ливейноrо расширения, меньшая,
'leM у чуrувных порmней, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ, сравнительно большая
стоимость.
В настоящее время для ИЗl'отовлевия поршней используют ЛИ..
""
1 9 еиные и ковочные СШIавы атомивия с кремнием силумины двух
"ИДОИ: дозвтеlCтичеСlCИе с содержанием кремния 11...14% И заэвтеte..
I"ичеспе 17...25%.
Увеличение содержания кремния в сплаве ПРИВОДИТ IC уменьше..
IIИЮ коэффициента линейноrо расширения, IC повышевию тepMO
w
И ИЭНОСОСТОИICоcrи, НО при ЭТОМ ухудшаются есо технолоrичесlCИе
качества и растет СТОИМОСТЬ ПрОВ3Бодcrва.
для улучшения физико",механичес.ких свойств СUJlуминов в НИХ
8ВОДЯТ различные леrирующие добавu. Добавка в aJПOминиево..
кремниевый сплав до 6% меди npИВОДИТ к повышению усталостной
.....
прочноcrи, увеличивает теплопроводнOCТI" улучшает литеиные ка..
чества и, следовательно, снижает стоимotтъ изrотовпеНИJl. ОДВ8JCО
IlрИ этом несколько снижается ИЗНОСОСТОЙlCоcrъ порmня. Исполь...
Iовавие в IC8.честве леrирующих добавок натрия, азота, фосфора
увеличивает извосостойхоcrь сплава. Леrирование никелем, хро.. ·
....
мом, мarнием повьппает жаропрочность и извосоcrоикость ХОНСТ..
рукции. I
3arотовки портией из aJПOldIIниевых сплавов получают путем
ОТЛИВICИ в ICОICИЛЪ или rОРJlчей штаМIJОВ.кой. После механичесхой
139
обработки ОШf подвср,"а.отс.я термической обработке для по
'"'
выIIIния: твердости, IlрОЧllОСТИ и И3RОСОcrоИICОСТИ, а TalOКe
для предупреждения коробления при эксплуатации. Кованые
порпmи пока используютс.я реже, чем литые, в ОСНОВНОМ в силу
оrpаничеllных возможностей формообразования при rоричей
штамповке.
Чуzун в качестве материала ДЛЯ портией по сравнению с алю..
миниевым: СШIавОМ обладает следующими положителъ: 1. 1 1. СВОЙ
ствами: более высокими твердостью и ИЗНОС ОСТОЙIC ост ью, жаро..
прочпоcrью, одип8.ICОВЫМ :коэффициентом линейвоrо расширения
с материалом цилиндра. Последнее обстоятельство позволяет суще
ственво уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры
в сочленении юбка порпmя цилиндр. Однако большая плотность
не позволяет использовать ero широко для порmней ВЫСОlCооборот.-а
ных автомобильных двиrателей. Данный недостаток может быть
чаcrично нивелирован включением в crpyrrypy чyrуна mаровидноrо
rрафита, что позволяет отливать элемеllТЫ порпmя существенно
меньшей тошцины. Как следует из СlC.азанноrо вьnпе, ни силумины,
....
ни чyrуны в полнаи мере не ЯВЛЯЮТСЯ идеаль :1. I 1. материалами для
.....
изrотовлеНИJl поршиеи.
В связи с этим в настоящее время ведется активная работа по
....
использованию керамики для изrотовлени.я порmнеи, lCоторая на..
илучшим образом отвечает требованиям, предъявляемым к матери
алам поршневой rpуппы. Это малая плотность при ВЫСОICИX прочно
'"
сти, термо.., химико.. и износостоиIC:Оcrи, теплопроводности и оп...
тимальном значении коэффициента линейноrо расширения.
ОДИН из практических способов использовании керамики cocтo
...,
КТ В изrотовлении детален поршня из металло ИIIИ полимероlCОМ--
IIозиционных материалов.
Матрицей nepBoro типа материалов является алюминий или
'""
мarнии, а в качестве наполнителя используют керамические и ме..
талличеСlCИе порошо или ВОЛОlCНа пористых материалов.
Основу полимерокомпозиционных материалов составлJIЮт по
лимерные материалы с наполнителем из волокон yrлерода, стеICЛа,
порошков металлов или керамики. Они обладают малой плот..
востью, высокими анТИФРИlCЦИон: · 1 I свойствами И применяются
ДЛJI элементов с небольmими тепловыми вarpyзlC3.МИ, например для
изrотовления юбu ПОрШНJI.
перспективвыM ивляется армирование элементов поршвя Kepa
мичесICИМИ волокнами из ОlCсида ато I .I Я А1 2 О э И ДИОlCсида крем--
пия Si0 2 . При содержании в основном материале до 40...50% AlРэ
получается аморфное керамическое волокно С диаметром 2...3 мхм,
успешно работающее при температуре 1200...1300 ос. Если содержа
вне А1 2 О э превыmaет 70%, структура воло:кна приближается )( кри
140
сталличесlCОЙ, что предопределяет ВЫСОICИе прочностные и стабиль--
ные термические характеристики изделия.
Основ: · I ' проблемами, сдерживающими широкое испопъзова 0а8
...
ине lCера:мllICИ для изrотовления поршнеи автотракторных двиrа..
телей, являются хрупкость, низкая прочность на изrиб и при ЦШС:"
пичесlCИХ нarpУЗlCах, СКЛОННОСТЬ :к трещинообразованию, а также
высокая стоимоcrъ.
В ряде случаев, косда в две макСИМaJIЬвые давления сrорания
превьnnают 21 МПа, порmви MorYT изrотовля:ться из стаJШ.
Наилучшим сочетанием хороших массовых и прочностных хара..
ктеристик обладают поршни из титана. Их широlCОМУ внедрению
преПJilтствует BLlCOK8JI СТОИМОСТЬ проиэводства.
5.2. ПОРПlНEВОЙ ПАЛЕЦ
Ключевая проблема lCонструирования Dоршневоrо пальца
обеспечение ВЫСОКОЙ уcrалостной прочности, жесткости и износо--
"" ...,
СТОИlCости при минимальных конструктивнои массе и затратах на
провзводство.
В автотрaICторныХ двиrателJIX достаточно ШИРОХО используются
пальцы простейшей трубчатой формы (рис. 5.13, а). Однако в ряде
.... ....
КОНСТРУКЦИИ для минимизации массы при сохранении высокои про..
ЧНОСТИ палец изrотовляют в сечении в виде балки, равной прочно--
сти на изmб (рис. 5.13, б z).
По способу сочленения с верхней rоловIC:ОЙ шатуна различают
поршневые пальцы плавающие и защемленные.
Защемленные пальцы фиксируются в шатуне, что позволяет уне..
личить длину опорной поверхности в бобblIIIК8.Х порпшя И (или)
уменьшить диаметр пальца за счет сокращения длины onopHoro
участка в rоповже шатуна.
Отсутствие зазора между пальцем и шатуном позволяет умень"
ШИТЬ ОТlCЛонение шатуна в направлении ОСИ ICоленчатоrо вала.
Однако при применепии защемленных пальцев их износ по Ha
а
в
б
2
Рис. 5.13. КОНСТРУКЦИJl поршневых пальцев:
а б''Ч8.ThlЙ; 6 z раввопрочRы с конической ввyrpeввей поверхностью
141
ружнои поверхности IlерИИllомерен в силу Toro, что в процессе
работы палец не вращается
Как было показано ранее, профилировавие наружной поверх
иости пальца ПРОИЗВОДЯТ с учетом возможности уменьшения удель..
вых давлений, оказываемых им на бобЫIПICИ порmня.
Сочетание высоких усталостной прочности пальца и износо--
crойк:ости есо наружной поверхности обеспечивается выбором
соответствующеrо материала для ero изrотовления, а также не...
пользованием термохимических (закалка ТВЧ, цементация), тех..
нолоmческих (пшифовха, полирование) методов упрочнеНИJI ero
lCонструкции.
Пальцы ДеИЗ изrотовляют из среднеyrлеродистых сталей 45
и 40ХА. Их наружная поверхноаь закаливается ТВЧ на rлубину
1,0...1,5 мм для получения твердости HRC 52...60. для пальцев
дизелей и форсированных ДеИЗ используют леrированные стали
15Х, 15ХА, 18X2H4MA и 12ХЗА, которые цементируют на rлубину
1,0...1,7 мм. их поверхностная твердость достиraer HRC 56...65.
Дополнительная цементация пальца и полировка ero внутренней
поверхности позволяют повысить усталостную прочноcrь на
15...20%. Порmневые пальцы, изrотовляемые из азотируемых cra..
лей, после соответствующей термообработки имеют на 35...45%
большую усталостную прочность.
.
5.3. ПОРIПНЕВЪIЕ КОЛЬЦА
КонструlЩИИ поршневых колец функционально специализирова..
IIbl. Компрессионные кольца ЯВЛЯЮТСЯ основным элементом лаби..
ринтноrо уплотнения ВВУтрИЦИЛИНДрОDоrо пространства. Для их
нормальноrо ФУНICЦиовировани.я необходимо, чтобы они устанав--
ливались в канавки порmня с достаточно большими радиальныM
и осевым зазорами. Такая конструкция лабиринтноrо уплотнения
обладает насосным действием и привципиально не может оrрани"
читъ поступление масла в ци I I: 'р. Эry фунlЩИЮ вьшолвяют мае..
лосъе.мные кольца, уcrанавливаемые в канавку с минималъ :1.1
зазорами, в которых имеюТСЯ полости ДЛЯ сбора и отвода масла из
зазора в запоршневое проcrpанство; на НИХ также возлаrаются
функции реryлирования режима смаЗICИ сочленения поршенъ ци--
линдр.
КОНСТРУIЩИИ наиболее распространенных в автотракторных
двиrателях компрессионных колец приведевы на рис. 5.14.
. Кольца с прямоуzоАЬНЫМ поперечным сечenием (рис. 5.14, а)
проcrы в изrотовлении, имеют большую площадь контакта по
рабочей поверхности со стенкой цилиндра, что способствует хора--
142
а
z
д
е
з
"
Рис. 5.14. КовстрyпorJ[ компрессиоивых 4Iолец:
а прJIМоyrОJIЬDОro профllЛJl; 6 с ][ ОJf.Ичecz ой рабочей поверхностью; IJ ............. С бо"ll:ообразDОЙ
рабочей поверХВОСIЫО; 2. д прJIМоyroльвоro профи.ш. с ПРJIМоyroльвой или СЕоmеввой ввут"
ревнеА выточкой; е. 3IC С поп . 'I:I I сечением в виде симметричной и весимм tIp1l"l.tl ОЙ
еции; э сжреб:а:овыс; 11 виrые cr 8JТh1Uile ; 1( с обратвым торсвовом
шему теплоотводу от roловlCИ поршия в систему охлаждения. Одна..
ко их недостатком является трУДНОСТЬ приработlCИ рабочей поверх...
ности]с зеркалу цилиндра.
. Кольца с конической рабочей поверхностью «<минутные)) с yr..
лом наклона рабочей поверхности IC зеркалу цилиндра 15...30' из..за
повыmенноrо давления на рабочей ICpOМlCе быстро прирабатъmaIOТ"
си к зеркалу ци.линдра, после чет приобретают все качества :колец
с прJ.IМоуroлъным сечением (рис. 5.14, 6). Однако производство
таких колец более сложно.
. Достоинства и недостатки колец ПрJIМоyrолъноrо и lCоничес..
.... ...
lCoro сечении в значительнои мере учтены lCонструХЦИИ СiCручuва--
ЮЩUXСЯ (торсионных) колец (рис. 5.14, Z, д). Тапе кольца в свобод"
ном СОСТОJIНИИ имеют пр.ямоyrольное сече".dIе с выточками, осла..
бляющими верхнюю зону сечения lCольца.
В рабочем СОСТОJIНИИ такое кольцо (скручиваетСJI) за счет боль--
шей есо деформации в верхней зоне сечения и ero рабочая поверх--
'" &.#
ность контактирует с зеркалом узкои кромкои, как и в случае
«минутноrо» ICольца. Это способствует быстрой ero приработICe.
Однако такие :кольца ПЛОХО контактируют со стеmc:ами канавки, что
143
затрудняет теnлооБМСl1 через IIИХ между rоловlCОЙ поршня и crеmc:ой
цилиндра.
. Бочкообразная рабочая noвepxнocmь КОАЬца (симметричная или
асимметричная) обеспечивасwr оптимальное распределение масла по
""
ходу порmня, исключает КрОМОЧНЫИ контакт кольца с цилиндром И,
...,
следовательно, разрыв маслянаи ШIеmcи при <<выворачивании»
кольца из....за изменения направления el'O движения. Такое кольцо
быстро и хорошо прирабатывается к зеркалу цилиндра (рис. 5.14, в).
. Кольца с поперечным сечением в виде односторонней или
двусторонней mрaneцШl и с прямоyrольной или бочкообразной ра..
бочей поверхностью хорошо противостоят npиrоранию даже при
повышенных температурах в зоне канавки (рис. 5.14, а, ж). Осевое
и радиальное движения порmня при ero переlCЛадке приводят J( ИЗ..
менению зазора между торцевыми поверхностями кольца и канавки
порmвя, что предотвращает застой масла в lC8.Нaвxe, а образуюЩИЙ..
си пarар непрерывно растирается и в. I 1. 1: ается из зазора. Такие
кольца носят название сам.оочuщающихся. Кольца с односторонней
трапецией вследcrвие асимметричности их профиля обладают все..
..,
ми своиствами торсионных жолец.
. конический сжос рабочей поверхности у скребковых колец
ПРИВОДИТ к уменьшению ее площади и, следовательно, IC увеличе...
пию радиальноrо давления кольца на зеркало цилиндра (рис. 5.14,
з). Такое КОЛЬЦО, оставаясь компрессионным, может в оrраничен--
НОМ объеме вьшолнять функцию маслосьемноrо.
. Нижнее компрессионное ICOJIЬЦO иноr да вьшолняют торсион--
ны.м (рис. 5.14, к) с расположением ослабляющей проточки в нижней
части сечения и одновременным <<МИНУТНЫМ» СКОСОМ рабочей повер..
хностн. При установже в цилиндр обеспечивается ero жонта.кт с ци..
линдром ПО .I. ' :ей кромке. По функциональным свойствам оно
близко J( скребковому кольцу..
Конструкция маслосъемных колец должна обеспечивать съем
излишков масла со стенок цилиндра, а также распределение есо
8 виде ШIевICИ ПОСТОЯННОЙ ТОЛЩИНЫ по есо зеркалу. В зонах lCовтаlC
та кольца и цилиндра на всех режимах работы должна сохраняться
масляная плевка толщиной 0,003...0,012 мм. Для предотвращения
чрезмерноrо «отжатию) маслосъемноrо кольца ОТ зеркала ЦШIиндра
и ero «ВСПЛЫТИЯ») на масляной пленке ОНО должно обеспечивать
высокое радиальное давление на стенку цилиндра по сравнению
с комnрессионны.. В настоящее время в КОНСТРУКЦИИ автотрактор.-
ных двиrателей наибольшее распространение получили следующие
типы маслосъемных колец (рис. 5.15):
. чуzунные монолитные с витым цилиндрическим пру:жинным
раcшuриmе.лем браслет1l0Z0 типа характеризуются высокой rиб:ко-
crью и обеспечивают равномерное распределение давления по ВЫ--
соте :кольца (рис. 5.15, 6). Между рабочими пояClCами такосо кольца
144
б
8
2
д
е
Рис. 5.15. Конструкции маслосьемных олец:
а :l:оробчатоrо типа бс .: II' ' иremr; 6 жоробчатоrо Типа с витым пр : - 1: 1: 1. М ра сши рв"
тслсм; 8 два скреБIОВЫХ ][ольца; 2 жороб.атоrо nmа с радиаль яьп..t ра С.l.l.lИpи телем; д с
.. 11 , .;. I И OCCBЬDiI . I ' . sтелС Мi е с ,:, :81Н 1. R'J.lt.d ., . .иrcлf24
имеется lCанавlCа"резервуар для сбора масла, отвод которосо в запо
pIIIНeBoe пространство осуществляется через дренажные отверстия
в поршне. Внутреннюю поверхность кольца выполняют в виде
полуокружности ИЛИ V --образной формы. В первом случае пружина
быстрее прирабатьmаетсJJ., однако она может закрывать часть пло..
щади дренажных оков. Эrот тип кольца используют практически на
всех автомобилъных дизелях и примерно на трети конструкций
ДсИЗ. Для повышения долrовечвости рабочие пояски :колец по:кры..
вают электролитическим слоем пористоrо хрома;
. стальные составные (сборные) хромированные мас.лосъемн.ые
кольца, состоящие из двух кольцевых опорных пластин и расшири--
тепей (осевосо и радиальноrо или танrевциальноrо), используются
в основном на ДсИЗ (рис. 5.15, z е). Наиболее эффективны кольца
с тaнrенц.иа.лъным расширителем, обеспечивающим оптимальное
расположение опорных колец в канав:ке (рис. 5.15, е). Расширители
за счет собственной ynрyrости позволяют повысить давление опор--
'" u
Horo кольца на стенку при минимальнои ero радиалънои толщине.
Такое кольцо более rибко и лучше приспосабливается J( искажениям
формы цилиндра, а удельное давление Ни стенку цилиндра мало
зависит от величины износа ero элемеВl+0В;
. система из двух колец cкpe6K080Z0 ти.,.а (рис. 5.15, в), уставав..
пиваемых в одну канавку (верхнее КОЛЬЦО при этом имеет дренаж--
вые про рези) , допускает возможность их (<независимой» работы,
что улучшает функционирование колец при движении порmня с не..
которым перекосом.
Качественное вьmопвевие ФУШСЦИЙ системой жолец в составе
порmневой rруппы определяетСII не только высокоэффективными
14S
lCонструкциями отдеЛI.lllalХ се элементов, но и правильностью подбо--
ра их ко.мплекта.
Обычно в ДсИЗ верхнсс, компрессионное кольцо прямоyrоль
Boro сечения с бочкообразной рабочей поверхностью, а нижнее
скребковое, торсионное или минутное.
В связи с тем что у форсированных дизелей сложно обеспечить
температуру в зове канавки nepBoro компрессионноrо кольца ниже
температуры коксования масла, в качестве nepBoro :компрессион--
Horo используют кольцо с двусторонней трапецией (до 75% всех
моделей). Нижнее компрессионное КОЛЬЦО прямоуrольноrо сече
пия (до 40%), скребковоrо (до 35%) и реже с сечением в виде
двусторонней трапеции (до 25%).
В процессе эксплуатации кольцо теряет свою ynpyrocTh нерав"
номерно по ero периметру . В первую очередь ПРОИСХОДИТ потеря
упруrости кольца в зоне за:мха из..за ero локалъвоrо отжиrа. Кольцо
.... u
В этон зоне начинает ПЛОХО контактировать с ХОЛОДНО И стенков
....
цилиндра, процесс отжиrа с потерев упруrости резlCО ускоряется
и .кОЛЬЦО ВЫХОДИТ из стров.
Вследствие этоrо кольца изrотовлJIЮТСЯ с неравномерпой эпю--
рой давления. Большие удельные давления предусматриваются
в зове замка, что ICомnенсирует потерю ero упруrости и, следовате..
льно, увеличивает срок ero службы (рис. 5.16).
Форма замка lCомпрессионноrо кольца может быть прямоуrоль...
ной, косой и ступенчатой (рис. 5.17). Наиболее проста в изrотовле
:1 I прямоyrольвая форма замка, но она обладает наихудшими из
""
перечисленных rазоуплотияющими своиствами, ЧТО, однако, мало
сказывается на фymщионалъных ICачеcrвах при использовании их
р,МПа
6
5
120 ()
150()
2100
2
2400
90()
3
2700
3000
t 3300
00
..
Рис. 5.16. Эmoры радиальных давлеНИЙ кольца на зеркало 1: I .:
ПО окружности:
1 lpymеВИДВaJI; 2 OВ8JIЬВ8JI; з среднее радиальное давление
146
Штифт
J
I
t )
S
)
( U J1 1
а
б
в
z
Рис 5.17 а Форма 38.Мо. кольца:
а прJIМоyroльвu.; 6 :коса..; fI . cryпеичаТ8Jl; z со Пn'И фТОМ ШIJI дВухт в I X двиraтелей
8 быстроходных двиrател.ях. Величина зазора в замке в рабочем
состоянии 0,05...0,1 мм.
В качестве .материала для nоршневых колец в основном применя..
ют специальный серый высоlcопрочный чуryн, lCоторый обладает
стабильпЫ&IИ ПОICазателями прочности и упрyrости при рабочей
температуре в течение Bcero срока службы кольца, ВЫСОКОЙ ИЗНОСО--
С"i'ОЙlcОСТЬЮ В условиях rpанич:ноro треНИJ1, хорошими автифpmщи
онныи свойстваldИ, способностью достаточно быстро и эффектив...
НО прирабатыватъс.и к поверхности цилиндра. Леrирующие добавки
Сс, Ni, Мо, W способствуют повьпnевию ио жаропрочности до
340 ос. Наличие значительной чаcrи yrлерода в виде пластивчатоrо
rpафита приводит IC ПОВЬШIеНИIО адсорбирующих и смазывающих
качеств поршневоrо :кольца, а та.юке снижает ero чувствительность
'"
к концентраторам напряжении.
Технолоzия uзzотО8ления nоршневых колец должна обеспечивать
такую форму кольца в свободном соетоJ.IНИИ, которая создавала бы
необходимую эmoру давления В ero рабочем состоянии. CoBpeMeH
вые жольца отливают индивидуально с минимальными припусками
на механическую обработку и затем обрабатывают по копиру.
После закалки и отпуска в них вырезают замОК. Окончательное
шлифование поверхностей кольца произsодят после напыления из....
носостоикоrо материала.
Витые кольца в расширители маслосъемвых колец ИЗI'отовлЯIOТ
из стальной полированной ленТЬL для улучшения прирабаты
'"'
ваемости, увеличения износостоикости и защиты от lCоррозви
на рабочую поверхность кольца наносят специальные ПQКРЫТИЯ
пористоrо хрома (СМ. рис. 5.14). При этом оптимальная твердость
рабочей поверхности кольца достнrаетс.l{ при толщине слоя хрома
ДО 0,25 мм.
Наиболее современные КОНСтрУКЦИИ кольца с молuбденовы.м
покрытием рабочей поверхности, ианос:&мым наШlавlCОЙ ИЛИ вапы--
лением в плазменной струе. Такое покрытие эффективно преДОТ"
вращает <<Dpижоm» блаrодаря ВЫСОКОЙ температуре плавления MO
либдена, а получаемая при нанесении ero пористая crpyктypa повер"
хности способствует удержанию масляной плевПI. ОбразуюЩИЙся
при трении ОICСИД молибдена обладает хорошими смазывающими
'"
СБОИСТВRМИ.
147
Для создания <<прираБО'I-ОЧllоrо» ПОlC.рытия и для защиты кольца
от коррозии в ряде случа.св ИСIlОЛЬЗуюТ лужение ИJШ фосфаmuрова..
ние рабочих поверхностей компрессионных колец, :кроме nepBoro.
5.4. РАСЧЕТ ПОРIПНЯ
Объективная оценка напряженно-.деформированноrо состояния
....
элементов поршв.я является сложнои и в настоящее время до конца
'" ..,,,
верешеннаи инженернои задачеи.
Существующие надежные численные методы анализа тепло..
вой и динамической наrруженноcrи поршня (например, метод
конечных элементов) позволяют с достаточной точностью полу..
чать температурное поле поршня и напряжения в ero элементах
от всех видов механических и теШIОВЫХ нarрузоlC. Основная про..
блема их прак:тичеСlCоrо использования методическая слож...
...
HOcrb описания rpаничных условии, от правШIЪНОСТИ и определен--
пости задания которых зависят точность и объективность расчета,
а также большая трудоемкость подrотовителъных И расчетных
работ.
Ориентировочные данные о работоспособности КОНСТРУIЩИИ мо--
жно получить, использу-я упрощенные расчетные модели иреализу..
емые на их основе сравнительные оценки напряженно"деформиро..
ванноrо состояния. .
..
Износостойкость юбки поршня косвенно оценивается по удель..
НОМУ давлению QIO, МПа, в сопряжении юбка цилиндр. Оцешса
ПрОБQДИТСЯ на режиме во:м:иналъвой МОЩНОСТИ (N eBoN , lZиоМ-> по зави..
СИ МОСТ И
qю == N maJ(hJJ),
еде N max максимальная величина боковой силы, МИ; hlO ВЫСО--
та юб:ки поршия, М.
ДЛЯ поршней ДсИЗ qю==О,5...0,8 МПа; для поршней дизелей qю==
==0,7...1,2 МПа.
Наличие rарантированпой подвижности поршня оценивается по
диаметральному зазору между цилиндром и поршнем А' на пpozpe"
том двиrателе:
/1' == А + Dц (tIf. 10) DrPп (t п 10)'
rде ,tXn коэффициенты линейвоrо расширения материала ци..
линдра и порпmя, l/К; ' ц , t п температуры цилиндра и cooтвeтcт
вующеrо элемента партия, К; 10 начальная температура поршня
и цилиндра, К; А монтажный зазор, М.
.
148
Обычно данные зазоры проверяют для Bepxвero торца rоловки
II()РШНЯ и для ero юбки, задавая их расчетные размеры и тем..
lIературы. Относительный диаметральный зазор (А/п) ДЛЯ данных
10Н соответственно составляет 0,002...0,003 и 0,0005...0,001.
5.5. РАСЧЕТ ПОРПIНEвоrо ПАЛЬЦА
в процессе работы ПОД действием инерционных и rазовых сил
., КОНСТРУКЦИИ пальца возникают напряжения изrиба, среза иовали...
lации.
Ковcrруктивные параметры пальца при ero проеlCТИрОВании пер--
Ilоначальво определяют по статиcrическим дaнвым (СМ. табл. 5.1),
.1 затем уточняются по результатам проверочвых расчетов.
При определении параметров du, 4 и а (рИС. 5.18, а) веобхо..
ДИМО руководствоваться следующими соображениями. У пальца
6.i ....
Ilлавающеи lCонструlЩИИ износостоикость втулки верхнеи rоловки
luaTyнa выше, чем бобыmек порmня, а обеспечить хорошие условия
се смазывания леrче, чем сопряжения палец бобыIIIк.. Поэтому
()ПОРНУЮ длину втулки ИСХОДЯ из принципа р ВНОПРОЧНОСТИ целесо--
I I
. I J
I I
I I
· 4
J.
'1 2
I
а 11
3
I I
""""""""--rr---
2
р 8 о о
3 о 70 60 0
500
400
300
200
1 100
-
q> Oo
__.-.....__..-.LL .....
I I
о
1
3
Рис. S.18 Расчетная схема поршвевоrо пальца:
а основные rсометр ич и е соотвоm еии.; 6 ........... схема В&rp )'ICНИ. пальца ори mrибе; 8 И:ОСИ""
вусоидальвое распредел ени е в. . . ПО ОВСрХНОcrи пальца; 2 ва.ПРЯЖCВИJI на внутренней
и ва ру.во й noвepXIIOCT8X пальца
149
образно принять меньшей, чем совокупная длина опорных поверх..
ностей бобышек.
Критериями правиJIыостии выбора rеометрических парамеТРО8
пальца и сопряженных с НИМ деталей dJD lб И а .являются допустимые
...
удельные давления в сопряжениях, определяющие их ИЗНОСОСТОИ--
кость.
Износостойкость пальца оценивают по удельным давлениям
между втулкой шатуна qш, бобЫIIIICами порmпя qб и опорвыми
поверхностями пальца (МПа):
qш == (Pz + Р .;J/(t!na);
qб== (Pz+ -б.J/(2dJб),
сде Р% сила давления I'азов, МИ; P Jn сила инерции порmневой
rpуппы, действующая на втулку шатуна, МИ; ljn== пIпrс.о2(1+.l);
-тв масса порnшевой rрynпы; Рjб.п СШIа инерции масс порт..
невой rруппы без массы пальца, дейcrвующая на бобЪШIКИ
порIIIНJI, МИ; "б.п == тв.пrm 2 (1 + А); тв.п == 1'пn тап, сде пlu.п масса
пальца, п.
В первом приближении для алюминиевых поршней ДсИЗ mб.п
О,7mп и для дизелей тб.п О,65тп.
Расчетные режимы дли оценки удельных давлеНИЙ выбирают из
....
условия получения максимальных значении совокупности сил
(Pz+ljJ и (Рz+Рjб.J. у ДсИЗ это обычно режим максимальноrо
крутящеrо момента п == NМ, м... == м ж mах , == 7C-пмjЗО, а дли дизелей
номинальной моIЦНОСТИ п == nВoм, Не == N BOM.
ДЛЯ поршневых пальцев ДсИЗ q6==ЗО...З5 и qш==З5...40 МПа; дЛЯ
J ИЗСJlей qб== 40...45 И qm==45...55 МПа.
Изzu6 пальца. Расчет изrибающих напряжений в КОНСТРУJЩИи
....
пальца про ВОДИТСЯ с использованием расчетнои модели, предложен...
ной Р. с. КинасоПIВИЛИ. Эта модель представляет собой балку,
.... -..
характер распределения деиствующих сил по длине ICОТОрОИ пока..
зав на рис.. 5.18, б. Расчет ПрОВОДИТС.я при следующих допущениях:
расчетная сила р== Pz+ Р jб..m наиболъпше изrибающие напряжения
имеют место в среднем сечении пальца:
М rnах Р(lп+2Ьб 1,Sa)
(J ..... ----
п W 1,2d:В(1 a4) ,
еде а отношение впутреннеrо диаметра пальца наружному:
а: == du-J dп.в.
Характерные для пальцев автотракторных двиrателей напр.яже..
пия изrиба ив == 120.. .160 МПа.
.
150
МакСИМ8JIЬньrе касательные напряжеIOlЯ в пальце от среза
ВОЗНИICaIOт в ero сечениях между торцами бобьпnек: и втулки ша..
туна. Их знач-ение в нейтральной WIОСКОСТИ определяетс.JI зависи
МОСТЬЮ
O,8SP 1 +cz+r
t==
.в (1...... rж 4 )
.
для пальцев автомобильных две напряжения, вычисленные по
'JTOМY уравнению, находятся в пределах 80.. .120 МПа.
Овалuзйцией пальца назьшают ero деформацию с приобретением
формы овала с большим диаметром в поперечном сечении ПОД
iU
деиствием пераввомерноrо распределения сил по ero перим:етру
(рис. 5.18, в). Расчетные зависимости для оцеmcи деформацИЙ и на..
пряжений от овализации базИРУЮТСJl на ypaвHe:l" ..., описывающих
напряжения в брусе малой КРИВИЗНЫ при lCосинусоидальном pac
пределении вarpузоlC по ero поверхности.
Максимальное приращение диаметра поршневоrо пальца при
...
овализации отмечается вереднеи ero части:
Admu== О,09Р(l +сх)3 k
EJu(1 IX
['де k поправоЧНЫЙ коэффициент, определенный на основании
статиcmчесхой обработJCИ экспериментальных данных: k == 1,5
15(a 0,4)3; Ев. модуль упрyrости материала пальца, МПа.
Величина диаметральной деформации не должна превышать
w w
ПОЛОВИНЫ диаметральноrо зазора между пальцем и втутсОИ верхнеи
соловки шатуна и обычно составляет 0,02...0,05 l\W.
При овализации на наружной и внутренней поверхностях пальца
возникают напряжения, эпюра которых приведева на рис. 5.18, z.
Они рассчитываются по эмпиричесхи уточненным уравнениям дли
определения нanрJJЖе на! в брусе малой хривизны в xapaктepных
точках ero внепmеrо (точки 1 и 3 на рис. 5.18) и внутревнесо (точхи
2 И 4) волоков:
. для наружной поверхности пальца
"
t1 == 2 бr +,. /: 11.
tl h/ п hf1r+h)J2 , J '
. для внутреЮiей поверхности пальца
р, 6,...... h fi
(j;.=:. 2 - h+ k,
· h1u h(2r h) r
lS1
['де h тоmцинa степ"и 118J1hца: h == (dlLJl dn..J/2; r средний ра..
диус пальца: r==(dnoR+d.. _)/4;J; и/2 безразмерные функ IHH, зави..
с 8.111 i е ОТ yrловоrо положения расчетноrо сечения ер, рад:
Ji ==0,5 cos ер + 0,3185 sin ЧJ 0,3185 ер cos ер; 12== Ji...... 0,406.
Наиболее ваrруженной при овализации является точка 4 (ер ==
== 900).
для пальцев автотракторных двиrателей харахтерные значе-
ния напряжений ОТ овализации нахОДЯТСЯ в пределах 0"0.== 110...
140 МПа.
Зазоры в сочленениях порmнЯ и шатуна с пальцем зависят от
способа есо соединении с верхней rоловlCОЙ шатуна. Монтажные
зазоры на ХОАОд1юм двиrателе между пальцем плавающеrо типа
и ВТУЛКОЙ шатуна А составляют 0,01...0,03 мм; В бобЬШIlCах чyrун..
Horo поршвя O,02 ..O,04 ММ Для пpozpeтozo двиrателя при ШIа..
вающем пальце зазор между пальцем и бобЬШIICами поршия А'
должен составлять не более O,OOIdu.в, а монтажный зазор
А == А,' + (tln.пАtп. п а.rAtб)dп.в,
['де tXn-п и аб :коэффициенты линейноrо расширения материалов
пальца и бобыIIIки, 1 !К; Аtп-п И Аt б соответственно превьппе..
вие температур пальца и боб. 1111 над температурой окружающей
. .
5.6. РАСЧЕТ ПОРlПНEвоrо КОЛЬЦА
КонетрУlCТИВные параметры кольца (рис. 5.19, а) выбираются по
статистическим данным.
. Высота кольца Ь принимается равной 1...1,75 мм для ДсИЗ
и 1,75...3 мм для дизелей. Более ТОНICие кольца позволяют
уменьшить rабариты и массу портия, лучше прирабатываютс.я
IC зеркалу цилиндра И снижают работу трения в паре кольцо
Цll.JIИНДр. Однако они более сложны в производстве, хуже ОТВОДЯТ
теплоту от rоповки порmня IC стешсам ЦШIИндра, более СКЛОННЫ
IC вибрациям.
. Радиальная тоАщuна t==(O,04...0,045)D; ее вариации по диамет..
ру цилиндра приведены на рис. 5.19, z. Кольца с большим t более
упрyrи, оказывают большее давление на стешсу цилиндра, на боль..
шем периоде эксплуатации сохраняют работоспособность. их недо..
стат:ком является меньшая изrибная прочность.
. Величина отвосителъвоrо пруживения кольца -Solt 3...4, rде
So == S ...... ; s зазор в замке кольца в свободном состо -.:. и; Ь то
же, в рабочем ero положении составляет 0,05...0,1 мм.
.
IS2
s ... ..
Е Ь
.......
о
о
а
б
Компрессионные
п/! кольца
Направление
усилий
деформиро
вания
кольца
Коэффициент
т
24
22
1,0
1,57
2 O
в
60
Р ср ,
МПа
0,4
0,3
100 140 D,MM
z
Рис. 5.19. Расчет nopmвeBoro кольца:
I) ОСВОВВЫ:С reoNе1р ИЧ ':'Iм е ООО'IВо шениg; 6 наиболее приемлeN:ыс зmopы даВЛС НИ; ; 8.............
способы ваде в SlRИ. :кольца ва порmсвь; z зависимость KOВ cтpYКI Jd параметров :кольца от
диаметра 't I: I " D
. Среднее по периметру значение давления кольца (МПа) на
lерк8ЛО циливдра определяется по уравнению для бруса малой
кривизны:
OJ425 So/I
Е
cp 3 p (DltXDJt 1»).
Здесь р lCоэффициeнr, учитывающий ВЛИ '1:I e формы эпюры дав--
ления на Рф; для неравномерной эпюры р. 0,2; Е модуль yn
руrocrи материала lCольца. для чyryна Е== {1,O...1,2) .105 МПа.
Характерные значения Рср в зависимоcrи от типа кольца и диа
метра цилиндра D приведевы на рис. 5.19, ::.
. Определяются напряжения изrиба, возникающие в сечении
кольца, противоположном замку в рабочем ero состоянии:
1 27S Е 80/1
U mu == 3 p (Dlt lf.
lS3
Предельные значеНИJJ и таА == 300...400 МПа, что составляет 50...
70% предела прочности чуrуна при изrибе.
. Оцениваются напряжени.н в жольце при разведении З8.МJ(а и на..
девавии ero на поршень:
, 319 I ...... (50/1)/[(3 р)п]
tr == Е
rn.u. т (Dlt 1)2 '
rде т коэффициент, определяеМЫЙ способом надевания кольца
на поршенъ (рис. 5.19, 8).
Предельные значения напряжения и:n. x , на 10...30% боnъmе ире..
дельных величин О'шах И составлJIЮТ 400...500 МПа.
r ЛАВА 6
ШАТУННАЯ rPYIПIA
...
6.1. КОНСТРУКТИВНЪIЙ ОБЗОР
Шатунная rpупnа вьшолв.яетСJI по ОДНОЙ из следующих конет..
ру.ктивных схем:
w' ., ....
снеразъемнои крuвошrтнои zоловкои и ПОДШИПНИICами качения;
.,. ... w
со съе.мнои крышк.ои к.риsошипнои zоловкu, ПОДШИПНИКОВЫМИ
8КЛaдьnnами, шатунными болтами и элементами их фиксации.
ПрактичеCICое применевие первой схемы обеспечивает макси..
...
малъвую жестКОСТЬ кривошипнои rоловlCИ и возможно при ИСПОЛЬ..
IОвании В ICонструкции двиrателя разборноrо ICоленчатоrо вала.
Обычно используется в малоцилиндровых мцропитражных двиrа
reлях cOBMecrHo с иrольчатыми (роликовыми) тату. :1. 1 l' подшип..
Ilиками.
В подаВЛJlЮщем большинстве конструкцИЙ транспортных две
""....
IlримеНЯIOТСJl шатуны с разъемнои :кривошипнои rоловкои и шатун..
IIЫМИ подшипниками скольжении.
В процессе работы двиrателя шатуны lIодверrаются иитенсив"
IIым: знахопеременным ваrpузкам ОТ rазовых и инерционных сил
и имеют повышенные до 100...120 ос рабочие температуры. Матери..
ал и ICонструкция шатуна ДОЛЖНЫ обеспечивать высокую ero уста..
"" w
JIОСТную прочность И жесткость при 1.1 мальнои lCонструктивнои
массе.
для изrотовлени.я шатунов двиrателей с искровым зажиrанием
Ilрименяются стали 45, 4Sr2, 4Or, 4ОХ, 4ОХН, 40Р; для дизелей
Jlеrированпые стали с ВЫСОICИМ пределом прочности 18Х2Н4МА,
18Х2Н4ВА, 4ОХ2Н2МА, 4ОХН3А, 4ОХ2МА. 3arотовПI шатунов
w' -...
IIОЛУЧaIOТ ЖОВICОИ В штампах и Dодверrаю:r механическои и Te)r
мичесlCОЙ обрабOТlCе. для повышения уcrалостной прочности шату..
IJbl обдуваются дробью и ивоrда полируются.
В современных автомобильных двиrател.ях для получения за..
I OTOBOJ( шатунов все чаще используется отливка их из ICOBlCoro
Ilерлитноrо чуzуна КЧ ИЛИ 8ысnкопрочноrо чуrуна с шаров J :1. I
."рафитом (ВЧ45). ПослеДНИЙ по своим механическим СВОЙСТВам
lSS
приближаеТСJI к сталям, имеет более НИЗКую чувствительность
)( lCонцентраторам напряжений и обладает повышенным: внутрев"
пим: трением, что способствует демпфированию вибраций. В lCачест
не материала ДЛЯ питых шатунов перспеICТИВНЫ питеиные тита..
новые СШ1авы ВТ с ВЫСОКИМИ характериCТИlCами прочности (0'.==
== 1000 МПа, Е== 1,16 .10 МПа).
Традиционный техволоrичес:кий ЦИICЛ предусматривает раздель--
...
ное изrотовление шатуна и КРИВОIIIИnНОИ rолов:ки и расточку оТВер....
СТИВ ПОД ВICЛaJ. 1111. после их сборlCИ. для их фшссации обычно
используются центрирующие втулки ИЛИ призонная часть шатун..
ных батов (рис. 6.1).
В совремеНШdХ две при производстве шатунов ИСПОIIЪзуется
...
единая З8rотовка, ОТ х:оторои К:РЬШIха отделяется путем отламы..
вания по технолоrичес:к:и обусловлеlПlЫМ местам. Вследствие ЭТО..
ro при монтаже отпадает необходимость в TpaJI 1 I OННЫX спосо..
бах центрирования (центрирование происходит по аруктуре изло--
ма). Такая конструкция обеспечивает crаби.льную reометрию ЭЛ
u
ментов КРИВОШИIШОИ - rОЛОВIИ, НО делает шатун неприrодныM
к ремонту.
В настоящее время все больший интерес в практике двиrателест..
роения про.является IC использованию для изrотовления «облеrчен"
а h
F,"'II
.
з 1.. IJ G IU bL[J
--.? Fcp }.
0,10...0,15
........
Б
в
.
7
с
/к
Рис. 6.1.. КонструкцаJl одиварноrо шатуна: ,.,.
l верхи.. (порmн ева..) roЛОВ:J:а; 2 бровэовu вту.п.:а; стержень; ша ;;.. I болr;
;1;1'. '; .. (криво I I 'I'; : -) roЛОВ:К&; в ер][ни ; ' . 11. 11. 7 :I ", ;I I В . '1. I · УЬ1IИ ,
1. I' j. 'IЦИС ВЮJ: 11. II.I от прово ра'UJJs$I.RИ . И oceвoro СМСIЦCВИ8:
.
156
IlbIX» шатунов металлокерамики и КОМПОЗИЦИОННЫХ материалов на
основе силуминов, армированных волокнами SjC и Al 2 О э -
В зависимости от компоновки двиrателя шатуны MorYT выпл..
IIЯТЬСЯ одlOlарны.ми и сочлененными (рис. 6.2). Наибольшее pac
Ilространение получили одинарные шатуны (СМ. рис. 6.1), уста..
Ilавливаемые как в линейных, так и в V образных КОНСТРУКЦИЯХ.
11 V образных двшателях в ЭТОМ случае на ОДНОЙ шатунной шеЙХе
Ilоследовательно располаrаются кривошипные rоловlCИ шатунов
){вух противолежащих цилиндров, ОСИ которых смещены друr
о rносителъно ДPyra в продольной плоскости. для обеспечения
расположения одноименных ЦШIИндров npaBoro и левоrо рядов
... ...
1I ОДНОИ поперечнои ШIОСКОСТИ используютс.я шатуны центральнcr
.-0 сочленения (вильчатый и внутренний шатуны, рис. 6.2, а) или
w .., w ""
? лавныи шатун с крuвошuпнои ZOA08KOU, опирающеис'я на шатун..
IIУЮ шеЙХу, и несоосно сочленеlшый с ней nрицenнОЙ шатун (рис.
6.2, 6).
В конструкции шатуна выдляIoтсяя три lcонcrpуктивныx элемен..
ra (СМ. рис. 6.1): поршневйя (верхняя) ZOAOBKa_ стержень и крU80шип
... ....
"ая zоловка со съемнои крышQи..
Конструкция поршневой zоловки шатуна определяется способом
сочленения nopmHeвoro пальца с шатуном (рис. 6.3). При плава
ющем пальце в перазрезную порmневую rOnOBICY шатуна запрес--
совывают бронзовую втулку. В случае устаноВICИ защемленных
пальцев фmcсация их в соловке осуществляеТся за счет rарантиро
Haннoro тeMпepamypнozo наmяzа при сборке (20...40 мкм). Верхняя
J J
2
\
2
;1
j
4
J
,
....-.. ...............
.-., "tI.VA'i"'
iif ,. ",;,
а hf.-
1
б
Рвс. 6.2. КОНС1рyпtll.ll сочлененIIыx IПa ОВ:
а цевтральвоro co1lJJQe R1l _; 6 с прицепвым ша-.увом; J ввтi'lатый 1П_тув ; 2 _вутрев...
ний шатун; з rпав иыit шатун; 4 палец оо ев сви. прицепвоrо шатува с rлu JП.lJd ; j прицеп..
вой шатун
157
б
РаспЬUluтель
а
е
..
.
.
.
.
.
.
в
2
t
Масло
д
Рис. 6.3. Порmиевые rОЛDВICИ шатунов:
t
Масло
Q " ........... двиrа тели с прив:у 11 1. : 1.' ,а.......
raвием; z е II " I
rоловжа имеет элементы, имеющие избыток металла, предназначен--
Horo дли подrонlCИ шатунов по массе и по расположению центра
масс (рис. 6.3, а). для подачи смазlCИ на поверхность поршневоrо
..,. "'" ....
пальца в верхнеи, менее наrpужевнои части поршневои rоловlCИ
вьmОЛНJIЮТ отверстия накопители масла.
В автотракторных двиrателях сила давлении rазов Pr может
значительно превышать силы инерции P,r При одинаковой площади
'"
ОПОрНQИ поверхности ТОJПЦина масляноrо слоя между пальцем
и нижней поверхностью ВТУЛICИ будет меньше в силу ббльших
величин уделъвоrо давления, чем в верхней. Выравниванию ТОЛ..
щины маслявоrо слои способствует уменьmение опорной поверх
ности верхней половины втулки за счет фрезерованив yrлубления
в ее средней части (рис. 6.3, в). В дизелях, в которых разница между
силами lj и Pr наиболее ощутима, верхние rоловlCИ шатунов выпол
няют С вахлонными торцевыми ШIОС:КОСТJIМИ (рис. 6.3, z) с таlCИМ
расчетом, чтобы максимальные веJШЧИНЫ удельных давлений палъ
ца на верхнюю и . t . : ЮЮ половины втулки Были одиваковыми.
В форсированных дизелих осуществляют смазку DopmнeBoro
пальца под давлением (рис. 6.3, д, е). Двиrатели, работающие со
.... ...
струиным охлаждением днища поршия, имеют на порпшевои со..
ЛОБке распылитель (рис. 6.3, е).
Наиболее нarруженным: элементом верхней rоловки JIВЛJlетСJl
сечение в зоне перехода порmневой rоловlCИ шатуна (ТОЧICа А, СМ.
рис. 6.1) в стержень шатуна. Упрочненwo поршневой zоловки способ.-
ствуют следующие конструктивные мероприятии (рис. 6.4):
158
' I
х
I
"
р
,
1
· ...... J
"
I
х
а
б
в
z
Рис. 6.4. ковстрyrrивныe примеры упрочиеивJl порmиевой rоловки:
" у величев:в: е радиуса перехо да от стеркВ8 w A "I)1I a :к roловже; 6 CQЗДlЦПIе орилввов :металла
.. ,оие перехода; 8 ум евьшеии е суж и. сте рЖRJI У roЛО Rrи до DOлвоrо cro ycтp aвelЦl- ;
z распОЛО k и е ПОЛОЕ шатуна в ПЛOCl: OCJТII жачаНИJl
. увеличение радиуса перехода р от стержня шатуна J( rоловке
(rис. 6.4, а) и уменьшение сужения стержня у rоловПI до попноrо ero
устранения (рис. 6.4, в);
. создание прИЛИВОD металла в зоне перехода (рис. 6.4, 6);
... ....
. выполнение третьеи ПОЛКИ ВДОЛЬ проДОЛЬВОИ ОСИ стержня
(рис. 6.4, в);
. расположение ОСВ отверстия ПОД палец эксцентрично относи..
I сльно оси rоловlCИ (рис. 6.4, а);
. придание арочной формы стержню шатуна (рис. 6.4, а), что
" -...
Сllнжает ICонцевтрацию напряжении в зове ПОД порmнеВQИ солов..
'"
КОИ.
,
. расположение полох шатуна в ШIОСICОСТИ ero качания, что
""
ус rраняет lCовсолъноcrь поршневои rоловки в направлении про--
JtО1IЬНОЙ ОСИ пальца (рис. 6.4, z).
Тонхостенную бронзовую втулку, устанавливаемую в Bepx
.
IIЮЮ rоловк:у при плавающем пальце, изrотовляют сворачивани--
СМ из IШстовой бронзы С последующей механ:ичесхой обработк:ой
) O толщины стенок втулки 0,8...2,5 ММ. Материалом для втулок
служат алюминиеВ<rжелеэиcrая бронза Бр.АЖ9--4, олои.инисто
цинковая бронза Бр.ОЦС4-4-2,5 и оловянисто фосфористая брон
,а Бр.ОФ6,S..О,15.
Зазор между пальцем и бронзовой втуmcой в зависимости от
диаметра пальца назначают в пределах А=.(О,ОО04...0,ООI)d п .
Стержни шатунов аитотрuторных двиrателей имеют, :как пра..
IIИЛО, двутавровое сечение (см. рис. 6.1, .4). Смещение стержня
'"
luaTyнa относительно продольнои оси симметрии :КРИВОШИIШОИ
I ОЛОВПI при неполноопорных коленчатых валах позволяет умень"
IUИТЬ расстояние между ОСЯМИ цилиндров и длину двиrателя, НО при
...
JTOM возможен веравномерныи износ элементов шатунных ПОДШИП"
IIИКОВ.
159
к кривошипной ZOA08Kf' lUaтYHa преДЪЯВЛЯЮТСЯ следующие тре--
бования:
. высокая жесТICОСТЬ 7 обеспечивающая надежную работу тонко..
стенных пладьпnей и шатунных болтов;
. минимальные сабарнтные размеры и масса;
'--'
. минимизация концентрации напряжении в местах изменения
ее формы;
. возможноcrь прохождения СОЛОВICИ через цилиндр при МОН--
таже (непремепное условие для двиraтелей с блок картерами).
Кривошипные соловки шатунов автотракторных двиrателей
по возможности выIIJпIJIIoтс.я С прямым (нормальным) разъемом,
IШоск:ость в:оторосо перпендикулярна оси шатуна (см. рис. 6.1).
При развитых шатунных шейках с диаметрами dmш==(0,7...0,8)п
...
вьmолняют ICосоц разъем, ШIОСICОСТЬ ICOToporo располarается ПОД
yrnOM rp == 30, 45 или 600 к продольной оси crержня шатуна (рис. 6.5).
При ICОСОМ разъеме сила инерции Р 1Df' нarружающая шатунныe
болты, уменьшается, а для восприятия возникающих при ЭТОМ
боковых усилий РRJI В lCонструкции соловlCИ предусматриваются
специальные фиксирующие элементы (например, треуrопъные ШЛИ..
цы на рис. 6.5, й, буртики ICpЬПШСИ на рис. 6.5, б или ФИlCсирующие
штифты на рис. 6.5, в). При ICОСОМ разъеме крьnпlOl крепят IC шатуну
в основном болтами, ввертываемыми в тело верхней половины
rоловки.
Для уменьшения концентрации напряженИЙ переходы JC опор..
ным плоскостям rоловоlC шпилек, болтов, raelC выполняют с ВОЗ--
МОЖНО большим радиусом r (СМ. рис. 6.1, Б) или с поднутревием по
радиусу rl (см. рис. 6.1, В). Для уменьшения rабаритных размеров
и массы кривошипной rоловки шатупные болты и UШWIЪКИ cтpe
мятся располaraть как можно ближе к оси шейки. В некоторых
"
ин
.
Рин
в
.....
Рис. 6.5. Кривоmипв.аа rоловка. шатуна с OCЫМ разъемом в виде треyrолъвых lllЛИЦ
(а) и II.ЛОСПIX cIыcoBo'IRыx поверхнocrей с ФИКСИРУЮЩИМИ буртиками (6) или штиф..
тами (в)
.
160
()нструкци.ях в теле вклад:ыша предусматривается вытчIcаa для
11рохождения maTyннoro болта.
Шатунные ПОДlIIИПНИIC.И скольжении lCомnонуютс-я из двух ТОШО--
(-.-еиных вкладышей. для предотвращения их ПрО80рачивания и осе..
.Ioro смещении на ОДНОЙ из кромок вlcладышa отrибается фих--
....
( ирующии вытуп,, ВХОДЯЩИИ В специальную пазовую канавку в кри--
IIОШИПНОЙ rоловке шатуна (см. рис. 6.1). Подшипники работают
11 условиях выопIx знахопеременных механических наrрузоIC: и по--
Ilышенных температур.
Конструктивно ВDI. 11. IIIИ ВЬШОЛНЯЮТ биметllA.лическими (сталь..
Ilая основа и антифрикционный слой) и mриметаллическu.ми (сталь..
Ilая основа, промежуто · :1. 1', обычно медно""lllllc.елевый, и автифрих..
I.tИОНВЫЙ слои). Общая толщина шатунных ВICЛaдыmей состав.
ляет 1,3...2 мм для двиrателей с искровым зажиraнием, Прl
)том толщина автифрихционвоrо слои 0,2...0,4 мм; ДЛЯ дизелеi
lJ 2,5...3 мм (толщина антифрикционноrо слоя не более 0,3..,
0,7 мм). Антифрипщонный слой подвержен уcrалоствым разрymе-
НИЯМ, lCоррозиовно"механичесlCОМУ и абразивному изнашиванию I
В современных aвтoтpaICTopныx двисателях в :качестве антифрmщи..
oнныx материалов применJIЮТ свинцов о..оло вяниcrые, алюминие--
Bыe выоIcооловB -.:1 cтыe сплавы и свинцовистую бронзу. Сплав
СОС..6..6 (по 5...6% олова и сурьмы, 88...90% свинца) используют
в основном в ДсИЗ. При повышенных требованиях к усталоствой
прочвости автифршс:ционноrо слои примевяют алюминиевый высо..
КООЛОВЯВИСТЬ!Й сплав АО20..1 (200/0 олова, по 1 % меди и никели,
78 % алюминия). вlcлaдыши ПОДIIIИПНИКОВ дизелей, работающих
с особо выоlcими нarpузICaМИ (например, КамАЗ), выполняют с aн
тифрищионвым слоем из свинцовиcrой бронзы Бр.С..30 (30% свиiI..
ца, 70% меди). Свинцовистая бронза сравнительно трудно прираба..
тывается 1( поверхноcrи mейlCИ, плохо поrлощает абразивные части..
цы и подвержена lCоррозии «<выпотевание» свинца) вследствие нали..
ЧИЯ КИСЛОТНЫХ соединенИЙ в масле. В СВJlЗИ С ЭТИМ В моторное масло
вводят специальные присадки, предохраняющие ВlCЛа ... 111. ОТ раз..
рymениJI, а поверхность антифрmcционноrо слоя похрывают тонкой
nлeшtой (элехтролитич.есжое осаждение) сплава свинца с оловом,
свинца с индием ИЛИ свинца с кадмием. Толщина ПОICрытия
0,015...0,04 мм. В дизелях, работающих с высоlC.ИМИ rазовым:и па--
rрузIC:ами и менее значительными инерционRЫМИ, верхнии ВlCладьпn
может быть въшолнен с применением сплава АО 20..1, а нижний
из сплава АСМ (например, двиrатели ВТЗ). Алюминиевый сплав
АСМ (0,7% мaлmя, 6% сурьмы, 93,3% 8JПOминия) применяют
...
в основном для 8хладыmеи lCоренных подшипников тракторпых
'"'
дизелеи.
161
для большинства двиrВl-елей ВО. j 1. 111 коре: 1: ..' подmиПНИICОВ
ВЫПОЛНЯЮТ С ь==2,4...З мм (автомобильные двиrатели) и ь==4_..
5 мм (тракторные двиrатели). Диаметральные зазоры, oтнeceH
ные к диаметрам шеек: A/d==O,0005...0,0007 в случае примене..
пия высокооловявистых сплавов; A/d==O,0007...0,OOl для свинцовие..
той бронзы. При использовании сплава АСМ относительные зазо..
ры в коренных подшипниках .dкш,ld пu ==О,ОI2...0,ОlS; Ашmfdmш==
== 0,001. ..0,0012.
Осевой зазор, lCоторому соответствует возможное перемещение
шатуна ВДОЛЬ шатунной шейки, не должен превыштьь 0,2...0,3 мld
(СМ. рис. 6.1).
Шатунные болты подверrаются нarpуз:кам ОТ силы предвари..
тельной затJlЖICИ и СИЛ инерции. Для повышения усталосmной пpo
чности болтов зоны переХОДО8 в местах изменения ero формы
ВЬШОЛНЯЮТСJJ В виде rалтелей (рис. 6.6, б, в) с возможно ббльшим
радиусом r==(O,15_..0,S)d или двумя радиусами (Т2>Тl)' поверхность
их элементов шлифуетСJI (полируется), а резьба выполняется с мел
ICИМ юасом методом накатки.
Особое внимание при lCонструировании шатунных болтов уделя
етси устраненИIO ИЛИ сведению IC. минимуму их повторво..перемев--
Boro изrиба, имеющеrо место вследствие деформации rоловu в 30--
не стыка.
для этоrо используется следующий ICОМШIеlCС конструктивных
...
мероприятии: &
....
. увеличение жестICОcrи кривоmипнои rоловки;
d
r2 O,2d I I
r2>rt O..2d
I F.
о ...........
r
Еор I I
I · I
I r
I I
. .
а
б
в
z
Рвс. б.6.. Коистр tl шатуввых болтов с rOnOBEoi иесимм:етричноi формы с Bep
ТИI .:.. срезом (а), с умевьше :I:I I опорRымB повеРХВОСТJIМИ rОЛОВОJ: (6), со
"'1 - . вче 1, поверХВОCfJIМИ ковтахта rоловIИ болта и ero nocaдO'IНoro .места
в шатуне (8), с уcrаиевочвым ЭJ1емектом (z) .
162
. уменьшение опорных поверхностей rоловоIC болтов (см. рис.
'1.6, 6);
. использование са.моуcrанавливающихся (сферичеаих) поверх
IIОСТей oвтaкTa roповки болта и есо посадочноrо места в шатуне
(СМ. рис. 6.6, 8);
. разrРУЗICа ЗОН с высокой концентрацией напряжеНИЙ от изrиб..
'IОЙ деформации путем создания в конcrpукции болта участка с по--
IIbl.IIIенной податливостью (участоIC 1 на рис. 6.6, z).
от напряжевия ICручевия, возникающеro при зат 't" е, болт раз-
I ружается путем обратвоrо поворота rайки на небольшой уrол.
Шатунные болты кривошиnных rоловок с ПрJlМblМ разъемом,
.сак правило, имеют призонный поясож, фиксирующий положение
КрЫIIIICИ относительно шатуна (рис. 6.6, z).
Болты вьшолняются из хромистых и хромоникельмолибдено--
ItЫX crалей зох, 35Х, 40Х, 45Х, 40ХНМА штамповкой на холод...
Ilовысадочных автоматах с последующей вuапсой резьбы и Te
мнчеClC.ОЙ обработкой (захалка и ВЫСОICИЙ отпуClC). Чтобы предотв
11атить проворачивание боЛТОВ, их rоловк.и вьшолвиют несиммет..
ричной формы с вертикальным срезом (см. рис. 6.6, а, рис. 6.1),
. в теле шатуна фрезеруют ПЛОщaдlCИ или уrлубления с вертикаль..
IIЫМ уcrynом (см. рис. 6.1). В ряде случаев в roЛОВICе болта для этих
Itелей предусматривают фиксируюЩИЙ выступ (рис. 6.6, z). rайки
IlIaTYНВЫX болтов самоlCОВТРЯЩИеся (обжатые по rpавям или, реже,
110 торцам).
6.2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ШАТУНА
НА прочноcrь
Элементы шатунной rpynnы работают в УСЛОВИЯХ переменных
IlarрузоlC, измеНЯЮЩИХСJI по величине в mироlCИX пределах в зависи--
МОСТИ ОТ режима работы двиrателя.
Действующие в элементах шатуна напряжения достиrают высо..
ких значений, особенно при форсировании двиrателей,. при этом
абсолютные значения максимальных напряжений MOryт прибли..
ж.аться IC пределу вынсливости..
Расчет шатунной rpynпы сводится к оupeделевию напряжений,
){еформаций и запасов прочности в ее элементях.
Поршневая ZОЛО8ка шатуна нarружается цикличесКОЙ силой
PEв==Pr+P jlb rде Рjп сила инерции порmневой rpуппы, а таюке
давлением р со стороны запрессованных в нее бронзовой втулки ИЛИ
IIоршневосо пальца. В соответствии с таким xaparrepoM действу
ЮЩИХ вarруэоlC оцешсу напрJIЖенно--деформированноrо соcrОJIНИЯ
'"
верхнеи rоловlCИ ПрО80ДЯТ по запасу прочности при повторно--пере...
менном ее ваrpужевии..
163
НапрJIЖеиия в элементах rоловп ОТ давлении р не изменяются
по времени при неизмеНIIОМ режиме работы двиrателя и определи..
ются на внешней
и внyrренней а; ее поверхностJIX по формулам
Ламе:
и 2 »2 +d2
. для плавающеrо пальца 0:,== р , а; == р r ;
D2
d2 D2......d 2
r r
?А2 п 2 +d 2
. для защемленноrо пальца а' == р
П tI := р r D.П .
а D2
d2' 1 D2
d2
r &П r
П
При расчете давления р при плавающем пальце определяют
суммарный натяr в СОПРJIЖении А. + А" rде А натяr от запрессов"
ICИ бронзовой ВТУЛIOl; 11,==dAT(a.
a.,J температурный натм;
I1t== 100...120 ос разность температур порmвевой rоловIOI на рас--
четном режиме и при <<ХОЛОДНОм}) двиrателе; lXa и a.u lC.оэффициев
...,
ты линеиноrо расширения соответственно материала втулхи и ша..
тува. Суммарный BaTJIr (.А + А;) может дocтиraть значительной ве..
личины (0,12...0,14 мм). Возниха.ющее при этом удельное давление
.., .... ....
между втулlCОИ и порmнеsои rоловlCОИ равно:
. ДЛЯ ппавающеrо пальца
р==
d
А+А,
.
(D:+d2)J(D:
tJ2)+p + (d2+D:)/(d2
d
)
p ,
Еш. .. Е.
. для защемленноrо пальца
А,Еш (п:
d:> (d:
р== и.2 D2
d2 ·
п r..
Здесь Em и Ба модули упруrости материала соответственно тату--
на и втулки, МПа; р.==о,3 коэффициент Пуассона.
Экстремальные значения СИЛЫ РЕп имеют место:
Рma. ==Рjп==
mпrro2 (1 +A)lO
6 при 9>==00 при положении ПОрШШl
в БМТ в начале такта впуска (Мa.JCсимальная раCТJJrивающая сила);
р шш == PzFD
m п rro 2 (1 + 1.) 10
б при tp == 3600 в БМТ на тапе рас..
mиpeния (ма.ксимальВaJI сжимающая сила).
Напряжения раcr.яжения и сжатия в поршневой соловке шатуна
от сил Р max И р rШп определяют на основании уравнений бруса малой
:кривизны, Dопученвых при следующих допущениях: ·
. сила Р тlХ равномерно распределена по верхней ПОЛУОКРУЖ"
ности rоповlCИ радиусом r qJ == (Dr + d)/4 с интенсивностью р; ==
==ршuf(2rср) (рис. 6.7, а);
.
164
expert22 для http://rutracker.org
M
...
.
н
а
.
б
в
z
Рис. 6.1. Распределение вarpузОI в порmиевой rолов:к:е в эmoры вапрJlIеВВЙ на
... ...
виemнеи и ввутреввеи поверхиост.х:
lJ схема .: 1111. I ел е'R'A'g вarpупи при pacr.....еН.,и ; 6 ЗIПOpЫ вапр JDI: ниIt при p&crJl]l[е IПJ И ;
fI схема распредсл еtt". вa.rpyэ:m при cz a'DD ; z эпюры вапр.8IсВИЙ при CJl: а 'ИJJ
. сила Р min распределена по :1 . ей ПОЛУОКРУЖНОСТИ радиусом
r ер С интенсивноcrъю p == Р rnin cos a-/пr ер (рвс. 6.7, 8);
. в местах переход а rоловIOI шатуна в стержень (сечение А)
предnолarается заделка (рВС. 6.7, а);
""
. rоловха условно рассекается по вертикальнои оси симметрии,
правая часть отбрасывается, а ее действие на оставшуюся часть
замениется изrибающим моментом Мо и нормальной силой но.
1
Величины изrибающих моментов М и нормальных сил N находятся
ДЛЯ сеченИЙ 11 11 (СМ. рис. 6.1, б) в зависимости от yrла ЧJ. После
определения М и N для данноrо сечении соловки шатуна ПОДСЧИТЫ'"
вают напряжения:
на Hapy3fCНO.м волокне
(1" ==
2М 6rep+h +kN 1.
h(uqJ+Jz) ап'
на внутреннем волокне
t1i==
6l ......It 1
2M ф +kN
h(2rcp h) м'
rде а длина порmневой rолоВICИ (СМ. рис. 6.1); h==(Dr d)12
толщина стеНICII rоловжи. Коэффициент К==О,8...0,85 учитывает, что
w
часть деиствующих усилии воспринимается не материалом rоловlCИ
U ....
шатуна, а запрессованнои в вее ВТУЛICОИ.
Ках следует из анализа эпюр напряжеНИЙ на внешней и внутрев...
'"' ....
неи поверхностях rоловlCИ, максимальная амплитуда напряжении за
ЦИlШ вarpужевия имеет MecIO В точхе А на внеШнем ВОЛОlШе в сече..
lБS
нии заделки при СР==ЧJ.. (рис. 6.7, а. 6). Для этоrо сечения момент
и нормальная сила при действии на rоловку нarрузlCИ Р шах:
м шах == р шах' J(О,ОООЗ3fPэ 0,0297) + (0,572 0,00089'з) х
х (1 cos ЧJ ) 0,5(sin ЧJ"А cos 9' )];
Nmax==PmaJ(0,572 O,OOO89'Jcos 9'э+ О ,5(sin 9'э соs tpJ].
Аналоrично, при наrpужении rоловПI силой Р min
M min == Pmin rr:p (З,3tp 297)10 4 +(O,572 O,OOO8tpj Х
х (1 ..... СОS9'э) ......
.
S1D fPз fl'3. COS qJЗ
..... Sln rp .......
2 180 э n
.
,
.
SlD <оэ <Оэ. СО! (оэ
N пiin == р шm (0,572 О,ООО8lpэ)СОS fP"A + 2 180 sш 9'з 1t ·
Напряжения в расчетной точке А rоловlCИ ОТ дейcrвия сил
р m.'I И Р min paBны соответственно
6'cp+h 1
о' A max(min ) == 2Мmах.<-nin) + k Nmu.{min) ·
h (2rcp+h) ah
.
Максимальное и минимальное напряжения цикла
О'шах == a + и A, I1]U; (J.mn == a + а А miп -
Запас прочности ПОДСЧИТЬШaIOт после нахождения 8МШIитудноrо
и среднесо напряжений ЦИlCЛа. Характерные величины запасов про--
ЧНОСТИ поршневых rоловоlC шатунов лежат в пределах 2,5...5,0.
Работоспособность сопряжения порmневой палец шатун оцени--
вается также по предельной диаметральной деформации от дейст"
вия силы Р шах, не нарушающей нормальную работу узла. Оценоч--
вым параметром является величина уменьшении поперечноrо диа..
метра rоловки ПОД действием силы Р шах:
А'" == РIDa (<Оз 90)
"max Em1'
rдe dcp средний диаметр rоловlCИ; J==ah 3 /12 момент инерции
площади сечения соловки. Допуcrима.я диаметральН8J1 деформация
должна быть примерно в 2 раза меньше зазора между втулкой
и пальцем, что cooтвeтcrBYeт отношению (AdmaJdq,)<O,OOl...O,007.
166
Напряженное состояние стержня шатуна оценивают по мак..
...,. ""
симальвым значениям деиствующих напряжении и по запасам про..
чности С учетом переменности нarружающей ero силы S==(P r +
+ Pj)/cos р.
Максимальная сила (МИ), сжимающая стержень шатуна, имеет
место в ВМТ при ер == 3600 (начало T8.lCTa расширении):
РСD==s"..3(I.Y'==РJi'D ("'п+1'пm.cp)r(1J2 (1 +А). 10 6,
['де тш.ср часть массы шатуна, расположенная выше сечения Fcp.
С достаточной для практики точвocrью МОЖНО принять -тп +"'ш.ср
тj.
М аксима.льная растяZU8ШОЩая сила (МИ) cooтвeтcrвyeт qJ == 0°:
Рр.ш==S"..оа== mjrro2(1 +А). 10 6.
Растяrивающая сила МaJCсималъна при. положении порmня
8 ВМТ в начале тахта впуска.
В сложившейся практике расчета стержня шатуна принято ооре--
делить условное суммарное вапрJIЖение, одновременно учитыва--
lощее сжатие и продольный изrиб для среднеrо сечения стержня
шатуна Fcp (см. рвс. 6.1). Напряжение в стержне шатуна при про
дольном изrибе в плосlCОСТИ качания 0')== К-ЖРс.ш!Fср и в плоскости,
lIерпендикулярной WIOCICости качания, 0'2 == КуР cmIFr;p. Коэффици
енты K.xR::Ky== 1,10...1,15; соо ино напряжения, условно учи..
rывающие продольНЫЙ изrиб стержня шатуна, составляют 10...15%
u
суммарных напряжении и а min == (1) == (12.
Напряжение растяжения шатуна для среднеrо сечения О'Р-Ш:=
== Рр.ш.lFср == О'mак: .
Значения U m in ==U)==U2 достиrают 160...250 МПа. Запасы прочно--
сти стержня шатуна лежат в пределах 2...2,5 для автQмоБиJJьных
)tвиrателей и 2,5...3,0 для тракторных.
Расчет верхней rоловICИ и стержня шатуна проводится на режиме
w....
номивальнои МОЩНОСТИ по внеmнеи СКОРОСТНQИ характерИСТИlCе.
Крышка кривошипной zоловки шатуна наrpужается силами впер..
ции поступательно движущихся и вращ8У.1IЦIIXСJI масс (&а...з учета
массы самой ICрЫШICИ). Сила Р ИJI (МН), деформирующая КРЫШКУ,
определяется на режиме lI жm u: :
PJI.В== [т.;r(1J2-пnax (1 +1.) +(Inuu: Iпш.Ip)r(1J:т.J .10 6,
.'де "'шжр (0,2. ..О,25>щu масса КРЫШICИ. Максимальноro значения
сила РJi(И достиrаer в ВМТ в начч.ле такта впуска при qJ==O°.
167
При расчете Ic:рыIIIJ(и IlредпоnarаЮТСJl следующие допущения:
. rОЛОВIC8 и подшипниковые ВlCЛа .1. .1..: дефоРМИРУЮТСJl соВме....
стно; при этом изrибающие моменты между вкладЬПllем и ICрьиmc:ой
распредеЛЯЮТСJJ пропорционально моментам инер 11 I: их попереч--
...
ных сечении;
. CTЫIC полarается абсолютно недефор руемым;
. в месте перехода rоловlCИ в стержень предполаrается заделка.
За расчетное принимаетс-я среднее сечение к:рыши,, а за радиус
кривизны расчетной баЛПI половина рассто.иния между осями
болтов С/2 (см. рис. 6.1). Конечная расчетная приближенная фор--
мула (МПа) имеет следующий вид:
.
О,02ЗС 0,4
(JКJr p... + ,
(1 + JJJm ) W Рш_:кр + Рш .
сде J шЖjJ и J ш .. моменты инер Ila сечений шатунной .крышки и
ВЮIаДЪШIа; Fш.жJJ и Fш.. площади поперечвых сечений шатунной
крьппки И ВlCладьппа; W момент сопротивлеНИJI изrибу расчет..
Boro сечения шатунной жрыш.. Напр.вжения G-зr нахОДЯТСJl в пре--
делах 100...150 МПа.
Сила инерции Р.., деформирующая IcрышIcy КРИВОШ 111: ой rолов"
ICИ, наrру:жает переме::. I 1, по времени УСИЛИJIМИ и шатун..
ные болты. На IC:аждый болт действует часть этой cилы Р;"==Р..jiб,
rде i б количество болтов, а такж:е сила предварительной затяж"
ЮI р ПР.
Нарушение работоспособности болтов помимо действИJI основ..
...,
нои нarрузки может иметь место вследствие:
. недостаточной СИЛЫ предварительной зат ..\ : болтов, что
сопровождается расхрытемM cтыIca в образованием на ero поверх..
НОСТЯХ нахлепа;
. монтажной перетJlЖICИ болтов, сопровождающеЙСJl текучестью
материала с далъне III ослаблением эвт . : . ;
. напрJDIre: I -r изrиба, ВOЗВИICаЮщих из..за недостаточной жест..
w'
КОСТИ хривошипнои rоловп и вепар8JШелъвости опорвых поверх..
востей болта и ra I. .
с учетом податливости элементов стьпс:а rоловп дополнитель..
пая циклическая наZРУЗКй на болт х Р :", rде x==k-шJ(К-+ Кб) хоэф--
фициент основной нarpуэхи резьБО80rо сое '1: 1: ения; К6 и к...
податливость соответственно болта и СТJlI'иваемых частей жри...
вошипной rоловlCИ. На основании статистических дaнвыx - 1 ==
==0,15...0,25.
Сша nредварительНОЙ затяжки опредеЛJIетСJl из УО:ПОВИJl верасх..
рытия cтьuca. Р Iф == т (1 l.)р:,.. Коэффициент запаса т принвмают
равпым 2...2,5.
168
Максимальная и минимальная силы, нarружающие болт, равны
соответcrвенво Р max == Р пр + xp:u.; р mШ. == Р пр == т (1 х)Р:п...
Экстремальные напряжения в болте Gll'Ulх ==Рrnпl F ор ; аmin==
==РmШ/Fор, еде Fop площадь минимальноro сечения болта по резь
баБОЙ части (СМ. рис. 6.6, z).
После определения амПЛИТУДЫ папряжеllИJI tJ Q и среднао зпаче
ния напряжения и т вычисляется запас прочности шатунноrо болта.
При этом принимаетСJl /EtТ == 5...5,5. Запас прочности шатунных
болтов должен быть не менее 2,0.
r ЛАВА 7
КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ
.L
7.1. КОНCfPУКТИВНЬIЙ ОБЗОР
КоленчатЫЙ вал, воспринимая переменные по величине и напра..
влению rазовые и инерционные СИЛЫ и их моменты, подверrается
деформациям изrиба и кручения, а также деформациям от изrибвых
и крутильных колебаний, неизбежно имеющим место при работе
двиrателя. все ЭТО может приводить IC усталоствым разрушениям
элементов lCоленчатоrо вала.
По этим причинам коленчатый вал COBpeMeннoro форсирован..
Boro двиrателя .является ОДНОЙ из наиболее часто повреждаемых
w
детален.
В качестве материалов для изrGтовлевия коленчатых валов дви..
rателей используют стали 45, 45Х, 4ОХФА, 42ХМФА, 18Х2Н4ВА.
ДЛЯ коленчатых валов двиrателей с искровым за:жиrанием ДО"
crаточно IIIИрОlCо используют серые и ковкие чуryны. Преимуще..
crвами чуryнных валов JlВЛЯIOТСЯ меньшая СТОИМОСТЬ, снижение
припусков на механическую обработку и экономия craльноrо
проката. Однако в дизелях ОНИ в настоящее время не получили
широкоrо распространения, так как предел выносливости чyryиа
существенно ниже, чем crали, и поэтому при оrраниченных раз..
мерах элементов вала сложно обеспечить в дизеле требуемый
запас прочности.
ш
р
J
I
lкш/ 2 h l.Jш
1/2 ",
1 Ь
Рис. 7.1. Размеры элементов J:опеичата-rо вала
170
Рис. 7.2. Стальной коленчатЫЙ вал
При конструировании вала широко используют crатиcrичес...
кие данные по относительным размерам элементов вала (рис.
7.1) для различных катeroрий двиrателей. В табл. 7..1 приведены
""
такие статистические данные для автотракторных двиrателеи.
На рис. 7.2 в качестве примера рассмотрен стальной коленчатый
вал четырехцилиндровоrо четырехтахтноrо двиrатеЛJl, а на рис.
7.3 чуrунвый 1Штой :коленчатый вал. как видно из рис. 7.3,
в ЛИТОМ вале можно придать более рациональную форму ВНУТ"
ренним ПОЛОСТJIМ шеек. и щек, обеспечивающих повышение уста..
..... w
ЛОСТНОИ прочности.
Таблица 7.1
Двиraтель
Размеры с всжровым 3: ,, : :. ем .цизсль
JIИН -i а. . V..образJn.l1 ЛИН ..j' :1. . V бразRыё
dz.ш1D O,6S... .0,80 0,63... .0,7S O,72.. O,90 O,70...0,7S
dmm!D 0,60....0,70 O,s7.....0,66 O,64 ..O, 75 0,65...0, 72
'..ш/d;.ш 0,5...0,60 0,40.....0,70 0,45....0,60 0,4O_..0,5S
0,74...0,84 0,70...0,88 O,70 . .0,85 0,65...0,86
'ш.шldm.m 0,45...0,6S 0,80...1,00 0,50...0,65 0,80...1,00
ь/п 1,OO...1,2S 1,OS...1,30
h/D О,20а...О,22 OJ24 . ..0,27
I
Рис. 7.3. Чyrуниый вал
171
ПродОJfЗlCeNuе ma6л. 7.1
\ Двиraтспь
Размеры С искровым ....иrанием дизель
пивеЙньrl V браэ JIWЙ .. ." V браз нh1Й
j)инеil Н blИ
А/dm.ш ............ 0,30...0,40
р/" O,lS. .O,20 О,lS...0 З
lJ ш .шl4вm ............... O....O,S
· во второй строке ориведeны ДJtиНbl . . : .:I . EO pemn.ц. шеек.
Валы УСТ8наВJШвают обычно на ПОДШИПНИКИ скольжения. При..
мевевие ПОДПIИnНИICОВ качения возможно в ховcrpухцип колен..
чатых валов как составных (рис. 7.4, а), так и .монолиmных (рис.
7 .4, 6).
Коленчатые валы современных двиrателей в большинстве случа--
ев вьшолняют полноопорвыми, Т. е. с количеством коренных шеек,
равным i+ 1, rде i количество ICривоmипов вала. Такая lCонструх"
ция вала обеспечивает БОльшую жесТICOCIЪ, а тем самым и более
блаrОПРИJIТные условия работы БЛОIC картера, lCоренных подшип..
НИКОВ и caмoro коленчатоrо вала.
В ряде зарубежных и отечеcrвенных V -""'образных двиrателей
...
шатунные mеики одноименных цилиндров левоrо и правоrо РИДОВ
делают автономными со сдвиrами друr относительно дрyrа на yrол
lJ ДЛЯ Toro, чтобы обеспечить равномерное чередование рабочих
ХОДОВ. На рис. 1.5 ПОlCазан такой кривошип шестицилиндровоrо
V...образноrо двиrателя ЯМ КАЗ..642. Оrpомное влияние на вадеж..
ность работы к:оленчатоrо вала оказывают иесоосвоcrь коренных
опор блока и биение коренных шеек вала.
Исследованиями НАТИ уcrановлено, что при неСООСRОСТИ КО--
реlШЫХ опор блока, не выxдяm;ейй за пределы, oroвopeпныe Tex
ничесICИМИ условиями, запас прочности вала уменьшается не более
r-,.. '.....
I'r "
. r.l'l/.I/ -.
Подвод
масла . ....... .
\ I //////"//'
"""'. р..
1'" Ff \
: lJ u :
;]1" ;.. 1,"
I.
r .. j
::\ .I r"" v,,:.... ,
11 Z".....:
. "",,1 /.. 't.. :n.
'3' ij i J
...
w
1'11 Ir" I
.... .. .
I '/.. . WI I
....... ,. ... ,
" .. ..... ""' .
' ..
,....,
" . .....'"
l' I F I
..
-.,Ф ...,"-"
I .' ;5,
1I.,' 8Мt.W"//
ОСЬ t
вращения:
вала .
r-.;
( ., "
"
I
. ,
''''
"
.t'...J
"".. .
t:...)i
а
ь'. "\)
б
.,..
Рис. 7.4. Установка COCTaвaoro (а) и ЫОНОJlИТиоrо (6) J[олеичатоrо вала на по 'IIII 118
IIИIИ качеВIIJI .
172
-Iем на 13%. При несоосности, превосходящей эти пределы, запас
IIРОЧПОСТИ резко уменьшается, достиrая 30...50% при эксцентриси
."сте 0,1...0,15 мм. Аналоrичный эффект набтодается и при нepaв
IIОМерном износе пары шейка вала подm I I.I I:. При ЭТОМ болъ--
II(ee влияние на прочностъ коленчатоrо вала оказьmает несоос..
IIОСТЬ кореlпlых опор, чем коренных шеек. Так, исследования
IIA ТИ показали, ЧТО при неравномерности износа ПОДШ I .. I ОВ
(),О5...0,О6 мм возникает реальная опасность поломки к.оленчатоrо
I I ала.
Особенностью "онструкции коленчатых валов современных
дпиrателей является относительно большой диаметр кореlШЫх
1. шатунных шеек, что пр:иводит к перекрыТИIO шеек (СМ. табл. 1..1)
11 способствует повыmению изrибной жесткости коленчатоrо вала.
1I шатунных шеЙКах делают полости уловители механических
..аcrиц (рис. 1.6). Эти полости уменьшают неуравновешенную
массу кривошипа, что позволяет несколько снизить и массу про..
.-ивовесов.
Щеки вала ВЫПОЛНЯЮТ ЭШIиптическими, прямоуrольными ИЛИ
круrлыми. rеометрические параметры щек современных aBTOTpaK
I OpНЫX двиrателей приведeны в табл. 7.1.
При выборе формы IЦeЮI особое внимание должно быть уделено
..ому, чтобы максимально рационально использовать металл за
... '"
счет элементов щеlCИ, не передающих усилии сопряженным mеиlCам.
1I ЭТОМ случае удается уменьшить массу lCоленчатоrо вала автомо--
fiилъноrо двиrателя на 7...8% без снижении ero прочнасти.
Переходы (raлтели) от щек IC шейкам выполняются ШIавными
с радиусами (О,О5....0,07)а.
В некоторых lCонcrРУХЦИЯХ rалтели ВЬПIОJШЯЮТ по двум ИJШ
. рем радиусам или с поднутрением (рис. 7.7), что снижает XOH
,/
,
...... у' .", -'
о
6==300
о
....... ....
I'ис. 7.5. Кривошип со смещеввой шатун.. Рис. 1.6. ПОДВОД масла Е шат :':1" I
... v
ВОИ m:еИХОII по ,1 11: II:. 4
173
а
б
в
...
Рис. 7.7. Формы rалтелей:
а NВor. · II СН8Jl; 6............ с ооднутреВВСId в щежу; IJ С подвутревисм В шейку; l ЩCd.,
2 JDeЙ:rа
центрацию изrибвых напряжений при сохранении опорной длины
ВltJIадыmа.
ОДНИМ из наиболее npинципиальных вопросов при конcrpуиро
ванив lCоленчатоrо вала JIВляет я выбор схем:ы расположения J(рИ
воmиnов. ос этоrо КОНСТРУКтивноrо параметра решающим образом
зависят уравновешенность двиrатеnя, равномерность ero хода, па..
раметры ICpУТИЛЬНЫХ колебаний ICоленчатоrо вала.
Как правило, приоритет при решении данвоrо вопроса распреде--
ляется следующим образом:
. обеспечение равномерности чередования рабочих ходов и BЫ
бор рационалъвоrо порядка работы двиrателя;
'"
. степень внеmнеи уравновешенности двиrателя по СШIам инер--
II I и моментам этих сил;
. ВОЗМОЖНОСТЬ достижения сравнительно простыми методами
... ...
максимальнои внутреннеи уравновешенности двиrателя;
. ВОЗМОЖНОСТЬ перемещевии rлавных и СИЛЬНЫХ rармонИIC КРУ'"
т 81111 Х моментов за пределы диапазона, в :котором находятся часто...
ты низших форм колебанИЙ крутильной системы.
При проектировании двиrателя очень важным являетСJI вопрос
о выборе количества, размеров и о размещении противовесов,
которое должно при : 1.1 мальвой металлоеМICОСТИ обеспечивать
внеmнюю и мивимизировать внутреннюю неуравновешенность
двиrатеЛSI.
Напрессовано
.."
, ,
+
\
.: =
. - .... ..... -
..
.,
Рис. 7.8. Формы ще![ и противовесов коленчатоrо вала
174
I
"
. ,...
I
Ir.. =. rb" 'Ii" ;;
. !
а
6
в
Рис.. 7.9. Упорные ПОIIIII: II:I :.. ICолевчатоrо вала:
Il ВЕЛ: 11. III' С б . I . . 6 упориые Еольца; CI упоpвьtЙ ПОДшИ ПКИ ':
Конструктивно противовесы въшолняют либо ICЦ е 18 8: ое целое
с валом, либо устанавливают на продолжении щек в виде aBТOHOM
IIЫХ элементов. Некоторые их конструкции показавы на рис. 7.8.
Осевая фихса.ция колевчатоrо вала относительно .картера обес
lIечивается упор :1. 1 I кольцами (рис. 7.9, 6), бортами ВICJI8ДЫIIIей
(рис. 7.9, а) или ynорным подшипником (рис. 7 .9, в).
Упорные ICольца изrотоВJIЯlOТ из бронзы, стали или метaJШОICе
рамики. Стальные кольца и опорные борты ВICJI. 11. 8 1 ей заливают
антифрикционным сплавом. от прО80рачивания кольца удержива
IOTCJI штифтами. Осевые зазоры устанавливают в пределах
0,05...0,15 мм.
Масло к коренным ПОДIIIИIIНикам ПОДВОДИТСЯ от rлавной мае..
... '-1
JIЯНОИ мarистрали в М8ЛонarpужеlПlую зону их наружиои поверх..
IIОСТИ.
К шатунным подшипникам масло ПОДВОДИТСЯ по просверлен--
...
flым: отверстиям В щеках и по радиалъвыM отверстиям в mатунвои
Iпейхе (СМ. рис. 1.5).
7.2. РАСЧЕТ КОЛЕНЧАтоrо ВАЛА НА ПРОЧНОСТЬ
Коленчатый вал представляет собой мноrоопорную статически
Ilеопределимую ICОНСТРУICЦИЮ, имеющую сложную форму и зarру..
" ""
женную пространствевнои системои переменных сил.
В паcrОJIIЦее время при расчетах на прочнocrъ наиболее широ.кое
распространение получила так называемая разрезная схема, в СООТ..
...
IJетствии с lCоторои из колевчатоrо вала по серединам :коренных
..,
шеек вырезается кривошип, lCоторыи рассматриваетс.я хп двух..
опорная балка.
175
Исследованиями Р. с. КИllасошвили установлено, что при рас--
"
чете вала на ПроЧНQСТЬ с ..ОЧКИ зрения практическои полезности
полученных результатов Ile имеет существенноrо значения, вести ли
расчет вала по разрезной или по неразрезной схеме. Так, запас
прочности коренных шеек получается практически одивa.Icовым,
а шатунных шеек при расчете вала как разрезноrо на 5...10%
меньше и ToJIысo для щек результаты расчетов существенно разнят...
си. Например, дл.я крайних щек запасы прочности при расчете вала
жак разрезноrо получаЮТСJl на 30...40% меньше, чем при расчете ero
по неразрезвой схеме; еще больmе эта разница для промежуточных
щек.
Однако нanрашивающИЙся вывод о необходимости ведения pac
чета ПО неразрезвой схеме имел бы смысл толъжо В том случае, если
была бы возможность достоверно учесть в расчете такие трудно
проmозируемые фа:кторы, lC3J( песоосноcrь опор и Kopeнных шеек,
HepaвHOMepHQCТЬ износа их в процессе эксплуатации и динамичеСlCИе
деформации опор картера и шеек.
С учетом вьппеизложенноrо оrpаничимся рассмотрением мето--
ДИКИ расчета вала по разрезной схеме. -При этом запасы прочвости
коренных и шатувных шеек будем определJIТЬ в сечениях маслопод..
... ...
ВОДЯЩИХ каналов, а для щек в местах сопр.яже .I I ИХ С mеикRМИ,
Т. е. в rалтелях.
ПрочноCIЪ lCоленчатоrо вала определяется следующими факто..
рами: #-
. размерами и формами отдельных элементов вала;
"
. наличием lCонцентраторов напряжении на ICpoМICax масЛJIНых.
'"
каналов, rалтелеи и друrих переходах;
. характеристиками прочности материала а., а 1, (1т, t'., t'.....I, 1:т;
. использованными при изrотовлении вала КОНСТРУКТИВ :1. I I
И технолоrическими методами упрочнения;
lUi
. наличием и ориевтациеи внутренних упорядоченных структур,
расположением ВОЛОКОН, завИСЯЩИМ от способа изrотовления ко...
ленчатоrо вала.
При проеlCТИрОВании двиrател.и размеры отдельных элемен..
ТОВ вала задаются на ОСНОВ8НШI статистических данных, Dриве
деlпlыx в табл. 7.1, с учетом конструктивных особенностей и сте..
пени форсированности проектируемоrо двшателя. После этоrо
ПРОИ3БОДИТСЯ оценка напр.ижеlПlоrо состояния lCаждоrо элемента
вала.
Расчет коре: :It. шеек. Коренные шейки наrpужаются rлавным
образом крутящим моментом, так как величины изrибающих их
моментов малы вследствие относительно малой длины шеек. По..
этому запасы прочности коренных шеек принято оценивать ТОЛЬКО
по касательным напряжениям. Последовательность расчета при
ЭТОМ такая: .
176
. по данным: динамичеСlCоrо расчета двиrателя составляют таб..
JIИЦУ ИЛИ crpOJIT rpафики набеrающих крутящих моментов, пере..
даваемых отдельными коренными шейками (см.. rл. 1). Расчет пр«r
водится для той шейки, набеrающИЙ крут .,.. :,! момент на КОТОроЙ
имеет наибольшую амплитуду;
. определяют максимальное и I I: мальное значения lCасатель..
IIbIX напряжений (МПа):
Мжр.шах Мжр фiQ
T lDax w , Tmin == ,
W][..IП Wк-ш
1t 3 z.ш 4
I де W UD == 16 d;..ш I
...
момент сопротивления шеики круче..
IIИЮ м 3 .
, ,
. определяют амплитудное и среднее напряжения в ЦИlCле:
2
!'П'. + Tmin
И == ·
т 2'
{ША". ТnПп
Та ==
. определяют запас прочности nт. Для определения необ--
ходимо знать Кт:/Е-r оmошение эффеХ:ТИВНQrо коэффициента КОН--
центрации напряжений IC произведению масmтабноrо и технолоrи
чесlCИХ факторов. Величина этоrо отношения зависит от мноrих
факторов, прежде вcero от конструктивных особенностей вала. r и
ориентировочных расчетах Р. с. КинаСОШВИJIИ pelCомевдует прm...и
l\1aTL Xr/E-r == 2,5.
Значения n, для коре :1:1. Х шеек валов двиrателей, хорошо заре--
комевдовавших себя в эксплуатации, находятся в пределах: автомо--
бильвые двиrатели == 3...4, трахторные п'r== 4...5.
Расчет шат : 1: 1.. шеек. На шатунные шейки действуют одновре"
менно переменные ICРУТJIЩИе и изrибающие моменты. Вследствие
Toro, что экстремальные значении этих моментов не совпадают по
времени, принято определять раздельно запасы прочноcrи по каса--
тельным и BopMaJIьным напряжениям, а затем нахОДИТЬ резуль--
....
тирующии запас прочности.
Запас прочности по касательным напrяжениям nт определяется
...
в тои же последовательности, что и при расчете запаса прочвости
коренных шеек, ТОЛЬКО значения схручивз!ощих моментов опреде...
ляются по таблицам или rpафикам пабerающих :КРУТЯЩИХ MOMeв
ТОВ на шатунные mеики..
Расчетная схема, используемая при определении запаса ороч--
ности по нормальным напряжениям, приведева на рис. 1.10. Для
w
упрощения здесь принято, что кривошип симм:етричныи и центро--
бежные силы щек и противовесов лежат на одной линии.
177
А., 111111
.
М cos<p ,
А rl'I к к
/
К,Ш Kr.11 МI( ;' /
мтsiлЧ' ,
R K
Т
К R.. 1М
Т
I
к,лр
а II
1/2 1/2
1
Рвс. 7.10. РасчетlI8..l: схема криво III I
Последовательность расчета слеДУЮDlU:
. определяются изrибающие моменты в сечении маслоподводя--
щеrо канала в плоскости кривошипа М.. и в ПЛОСIC:ОСТИ М Т , пер пев..
дикулярвои ШIОСICОСТИ ХРИВОIIIИпа:
111
M][== +(Knц a , MT==RT '
2 2 2
к Кrm.ж + Xпn.ш + 2Кnq 2К,пр К....... К, т
r де Rs. == ......... == ; R T == .
2 2 2 2
В ЭТИХ выражениях: К сила, действующая ВДОЛЬ по криво..
IllИпу; К' Ш.J. центробежная сила инерции массы шатуна, отнесен..
ной IC кривошипу; Кnп.m центробежная сила инерции шатунной
шейки; кпд центробежная сила инерции щеки; х...щ, центро--
бежная CШIа инерции противовеса; к,==(ЛIm.][+mJrQ)2 10 6 цeHT
робежная сила инерции вращающихся масс, МИ; Т тaнrенциалъ
ная сила.
Модуль суммарносо изmбающеrо момента будет равен М ==
== JM ;+M:. Плоскость есо дейcrвИJJ и значения при вращении
вала будут меняться. Так КЗJC максимальная концентрация напряже--
'" ""
нии на шеике имеет место на ICромхах маслоподводящеrо отверстия,
ТО усталоствое разрymение шатунной шейки наиболее вероятно
'" ...
в указаинов зоне.
Изrибающий момент, действующий в плоскости маСЛОПОД80ДЯ"
щеrо хавала (рис. 7.11), определяется из выражения
178
М" == М.. cos q/ + М Т sin ер'.
Экстрема.лъные значения этоrо момента MOryT быть определены
1&.11
с использованием полярнои диаrpаммы нarpузки на шатунную
IlIеЙIcy (рис. 7.11), откуда (МИ. м)
----м т р 1 ........ тр 1
М". ш.... ==П LШ А 1 , M". trbn ==П...шА2 '
2 2 2 2
I де тр масштаб сил диarpаммы, МИ/мм (см. rл. 1); 1 paccTcr
мнне между осями цилиндров, м;
. определив М ,,' тах И М 'Р'tпiп, находят маlCСИМальное и минималь..
Iloe напряжения изmба в mатунной mейке:
м t; nlAX м ,,' min
amu и ишiп == ,
Wtrш.m WD'IП.m
1t
('де W 8'1пm == 1
32
4
момент сопротивлении изrибу ша..
I" У ННОЙ шейlCИ м 3 .
t ,
. по известным а шах И Umip определяют амплитуду аа, среднее
...,
Iначение напряжении (1". и запас прочности 11".-
..т
:1
..... П ..1
.... wш ..;:'-
[. ' ,
' J
,,
...с
::.:: ...
I
\
\ I
\
\
\
\ I
\
12
12 ..,
.
+К \
\
Рис. 7.1 J.. К расчету шатунной шеЙЖИ на изrиб
179
Значения к" и К ж , Ilсобходимые для расчета n ll и пt:, можно
определить по табл. 1.2 (при doп/ -ш==О,О5...0,15), а маcmтаБный
и технолоrический фaICТОрЫ по табп. 7.3.
Таблица 7а2
Предел K-r Предел кg кr
про ЧН IТ.и . про ЧВ IИ ,
МПа МПа
60 2,00 1,8 90 2,IS 1,9
70 2,05 1,8 100 2,20 1,9
80 2,10 1,85 120 2,30 2,0
Таблица 7.3
Диаметр Уrлеродистые crали ЛerиР ОВ -ииьt е стали
шCЙIИ, мм в" Ее 8.,- 8r
80._.100 0,73 0,72 0,64 0,72
100...120 0,70 0,70 0,62 0,70
120...150 0,68 O!t68 0,60 0,68
. опредеJШВ и п", находят общИЙ запас прочвоcrи шатунной
...
шеиlCИ ,,_
у форсированных современных двиrателей п==2,O ..2,5.
Расчет щек. Щеu подверI'аются ИЗI'ибу в двух Ш10СICОСТЯХ, pac
тяжению, сжатию и кручению, Т. е. они являютс.я наиболее сложно
нarруженными элементами ICоленчатоrо вала. Запасы прочности
определяют в местах наибольшей концентрации напряжений в
rалтелJIX.
. Запас прочности по нормальным напряжениям. Изrибающий
K K,
момент в ПЛОСJ(ОСТИ кривошипа равен Миц==R.й, rде R ж == .
2
Суммарное нормальное напряжение от изrиба и растяжения
(сжатия)
Ми.щ R ж K к, а
U щ == + ==
W..щ fш 2
Кт. ж К,
Максимальное напряжение Uщ- rnIХ ==
2
а I
+ .
W lLщ /щ
...
KmiD Kr а
Минимальное напряжение Gщ. nUn == 2
180
."де Wв.щ==Ьh 2 /6 момент сопротивлении щеки изrибу, м 3 ; /щ==
== ьь площадь расчетносо сечения щеп, м 2 . Размер Ь принимают
.... ....
110 сечению rалтели mатуннои mеики.
Напряжении от изrиба щеки в плоскости, перпендикулярвой
,.
IIЛОСICОСТИ кривоmипа, в расчет не ПрИВИМaIOТСЯ, T8.lC как они малы
из за большоrо значенИJI момента сопротивления W == М 2 /6. Приви..
мая отношение /EtI' раввЪ1М 2,0...2,5, рассчитывают запас прочно..
сти щеки по нормальным напряжениям п tl -
Запас прочности по касательны./К НQnрRжения.м. Кручение щеки
вызывается моментом
Та
Мrpщ==Rrа== ·
· 2
Максимальное и lWIнималъное значенИJI касательных напри..
...
жении Т шiах И t' in соответствуют экстремальным значениям таи..
.
rеШIиальной СИЛЫ Т. Момент сопротивления щеки кручению
Wкр..щ==аЬh 2 , rде а; к.оэффициент, зависЯЩИЙ от отношении b/h.
С достаточной crепенъю точности ero можно определить из иыра--
жения
I
cx .
3 + 1,8(h/b)
с учетом Toro, что K-r/E'I' 2,0, рассчитывается запас прочности по
касательным ваприжеви.им 71,;. Затем определяется общИЙ запас
прочноcrи щеки n. У современных автотракторяых двиrателей за..
пас прочности щек лежит в пределах 1,5...3,0.
Расчет колевчатorо вала V раЗRОro дввrатели. В большинстве
КОНСТРУКЦИЙ v..образных двиrателей aвTOTpaкTopHoro типа на ша..
'" ....
туннои mеИlCе последовательно размещены два шатуна, вследствие
чеrо КРИВОШИП воспринимает ваrpузlCИ от двух цилиндров.
Запасы прочности коре:.. ... и шатунных шеек по касательным
....
наприж:ениям определяют в тои же последовательности s что и для
одноридноrо двиrатеЛJl.
При определении запаса прочностн шатунных шеек по в.ормалъ..
ным напряжениям рассмотрим наиболее оБЩИЙ случай, lCorдa кри"
вошип имеет смещенную на усол (СМ. pEt . 7.5 'и 7.12) шатунную
шейку. Считаем, что кривоmип симметричный, Т. е. Ь. == Ь 2 == Ь
и й. == а2 == й. Реакция на левой опоре в lШосlCОСТИ К. (рис. 7.12)
' b Ь
R ж == (К. Xrш м ш.J 1 + (К 2 Кппв к,ш-J 1 cos !J
181
' a а I fJ Ь.
( Щ ) (Knц Krвp) соs Xrщ СОS +Т2 S1nЬ,
I 1 2 2 1
еде К:Щ центробежная сила свJI3УЮщей ще.ICИ.
Реакция на левой опоре в ППОClCОСТИ Т 1
' b Ь , I .. lJ ( ) ь · J:
R T == тi + Т 2 COS () + к,щ SlП + К 2 К,шт ..... Xrm.J. SlD v +
1 1 2 2 1
+ (Кrщ ) sin «5.
1
При определении реакций необходимо учитывать зН3.IC : поло
"
ж:ительиыи, если шатунная mеИlCа npaвoro цилиндра опережает
... ....
шатунную шеиlCУ леsоrо, и отрицательныи, если шатунная mеИlCа
правоl'о 11: I ядра отстает (рис. 7.12).
ИзmбaюЩИЙ момент в среднем сечевии левой (см. рис. 7.12)
шатунной шейки в плоскости xr
Мж ==: R.b + (Кпц Крпр) (Ь а)
и в Ш10СКОСТИ Т.
My==R./J.
Изrибающий момент в ПЛОClCости маСЛОПОДВОДЯIЦеrо ханала
(см. рис. 7.9) M,,==M.cos ({/ +MTsin qJ'. По ЭlCстремалъным значениям
БI2
К К.пrv
'llIК ' ..u....u\,
п
.".
Рис. 7.12.. К расчету IpИВD"I 1. со смещеввой lПа оi mеп.ой
.
182
К rшш
КrШ-К К rшlC
R,,]
К,Ш
К,Щ
Rx2
R T1
"
K mp
а
Ь
1/2
К rпр
а
Ь
1/2
с
I
Рис. 7.13. Схема иаrpу:а:еНИJl кривошипа V..образаоrо двиrатели
М rI определяют напряжения G m . r , O'min И запас прочнocrи по нормз.ль.-
ным напряжениям n", а затем оБЩИЙ запас прочности n.
В том случае, если V --образный двиrатель имеет обычный :криво..
шип, расчет проводится по той же методике при fJ == О и к:щ == о (рис.
1.13).
Напряжении и запасы прочноcrи щех определяют так же, как
и в однорядном двиrатеnе, НО с учетом НОВЫХ реaxциii R K1 и R... 2 -
7.3. МЕТОДЫ УПРОЧНElШЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
повышниеe усталоствой прочности lCоленчатоrо вала может
бьrть достиrнуто как lcовструктивными, так и технолоrическими
мероприятиями.
К ICонстрyrrивным мерОПрИJIТИJIМ ОТНОСЯТСJl:
. создание валов с перекрытием шеек (размер А на рис. 7.1);
...
. увеличение радиуса rалтели или выполнение мноrорадиусвои
,.,..
rалтели с целью уменьшения концентрации ваприже: 1 ' J при СО..
...
хранении неизменнои опорнои длины подшипника;
. увеличение толщины h и mирины Ь шрп;
. БОЧICооБразная форма полостей в meйICах;
"" '"
. расположение маслоподводящеrо IC:анр.ла вшатуннои шеике
ПОД уrлом qJ'==90°.
К технолоrическим мероприятиям, mироко применяемым в на..
CTOJIIЦee время, следует отнести ЗaIC8JIlCу шеек и rалтелей вала ТВЧ
при быстровращающемся вале с охлаждением под слоем ЖИДlCости
с последующим низкотемпературным ОТПУСКОМ. При исполъзова..
нии среднеуrлеродистых сталей и при закалке ТВЧ эффе. I:ВЫМ
183
способом упрочнения rалтелей являет...
си их пластическая деформация обкат..
кой РОJlИI(ами (рис. 7.14).
Значительное ПОВЬШIевие надежно..
сти Icоленчатых валов доcrиrается за
счет азотирования, при lCотором уаа..
постная прочность увеличивается в
1,5..2 раза и более чем на 20% ВОЗ
...
растает износостоиICОcrь шеек..
Недостатками процесса азотирова..
НИЯ JIВляютс.я высокая трудоемкость
и оrраниченнаи возможность перешли--
Рис. 7.14. ОбрабоТIa rалтелей фОВICИ валов при ремонте.
роJIИIОМ Примевяют два способа азотирова
НИJl валов: 1) rазовый; 2) жидlcоcrвый.
Первый обеспечивает rлубину СЛОЯ с высокой твердостью ДО
0,4...0,5 мм, во имеет существенный недостаток большую ТРУДО"
eМIC:OCТЬ (около 60 ч). Второй, несмотря на ряд преимуществ (про
цесс длится 3 ч, выоlcая износостойкость поверхностноrо слои
и малая хруПICОСТЬ есо, возможность примевения велеrироваввых
и иизжолеrироваиных сталей), реЗICО снижает ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ при
ремонтной пеpemлифовке, а также обладает высокой токсичностью
.., ....
солен и ЖИДlCостеи, используемых в процессе.
Приведенные вьnпе методы упрочнении Icоленчатых валов и вы..
СОlCое .качество техволоrических процессов изrотовления позволяют
повысить ресурс валов до 500...600 тыс. хм пробеrа автомобиля.
Коленчатые валы в сборе со всеми элементами подверrают стати--
ческой и динамичесlCОЙ балансировке. Величина допустимоrо ДВС--
баланса увеличивается заводом..изrотовителем.
11
....
rЛАВА 8
КОЛЕБАНИЯ В двиr АТЕЛЯХ
BНYТPEННErO crОРАНИЯ
L
8.1. ОБЩИЕ СВЕДEIШЯ О КРУТИЛЬНЫХ
КОЛЕБ колЕнчАтых ВАЛОВ
Периодические знакопеременные относительные уrловые смеше..
IIНЯ элементов ICолевчатоrо вала, происходящие ПОД деиствием пе..
ременных по времени и сдвинутых по фазе крут -1111 Х моментов на
отдельных кривошипах (рис. 8.1), называются КРУТИЛЬНЫМИ колеба
I.иями IC:оленчатоrо вала.
По определению они JIВЛJIЮТСЯ колебаниями вьmужденными. их
Ilapaмeтpbl завИСJlТ ICах ОТ упрyrомассовых и диссипативных хара.х--
...
l еристиlC ХРУТИJIЬНОИ системы, так и от характеристик сш10вых
факторов, Возбуждающих колебания.
К ОСНОВНЫМ характеристикам lCолебательной системы ОТНО'"
сятся:
. СОВОlCупность частот собcrвенвых ICолебаний крутильной си
("teМЫ {roo};
. формы :колебаний крУТИЛЬНОЙ системы, соответствующие Ka
Jl(ДОЙ из СОВОJCYIIНОСТИ частот собcrве: .1. t lCолебавий (форма lCоле
баний это диarрамма распределения амплитуд yrnoBых смеще..
IIИЙ элементов вала по ero обобщенным координатам);
. диссипативвые харапериCТИICII, характеризующие необрати"
мые неупруrве потери колебательной энерI'ИИ ВЕРУТИЛЬНОЙ сиcrеме;
()бычво они оцениваются коэффициентом п"лерь, представЛЯIOЩИМ
собой отноmение lCоличеcrвa энерrии, нсобратимо теряемой в ICpy
.... v
rиПЬНОИ системе, к. количеству энерrии, ВН{' ':ИМОИ в вее СИЛОВЫМИ
фanорами.
Фапорами, возбуждаю.. I I Iолебания крyrильной системы,
118ЛЯЮТСJl ICрyrJlЩИе моменты М К)I (t) на отдельных кривошипах,
которые идентичны по форме временной реализации и отличаюТС-Я
дрyr ОТ дрyrа фазовым сдвиrом, опредеJlJIемым ПОРЯДICОМ работы
и yrлом чередов3.IIIIJJ рабочих ходов в двиrателе.
а
185
00
1800
3600
540(>
720()
Порядок рабо.,'ы
I З 4 2 J
.. """"---- L ... "
........... ............ 1..........
180° ) 800 180 180(;
Рвс. 8.1. Схема иarpyzеllllJ[ копевчатоrо вала переме : 1: 1. I моментами
Момент Мкр (t) фуихци.я периодичесх3JI, Т. е. Mкp(t)==
==Мжр(t+Т), rде Т период. Как и любая периодическая фУНJЩИЯ
(с несущественными ДтJ данной задачи оrpaвичевиями), Мжр (t) MO
:жет быть с moбой точностью аппрОIC.симирован триrовометричес..
хим полиномом (разложен в ряд Фурье):
.
(tJ ,
M (t+ 7)==М ф + L Mksin k. 27t +!fJ1r. ,
k-I Т
rде k:= 1, 2, 3, ..., 00 и 1:я/Т==ro к-рyrовая частота хрynпцеrо
момента.
Каждый член полинома ЭТО синусоида с ампЛИТУДОЙ М ъ
чаcrотой km и фазой (jJk- Каждая такая синусоида называется rap..
моникой крутящеrо момента k..co порядк:а.
Множества {M k } и {lJ'k}, соответствующие частотам kю, ив..
ляются основными колебательными хар8.1СТериcrи силовоrо
фактора.
При вьшужде :,:. . :колебаниях наибольшая их интенсивность
наблюдается на режиме, называемом резонансн:ым, косда одна из
186
множества частот собственных lCолебанИЙ системы совпадает с ча...
...
СТОТОИ ОДНОИ из rармовиlC КРУТJlЩеrо момента.
Следует отметить, что КРУТИЛЪНaJI система lCоленчатоrо вала
ОТНОСИТСЯ I колебательным системам с высоICОЙ «добротностью»,
Т. е. lUdеет очень НИЗКИЙ уровень внутренних потерь. Для таких
систем ХЯf\О ""''''''fIЫ следующие особенности:
. LJ.a...:-r.1 u 1 ё1 вынужденныx резонансвых lCолебанИЙ практически со..
впадает с собственной частотой;
. форма вынужденных резонансных колебанИЙ тождественна
форме собственных колебаний;
. при полиrармоническом силовом возбужде :I системы по...,
давляющая доля колебательной энерrии сосредоточена в резонанv
"'"
нои зове.
Применительно IC задаче анализа крутильных колебаний следо..
навис ЭТИМ принципам означает, что:
. определению подлежат только частоты и формы собственных
колебанИЙ крутильной системы;
. в расчет принимаюТСJI только режимы резонансных lCолеба..
..
НИИ.
,
. практичесICИИ анализ амплитуд вьlнуждевных крутильных lCo--
лебаний проводится при возбуждении крутильной системы ТОЛЬКО
ОДНОЙ (резонирующей) rармоНИICОЙ.
Крутильная колебательная система колевчатоrо вала ОТВОСИТСJJ
к сиcrемам сполисиловым (мноrоточечным) возбуждением. В ЭТОМ
случае большое значение имеют фазовые соотношения между от..
дельными СШ10ВЫМИ ф8.ICТорами. Наибольшее холичество эверrии
передается в колебательную систему, Kor да все факторы дейcrвуют
синфазво; наименьшее xorдa все силовые факторы по фазе oт
личаются дрyr от друса. При резонансе колебания lCpутильной
системы возбуждаются одной (резонирующей) rармоmпc.ой Мжр,
J.-:ействующей на каждом из кривошипов. Они имеют одинаковые
амплитуды и отличаются толыIo фазой В соответствии с фазовым
сдвиrом к-рутящеrо момента.
Наибольшую опасноcrь для коленчатоrо ва. f)удут предcrз.в...
lIJlТЬ резонансв.ые колебания, возбуждаемые l'армонИICaМИ, фазы
которых совпадают. Тажие rармовИПI называются zлавным.u.
Если фазы резонирующей l'аРМQНИICИ на каждом из lCpивоmипов
Ile совпадают, ТО такие rармовики назьrв. тся слабыми и они не
нызыают опасных ДЛЯ прочности вала aмшIитуд уrловых сме..
..,.
Iltении.
Промежуточное положение занимают сильные rармонИlCИ, фазы
которых совпадают на части (обычно половине) кривошипов.
Наибольшие сложности пр.. анализе lcолебательных харахте..
риCТИIC упрyrой системы ICолевчатоrо вала вызывает то обстоятельство,
187
что она относится IC системам с распределен :1. I параметрами;
в них масса и ynpyroCТb раСl1ределевы по всему объему элементов,
формирующих крутилыIюю систему. Такие системы очень слoжвы
ДJIЯ анализа, так .как имеют бесконечно большое число чаcrот
и соответcrвующих им форм собственных колебаний.
ПрактичecIOlЙ анализ КРУТИЛЬНЫХ 1C0лебаний не требует учета
возможвоrо резонанса по большому числу частот собствеа:..
колебаний. для этоrо достаточно анализа по первым (низmиМ)
двyм тpeM из НИХ, с которыми в рабочем диапазоне частот враще
пия MOryт резонировать три четыре rармовИICИ Мжр. В пользу
этоrо rоворит то обстоятельство, что знач,?вие амплитуд capMO
:I I' крутящеrо момента Мжр быстро убывает с увеJШЧевием их
ПОрЯДICа и при резонансе на частоте вьппе 4ro больших амплитуд
колеба : I не будет в силу малости М". С учетом ЭТОСО при решении
u
даивои задачи реальная крутильная система lCоленчатоrо вала МО"
жет быть заменена системой с сосредоточеввыми параметрами,
динамичесm ей эквивалентной при резонансных колеб.:::. ПО
НИЗШИМ формам.
..........
............ ........
..........
..........
1.
L,- ............
....... ............ ......... ......... ,.
............. ............
....... .........
I .
V ""J ,.... .....
.....;1
......
t :.с
,. IIIIIIII - .. . .. lIIIIi
I
1.- .- .
.
.....
и , .z.
- , 1 1 \.'.' 1 ,
,
I ...Т: 7 7 r
1IIIIIIII .... I I I I j
I "- .. ... .
I I I I
I
I I , I
) ..
J J ' ! I
i\M 'м 'М I
I k)
/ft /п I
I
/ I I , I JII
/ .-11 /J з ,.- I ,J. I 3
/ J, }/J 4 I v.
!J s I 16
....
1
..
.
..
,. ..
1. '11 111I 'IV Iv 1-
.J
.... .
r ..... ..
r . ....
I
.
.
С(
C 11
C 111
C 1V
("
..
.
/1
.
..
-
12
J]
J 4
J s
J 6
Рве. 8.2. Эквивале : :: t ирутильва..к система четырехци I 1: I . ,Boro
pJIДВoro дввrатеJIJI
fII
188
Эквивалентная крутильная система (рис. 8.2) соcrавляется из
УЧRСТХОВ HeBecoMo:ro цилиндрическоrо вала неизменноrо диаметра
1I сосредоточенных масс, динамически замещающих массы ПОДВИ"
... ...
JКllhIX элементов сходственных участков реальнои крутильнои сиете...
мы. Э:квивалентность обусловливается равенством их ICИнетичесlC.ИХ
....
и потенциальных энерrии.
8.2. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ
КРУТИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Рассмотрим Bывдд уравнения движения п массовой эквивалент..
IIОЙ КРУТИЛЬНОЙ системы, приведевной на рис. 8.3.
В качестве обобщенных lCоор .1 I: ат принимаются yrлы поворота
сосредоточенных инерционностей {в;},,; обобщенные силы суть
моменты {М;}II, действующие на них (в частном случае М; может
быть равным нулю).
Для нахождения уравнения движения ЭlCВивалентной системы
()тносительно i...й обобщенной координаты воспользуемся уравнени..
ем Лarранжа:
d
dl
+ ШI ==М;.
a8 i де,
"
Здесь Т==0,5 L J,iff
полная lCИНетическu эверmя системы; П ==
i-I
JI I ОТ .
==0,5 L C;(в; вHд2 полная потенциальная энерmя; . ==J.8j,
i-I дО.
.
дТ == d(J/liJ ==J.iJ.. дТ ==0. ШI == a{O,S[C;(8; 8i+1)2+C; 1(8i I B ]} ==
iJt 00; dt .., де; , iJ8 i д8;
== c,(8, вl+.) C; I (B; I Од.
М) М 2 М з м; М;+,
't ,,'t 't ')
Mп I М п
""
J}
е.
,
J; J;+ I
С;+1
.... ..... ..... ..... ...
eп 1
Jп 1 J ,.
Рвс. 8.3. ЭквивалеитваJl крутильВ8JI система с n обобще :I:I . И КООРJ1JПIатами и си--
creмой обобщеRRыx сил
189
T8JCIIМ образом, ДВИ)l(Сllие зквивалентной крутильной системы
описываетСJl системой лиllейllых дифференциальных уравнений ВТО"
poro пор.яд.:а:
Система п (i== 1, 2, 3, ..., п),
..
J,fJ i + Ci(Bi B,+.) Ci 1 (в; 1 8 i )==M i .
из этих уравненИЙ следует, ЧТО для J I ': амичесlCоrо соответствия
эквивалентной и реальной крутильвых систем необходимо, чтобы
вьmолв.ились следующие условия:
{ С;} == {С iэп } и {.f;эu} ==
N
L
,
еде
N
L
cYМ}da моментов инерции всех N подвижных эле..
"-1
. ...
ментов, наХОДJJIЦИХСJl на ,"м участке деиствителънои системы.
8.3. СИНТЕЗ ЭКВИВАЛЕtlТНОЙ КРУТИЛЬНОЙ
систЕмыI
..
МетОДИlCа синтеза эквивалентной крутильной системы (ЭК С)
базируется на следующих принципах:
. коленчаТЫЙ вал разбиваетСJl на рид xapaICTepныx участков,
""
в качестве которых выступают кривошипы с элементами шатуннои
....
и поршневои rрупп, участок со шкивами и элементами привода
вспомоrателъных механизмов, а также участок с махОВИlCом;
.... '"
. каждому участку реальнаи системы соответствует свои уча...
СТОЖ ЭКС;
. эквивалентная система представляет собой вал посто.янноrо
сечения (обычно это сечение жоленчатоrо вала по жоренным mей
кам), на отдельных участках ICOToporo в местах, соответствующих
центрам масс сходственных участков реалъноrо вала, нахОДЯТСЯ
сосредоточенные инерционные элементы;
....
. для сходственных участков реальвоrо вала и эквивапентвои
....
системы ДОЛЖНЫ ВЬШОЛНЯТЬСJI условия равенства их жеСТlCостеи на
жручение и моментов инерции.
Первые три из сформулиpr выше ПРИНЦИПО!t определяют
lCонфиrypацию ЭКС, последний условия paвeHcrвa ее потенци
'"' ........ .....
альнои и ICИнетичесlCОИ энерrии аналоrичным параметрам деист...
""
вительнои систе .
.
190
Итак, равенство потенциальных эверrий эквивалентной и дейcr...
1IIIтельной систем обеспечивается при выполнении ДЛJIкаждоrо i ro
l' , их сходственных учаcrlCОВ равенства C is . == С,.
Из определения крутильной жеспсости жак момента М, вызыва..
IОlцеео закрутх:у деформируемоro учаспа. на единичный yrол О,
Ilолучаем с== М/О и в соответствии с захоном ryo c GJp/l, еде
(; модуль упрyrости при сдвиre; J p DОЛJIрНЫЙ момент инерЦИJf
[-. о сечения; 1 длина учаСТlCа&
С учетом этоrо равенство жеСТlCостей сходственных участков
и меет место, если
GJ p ../ liэп GJpJ li.
Так как Jpэu==о,l(d:ш ь:.ш> одинаков дли всех участков ЭКС,
""
11ё.l.риации их жеспсостеи возможны только за счет изменения длин
и 1;.... 1, (Jp...jJ pi). Процедуру определения д.JIины учаспса эжвива
IIСНТНОЙ системы, обеспечивающей крутильную жестlCоcrь тахую
.... ....
же, lCах на сходственном участке деиствительвои системы, вазhIВают
приведением длUR.
Наиболее просто реализуется приведение длин цилиндрических
участков JCоленчатоrо вала (рис. 8.4):
li.. == lj (d. :'rJ/(d4 4)i.
Если участок lCоленчатоrо вала имеет сложную форму, то для
11 риведеНИJI ero длины он может быть разделен на рид более про..
стых участков, ICЗIC это ПОJCaЗано на рис. 8.5.
Здесь ПОД действием сжручивающеrо момента М участжи дейcr..
'"
пительноrо и ЭlCВивалентвоrо валов ЗUРУЧИВаются на ОДИН3JCОВЫИ
Ь. rY
J pl J p1 J p3
,
,
r M
1. /2 13 I
I
I J
I J
I I зкв I
I I
- ...
L .
1
,
I;экв
Рис. 8.4. Приведеиве длив ЦИЛИВД"
рическ.их участков колевчатоrо вала
-
Jрэкв
"м
Рис. 8.S. Приведевие длив учасп:ов вала
ело.ной IОВфвrypацив
191
N N
yrол ();== 8;... Tu ко: 8,:: L ()) == ()I + 82 + ... + ()н, то ()i:в:a == L 8) ·
_1 I _1 i
После деления правой и левой частей уравнения на М получим
N N
l/C i ...== L (1/Ср, опуда следует, что l;ra== L JJ"эрIJpJ) ==
}-1 -1 I
N
== L [ржа ·
--1
.
I
Таким образом, приведенвая длина участжа сложной формы
равна сумме приведенвых длин отдельных ero элементов.
Используем этот привцип для определения эквивалентной ДЛИ"
ны кривошипа. Как это следует из схемы рис. 8.6, == l...m.эu +
+ 1ш JII .ЗВ + 21w..ЭU8
Приведениые ДЛИНЫ:
. коренной шейки I..m == l.кт., так как J".. == J р..ш;
. шатунной mеЙIcИ lJPrq .ЭD=='ш.JD( ь:.J/(tJ4 [,4)QUIJ.
При определении приведениой дJшвы щеп следует иметь 8 виду,
что при кручении кривошипа щека испытывает деформацию изrиба,
как ЭТО показано на рис. 8.7.
При ЭТОМ ось ривоmиnа ОТЮIоняется на yrол
,
Р==М
EJщ(ж .х)
..
относительно CBOero первовачально:rо положения. Здесь Jщ(х х)==
==(hb 3 )/12 момент инерции щеки относительно оси x x.
M
, /1
\ \ \
tl 1'Э J(В.W
r
О,5l кш
IIШ
О,5/ кш
......
..... ......
.......
0,5
, I t I . ,
/экв.кш l О ,5/ экв .
... экв.шщ .
, .. r .. ..
а Iэкв.к а
.
х
h
кш
х
/у
Рис. 8.б. Приведевие I I I:. кривошипа
Рвс. 8.7. Првведевие I . ". , : t . ще..
кв колекчатоrо вала
192
Жесп.ость щеп на изrиб
Сщ==М/Р== ЕJщ(.х х)
,
ДОJIЖна бы.ть равна крутильной жесткости сходcrвeвноrо учacnc.а
эквивалентной системы: Сщ С щ . эп , откуда
G J РЭD
(GJ _.)/Iщ.-...==(ЕJщ.х х)/r и lw..ЭD==r ·
Е Jщ(.х %)
Одвахо такой расчет не обеспечивает необходимой для прах--
тичесICоrо использования точности определения ' ж . зD , так как не
учитьmает тапе важные хонстрyrrивные фaICторы, жак перекрытие
....
шеек lCоленчатоrо вала, наличие rалтелеи в MecT перехода шеек
...
в щеку, разrрузочныx канавок в зоне rалтелеи и Т. д.
Поэтому на прanиlCе ДЛJI определеВIUI 1.... ИСПОЛЬЗУЮТСJl полу
эмпиричесхие формулы. для кривошипов автотракторных двиrа
тепей наилучшие результаты дает формула с. с. Зимавешо:
о,б Ь
lx == /КВ + l d...ш + О,81ш..ш + 0,2 dжm х
ив r
114 tJ.4
Х ... .ш ]Е.ПI +
.ш 6:Кт
,
<п. 6:.ш
М 3
.
t:lш- ш
,
РавенCfИО ПlветичесICИХ знерrий эквивалентной и действителъ--
ной КРУТИЛЬНЫХ систем жоленчатоrо вала обеспечивается равен..
ством сосредоточенных моментов инерции {J iэn } и суммы моментов
инерЦИИ совокупности подвижных элементов на их cxoдcтBeнных
N
участках L ·
-1 i
Рассмотрим методику определения J,ЭD для участка эквивалент...
вой системы, эамещающеrо кривоmип. Как следует из схемы рис.
8.8,. JI.ЭD==J.==J..m+Jш.ш+2Jm+пJпр+Jш.JI:+ . 1десь J.. ш , JIП m" J ш , Jnp,
Jm , моменты инерции оmосителъliО оси ICоленчатоrо вала
... ....
соответственно lCоренвои и шатуннои шеек t щеки, противовеса,
""
массы шатуна, отнесеннои IC кривошипу, массы элементов, движу
ЩИХСJI возвратво"поступательво; п количество противовесов на
кривошипе.
Момент инер II B жоренной JJI:.J.D==Jрж.тlж..шP и шатунной Jш.:rп==
==Jрш mP+nlm.шr2 шеек (р Ш10ТНОСТЬ материала вала) относи
193
JЭ1<В.к Jr:.
I
h.
,
I
...
Рис. 8.8. К определению момеи--
та инерции .криво 11 I :
Рис. 8.9. Определение моментов инерции
щек и противовесов
тельно ОСИ вращения вала определяются по известным соотношени"
не вуждающимся в комментариях.
Момент инерции элементов кривошипа, имеющих сложную reo..
метрическую форму, определяется rpафоаваJШТИЧесхим способом
по их чертежам. Таким способом определяются обычно моменты
инерции щех JJJ1. и противовесов J . для этоrо щека (противовес),
как это показано на рис. 8.9, разбивается дуrами окружностей
на N элементов со средним радиусом R, и шириной AR;. для
lC.аждоrо из них затем определяется момент инерции относительно
оси вращения вала A.l; == Aтft.i 2 :::::: А v;pRl == АР ,h;pRl :=: AL i AR.-h i рR;2 :=:
1t 2 1t 3 А АТ
== aiRiARihipRi == aiP hiRi, rде Aт i , LlJli, AF;, u.Li, h;, t%i СООТ--
180 180
ветственво масса, объем, фронтальная площадь, длина, ширина
"" ...
и центральныи yrоп среднеи дуrи элемента.
Момент инерЦИИ щеки (противовеса) определяется затем жак
сумма моментов инерции всех N элементов:
N 7t N
Jщ(пр):=: L AJ, == Р L a.ARlti R i 3 .
1-1 180 1-1
Момент инерции относительно оси вращении lCопевчатоrо вала
части массы шатуна, отнесенной IC кривошипной rоловке, J DIJ. ==
......... '" r 2
....... .. -Ш..:. ·
Инерционное воздействие на крутильную систему масс т j криво..
шипно..шатунноrо механизма, совершающих возвратно...поступа..
тельное движение, учитыветсяя их моментом инерции, приведеввым
к оси вала .1,. для определения ero значения масса , сосредоточен
...
пая в центре верхнеи rоловlCИ шатуна и ДвижущаяСJl с ICинематичес..
.
194
....
I\ИМИ параметрами поршня, заменяется динамически эквивалентнои
ей массой тjпв, сосредоточенной в центре шатунной шейки. Условие
tквивалентности равенство их юmerическвх эперrий: 1 J 27пj У; ==
1/2 т j=u.U 2 , еде U==rw скорость центра шатунной шейки; V п ==
rm (sin qJ+ 1/21 sin 2 qJ).
Отсюда следует, что тjЭD == т} (V,./ т2 == т) (sin qJ + 1/2 Л sin 2ч> )2 ==
f( rp), т. е. представляет собой переменную rармовичecJQI изме..
J IЯЮЩУЮС.я величину. В СВЯЗИ С этим для практических расчетов
Ilсполъзуется среднее за ЦИICЛ работы двиrателя значение тjэп.
11 ри ero вычислении делается допущение, что порmень движется
('аввомерво со СКОрОСТЬЮ, равной средней Vn сn==(Sп)/ЗО==2r(JJ/7r.,
I де S==2r ХОД порmвя; п==30ro/n число оборотов коленчатоrо
Ilала в минуту.
Таким образом, 1пjэп==тj(2/п)2 1/ 2пlJ и == 1/2Pi,2.
При определении JmJ. и в V образном двиrателе для lCаждоrо
колена необходимо учитывать оба поршвя и шатуна, сочлененные
с КРИВОШИПОМ.
8.4. чАcrотыI И ФОРl\{Ь! соБcl'вЕнных
КОЛЕБАНИЙ КРУТИЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
Полученные в разд. 8.2 уравнении описывают вынужденные
колебания крутильной системы ПОД действием совокупности 0606..
Iценных сил {M i }.
Собственные колебания JIВЛJIЮтся чаcrным случаем вьmyждеп--
IIых колебаний при {M i } == о, ЧТО позволяет описать их системой
"
уравнении
Система п (i== 1, 2, 3, ..., 11),
..
JlJi+ Сi(lJ; (Ji+д Ci l (lJ; l Bд==O.
Решение этой системы известно:
Система " (i== 1, 2, 3, ..., п),
8;==A;cos (rool);
.
Система п (i 1, 2, 3, ..., п),
..
(j j == A сos (root).
Подстановка этих решеНИЙ в исходную систему дает для произ..
.
вольноrо ,--со уравнения
A;.f; cOS(lOot)+ Ci[AiCOS(Wot) Ai+J cos (Q)ot)]
195
..... C, I [А I I COS (шоl)...... A i COS (шоt)] == О
и после алrебраичесlCИХ преобразованИЙ
Aj IC' 1 + A (JIJJ: Ci 1 Ci)+A.,+.Ci==O.
После аналоrичныx преобразова :1 ir для всех" уравнений ИСХОД--
ной системы формируется система алrебраических уравненИЙ, свя"
зывающая между собой амплитуды {А} по всем п обобще:I:I. м
lCоордиватам и частоты собcrвенных lCолебавий {roо}:
Система п (i== 1, 2, 3, ..., п),
Ai .Ci . +Ai(J C, . Cj)+Ai+.Cj==O.
Эта система в принципе может Быть использована для определе..
ВИJI совокупности частот {COoi} И соответствующей :каждой из них
форм {А}, собственных lCопеба.lа . Основное затруднение при ее
решении вызывает то обстоятельство, что количество неизвествых
(п+ 1) на единицу преВЬШIает число уравнений в системе п (в число
неизвеcrных входят п амплитуд смещения систеlWJl относитель--
но обобщенных координат, а также частота собственных lCолеба...
ний mo).
для понижения количества неизвестных в приведенных выше
уравнениях переходит от абсолютных амплитуд :к: амплитудам
относительным. Для этоrо все абсОJПOтные амIulитуды нормиру..
ются ПО At. В этом случае а. ==А./А. == 1, й2==А.21А., ..., Qj==A./A 1 , ...,
a,,==AJAl и
Система п (i== 1, 2, 3, .. , 11),
ai ICj 1 +ll;(J; Cj . Сj)+Йi+,Сj==О.
Развернем эту систему уравненИЙ:
й. (JJ С.) + а2СI == О
й. С. + а2 (J : С 1 С2)+ tx З С 2 == О
. . . . . . . . . - - - . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a, . C, . + а, (J C, I C j ) + ан I С , == О
. . - . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
a,, 2Cn 2+ a,, .(JII .ro: Cn 2 Cn .)+ anC,, . ==0
a,. I Clt . + й" (J Cn .) == о.
196
й.
U'l.
аз
а4
i== 1 (J.C1J: Сд С. о о
i=:. 2 C 1 (J2 С. С 2 ) С 2 о
......0
........ .
;==3 о С 2 (Jзro: С } С э ) С Э
;==4 о о С] (J.,ro: с э )
Все нулевые решении определителя дают п......... 1 значения частот
собственных колебанИЙ (в их ЧИСЛО не ВlCЛючаются обязательные
ДJlИ всех крутильных систем решения CJ.) == О, при lCоторых все инерци..
онные элементы синхронно вращаются совместно с валом).
В данном случае ТaIOIX частот будет три: CJ.)C)J; СО02; {От (в порядке
возрастания).
Подcrавляя каждую из НИХ в уравнения, получим три множества
относительных амплитуд, определ.JIЮЩИХ три различные формы
собственных колебаний:
{а;} OJeа; {llj} Шоz; {llj}CDo:I.
..
й1==l
02
при rool
04
а)== 1
при (002 > (1)01
й. == I
при (003 > (002
04
.,..
.
Рвс. 8.11. Формы s:опебaииii эквивалевтвой крутильной системы при .: 1'.'1: 1.
звачевиJIX собственвых частот
198
На рис. 8.11 приведена rрафичесХaJI интерпретация распреде--
леВИJl относительных амплитуд по обобщенным lCоординатам си..
стемы;
. форма lCолебаний, соответcrвующая наименьшей (низшей) из
собственных частот, имеет один узел (сечение вала, rде а ==0) и носит
название одноузловой;
· при (002 (тО] > cl>o2 > тод распределение амплитуд характеризу..
етс.и наличием двух узлов колебанИЙ и Т8.lCая форма носит название
двуху злов ой;
. при СОО] имеет место mреХУЗАО8ая форма колебаний.
8.5. r АРМОНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
КРУТЯЩИХ МОМЕНТОВ
При анализе крутильных колебаний lCоленчатоrо вала крутящий
момент на каждом из кривоmипов представляется в виде триrоно--
метрическоrо полинома
а> t
МJф(t+7)==Мсрj- L Mksin k.21t +tpk ,
х-I Т
rде k== 1, 2, 3, ..., 00; (2n/rj==ro lCpyrовая частота крутящеrо
момента.
На рис. 8.12 приведева rрафическая интерпретация процедуры
преобразовавия временной функции крyuпцеrо момента, имеющеrо
период Т, в сово!Супвость raрмонических слarаемых (zapMOНwc)
с различными амплитудами {M k }, фазами {t'J'k} и кратными чаcrота
ми {kш}. Эrа процедура носит название разложения временной
функции в ряд Фурье.
Cлarаемое М ер !Сак величина постоянная на колебания в линей..
НОЙ крутильной системе влияния не оказывает. Величины М" и
({J1c ДЛЯ каждой rврмониПl определяются ивтеrралами Коши:
I
Mk== .JAl +BI; qJk==arctg(AJBk),
т
2 t
еде == Mкp(t)cos k. 2п
Т Т
о ·
т
dt; ВА: == '!:. м кр( ') sin
т
о
t
k. 2x dt.
Т
199
М К
3600
7200
.
k==]
М)
2
k== 2 М 2
fP=Q)двс. t
q>
tp
<р
q>
<р
Рис. 8.12. rрафическа.к витерпрета.циJl процедуры разло.еНИJl в pJIД Фурье КPYТJlIЦero
момента
Для авалИТИЧecJCоrо определения коэффициентов Фурье (А" и В,,)
необходимо иметь ФУНIЦИональную зависимость Mкp==f(t). еущест
вующие методы расчета две не П03ВОЛJIЮТ получить уравнения,
описывающие изменения М-..р по времени. Поэтому на пракТИlCе ДЛJl
вычисления этих коэффициентов используют rpафичеасие зависимо
сти M-..p==f(t) (рис. 8.13).
В этом случае А" и В" определяются приближенно. ОБЩИЙ
aлrоритм их расчета состоит в замене интеrpaлОD Коши ](онечными
суммами, для чеro период Т крутящеrо момента разбивается на
N отдельных учаcncов длительностью At. Тосда
. 2 Н A,ti 2At N А'
Ak==lun L Micos k. 2:л. At r cos k. 2:rr. i ·
At==o Т. О Т Т · О Т
I 1-
с учетом Toro, что T/At==N, получим
2 N 2
k 7t.
Ak LM,cos l.
N fW80 N
По аналоrии
2 . k 27t-
Bk'::::: L M i sm 1 ·
N i-=O N
...
rармоБИКИ {M k sin(kmt+9'k}' сocraвтnoщие ряд Фурье крут.
""
щеrо момента, им:еют частоты, кратные yrловои частоте ero изме..
200
.
Мкр
т
I
I
I
l1'
ч>
'==
m
I
123
;
N
IJ ис . 8.13. При6лижевв.ое определение I[оэффициеитов Фурье по IpИВОЙ q1yrJПЦe:rо
момента
lIения. их коэффициент ICpаТDОСТИ k== 1, 2, З, 000' 00 называют
математическим индексо'м rармоlIИX, а сами rармониlCИ .мате..
матическu.мu.
Такая форма записи не всеrда удобна для rармовическоro ана--
..IИза процессов в двс, которые в большинстве случаев имеют
...
частоты их изменения, кратные уrловои частоте вращения колен..
чатоrо вала: coдвc==7m/30o
Тп, в четырехтаlCТИОМ двиrателе период изменения крутsпцеI'О
момента т равен времени двух оборотов lCоленчатоrо вала, следо--
...
патеЛЬDО, ICруrовая частота есо составляет половину yrловои часто..
I'bl вращения двисателя: ro == 1/ 2содвсо В ЭТОМ случае более удобна
I руrая форма записи ряда:
ею
Mкp(t)==Mcp+ L MA:мsin(Jvoдвct+fPk J .)'
k- 0.5
."деk,.==1/ 2 k==О,5; 1; 1,5; 2;2,5; 000; 000
Т8.ICИе rармони:ки НОСЯТ название .моторных, а /см== 1/ 2 k называет..
св .моторНЫ'м индексом zapMOНUКo
8.6. фАзовыIE СООТНОШЕIOIЯ r АРМОНИК
КРУТЯЩИХ МОМЕНТОв, ДЕйcrвУЮЩИХ
НА ОТДЕЛЬНЫХ КРИВОIПШIAX
Ku показано на рис. 8.1, крутящие ldомепты на отдельных
кривошипах мноrоциливдровоrо двиrатепя одиваховы по форме их
Ilременной реализации и отличаютси только фазами. Вследствие
Toro будут одинаковыми и аппроксимирующие их триrОRОМет--
рические полиноldы, rармоники одноrо ПОрJIДICа в lCоторых будут
отличатьс.я только фазовым СДDиrом.
201
Рассмотрим фазовые соотношения, характерные для произволь-
ной k,. й моторной сарМОIIИКИ, действующей на отдельных КРИВО--
шипах (j; порJ1ДКОВЫЙ номер кривошипа):
{MII:H sin ("мroдвсt+ f/JbV,)}.
с учетом TOI'O, ЧТО уrол поворота :кривошипа qJ == CJJдвct,
{М kN тп (kxqJ + ЧJkм(})}.
rармоlIИПI, дейcrвующие
. на l"м кривошипе: МЬ sin (k,.rp + lpkм(l);
. на j"M кривошипе: M kN sin [/СМ (ер AJJ 1 j) + CPkн(1 .
Здесь AfJl J yrЛОВОЙ интерВал, на КОТОРЫЙ процессы В j-.M
цилиндре запаздывают относительно процессов в l--м 11 1.1: дре.
Orсюда MIcN sin [kxtp + tJ'kм(l) k,.AfJ 1 j] И сры.{J) == (,00(1) k,A.Ol j.
ТОl'да фазовый сдвиr между rармовикой С моторным индексом
k,. нaj M и l"м кривоmипах А"ю.(})==rpku.(}) qJkм(l)== k,.AfJl .r
Фазовые соотношения между одноименными rарМОНJII(ами жру..
тящerо момента оформляются В виде фазовых диаzра.мм. они пред"
ставляют собой систему векторов, символизирующих амплитуды
rармонИIC на отдельных кривошипах, повернутых относительно BelC..
тора 1"1'0 кривошипа на yrлы AqJkN.(}).
Методику построения фазовых диarрамм рассмотрим на при..
мере моторных rармовИIC крутящеrо момента на кривошипах че...
тырехцИЛИВДРОВОI'О четырехтактноro ОДВОрЯДВОI'О двиrателя: (рис.
8.14, а).
При порядке работы 1 4 2 1 и yrле чередования рабочих
ХОДОВ 0== 1800 yrловые интервалы сдвиrа процессов в цилиндрах
относительно первоrо: первом 81 1 == 00; втором Aвl 2 == 5400;
третьем Aвl 3== 1800; четвертом A81 4== 3600.
1,4
А .,,-......
, "
(О, ,
I \
I
....,..........
\ I 3
, I
, '
JI'
1
14
1234
2,3
32
I
I
I
I
I
I
I
I
а
б
в
z
Рис. 8.14. Фазовые д:иarpаммы моторных raрмоlIИI q>УТJП.Цerо момента чеп..рех--
цк I 1: I . . Boro четырехтактвоrо РJrДИоrо двиrатеJП: .,.
IJ.............. опреД СПС.II.IIе yrпoBых. СДВИI1) В про цессо в в II I I: J рах; 6 фаза.. 1JJJ.: 1: j I ,а raрма ни и
с kм O..5; IJ фа.эоВ8JI .ци: , ,а raрМ О8: Я 'КИ с kм::::::.l.O; z фазавв... " : I J I j raрмо ни и
с Ах==2,О
202
Фазовая диarрамма rармониlCИ с моторным индексом k,. == 0,5
Ilриведена на рис. 8.14, б. Фазовые сдвиrи rармоники на кривоши",
Ilax относительно nepвoro: первом AqJo.s(I)==OO; втором A({Jo,S(2)==
== kмAfJ 1 2 == 0,5 · 5400 == 2700; третьем Аtpo.S{з) == k,.A.(). 3 ==
O,5 '1800== 900; четвертом AqJo.S(4)== k,.A.81 4== 0,5. 3600==
...... 1800.
Для этой raрмоники характерно, что AqJo.S(I) =# АСРО.5(2) =1= A({JO.S(3) =1=
l.AtpO.5(4). Такая rармоника называется слабой.
Аналоrично определяется фазова-я диаrр а rарМQНИICИ с МО--
."орным индексом kx== 1,0, приведенная на рис. 8.14, 8. Здесь:
i\({JI.O(I)==Oo; .AqJl, )== k,./!81 2-== 1,0' 5400== 5400== 1800; AqJl.0(3)==
== "мАвl 3== 1,0 -1800== 1800; AqJl.O(4)== Aвl 4== 1,0' 3600==
== ....... 3600 == 00 .
Характерным признаком данной rармоБИICИ JIВЛяется: AqJl,O(1) ==
== .Atpl.c(4) =1= l1({Jl.fC) == A({Jl.o(3)- Такая rармоника носит название сиЛfr
..,
"ои.
НаибоJThIIIyIO опасность при резонансных колебаниях пред..
ставляют rармоНИlCИ, фазовая диarpамма которых показа.на на рис.
8.14, z. В нашем случае такую диarpамму имеет rарМОНИICа с МО"
ropпым индексом kм == 2,0, так как для нее: 119'2.0(1) ::::: 00; Аср2.О(2) ==
::= kz..A8. 2 == 2,0 · 5400 == 10800 == 00; A({J2JX3) == Aвl 3 == 2,0 · 1800 ==
== 3600 == 00; I1lh.0(4) == .Aв. 4 == 2,0 · 3600 == 7200 == 00.
Такие rармониlCИ называются zлавны.мu. Характерным их при--
"JHaкOM является синфазность дейcrвия на отдельных ICpивоmипах:
Ali'2.O(1) == AqJ2.0(2) == Аrp2Ю) == АrpЩ4).
8.7. ЧАСТОТНАЯ ДИArРАММА
КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИй
Наличие информации о совокупности частот собственных коле..
баний системы {соOl} и о зависимости частот моторных rармоник ОТ
ClCopOCТHoro режима работы двиrателя позволяет провести качест..
венный анализ крутильных колебаний.
Эrа задача решается с помощью частотной дuazра.ммы, пред..
ставленной на рис. 8.15.
Здесь по оси абсцисс ОТICJIадываетс.JI частота вращения колен..
чатоrо вала двиrателя ШДВС == nnj30 и ВЫДеш! ТCJI. зона рабо-шх ча..
стот вращения от COrnia х."== "IfЛmj.,, ....JзО ДО o.Jnww к.х== 1rЛraах х.JЗО, rде 1lmin x.J[
минимальное устоЙЧИВое число оборотов минуту коленчатоrо
вала на peжn.lе холостоrо хода; 1lmax JLX r максимальные обороты
.... ....
холостоrо хода по внепmеи СlCоростнои хар8.ICтериствке.
По оси ординат отложеВЫlCруrовые частоты моторных сармо"
них крутящеro момента ro==k,.wдвс и частоты собственных колеба
ний КРУТИЛЬНОЙ системы {roOi}.
203
Ю О ]
k M ==3,5
Р&lб()IIИИ Jlиаl13ЗОН
чаСТ()ТI.1 нраlцения вала
"
....... ......... .....
-................-.-..............l81li-...........................
k ==3
м
....... .-.-. .-.
ro О2
kM==2,5
...... ..... .....
(00 J
"ы ==2
k M ==O,5
--
Мр( З)
(О-
тlп X X
. .
rop(3,,5) Ю р (]) top(2.S) (J)тax )(.11
(t)двс
РиСа 8.1S. Чаcrотва.а .циarpамма к:рутильных Iолеб. : I
Исходя из условий наличия резонанса СОо;== kJпдвc, по такой
диаrpамме можно установить все возможные резонансные режимы
колебаний в рабочем диапазоне частот вращения:
. по одноузловой форме (тод rармопики с kx ==2,5 на частоте
вращения т ,5), а также raрмоникв с k,. == 3,0 на чacrоте вращения
со , ·
Р(].О) ·
. по двухузловой форме (rom) l'армовИICИ с == 3,0 на частоте
вращения т;(3.0);
. rарМОНИlCа с k,. == 3,5 резонирует со всеми тремя присутст..
вую 11 I I на диarрамме частотами собственных колебаний на соот"
ветствующих частотах вращения lCоленчатоrо вала.
С помощью частотной диarраммы возможно:
. установить наличие резонансных режимов крутильных IC:оле
баний в рабочем диапазоне частот вращения ICоленчатоrо вала
двиrателя;
....
. определить моторныи индекс резовирующеи rармониICИ и ча--
croтy вращении двиrателя, при lCоторой будет иметь Mecro резо..
ванс.
,
. с использованием фазовой диаrpаммы резонирующей rapMO"
НИICИ lCачecrвeнво оценить степень опасноcrи Taкoro резонанса (ира..
lCТИЧecICИ опасен резонанс в основном zлавных rармових);
. опевить на rипотетичес:ком уровне меру опасноcrи резонанса
по моторному индексу резонирующей rармонИICИ (чем вьппе k,., тем
.
204
() rносительво меньше амплитуда M kм rармовики и тем менее опа..
сев резонанСНЫЙ режим колебаний);
. определить форму резонансных колебаНИЙ вала и, следовате..
JlЬНО, выявить наиболее опасный есо участоIC.
8.8. ПОТЕРИ ЭНЕРПШ ПРИ КОЛЕБ
Рассмотрим crPYlCтypy уравнения, описывающеrо своБодныe ко..
Ilебания КРУТШIъвой системы относительно ОДНОЙ из обобщенных
..
координат: J/J i + Ci«(}i
()i+.)
Ci
l(lJi
1
(}д==O.
По физической сущности спarаемые, входящие в уравнение,
представляют собой:
..
М ив == J,.fJ, инерциоННЫЙ момент;
Myup==[C;{()i
(}i+.)
C'
I(lJi
1
(),)] упруrий момент деформиро--
. ....
оанноrо z..ro учаcrка крутШIЬНОИ сиcrемы..
С учетом этоrо уравнение движения может быть записано в виде
МIIR+Мупр==О.
Отсюда следует, что МIПI==Мупр и соответственно равны работы
инерционноrо и упруrоrо моментов L.н == 4щ,.
Если такая система совершает вынужденные колебания, то
Мив+Мупр==М-шб, сде Мвmб==М i момент, возбуждающий ICоле..
банки.
В силу тосо что М_==Мупр, возбуждающий момент вносит в си..
стему энерrию L. оэб , lCоторая ничем не компенсируется и приводит
к бесконечному росту амплитуд колебаний элементов крутильной
системы: {А'}....... 00. На праКТИlCе такое явление не наблюдается в си..
лу Toro, что амплИТУДЫ yr ловых колебанИЙ оrраничиваются воз..
никающими при колебаниях потерями энерrии (в основном ЭТО
потери на трение).
При наличии колебаний с потерями энерrии в уравнение момен"
rOB 'необходимо добавить момент сопротивления М wпр , ICоторый
учитывал бы необратимые потери в системе: М_+Мсопр+Мупр==
==М. mб . "
С учетом тосо, что МIПI==Мупр, Мwпр==М amб . Это означает, что
при колебаниях работа внешних сил L.,МJ затрачивается на пре..
одоление работы неуnpуrиx сопротивлений в системе
, если
частота и форма вьшужденных колебанИЙ совпадают с частотой
и формой собственных колебаний. Это условие, фактичесlCИ обес..
печивающее выполнение равенства МIUf==Мупр, при совершении
системой вьшужденных lCолебd.НИЙ выполняется для систем без
expert22 для http://rutracker.org
205
...
потерь и в значитеЛЫIОИ мере ДЛЯ систем с НИЗICШd их уровнем тем
в большей степени, чем выше <<добротность) колебательной свете...
мы. Следует особо отме.rи..-ь Сllраведливость данноrо утверждения
только для случая вынужденных резонансных колебаний.
Основ .1. I I факторами, вызывающими потери энерrии при ко..
лебаниях в крутильных системах двс, являются переменные СШIЫ
ЖИДICостноrо трения в подшипниках и в сочленении поршенъ ци
JIИНДр, пропорциональные скорости относительноrо перемещения
..,
СОПРJJЖенвых детален, а также силы внутреннесо трения в матери..
але коленчатоrо вала (упруrий rистерезис), зависящие от aмnлитy
'"
ды yrловых смещении ero элементов
В две вследствие не60льшоrо объема вала потери энерrии на
внутреннее трение относительно вевелиПl. Поэтому при практичес--
ких расчетах полаrают, что момент сопротивления пр ОП oРЦИОН ален
.
скорости колебаний: М оопр == l;lJ, rде коэффициент демпфирова
ПИЯ, УЧИТЬШaIOщии все ВИДЫ потерь.
Значение , расчету не поддается и определяется на основе стати..
стичесхих экспериментальных данных по коэффициентам демnфи..
"" "
ровавия дли двиrателеи авалоrичнои ICОНСТРУIЩИИ.
для порmвевых двиrателей lдовлетворителъные результаты дa
ет формула 8идлера ,==O,79p.D r 2 i, rде D диаметр цилиндра, см;
.
r радиус кривошипа, см; I ЧИСЛО ЦИJШНдров, оnирающихся на
одно колено; J..t == 0,015. - .0,02 для автомобильных двиrателеЙII
С учетом момента сопротивления, а также принимая 80 внима..
вне, что при расчете параметров IcрутиJlьных колебаний учитывают..
""
си только резонансные режимы, уравнения движения ICрутWIЬНОИ
системы пр I:I мают вид
Система п (i== 1, 2, З, ..., п),
.. .
J/l,+ ,0,+ CJJJ, вHд C' l(lJi l Од ==MkM sin ( двct+ fPkMQ).
Тахим образом, введение в систему уравненИЙ момента сопроти..
... ""
Бпения, пропорциональноrо скорости, оставляет ее линеивои, а не..
....
ВЫСОПlИ уровень неупрyrих потерь предопределяет практическую
идентичность частот и форм вьшужденных резовансныx и собcrвен"
вых колебаний КРУТИЛЬНОЙ системы.
В этом случае при резонансе относительно всех обобщенных
координат имеют место простые rармоничесПlе колебания с часто
той kмroдвс == йJO и с одинаковой фазой }'kм, Т. е. все инерционные
элементы ДВИЖУТСJJ синфазно и одновременно достиrают максиму
w
ма и :минимума уrловых смещении.
Решение системы ДЛЯ данноrо случая имеет вид
....
Сиcreма п (i== 1, 2, З, ..., п)
()i А:' sio (kJ1Jдвct + }'ъ,J.
.
206
Основное отличие данноrо решения L
()Т решения для системы без потерь
состоит в том, что за счет рассеивания
Jнерrии aмruIИТУДЫ смещения по СООТ...
IJетствующим lCоординатам А? будут
меньше. Сдвиr фаз не определяется oд
Ilозначно фаза:ми rармоник моментов
113 отдельных кривошипах и зависит от
u
){иссипативных своиств и режима коле..
баний системы.
В крутильной системе lCоленчатоrо
11 ала, как и в любой колебательной
системе с ВЫСОКОЙ (<Добротностью»,
вследствие идентичности форм со..
бствеlшых. и вьmуждеlшыx резонанс--
IIыIx колебаний работа возбуждающих
моментов равна работе моментов сопротивлении. Это позво--
яет существенно упростить процедуру определения RМIL1IИТУД
Jакрyrки системы по отделыпdM обобщенным КООрДШIаТRМ. Для
Toro Moryr быть использованы формы свободных колебаний,
построеlШЫе в относителъlПdХ амплитудах, а нормирующая амп"
1ШТУда А r определяется из равенства L.oэб == , как это показапо
Ila рис. 8.16.
L 1\0з6
LCOJ1p L возб
А.
I
Aj
Рис. 8.1 б. Определение ампли...
туд колебаний элемеиrов кру..
'"
ТИJIЬНОИ системы с малым уро.
нем веупрyrиx потерь
8.9. РАБОТЫ ВОЗБУЖДАЮЩИХ
МОМЕНТОВ ПРИ РЕЗОНАНСЕ
Работа резонирующей rармоники с MoTopным индексом
kм. и с периодом TkN. == 21t/k...wдвс на M кривошипе:
TIcм
Laoэli(l) == м k(Jp ,
о
r де Mk(i) == M kм sin (k..wдвс t + СРЬ(О); (); == АТ sin (k двсt + }' .
в результате подстанОВICИ имеем
Ть.
L.a.ю(i) == м kмAT sin (k,.roдвс t + lpkъrti)} d [sin ( двct + }'k,..)].
о
После интеrрирования
L.mr,(i)== пMЬ,.A sin (l/Jkм(i) J'kN.).
207
Су:ммаРНaJI работа 11():lбуждающеrо момента на всех N жри..
вошиnах
..
N
L.mб{Т.) == L L.rnб(.) ==
i-I
== пМ kм
N
L А., sin (fJkм<.lJ
i-I
2 N
+ L Ar cos ({JkM(i)
i 1
2
· sin ('Yk 14 Фkм)'
..
еде '" kx == arctg
N
L Ar sin lfJk i)
i-I
N
L АТ COS lfJVr)
i 1
.
Тах как при резонансе величина работы достиrает максимума,
что имеет место при (ytм ФюJ == х/2, то в этом случае работа B03
буждающих моментов равна
...
2 N 2
+ L ar cos qJkJi) ·
i-I
L.oэб(r.) == хМ kмAf
N
L ar sin fl'1tм(i)
i-l
8.10. РАБОТА МОМЕНТОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Работа момента сопротивления на j"M кривошипе за период
колебаний Tk M равпа
Tkм
I) == Мсопр(i) dO;, rде МаJПр(i) == O;;
о
.
()i == Ar sin ( двсt + 'YroJ; о; == двсАr cos (kJfJдвct + 'YnJ.
Отсюда
Тю.
I) == kxroдвc(Ar)2 cos (k,.wдвct + 'Y.tм)d [sin (k..wдвct + 'Ykм)] и
.,.
о
Lсопр(i) == п,kмroдвс(А'f)2 ·
208
Суммарная работа моментов сопротивления на всех N КРИВО--
шипах:
N N
) == L 4.опр(ij == 1t kм«J двс(А t)2 L (й.*)2.
i- 1 i- 1
8.11. ОПРЕДЕЛЕIШE ТУ Д
yrловых СМЕЩЕНИй ЭЛЕМЕНТОВ
КРУТИЛЬНОЙ сиcIЕмыI
в соответствии с припятым допущением при резонансе L-пб ==
==4.0пр, откуда амплитуда смещения по первой (<нормирующей»
координате:
Mk,.
A .
1 ....--.
N 2 N
L аТ sin tpA:м(.) + L аТ cos tpb(i)
;:81 i-l
2
N
kмШдвс L (aT'f
i-I
.
Действите.лъвы:е амплитуды ВLШуждеввых yrловых lCолебаний
остальных масс определяются умножением на Ar относительных
амплитуд.
8.12. ОПРЕДЕЛЕIШE НAIIPяжЕНИй
В ЭЛЕМЕНТАХ ВАЛА ОТ крутильныIx
КОЛЕБАНИй
Дополнительные напряжения скручивания, возникающие в :ко..
ленчатом валу ОТ резонансных крутильных колебаний, определяют
ся по упрyrому моменту в наиболее напряженном ero участке:
1" == Мупр/W о , еде М упр == C i [At А4 J наибольшее значение упрyrо
ro момента (обычно это упрyrий момент на участке с узлом колеба
пий); C i крутильная жесткость i ro расчетвоrо участка системы;
A't, A I амплитуды yrловых смещений по обобщсввым коор--
динатам, оrраничивающим расчетный участок; W o .Ar..... момент со..
противления скручиванию расчетноrо участка вала.
209
8.13. СПОСОБЫ умЕныIlEния ТУ Д
ВЬПlYЖДElП-IЫХ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИй
Если результаты расч rа параметров крутильных колебаний
lCоленчатоrо вала, подтвержденные экспериментальными исследова..
НИЯМИ, показали, что они нарушают работоспособность lCонструк"
ции двиrателя, необходимо устранить их веrативные последствия
ОДНDf из следующих способов:
....
. для четырехтактных двиrателеи, у которых имеется вecIcолысo
возможвых вариантов порядка работы, неоБХОДИМО выбрать тот из
НИХ, который обеспечивает фазовые соотноmения возбуждающих
...
rармонИIC на кривоmиnах, дающие наименьшие значения равнодеи...
....
crвующеrо вектора относительных амплитуд смещении:
N
* .
L а, SlD t{J1cМ<i)
i=-I
2 N
+ (ar) COS t{Jk,.{.)
i-I
2
.
....... mln;
. изменить конструкцию lCоленчатоrо вала с целью повьппеВИJI
частоты собственных колебаний системы и вывода резонансвоrо
режима за пределы рабочеrо диапазона частот вращения; этому
способствует уменьшение моментов инерции ПОДВИ · :1. t элементов
жривошипно--шатунноrо механизма, а также ПОВЬШIение КРУТШIЬНОИ
жесткости lCопенчатоrо вала; ..
. если указанные мероприятия не дают желаемоrо результата
или не MorYT быть практически осуществлены, на коленчатом валу
устанавливаются специальные zасители крутильных колебаний.
По способу воздействия на крутильную систему lCоленчатоrо
вала rасители делятся на два типа: 1) rаситепи без поrлощения
:колебательной эверrии системы маятниковые (динамичесICИе) ra--
сители, или антивибраторы; 2) rаситепи с частичным поrлощением
и последующим рассеиванием в окружающую среду энерrии ICpy
ТИЛЬНЫХ колебанИЙ демпферы _
rасители первоrо типа работают по принципу «расстройхи»
резонансной системы вала. Поэтому они эффективны только в уз--
ком диапазоне частот на одном режиме работы двиrателя (резо-
нансный режим). На осталъныx режимах они l\IIaJIоэффек:тивны
и MOryт даже, наоборот, интенсифицировать колебания lCолен
чатоrо вала. Вследствие этоrо они ПРИl\+lен.яются в ОСНОВНОМ в ста..
ционарных двиrателях, работающих на посто.янном скоростном
режиме.
В rасителях BToporo типа дополнительное поrлощевие энерrии
колеба :. .: осуществляется за счет увеличения cyxoro трения в сиcrе
ме (zасители cyxozo трения), либо за счет ЖllДlCоcrноrо трения
(zасители жидкостноzо трения), либо за счет BHYTpeHHero моле:ку
.
210
1
2
а
б
Рис. 8.17.. Схема rасителей крyrильиых колебаний:
а молекуп.арвоro "l'pCRИg; 6 'JR"II{ДКОСтно rо трсии-; 1 иверцио RRый элем ент ; 2 УПРУI d
элемент; з ' II' B ввпо I:I '.
лярноrо трения в материале упруrоrо элемента rасителя (резиновые
zасители). Схема наиболее распространенных в автотракторных
двиrатеnяx rасителей ,М,олекулярноzо и жидкостноzо трения прине..
дева на рис. 8.17.
rасители колебаний BToporo типа уменьшают амплитуды к:py
тильных колебаний при любой ч:астоте вращения двиrателя, BKJD<r
чая и резонансную. Поэтому демпферы нашли широкое примене..
ние на мноrорежимных двиrателях, в частности на автотрактор--
ных.
.
8.14. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ изrиБных
КОЛЕБ колЕнчАтыIx ВАЛОВ
в современных двиrателях впутреияеrо сrорания IC числу дина..
мических явлений оказывающих заметное влияние на работоспосо--
бность конструкции, следует отнести изmбные колебания lCолен
чатоrо вала. При этом элементы вала периодичесlCИ смещаются
дрyr относительно дрyrа в направлении, перпендикулярном про..
U I
ДОПЬНОИ ero оси.
211
Это ивление ПРИВОДИТ к возникновению дополнительных эва..
жопеременвых изrибающих IlапряженИЙ в элементах коленчатоrо
-."
вала, что в ряде случаев мажет ЯВЛЯТЬСЯ причинои ero поломки.
Для большинства существующих две ВЛИ.I:I е изrибвых коле..
баний на их работоспособность не существенно; их дейcrвие стано..
вится заметным лишь в в ЫСОКО форсир О ванных быстроходныx дви
rатеnяx. Поэтому в настоящее время проблема иэrибных колебаний
является сравнительно вовой ДЛЯ двиrателестроеви.я, чем и объясни..
етСJI малая изученность этоrо явления.
Основной причиной возникновения изrибных колебанИЙ в по
ршневых две является взаимодействие радиалъnыx составляющих
... "....-
rазовои и инеРЦИО:1 :1..' СИЛ С ynрyrои сиcrемои lCоленчатоrо вала.
Это обстоятельство позволяет отнести их к :катеrории вынужденных
колебаНИЙ, параметры lCоторых определJllOТСЯ СОDОКУПНОcrью ча..
crOTВЫX характериcrиlC СШ10воrо фактора и упрyrой колебательной
системы. НиЗКИЙ уровень необратимых нeynрyrиx потерь в изrи(5..
вой lCопебательвой сиcrеме lCоленчатоrо вала позволяет наделять ее
всеми свойствами систем с высокой «добротностью». Такими же
свойствами обладает крутильная система J(оленчатоrо вала, поэто...
му анализ изrибных колебаний возможно реализовать методичес:ки
аналоrично с анализом колебаний крутильных.
Так, силовой фактор, возбуждаюЩИЙ изrибные lCолебавия,
сила К, направленная по радиусу кривоmиnа, является ФУНlЩией сил
Pr И Р] И изменяется по сложному периодическому закону с пери..
одом T=="t1t/ro (рис. 8.18), rдe 't коэффициент тактвocrи. Ero
частотную характеристИICУ возможно определить разложением
в ряд Фурье аналитичес:ки ИЛИ rpафичесlCИ эаданноrо закона измене..
ния силы К по времени. Эта процедура методически поnвостью
аналоrична аппроксимации триrонометрическим полиномом ире...
меннбй фymщии крутящеrо момента при анализе :крутильных :ко..
лебаний и сводится IC определению совокупности амшштуд {14:}
и фаз {CPk} rармовиIC силы К:
00 I 00 2
K(t)== + L Кksin k21t +tpk ==Кq,+ L Кksin krot+qJk ,
· k-l Т k-l
rде k== 1, 2, 3, ..., 00.
Коленчатый вал преДСТ8.Вляer собой упрyrую мноrоопорвую
изrибвую систему, которая имеет множество форм и соответству..
ющих им частот собcrвeнных колебаний {roo}.
кшс и в случае крутШIЬИЫХ ICолебаний, задача определения {roo}
решаетс-я с использованием упрощенной ЭlCВивалевтной lCолебатель--
вой сиcrемы. Условия приведения действительной изrибвой lC.олеба--
.., ...
тельнов системы I(оленчатоrо вала IC ее динамически ЭlCвивалевтнои
замещающей модели те же равенство в любой момент времени
212
I
I
I
.
I
I
I
r
1
11
111
IY
v
VI
М 1
М 2
М]
Ms
М6
C 1
С 2
С]
С 4
C s
Cfj
Рис. 8.19. Эквива.леВТII8JI схема изrибиой сиcreмы J[оленчатоrо вала
кривошипов по центрам шатунных шеек силой Р с замером проrиба
Yi ПОД ТОЧКОЙ приложения вarрузlCИ. Затем определяerся жестхость
на изrиб всех участlCОВ системы: C, P/Yi-
При расчете эквивалентных масс учитьшаются все подвижные
массы КШМ, относящиеся .к сходственному учаспсу действительной
системы.
После определения параметров эквивалентной расчетной моде..
JШ {тi} и {C i } производится расчer частот собственных колебаний,
метОДИJCа KOToporo базируerся на следующих допущениях:
. неупруrие потери при изrибных колебаниях отсутствуют;
.... w u
. lCаждыи участок ЭICВивалентнои расчетнои модели динамичес..
ICИ обособлен.
С учетом принятых допущеНИЙ собственные колебания ЭlCВива..
..... ""
певунов модели описываются системои п независимых однородных
линеЙНЫХ дифференциальных уравнений (п количество участков
расчетной модели):
Система п (i== 1, 2, ..., п),
tf2 Xi
т ' +с.у.==о
dt 2 YWI ,
214
.
I де I номер расчетноrо участка; х,
....
IIОИ массы.
Решение этой системы извеcrно:
. ....
смещение I"И сосредоточен--
Система п (i== 1, 2, ..., п),
Х; == А ; sin (ClJo;t + qJi),
I де ШОi И ср, соответственно частота и начальная фаза собствев
IIЫX изrибных колебанИЙ i..ro участка.
После подстановlCИ дRнных решений в исходную систему уравве..
"ИЙ получим множество частот собственных ICолебаний системы,
соответствующее количеству ее участков:
Система п (i== 1, 2, ..., п),
с-
I
Woi ==
.
тi
в настоsпцее время отсутcrвуют достоверные методы, позволи..
IОЩие до ICонца провеcrи расчет :коленчатых валов две на изrибные
колебавия, Т. е. определить aмшmтуды смещений отдельвых участ..
ков вала при резонансных изrибных :колебаниях ero :КОНстрУКЦИИ
и рассчитать ДОПОJШительные напряжения 8 ero элементах. Сущест--
вующие методиlCИ позволяют ЛИШЬ оценить возможность возник..
новени.R в упрyrой системе вала резонансных изrибных колебаний
в пределах рабочеrо диапазона скоростных режимов работы двиrа..
rели, в СВЯЗИ с чем расчет оrраничиваетс.R определением МIIож:еcrва
частот собственных колебаний {ClJш} и последующеrо их сравнения
с частотами [(2/"t)kro)] ocHoвных (наиболее энерrонасыщенных)
rармоНИlC возбуждающей изmбные колебания силы К (обычно это
rapMO .BI:. С k== 1...12) на предмет выявления возмо:жноrо резонан
са. Условие oтcyrcтвия резонансныХ изrибных колебаний при
этом
COoпuQ > 6( п1tmaJзо),
rде ШOmin наименьшая из множеcrва п частота собственных коле..
баний; '1m1t... ма.ксималъно возможная рабочая частота вращения
коленчатоrо вала двиrателя.
Принципиальво выполнения этоrо условия возможно добиться
двумя способами:
. применением автономвых rасителей колебаний;
. повышниемM минимальной частоты собcrвеввых колебаний
системы lCоленчатоrо вала. I
215
ПервЫЙ способ не нашел mирОlCоrо практичеClCоrо применении
в поршневых транспортных двиrателях в основном вследствие кон...
струхтивной СЛОЖНОСТИ И ВЫСОКОЙ СТОИМОСТИ rасителей. Поэтому
в транспортных и, в частности, в аитотрапорвых двиrателях невы..
полнение сформулированноrо выше условия отсутствия резонанс..
ных изrибных колебаний воспр I:I мается как сиrнал IC: необходимо..
crи ПОВЬШIеНИJI roOmin :в ОСНОВНОМ посредством увеличения изrибной
:жесткости соответствующеrо кривошипа. Этому способствуют:
"
. применение в lCонструIЩИИ двиrателеи полноопорных колен--
чатых валов;
. увеличение переlCрЫТИЯ шеек ICоленчатоrо вала;
..,
. уменьшение опорвои длины ICоренных и шатунных шеек при
одновременном увеличе .1 I их диаметра.
8.15. КОЛЕБАНИЯ корпусныIx ДЕТАЛЕй две
Корпус двиrателя :как базовый элемент ICОНстрУКЦИИ подвержен
воздейcrвию интенсивных периодичесlCИX нarpузоIC, способных вы..
зывать ЦИlCлические деформации ero элементов. Ках и любая уп..
рyrомассовая сиcrема с распределен :1. I 1. параметрами, он облада--
er бесконечно большим количеством частот и соотвeтcrвующих им
форм собственных колеба :1 1'; (ФСК). В случае совпадения одной из
них с частотой изменения силовоrо фактора, воспривимаемоrо
корпусом двс, амплиТУДЫ деформации ero КОНСТРУIЩИИ MOryT
достиrать звачений, сущеcrвевво ВЛИЯЮЩИХ на УСЛОВИЯ работы
двиrателя. Они MOryт стать причиной нарушений нормальной рабо--
ты механизмов и систем двиrателя, вызывать дополнительные на--
пряжения в деталях ДВС, увеличивать потери на трение и ИЗНОСЫ
сопряженных подвижных элементов двс, ухудшать ero уравнове..
юенность.
КОНСТРyxдиJ.lкорnyса таким же образом влияет на виброа.кусти..
чеспе характериcrики двиrателя.
При доведенных по акустическим показателям системах rазооб..
-... -..
мена основная доля излучаемои двиrателем ЗВУКО80И энерrии при...
ходится на структур :1. .'r шум, возникаюЩИЙ В резуль тате lCолебаний
варужных поверхностей lCорпуса двиrатеЛJl. Качественные и ICоличе...
авенные показатели crpуктурпоrо шума двиrатеЛJl определяются
сочетанием чаcrотно"энерrетичес:ких характеристик силовых факто..
ров и колебательных мехавоахустичесхих характериCТИl( КОНСТРУХ"
11 I lCорпуса. В ЭТОЙ ситуации принципиалъно возможно воздей..
ствовать на интенсиввоcrь колебательных процессов в lCорпусных
элементах две двумя способами: изменением энерreтических хара..
nepистик силовых ф8.IC1'Oров, их вызывающих; рационализацией
упрyrомассовой колебательной системы ICорпуса. Наличие болъmо
.
216
ro числа СИЛОВЫХ фпторов, возбуждающих IолебанllJl в структуре
две (все процессы: в двиrателе, сопровождающиесJI соударениими
между элементами, rазовые нarpузlCИ на детали, формирующие
пнутр : 111 линдровое пространCfВО, и т. д.) и обладающих сопоста
Dиldыи спеlCТpально энерrетическиldИ харахтеристихами, делает
IIрarrичecIOl более целесообразвым второй путь изменение коле..
бательных свойств lC.орпусных деталей. Это позволяет OДROBpeMeH'"
..,
110 воэдеиствовать на интенсивность всех источников crpyrrypиоrо
Iпума двиrатеЛJl.
Методы lCонструхтивноrо управления частотными характери..
стик:ами деталей две с целью CНЮICеНИ.JI ero cтpyктypHoro шума
СВОДЯТСJI в осповном :к целенаправленному изменению J:OHCТPYX--
....
ции отдельных элементов корпуса, имеющих высохни уровень
колебаний, с целью оптимизации их ynpyroMaccoBLIX характери
стик: путем перераспределения металла и ввода в нее ДОПОJШИтель..
НЫХ элементов. Предпочтение при ЭТОМ ДОЛЖНО отдаваться тем из
НИХ, которые обеспечивают оптимизиацию колебательных
свойств корпусных деталей без увеличеНИJI их rабаритов, массы
и стоимости.
При исследов. .Ia колебательных харarrеристих ..корпуса ис
пользуются два метода: экспериментальный. и расчетный. На
стадии разработки и акустической ДOBOдm конструкции более
целесообразно использование расчетноrо метода, позволяющеrо
,
миним:изироватъ материальные и временные затраты за счет
замены трудоемких и дороrостоJIЩИХ натурных виброахуcrичес..
ких исследовании конструктивных вариантов численными эхе..
периментами.
На прaICТИlCе при расчетном анализе колебательных явлений
8 lCорпусных элементах две наилучшие результаты дает метод
lCонечно..элемевтноrо моделирования.
Основные пр 1: I пы построении lcонечно--элемевтных моделей
(КЭМ) для задач виброахустихи существенно отличаются от ис
пользуемых при прочноствых расчетах и СВОДJIТСJI IC следующему:
1. При решении задач исследования ДИНaмиICИ деталей две
необходимо учитывать то, что при использовании КЭМ существев
НО увеличивается время расчета по сравнению со crатИlCОЙ. Здесь
следует четко соотносить lCонечные цели исследовании с необходи--
мой точностью и качеством получаемой информации.
2. Степень дисхретизации КЭМ деталdi две для исследов3.НИJI
их колебательных харахтеристИIC по сравнению со crатикой должна
быть существенно Meвьme, но достаточной для получения первых
10 15 МОД собственных жолебаний.
3. С целью уменьшения времени численноro эжсперимента ДЛJI
подробиоrо исследования СВОЙСтв отдельных фраrментов детали
необходимо создавать частвы.с модели. .
217
С учетом рассмотренных выше особенностей моделирования
колебательных хара.хтериcrИIC корпусных деталей две целесообраз..
во использовать ДЛЯ расчетных экспериментов обобщенные КЭМ
....
детален двиrатеЛJI.
Основная идея обобщевных КЭМ 38.ICЛЮчается в следующем.
В силу реryлярности конструкции вначале целесообразна разработ
ха обобщенной КЭМ секции rипотетичесжоrо двиrателя. Затем она
трансформируется в lCошсретвую lCонструхцию С необходимым хо..
JIИЧеством ЦИЛИНДРОВ.
В качестве примера ниже приведем результаты исследований
1C0лебательных харахтериCТИIC V образвоrо дизеля 8Ч 110/115.
В результате расчетов по данной модели в диапазоне частот
100...2500 rц выявлено более 40 форм собстве :1:1. Х колебаний. их
систематизация ПОЗВОляет выделить три основных типа форм соб..
а
z х
Pвc 8.20. Форма собствс :I:I Iолеб :I -r системы {(БЛОК--Iартер ::......... коneвчатый В8.JI»
11 : к.. . 8Ч 110/11S на частотах:
tJ ----417 rц; 6 72S rQ
.
218
ственных колебаний БЛОIC I(артера: кручения и изrиба всей KOHCTPYIC
ЦИИ, а та:кже изrибных колебаний ее отдельных элементов.
Формы собственных lCолебаний, соответствующие колебаниям
всей констр ,. I I , зареrистрировaны в диапазоне частот 300...650 rц.
Если низшие формы соответствуют ICручевшо ВДОЛЬ ОСИ колен..
чатоrо вала, то ДТlЯ ФСК более высоких порядков xapuтepHO
кручение отдельных рядов блока цилиндров относительно верти
...
каЛЬБОВ оси pJIДa.
Частоты изrибных колебаний всей crpyrrypbl блок картера
располаrаются в диапазоне 1000...1250 rц. Формам собственных
колебаНИЙ на нижней rpанице данноrо интервала частот соответ..
ствуют синфазные колебания рядов блока цюшндров. С увеличе
нием чаcrоТLI имеют место ФСК с колебаниями рЯДОВ в проти..
вофазе.
Собственные ICолебания ОТДельных элементов БЛОIC ICартера пра
ктичесlCИ охватывают весь звуковой диапазОН. В низкочастотной
облаcrи преобладают акустически наиболее активные ФСК мемб--
ранноrо типа, совершаемые наружными панелями блоlCОВ ЦИЛИНД8а
РОВ. С увеличением частоты отмечаются ФСК боlc.овых стенок
и развала, имеющие узловые линии в местах соединении стеши
с переrородlCами коре: 1: 1. Х опор при различных фазовых соотноше...
w
ниях по чередованию пучностеи. .
НаибольШИЙ прахтич.. .: интерес представляют НИЗlCочаcrот--
вые ФСК переrородох lCоренных опор, которые MorYT ЯВЛЯТЬСЯ
причиной нарушения нормальной работы узлов ПОДШИПНИICов K<r
peнных опор lCолевчатоl'О вала.
Более приближенными J( условиям реальной работы в двиrателе
являются расчетные исследования по оценке характеристик lCолеба..
тельной системы «БЛОIC картер ICоленчатый вал».
На рис. 8.20 8.22 представлены хараперные ФСК системы
в диапазоне частот 200...2500 rц.
Формы собствеввых колебаний, соот:вeтcrвующие колебаниям
... "
кручения вееи конструкции рассматриваемои системы, отмечены
В диапазоне 200...650 rц. у пизmих форм превалИРУе1' жручение
ВДОЛЬ оси коленчатоrо вала, а для ФСК более BblCOICoro порядка
харахтерво кручение отдельных рЯДОВ блоu. " . вдров O"Iвосите-
..,.
льво вертИICaJIЬНОВ ОСИ рида.
собствевныe изrибные колебания всей конструкции расположе-
ны в диапазоне 700...1000 rц. Здесь имеют место ФСК как с синфаз
ными колебаниями рЯДОВ блока ЦИЛИНДPUВ, так и с колебаниями
в противофазе.
Изrибные ФСК отдельных элементов БЛОIC ICартера подобны
колебаниям мембран, rpaницы которых армированы переrОроДICа
ми и ПРОДОЛЬНЬUdИ плитами. Наиболее интенсивные изrибные коле..
б 4 :I · lCоленчатоrо вала имеЮ1: место на частоте 1048 rц.
219
у
.........
r\
L
J '
/
f , ...
./ Airf. ,, :;8111 :::;.....IIi
\ .... 11 1::.............:
\ \ \ ;- );;
r \ k
\
\V \
\ \ .. ' А.l
.кт "
'f \ f 1
.. . ..,
1\ \ I' ...... -. ,
"{ \ V
\ .у , 'v ......
"'">;: ' ....
\ 1"'" / .....
JI .........
'D L
а
х
{l
б
,.
б
х
Рис. 8.21. Форма собствеивых колебаний
сиcrемы «блоК....КарТер :коленчаyый ВЗJD)
ДВЗeлJ[ 8Ч 110/115 на частотах:
а 733 rц; 6 970 rц
Рис. 8.22.. Форма собcrве :I:I t коле ба..
вий системы «блок"картер к:оленча..
тый BaJD) ДИЗeлJI 8Ч 110/11 S на частоте
1048 rц:
а ВИД '"Н м;у; 6 аид сбожу
Вьmолнениый анализ позволяет преДЛОЖИТЬ lCонхретные "ОВСТ..
руктивные решения, направленные на снижение виброахустичесхой
активности бло:к картера и ero отдепьных. элементов. Очевидна
целесообразность введения продольвых ребер жесткости на наруж
ных поверхностях развала бпоlC картера. Значителъ:,. I эффект МО"
жет дать СВJIзка рядов 11. а.дров ПО торцам блока.. Желательно
повьnпение :жесткости боковых стенок картера в месте ero cтыlcвпI
с ма:сл 11:1. I ПОДЦОНОМ, что практически возможно при использова..
: 1 1: системы, объе.ll 1: ЯIOщей IфЬППКИ всех :коренных по I 111 11: 1 КОВ
двиrателя.
.
МЕ
rЛАВА 9
3М r АЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Механизм rазораспределения (МП) сооремеПlIоrо aвтOTpaктo
НОСО две JlВляется одним из ключевых у.стройcrв, функциональное
Ilазвачение и ICОНстрУКЦИЯ ICOToporo во мноrом предопределяют
[ехничесuй уровень и потребительские свойcrва как caмoro двиrа..
rеля, так и Bcero TpaнcnopTBoro cocraвa в целом.
Еще в недавнем прошлом, формулируя требования IC функци..
овальным качествам MrP, достаточно было отметить необходи--
МОСТЬ обеспечения поступлении максимальной массы свежеrо зар-я...
да в цилиндры двиrатели на одном из характервых режимов ero
работы. Механизмы управления процессами rазообмена в совре--
мевпых две выполняют более DШроJCИе фуmщии И, в частности, все
8 большей степени участвуют в формировании внешней скоростной
характеристшси (оптимизация напОJIНенИJJ на нескольких режимах
или во всем рабочем диапазоне чаcrот вращения ICолевчатоrо вала)
и управле: ш : нarpузочвыми режимами еro работы (реrулирование
мощвocrи двшателя). ФyвICции управлemul работой двшателя МПJ
приобретает при использовании в еео ICонcrpyfции устройств ynpa
пления фазами rазораспределения и реrулирования высоты подъема
клапанов.
В современных четырехт8Jcтвых двиrателих примевяют клапан...
...
ные мехавизldы rазораспределеНИJl, характеризующиеСJl простотои
'""
ковструхции, малои стоимостью изrотовления и ремонта, хорошим
уплотнением ICамеры сrорания и надежностью в работе.
9.1. конcrРУКТИВНЪIЙ ОБЗОР
в MrP современных двиrателей ИСПОЛf-",.jУЮТСJJ исключительно
механизмы С расположением lCJIапанов в rоловICe ЦИЛИНДРОВ (вepx
неlCЛапанные механизмы). Их конструктивное мноrообразие опреде...
ляетС.R следующими отличительными признаlCами:
. количеством lCЛапанов на ОДИН цилиндр;
""
. системои размещения lCЛапанов в соловке цилиндров;
. способом привода I01апанов;
221
. количеством и расположением распределительных валов;
""
. к:овструкциеи привода распределительных валов;
. способом и lCовструхцией устройств изменения фаз rазорасп.w
ределения и подъема клапанОВ.
Традиционные двухклапанные lCовcrрухции Mrp (рис. 9.1) с од..
ним впускным и ОДНИМ въшускным клапанами на цилиндр в со--
временных lCонcrpукциях две применяются сравнительно редко.
Клапаны при этом располаrаются: ВДОЛЬ оси rоловlCИ цилиндров
и MOryт либо чередоваться (рис. 9.1, а), либо располarатъся попарно
(рис. 9.1, 6); одноименные lCЛanаны мосут Т3.lCЖе нахОДИТЬСЯ в ОТ--
дельных рядах относительно оси блока (рис. 9.1, в). При выборе
CXCМhI размещения клапанов D расчет принимаюТСИ следуюшис
праlCтичесlCие соображения:
. возможное исключение зон rоловlCИ цилиндров с контраст..
ными температурами (зоны 1 и 2 на рис 9 IJ Б J в);
. упрощение технолоrии изrОТОDлении rоловIШ за счет 06ъеди'"
пения каналов одноимевных систем rазообмена.
В современных двиrателях наибольшее распространение получи..
ли трех.. и четыреххлапанные механизмы (рис. 9.2, а, 6). На некото"
рых моделях находят применение пят:и:клапанн.ые (рис. 92, в) и в по..
рядке эксперимента (фирма «Maserati») шecrиклапа.нные. Увели..
чение числа lCЛапанов до четырех на цилиндр позволяет повысить
суммарную площадь прОХОДНЫХ сечении rорловин, уменьшить ra..
бариты и массу lCЛ8.IIанов и элементов их привода, что способствует
снижению инерционных вarpузоlC на детали механизма rазорасп..
ределения. Расположение клапанов в rоловке двиrателя представ--
лево на рис. 9.3. Следует заметить, что увеличение количества
2
2
....
а
б
в
Рис. 9.1. Расположение двух клапанов на DДНИ ци I 1: I . отвосиreльво прОДОЛЬНОЙ осв
блока ци I I: I .ОВ:
Q В f C:f С И JI . ,. _:,. С IOl8. П .-ерсДУЮТСJl; 6 то же, располо жены попарно; . ДВYXPJIД"
ВОС располо аС.tlJiе ЕЛапанОВ
.
222
а
.
.
I
б
в
Рис. 9.2.. Расположение IЛ8Павов МIIоrож.ла I : ;.: J J механизмов относительно про...
ДОЛЬНОЙ оси блока 11: I 1: I .ОВ:
а ............. четыре ЕЛаП&ва; 6 ............ три :, '. а; . пsть OB
клапанов на цилиндр вьпnе четырех при размеще :I I центров OTBe
""
стив rорловин на окружности, концентричнои перим:етру ЦИJШндра
(рис. 9.2, 8), не вcerда сопровождается ростом f"h (:как правило,
(и при ЭТОМ заметно с :I H аетс.и).
При выборе ICОНстр)'ПIИи привода lCЛ8JIанов при прочих равных
условиях предпочтение отдается тем из НИХ, жоторые имеют
. .... .. , ..
, "- "
,
'" , :
.
.
а
в
б
Рис. 9.3. Раахопожевве клапанов MHoro' : I : : : . uехав:измов в rоловхе .QВJПIвдра:
.
а .е11alpeIП8.павава ЦIIJlИН дР;6.. IlПЬ . I :овва II ' I:J,'
223
минимальную массу ДВЮICYIЦИХСJl элементов
'"
при маICсимальнои их жесткости.
В двухuапанвых механизмах исполъзу....
ЮТСJlICОНcrpухции привода с нижним (сред..
ним) и верхним расположением распредели..
TeJIьных валОВ. Нижние распределительные
валы устанавливаЮТСJl в картере или в раз..
вале бложа .цилиндров V --образных двиraте..
лей. ПрИВОД uапанов при нижнем и сред..
нем расположении распределителъноrо вала
ВIOIЮчает в себя lCулачох 4, тотсатель 3,
штaиrу 2 и жоромыело 1 (рис. 9.4). Такая
ICОНстр)'XЦIIЯ имеет большую совокупную
....
массу подвижных элементов при малои их
жеспсости, вследствие чеrо применяется не..
ЮIIOчителъно в две с номинальной часто..
ТОЙ вращении менее 4000 мин 1. нижний
распределительный вал чаще вcero приво..
1 коромысло; штaвra; ДИТCJI во вращение непосредственно от ко..
3 тозпате.ль; I)'Л&По ленчатоro вала с ПОМОЩЬЮ набора lCосозу..
JIый IW.J бых шестерен (рис 9.5, а, 6). При большом
расСТОJIНИИ между центрами распредели..
тельноrо и холенчатоrо валов дли привода используется цепная
передача (рис. 9.5, 8).
Верхние распределительные валы один (рис. 9.6) ИЛИ два (рис.
9.7) размещаются па rоловICe блоха ЦИЛИНДРОВ. Привод ЮIanанов
осуществляется при этом ОДНИМ из следующих способов:
. при раcnоложе: I клапанов в один рид либо непосредст..
.....
венно ОТ кулаЧICОВ распределительноrо вала через ваправЛJlЮЩИИ
стакан (рис. 9.6, 6), либо через ICоромысла (рис. 9.6, а);
. при двух и трех Iлапанах на ОДИН цилиндр, расположенных
в двух рядах: 1) в случае одноrо распределителъвоrо вала через
1
, i
,
-.:
"
2
3
4
Рвс. 9.4. ПРИВОД I : 08
ПР. ВllЖвеы или среднем
расположении распреде..
лвте.львоrо вала:
2
2
2
4
з
а
б
в
Рис. 9.5. ПРИВОД ВИЖНИХ распределителъвых валов с помощью:
а зуб'ЧаТОЙ парw; 6 D]IOM O 'IIJJI.JX. шестерен; 8 цеuвой переда ; 1 :l:ОnСИ'lатwl аал;
2 купаповыl ва.л; 3 ПРОNе о Ч"R.8. lUecтcpВI; 4 цепь
224
2
а
б
.А.
..
.4fii
.,
в
z
д
Рис.. 9..6а ПРИВОД клапанов од....
ним распределительным валом:
а, 6 при OДВOPJIДВOM располож
нии клапанов; 11 d при ДВYXPJIД"
ВОМ расПQложеиии клапанов; 1
IВДPожомпсвсатор; 2 ваправл.
хЬщиii стакан
коромысла (рис. 9.6, 8, z, д); 2) при двух распределительных валах
непосредственно ОТ кулачков через направляющие стаканы (рис. 9.7,
6), либо с помощью рычarов (рис. 9.1, а);
. в четыреXICЛапанных механизмах, еде всеrда используются два
распределительных вала, непосредственно от ху пачков через на...
правляющие стаканы (рис.- 9.7, в) или через коромысла;
225
а
.
.
б
J J - .
....... :...-
....... .. ..,.,
.. .
........... ". ,
.......
I
, , J
'.
\ ;
. .
в
#4
r
Рис. 9.7. ПРИВОД клапанов ДВУМJl распределительllыми валами:
IJ - С прИВОДОМ: IJI8DaвOB через рычar; 6 2 С вепосрсдств ен A прИВОДQМ IJIапавов
. при пяти клапанах на один цилиндр и двух распределительньп:
валах вепосредcrвенно ОТ ICупаЧICОВ через направляющие CТ8JCRНh"
(рис. 9.7, z);
. в случае применения в lCонcrРУIЩИИ MrP спcrем управnенш
законами подъема клапанов последние в болыпинстве случаев име
""
ют : J 1: идуальныи привод.
Верхние распределительные валы, как правило, ПРИВОДЯТС.R це..
пью (рис. 9.8, а) или зубчатым ремнем (рис. 9.8, 6). К достоинствам
-...
цепнои передачи следует отнести:
. возможность передачи вращения при больших межцентровых
расстояниях коленчатых и распределительных -валов;
. сравнительно вевысокую шумность работы;
. простоту lCонструкции; .
. возможноcrь снижения массы привода. .,.
В ПР8JCтичесlCИХ lCовcrpУIЩИЯХ две используются зубчатые
и втулочно"роликовые двухрядные цепи. Последние получили ире..
226
I
J
...
б
6
10
/2
4
9
Рис. 9.8. ПРИВОД J( верхним распределительньiм валам:
а С ПОМОЩЬЮ цепи; 6 с помощью зубчатоrо peМRJI; 1 звездо'Па распределительвоrо вала;
1 цепь; 3 успокоитель жолеб аяи й цепи; 4 звездо.а привода маСЛJIВоrо насоса; 5 звеэдоч
ка Iолевчатоro вала; б БSUIOd 8.I ваТJDl:ИТC1Ul цепи; 7 ва ТJlЖИ тель цепи; 8 рnrи в :коленчатоrо
вала; ШIИВ 'И"ДКОСтиQ ro васоса; 1 ва т,,_во й ро JlИ..& ; 11 111IИ В распределительвоro вала;
12 зубчаТЫЙ ремень
.....
имущественное распространение вследствие меньшеи их стоимости.
ОСНОВНЫМИ недостатками цепноrо привода ЯВЛЯЮТСЯ вибрация це...
ии при пульсирующих Harp узка х, а также износ и вытяжка цепи
в процессе ЭlCсплуатации. Поэтому для цепных приводов обязатель"
ными ЯВЛЯЮТСЯ натяжные устройства и успокоители lCолебанИЙ цепи
(лениксы).
На современных быстроходных двиrатепях ПIИрокое распрост
ранение получили передачи, в 1Соторых вместо цепи используется
зубчатый ремень, изrотовленнblЙ из синтетических материалов со
стеклонитяным или ПРОВQЛОЧНЫМ КОрДОМ. Привод С зубчатым рем--
нем не требует смазки и отличается достаточной доJп'овечносты,,
" "'"
УСТОИЧИВОСТЬЮ реrулировок, невысоlCОИ СТОИМОСТЬЮ, НИЗКИМ УРОН--
нем шума. or схода с ЦИJIИндричесICИX зубчатых ШКИВОВ, ВlCЛЮчая
И натяжной ролик, он предохраняется буртшсами.
227
9.2. систЕмыI упр АВЛЕНИЯ ФАЗАМИ
r АЗОРАCIlPЕДEJIEIШЯ и ЗАКОНАМИ
ПОДЪЕМА ICЛAПАНА
традиционныe конструхции МП> обеспечивали работу двиrа..
тели с ПОСТОЯННЫМИ фазами rазораспределения и величинами подъ..
ема lCЛапанов на всех скоростных режимах работы двиrателJI. Это
....
предопределJIЛО получение высоких значении крутящеrо момента
в оrpаниченной фпсированной области частот вращения колен..
чатоrо вала.
Современные ДВС, как правило, оснащаются специальными
уcrpойcrвами реrупирования фаз rазораспредепения и высоты
подъема lCЛ8.IIанов. Эти системы получают ICомавды от эле.к:тровво..
1"0 блока управления (ЭБУ) двиrателем, настраиваеМОI"О на получе..
ние желаемых харахтериCfИК: двиrателя и воспроизводящеrо веоб..
"
ходимые для этоrо lCомандные воздеиствия на их исполнительные
механизмы.
Принципиально такие системы MOryт быть использованы в трех
ФУВlCЦИональпых вариантах: для реzулuрования ТОЛЬКО фаз zазорасп..
ределения; для управления ИСlCЛЮчительно высотой подъема клапа..
нов; для одновре.менноzо реzулирования и фаз zйзораспределения,
и величины подъема клапанов.
Историчесжи первыми на две массовых автомобилей БЪ1JIИ
примевевы I<ОНcrрухтивно наиболее. пpocrые механизмы ступен..
чатоzо реzулuрованuя фаз впускных хлапанов. На рис. 9.9 приведено
одно из таlCИХ устройств, которое осуществляет трансформацию фаз
сазораcnpeделения в двух фИlCсированвых вариантах за счет поворо--
та кулаЧICовоrо вала.
Поворот вала ocyщecrвляется с помощью винтовой пары внут"
реииеrо зацеШIени.я, связывющейй ведущую звездочку 2 с валом б.
Orносительное yrловое положение вала изменяется при смещении
ведомой шестерни 3 по пшицам 9 кулачховосо вала в результате
воздействия на нее усилия возвратной пружины 4 и давления кар..
терносо масла, подаваемоrо по жаналу 7 в полость 10. Управление
уcrройством реализуется по lCомандам ИЗ ЭБУ, поступающим на
исполнителънЬ1Й соленоид 12, осуществляюЩИЙ перестановку Ш1ун"
жера 13.
МWlUМDЛЬНОМУ перекрытwo клапанов (соленоид «втявyr») СООТ"
ветствует крайнее левое положение управляющеrо ШIуижера 13.
При ЭТОМ дренажное отверстие 11 опсрыто и масло,. поступающее
в узел peryлировlCИ фаз из сиcrемы СмaзICII двиrателя по сверлению
7, выбрасывается через несо в полость фланца 14 и затем удаля.ется
в ICартер. Ведомая шестерВJI 3 пружиной 4 переставЛяетСJl в крайнее
левое положение, осуществляя при этом необходимое yrловое сме..
....
щенне вала относительно ведущеи звездоЧICИ.
.
228
м аксимаАЬНОМУ перекрытuю клапанов соответствует крайнее
правое положение ведомой шестерни 3. При этом соленоид мак--
сималъно (<выдвнут),, управляющий плунжер 13 перемещаетс.я
вправо до полноrо перекрытия дренажноrо отверстия 11. В резуль--
тате давление масла будет воздеЙСТВовать па ведомую шестерню
3 и, преодолевая усилие пружины 4, переставит ее по внутренним
спиральным: шлицам вала в крайнее правое положение. В итоrе
произоЙДет поворот lCулачковоrо вала, обеспечивающИЙ макси..
....
малъныи yrол опережения ОТICрытия впус:квых клапанов.
Существенно большие возможноcrи формирования хар8lCТери..
CТИIC двиrателя обеспечивают системы бессmупенчamozо (непрерыв..
HOZO) реzулирования фаз впускных клапанов. T8.lQle устройства в раз
личном КОНСТРУКТИВНОМ исполнении mироко используютс-я м:ноrи..
ми фирмами.
На рис. 9.10 приведена схема rидромехавичесlCОro реryлятора
Henpepывoroo изменения фаз rазораспределени.я впускных клапа..
НОВ. РаспределительНЫЙ вал 1, управЛЯЮЩИЙ работой ВЬШУСICНLIX
"" u
клапанов, ПрИВОДИТСJI ОТ lCопенчатоrо вала двухр.яднои рОЛИКОВОИ
цепью.. Затем вращение от Hero с помощью замкнутой цепной
передачи 2 передается на эвездоЧICУ 3 привода вала управления
впуclcными JCЛапанами. Cбerающая и набerающая ветви замкнутой
цепи «расnираюТСJI}) iIеренacrраиваем:ьw rидрав:11ичесICИМ натяжи--
телем 4, перемещаюЩИМСJl в веподв .'. :ой направляющей 5. В ре..
зультате измеВJIется относительное уrловое положение впускноrо
,
и выпусmоrо кулачковых валОВ.
АвалОIИ t 1. . I I функциоваль : 1. I 1: ВОЗМОЖНОСТЯМИ обладает
rидромеханическая система изменении взаимноrо уrловоrо положе..
пия валов привода впускных и выпускных клапанов, приведевная на
рис. 9.11. Исполнительвыii механизм сиcrемы расположен на конце
ОПУСICноrо распределительвоrо вала, ПрИ80димоrо ОТ звездочки
на ВЬШУСICном распределительном валу. Ротор 3 с лопатками
закреWIен неподвижно на кулачковом валу 4, а lCорцус блоха
б на звездочке привода 5. По управляющему сиrналу от ЭБУ
ДВИI'ателя масло из сиcrемы смазки двиrателя по каналам в рас--
пределителъном валу подаетси в npocrpaнCTBO между лопастями
ротора и КОРПУСОМ б. ПОД давлением масла воздействующеrо
на лопасти ротора, происходит поворот р3,спределителъвоrо вала
на величину, заданную реrулятором, после чеrо вал фиксируется
rидроуправЛJlемым стопорным пальцем 2 ДО поступления очеред--
'-#
НОИ команды от реrулятора.
Механизмы автовомноrо реrулирования высоты подъема ЮIапа..
нов в прахТИlCе двиrателестроения практичесu не ИСПОJlЬзуются,
однако в настоящее время все большее распространение получают
сиcrемы, lCомnлексно реrулирующие фазы rазораспределевия и ВЫ--
соту подъема клапанОВ. I
229
Уrол ПОБорота
кулачковоrо вала
12 1314
1 2
345
6
11
10
9
8
7
а
ВМТ 15
ВМТ 15
:r...."!...... .
....,
..
17 16
....
НМТ
б
нмт
в
.
Наиболее извecrная из них сиcrема Va1vetronic (рис. 9.12),
реализующая изменение фаз и высоту подъема ВПУСКНЫХ кла...
панов.
Ее ICовcrрукция СОСТОИТ из распределительноrо 1 и дополнитель...
Horo 4 валов с эксцентриком 5, расположенных в rоповке цилинд...
рОВ. В зависимости от положения эксцентрика 5 промежуточный
рычаr 3 и впускной кулачок 2:
. не открывают клапаны (рис. 9.12, а);
. обеспечивают максимальную высоту подъема клапанов и их
оптимальные фазы (рис. 9.12, 6);
. обеспечивают промежуточные значения фаз и высоту подъема
клапанов, 1C8.IC это ПОICазано на рис. 9.12, 8.
Пр ' 1: а 6 обеспечивает поcrоянную кинематическую св.язь
между роликом 7 промеЖУТОЧБоrо рычarа 3, рычrомM 9, кулачком
2 и эксцентрихом 5. Эксцентрик изменяет свое положение ПОД
'u ...,
деиствием шаrовоrо электродвиrателя, lcоторыи управляется от..
дельным компьютером под ICQнтролем ЭБУ двиrателя. Компьютер
получает команды от электронноrо «акселератора), положение ко..
roporo задается водителем. Дроссельная заслонка отсутствует и на..
....
Ilопневие цилиндров свежим зарJI.ДОМ реrулируется вепичинои падь..
ема клапана.
Достаточно давно (с 1983 r.) используется хорошо себя за
комендовавшая zuдро,М,еханическая система управления фазами
и высоmoи подъе,М,а КЛШlшюв (рис. 9.13). КонетрyICТИвные ее oco
бенности: четыре lCЛапана на цилиндр; для привода двух ВПУСК--
ных lUIапанов (7 и 8) используются три коромысла (1, 2, 3) и три
кулачка (4, 5, 6), каждый из xoTopых обеспечивает подъем ICлапа--
на на различную высоту-Наибольшую высоту подъема клапана
(100%) обеспечивает кулачок 5; кулачок 4 75% и кулачок
6 . S%.
Коромысла 1 и 3 ICОНТ8JCТируют соответственно с кулачками
6 и 4 и впус :1. I I lCЛапанами 8 и 7. коромылаa имеют rидравличес..
кие :каналы 10 и 12, в :которых перемещаются порmви БЛОJ(Ираторы
9 и 11. Кулачок 5 контактирует только с lCоромыслом 2, lCоторое
непосредcrвенно с клапанами не связано.
Рис. 9.9. Механизм ctyПеичатоrо реryлиров8.IIIUI yrла опереж:еВВJil onrpЫТИJl впу : :1. .
: I - : ОВ:
а об:щиl ВИД; 6 I 1: I I .: 1.: ое переирЫ1ИС жлапавов; 8 МВ .. I . 1. вое nepeEpЫ тие ЮIапа..
нов; 1 po.1JИEОВ8JI цепь привода :купачжовоrо вала; 2 &eJXYIЦв.. звездО ЧD. оривода :купачжовоrо
вал&; j ВCДOМ8JI ш естерВJI ; воэвраТВ8JI пру_ин &; j опора :ку.па:повоrо вала; 6 :купа....
ковЬ1Й вал; 7 :а.вал подвода масла из системы o..s8Э:КИ двиrатeлs; жаиап подвода масла;
9 втулжа :кула"Повоrо вала с вар 4: 1. I .1 DpJIМoyro .. ;,. I , I . . I 1': . ; 11 ДPCВ8W'R De отвер-
1,;1nC ; 12 исп оJJ..tuI тсльвый CXJлевоид; l упр8.ВJIJIIOщиI пny:вжср; 14 фланец; lj псрекрЫ1Ие
ElI8П&вов; l проДО ". I.ВОС1Ь фазы в:ьmycп.; 17 проД ОJI-п тeJIЬВОСТЬ ф 8ЗЬ1 впусжа
I
231
1 2
5 4
а
.
б
Рис. 9.10. r:и..цром- . :I .ecD.I система: . I . . .ЫВRоrо perулировавиJl фаз rазораспре--
делеии.. впуcпIых клапа.вОIl (пр : 1: 111: 11 8JIЬ1I8JI схема):
a МU I, ,.вое перекрытие ЕЛапавов; 6 .I ':I I,' I.:ое псрекрwтве t 1: ;08; l :кyпa.-
ж оиwii вал ВЫПУ I ttf.Ц t: I : : 08; 2 po Jl.ll..Ji O.... ЦСПJ. прllllOД8. ВПУ С&llО ro распредeлитcm.иоro
вала; 3 Э8С3ДОЧЕа В П)СIНО ro распредслвтелЬВОI'O вала; 1,. , . _t- . ", «ВI. &t .... I. »; j
ваправтпо ba T--ап-еп.
На низких частотах вращения коленчатоrо вала поршни ло:к.и
раторы располаrаются так, что коромысла 1 и 3 работают неза
висимо дрyr ОТ дрyrа (рис. 9.13, а). При ЭТОМ клапан 8 по II.I I ает"
си на незначителъную высоту (приблизителъио 5% от максима.лъ--
ной ВЫСОТЫ ero подъема), а JШапан 7 на высоту, равную прИ
близительно 75% от махсималъно:L При cpe":I . чаcrотах враще
ния колепчато:t;"о вала коромысла 1 И 3 блокируются ПОРШ
нем 9 (рИС6 9.13, 6) и оба клапана управляются кулачхом 4 (рИС.
9.13, 6), поднимаясь на oJI I:aKOBble ВЫСОТЫ ( 75% ОТ h Ж1L m.Jl.) .
на высоких оборотах коленчатоrо вала (рис. 9.13, в) дополни
те.пъНО блокируются порmнeм 11 коромысла 1 и 2. В ЭТОМ CJlу
чае все три коромысла представляют собой единый блок и хла
павы 7 и 8 управляются кулачком 5, чем обеспечивается их
подъем на максимальную высоту. На рис. 9.13, z, д представле..
ны законы движения :клапанов при разли 1. :1... режимах работы
двиrателя. ...
ПереставОВlCа поршней БЛОICИpаторов в соответствии с требова
пиями режима работы две осуществЛJlетCJI за счет давления масла,
.
232
1
(о
({о
2
з
4
6
5
а
б
в
Рис. 9.11. Блок системы оепрерЫВRоrо реryлировании фаз впуcпIых клапанов:
а оБЩИЙ ..и.д; 6 раивсе O-прЫ1Ие В пусkнО ro EJJ8.Daвa; ............ позднее UI Aj)ыти е впу ек-ио rо
ЕЛа пава: 1 '".1111 а блок&; 2 сто п оpllЫЙ палец; З ротор с поп -. I ; 4 впус.кно й PIU>-
предспительвый вал; ' звезДОЧD привода вала 4; :корпус блажа
.
перераспределяемоrо по каналам 10 и 12 элежтровно ynравЛJJеМЪDd
ЗОЛОТНИlCОМ.
Аналоrи ..:1. I ' ФУНlЩИоваль :1.' 1: ВОЗМОЖНОСТЯМИ обладает zид..
ромеханическая система пpuвoдa впycкных к.лапанов с «запирающим»
валом, отличающаяСJl тем, что на верхвеи ШIОСХОСТИ коромысел
привода вnyскпых ЮIапанов 4 (рис. 9.14, а) устанавливается суппорт
2, рапп ICOToporo связан с распределительным 1 и допоJшителъным
<<запирающШd» валом 3. Положение сynпОIJТа, устанавливаемое
... ....
rидравличесlCОИ системои по lCоманде элеlCТронноrо «акселератора»,
определяет степень ero взаимодействии с хажд:uIМ из :кулачков 1 и 3.
Достоинством данной сиcrемы явл.яетс.я ВОЗМОЖНОСТЬ изменить вы...
соту подъема клапана бесступенчато..
Все рассмотренные ВЬПIIе системы управления параметрами
работы систем rазообмена обладают в большей или меньшей сте..
пени оrpаничевными ФУНIЩИонал:,ными ВОЗМОЖНОСТЯМИ, не поз..
233
J
2
1
/ ..
J '\
[J a.
J а'
D
8
9
а
hlUl.,MM
8
6
4
2
J
.."
4
5
6
7
D
б
ВПУСJCНОЙ lCЛапаи
/
l/
J r\. v
"'..... \ I ,
\ ,
j 'L\ ,
\\,
"\' \\\
I.'V \ l\ \
v \'
'"
о
60 120 180 240 300 360 420 480 S40 600 660 <1'0
в
Рис. 9.12. Система взменеllRИ высоты подъема впу :1.. t клапанов Va1vetronic по yrлу
поворота иолевчатorо вала:
.
Il EJl8U uп.;r 38pЫТЬl; 6 EЛ8D sun.J полвостью oткpыы; . пром чвыe эва. ени. фаз
И : I '. 1: ПОД'ЬСМ8 I : ; ов; 1 ВПУCIВоi распрсделитсл J.tп.dj вал; 2............. купа:'10:l: В ПУ\;;D1 0ro
клапана; промежут оЧRldit рычar; зl:cQcв1риIовый вал; j ЗECQСВ1риж; 6 пру:.ин а; 7
:роли:к ороме.уточаоrо рычra; в------... профилиров: :':1. I ПО I 1. :I I .. I 3; )IOJШIО ВЬJЙ
PЪA8r прввода ВПР;IНО ro : - : : а; l впускно й I.Лaпав; ll rи.цроКОМDевсатор
r
Рис. 9.13. Привод впусквых ЮIапаиов rвдромехаввчесJ[ОЙ сиcrемы:
IJ ви и е ч 8.t;IUТЬil вp8.JЦeнии К'олсвчатоro вала; 6 .. 11: I е 'ч8.стQты вращ е яи . ЕQn еич&ТО ro
вала; . высожие часто1ы враще ВИJI :к олен -saтo ro вала; z I -, 1: I 01 }фЬ1ТИ8: В ПУCI'fhIX.
жлапавов; d "4JIyo вы изме вени. подъема 8- ''':1.. кn anaвO B по yrлу поворота жолевчатоro
вала; l :короJwlыло.. жо: : - :,. . щее с :кла паном В и кула"П:ом 6; коромысло, :конти--
тирующее ТОЛЬJ::О с Ж}'паЧl:ОМ 5; 3 коромысло, I:овтuтирующее с ЕУла"Uом " и клапаном 7;
9 и 11 бло:к:вратopы ЕОроМЬ1сел; 10 и 12 rидp8. в.лиЧecЮsе i:aи8лы бло:mpaторов; 1 J купа....
u
:к:овыи вал
Q.
()\.
t о '\
8
о
1)
"
....., ..
· . '"';t....,
' '
-.
s MMt:n,x"
MMtr.:A,n MMtn::A"
01 01 01
8 8 8
а а а
Jt
s:
о о о
0tp orr 081 ое о or! 08. ое О о, orr 081 ое о O 081 O О Dq> O'\ 081 OQ О 08] ое о
Ь
1
4
hкл,ММ
10
8
6
4
2
О
270 360 450
lItrr...
"
,
,
,
,
,
j( .......
"-
.
S40 630 720
а
б
5
1
,....
4
hкл,мм
10
8
6
4
2
О
270 360 4SO
о
540 630 720 ер
в
z
5
.
Рвс. 9.14. rидромехаиическаи сиcrема бесс1упевчатоrо peryлирова.виа фаз raзoра.сп--
ределеВJU: ВПУ(ZВЫX : I : : ОВ:
а, 6 t t;" ' ал.ьв.ое отЕры.исc ВП)' CDlо ro ЮIВ.паяа; 8. Z МВ " I ,: 1.: ос o"пpыисc ВПУ С-.а Оro
клап ана ; 1 Bny Ck.tl o:i распред . t. : 1, 1', вал; 2 суппopr с poJDd: ON; «J8 lТ11 раю ЩИЙ» вал;
КОроМЫCJJО привода 8' ":1. . , : I : : 08; ' в пуcrя оl .: I : :
ВОНЯЮЩИМИ ОПТШdИзировать управление двшателем на всех воз..
можных режимах ero работы. Этоrо недостатка лишена система
электро.механическоzо привода клапанов (ЭМПК), обеспечив а..
ющая возможность · .. 1: идуально для к:аждоrо клапана изменJIТЪ
:высоту подъема и реryлировку фаз ero открытия и закрыТИJl. При
применении ЭМПК отпадает неоБХОДИМОСТЬ в кулачковых валах,
дроссельных заслонках, их прив одах , ЧТО значительно снижает
массу двшателя. Общие потери на трение в системе raзорасп..
ределения сокращаются на 900/0. BMecI'e с тем усложняется сиcre-
ма управления JCJIaIIaН8МИ. К уже существующему электронному
блOIУ управления двиrателем дополнительно вводится элеrr..
рОННЫЙ блох управления IШапанами (ЭБУК). Основным элемен"
....
ТОМ, В значительнои мере ЛИМИТИРУЮЩИМ технические харахтери..
СТШИ системы, .ивл.яется электромеханическое уcrроиcrво управ..
ления к.лanaном (рис. 9.15).
236
Движением lCЛапана управляют
два элеlCтромаrнита (3 и 6), осущест--
вл.яющие ero перестаНО8КУ по коман..
де ЭБУК. При выключенных элект..
v
ромarнитах две встречно девству..
ющие пр ужины (2 и 8) с идентич..
НЫ:МИ характеристижами удержива--
ЮТ якорь 4 в нейтральном положе..
IlИИ (в центре воздymвоrо зазора 5).
Тяrовые характеристики эле:ктрома--
('ПИТОВ весьма нелинейны (электро"
""
мarнитнаи сила, создаваемая ОДНОИ
катуппс:ой, увеличивается обратно
пропорционально квадрату расстоя--
ния от поря до ICатушхи). Поэтому
леlCтромarвитных сил может не
хватить для достижения необходи--
...
мои скорости перестановlCИ клапана.
Для УClC.оревия этоrо процесса испо..
л ьзуютси колебательные явления
"
8 упруrомассовои системе клапан
якорь пружины. При синфазном
[lереlCЛЮчении элехтромаrнитов пе..
ременные электромarвитные СШIЫ
DЫЗЫВают резонансные lCолебатель--
ные процессы, сопровождающиес.я
нарастанием амплитуды колебаний
ЯlCоря и клапана. При этом порь
в момент подачи управляющеrо сп--
пала на обмоТICУ соотвeтcrвующеrо
маrнита будет нахОДИТЬСЯ в зоне
больших величин мarнитных сил
и зафиксируется на нем до получе..
нии очередной команды от блока
управления. Почти вся эверrия, за...
rpачиваема.я на перемещение папа..
на, накапливаетс.я в пружинах. Элек--
тромarниты 3 и 6 осуществляют фи--
ксацию ЯlCоря в верхнем положении
(клапан закрыт) или в нижнем положении (клапан полностью
открыт), а таюке совместно с пружинами управляют законом изме..
нения ero подъема.
I
1
2
3
4
5
6
I
7
. .
. I .
8
9
Рвс. 9.15. Испо I:I & I Hoe устрой..
СТВО элеrrpoмехаввчесхоrо приво-.
да IЛ3.павов ЭМПК:
1 даrчп DОЛОI СIШS ПП'ОD кл апан а;
2 пr f*И'R а UlYO D. IЛ8.Пан и Jl][OpJl;
j ве ржниl злежтромarиит; 4 JП:орь
штока ЮI8II а ; 5 вm., I 1:1..r заэср;
6 Ви". .вий: ЗJISтроМ 8J. J:l.Ит; 7 U11 0:К
:к.лап а'Юl ; В пр ' I:t ЮI8.пава; 9
ЮJaПВВ
237
9.3. элЕмЕнтыI МЕХАНИЗМА
rЛЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ
распределитeJIыlьle BBJIЫ. Изrотовляются либо из Малоyrперо.....
диcтых (15Х, 20Х, 15Н2М, 12ХНЗА), либо из среднеyrлеродистых
(40, 45, 45Х) сталей. Зarотовку распределительпоrо вала получают
ковкой в штампах с последующей механической обработкой опор.-
ных шеек и кулаЧICОВ по ICопиру. Цикл термохимической обработ
..,
ICИ цементация для мапоyrлеродистых crалеи и поверхноcrная
заК3JIl(а ТВЧ для. средвеуrлеродистых сталей на rлубину 2...6 мм до
тверДОСТИ HRC 50...60. Затем опорные элементы вала (кулачки
и шейки) шлифуются и полируются.
Количество опорных шеек выбирается из условия обеспечения
достаточной изrибвой жестКОСТИ проnетов вала и обычно равно
lCоличеcrву lCоренных опор :коленчатоrо вала. При нижнем распо...
ложении распределиmельноzо вала подшипники опорных шеек ВЫ--
полвяются в виде биметаллических втулок (с заливкой еШIавом
СОС 6--6 или из алюминиевоrо сплава), запрессовываемых в картер
или блок. Для облerчения монтажа распределите.льных валов диа
метры опорных шеек уменьшаются по длине вала от переднеrо ero
конца. При размещении раcnределиmельноzо вала в zоловке цилиндров
используются разъемные поДIIIИПНИICИ, роль которых обычно Bьmo
лняют элементы опорных стоек, если они изrотовлены из алюмини..
eBoro СШIава. В чуrунные стоЙКи устанавливают ВICЛ. .1. I 11. С анти--
фрикционной заливкой. Масло под давлением подается к ПОДШИП--
никам НИЖНИХ распределительных валов по каналам в переrорОДlCах
картера; к подшипникам верхних валов .. - через внутреннюю по--
.... "
лость вала и систему поперечных сверлении в ero опорных шеиках
и кулачках. В осевом направлении распределительный вал фИlCсиру
ется стальным или бронзовым упорным фланцем 1 (рис. 9.16, а).
НеобходиМЫЙ осевой зазор обеспечивается диcrанцИОННОЙ шайбой
2. В ряде трахториых двиrателей вал фиксируется с ОДНОЙ cropoны
буртшсом подшипника 4 (рис. 9.16, 6), а с друrой perулировоч
ным болтом 3. Вместо болта может быть установлен пруживВЫЙ
упор, обеспечивающий ПОСТОJIПНое положение распределительноrо
вала в осевом направлении. При разъемных подmипНИI(ах верхние
валы ФИКСИРУЮТСJI буртиками 5, опирающимися на торцы croelC
(рис. 9.16, в).
кл8п8ны (рис. 9.11). Подверrаются воздействию ЦИICJIически ме-.
няющихся высоких интенсивных механических и тепловых нarpУЗОI(.
Средняя за цикл температура rоловки впусmоrо IШапaiIа на наибо---
лее наПРJDКенных режимах работы две достиraет 300...420 ОС. для
их изroтовления используются стали 38ХС, 4ОХН, 5ОХН,
..
238
а
Вариант
д=О,19..0,2
д
д
, 1
2
5
.. ..
б
в
Рис. 9.16. ФВJ[саЦИJI распределительноrо вала от осевых перемemеиий:
а бров овым упо рИЬ1М фланцем; 6 б)1тIJПО М nOДJПИllliик: а и рсryлироsочвым болтом; "
бур 1': ; 1 упорное кольцо; 2 IUI ,: 1 tI Qияаа ВТYl1d. ; 3 peryлироs оЧRJ..1Й винт; ПОД"
111 1'1: I . Oв&I вту.л.:а; j упо рньtI бypтИI
40ХН2МА, 40Х9С2, 40XIOC2M. СреДНЯЯ температура rоловlCИ BЫ
пускных клапанов в двиrателях с ИСКРОВЫМ зажиrанием может
достиrать 800...850 ос (500...600 ос в дизелях).
В связи с этим выпускные клапаны ВЬПIОJПIяют из жаропроч..
ных и КОРРОЗИОlIНо--стоЙКих сплавов: ЗОХIЗН7С2, 45X14H14B2M,
45Х22Н4М3, ЭD 322, 55X20r9AH4. Для повышения допrовеч--
НОСТИ и износостойкости на рабочую поверхность rоловхи хла
папа (рис. 9.17, z) и торец стержня (рис. 9.17, б) наносят сплавы
ЭП 869 (стеллИТ):!! ВЗК, Х20Н80 (нихром). Иноrда на затылкK
стержни надевают ICОJШачоlC, выполненный из этих же СШIавОВ (рис.
9.17, а). Во мноrих случаях для свижения стоимости КОНСТРУКЦИИ
клапана из жаРОСТОЙlCоrо материала выплняютT топысo ero rолов"
ку, а стержень из стали 40ХН с последующей сваркой встык.
В завИСИМОСТи от формы rоловlCИ ICJIапаны подразделяют на
плоские (рис. 9.17, а, z), выпуклые (рис. 9.17, F) и тIOльпанообразные
(рис. 9.17, в).
Плоский (тарельчатый) IШапан отличается сравнительно боль
.... ...
ШОВ толщивои rоловки, мRлым радиусом перехода от стержня
к rоловке и ПЛОСКИМ торцом соловки. rоловlCИ такой формы наибо..
лее просты при изrотовлении, вследствие чеrо получили преимуще--
ственвое применение.
Выпуклая форма rоловки характерна для въшускных клапанов.
При ЭТОМ улучшается обтекание ICЛапана со cropoпы цилиндра при
239
Стеллит
.
2
0,65...0,15)Б
I I
I
J
,"'.
I
I
l
.
-
-.....
12_..15
J
d и
(lф
б
в
z
а
Рис. 9.17. Клапаны двиrателеi:
Il. z ПЛ ОС.I.И е; 6 вьmyюIы;; 8 польпавообрвзвые; 1 стопорное КОЛЬЦО; 2 вапраал---
IOЩU ..JIТyЛU
выпусхе отработавших сазов, повыmаeтcJI жесnCОСТЪ соловки, но
увеличиваются ее масса и тепловоспр .1 I '. BOCIЪ.
С BozHymou или mюльпанообрйзной формой rоловlCИ ВЬШОЛВЯЮТ
ВnyСlCНblе жлапаны, снижающие rидравлические потери при поступ..
ленив свежеrо зарида в цилиндр. Масса хлапана при ЭТОМ снижает..
си, во также увеличиваются тепловоспр .' 'I BOCfb rоловки и тру--
доемкость ее изrотовлевия.
Переход от стержня IC соловICe lCЛапава вьшолНJ1ется большим
радиусом, увеличивающим жесПСОСТЪ rоловICИ и предотвращающим
коробление фасlCИ при нпреве lCЛanана. Одновременно уменьшаюТ....
си rидpавлиЧССlCИе потери при обтекании ЮIапана свежим зарJIДОМ
при наполнении цилиндра. rоловlCИ, как правило, имеют ци I I: ...
рическИЙ поясок высотой около 2 ММ, ICОТОрЫЙ позволяет сохранить
ОСНОВНОЙ размер клапана llв при ремонтной переmлИфОВlCе уплоу..
няющей фаски, увел:. I ает жесткость соловки и предохран.яет
ICpОМICИ фаски от обrорания. Усол фаски tlф для выпус:mыx ЮI8.IIанОВ
составляет 450, а для БnyСICВЫХ 30 И 450. Уrол фаски, равнЫЙ 300,
обеспечивает большую по сравнению с tlф==45 0 величину площади
"" ..,
проходвоrо сечения клапаннои щели при одинаково и высоте ПОДЪ"
ема клапана, ВО при ЭТОМ возрастает уровень rидравлических по--
терь И увеличивается термическая наrpужеНDОcrь уплотняющеи
ICромки. Усол фаса rолоВICИ клапана выполняeтcJI на 0,5...1 о мень..
ше yrла фасlCИ седла. Это обеспечивает ICонтажт между клапаном
240
и седлом по наружной ICpOl\1Xe фаски и rаравтирует быструю прира..
ботку ICлапана IC: седлу. Со стороны crержня rоловке клапана ирида...
ется lCоmiческая форма (СМ. рис. 9.17, а). Усол при основании lCонуса
(у фаcm) соcrав.пяет 12...15°, что обеспечивает наШIyЧIIIИе УСЛОВИЯ
обтекания зарядом при наполнении цилиндра. Для вьшускноrо
клапана ЭТОТ уrол ближе к 20...250, что способствует лучшему
теплоотводу от есо соловки. Диаметр стержня определяется вели
чиной теплопотоlCОВ, которые необходимо отводить через стержень
от rоловки клапана для поддержании ero нормальноrо теПЛО80rо
СОСТОЯНИЯ, а также, в редких случаях, lCorna боковые усилия, воз..
никающие при OТICpЬJ.Вавии клапана, воспринимает стержень. По
"'"
этои причине стержень ВЬШУСI<Ноrо клапана, как правило, имеет
больший диаметр, чем стержень ВПУСICНоrо. Длина клапана может
варьироваться в широких пределах и определяется в ОСновном
необходимой ДЛИНОЙ направляющей втулки и ero пружинноrо узла.
Форма выточки под сухарики в верхней части стержня зависит от
lCонструкции устройcrВ фиксации тарелки пружин клапана. Обычно
высота ее равна диаметру стержня клапана.
Определяющим параметром Mrp ЯВЛJlется диаметр rорловины
вnyсхносо IШапана dr (РИС. 9.18, 6). Конcrpуктивные размеры ОСПОВ
ных элементов клапанноrо механизма при ero проеlCтировании
определяются как часть d r следующими статистичесlCИМИ соотноше..
пиями (см. РИС. 9.17):
. для ВПУСКНОI'О ICЛапана d. , d.==(1,12...1,16)dr и ==(O,16...
O,25)dr;
. для ВЬШУСICНоl'О клапана d.==(O,76...0,9)dr; d.==(O,79...0,92)dr
и t5== (О,22...0,З)dr;
. 1==(2,5...З,5)dr; a==(O,08...0,12)ci; b==(O,05...0,12)dr; rc== (O 5...
O,35)d r для ПЛОСКИХ и ВЬШУКЛЫХ rоловок клапана; rf;==O,54d r дл.я
тюльпанообразных.
Во избежание заlCJIИНИвания клапана в направляющей втулке при
ero тепловом -расширении диаметр стержня у rоловки уменьшают
d r До 0,04 мм
hc
I
б в
c
.
.............................-...................
а
z
д
Рис.. 9.18. Седла IOIапаиов:
а с трехyrловой фасх:ой; 6, « c З8.JШ'КОЙ В материал rоловПI; z с расчекаш:ой металла;
д с фиксацией упо риwм элементом
241
(см. рис. 9.17, 6) либо выполняют втулку с внутренним конусом (см.
рис. 9.11, z).
Для снижения теIШОВОЙ наrруженноcrи иьшусmых клапанов
" ..,
в ряде конструкции реализуется принудителъныи ОТВОД теплоты-
Клапан при этом ВЬПIОЛН.RIOТ пустотелым и на 50...60% запоЛНJПOТ
СОЛЯМИ натрия, температура плавления которых 97 ос (см. рис.
9.17, z). За счет перемеmивания ЖИДICоrо натрия при движениях
ltЛапана интенсифицируется передача теплоты от rоловк:и к crерж..
IПO. ДЛЯ увеличения дошовечности и надежности работы уплотни..
ющих фасок в сопряжении клапан седло соловка клапана ДОЛЖ--
на периодически изменять СБое положение относительно седла.
для этой цели на мноrиx. двиrателях сухарики зажимаются в дo
ПОJШИтелъной .конической втулке 4 (рис. 9.19, z), .которая нижним
торцом оnираетс.я на IШОСICую поверхность донышка тарелки.
Момент трения, возншсаюЩИЙ на ЭТОЙ поверхности, невелик:,
и при вибрации в отделъные периоды времени он может уменъ..
mаться до нуля, что дает возможность lШапану проворачиватъся.
Иноrда прим:еняют специальный механизм для проворачивани.и
клапана.
В бопъшинстве двиrателей aBTOTparropHoro типа пружина на
клапане фиксируетс.я разрезными сухариками 1 и опорными та..
релк8МИ 2 (рис. 9.19). Наиболее простая форма выточки на lCJIа..
пане цилиндрическая с rалтелями (рис. 9.19, а). Применяются
и более сложные формы цилиндрических выrочек с ОДНИМ или
двумя ПОJIClCами (рис. 9.19, б, в). В риде КОНСТрУКЦИЙ на стержне
ICЛaпана выточки вьшолняют конической формы (рис. 9.19, в),
а сухариICИ удерживают клапаны за счет внутреииеrо конуса. Это
3
а
б'
Сте..1JЛИТ
.
.
в
10...150
2
....
Рис. 9.19. элеыевты креплеВИJl таре.лхи IOIапа.ва
.
242
....
позволяет уменьшить концентрацию напряжении в стержне за
счет увеличения радиуса rалтели. Уrол :конуса сухариков составляет
10...15°, а их высота примерно равна диаметру стержня Ниже
опорной тарелки на стержне lCЛапана может быть установлено
пружинное :ко.лъцо 3 (рис. 9.19, а), которое преnятcrвует падению
клапана в цилиндр при поломке :хвоcrовика стержня ИЛИ пружив.
Пружины опираются на rоловку блока через специальные стальные
штампованные тареЛICИ.
Седла клапанов (см. рис. 9 18). Работают в условиях, во мнo
сом сходиых с работой соловок клапанОВ. Через седла ОТВОДИТСЯ
основная (60....80%) ДОЛЯ теплоты от клапана, поэтому особое
внимание уделяется орrанизации рациональноrо есо охлаждения.
для их изrотовлеНИJI примеияют специальные лесированные чуz
ны или ЗlCаростойкuе сплавы. ВеJШчина удельной наrрузки тарелки
клапана при ударе ero о седло достиrает 113 МПа, а статическая
наrрузка · 49 МПа. Это обусловило целесообразность уcrановlCИ
седел не ТОЛЬКО в rоловках ЦИJШндров из amoминиевоrо СIШава,
НО и в х. На рабочие поверхности седел иьmyс:к:ных клапа..
....
нов для повышения их жаропрочности иноrда наносят слои TyrO"
IШавкоrо материала. 3аrотов:ки седел получают в виде маслот,
отливаемых в песчано..r I I. t · . е формы, с последующей разрезкой
на отдельные кольца.. для облеrчения приработки к фаске клапана
yшIотняющая поверхность седла ВЬПIОJIНяетСJl с тремя yrлами
наклона 15, 45 и 75° тахим образом, чтобы уплотнительный
поясок седла имел усол 45° и ширину около 2 мм (см. рис. 9.18, а).
Наружная поверхность кольца цилиндрическая (см. рис 9.18, б)
или коническая (СМ. рис. 9.18, в). Седла фиксируются в roловке за
.... ...
счет натяrа при запрессовке с ДОПОJШИтельнои расчеканкои мате...
риала соловки (см. рис. 9.18, z). У стальных седел ДОПОJШИтельно
развальцовывается верхняя часть седла (см. рис. 9.18, д). При
'"
запрессовке цилиндрических и конических седел на их наружнои
поверхности вытачиваются Iолъцевые канавки (см. рис. 9.18, б, в),
в которые в резулътате запрессовки затекает MeTaтI соловки.
Цилиндрические седла запрессовываются в mезда до упора, а КО--
ничесв:ие с неболъmим торцевым зазором до 0,04 мм (см. рис.
9.18, в). Толщина crенки седла c==(O,08...0,15)t(., высота hc==-
== (0,16...0,2 . Натяr при запрессовке составляет 0,0015...0,0035 от
наружноrо диаметра седла. В ряде lCонcrрукцИЙ седпа фиксируются
...
в rоловке с ПОМОЩЬЮ лазеРНQИ сварки.
НапраВЛllIOщве вту JIКН (см. рис. 9.17). Выполняются спеканием из
хромиcrой или ХРОМОНИICелевой керамики с последующим супьфи..
дированием и rрафитизацией путем <<проваРИВ8НIfЯ}) в масле, содер.-
жащем раствор J(оплоидноrо rрафита. Пористая структура ВТУЛОК
позволяет хорошо удерживать смаЗICy. Для предотвращения попа
дании масла в цилиндры по стержням впускных клапанов их уплот--
243
няют ма.нжетами j (см. рис. 9.19, z) из маслобевзостойкой резины.
Конструктивно направляющие втуmcИ въшолняют с наружным 1(0..
вусам (СМ. рис. 9.17, а), с внутреввим конусом (см. рис. 9.17, z),
с заплечиICaМИ (см. рис. 9.17, б, в) и с выточкой под пружив:ное
crопорное жольцо 1 (см. рис. 9.17, а). Толщину стеmcи втутси
делают равной 2,5...4 мм. Длина втуЛICИ зависит от диаметра и дли..
вы стержня lCЛапана и нахОДИТСЯ в пределах /1 == (1, 75...2,5)r4. Вели..
... w
чина зазора между нanравляющеи ВТУЛICОИ и crержнем ВПУСК--
вых J(JIапавов A==(O,004...0,OI) . ДЛЯ Bъmycквыx клапанов А==
== (0,006. ..О,О12)Ь.
пружIIIIы клапанов (рис. 9.20). Предназначены для компенсации
w
инерционных сил, вызвющихx разрыв кинематическои связи меж..
ду элементами МП> В фазе замедления :клапана при есо npиближе..
нии IC точке Bepxнero выстои. В механизмах соиремеиных двиrателей
применяются в ОСНОВНОМ цилиндрические пр , :1. С постоянным
ЮПОМ и yrлом подъема витка 8...12° (рис. 9.20, а). ЗarотовlCИ
... "
пружин получают методом ХОЛОДНО И навивки попированнои право..
локи диаметром 3...6 мм из craлей С65, C65r ИЛИ 50ХФА. Пружины
Dодверrаются закалке и среднему отпуску ДО HRC 40...48. Концевые
витки пружин сближают ДО соприхосновения и соIшIифовывIoтT для
получения кольцевой опорной поверхноCfИ. Для повьnnевия ycra
постной прочпости пруживы обдуваются стальной дробью. С Ц
ЛЬЮ защиты ОТ :коррозии пружины ОICСll,ltИруют, оц 1:1 овывают ИЛИ
lCадмируют. При проявлении резонаНсных колебаний витков не..
пользуются пружины с перемеввым maroM вавивlCИ (рис. 9.20, 6).
Шаr изменяeтcJ.I или по направлению IC веподвижному ICовцу пружи
НЫ, или от сереДИНЫ IC обоим ее концам. При подъеме клапана
соседние ВИТICИ периодически СОпрИIC8.C8JOТСJI. Количество рабочих
ВИТКОВ при этом уменьшается, а жесткость и собственная частота
lCолебаний пружины соответcrвевво возрастают. для этой же цели
иноrда используют конические пр ужины (рис. 9.20, в).
I
I
пср
с.
.....
...........
I
",.
а в
Рис. 9.20.. пружвны клапанов с поста :1:1. I (а) и переменным (6) marOM BlIТIa;
IO :, 1.. - e пру:кииы (8)
244
.
в пружинвом узле coopeMeHHых двиrа..
селей в большинстве случаев используют
..,
две пружины на lCaждblН lCЛапан, что умень--
шает rабариты и повышает надежность уз--
па. Навивки внутренней и наружной ПРУЖИВ
ДОЛЖНЫ бьrrь противоположно направлены
либо различаться yrлами, чтобы при полом...
u
ке искmoчитъ попадание ВИТКОВ ОДНОИ пру..
живы между витками дрyrой.
Штaнrи (рис. 9.21). Предcrавляют собой
стержень трубчатоrо сечения, изrотовляе..
мый из a.тoMrтиeв020 сплава (дюpamo I 1: I .).
в верхНИЙ и нижнИЙ Icoнцы стержня запрес..
совывают стальные Н8lCонечники, имеющие
на нижнем конце сферическую поверхность,
а на верхнем в зависимости от конструкции
узла привода Icоромылаа сферическую ro..
ЛОВICy (рис. 9.21, а) Ш1И сферическое rнездо
(рис. 9.21, 6). Опорные поверхности нахонеЧНИICОВ термичеCICИ об..
рабатьmают ДО ИRС 50...60, пшифуют и полируют. В ряде двиrа--
..
телеи в наковеЧ:I 1 ах ВЬШОЛНЯЮТСЯ OTBepcт для подачи масла от
ТОЛlCателя к коромылуy (рис. 9.22, б, в).
Толкателв. В автотракторных двиrатепях в зависимости от
профиля кулачков используются толхатели двух типов плоские
(рис. 9.22, а) и роликовые (рис. 9.22, z). Роликовые толх:атели
более дороrи, имеют большую массу и шумны в работе. В V --образ--
НblX. двиrателях часто используются рычажные толх:атели (рис.
9.22, в, z).
для компенсации ВОЗМО 1 :1. . переlCОСОВ между кулачком и 1'0--
ловкой rpиБК080rо ТОJlI(8.теля и ДЛЯ есо проворачивания, что пеоб..
ходимо для обеспечения paBBOMepBoro износа, опорную поверх..
насть выполняют сферической (R==750...1000 мм), а кулачок
коничеCICИМ с yrлом lI8.ICЛона образующей к осв вала 7...15' (рис.
9.22, а). В pJIДe lCонстр I i! TaICoro же эффехта достиrают смещени..
ем ТОЧПI контакта на величину е == 1...1,5 · мм относительно оси
ТОЛICатели (рис. 9.22, а).
Диаметр стержня и длина опорной части ТОJIlCателя выбирают--
ся такими, чтобы удельное давление в СG JDI(ении не превышало
10 МПа. Зазор между стержнем ТОЛICателя и направляющей Hax<r
дится в пределах 0,01...0,08 мм. Смазывание ТОJ]I(ателей осуществ--
ляетс.я преимущественно маслом, стекающим по mтаиrе.
В толкателях ВЬПIолн.яетСJI сферическое rнездо, на которое опи..
рается roловка mтaнrи.. Для I образования ЮIИБОВИДНОI'О зазора
245
.
б
а
Рис. 9.21. КОНClpУКЦИJl
полой mтaиrи (о) и ков..
С1р)'IЦИJI опорвоrо CТ8JIlr
ВОСО Н8Хове 'I:I ' · (6)
I I
! j"
!II:
I .... ,
.
б
а
J
2
з
4
5
в
2
Рис. 9.22. ТОJIl(атели:
IJ
lpиб:к:овЫЙ со
еричеаой опорной поверхвоcrью; 6
рыч
:.:
I
, вып)'I1IьI;; 8
ры:чаж...
ньdt ролиIо вый; z
rид рав.JDI4:есжиЙ (l
:корпус rOЛD.тeJIJI; 2
упор lПТaRrи; j
в вyrpeJfНItЙ
ПОДВ I'J':
ОЙ cnu:aв;
запорвый ЮI8.Пав; 5
воэвраТВ8JI l' . '
.:a)
..
между rоловкой и mездом (рис. 9.22, а) радиус сферы rнезда
,) ВЫПОЛНЯЮТ на 0,2...0,3 мм больше радиса rоловlCИ '2-
На pJIДe двиrателей устанавливают zидравлuческие толкатели,
позволяющие ИСICJПOЧИТЬ тепловой зазор в MrP, типичная конет--
РУIЩИЯ которых приведена на РИС_ 9.22, z.
В современных две для компенсации тenловоrо зазора исполь
зуютс-я mдpокомпенсаторы 3 (рис. 9.23, z), схема ICоторых приведе
на на рис. 9.24..
При верхнем расположении распределительных валов клапаны
ПРИВОДЯТСЯ непосредственно ОТ кулаЧICа, либо через направляющий
стакан 1, перемещаюЩИЙся в стойке 2 (рис. 9.23, а), либо через
одноплечие рычаm (рис. 9.23, б z). Одноплечие рычаrи снабжены
ШIОСКИМИ (рис. 9.23, б) или Сферическими (рис. 9.23, 8, z) ТОJII(а
телями. Расположены они на общей оси (рис. 9.23, б) или на
индивидуальных опорах (рис. 9.23, 8, z). В роJIИ таких опор часто
используются I'идрокомпенса.торы (3 на рис. 9.23, z). ОДНОШIечие
рычarи удерживаются на сферической опоре специальной пружиной.
ТОJIICатели изrотовляют из малоyrлеродистых сталей 15 и 30,
НИЗlCолеrированных сталей 15Х и 2 ОХ, хромоншселевых сталей
12ХН3А и cepozo чуzуна. Опорную поверхность чуryнвых ТОЛlCа
.
246
expert22 для http://rutracker.org
[
а б в z
Рис 9.23. элемеRты привода клапанов при верхнем расположении распределитель...
Horo вала
..
тепей отбеливают. Боковые и внутре :1:1 е повер:хноcrи толкателей
из малоyrnеродистых crалеи цементуют, а из среднеyrлеродистых
сталей закаливают ТВЧ дО HRC 50...60. Опорную поверхность
стальных ТОЛICателей наплавляют nempOBaнньw отбеленным чу..
rуиом.
Коромысла предcrавляют собой двуплечие (рис. 9.25) рычarи.
В двиrателях с общей для rруппы цилиндров rоловlCОЙ коромысла
размещают на общих crальных неподвижпщ осях трубчатоrо сече..
НИЯ, полость В которых используется для подвода IC НИМ смаЗICИ..
Коромысла имеют ПОДlIIИlППlJ(овые втулки из оловяниcrой бронзы.
1
Рис. 9.24. Схема rидpокомпенса--
тора:
1 :кула'UовЫЙ вал; 2 ро:кср; 3 по...
лость ШJyВ][сра, ПОСТ О.JIин Q запо лиtIf!Ч U
xa pтep:fll.Dd маслом; отсс'ЧВое масло,
ВЬJТeа.ющсе в зазор между корпусом
JIЛYlfЖер& и nпyижером; j за.щелк.
о .: :. .. ТCJIИ перем: 11 :I . ШIyВиер&.;
6 КОРПУС ЕомпевС8ТОра; 7 rолово.
двиraТCJIJI; JlJI)'ВЖерi 9--------- об раТRI.IЙ
IЛ3.пав; 1 дера:атсль обратвоro кла..
uая а; 11 возвратно пр " I:" плувже-
ра; 12 камера .ца.влСВШI; lЗ мacnи..
..,
RЬПI :кавал в rолове
8
2
9
13
10
11
J 12
247
Для оrpаничения осевых персмещений коромысел между ними уста--
навливают распорные цилиндричесDlе пружины.
3аrотовки коромысел отливают из чyrуна или штампуют из
сталей 20Х, 40Х, 45. Опорные поверхности подверrают термооб
работке ДО HRC 50...60. Находят npимевение коромысла облеrчен
Horo типа, изrотовл.яемые из листовой стали. Такие :коромысла
качаются около сферической ШIИ полусферической опоры, закреп
ленной на индивидуальной стойке (рис. 9.25, в). На ряде двиraтелей
для уменьшения потерь на трение в опоре коромылаa используется
....
иrольчатыи ПОДIlIИnНИК.
Со стороны mтанrи в коромылоo ввертывают болт 1, который
используется для реryлирования теnловоrо зазора (рис. 9.25, й, б)
и имеет прорезь под отвертку или уrлубление под специальный
ICЛЮч. Реryлировочпый болт стопорится контрrаЙICОЙ. Отношение
плеч коромысла ljlT 1,4...1,75 (рис. 9.25, 6).
При повороте коромысла на некоторый уrол цилиндрическая
поверхность воска :коромысла проск:альзывает по торцу стержни
ЮIапана. Для уменьшения скольжения ось коромысла должна рас..
полarаться так, чтобы центр сферической rоловlCИ наконечника пе..
..,.
ремещался по дyre, распопоженнои симметрично относительно
'"
ПЛОСКОСТИ, проведеннои через ось качания коромысла перпенди
кулярно оси клапана. Возникающая при скольжении сила тре...
пия вызывает изrиб стержня, для уменьшения величины ICOToporo
А J
/
[к
б
...
в
Рис. 9.25. Коромысла
248
.
иноrда в плечо коромысла ввертывютT винт 2 (СМ. рис. 9.25, 6).
В сферическое rвездо винта завальцовывают шарИIC со срезанным
cerMeBTOM з. В этом случае скольжение сеrмеита по затылку lCЛапа..
на чаcrичво Iомпенсируетси ПОВОротОМ шарпа в СНе3де.
Масло х одноплечим рычаrам и :коромыслам, расположенным
на общей ОСИ, ПОДВОДИТСJl по соответСТВУЮЩИМ каналам из внут"
реlШей полоcrв оси. Одноплечие рычаrи на .. J видуалъных опо..
рах смазывают через отверстия, выIIлнеиныe в lCулаЧICах. Ряд
..
КОНСТРУКЦИИ предусматривает ПОДВОД масла от толкателя к: кора--
мылуy через отвер;тие в mтaнre. К рабочим поверхностям КОРО--
мыла,, изображеиноrо на рис. 9.25, 8, масло подводится из масля
НОЙ мarиcrpали 4 в блоке и по осевому и радиальному отверстиям
8 стойке 5. ИСПОJIЬзуеТСJl таюке вариант смазки обоих концов lCоро..
u
мылаa маслом, вытекающим из зазора между по J 111. 11: И1СОВОИ втул"
...
КОИ И осью.
9.4. ПРОЕК1ИРОВАНИЕ МЕХAlШЗМА
rАЗОРАСПРEДEJIEНИЯ
.
ПроеlCТИровавие МП включает в себя несколько взаимозависи...
мых последовательвых этапОВ.
Первый этап определение Ipyra Ф :' 11: ональных задач, 80З--
лarаемых на Mrp, и выбор ero КОМПОНОВОЧНОЙ схемы (количество
и расположение клапанов в 11 I ядре, количество и расположение
распределительных валов, схема механизма их привода, наличие
и пр 1: 11 П функциониров · : I уcrpойcrв pery JIИрования подъема
клапана и фаз rазораспределевия). конструIcтивныe способы реше
пия данных проблем опреДeJIJ.lЮТСJI идеолоrией lCонструкции двиra
rеля: ero типом и ресурсом, IC:оличеcrвом и расположением цилинд..
ров, номинальной чаcrотой вращения, уровнем форсированностн,
способами реrулироваНИJl мощности и формирования заданных
.... ....
параметров внешнеи сжоростном характернст 1. " шIавируемыми
затратами на производство и эксплуатацию, а также потребителъс..
....
кои стоимостью.
На втором этапе параллелъво с ICомпоновlCОЙ КШМ И проработ...
....
КОИ lCонcrpухции камеры сrорания опредеjlJI1OТС.я основные конст..
рупивные параметры МП, такие, IC8.IC диаметры rорловин ЮIапа..
НОВ, мaIcсимальвый подъем клапанов, фаз!'1 rазораспределения на
хара.перных (оroвариваемых в техническом задании) режимах по
внешней скоростной харarrериcrИl(е, а также реализуется профили--
рование lCулачков.
Содержание тpeтъe o этапа составляет отработка конструкции
отдельных элементов механизм(\.
249
9.4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ OCНOBmIX ПАРАМЕТРОВ
МЕXAlПfЗМА r АЗОРАmPЕД
Диаметры zорловин клапанов выбираются максимально допусти..
мыми ИЗ условия возможности их размещения в rОЛОВICе в пре--
делах цилиндра. Суммарная ШIощадъ rорловин впусmых и ВЫПУСК--
ных lCЛапанов двуxlcлапанных MrP составляет 25...40% площади
порmни F п . Большие значения относят IC юатровым и полусфериче
...
сом камерам сrорани.я, а меньшие JL IC камерам дизелеи и :клино--
БЫМ. В трех-- и четыреXItЛanанных lCонструкциях эта величина может
ДОХОДИТЬ ДО 65% F п . Наилучшие ПОlCазатели двиrателя обеспечива--
ются при СОВОКУПНОИ ШIощади rорловин вnyскных lCЛапанов, на
30...45% большей, чем клапанов вьшусIcных.
Достаточность определенных таким образом проходных сечений
rорловин клапанов провер.яеТСJI по первой условной скорости потока
zаЗQ, lCоторая вычисляется из УСЛОВИЯ неразрывности потока в сече..
НИЯХ rорловин одноименных клапанов и в цилиндре (рис. 9.26, а):
1J'/(iufr) cJu. Уравнение получено при следующих допущениях:
рабочее тело н.. " MaeMO; клапаны в rорловинах отсутствуют; по...
ршень площадью F п движетс.я с поcrоянной средней скоростью си.
Здесь iu количество оДноименных lCЛапанов, ПРИХОД -1111 хея на
один цилиндр, с ПЛОЩа,цью проходноrо сечения rорловины каждоrо
fr. В этом случае v'==спFJ(iufr). Для aвToTpaKTopныx двиrателей
с двухклапанными MrP харахтервые величивы v' составляют для
впуcmой I'орловины 50...80 М/С и 10...100 М/С для вьшусmой. В мно--
rоклапанных МП эти скорости удается снизить до значенИЙ СООТ'"
! со ==соnst
а
l Сп ==сопst
б
d r I
d
d.
в
Рис 9..26. К определевию средних условных оростей ПОТО rаза:
(J первой усповвой" скорости .,1; 6 второй УСЛОВИОЙ скор ости ";" . р8СЧS;IJ1U схема до:
JIы1Iипе яи.. проходвоrо се чеllИ- по фаlY С . : : :
250
.
ветственно 35 и 50 м/с., что позволяет существенно уменьшить
уровень rидравлических потерь в систем:ах rа.зообмена и тем самым
увеличить массовое наполнение ЦШIиндра.
Максимальный подъе.м клапана h..л mlХ назначается таким, чтобы
при полностью открытом клапане площадь проходноrо сечения
клапанной щели /клmaх была равна площади проходноrо сечения
rорловивы fr. Это условие обеспечиваетCJl, если величина подъема
клапана составляет hЮJПJ1jх 0,18dr ДЛИ клапанов с уrлом фаски
llф== 300 и m.Yl ::::::O,3dr при а..==45 0 .
Предварительная оценка достаточности принятой величины
h..лmax проверяется по второй условной скорости потока zаза при
максимально открытом клапане v". Она также определяется из
условия неразрЬШБОСТН потока несжимаемоrо рабочеrо тела. При
этом считается, что в течение вcero такта впуска lCJ1апан полностью
....
открыт, а поршенъ движется с постояннои среднеи СlCоростью
сп (рис. 9.26, 6).
Тоrда для i одноименных клапанов с площадью проходноrо
сечения fVl mlX уравнение неразрывности потока запишем как
v"iJЮIШ8Х == сJ'п, откуда v" == сJп/(iJ-лmaJ. в двиrателях с двухклапан
ными механизмами скорость v" для впускных хлапанов находится
в пределах 80...90 м/с и может быть снижена до 55 м/с в МПJ при
трех и четырех клапанах на цилиндр.
Площадъ проходноrо сечения ICЛапава f-л с yrлом фасхи при
произвольной фазе подъема клапана hu определяется как боковая
поверхность усечевноrо конуса (рис. 9.26, в): /u==7Chl (dr+d)/2.
с учетом Toro, что длина образующей конуса h 1 == hu cos lXф,
а d) == dr + 2h 1 sin rl.ф,fIЛ == пhxд (t(.cos tlф +hxлсоs 2 t%ф sin tlф).
Влияние профиля кулачка и пРUIlЯтых фаз zазораспределения на
rазодивамичеспtе показатели Mrp оценивается по средней за такт
zазообмена величине проходноrо сечения ЮIапанной щели и соответ..
ствующей ей третьей условной скЬрости. их расчет проводится при
следующих допущениJIX: рабочее тело несжимаемо, lCJ18.II8JI неП(r
движев и поднят на высоту, обеспечивающую среднее значение
проходноrо сечения, а поршенъ на протяжении Bcero такта впуска
(t....tJ движетс.R равномерно со СlCоростью, равной средней скороcrи
поршпя (рис. 9.27).. Тоrда с учетом Toro, что п==30ro/п, ер==ш'
и (JJ (t K ......... ' в ) == Х,
.1
..
СпaJ ( tK Iв)
"
11.0 ==
Сп
'ж
O':J:
Сп
..... .
....... iI
А'
luп.
..........
iжлп /I01 d,
1
iжл fкл dcp
т
rдеА
' в 9'и
время--сечение lCJ1апана, M 2 JC; ери == (f)t lD ер.. == rot.., рад.
251
h кп тах
t K
А== / h .dt А
к...l
'н
J
2
.... ... 3
".-
"
,.
h кл
3
2
1
о
fPопЗ БМТ
н мт q>залЗ
q>
180 а
onl.2 3(IП I 2
<Рн СРк
t
Рис. 9.27. К определению третьей средней условной скорости при ОДИН8.J[ОВЫХ фазах
и раз I I:I. t прОфИJIИX (1 1) И при ОДИВU:ОВЫХ ПРОфИЛJIX В . I ..:... фазах (1 3)
Характерные значения ю: ДJ1JI eпYCKHOZO lCЛапанз в двиrателях
с двумя клапанами на цилиндр Mrp 90...150 м/с дли ДсИЗ
и 80...110 м/с ДЛИ дизелей. В мноrоICЛапанных конструкциях вели
чина V: может быть повижена до значений 62 и 55 м/с cooтвeтcт
венно.
9.4.2. КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ПРОФИЛЕЙ КУЛАЧКОВ
Для обеспечения .максимальной zидродинамической эффективно..
сти МП желательно, чтобы кулачоlC обеспечивал мrноиеиное ОТК..
..,. ""
рытие, постояв :1. ' махсимальныи выстои клапана и мrпоиенное
есо закрытие. ПрактичеClCаи реализации Taкoro идеализuроваююzо
закона движения клапана привела бы IC ВОЭВИICНовенИIO бесконечно
больших УClCоренИЙ И, следовательно, бесконечно больших инерци--
'"
онных пarрузоlC на элементы механизма в начальнои и lCонечнои
фазах ero движения.
С учетом этоrо задача профилированиJI кулачков может быть
сформулирована ках синтез таких профuлей. которые обеспечивали
бы наибольшую zuдродUШlМUческую эффективность MFP при пpиe
лемых дUJ«l.Мичеcкux 1f.OZPY3KQX на элементы привода клапана.
rидродuнамuческая эффекmuвнoсть пpoфuля кулачка оnpеделяет
си законом изменении проходноrо сечения lCЛапанной щели fIOJ за
время соответствующеrо такта (впуска или ВЬШУСICa) И оценивается
fh:
1
параметром время..сечение А == /u dcp. При задании yrлов ер. И
m
СРК В rpaдyca.x
252
9':в
.
h
1t
А== fклdср
180ш
...
ИЛИ, С учетом ro:=7rnj30,
h
1
А == 1м drp.
6п
ti'в
При табличном задании зaICОна ЩJЮtreНИJil время--сечение опреде--
JUleтCJI приближенно:
h
1 1 180 а А", i N .
A== f-лdср';::j LfuAcp LfЮli,
611 611 О" 611 i.. О
h
rде N количеcrво участков с постоянной yrловой длительностью
AqJ, на которые разбиваетСJI соответcrвуlOЩИЙ такт са.зообмена;
Аср== 180 0 /N.
Уровень динамuческой HazpY3ICe1IHOCти элементов Mrp опреде...
ляется величинои и характером изменения по времени сил, воз--
никaIOщих В rазораспределитепъном механизме при работе двша
теля. Интенсивные динамичеamе нarрузки способны нарушить
работоспособность конструкции Mrp не только вследствие воз..
.
...
ник:новения в ero элементах опасных для прочности напряжении.
Они MorYT ЯВИТЬСЯ также причиной возникновения в упруrой свете..
ме механизма uнmeHcив11ыx резонансных колебаний, которые MOryT
ПРИВОДИТЪ IC сущеcrвенным искажениям закона движения ЮIапана
по сравнению с задаваемым профилем кулачка. В предельном слу
чае такие колебания MOryт стать причиной потери контакта между
элементами Mrp нарушеВИJI (разрыва) ICИнематичecICОЙ связи
между ними, а ТВЮlCе разrерметизации внутрициливдровоrо про..
странства.
tI
9.4.3. J I I ' I J · oro МЕХАНИЗМА
r АЗОР АCIIPЕДEJIЕНИSi I
Основными расчетными нarрузками, определяющими KOHCТPYK
""
цию и уровень динамичесIC:ОИ нarружеНБОСТИ деталеи ICлапанноrо
механизма, ЯВJllllOТСЯ силы инерции P jIOl , упрyrости пружины Р пр,
давления rазов Pr (рис. 9.28). ·
253
lK
Р пр
Pr. кл t
а
I K 4
JKoP
.. 1)( Р пр
1 к == ............
'т
ру
т шт
IjJ(Jl
m кл
.клt
б
Рвс. 9.28. силыJ действующие в мп д.ла следующих схем прввода клапаниоrо
механизма:
...
а сдвопл е'Uli рычar; 6 двуплеЧИЙ pычar (:коромысло)
Силы инерции возншс:ают вследствие перавномерноrо двmкe--
пия элементов Mrp. Качественный анализ IC:ШlемаТ..1 клапана
свидетельствует о наличии в характере ero движения чередования
фаз разrона и замедления. ВОЗНИlCающие при этом знахоперемен--
lПdе СИЛЫ Шlерции р jжл == ..... т..лjжл В силу реЗlCоrо изменения их
направления на стыке этих фаз JIВЛЯЮТСЯ мощным фахтором,
способным спровоцировать интенсивные резонанСllЫе колебания
в ynрyrомассовой сиcreме МП. для их расчета необходимо кро-
ме знания законов движения элементов механизма, определяемых
ПРофШIем кулачка, ш..tетъ сведения об их инерционных харак--
теристю:ах. В прахтmcе проектирования МП при расчете PjvJ дей
..., ....
crвительныи механизм заменяется динамически ЭlCВивалентнои ему
моделью, представляющей собой систему абсолютно жестких Heвe
coмых элементов, которые движутс.я с кинематичесlCИМИ парамет..
""
рами замещаемых ими деталеи и имеют массу "'z.N.Ж, сосредоточен--
ную на клапане. Приведенная масса определяется" из равенства
юmетических эверrИЙ реальноrо Mrp и ero эквивалентной модели
(рис. 9.29):
254
.
w эn ==};w 3JICМ == W кл + w.... p + Wэв.м+ w cт + Wпр+ Wжор+ W шr + W T ,
."де W 3D == 1/7!"na.V ; W кл == 1/ 2Iпжлv :Л, W пр == 1/ 2 щ.. р V:Л; W эам == 1/ 2 т-мV:Л;
w ст == 1/2 :Л; W пр == 1/ 2 (2/3т.ч,}v:Л; WJl:Dp == 1/ 2 JжорOJ:О р == 1/ 2 JJl:ОРV:л! I ;
1
W mт == 1/ 2п1шrv :; W T == -ттv: соответственно ICИНетическая энерrия
2
...
Jквивалентнои системы и ее элементов, :клапана, тареЛICИ, зам..
ковоro устройства, стакана, пружины, коромысла (рычат),
Iптaпrи и ТОJII(ателя, rде JJl:Dp момент инер IBI lCоромысла OT
Ilосительно оси ero вращения, Ш кор yrлова.я скорость lCopoмыc
па. Здесь кинетическая энерrия пружины определяется ИСХОДЯ из
следующих допущений (рис. 9.30): масса пружины равномерно рас-
пределена по ее длине 1; скорость движения элемента пружи
Ilbl пропорциональва ero расстоянию х ОТ : . : ero неподвижно..
ro ее торца. В этом случае элемент ш, наХОДЯЩИЙСJl на paCCТOJl
нии х от onopHoro торца пружины, имеет массу tlrппp==щ.pdx/l,
скорость V,,==fJю.(х/1) и ICИВетическую энерrию dW,,==1/2tlrппpv ==
== 1/ 2111прv :J..х2/1 3 )dx. Полная пmетическая энeprия пружипы W пр ==
1
== dW" == 1/ 2 (2/31nup)v:Д. После подстановкв. в исходное уравнение
о
т WT
Lr I K
J kOp
т .Ji..'d
т тар
m кл
I
т
K.\t.K
.1
п1r
"
r
Рис. 9.29. К приведеввю масс rА.зораспределите.льноrо механизма
2SS
V .1
...
....
выражении, определяющих ICИнетичес..
..,
кие энерrии эквивалентнаи системы
и элементов механизма, с учетом оче..
видноrо соотношения Vжл/V т == lJ lT по
пучим
1п:к..NJ. == Iпжл + т т8р + пIUМ + пICТ +
+ тпр/3 + JKop/l! + (m.ш + mT)/i!.
........................
'v
На начальном этапе проехтирова...
ния для задании масс деталей Mrp
используются статиcrические данные.
Удельная приведенная масса клапанно...
ro механизма, определяемая как масса, приходящаяСJl на единицу
ШIощади rорловины BnycКlloro lUIапана, Щ.мж==тк.мжlfп НОСИТ назва
ине конструктивной массы MrP. Ее crатистическа.я величина дЛЯ
МП с непосредственны.м приводо'м составляет 200...300 п /м2,
а с пpuвoдo-м через толкатель. штанzу и коромысло 400...
500 кr/M 2 .
В соответcrвии с ФУНКЦИОНальным назначением пружины жлапа...
на ее упруzая сила Р ПР должна обеспечивать Пlнематичес:к:ую связь
между lCЛапаном и элементами ero привода, lCоrда ВО время фазы
замедлеНИJI отрицательная сила инерции стремится разорвать эту
СВJIЗЬ (рис. 9.31), а TalOI(e удерживать СШlой своей предварительной
деформации РО клапан в захрытом положении в процессах rазооб..
мена.
Неразрывность пmематической связи lCулаЧICа с элементами при...
вода обеспечивается, если в фазе замедлевия: Р пр == /cJ'p еде k3
коэффициент запаса, учитывающий возможное превыmение номи'"
нальной частоты вращения двиrателя ОТ n'OM ДО "та.: И вибрацию
ВИТICОВ пружины. Ero значение находится в пределах == 1,5...2,25.
Меньшие значения k3 ОТНОСЯТСJI J( две с оrраничителем частоты
вращения.
Для пружив с линеЙНой характеристИlCОЙ зависимость ее упрyrой
силы от перемещения клапана может быть записана в виде Р fIlJ ==
==Ро+Спр"ц, ('де Спр жесткость пру:жины, Н/М. Тоrда предвари
тельная деформация npуживы 10== Ро/Спр, а ее ма:к:сималъная вели
чина /mп. == р ирmвxl Сир ==fo + hклm&х.
При известных величинах Р пр tnах , и. И Ро можно определить
необходимую жеспсость пруживы: СПР==(Рlf1Jmax РО)/hvunах.
М аксu.мальная ynруzая сила пру:жины Р If1J rn8X == kJ' jmb. == kPJnajклшп.
В фазе замедленияjжлШI.X имеет место в ТОЧICе, rдe tJ кл == О, Т. е. в точке
Bepxвero выстоя при hu == hu tI'l. .
Рис. 9.30. К определению при..
""
ведевнои массы клапаниои пру--
': : 1.
256
РО
р пр тах
р пр тах
IP'LK
О /ОН
'Рк /ОН
h кл тах
а б
о
Рис.. 9.31. Зависимость изм:евеНИI: сил в MrP:
Il or yrna поворота IJ8Cпрепе.пвтельвоro вал&; 6 от хода :кл апа.на
Упруzая cuлa пpy3ICUНЫ от ее предварительной дефор./Иации РО со--
oтвeтcrвyeт "ю. == о (:клапан з8.Icрыт) И должна быть достаточной для
удержания в з8.IcрытмM состоинии:
1) выnускноzо клапана на такте впуска в двиzателях без наддува,
коrда на XJIапан действует стремящаяся oTxpыть ero СШIа Рr.вып
1t А2
== 4 (ртр р,J"r.8WП' ['де 4. -нп диаметр rорловины въшycmоrо lUIana
на; рт Ртр давления в цилиндре и :выпускном трубопроводе. В ди
lелях сила P r . 8WJJ махсималъва на режиме максимальных частот
нращения; в ДсИЗ на холOCf'!М ходу при максимально прикрытой
)(росселъвои заСЛОВICе;
2) sпycкнozo клапана на такте выпуска в двиzателях с наддуво./И,
коrда на :клапан действует стреМJIЩаяс.и открыть ero сила Рr .п==
1t
===4 (Р. р,)llx -п, ['де 4.-п диaмerp rорловины ВПУCICНоrо ICЛапана; Р"
.
Р... давления в цилиндре и впускном трубопроводе.
Необходимо отметить, что пружина имеет наименьшие rабари..
rbl при fmax!fo == 2. для автотракторных двиrателей данное отвоше..
ине обычно нахОДИТСЯ в пределах 1,6...3,2. При ero выборе необ..
ходимо проверять вьшолнение условия Ро> Рr-8ЫП для безнадцувных
две и Ро>Р r . вп для двиrателей с вадцувом.
При использовании в клапанном механизме двух пр ужин их
характериСтики должны выбираться тaкимJ, чтобы :ВЬШОJJВЯЛИСЪ
условия:
р Jф_1IВ + р Jф.JI == Р О при h.л. == о;
р Dp I1'UlЖ ВJI + Р Jф fПАУ. 8 == Р пр maх при hжл == hжл rnu .
Максимальная сила наружной пружины определяется жак чаcrь
общей ynрyrой силы Рпр m8JI. в==kПРРЬр m А . , а максимальная сила, Harpy..
257
жающая внутреннюю ПРУЖИIIУ, Рпрmaxвв=:(I /с..р)Рпрmах. Обычно для
aвToTpaкTopных двиrателей kщ, == 0,55...0,65.
Силы давления zйзов Pr действуют только на полностью закры"
тые клапаны при наличии перепада давлений на ero rоловке. Эти
...
СИЛЫ MorYT стремитьс-я открыть клапан, противодеиствуя при этом
силе начальной деформации .пружины РО. В начальные моменты
...
открытия клапанов силы давления rазов деиствуют в том же напра..
влении, что и ynpyme силы пружин, дополнительно нarружая при
этом элементы привода. Наибольшее значение эта сила имеет 8 MO
7t
.мент начала открытия выпУСКНО20 клапана: Р rшaх == 4 (рь Рr)d ;'fПJП , rде
dr.вып диаметр rорловины ВЬШУСICНоrо клапана; Рь, р, СО ОТВe-fСТ"
венно давления В цилиндре и В выпускном трубопроводе В MO
мент начала OТICpЫТIUI BъmyCICНoro клапана (по индикаторной диа
rpaШde ).
9.4.4. УПРYIИE КОЛЕБАНИЯ В МЕХАНИЗМЕ
r А30РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Совокупность элементов MrP представляет собой упруrомас...
'" ..,
совую систему, в КОТОрОВ деиствуют периодически изменяющиеся
факторы, возбуждающие В ней ynpyrие колебания.
Упрyrие деформации деталей ПрИDDда ктшана " накл. Н. ':a
ЮТСЯ на ero перемещение, задаваемое законом движения толкателя
h.r" (рис. 9.32, а), и в результате h-..л,, ("т,,+ ,,)/iж.
Так как наибольшее значение амплИТУДЫ вынужденных lCолеба..
.., "
нии достиrаетс.я при резонансе, ТО для оценки искажении движения
клапана необходимо определить Ша частоту собственных коле..
баllий упрyrой системы МП, ВЫЧИСЛИТЬ амплитуду возбуждающеzо
фактора на данной частоте, а затем рассчитать амплитуду yпpyzux
деформаций.
При решении данной задачи механизм rазораспределения заме..
няют динамически эквивалентной ему системой, состоящей из (РВС.
9.32, 6):
. упруrоrо элемента с жеспостъю Сир, (Н/М), имитирующеrо
клапанную пружину;
. элемента, фИlCсирующеrо приведевную 1( клапану суммарную
жесткость деталей привода клапанноzо механизма С шс , (Н/М);
. приведенной к :клапану ЭК8ивалентной массы подвuжных дe
талей Mrp (клапана, пружины, коромыла,, штанrи и толкателя)
т....N.J:, кr;
. демпфирующеrо элемента, Иt.rmтирующеrо веобратимые поте..
ри в механизме, обусловленные внутренним -трением и трением
между элементами привода, с к.оэффициeumo-м потерь " (н · с/м);
258
I k
11
h клЧJ
!
J KOp ; ткор;Скор
Ll улрfP
,
" q>
....
С пр
t h.m'P
<р
т лр
h lUl .,
hтЧ'
тI<.J1
т шт , С ШТ
т
., К. М.К
hytpt
ч>
т т
t h Ttp
<O
Ю
а
б
Рис. 9.32. Формирование модели Mrp ДJlJI оnpеделеllИJl ero .о;ива.мичесЮIX хараж..
терИСТИIC:
а ............ схема ДС Ййви-reлъ воrо М 9. АН иЗм а; 6 ЭdИ8 ал eJn Jl 8JI дииамИЧ:ecIU одвом а.ссова.а
модель
. кулачка, задающеl'О толкателю закон ero подъеМа, Itr", м.
Числовые значения этих парамеТРО8 определяютс.и из общеrо
... .....
условия эквивалентности .-r равенства ПОЛНЫХ энерrии деисТВиТель....
.... ....
нои и эквивалентно и систем.
Равенство их потенциальных энерrий (полarая клапан и толка
телъ недефОР1Wlруемыми) имеет место, если
СшrС хор
Сп..к.м == 2 ,
i.. Скор + С шr
rде С шr , C IOP жесткость штанrи и коромысла, Н/М.
ВеЛИЧШIа m... мж вычисляется из условия равенства кинетической
нерrии:
1 Jжор 1 т mт 1
ffJ ==пr + + + +"'
.. .ж .. з · · wnp I; 3 Р:а: + C'wт/( i:а: С щJ]2 .. -т ;;'
&1 ""
rде т-жл масса клапана и детален ICрепления клапаннаи пружи--
ны, жr; 1ппр масса lCЛапанной npужины, кr; Jж.ар момент инерции
коромылаa относительно оси есо вращения, жr. м 2 ; muп масса
штанrи, кr; т т масса толкателя, Kr.
В связи с тем, что силы rазов, действующие на клапан, несущест...
пенио влияют на динамику Mrp, условие равновесия сил, прило--
....
женных IC эквивалентвои системе:
259
р пр" + Pjtp + Р упрtp р orп:. == О,
rде Р пр,,== РО+ СщАл" усилие, развиваемое lCJIапавной пружиной
при подъеме lCJIапана па величину h I1l ,,; Р j ,,==т--мж.(d 2 h.л,,/dt 2 ) сила
инерЦИИ ЭDИВалентной массы N.)[; Р упр" == СП.JI:..N (hu" huo,,)
упрyrое усилие, возникающее при деформации деталей привода:
h I1lo " == hr"i)[ перемещение lШапана в предположении, что элементы
системы абсототно жестlCИе: Р пот" == (dhxл./dt) сила неynрyrих
....
сопротивлении механизма.
Из приведенноrо уравнения после алrебраичеасих преобразова
....
нии получим
d 2 Jn" dh..л" ( .
пlxx.)[ 2 + + Спр + CJЦ.м)hц" == СП'ж'Nlжhт" р о.
dl dl
Рассматривая правую часть уравнения жак независимый силовой
фanор, возбуждающий упруryю систему, F,,== CILLNiA" (здесь по..
crоянва.я сила РО опущена, 1C8.IC не ВJШяюща.я на колебания линеЙНой
системы), получим линейное неоднородное дифференциальное урав--
нение BToporo порядка. Учитывая периодичность (период 1) 80З'"
буждающerо СШIовоrо фаICТора F" и полarая, что подавляющая
часть энерrии упруrих колебанИЙ сосредоточена в зоне резонанса на
частоте собственных жолебаний системы СОО, сведем задачу расчета
амплитуды упруrих деформаций IC расчету ампЛИТУДЫ вынжден"
ных жолебаний при действии па эжвивалентную систему толъжо
zapAtOHUKU СUЛО80Z0 фактора с частотой (JJ == то.
Решение этоrо уравнении для случая свободных жолебавий (без
правой части) определя ет собственную частоту колебаний MrP
с.йо == ..; ( Спр + CIL /т.. .
Амплитуда rармонихи возбуждающеzо фактора F(] с частотой
n == k2п/Т == СОО определиетси жак амплитуда k..й rармовики ряда Фу..
рье фуmщии F(t)"'F,,:
т
т
Fn== J A l+Bf; АА:;== 2 F(t)cos(krot)dt; BI;== 2 F(t) sin (krot)dt.
т т
о о
Для четырехтактноrо две номер ближайшей ж OJO резониру
ющей rармоники возбуждающеrо фактора k==int(roo!roA:;). е учетом
Toro, что F", == СП_)[.Niжhr"" а подъем толкателя hr" 3!\дается в таблич
ной форме в виде совокупности значений, соответствующих различ..
ным yrлам ПОБорота кулаЧICО80rо вала, интеrралы Коmи, описыва..
ющие Ak и B/t, опредеЛЯЮТСJl приближенно: ..
260
2 i-N 2 i-II 2
A-k == CILZ.Ni. L "т, cos k i ; Bk == Сп..:.м i ][ L "т; sin k N 1t i ,
N i-O N i-O
еде N 6 lCоличеcrво разбиенИЙ yrповоrо интервала ICрИВОЙ подъема
клапана с ПОСТОЯIIВЫМ шarом АЧJ, АqJ==З60 0 /N; i те.кущий номер
табличноrо значения Fo.
Амплитуда резонансных колеБШlий lCЛапанноro механизма
Р()
.АупрО == .
Шж
9.4.5. СИНТЕЗ ПРОФИЛЕй КУЛАЧКОВ
ИСХОД:I.I I параметрами ДЛЯ синтеза кулачков любоrо профиля
являются:
. мaICСИМальвый подъем lCJIапана h ЮJ mах ;
. фазы rаэораcnpeделевия (yrлы опережения открытия (fJоп.вп,
СРОП.81DJ И закрытия CfJэu.вп, CfJ3U.. -чu ВПУСlCБоrо и ВЬШУСXllоrо lCЛапанов);
. величина теШ1080rо зазора ho: ДШI впускных клапанов ho ==
==0,25...0,35 ММ:, а для выпускных ho==O,35...0 ,50 мм;
. передаточное отношение ШIеч коромысла i.==IJLr.
На их основании определяются:
· yrол дейcrвия кулачка ({Jo==2(qJou+ 180+ )/1:;
· максимальная высота подъема то.шсателя hrm.х == iж;
. теШIОВОЙ зазор со CTOPOВbl ТОЛICател.я h Or == holiж;
. частота вращении кулаЧICа C1Jz==2w.o.,./T.
Из условия обеспече :I достаточной иэrибной жесткости рас..
пределительвоrо вала в пролете между опорами определяеТСJI ради...
ус начальной окружности кулачка ro==(1,5...2,O)h u m .. .
для корректировки профиля на возможную температурную де..
формацию деталей МП радиус окружности затылIca кулачка '. вы..
по 1: : I . Т меньшим на величину reпловоrо зазора и СОПрJll'ают
с рабочим профилем на переходном учаcncе по параболе или свете...
мой дyr r.==ro......hoт (рис. 9.33, а).
При профилировании кулачков автотракторных двиrателей в на..
CTOJIlЦee BpeМJI используют два метода:
. профилироваиие по заданному заж;;,ну образования профиля
КУ лапа;
. профилирование в соответствии с задан :1. I I законами ero
клапана.
Первый метод позволяет получить npoфили сравнительно тех..
нолоrи '1: · ,. :к.улаЧICОВ, тах как 'ПРофиль кулачка при этом образуется
систеМОЙ сопряж:е :1.1.' между собой дус окружностеЙ различной
261
а
hy ",и '(
'.
h T та)."
а
б
в
Рис.. 9.33. Профили JL:УлаЧIОВ:
Q. В. 1. IФ .-r; 6 т :1 ;..;:.I. алы ll.lй ; " воrвyтьtЙ
кривизвы. Однако этот метод не позволяет добиться сIcолыcви
будь оптимальноrо сочетания хороших rазодинамичеспх (время
сечение) и динамических (силы инерции) показателей MrP. С ис
пользованием данноrо метода профилировались mироко распрост...
раненные ранее выпуклый трехрадиусный. вozнyтый и maнzенциаль--
.,.
ныи кулачки.
Кулачки выпylcлсоo профиля MoryT использоваться с тобым
.... ..... ...
ТИПОМ толкателеи, в ТО время как воrнутыи и ташевциалънLIИ
работоспособны только в паре с РОЛИlCОВЫМ толкателем.
Второй метод не Н3.ЮIадывает оrpаничевия на закон образова
пия профиля lCулачкз., вследствие чеса. предоставляет большие воз
можнocrи по оптимизации покаэателей MrP. СпроФИЛИРОlJанвые
ЭТИМ методом купаЧICИ по параметру (<время сечение» не уступа..
ют, а в ряде случаев превосходят lCулаЧICИ, спрофилированные по
первому методу, но при этом обеспечивают плавное и непрерывное
изменение ускорения клапана, что способствует снижению интен"
сивности ударных взаимодействИЙ элементов в MrP и уменьшает
в 8.: I е lCолеба:1 l' привода механизма на ICИНематиlCУ клапана. По
этому методу профилируются кулаЧПI современных двс, вазыва...
емые безударными, например кулачки Курца и (nолuдайн». Однако
следует отметить, что ICyлаЧICИ T8JCOeO профиля более сложны В про--
изводстве И, следовательно, более дороrи.
ПРОФИJIИPовавие _ьmyклоrо трехрадиусвоro в тaвrевцlULllЬИОСО ку..
лаЧКО8. Построение профиля кулачка производят ИСХОДЯ из взвеет..
ных величин hrm.x , СРо, То, т" и задаваясь величиной Т2===2...8 мм (рис.
9.33, а) из условия сопряжения ero с дyrой переходной окружности
определяют ее радиус
+ fil.... иоа cos tppJ
'1== ,
2(то '2 ........ а со! tprJJ)
еде а == "тша.. + То Т2; ЧJрО == ({Jo/2.
262
.,.
Кулачок с тaвreнциалъным профилем JIВJIЯется чаcтвым случ& ;М
выпycJIоrоo трехрадиусноrо кулачка при rl == 00, ЧТО возможно Пl ,и
rO r2 acos lppIJ==O и
COS
r2 == ,0....... hx mlX ·
1 ....... СОВ CfJriJ
Расчет nараметров двu:жения пAOC1(OZO толкателя при рабо
те с в трехрадиусным кулачком ПРОИ3БОДИТСЯ дЛЯ двух
учаcncов:
. ]..й участок контакт хулачха с толкателем в пределах дyrи
АВ переходвой ОКРУЖНОСТИ при yrле поворота кулачка О CPa. ЧJ aua. .
Здесь
ot
'1 .......,2
,
.
. а SJП Ippo
ЧJ CnnJlI == arCSln
а yrловая скорость ICyлаЧICа CL1ж== drp,Jdt. Параметры движения ТОПICа
теяя: hтl == (rl То) (1 cos CPJ перемещевие, VTI == (rl То) СОЖ sin ера.
скорость И jTl == (rl то)ro: cos ера. УСlCорение;
. 2---й участок ICОВТПТ к:улаЧICа с толкателем в пределах дyrи
ВС окружности при ero вершине. Кинематические параметры толка
теня на втором участке ПРИНJ.lТО определять, отсчитывая yrол пово..
рота ICупаЧICа ОТ положения eepxнezo выстоя в направлении, обраТ....
НОМ вращению кулачка. Утоп поворота КУЛ8чха при этом изменяет..
си в пределах О ер fJ qJfJ rnч , еде qJ fJ ш..х == qJPJ 'Pfl 1JUIX ; ro.z == dep /11 dt. Пара
метры движения ТОJIlCателя:
hx2 == а cos ер JJ + Т2 ТО; V Y 2 == а щ; sin qJ р; j.a == aro: cos qJ р.
Расчет параметров двuженил ролuковоzо толкателя при работе
с.. танrенциальным. lCулачхом ПрОR3S0ДИТСИ для двух учаспсов:
. 1...й участок ICOBT8JCТ ICУ паЧICа с роликом в пределах переход..
ной ПРЯМОЙ АВ при yrле поворота хулачха О<tpcr<tpа mч - Здесь
.
QSlDfJJJ10
ЧJII. ТfUJХ == arctg ,
'0+'
('де r радиус ролика, а уrловая СlCорость lCулачха m..==dcptl/dt.
Параметры движения ТОJIlC.ателя:
("0+,)(1 costp.J (rо+,)ш. sin<OCI. (ro+r)w:(l +sin 2 tpcz)
hxl == ; VTl == 2 ; .Jтl == 2 ;
СО! 'PtI «:05 ера cos Фа
263
. 2 й участок lCohtaIC-r с роликом в пределах дуrи ВС ОКРУ" ,
жности при вершине кулачка. Кинематические параметры толка..
теля на втором участке принято определить, отсчитывая yrол ПОВО"
рота кулачка от положения верхнесо выстоя в направлении, обрат..
ном вращению кулаЧICа. Уrол поворота кулачка при этом изменяет...
ся в пределах О qJ,:::: qJ fhnaп r де qJ plJJJ1.X == qJpO (fJtzt1JJl.X; СО.&: == dqJ ,/dt . Пара..
метры движения толкателя:
.
..11 й: тп 2 ЧJfJ
"т2==а cos tpfJ+ (ro+r);
й.
2
V T 2 ......... асо..
. аl sin2"1
Sln tpft+ ;
2.JI й: sШ 2 qJfJ
. 2 Ql cos щ,+а: sШ" ЧJfJ
JT2 == ........ аw ж COS tp fJ + ,
( . 2 3/2
1 1lI S1П qJ,)
еде а) ==a/{r+r2).
На рис. 9.34 представлева срафичесlC8.Я интерпретация законов
движения ТОJIКателей с рассмотренными выше про филями lCулач..
КОВ.
ОБЩИl\f недостатком кулачков, спрофилированных по перво..
му методу, являercя скачкообразное изменение ускорения (а сле.-
довательно, и сил инерции) при переходе от фазы разrона IC фазе
замедления. Это ПРИВОДИТ к появлению <<мяrких ударов» в ме..
ханизме, проявляющихCJI тем в большей crепени, чем выше
уровень ero наrруженности инерционными силами. В связи с от..
меченным такие кулачки затруднительно использовать в две
с nВOM> 2000 ldИII 1 .
DРОФВJIИPование безударвоrn кулачка Курца. При профилирова..
вин кулачка Курца исходным .являетс.я закон изменения ускорения,
представляющий собой неразрывную функцию без так называемых I
<<МЯnCИХ ударов». Криваяjт==!(f/Jж) формируетс.я (рис. 9.35) последо.. I
нательным набором кривых:
. на участке сбеса фо 1/4 волны косинусоиды; при этом вы6и
рается теШ10ВОЙ зазор ho, а скорость толкателя доcтиraет величины
VтОж, :мм/rрад;
. на участке положителъвых ускорений рабочеrо профиля: ФI
1/2 волпы синусоиды;
. на начальном участке отрицательнЬ,IX ускорений: Ф2 1/4
ВОЛНЫ синусоиды;
264
(1)1\
j"Jt
....
"-
,
,
+ ".
1-'1
V T
ер....
а
' l Ily
Il y
x..... .
T yJT
11"
,t",
" х....., ..!
, ".Т
" '""
, ....... fn
, " y
-
Jy
'Р к
J 2
...1. 3
. ..:.1-
.
I I
СР8\
(а)
'Р к
.. <!3)
X"'X--x x
11 ()эаза
ер.
r фаза
.... ... ... - ... ...
.....
....-.
13==0
в
<1>0 'Р",
Ч'рtl':::::: т
б
Рис. 9.34. КивематичесJ[llе параметры MrP:
а схема Nехsuпr зма; 6 l1Иcm.f ость ПepcN сщеииs c:EOpo lB и ya o ... Ю1апава по yrпу
IloвopoTa :кулачu.; 8 cpa ввcВJI e .ии ема IИК;И ТOJUатслei с ; .11 1. ., (1), вor&yIым (.1) и Taвrcв...
II : 1. :1. I (1) профИЛDrlИ при одинаковых подъемах в yrпax ДclCТВJg
. на ОСНОВНОМ участке отрицательных ускореНИЙ: Ф] часть
IlараБОЛЫII
При синтезе профиля жулаЧICа данноrо типа исхо J 1.1. I парамет--
"'" "
рами ЯВЛЯЮТСЯ: yrол деиствия кулачка ера; мак:симальныи подъем
[о ша тели hr rrutx ; CICOpocrL толкателя в конце участка сбеrа IJ ==
== 0,008...0,022 мм/rpад; относительная длительность участхов раз
.'она и замедления: Ф.==(О,33...0,61Х Ф 2+Фэ), Ф2==(О,1...О,25)Ф], lpo==
=2(Ф. +Ф2+ Ф з)' рад. ,1
При выборе величин Ф.+Ф 2 +Ф] необходимо учитывать, что
'-ем короче участок положительных ус оренИЙ Ф), тем больше
«время , сечевие» lШапава. Однако при этом возрacrают макси
"'"
мальные значения положительных ускорении, ЧТО ПрИDОДИТ IC росту
J{инамической наrpуженноcrи элементов MrP.
Уравнения, определяющие характер изменения ускорения на
()тдельнЫJ. участках движения кулачка:
26S
11 т
I I I I
i
...
.....
I 1I I
":J. :!.t
N ,....,
I L." ....
..... ...::
I .
I
О
с t:pK
..:::
V y
I I
S
:t'"
;..
11 11
:..r:
I :at ..... .
f""'1
J...
::-:
О I
I I I I
I
- I
/т I
I
I
I I . I I
I
I ;;,.о
I
...
1- 1t:
I
. I
I . I I I
I
I
О 'Р кО I СРК
,
Ф О Ф. Ф)
Рис. 9.3S. rрафИПI подъема hт, Ckороcrи " Т И УCJL:ореНИJl iT т0ЛК8.тe.JIJI кулачка,
спрофилироваивоrо по методу Курца
· на участке сбеzа кулачка (О tp:ко Фо) ·
j-Jf) m:. ho
7r: 2. 1t
cos ({JИJ;
2Фо
. на участке положительных ускорений (О СР..1 Е; Ф.)
· 2 С
JTl == (0:1: 12
2 n
.
S1D СР...1 ;
ФI
. на первом участке отрицательных ускорений (О ({Jж1 Е; Фi)
· 2. С
}т2 == ......... Ш][ 22
2 Jt
.
Sln fPжl;
2Ф2
.,...
· на втором участке отрuчam ельных ускорений (О Е; ({J..э Ф])
.
266
jтЭ == ro: [2С Э2 12С зl (Фэ срю)2].
Коэффициенты С 11 , C 12 , С 21 И Т. д. рассчитываются из равенств
'" v ....
соответствующих перемещении, СlCоростеи и ускорении на rраницах
....
сме :... участков, записанных в виде системы из шести уравнении.
Так как в вей содержится семь неизвестных коэффициентов, ТО дЛИ
ее решения необходима дополнительная зависимость, характеризу--
ющая форму отрицательной части кривой ускорения Z jTa.UT3"',
значение :которой обычно npинимают близlCИМ К '/в.
Выражения для расчета пути и скорости ТОПICателя получают
'"
интеrpированием по времени выражении, определяющих ускорение
на рассматриваемых участках.
Уrловая длительность учаспса сбеrа Ф О определяется по прин.я--
той величине tJIiD- Та.х как скорость толкателя на этом участке
Фomж.
I1тО1: ==
hxodt == h7fJ 11: sin 11: fP-.fJ,
2Фо 2Фо
о
ТО В конце участка при CfJИJ == ФО
11ng == hтom..: тr /( 2Ф о) и Ф О == hлJClJж1С/(2vIOJ.
Правильвость выбора исходных данных проверяется по соответ--
ствию рассматриваемых хинематичесlCИХ величин на cтыlcx участ...
КОВ. для перемещений и СlCоростей они не должны превыштьь
0,0001, а для ускорений 0,001.
К достоинствам кулачков Курца следует отнести возможность
их работы с ШIОС:КИМ ТОJIlCателем.
Кулачок, спрофилированНЫЙ по методу Курца, не учитывает
упрyrие деформации привода клanанноrо механизма и обычно при..
меняется в механизмах с непосредственным приводом lCЛanанов.
ПрофВJlRpOваине безударвоro кулачка по методу «JJолвдаЙН».
В МП, в lCонструхции ICOToporo имеются элементы с повышннойй
податливостыо (mтaвrи, коромысла и т. д_), кулачки целесообразно
профилировать таким образом, чтобы они tJбеспечивали lCоррекцию
w
искажении закона движения клапана, возникающих вследствие уп..
рyrих колебаний привода. -'
Наибольшее распространение в практике двиrатепестроения для
реmения данной задачи получил метод профилирования кулачка,
" "
называемыи методом <<полидаин».
В этом случае необходиМЫЙ заков подъема lCЛапана задается
полиномом
267
hzл. == hПlmaа. 1 + С 2
2
+С р
+С '
qJ q tp r
+С, +С.
,
fPPO
а требуеМЫЙ для ero воспроизведения закон перемещевия толкателя
hr", учитывающий наличие упрyrих колебаний привода, опредe.rnr:--
ется на основании дифференциальноrо уравнения движения элемен--
roв МЛ' с учетом их податливости (СМ. разд. 9.4.3):
d 2 hж " dhжл" .
т..-м-к 2 + , + (Сор + Сп.ж.м>hu. == Сп.ж-мiA" Р.
dl dt
Полarая отсутствие в системе веупрyrих потерь ( == О), а также
учитывая, что t == CJJДJ., после преобразовавий получим
1 РО C'up+ 2d 2 Ju.
hт" == f(hжл,,) == С + с + т...M dtp2 ·
J ж 1L:I:.J4 п..:к.:м: :1:
Подставовка в это уравнение полинома, описывающеrо ,
дает закон перемещевия толк:ател.и hx" == f( epJ.
Соответственно скорость Ют" И ускорение jT9 толкателя MOryт
быть получены как производные по времени от hx,,==f(cp.).
Усол ер.. в интервале fPrJJ ер. о отсчитыва.ется от точки верхне-
ro выстоя кулачка.
Параметры р, q, r, s .являются последовательностью членов
возрастающей арифметической проrpeccии с разностью (p 2). При
больших р увеличивается время сечение, но возрастает макси..
мальное значение положительных усlCОрений. Поэтому для :кулач--
ков МrP быстроходных две принимают значевияр==6; 8; 10, а для
двиrателей относительно ТИХОХОДНЫХ р == 12; 14. По извеcrиым вели--
чинамр, q, т, s определяются коэффициенты С 2 , Ср, Ctp Сп C JI :
С ..........М,В · С Щrs ·
2 == t Р .."""". I
W 2Xq 2» W V P
С == 2prs · с Чq! ·
IJ (q 2)(q pXr q)(s q)' r (r 2Xr qXr p)(s r)'
.,
C JI == 2pqr .
(s 2)(s p)(s q)(s ,)
.
268
Рис. 9.36. rрафИIВ подъема hr и уск:ореВИJil
jT ТОЛd.ТелА кулачка, спрофилироваииоrо
..,
по методу' <<по I I · 41:' JI С .. : t :1. ми на..
борами пока.зателеi степенеi ПОJIИВома
I (6..10..1 18); П (14--26--38..50)
.
/т
h T
.
JTII }т(
,...,
,
, ,
I
,
,
,
о fPJ(
,
,.
"
...",
........
..._ ..
о
На рис. 9.36 даны rpафики изменения параметров ' а:емаТИICИ
ТОЛICателя по успу поворота кулаЧICа с профилем (<полидайю) ДЛJl
сочетаний р, q, r, s при p 6 и р== 15.
В уравнение, описывающее перемещение толкателя, ВХОДИТ yr--
лован частота вращения lCулаЧlCовоrо вала m.. Это rоворит о том,
что на каждом режиме работы две дли полноrо устранения
неraтивноrо влияния на движение ICЛапана упруrиx колебаний в ero
приводе необходи.м свой профи.ль кулачка. Поэтому ICyлачк:и, спрофи
""
ЛИРОВRНные по методу (<полидаию), ИСПОЛЬЗУЮТСJJ в ОСНОВНОМ на
машинах с оrpаниченным диапазоном изменения clCopocтнoro режи--
ма работы.
9.4.6. ОПРЕДEJIEНИЕ rЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ и
ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОcrи ПРУЖИНЬ'
Опредe.rrевве rеометрических параметро8 пр : 1: 1. .
1. Задаются индексом пруживы Сор == Dпр/dщ, и ВЫЧИСЛЯЮТ lCоэф--
Ф ащ евт ее формы }:, учитываю 11 a веравномерпОС1Ъ распределения
касателъных напряжении в сечении витка вследствие ero кривизны
(максимальные напРJDКе:': : ВОЭНИlCaIOт на внутренних ВОЛОПIах се..
чеВИJI витка), Inp==(4срр+2)/(4с1ф 3). Для автомобильных две Сор==
==8...12 и щ== 1,1...1,2. .1
2. По crатистичесICИМ данным выбирают средний диаметр пру
живы Dпр (рис. 9.37). для aвтOTp3.ICТOpныx д e пор==(О,8...0,9)ц..
3. По известному допуcrимому напряЖСвию (ДЛЯ пружинвых
сталей [т] == 350...600 МПа) вычисляетСJl диаметр ПРОВОЛОICИ:
3 8хпрР пр nUOl(D пр
d ... . ...............
П}J 'п[т] ·
269
РО d пр . в d np . H
..... ;;с
.I'i'
:!
iE Р лр ,пах
1""" I
-;J,
Б
..... .
d oт
........ .....
....
t:
...... D пр . в
D лр . н
DI1P
а б в z
Рис. 9.37. rеометричеCIИе параметры кла. :I:I Х пруж:ив при различных
ее СОСТО :1: . :
Il свободное состо ,.t'lя е; 6 при зпрыт ом к.лаПАJ{е ; fJ при ПОJIНоcrью ОПРЫТОМ :
Z СООТНО Шени е :КОВ СТРУ IИВВ ЫХ парамстров .. : 4 1:1.
. I .. е .
., .. .
Расчетное значение dпp окрyrляетСJI до ближaйmerо cтaндaprHoro
по сортаменту проволоки: 2,8; 3,0; 3 ; 3,5; 3,8; 4,0; 4 ; 4,5; 4,8; 5,0;
5,5; 6,0 мм.
4. ПрОИ3ВОДИТСJI проверка индекса пружины и, если это необ..
ХОДИМО, расчет вьшолняется повторно.
5. Определяется количество рабочих витков пружины
ip == Gпр<! maJ(8P D1'tnaж!J ,
которое затем окруrляется до целоrо ИЛИ ICpaTHoro 0,5.
6. Вычисляются rеометрические параметры максимально ежа...
той пружины:
. шar рабочих ВИI1CОВ пружины tmin == dIlJ' + Дnin , rде дmn МИНИ..
мальНЫЙ зазор между рабочими витками пружины при ее мак..
симальnой деформации; Amin ==(O,IO...O,I5) , что составляет 0,5...
0,9 мм;
. минимальная длина пружины == tmin (ip 2)+dпр(io+l), rдe
число опорных витков, принимаемое в пределах 2...3.
7. Определяются параметры пружины при закрытом клапане:
· длина пруживы lo lmШ. + "жлш
. шar витков пружины to==[lo t4(io+ 1)]/(ip 2).
8. Рассчитываются параметры пружины в свободном состоянии:
. длива пруживы /0==10+/0. При 10/Dпр>2,5...З,О во избежание
.... ....
потерь продольнои устоичивости пружину устанавливают в направ..
ляющую rильзу стакан;
. шаr витков «свободной» пружины (шar навивки)
.
10
tсв==[/св dпр(io+ 1)]/(ip 2).
270
Оцевка работоспособности пру .1: 1. .
1. Вычисляются максимальные и минимальные напряжения кру"
чения рабочerо витка пружины:
'l'm.r == 8 хnpP оршuDпр/( 1Т. и Lrпjп == 8 хщJ' пр miпD ор/( <).
2. Рассчитывается коэффициент запаса . Значение ДОЛЖНО
находиться в пределах 1,2. ..2,0.
3. Выполняется проверка пружины на резонанс.
Условие отсутствия резонансных колебаний:
C1Jcl/ro..> 10,
r де l'.Ocl . первая частота собственных колебаний пружины,
(Осl == 1t
cnp dпp .10
..... .......... .........
........
Dпр 2 L
тпр.р p
Gпр
.
,
2рпр
w ж частота вращения распределительноrо вала, wz == 7tпJЗО;
»lпp.р масса рабочих витков пружины; Gпр модуль упрyrости
BToporo рода материала проволоки. Для пружинных сталей
Gпр==(7,6...8,2) '104 МПа, Рпр==7800...1900 и/м]; значения и пир
в ldМ.
4. Достаточность радиальных зазоров между направляюmей
" .., .... '" ....
втупов И внутревнеи пружинои, внутреннеи и варужнои пружина..
....
ми достиrается при выполнении следующих условии:
(Dop.. t/щ,..) d.T 2 мм и (DIфЖ dщ..J (пор.. + dnp.в) 2 мм.
rЛАВА 10
СМАЗОЧНАЯ СИСТЕМА
10.1. МОТОРНЬIE МАСЛА
ОДНИМ ИЗ основных факторов, обеспечивающих надежную рабо..
ту двиrатепя, является непрерывная циркуляция масла через зазоры
.....
трущихея сопряжении.
При этом масло уменьшает износ, снижает потери энерrии на
трение, rерметизирует детали (например, портень и rильзу цилинд..
ра), отводит образующуюся при трении теплоту и защищает метал..
JШЧecIие поверхности ОТ lCоррозии, В. I 1. 1: ает из зазоров ПРОДУКТЫ
износа.
Кроме прямоrо назначения в некоторых двиrателях масло не..
пользуется как рабочее тело для ПlДромуфт привода вентилятора,
для серВОМОТОрОВ системы реrулировliния, а в форсированных дни..
""
rателях и для охлаждения портиен.
Совокупность устройств, обеспечивающих смазку деталей двиrа..
теля, составляет смазочную систему.
К маслам, применяемым в автотракторных двиrателях, предъяв..
ляется ряд эксплУamtЩUOННЫХ требовании, rлавные из ICоторых:
. возможно более низкая температура застывания;
. попоrая в.язкостно-мтемnературная характеристика;
. необходимая степень физической и химической стабильности;
..,
. минимальное коррозионное воздеиствие на металлы;
. отсутcrвие механических примесей и воды. Масло не ДОЛЖНО
быть тоICCИЧНЫМ И вызывать зarрязнение окружающей среды.
Моторное масло lC8.IC конечный продукт состоит нз базовоrо
масла и присадок. По способу производства различают базовые
масла минеральные, получаемые переrонкой из нефти, и синтетичес..
кие, вырабатываемые путем орrаничесхоrо синтеза. Существуют
и тах называемые полусинтетическuе масла, представляющие собой
смесь минералъноrо и синтетическоrо базовых компонентов.
Минеральные .масла блаrодаря относительной просто те произ
водщва наиболее распространены и дешевы.
Синтетические .масла превосходят минеральные по совокупно..
сти эксплуатационных свойств. Они менее ВЯЗКИ при НИЗКИХ тем..
272
пературах, поэтому обеспечивают более лепсий пусlC двиrателя и со--
храняют необходиМЫЙ уровень вязкости в условиях высоких тем..
ператур.
Синтетические масла обладают также хорошими моющими
..,
своиствами.
Присадки составляют до 20% от объема масла и до 85% от ero
стоимости. В основном ЭТО химические (минеральные и синтетичес..
кие) ПРОДУКТЫ, растворимые в базовых маслах, предназначенные
для улучшения тех или ИНЫХ эксплуатационных характеристик ма--
сел. В моторных маслах в ОСНОВНОМ используются следующие
rруппы присадок.
. депрессорные, препятствующие образованию кристаттов пара.-а
фива и тем самым понижающие температуру застывания и у луч...
шающие текучесть масла при низких температурах;
. ЗQzущшощие, повьrшающие вязкость и улучшающие их виз..
lCoctho--температурные характеристиm;
. моющие, препятствующие отложению Harapa на элементах
двиrателя;
. антиокислuтеАЬные, повышающие физико..химическую стаби
льность масла;
. противокоррозионные, снижающие химическую аrрессивность
масел;
. "poтuвoи3НОСНЫе;
. противопенные, предотвращающие вспенивание масла при ero
ЦИРКУЛЯЦИИ в системе смазывания;
. .мноzоФункциональные, улучшающие одновременно несколько
эксплуатационных характериcrик масел.
Наиболее ва' .. I из множества ПОlCазателей, характеризую--
..,.
щих lCоmcретныи сорт масла, ЯВЛJlЮТСЯ:
класс 8язкости по rocтy или SAE (определяет сезон и климати..
чесICИе условия ЭICСШ1Уатации);
zpyппa. определяющая уровень качества (совокупность ЭlCсплу..
атационных свойcrв) по rOCТy, API или АСЕА, устанавливающая
приrодность данноrо сорта масла для использования в двиrателях
с данным уровнем форсированноcrи.
Вязкость важнейшая характеристик масла, определяющая
температурные пределы есо работоспособнocrи. При низкой тем..
пературе окружающеrо воздуха вязкоcrь ие должна быть слит..
ком веJIИlCа, чтобы снизить ПУСКОВОЙ момент при запуске холод--
Horo двиrателя и обеспечить надежное прок:ачивание масла по
масляной системе. При высокой температуре ВJlЗXОСТЪ не должна
быть с 111 ОМ мала, чтобы rарантироватъ формирование масля..
....
Horo клина и создание смазывающеи пленки в узлах и механизмах
.
двиrателя.
273
Вязкостные cвoйcrпвa являются основны./И признаком классифика--
ции моторных .масел.
Относительные характеристики вязкости определяются по мето--
дихе SAE (Sosiety of Automotive Engineers). Цифры, указанные после
аббревиатуры SAE, характеризуют вязкость масла.
Буквой W маркируются ЗИlWlие сорта масла. Стандарт SAE
предусматривает шесть ЗИlWlИХ JCЛассов ВЯЗКОСТИ OW , 5W, 1 OW,
15W, 20W, 25W, rарантирующих возможность пуска холодноrо
двиrателя и достаточную прокачиваемость масла при температуре
от ..... 30 до 5 ос соответственно.
у летних сортов буlCВЫ W В обозначении нет. они распределяют
си по классам в таком порядке: 20, 30, 40, 50 и 60 с повышением
ВJIзкости при t == 100 ос от 8 до 16 сСт.
Из за неудобства использования сезонных сортов масел по
всеместно применяются всесезонные сорта, в маркировке ко...
-.. '-1
торых сначала следует зимнии показателъ, а затем летиии.
Между двумя обозначе:I... I обычно ставят дефис WIИ знак
дроби, а иноrда нет нихакоrо знака. Например: SAE 15W-40,
SAE 5Wj50, SAE lOW30.
Вторым обязательным признаком класcuфuкачии по совокупно--
сти эксплуатационных свойств является zpyппa качества.
ОДНОЙ из основных международных квалифИICациовных систем
по этому признаку JIВЛЯется система API (American Petroleum
Institute). Принадлежность масла IC определенному классу АР! уства8
навливается рядом классификационных испытаний в двиrателях ШIИ
специальных моторных установках.
Классификация АРI подразделяет моторные масла на две ICaTero..
рин:
. S .. ДЛЯ бензиновых двиrателей;
. С для дизелей.
Обозначение класса СlCЛадъmаетСJl из начальной буквы, обознача--
ющей lCатеrорию, и второй буквы, обозначающей уровень ЭICСПЛУ
атационных свойств. Чем ближе IC началу латинClCОro алфавита
вторая буква, тем ниже свойства данноrо масла. В системе API
имеется девять ЮIаССQВ для бензиновых двиrателей SA, SB, SC,
SD, SE, SF, SG, SH, SJ и дecJlТЬ классов для дизелей СА, СВ,
СС, CD, СЕ, CF-4, CF, CG-4 и CDП, CF..2 (для двухтактных
двиrателей).
Для универсальных масел используют двоЙНое маркирование,
например CF-4/50, SH/CG-4. При этом на первом месте crоит
обозначение типа двиrателя, для ICOToporo ЭТО масло в основном
предназначено.
Европейская классuфuк.ация АСЕА (Ассоциация европейClOlX про--
изводителей автомобилей) базируется на единых требованиях IC МО"
274
ТОрНЫМ: маслам, соrласованных 16 ведущими европейскими фир..
мами.
Классификация моторных масел по АСЕА содержит девять
u'
катеrории.
Чем больше цифровое значение после бyuы, тем лучше xapax.
теристика масла.
Отечественные масла классифицируют в соответствии с
rocr 17479 85. ПризнаКИ классифик. I I те же, что приняты
8 международных системах: необходимая вязкость масла при
t == 100 ос И t == ...... 18 ос, а также rpYIШа качества. По этой )[лас
сификации все масла подразделяют на пять rpyпn (табл. 10.1).
Таблица 10.1
rруппа ка честв а
А
Б
В
r
Д
Рехомевдуемаа: облacrь прИМСВ НI{.
Нефорсированные .цвиrатели
малофорсировавныe двиrатели
Средиефорсировавные двиrатели
ВЫСОIОфОРСИРО : - : 1: I е ДВИI"атели
ВЫСОJ[ОфОРСИРО: · :1:1. е дизели, работающие в ти..
.елых условиJIX
в каждой'rpуппе марка масла обозначается буквами и цифрами
(табл. 10.2). БyICВа М означает, что масло моторное. Цифра после
буквы М характеризует вязкость в са.нтисто.ксах (еСт) при TeM
пературе 100 ос или в виде дроби, у которой цифра в числителе
характеризует вязкость масла при температуре 18 ОС, а цифра
в знаменателе показывает вязкость в сСт при 100 ОС. Буква (<3»
в индеlCсе обозначает, что масло зarущенное, Т. е. содержит зarуща...
ющие приса,цки. Индексом 1 марlCИруюТ масла двиrателей с ие--
КрОВЫМ: зaжиrанием, индексом 2 дизелей. Если индекс отсутству..
ет, ТО это озна ает, что масло предназначено ДЛЯ обеих к:атеrорий
....,
двиrатеnеи.
Для оpuеюпировочноzо выбора zpyппы масла можно реко.мендо..
вать:
. для двиrателеи с ИСlCрОВЫМ: зажиrавием:
при в==6,5...7,5 и n==ЗООО...4000 мин l масла rруnпы Bt;
при 8==8...9 и n==5000...6000 мин l масла rpyпnы rt;
. для дизепеи используется условныи показатель напряженно...
сти работы масла в двиraтеле: .
G y N e l
А == ХаКр,
FiG N "
еде а т .. часовой расход топлива, кr/ч; F суммарная ПЛОЩадь
рабочих поверхностей зеркала цилиндра, днища поршия, rоловки
27S
цилиндра, м 2 ; i количсс."во цилиндров; N эффеlCТИВНaJI мощ"
НОСТЬ двиrателя, кВт; G N .. емкоcrь сиcrемы смазки, п; п ча...
аота вращения ICоленчатоrо вала, мин 1; к,,== 1, 0 для 6езнадув..
ных двиraтелей; 1,3 ДЛЯ двиrателей с надцувом; Кр== 1,7 для
двиrателей воздymноrо охлаждения; 1, 0 для двиrателей ЖИДICОСТ--
Horo охлаждения;
'"
. для тракторных дизелеи:
А 150 . ow масла rpуппы Б 2 ;
А== 191...223 масла rpуппы В 2 ;
А==З58...648 масла rpуппы r 2 .
Та6ЛUlJillО 2
класс предcлы В W1'R'OCrи. . r руппы м асел по эжсплуат8ЦИО ННhПwI свойствам
&-ПО-- )dМ.2./ c . при
ctИ температуре, ос
100 18 Б 1 В r
81 82 r l r
б 6:tO,S М6Б] MБD 1 ............... M6r)
8 8 :tO,S М8Б) M8B 1 М8В 2 M8r. M8r 2
10 10:1: 1 МI0БI МI0В] МI0В2 Ml0r I Ml0r2
12 12:1:0,S М12В 2 м 12r 2
4з/б б :l:O,S 1300 ._2600 М4э/ББI М4з/БВ)
4э/8 8 :tO,S 1300...2600 М4з/8Б 1 М4з/8В. М4э/8В 2
..
4з/l0 10j:O,S 1300. .2600 М4з/l ОБ} М4з/l0ВI М4з/l0В 2
6]/1 О 10:1:0,5 2600.. 10400 М6 э /l0В) Мб]/I0 М6 э /l0r) М6 з /l0r 2
10.2. РАСЧЕТ
ПО J 111 I I I
в сопрюк:ениях деталей двиraтелей преобладающим является
трение СlCо.лъжения, lCоторое подразделяют на сухое, ЖИДl(оствое,
rpаничное и полужидкостное или полусухое.
При работе двиrателя в разл '1:. ' ero сопр.яжениях может
создаваТЬСJl ТОТ или ИНОЙ ВИД трения, так жак способы подвода
масла и условия наrpужевия весьма различны. Например, в паре
...
вьmусICНОИ клапан направляющая втулка вероятно полусухое,
в паре поршневой палец 6обышки порmня rpаничное или по..
nYЖИДКОCfное трение.
В ПОДШИ 11: I ках lCоленчатоrо вала допускается только ЖИДICОСТ"
ное трение. При ЭТОМ разделJIЮЩИЙ масляНЫЙ СЛОЙ создается за
w
счет Toro, ЧТО ПРИ вращении шеика вала увлекает масло во враща..
276
тельное движение (первый rраничНЫЙ слой за счет маслянисто..
СУН масла, а следующие за счет ero в ЯЗIC OCf и). Масло, попадая
в поcreпенно умевъmающийся объем а (рис. 10.1), crремится Bытe
кать 80 всех направлениях, чему препятcrвуют силы ВЯЗКОСТИ, КОТО....
рые MOryr быть преодолены повьппением давления. В результате
. ....
в lШИНОВИДНОИ чаcrи масл.яноrо споя создается rидродинамичесICое
"'"
давление, отрывющее mеику ОТ ВIШадьnпа.
Очевидно, поДIII I I.I I, овый узел должен быть спроектирован
и рассчитан так, чтобы при тех силах, которые действуют на вал,
разделяюЩИЙ масляный слой, обеспечивал .. 11: остное трение.
Для подm I .' I: ОН коленчатоrо вала автотрахторных двиrателей
ЭТО вьmОJIНяетс.я при минимальной тоmцине масл.яноrо слои 4...
5 ldКM.
При проектиров. :1 двиrатеШI по данным динамичеСICоrо рас--
-..
чета строит полярную диarpамму нarpузоlC, ПО КОТОрОИ определяют
""
сиJIы' деиствующие на ПОДШИПНИК, а на основании прочностноrо
расчета и компоновки устанавливают размеры диаметра шеек
И ДЛИНЫ опорной части вlcл3.дыlIl.. По этим данным определяют
условное давление на единицу площади диаметральнои проекции
(МПа):
р
K .........
....... .
ld
для rидродинамическоrо расчета по J 111 11 : 1 ка необходимо
иметь три значения к: среднее за рабочий ЦIIDI xq, == Р r:p/(ld), среднее
р
Рис. 10..1. К расчету ПОДШ I:I I- а сколь.ени.
277
в петле максимальных нarpузоIC P:J(Id) И максимальное К mп ==
==Pm&x/(ld).
По кер производят тепловой расчет поДIDИПНИка, по опре
деляют минимальную толщину маслиноrо слоя и по xmц выбирают
анТИфрИIЩИовнЫЙ материал, усталосmая прочность ICOToporo обес..
печит необходимую долrовечность работы узла.
OCBOBВLle параметры цилввдрическоrо по J 1181 11 t : -ка в Bcxoдвыe
уравнении. Вал, наrpуженный силой Р, при вращении занимает
относительно подшипника положение, указанное на рис. 10.1, rде
yrлы tpl И tp2 соответствуют началу и концу весущеrо масляноrо
слоя.
Примем следующие обозвачени.я и соотношения:
А диаметральный зазор, определяеМЫЙ как разность между
диаметром D подшипника и диаметром d шейки вала: А== D d;
радиальный зазор, равпый половине диаметральноrо зазо
ра: ==A/2==R r;
'" относителъный зазор диаметраль :1. I зазор, отнесенный
IC диаметру или соответственно IC радиусу шеиПl вала, Т. е.
'" == A/d== fJ/r;
l/d относительная длина подшипника .. отношение длины
1 опорной шейки вала J( ее диаметру d;
е эксцентриситет отрезок 00' на рис. 10.1;
....
Х относительныи эксцентриситет эксцентриситет, отнесен..
вый IC радиальному зазору, т. е. х==е/ь;
hmШ. минимальная толщина масляноrо слои: hmШ == /J .......... е ==
==lJ t5x==lJ(l х);
hmu. максимальная толщина масляноrо слои: hш8Х=={,+е
==lJ+ x== (l + х).
в основе расчета цилиндрических подшипников лежит уравнение
РеЙНольдса:
dp 6рш x(cos cp cos 'PпJ
.....
dcp (1 +XCOScp)3 '
rде р. динамическая вязкость масла; ер", уrол сече: I , в ХОТО"
ром давление максимально.
Давление в произвольном сечении ер' несущеrо СЛОЯ
,,'
6рш I(COSrp COStpт)
Р,;== dqJ
.р (1 +XCOScp)3 '
9'1
а сила на элементарную площадку с центральным yrлом Аср'
278
АР". == р ..lrAqJ' == Р tI ld I:1qJ'.
2
Сила 80 всем rидродинамичесlCОМ (несущем) слое
,, '
"z
3рш I(COStp cosc;onJ
р== - ld COS(7t (qJ' q>J]dqJ' - щ.
ф2 (I+I S 3
..
"1
a .
х( cos tp cos tp"J
Обозначим 3 cos [п ('1" qJJ] dqJ' dqJ == Ф.
(1 +xcos ср)3
.. ..
Таким образом, сила Р (ми) будет равна
рш
р== ldФ.
ф2
Безразмерную величину Ф, называемую коэффициенmОAf Hazpy--
Жe1l1l0Сmu подшUnlluка, определяют по формуле
р 1/12 кф2
Ф== . .
Id pw рш
Эrа величина определяет положение вала в подшипнике, Т. е.
-'Jксцентриситет, а следовательно, и :минимальную толщину масля...
Horo СЛОЯ, тах 1C8.IC
А
hmш== (l l).
2
На рис. 10.2 приведевы rрафики, устанавливающие СВЯЗЬ между
Ф и Х для разли '1:1. ,. отношений I/d. Эти rpафики nocrpoeHbl на
основании мноrочисле: :.... теоретических и экспериментальных не...
'-#
следовании.
Для определения значения ICоэффициеJIта наrpуженности необ--
..,
ходимо знать ВЯЭlCость масла в ваrpуженнои части масляноrо СЛОИ,
"
начение lCоторои заранее не известно.
для определении ВЯЗКОСТИ и суждения о температурном режиме
работы производят тепловой расчет по дш шишка, на основании
Koтoporo составляют тепловой баланс и определяют температуру
равновесия, при котораи теплота, развивающаяся 8 подшипнике,
равна теплоте, отводимой от иеrо. По ЭТОЙ температуре определи--
1w
ЮТ вязкость масла и произsодят все дальнеишие расчеты.
279
00 l/j' \) ф
If I , 18 О
,
26,0
2 4 24,0
, U Л
,
2,2 О 22,0
2,0 J ,А 20,0
1,8 I 0,7 18,0
1,6 / 0,6 16,0
,4 / JUh : 14,0
,2 / 1 VfJJ 12,0
1,0 J. т . 10,0
0,8 J I '1/111 8,0
:: / и / J1Ld=043 :'
"' '
0,2 2,0
О О
0,10,20,30,40,50,60,70,8х 0,80
ф
3,0
2,8
2,6
r
11 {J==O,4
"'-.
0,5 '"
o, """' ""', rl (/d.=(),З
o, "'.. ", "'" I .'
l, "'.. ", '",- со; 2
1,2' " ", '-. '/111'1 j 1",
"1...." , " "JIII r ,
(/d=2,O , "', "'N./ ' J
",," ",: '1'1//1 0,1
"-V /? / I
'I /
I/' /' J
........ v'" ../" "
""", ,;'
......................II"""
0,84 0,88 0,92 0,96 1,0 l
Рис.. 10,,2. Зависимость коэффициента нarpужевиос1И от отиосительвоrо эжсцент..
риситета
Тепловой расчет по, 1111 : 111: па. Сопротивление смазочноrо слои
вращению цапфы определяют по удельному сопротивлению, .xoтo
рое по закону Ньютона равно
dv h dp У
-c p или т:==р + _
dh' 2pdx h
Сила ВJIЗJCоrо сдвита Т получается сумм:ировнием удельных СИЛ
т на всей поверхности весущеrо масляноrо слои lr (СР2 tpl):
":1
т Trdcp.
".
Подcraвив вместо т есо значение, пролучим
.3 .z
I(COSqJ cosqJnJ 1 dtp
utp +
(1 +XCOScp)3 3 1 +xcosC'p
Т== РШ ld
21/1
",
.
".
.,
Введем ПОБитие коэффициента жидкостноzо трения f== Т/Р
и обозначим
280
.
-2 .а
3 z(cas ер COS "".> 1 drp
иcp+ ==фт.
2 (1 +хсо! 'р») 3 1 +lcos"
"1
..
Величину фу назывютT коэффициентом сопрО1'1lU6Аения смазоч
HOZO слоя вращенwo цапфы. Тоrда
p,wld т фу фу f
Т== фу, а ==f=="' или == .
t/1 р ф ф '"
При известном значении f можно опредeJШТЪ JCоличество тепло--
ТЫ, которое выделится в подшипнике в результате трения (кДж/с):
lpltJ2m 2 ..103
Qтp==' .
21/1
Давпы:е по вели '1 1: е f, называемой коэффициентом coпpoтивAe
нил шипа вращенWD, в зависимости от эксцентриситета и от отноше..
пия I/d приведены на рис. 10.3.
Указанная теплота в основном ОТ80ДИТСJJ В циркулирующее
через ПОДШ 11 :1 IC масло, часть ее передается таюке по металлу вала
.
и картера в окружающую среду.
Теплота, отводимая маслом (кДж/с),
QN == М CмPN ( t ..... t.J,
rде М
M 3 J C. С
, N
количество масла, циркулирующеrо через ПОДШИПНИК,
теплоеМICОСТЬ масла, жДж/(кr. К); РМ ШIОТНОСТЬ масла,
Е! 20
8 15
0,7
0,6
0,4
0,3
Vd==O,7
1/d==O,6
J/d==O 4
Vd==О:З
7 10
6
5
х
0,900 0,9250,9500,975
5
4
3
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Х
Рис. 10.3. Эавиarмость коэффициента сопротивлеRИJI шипа . : 11 еввю от отвоситель..
Roro э с евтрисвтета
281
кr/ы 3 . Для npименяемых в две масел произведение CJJМ примерно
постоивно и равно 1800...1900 ICДж/(м3. К); t вwx , t вx температура
масла на Bыхдеe из ПОДШШlника и на входе в иеrо.
Количество масла (м 3 /с)., цирхулирующеrо через подшипник,
определяется по следующему выражению:
М== (qT+ qJ! ld 2 ro,
2
rде qT :коэффициент, учитывающий масло, выходящее из BMpy
женной зоны подшипника (зова, В ICОТОрОЙ развиваются rидродива
мичecrcие давления), определяется по rpафmcaм, представленвым на
р 1/12 d 2
рис. 10.4 для ра31I11ч1Iых значений Х и I/d; q.==fJ юu: коэф--
Р (J) I
фициевт, учитываюЩИЙ масло, циркулирующее через вевarpужен
ную зону ПОДШИIШика; РИ&С давление масла на входе в ПОДПIИП--
НИIC, МПа; Р коэффициент; lCоторый может быть определен из
rpaфика (рис. 10.5).
Теплота, отводимая-по металлу вала и картера в окружающую
среду, незначителъна, поэтому при тепловом расчете ее, как прави--
по, не учитывают.
ПOCJJедовательность расчета по j 111 111: I 08.
. Задаетс.я величина диаметралъноrо зазора:
qT
0,4
0,3
0,2
0,1
#о
l/d==О,З
0,4
0,5
0,6
0,7
13
0,3
0,2
О З O 4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 Х
0,1
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 Х
w""
Рис.. 10.4. Зависимость коэффициента рас.. РИСа 10.5. Зависимость коэффициента
хода через иarpу:кеввую 'l8CТЬ ОТ отиоси fJ от отиосительиоrо эксцеlПpиситета
тельв:оrо эксцентриситета
282
А==(0,5...0,7) .10 3d двиraтели с ИClCровым зажиrанием,
А== (0,7...1,0). 10 3d дизели.
. Давление и температура масла на входе в ПОДШИПНИ)( прини--
маюТСJl равными
Риас==О,3...0,4 МПа; 'п==70...75 0 С
зажиrанием,
Риас==0,4...0,6 МПа; '.==75...80 0 С дЛЯ дизелей.
. Подбирается соответствующее условиям работы моторное
масло.
. Рассчитываются удельные давления кq, и .
. Задав8JIСЬ тремя значениями средней температуры tqJ масла
в масляном слое, по рис. 10.6 определяют ВЯЗlCоcrь масла при
каждом значении t == 'ер_
. Производят тепловой расчет в последовательноCfИ, изложен..
ной вьnпе, в результате KOToporo определяются Qxp и QN.
. По получевным дaввым crроят rрафп тепловоrо баланса
(рис. 10.7). Очевидно, что точке пересечения жривых Q"1]J и QN будет
COOTBeтcrвOBaTЬ деиствиrелъвая температура масла в MacтmOM
слое.
. Опредешnoт вязкость масла при найденном значении 'ер, после
чеro рассчитывают коэффициент нarpужевности Ф, а по нему
w
относительвыи эксцентриситет. ·
Эroму эксцентриситету будет соответствовать минимальная
ТОJIЩина масляноrо слои
J.1..МПа. с
7 ,0. I O 8
6.0. 10 8
5 O. IO 8
4 О · I O 8
"
з о · 1 0--8
,
2 о. I O 8
,
I о. I O 8
,
....
ДЛЯ двиrателеи с искровым
J
1. M--16--r 2(к)
2. М..6 з /14--r
з. М--6 з
4. М--5 з /1 o--r 1
5. M..a r2(K)
6. М--4 з /6--В 1
Q1p
QM
QM
Q"ф
50 60 70 80 90 l 00 11 О t. о С
t CP1 I CP1 I срз
t cp дейcrв.
t cp
Рис. 10.6. Зависимость ВJlЗКОСТИ моторвых масел
.
от те...,. . . туры
Рис. 10.7. rрафlП теплово--
ro баланса
283
1:1
hmш == (1 х).
2
Если hmШ >4 мкм и tep < 115 ос, то это свидетельствует О работо
способности подшипника.
Полученное значение hrmп является условным, так жак в реальном
двиrателе hmШ вепрер:ывно изменяется. Поэтому в ваСТОJIЩее время
анализ работоспособности ПОДIIIИПНИ1С8. ВЮ1Ючает В себя расчет
траектории центра цапфы, что позволяет определить величину,
место и длительность сближения цапфы с ПОДШИПНИКОМ. При ЭТОМ
несущая способность масляноrо слоя рассматривается как резуnь..
...
тат СОВОlCупноrо деИСТВИJl rидродинамичесIC:оrо давления и радиаль--
поrо перемещeниJI цапфы (рис. 10.8).
Реакция масляноrо СЛОЯ на действие внешней ваrpуэки Р рас..
....
сматриваетс.и 1C8.IC равнодеиствующая СИЛ радиальвоrо давления
Р рад и сил rидpoдивамичеСlCоrо давления: Proд.
Проехции сил на I: I . центров и перпе: j I. уляр IC вей запишут--
си в виде
Pcos (б ')')==Рr СOS fJ + P ,
Рsin{б "Р)==Рr.дSinР.
.
Выразим реапиввые СИЛЫ в виде безразмерных величин
р
Рr..д 1/12
Фr.д == И Фрад ==
ld рш
Р рад 1/12
ld pdxJdt'
'
?
представЛЯIOЩИХ собой коэффициенты
ваrpужевности только при вращении
и при поcryпателъном движении, Torдa
получим
р Фr дJJro Фрaд#l dz
соs(б 1')== cosp+ .
ld 1/12 dt'
Р . Фr.дPiD . Р
Sln ( ...... }') == SlD ,
ld 1/12
Рвс. 10.8. К расчету траеIТорllИ
центра цапфы
['де Ш==СО+СОL 2n; (JJ уrловая: CKO
рость вала; ClJL yrловая скорость
ПОДIПаl ш:ка (ДЛЯ mатунноro ПОДIIIИп
.
284
Aw cos tp
ника ClJL== ); n yrловая скорость вращения иепора на--
..11 J..2 sinrp
rруз:ки: D.==dд/dt. После подcrанОВlCи выражения ДШI ro в cиcrему
получим
dX р,;2 ( I\ юп(6 1)
== COS \ (J ...... )' J .......... ,
d, ldрФraд tgfJ
d6 O 5 ( ) Рф2 sin( i')
......, со + m L .......... .
dt Idpibr.. 2 sin р
Расчет траеlCТОрИИ сводится 1( последовательному вычислению
Х и . При этом для вачалъной'ТОЧICИ траеICТОрИИ задают lCоорди..
паты Хl и ]. Координата Х] выбирается произволъно, а yrол Ь] при
нимаетс-я равным }'I- Затем в соответствии с изменением значения
...
и направления внешнеи нarpузки вычилJIютсJl прирашеВИJI коор.-
динат Ах и М:
Фr.JI ..11 r .
Ах== COS(b }') SШ( }') roAt,
Фрад О 7S1t(I.-.. х)
А 1: ш+шL Фr-д .J6,S46 4,S461 · (1: ) А
nи ==...... S1D \ и ...... }' CiJat.
2m Фрад 1 7t.Jl l
в жачеcrве примера на рис. 10.9 показава типичная траеlCТОрИJJ
центра шатунной шейхи автомоБИJIЬноrо двиrателJl.
.
Ось ша1УНа
).20
90
Р8с. 10.9. ТраеКТОРИJl eвтpa mатуииой meЙ18
28S
Следует заметить, Ч.I
О ДJIЯ выполнения расчета траектории так..
же необходимо знать действительную температуру масла в масля--
НОМ слое. Поэтому даШlОМу расчету должен П»едшествовать теШIО"
....
вои расчет ПОДIIlИПНИlCа.
10.3. схЕмыI смАзочных СИCfEМ
в современных автотракторных двиrателях применяют ТОЛЬКО
смазочные системы (СС), в lCоторых масло I( большинству трущихCJI
....
сопряжении ПОДВОДИТСЯ ПОД давлением, создаваемым масляным
насосом.
В зависимости от места нахождения ОСНОВНОСО lCоличества масла
се подразделJIЮТ на системы с .мокрым картером и системы с cy
хим картером. Первый вид системы применяется ДJIJI бензиновых
двиrателей и дизелей сравнительно небольшой МОЩНОСТИ, а ито..
"
рои на дизелях, устанавливаемых на тяжелых колесных и ryce..
ничных машинах, что позволяет ПОВЫСИТЬ запас хода и создает
более блаrопри.ятныe условия для работы масла.
Количество масла У м , необходимоrо для нормалъноrо функци
онирования СС, составляет (л):
(0,04. ..O,09)N e бензиновые двиrатели леrICОВЫХ автомобилей;
(0,07. ..0,1 )N e бензиновые двиrатели rрузовых автомобилей
и дизели лесковых автомобилей;
(0,11...0,I6)N e
дизели rpузовых aвioмобилей.
В автотракторных двиrателях привод маслонасоса осуществля"
ется ОТ lCоленчатоrо ИЛИ распределительноrо (бензиновые двиrа--
тели) вала.
В смазочных системах достаточно мощных дввrателей примевя--
ЮТ маслозакачивающие насосы с приводом ОТ электромотора.
ЭтИМ насосом масло вarнетается IC ТРУЩИМСЯ парам перед пуском
двиттеJlЯ, обеспечивая более лencий пуск и более надежную работу
после пуска двиrателя.
10.4. ArPEr АТЫ СМАЗОЧНОЙ систЕмыI.
мАсляныIE нAcocыI
в современных двиrателJIX применяют масляные насосы те..
стеренчатоrо типа с внешним (рис. 10.10, а) и внутренним зацеп
лением.
Во втором случае используют жак ЭВОJIЪвентное (рис. 10.10, 6),
так и ЭПИЦИICЛоидальное зацеШJение (рис. 10.10, в).
Размеры шестерен, а следовательно, и производительвость мае..
ляных насосов целесообразно определять ИСХОДЯ из циркуляциов..
.
286
expert22 для http://rutracker.org
Ведушая
"
,.
ВСДОА.1L1Я
б в
Вых()д
Рис 10.10. MacJIJlllыe насосы с внешним (а) и виyrpе: :I I (эвольвеиrным 6,
э 11 111 ОИДaJIЬиым в) зацеllJIевием
Horo расхода масла через двиrатель, веобходимоrо ДЛЯ отвода
теШIОТЫ Qо..м, воспринимаемой маслом.
Циркуmщионный расХОД масла (М 3 /С)
т; QD.N
,.. Ц ....... .
CмPNA'N
ТеШIота, отводимая в масло (кДж/с),
Q 'мв 1
ОоМ q.".gr-.' о: 11 3 6 "106'
еде qN Qo.мlQT относительный теплоотвод через сс; qN
O,015...0,02 ДсИЗ; QN==O,02...0,025 дизели; qN O,04...0,06 .
дизели с охлаждаемыми поршнями.
Перепад температур между BыхдомM и входом се At== IO...15°e
в ДсИЗ и AtN 20...25°C в дизелях.
Дейcrвителъную подачу насоса задают большей величиной цир--
куляционноrо расхода с целью обеспечения необходимоrо давления
масла в маrистрали 80 всем диапазоне частот вращения и при
износе трущихся пар двшателя и насоса (М 3 /С):
Уд== (2,0...3,0) УЦ.
Тоrда У д (м 3 /с) будет равно:
(5,O)...6,O)N e .10 6 ДсИ3;
(6,O...9,O)N e · 10 б дизели;
(10...11)N e .10 6 дизели с охлаждаемыми порDIВJIМИ.
Подача оп:ачивающих сеIЩИЙ систем с сухим картером прини..
мается равной (м 3 /с)
287
v D'l,.==(1,5...2,O}V-па,
rде V 88rJI подача нarнетательной сеПIИИ насоса.
Размеры шестерен с учетом объемвоrо :коэффициента (м 3 /с)
подачи насоса определиют из выраже: 1 ·
1 g
У т == V Jl1. == 1Ulwhhll. · 10 ,
60
rде У т . теоретическая подача насоса, м 3 /с; 11. объемвый lCоэф.-
фициент подачи насоса, для шестеренчатых насосов '1J1==Q,6...0,85;
dw диаметр начальной окружности ведущей mестерни насоса,
мм; h высота зуба, мм; Ь длина зуба, мм; п. частота враще--
НИJI ведущей шестерни, мин 1 .
Мощность (кВт), необходимая дли привода нarнетателъной сек--
ции МRсляноrо насоса, определяется из выражения
NJI== YT(P P.) .103,
'1м
rдe Р8UЖ р_==О,3...0,6 перепад давлений, МПа; '1м==0,85...0,9
механичесlCИЙ кпд насоса.
MacJIJlllыe t-льтры. Дли обеспечения надежной работы двиrа--
телей необходимо п I - . . е Bcero обеспечить защиту трущихея со--
прJDКений от абразиввых частиц. Эту фymcцию выполняют масля..
ные фильтры и очистители. К первому типу ОТВОСЯТСJl устройства,
задерживающие частицы при прохожденви масла через щели или
каналы фильтрующих поверхностей, ICО второму очистители,
v
удерживающие частицы с помощью СИЛОВЫХ попев.
В смазочных системах совреме : :1. . двиrателей примеWIЮТ
фильтры zрубой и тонк.ой очистки.
Фильтры rpубой ОЧИСТКИ полностью задерживают частицы
ICpупноcrью более 50...120 мnI, а фильтры тоmc:ой ОЧИCТICИ 50...
40 мжм. Для rрубой очистжи фильтрующие элементы выполняют
сетчатыми, плаcrинчато щелевыми и ленточно..щелевыми. для тон..
КОЙ ОЧИСТКИ примеWlIOТ элементы из бумarи, тканей, картова, ХЛОП"
чатобумажной ПрJIЖИ и др.
Из очистителей наиболее mироко распространены цевтрифyrи,
в которых удаление частиц происходит ПОД действием цевтробеж
ных сил, вызываемых вращением заrpJIзвенноrо масла.
Q настоящее время считается, ЧТО наиболее эффеlcтивным спосо
бом повьппения качества фильтрации, увеличения Сроков службы
масла и периодичноcrи обслуживании является применение ком--
бинированной системы ОЧИCТICИ масла, состоящей из полнопоточ"
288
110['0 фШIЪтра С бумажными ФИЛЬТРУЮЩИМИ элементами и частично
IIОТОЧВОЙ цевтрифуrи.
В качестве ПрИldера ICОНСУрухтивноrо выполнения ПОЛНОПОТОЧ..
нО['О фильтра на рис. 10.11 приведен фильтр двиrателя ЯМЭ--840.
как отмечалосъ выше, в :качестве очистителей используют
центрифуzи. При ЭТОМ в отечественном двиrателестроении находят
ПРИldевевие центрифyrи с внешним rидравличecmм реаICТИВНЫМ
сошJовым приводом В бесСОШJовые цевтрифyrи с внутренlIШd актив--
Ilо..реarrиввым приводом, использующие дли вращения ротора эвер..
rию потока масла, iIOдвepraeMoro очистке. Примером TalCoro очи--
стителя являетСJl lCонcrpухция центрифyrи двиrателя ямз..840 (рис.
10.12). Таше центрифyrи lcoмnaIcтвы и надежны в эксплуатации.
Частота вращеНIIJI ротора на номинальном режиме работы дииса..
....
2
.........
7
I
.
8
9
;. 'T j
-' I l'
""4 ,.- ".
"
Рис. 10.11.. ПОJIВопоточвыl фильтр ОЧВCТDI масла:
, :корпус; 2 резъОО801 штуцер; j uмкo... кp.I urra ; 4 про:ua.дD ЖОJПlU8; 5 yпJIOI dВ..
тель ЗJJeNевта; 6 Фвm_фующd зло.евт; 7 колов; 8 1. . 1= .' · спиввu проба; 10........
..pI.OО .....
289
5
4
з
Рис. 10.12. Цевтрифyrа:
1 :корпус; 2 ЕОЛПU:; 3 :корпус ротора; КOJIПu.. ротора; ' шарИJ:ОП ОДIIIИDkВ ; 0CIt
ротора; 7 фоpcyиu.; 8 пп а: I :; стопо рJl1..Щ палец; 1 1. .' .:
теля соcrавляет 6000 мин 1, что достаточно ДЛЯ обеспечения BЫCO
кои степени ОЧИСТICИ масла.
мвcлJlllыe радиаторы. Теплота, отводимая маслом от двнrа..
теля, должна быть рассеяна в окружающую среду. Для этой пели
все системы смазки двиrателеи rpузовых и мноrих леncовых
автомобилей укомплектовывают специальными теплообменни
ками масляными ра.циаторами. В aBToTpaIcTopныx двиrателJIX
используют два типа радиаторов: :жидкостно--.масЛЯ1lblй и 803
душно-- .масляный.
Основ :1. 1. преи.муществами 80здушно масляных paдиamopoв JIВ
ляютси:
. меньшая масса;
"
. относительно проcrое и надежное устроиство;
. возможноcrъ получения болъmеrо температурноrо вапора.
Недостатко-м их является необходимость применении специаль..
Horo переnyСlCНоrо клапана дли перепуска холодноrо масла. Пружи..
ну lC.Лапава реryлируют на перепад давлеНИЙ 0,15...0,2 МПа. По мере
проrpева масла ero вязкость понижается, что прИВОДИТ IC уменьше..
.
290
нию rидравличесПIX потерь в радиаторе, и клапан автоматически
зuрыветсJl..
ocвoBвым nреllAlУщесmво.м :жидкостно масlulных радиаторов ив..
ЛJlетсJl быстрый проrрев масла после пуска двиrателя и поддержа..
ние ero температуры, близкой IC оптимальной.
Включение радиатора в смазочную систему может осуществ..
...
ЛJlТЬС. ПО ОДНОВ из следующих схем:
. последовательно в rлавную маrистраль;
.... ... w
. параллельво rлавнои мarистрали с подачеи от основнаи сек..
ции насоса;
'"
. параллельно rлаввои мarистрали с подачеи от дополнитель..
нои сек 11: 1: насоса.
Наиболее распpocrpанена последняя схема, так lШIC в этом слу..
.. "
чае масшшыи радиатор не снижает давлевlI.И в rлавнои мarистрали
и lCоличество масла, поступающеrо в радиатор, не зависит от изно..
шевности двиrател.и и насоса.
Расчет масЛJIНоrо ра,циатора ПрОИЗВОДЯТ в основном в том же
порядке, что и расчет жид:костноrо радиатора.
Рассмотрим особенности расчета. Количество теплоты
QCUIII (кДж/с), ОТВОДИМОЙ маслом от двиrаТeтI, ДОЛЖНО быть равно
....
количеству теплоты, ОТВОДИМОИ радиатором:
Qo.м == СмРм V paд(/ u . p I-п: .р),
r де lи.р и '.кх.р
из ooro, ос; V рад
М 3 /С.
В системах смазки с сухим картером и при последовательном а
ВКJПOчевии радиатора у. == V S-Д"
Охлаждающая поверхнocrь воздушно маслявоro радиатора
(м 2 ), который должен отводить теплоту QooМ,
Teъmepaтypa масла на входе в радиатор и выходе
....
ЦИРICУШЩИОННЫИ расход масла через радиатор,
F, == Qo.м
P8JI /'; ,
Км\ 'м_р ........ '...р)
('де хм коэффициент теШlопередачи от масла IC воздуху,
кВт/(м 2 "К); t... P '.. р разность средних температур масла в ради..
аторе и воздуха, проходящеrо через радиатор, ос.
Перепад температур масла в радиаторе обычно принимают
равным перепаду температур масла в двиrателе: A/p==A/N"
Таким образом, для расчета охлаждающей поверхности ра..
диатора должны быть заданы количество теплоты Qо..м, которое
необходимо отвеcrи, температура охлаждающеro воздуха и желw
тельная средия.R температура MaCJl&.
291
Температура окружающей среды при расчете принимаетСJJ рав"
вой 4S ос.
с арный коэффициент теплопередачи от масла воздуху
[кВт /(м2 · К)] равен
1
к-м == ,
1 Р. lJ F. 1
........... + +
tlм F .. АР М cz.
rде t%м :коэффициент теплоотдачи от масла стенкам трубок,
к.Вт/(м 2 .К); а. коэффициент теплоотдачи от аевоlC трубок ВОЗ
духу, хВт/(м. 2 . К); F. и F.. поверхноCIИ охлаждения по воздуху
и маслу; qJ==FJFM коэффициент оребреви.я радиатора; (})==2,5...3,5
для трубчато шIастинчатых масляных радиаторов; 6 тол 111 : а
трубок радиатора, м; 1. коэффициент теплопроводвоcrи труба
радиатора, хДж./(м. с · 1<).
p.
Пренебреrая вел -.: :ами вследствие их малости, получим
J.F N
1
Х М ==
1 Р. 1
+
rx,. F.. сх.
...
.
ПО ОПЫТНЫМ данным известно, ЧТО rtм в 1,5...3 раза больше сх..
Поэтому к..==(О,35...0,SS)а., а учитывая, что для )f(JIДxocтвoro ради
атора lCоэффициевт теплопередачи K a., можно при ориентировоч
ных расчетах пр :ш атъ к",==(0,35...0,55)К дли 01 I:. xoBых по KOB
струкции . J · ОСТНЫХ и масл -.:1. ' ра,ци:аторов и одинaJcовых мае--
совыж скоростей воздуха перед фронтом радиаторов. Значение
Кв их зависимости от У.р. приведены в rл. 11.
Для ': .1 ocтHo--MacJIJIныx радиаторов с пр., 1. ": rла.. I
трубками при скорости масла 0,1...0,5 М/С можно принимать u...==
== 120.. 320 Вт/(м". К), а для радиатор<?в со специальпыми завихри
телями в трубках К"м==800...1000 Вт/(м 2 . 1<).
Удельные поверхвоcrи радиаторов вьшолвенных двиrателей на..
ХОДЯТCJI в пределах (м 2 /хВт):
воздymно--маС1llШЫе FJд==(3...6,S).lO 2,
ЖИДICостн маслявые Fy.ц == (0,2...1,1) .lO 2 (по маслу),
F уд ==(О,13...0,34). lO 2 (ПО воде).
.,..
.
rЛАВА 11
СИCfEМA ОХЛА
lI.
Система охлаждения предназначена для привудителъноrо ОТ...
..,
вода теплоты от детален двиrателя, омьшае:мых rоричими rазами,
для обеспечения их оптимальвоrо и crаБИЛЪDоrо тепловоrо состоя..
ния.
В зависимости от способа орraнизации теплообмена между эле..
.., ....
ментами двиrателя и ОlCружающеи среДОИ различают системы
с npомежуточвым теплоносителем (цирхуляционвые системы жид
Kocтнoro охлаждения) и без промежуточвоrо теплоносителя (сиcrе..
мы 80здушвоrо охлаждения и проточные системы жидхостноrо
охлаждения).
11.1. ЖИДКОСТНАЯ СИCfЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ
Проточная система \. I1 ocYНoro охлаждения lCонструктивно
.Iаиболее проста в производстве и ЭICСШIуата II I . Простейшая конет..
рукция тахой системы (рис. 11.1) ВlCJIЮчает В себя насос 4, IC:ОТОрЫЙ
IIрокачивает охлаждающую ' jl ость (обычно воду) через рубашку
охлаждевия: двиraтеля 8, сбрасываемую затем В о:rcpужающее про--
странcrио. Реryлировавие ПРОИЗВОДИТeJIЬности системы ocyiц
пяетс.и за счет изменении расхода ' . 11' ости через рубашку охлажде--
IIИЯ с помощь управляемоrо вентиля 7. ПерестаНОВIC:а вентиля
осуществляетСJI по сиrвалу датчика температуры 9. Основным Beдo
статlCОМ проточных систем JlВШIется пеобходимоcrь иметь большой
u
lапас охлаЖДaIOщеи . L ОСТИ, В СВJIЗИ С чем они используются
.1 основном на водном транспорте, еде 3 lCачестве охлаждающеrо
.trепта используется забортная вода.
На наземном транспорте наибольшее распространение получи
JIM циркуляционные двуХl(онтурные системы, rде теплоотвод осуще-
с rвляется в воздух, а охлаждающая ЖИДКОСТЬ используется в lCачест--
Ile промежуточвоrо теплоносители, циркулирующеrо по замкнуто--
му контуру.
Конструкция системы : . ' остносо охлаждеНWI во мноrом опре..
J,еляется пр I: -TЬUd способом орrанизации циркуляции JI ости.
293
.
..........
6
5
7
8
J
4
з
t
........
2
1
10
.-............... .. .... ... .... ............
...
....... -- ................. ........ ..
................................... ....... .....
......................... .... ................
........................ ........................
.................................
... .... .... ... .... ....
Рис. 11.1. Пр :III III 8.JIЬR8JI схема проточной системы :кидкocrвоrо охлazдеВIIJI:
1 8Qдозабо. ;'1. I JIЩП; 2 фильтр; 3 обратвый Ю1&пав; 4 ........... васос; j ..........а 1f'8rИС1раль
DOдвода бортвой воды I двиrатсmo; 6 М&rиC1p8JJЬ Bыхдаa ВОДЫ из Д8Иf'аТCШI; 7
управшlcмый ВС:ВТИЛЬ; В............ .цвиrатель; 9.............. темпера турВЬ1Й па . ; 10 блок упраап е и ".
По этому признaJC}' различают системы: термосифонные, С пpWIуди
тельнoU циркуляцией :жидкости и С),fешанные системы охлаждения.
В mермосифонной системе (рис. 11.2) циркуляции ЖИДКОСТИ про..
ИСХОДИТ в силу разности ее температуры в ШIОТНОСТИ В различных
зовах ЖllДКостноrо lCонтура. Тахая система охлаждения lCohctpyx--
ТИВНО наиболее проста, недороса, но при приемлемых ее rабаритах
теплотехвичесlCИ ведоcrаточно эффективна. для интенсивной цир.-
куляции '. 11. ОСТИ В ней необходим значительный перепад тeM
ператур At. на радиаторе (порядка 30 0 С). В противном случае
вебольmие скорости движении 1 .. ОСТИ MOryт привести J( мест..
ным neperpeBaм и значительным rp8JtИентам температур в охлажда..
емых элементах двиrателя. В св.изи с отмеченными недостатками
в современных транспортных две термосифонныe системы охла
ждения не прим:еWnOТСJl.
Система с принудительной циркуляцией охлаждающеrо аrеИТ8
...
в настоящее время 8.: · ется ОДНОИ из основных типов систем охла...
ждении aSTOTpUTOpНЫX двиrателей. ПринудитеЛЬН8JI ЦИРКУЛИЦИИ
промежуточноrо теплоносителя по всему КОНТУРУ осущеcrВЛJlетСJl
ЖИДКОСТНЫМ насосом б (рис. 11.3). ОхлаждаюЩИЙ асент ПОДВОДВТСJJ
....
через нижнии пояс ЦИЛИНДРОВ. ..
В смешанных системах охлаждения (рис. 11.4, а, б) охлажда
ющая ЖИДКОСТЬ из радиатора 1 подается в верхнюю зону рубamхи
294
,
"
"_ J.. ...
r
"'""с
t
....
Рис. 11.2. Пр 1:111 llf альНaJI схема термосифоввоi системы охлаждеНИJl:
,
1 радиатор; 2 ............. вевти.п.rор; 3 блок . f I 1: I . . в; 4 шлaиr подвода охлаждающей
ДКО Сl1! из радиатора в блок II I I; .,. ,в; j mлaвr отвода охлаждающей -ИДКО С"СJI из блажа
.. I t: I . 'В В радиатор
охлаждения ... 'ОВ (рис. 11.4, а) или в полость rоловки блока
(рис. 11.4, 6). В этом случае в . .. .ры двшателя охлаждаюТСJl за
счет термосифониоrо эффекта. При подаче ОХЛ8.Ждающеrо теnло
носителя в I'оловку блока Шlоrда (при бо1ПdIIИX. линейных раз..
мерах двиrателя) используют раciIpeделительные трубы 10 (рис.
11.4, 6), позволяющие интенсифицировать охлаждение наиболее
rоричих зон :камер crораНИJI. Такие системы используются преиму
ществеlПlО на дсиз.
для этих же целей в pJIДe ICОНСТРУХЦИЙ дизелей применяетСJI
двУXnОАОСтная система охлаждения двиrателя (рис. 11.4, в). По--
лость рубашки охлаждения IC8.ЖДОЙ I'ИЛЬЗЫ разделена переl'ОРОДКОЙ
по высоте на два (11 и 12) объема. В верХНИЙ объем 11 через канал
13 подводится охлаждающая ЖllДJCоcrь. Объемы соеДИНЯЮТСЯ меж--
ду собой lCольцевой щелью между переrороцкой 14 блока и стemcой
rилъЗЫ. Это позволяет ивтенсифицирова1"Ь охлаждение верхней ча
сти rШIЬЗЫ за счет привудительнои ЦИРКУШlЦИИ теплоносителя
в этой зоне. из верхней полости охлаждающая \. JI ость поступает
в rоловку блока и через щель в переroроДIC.е 14 J( :1. t', : им частям
...
r"ильз, осуществляя их охлаждение в ОСНОВНОМ за счет естественнои
конвекции. ·
29S
6
J
9
1
..
Рис. 11.3. Пр I : 111 11: альвз..: схема цир..
..
кутщиовиои системы JllJДI[ocтнoro
оxлazдеВИII:
1 .: 1'; : тор; 2 парово эд,,'IН" tpyба;
3 термостат; ., . '. tl41"'J . ,. :,. 1', бачок;
j проб:.:а · : 111 . тельвоrо бачка; 6 -и
.О I ЫЙ васос; 7 рубamr а блока 111 I 1: д....
ров; В : : . , - .,; 9 обводвu. мarиcт...
ра.ль
Рис 11.4. Схемы сие 11 · :,: I . свете..
жвщоствоrо ОXJI8ЖДеВВJI:
tl С ПОДВОДОМ JOIДI:оcrи в верХВИЙ DО
руб a.t.nJ;и оxn a.zде:я.d (1'. I I: I . . в; 6 ............... с поп....
ВОДОМ 0\i1 В ПОЛ ОС.iD roЛ ОВtи блао.;
IJ ........... ДВУХПОЛО LlI '" система о хпаиденй_; 1 ..............
радиатор; 2 -вдк-. :,. I васос; J ............. ОДНО--
: I : :1;'. ' тepMocraт; 4 ру БАптrа охла..
-деви- двиraкл..; j ........... : j , ар; 6
обводи.. МanJC"Ip8ЛЬ; 1 .1 ; . : :, : 1. 1
термостат; В ОСВОВНОЙ : I : : тсрмоста..
тaj 9 ДОПО 1: 1:- 1. :1. I I : : тepMOC"Iaтa;
10 распред I 1. : U труба; 11 верх..
яq ПОЛОС1Ъ охлв.. де ии . II I I: J . 'в; 12 ...............
:1 1r .: .. полость охла.жд ени. II I I: I . ..;
11 :nвaл дзu: подвода тeпnоносите.ла;
14 nepcropoдo
1
W I
. I 1. .' I
: Jj J JP ,P: J:
... ..... l "-.........
5
а
r I 1. I
I I: 'I I I
: 11 '1 I I
I I I I I
L.. L.......J L... ..... L .1
...
б
.
.
I
.
.
в
Системы с принудителъной и смешанной цирхуmщией ЖИДIC:ОСТИ
(рис. 11.3 и 11.4) ПОldИМО радиатора и , J OCl'HOrO насоса оснаща..
ютс.и термостатом, .ивЛЯЮIЦИМСJl элементом реrулировавия их про..
изводительности по ЖИДl(остному контуру. TepMocraT предcrавляет
собой позиционный реryлятор расхода охлаждающей '. J t ости че-
реэ теWIообме :.:.: (радиатор). При достижении заданной темпера..
туры на выходе из рубашки охлаждении ОН перекрывает доступ
296
ЖИДICОСТИ В радиатор, ступенчато изменяя при ЭТОМ ПроИЗ80дитель...
ВОСТЬ сиcrемы (рис. 11.4, а).
При тах.ом способе реryлировавия при закрытом клапане термо--
""
ста та реЗlCо возрастает разрежение во всасывIoщеии мarистрали
жидкоcrноrо насоса, что может привести IC KaвиmaциOHHO.м.y срыву
работы жидкостноzо тракта. Следствием уменьшения давления на
входе в насос является снижение температуры ICИпевия теШIОВОСИ'"
теяя и переХОД ero в двухфазное состояние. В результате произ
водительность насоса резко падает, что немедленно нарушает ре..
жим циркуляции ЖИДКОСТИ и ПРИВОДИТ IC проrpeccирующему пере..
среву двиrателя.
для повышения :кавитационной устоЙЧИВости сиcrемы при pery
ЛИроВ8НИи ее производительвости используются двухклапанные
термостаты (рис. 11.4, 6), :которые в сочетании с обводной мarист
ралью 6 оrpaничиВ8IOт разрежение на входе D насос при закрытом
доступе ЖИДICОСТИ в радиатор. В этом случае нarpeтая жидкость из
руб3lIIПl охлаждения поступает или в радиатор 1 через основной
lШапав 8 термостата 7 или (и) непосредственно во всacъma.ющую
мarистраль насоса через дополнитеЛЬНЫЙ lCЛапан 9 и обводную
маrиcrралъ 6.
Повышенной кавитационной устоЙЧИВостью обладают закры
..,.
тые системы, \ .1 остныи контур lCоторых В определенном диа..
пазоне давле :t.I изолирован от атмосферы. В отличие от oт
крытых систе.м, rде ЖllДICОСТ :1. ' тракт постоянно сообщаетс.R
с атмосферой, CВJIЗЬ с окружающим простравCТDOМ в закрытых
системах осущеcrвляется через паровоздушную крышку рllCШ,ири
тельноzо бачка (рис. 11.5), которая содержит ВПУCIClIой (воздушный)
и выпусlCНОЙ (паровой) ЮIапаны. ПарОDОЙ жлапан реryJШруют на
избыточное давление паров ЖllДКоcrи 0,045...0,05 МIIa. Таким
образом, при давлениях в системе ниже давления срабатьшани.и
пароВОFО lШапана сиcrема изолирована (<<закрыта») от атмосфе-
ры. При этом температура в хонтуре может быть доведена
до 105...110 ос без опаснocrи зaкиnания жидкости. Воздушный
клапан срабат:ывает при падении давления в системе примерно на
0,01 МПа.. Достоинством закрытых систем является таюке их
а б
Рис. 11.5. Кр. 11.1: · раcmиpительвоrо баЧI8. при открытом: ..: е:
а В ЫП)СDl QМ; 6 .......... B IIO M
297
большая (при прочих равных условиях) производительность, что
является следcrвием ПОВЫllIСНИЯ температурноrо напора между ОС..
НОВВЫМ: (воздух) И промежуточным (охлаждающая ЖИДlCость) теп..
лоносителями в системе. В настоящее время все большее распрост
ранение получают не06служиваемые системы с reрметизирова :1:1. М
ЖИДICОСТНЫМ контуром, в которых температура теплоносителя МО'"
жет повыштьсяя до 120 ос (при давлении ДО 0,2 МПа). В них
применяются деаэрированнъrе (вакуумировавные) теплоносители
с малым объеlwlым расширением..
Использование в качестве промежуточноrо теШIоносител.и НИ ..
козамерзающих жидкостей (антифризов), имеющих большой ICоэф--
фициент объемноrо раcmвpения, диктует необходимость иметь
в сиcreме резерв :1. I ICомпенсацион :1. I объеМ. Для этих целей ие..
пользуется расширитель :1. I бачок 4 (см. рис. 11.3). Будучи уставов..
" ....
ленным в самои ВЫСОЖОИ точке J' ocrнoro хонтура с ВЫХОДОМ во
всасывающую мarистраль насоса, он вьшолняет фymc II I ковден",
сатора, стабилизатора уровня ' J I f ости В рубaшICе охлаждения
и деаэратора (ОТl'елителя воздуха, rазов и пара от охлаждающей
· .. 11. ОСТИ), а также является элементом, оrpаничввающим разреже
ние на входе в насос и тем самым повьnпающим кавитационную
"
ycro '. : ОСТЬ системы.
Обычно объем паровоздушноrо пространства составляет 5...
7% при общем объеме бачка 10...25% от емlCОcrи системы охлаж
деlШЯ.
у дель :1. I объем сиcrемы охлаждения двиrатеnей для леrковых
автомобилей составляет 0,18...0,24 л/кВт, для сру30ВЫХ 0,25...
0,34 л/кВт.
11.2. PErY JШРОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТFЛЬНОСТИ
СИСТЕМЫ жидкоcrноrо охл я
Рeryлирование производителъности (ICоличества теплоты, OТBO
u
ДИМОВ от двиrателя в окружающее пространcrво в ед I:I . цу време--
ни) системы .. j I OCTHoro охлаждения осуществляется изменением
....
массовосо расхода охлаждающих теплоносителеи в rорячем и хо..
ЛОДНО f lCонтурах радиатора.
Основной (обязательной) является система реzулupoванuя про--
uзводumeльности по :исидкостному контуру. Ее основу составJIЯЮТ
1WI
автоматичесICИ деиствующие термостаты, ВХJПOчаемые в цирку--
...
ЛЯЦИО:I 1.1. контур И реrУJШрующие расход жидкости через ради"
втор. Конструктивно они представляют собой устройство, КОТО--
рое совмещает измеритеЛЪШdе и исполнительные фymщии. В зави..
симости от crепени открытия lШапанОD термостатов, определи..
298
.
....
емои термочувствительным элементом, изменяется соотношение
.....
потоков охлаждающеи ЖИДICОСТИ, поступающеи во всасывающую
мarиcrралъ насоса через радиатор охлаждения и через обводную
мarиcrpалъ. По конструкции термочувствите.льноrо элемента раз
личают термостаты с :нcидкu.м (рис. 11.6) и твердым (рис. 11.7)
напоmmтелем.
Жидкостный термостат (рис. 11.6) имеет сильфов 1 , заПОJUlен",
ный леп:оюmящей ЖИДКОСТЬЮ (1/3 этиловоrо спирта, а ocra..
львое диcrиллированная вода). Ни. : .. часть сильфона при..
креплена IC корпусу 3 с помощью кронштеЙНа 8. Во время работы
пепроrpeтоrо двиraтеля lCЛапан 7, уcrавовлеННЫЙ в выходном (1(
радиатору) патрубке, З3.ICpыт. Охлаждающая .. " ость пocryпает
через olCВa 5 в патрубок, ведУЩИЙ IC · 11 остному насосу, минуя
радиатор. При повышении температуры" жидкости в сильфоое
...
испаряется J 1: ии наполнитель и ПОД давлением ero паров силь..
фон удлиняется. Клапаны 7 и 4 oncрываются, реryпируя потоки
охлаждающей ЖИДICоcrи, пocryпающей в радиатор и обводную
мarиcrраль.
к радиатору
I 12
10
11
Рис. 11 а6. Термостат с :. J l' · наполнителем:
1 1. tl -в; 2 в 6 reptd еlиЗ иpyIOщие npoIJI8ДПI; 3 корпус термостат&; 4 ncpe IиQ Й
а:лапав; j o:I.Вa перепу с..:но ro :клапана; 7 ОСНО ВНОЙ Юl8Dвв; В кро ; 111 1: креПЛ С RИ . ви-й ей
ч аеrи Ioi 1. 1 t . на :8: корпусу з; 9 вапраВJIJIЮЩU 1.1l1'OI8. осно вноro : I : а; 10 .lI1.1 0:1: освоввorо
КJI& паи а; 11 ВЫХОДНОЙ патрубож; 12 отверстие ДJD JI1.Ц.O дa воздуха при "ПОЛИснии систеМЬil
охлв..даю..цel .....ДЖOC1blO
299
Термостаты Ж:ИJ(ICОСТllоrо типа имеют оrpаниченнЫЙ ресурс
вследствие образОВaIIИЯ МИICРОClCопичесlCИХ уcrалостных трещин
в стенках сильфона и потери им rерметичности.
Этоrо недостатка в значительной мере лишены тер.мостаты
с твердым наполнителем (рис. 11.7). они состоят из капсулы 9,
заполненной термоактивной массой (оБычнo смесь церезина с Meд
:1. I ' ОПИЛlCами). Капсула закрыта резиновым буфером"мембраной
5 и IIIТOKOM 4, упираюЩИМСЯ в реryлировоЧНЫЙ ВИНТ 3, расположен
ный в верхней рамх.е 2 термостата, кольцо lCоторой образует Седло
6 для освовносо lCЛапана 7. Через направляющее кольцевое отвер..
стие 10 в · а" :ей рамке 1 прОХОДИТ ICонец капсулы, на котором
закреплен перепусmой ЮIапан 11, зафиксирова:1 :1. '"; упрyrим lCоль
цом 12 И пружиной 13. При расширении актИВНОЙ массы шток,
.... "
упирающиися в реrулировочныи ВИНТ, отжимает капсулу вместе
с ocBoBвым мапаном от седла и открывает проход ЖИДlCОСТИ
IC радиатору. Одновременно нижний конец кanсулы С lШапаном 11
На большой Kpyr 3
к радиатору
4
2 =t ,
.
'-' v6
.
; JlIZ. rh "'. I/;;;И
// ' /I.
rh ,.., I '1 :'
. Ira; : rc..>t k l . ,,\ ' "
j . ;: :-t , у
. "'h'Y . '\
ка
\.... ... " 1
I
1 W \ ;.: .-,'\; ,
' H 1. ',j'" \\.
',
"',
\
\
J \ 9
11 10
На малый Kpyr
к насосу
7
8
14
13 12
Рис. 11.7. Термостат с TBep.u;ым иапо 1: I . ем:
1 ни -ни раъп:а термостата; 2 вер XJOOl ,', .1 термостата; j реrymyюВО 4 m.Ц1 болт; 4
шток; j резиновЫЙ буфер..мембрава; 6 ceдno OCВQBBOro клапана: 7 основной :клапан; 8
пр . I:: осво виоrо ЮI8.пава; 9 к-псу па с JИIIВ ОЙ массой; 10 ваправ.п.ющее :кольцевое
ОТверс1ИС; 11 Пepel]y CI.tlО Й ЮI 8Пав; 12 фиЕсирующсс кольцо перепус:поrо клапава; 13
пру-ива п. · - . .: oro ,. I : : а; 14 седло ncpeпусквоrо клапана
300
переlCрьшает циркуляцию ЖИДICОСТИ по малому ICpyry. К числу дo
СТОИНСТВ TepMocraTa с твердым наполнителем относится ero спо..
собность развивать большие усилия для перемещения рабочих O
raнOB, вследствие чеrо он нашел широкое прим:евение таюке и в си..
u
стемах 80эдушноrо охлаждения, в устроиствах ОТICJПOчения вен..
тиляторов и Т. д.
Достижимая точность стабилизации температуры охлаждающей
....
ЖИДКОСТИ на выходе из двиrателя оrраничивается тепловои инер--
ЦИОВНОСТЬЮ есо термочувствителъноrо элемента. Для сокращения
'"
времени переставовlCИ клапанов в термочувствительныи элемент
термостата с твердым наполнителем МQвтируется эnеIC:тронarрева..
тельный элемент (резиcrор) (рис. 11.8). Фактичеасая температура
...
о аждающеи жидкоcrи рerистрируется при этом автономным дат..
...
ЧИlCом, по сиrналу ICOToporo на резистор подается элепричесlCИИ
"
ток, интенсивно разоrpeвaIOЩИИ термочувствительвыи элемент тер.-
мостата.
Общим недостатком реrулирования производительности систем
ЖИДICОСТRоrо охлаждения с помощью термостатов является то, ЧТО
в качестве управляющесо параметра здесь используется температу...
.....
ра охлаЖДaIOщеи ]I(llДlCоCfИ.
Исследования показали, что для достижения максимальной эф..
фективности работы двиrателя целесообразно поддер 1: ать на оп...
""
тималъном уровне не температуру охлаждающеи ЖИДКОСТИ на входе
8 двиrателъ, а температуру выoKoнarpeтыx ero деталей (например,
цилиндра и ero rолоВlCИ). Не изменяя принципа термостатическоrо
реryлирования, эффекта стабилизации их тепловоrо СОСТОЯIIИЯ B03
.....
можно достиmуть за счет вариации температуры охлаждающеи
ЖИДlCости, поддерживаемой термостатом, в соответствии с требова..
пиями режима работы двиrателя.
Проzра.ммируемый тep.мocтam (рИС. 11.8) позволяет целеваправ
....
ленно влиять на температуру охлаждающеи жидкости, увеличивая
ее значения на чаcтичвых пarруз.tcaX. проrpaммируемый термостат
реrулирует температуру в определенном поле рабочих характери--
етИIC двиrателя. Для реализации оптимальвоrо тепловоrо состояния
двиrате.ля электроННЫЙ блок управления подает на термосопротив
пение 6 напРJIЖение и термостат oncрыветсяя при более НИЗICИХ
температурах охла.ж:цающей ЖИДlCоств. Диапазон реryлированИJI
температур от 85 ос (воминаль :1. I режим) до 110 ос (частичпые
нarpузICИ).
для формирования управляющеrо воздействия электронный
блок управления анализирует показания следующих датЧИICОВ:
. нarpузК8 двиrателя;
. частоты вращения ICопенчатоrо вала;
. СКОрости движения автомоБШIJI;
301
f
в радиатор
3
2
1
к рубашке
охлаждения
l
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Рис. 11.8. ПроIp ... .I ,уемый термостат с твердым ваполвителем:
1 рабоЧИЙ поршевь; 2 uepдый вапо 1; I 1. ; j pcryпируюЩИЙ элемент; ., иtfrerpaль вый
КОРПУС; j З1Jеприч fdt pa3J.eМ:; 6 термоэлсм:свт; 7 ............. седло ocвo вaoro : I : : .; 8
осво ввой , : :; 9 ,. . I: OCВOBBoro : I : . 10 опора пр 'J I :1. ос:в:оввоro жлапава;
11 l' 'J 1: а псрспуcmоro . : : ; 12 ПC}.lCuУСI.tlО Й ЮJ8.Dав; 13 седло переП}\.'lI:но rо : I : : :
'--'
. температуры окруж:ающеи среды;
. Te epaTYpы охлаждающеи ЖИДlCоcrи.
В совреме: :1. . две с системами ЖllДКосmоro охлаждения для
реrулирования их производительвоcrи используется также ре:rули..
ровавие тenловоrо состояния двиrатеЛJl за счет изменения расхода
охлаждающеzо воздуха. проходлщеzо через радиатор. Реrулирование
....
ClCорости воздуха реализуется либо посреДСТВОМ uз.мe1leНUЯ аэроди
намическоzо сопротивления воздушноrо тракта, либо за счет измене..
нил пРOUЗ80дumeльностu вентиллmора. .
302
Аэродинамическое сопротивление воздушноzо тракта изменяется
посредCfВОМ дросселирования воздушноrо потока с помощью жа..
люзи. Жалюзи выполняются в виде набора вертшсалъных или rори--
зонтальных пластин--створоlC из о 11 1:ICOBaнHoro :железа. Управление
ИldИ осуществляется вручную или автоматически термостатичес..
w
КИldИ устроиствами в зависимости от температуры охлаждающеи
Н: ости В радиаторе. ЭффекТИВНOCIЪ реrулиров8НИЯ та :. I I устрой
ствами невысока, так жак расход воздуха недостаточно снижается
даже при полностью закрытых створках. При этом возрастают
МОЩНОСТИ на привод вентилятора.
Из.менение пРОUЗ80дuтельностu вентилятора является наибо..
лее рациональным и эффективным способом реrулирования теп
ловоrо СОСТО .t.l · двиrателя по воздyпmому тракту. При приводе
вентилятора от :к:оленчатоrо вала для этоrо используются mдpaв...
личесхие или элехтромarнитные муфты с реryлируемым сколь
жением. На совреме :'8'. t автомобилях все большее применение
находят системы с aвToHo:мJIым электрическим приводом вен..
тилятора с позиционным реrулированием ero производителъно"
сти. Управление работой веНТИЛJIТОроВ осуществляется термореле
(датЧИlCОМ температуры охлаждающей жидкости), установлеlШЫМ
в радиаторе.
11.3. КОНСТРУКЦИЯ РАДИАТОРОВ
КОНСТРУICТИВRО радиатор СОСТОИТ из Bepxнero и нижнеrо бач..
КОВ. Между НИМИ располаrаются ЖИДICостные трубки, объеди--
ненные с пластинами или лентами охлаждеШlJl в ОДИН узел,
..... ..."..,.., ...,
которыи называют охлаждающеи решеткои, или активнои З0нои
радиатора. По конструкции охлаждающей решетки различают
радиаторы одноходовые и МIIOzоходО8ые (двyx и трехходовые).
Радиаторы одноходовые, в которых охлаждающая ЖИДl(ОСТЪ
lIоступает из Bepxнero баЧICа в нижНИЙ ПО всем ЖИДКОСТНЫМ
rрубам одновременно, имеют наибольшую тепловую эффектив--
IIOCTb И наименьшее rидравличесlCое сопротивление. Двух--
и трехходовые радиаторы в автомобильной технике практически
Ile применяются. Наиболее n.шpокое ПР'lменение имеют ради
аторы с вертикальным ходом :жидкости сверху вниз. Для ряда
JlerXOBЫX автомобилей выпJпIяIoтT радиаторы с rОрИЗ0нталъ..
IIым, а дли некоторых машlШ специалъноrо назначеШfЯ как
с rоризонталъным, так и с наклошlыM ХОДОМ жидкости. Коиcr...
РУКЦИИ радиаторов независимо ОТ их ICомпоновlCИ В ПРИlЩипе
I
одинаковы.
303
>1\ II)IK( )(. 11)
с::
с
II
°.3ь
y
Жидкость
II
O
а б
Рис. 11..9* сердr:tевивы охлаждаюЩИХ решето радиатора:
II -.руб"l8.то-.: I: 'aToro; 6 трубчато..л еиrо чвоrо
в наcrоящее время для двиrателей автомобилей и тракторов
наиболее mироlCО используют трубчаТО--ШIаcrинчатые и трубчато--
ленточные ICонструк 1. . радиаторов (ри . 11.9).
При изrотовлевии охлаждающих решеток трубчато--пластинча..
тых радиаторов используются трубm (шовные ШIИ цельнотянутые);
u
которые изrотовляют из aJПOминиевоrо сплава, латуннои ленты
Л...68 или Л..90 ТОЛЩИНОЙ до 0,15 l\1М (рис. 11.10). Пластины оребре--
пия вьmолвяются ПЛОСICИМИ ИЛИ ВОЛНИСТЫМИ из Toro же материала,
что и трубки. В трубчато ленточных конструхциях ленту изrотовля"
ЮТ из меди М..3 толщиной 0,05...0,1 .
В трубчато-пласmинчатых радиаторах охлаждающие труБЮI
Moryт располarаться по отноmению IC потоку охлаждающеrо 80З"
N
....
с::>
N
...
О
.
00
...
00
2,5 o,2S
2,2 o 12
t
2,2 o 12
а
N
...
<:)
..,.
м
..
о
.
00
....
IЛ
2,9 o, 12
2,8 o 1
,
Место сварки
б ...
Рис. 11.10. ТруБICИ радиаторны::
Q Meдныc na.-аые ; 6 ............. свариые ИJ &mOМИЯ JI CBOro сплава
304
Воздух
t! ! !
t фр
Воздух
! ! ! !
Воздух
! ! !
...с:)
,
I I I
,..
...... It>. .. .... . .. .....
... " J8 .:-........ ............... .............. ..,........
., ... . -, .. . 11
.....
. .. .. ... '., ". .
о ; ..
[ E4< .. .. .. ..
I I
I I
11 а n
I н 11 11
I I
t
а
б
в
z
Рис. 11.11. элемеиты охлаждающих решеток трубчато..плаCТIПIЧатых радиаторов:
а plДВoe распоп вие 'l]JYбои:; 6 I1I8.XМ&1ВOC распо ло..евие; " то .е. ПОД утnом
I ВО зду1 IIН О :МУ ПОТОIY; 2 ОХЛaJ[Д8.lOЩU DП 8СJ»-n. а С aro: · I I 1.... '1 ,I
духа в РЯД, в шахматном порядке и в шахматном порядке ПОД yrпом
(рис. 11.(1). В ИХ 1C0нструкции наибольшее npименепие нашли плос..
кие пластины ЮIИ пластины с отоmутыми просечкRМИ (турбулиза
торами), которые образуют узкие и короткие воздушные хана...
ЛЫ, расположенные ПОД yrлом IC потоку охлаждающеrо воздуха.
В трубчато..ленточныхрадиаторах (рис. 11.12) охлаждающие тру&.
кв практически не отличаются по своей ICонструкции от трубоlC,
применяемых в трубчато..пластинчатых радиаторах, во располarа..
IOТCЯ они толысo В рид. Для увеличения турбулизации воздуmноrо
потока на лентах въшолняют либо фиryрную ВЫШТaмDОВICУ, либо
отоrнутые просеЧПI.
Для оцеНICИ lCонструкции радиатора используются три rрynпы
v
показателеи:
,5
о .....
1 2 9,5
а б
Рис 11..12. Элементы трубчато...левточных радиаторов:
а охла-дающв... pem elI a радиатора (1 о"лаадающв.. лент&, 2 ЖIt,ДЖocm u ОХЛ8.JI:д&IOЩU
труб:а.); 6 охла-дающв.. лента с фиrypвой В WJ'I 'ам повжОЙ
зоs
1) общие данные 1JO ССР.LЩевине радиатора: фронтальная по..
верхность F фр == Н · В (11 высота, В ширина), елубина 1 и общая
ШIощадь поверхности ОХllаждения F охп ;
2) rеометрические pa'lMepbl элементов поверхности охлаждения:
размеры и форма жидкостных каналов, их расположение, шar по
фронту и слубиве радиатора, форма и шar пластин оребревия,
толщина стенок каналов и т. д.;
3) оценочные параметры WIИ коэффициенты, каждый из lCоторых
характеризует ТО или иное качество ШIИ компоновочную особев--
ность КОНСТРУКЦИИ радиатора:
. компактность поверхности охлаждения оценивается lCоэффи--
циентом объемной компактности ер == F охл! V охл (м 2 /м 3 ), еде У охл
rеометричесICИЙ объем радиатора;
. конструктивная структура поверхности охлаждения определя..
ется коэффицueнmoм оре6рЕ!1ШЯ, Т. е. отношением поверхности охла..
'"
ждеНИJI, омываемои охлаждающим воздухом, IC поверхности охла..
ждения, омываемой охлаждающей ЖВДICОСТЪЮ: l;op==FovJ F-ид .
Величины охлаждающих поверхностей радиаторов FOM ориен"
тировочво составляют для двшателей rpузовых автомоБШIей 0,2...
0,4 м 2 /ж.Вт, а ДЛЯ лепсовых 0,14..:0,2 м 2 /кВт. rлубина 1 автомо-
.
БшIьныx радиаторов составляет 60...130 ММ, тракторных . 80...
135 мм. Площади фронтальных поверхностей охлаждающих реше..
ток для всех типов радиаторов F фр ==0,2...0,6 м 2 .
Коэффициент компактноcrи трубчато..пластинчатых радиаторов
в зависимости от ICонструIЩИИ сердцевины равен 440...850 м 2 /м 3 ,
а коэффициент оребрения (ор==2,5...5,4.
Трубчато..ленточные радиаторы обладают более высоICИМИ зна..
чениями как коэффициента ICОМПaICТНости Ф == 1100...1200 /м 3 , TaIC
И коэффициента оребрения 'op 5...11,5.
11.4. ТЕПЛОВЫЕ И rидРАВЛИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИАТОРОВ
ОСНОВНОЙ тепловой характеристикой радиатора, как и всякоrо
ТeшIообменника, является коэффициент теплопередачи К (Вт/(м 2 · К»,
" ....
ICОТОрЫИ зависит жак ОТ lCонструкции охлаждающеи решетПl ради--
IIWII
атора, так и от режимов ДЬижевия теплоносителеи в ЖИДКОСТНОМ
и воздушном трактах:
К==
1
1 lJ
op +
л
.
1
+
306
Здесь а. и а. >N коэффициенты теплоотдачи в ЖИДКОСТНОМ и воздуш--
НОМ контурах соответственно; 1 коэффициент теШIОПРОВОДНОСТИ
материала трубки; толщина стешси трубп.
Коэффициент К, как следует из приведенноrо уравнения, всесда
меньюе, чем 1(, · 1. '; из членов, стоящих в знаменателе: К < а./'ор;
K< ; K<l/lJ(,OfJ'
В современных радиаторах влияние термичеСICоrо сопротивле
пия {J,orJ1 на величину К сравнительно мало (около 0,5%) и поэтому
в практичесюп. расчетах ero не учитывают. В связи с этим
K ад/(а,., + а.Сор).
из полученных выражений следует, что для определения коэф-
фициента К необходимо иметь значения коэффициентов теплоот
"" ....
дачи как по воздушнои стороне радиатора сх., так и по ЖИДКОСТНОИ
. Влияние ClCорости течения теплоносителей на коэффициент
К различно. На Hero в большей crепеви оказывает влияние скорость
воздуха v. (рис. 11.13, 11.14), чем скорость охлаждающей жиджости
v. (рис. 11.15). Расчеты и ЭlCсперимевты похазывают, что К по
своему численному значению близок IC величине а.. Поэтому с ДО-
к Вт
J (м2. к)
140
80
/ 1
/ ,
2
/ r /'1
...-,
.
/ ". 3
/ /
..
// "'" ,,'
v .... v 4
wv.
.
../ ,.
v' '
/'
9 .' . 1
-
L"I
/ I 2
V V/ 3
.. h ':;
/ 4
/ .'i ')
/ : ' ' . ,.
/
/ ' . ,-
#
..
...
%'"
# .. .
А r ,.
.
PP' Па
500
120
100
60
400
40
300
20
I)ис. 11.13.. Коэффициент теплопере--
дачи К и аэродинамическое со про-
I ивлевве Арр в зависимости от мас-
...
СОВОВ скорости воздуха:
1 шахматное располо:ае:вие труба..
IIОД yrлом J[ ВОЗдylIIВому потожу; 2
Illахматиое расположение трубок; j
1 1 t1Диое расПО ЛО]l[ени е рубеж; 4 тру6-а
чато--л ев ючлы1 e радиаторы
200
]00
4
8
12
16
20
1). Рв
,.
Kr/(M2 · с)
307
Вт
К, м2. К
Ар р ,
Па
600
400
200
...
к
]50
140
130
120
)10
о
8
[6 V B . Рн' кr f(M2. с)
Рис. 11..14. ВлиJПIИе СКОросТИ охла:кдающerо воздуха
на величвньt К и А Р р радиатора
craто ой для инженерных расчетов точностью в большинстве слу
чаев можно считать К==а:..
С ростом ClCоростей теплоноси лей увеличиваются rидрз.в-.
личесlCие и аэродинамические потери в системе охлаждения, в част--
ности Ар.. и Арр (см. рис. 11.13, 11.14, 11.15). Рост уровня rидравли-
ческвх потерь влечет за собой необходимость увеличеНИJI папора,
который должны обеспечивать жидlcоcтный насос и воздymный
вентилятор при расходах теплоносителей соответственно а. и а...
Эro требует увеличения мощностей на их привод. Поэтому мac
СОВая скорость воздуха P.v и ClCорость охлаждающей ЖИДКОСТИ
оrpавичиваются cooтвeтcrвeвнo величинами 14...16 п/(м 2 · с) и
0,4...0,7 м/с. При этом в зависимости от емкости системы охлаж-
дения жидкость может ПРОlCачиваться через радиатор от 10 до
20 раз в минуту, а ее циркуляционный расход составляет 90...
150 л/(хВт. ч).
Скорость воздуха перед фронтом радиатора автомобилей, co
здаваемая ветилятором, v == 6...18 м/с, а при движении автомобиля
увеличивается на v:==З...5 м/с в зависимоcrи от ero СICороcrи.
Аэродинамические потери всей воздушной сети АРе (Па) Moryт
быть представлевы выражением
...
2 2 2
Pa1J. P.IJ. P.tJ.
/!Ре == Ар р + Арп или e == 'р + ,Т ,
222
308
Вт
К, м2.К
к
140
130
120
110
I1рж ,
МПа
0,02
0,015
0,01
0,005
о 0,3
0,5
0,7 V Ж ' м/с
Рис. 11.1 S.. ВЛВJlИИе скорос1И охлаждающей :l[ИДКОСТИ на в' 1: : 1.. К
И Ар. радиатора
еде АРе и e' tJ.pp И p, Арт И T аэродинамические потери
и коэффициенты аэродинамическоrо сопротивления соответственно
всей воздушной сети, радиатора и воздymноrо тракта. В наиболее
pacnpocrpaHeHНЫX вариантах воздушных трактов автотракторных
двиrателей отношение 'р/'е == 0,45...0,50. Поэтому можно принять,
что A.pe 2Арр.
Значение коэффициента теплопередачи К и rидpaвлические поте
ри ВОЗдylDноrо тракта Арр радиаторов различноrо типа можно
ориентировочно оценить по кривым их изменения в зависимости от
массовой скорости воздуха VвP., преДСТRвленным на рис. 11.1 з.
11.5. ЖИДКOCfНЪIE НАСОСЫ
в автотракторных двиrателях наибольшее распространение по--
пучили одноколесные центробежные насосы с полуоткрытой крыль--
чаткой (рис. 11.16), имеющие 4__.8 СПир2ЛЬВЫХ или (реже) радиаль..
IIых лопатоlC.
В V--образных двиrателях ин ос Д а предусматривают два отвода
из УЛИТКИ насоса для получения более равномерносо распределения
IIOTOICOB охлаждающей ЖИДКОСТИ по блокам.
Основными характеристиками насоса являются подача GJW: (и/с),
lIапор Ариас (МПа), потребляеМJUl мощность Nвa.c и rидравлический
309
/8, ·
19 "
.. .
,
.-
14
13
1
2
3
8 9 /0 1 J
/2
Рис. 11. 16. жидкоствый насос дввrатешt:
1 болт; 2 вeDПlJIПор; 3 IпIИ В; 4 II II: : . 'ра; j .......... ПО Illf' I,I:' ' .lu&риl:овый
двухр' 11:' ",; 6 ии НТ crопорНЫЙ; 7............. дре: '.:, отверстие; 8 ........... 1.IIalC a; 9 уппо : I 4 ;
10 вщ 11 крыль-.атп; 12 :корпус; ]1 приемвое ОТ&epC"l:и с шлaвrа ОТОПИТCJ1Jl; 14
при ':1. ' па'lpУбож; 15 проEJI8.ДКа; 16 Ж JЦI8.R u; 17 :кольцо; 18.......... втулu диставциОВIIU;
19 ............. ПI2.й ба пруживвв..; .А. полость : : ,..<
КПД 'lr- Напор, создаваеМЫЙ насосом со
спиральными лопатками, равен 0105...
0,20 МПа; мощность, затрачиваемая на npи
ВОД, составляет 0,5...1 % от номинальной
мощности двиrателя; rидравличесICИЙ кпд
насоса нахОДИТСJI в пределах 0,6...0,7. В слу..
чае примевеНИJI ра.циальвых лопаток возра--
стает вапор, но увел .1 : аетс.я потребляема.и
"
мощность и С: t ается rидравлическии
кпд. для разJIичвых КОНстрУКЦИЙ насосов
механический кпд '1м == 0,8....0,9; объе 1.1. I
'10== 0,8...0,9.
Уплотнитель, rерметизируюЩИЙ ПО., ' II"
виковый узел, состоит из корпуса 1, резино--
Рвс. 11.17. Упло а: - 1. вой упл ОТНИl'ельвой манжеты 2 , Р аЗ . .: ОЙ
'. 11: ocтвoro :: ,t.t-::
пружины 3 и rpафитовоrо кольца 4 (рис.
11.17). Неподв .'. : ое rpафитовое КОЛЬЦО уп
'"
лотвителя усилием пр ' :1. , находящеися
...,
в резиновои манжете, постоянно прижим:а..
етСJI IC вращающемуся торцу ICрьшьчатхи.
Просо 11 .:шаЯСJl через уплотнитель ': J ОСТЬ ОТВОДИТСJI по дренаж--
ному oтвepcrию 7 (СМ. рис. 11.16).
4 3 2
\ 1
\. ........... \ I L
1 ... y
\ I Ii: '111 'WiO.JII:....}t Л.
. """"III?\.. "1
Z ;<
\.. ,\ nJ
.... х.... JI: и \ "" ....
I ,.
R
1
\
,
1
I
JII
111 "'1
)(
.
.
:
..,. r"/./'I
r.,(,;
JIO.
" .. )(
'" :«
:WJj'
11
"'-=
1"0. 'IIi.,
}{ 111. У .... .....n.. А.. ..
п 2' J/
1 :корпус; 2 резивовu
уппо :", '. :.: . M&1DIeтa; J
раз 4'.1 ,: пр ..: ,: · 4 ............. rpa..
фитовос ЖOJIЬЦО
....
.
310
11.6. ВЕНТИЛЯТОРЬI
:tecrвeHHoe распро--
В системах '. 11. ocтнoro охлаждения преимyIGпшляmoры с коли..
странение получили одноступенчатые осевые веНа.метром D == 300...
чеcrвом лопастей ОТ четырех ДО восьми и ДИЧ: соrласовании ero
670 мм. Подбор вентилятора осуществляетсJl ПРltо производитеJ1Ir
харшстериCfmc (вапор и подача) с потребной еrпри сравнительно
ностью и потерей напора в воздушной сети Арс. олеса осевых вен..
ВЫСОICИХ значе: '. Арс (600...800 Па) рабочие IC\rxax. При наличии
тиляторов устанавливают в направляющих I(О>КуdОЖет Д()ХОДИТЬ до
кожуха расстояние от вентилятора до радиатора ..15 мм. Окружная
80...100 мм; при ero отсутствии не npевыmает 10..
скорость вевти.шrrоров доcтиraeт 80...125 м!с. rнымu или .IIuтыиuи
Осевые вевти.шrrоры MOryт ВЪШОЛШIТЬСJI клепа.амnyют из ЛИСТ(r
(рИС. 11.18). Лопасти клепаных вентиляторов IПТ;wт и ухреплJIЮТ
вой стали ТОЛЩИНОЙ 1,25...1,80 мм, ПРОФИЛИРYJм в к: ПЛОСКОСТИ
захлеmcами на крестовине ПОД иехоторьw yrЛOjастей 40...450, вы..
врamения. Оптимальный yrол ат8.ICИ ШIOCICИХ ЛОПtв. :1: ,. . лопастJI
пуклых оlCОЛО 35...40°. Вентиляторы со штампо) невысо:кий КПД,
ми создают напор около 500...700 Па и имеют.т из ПОJШмерных
рав :.,."! 0,2...0,4. Литые вентиляторы выпJIllJIlo{иpoв,, ;1:, 1. (кру..
материалов или ато . .1 евых сплавов с ПРОФИJDocительво вanрав--
че=-" . ) лопacrями. Уrол закрупси лопacreй ОТВСот 95 до 300. кпд
лении потока изменяется от основания IC вершине (
таких вентиляторов может дocтиrать 0,55...0,65. на ступице с пере--
для уменьшения шума лопасти ICОМПОНУЮТСJllравна 30...70 мм.
Meнвым marOM. Ширина лопастей в среднем м (для двиrателей
В отдельных случаях она достиrает 88...100 мм
больmerpузвых автомобилей).
J
.,
I
I
I
t
в
Q
б
О1ВОIПCВИЮ J: ПЛOCl: OS- '.11
.
а кле.' :1. I r; 6 уcraвовжа по П8С1и ЮJС ПQО ro 8.4;. . .ра по ()
вращсви-; " .llИт оl
Рис.. 11..18. Осевые вевтил-торы:
311
11.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ сиcfEмыI
ЖИДКОCfноrо ОХЛАЖДЕНИЯ
11.7.1. прЕдпосылки К РАСЧЕТУ
с ТОIIЛИВОМ В цилиндры двиrателя в единицу времени ВВОДИТСЯ
теплота QT' часть которой Qохл отводится через сиcrему охлаж.дения
двиrателя.
Теплота Qохп определяет потребную производителъность жид..
Kocтнoro Q. и воздушноrо Q. контуров сиcrемы охлаждения: Q. ==
== Q.== Qшл (Дж/с), или в развернутом виде G.с.!1t.==F фр (v.р.)с.Аt. ==
==Qохл, rде Fфр==В.Н площадь фронтальной поверхности ради
атора, м 2 (рис. 11.19); v. скорость воздуха перед фронтом ради
атора, мjc. rоряч:ий теплоноситель в системе изменяет свою TeM
пературу при про хождении радиатора на величину At. 6...8 К. Чем
ниже величина A/., тем выше ПрОИ3Dодительность систеldЫ охлаж
дения. Желаемая величина A/... при задавиых производительности
Q. И теплофизических характеристиках теплоносителя с... обеспечи..
вается соответствующим циркуляционным расходом ЖИДlCоcrи G..
ХОЛОДНЫЙ теплоноситель (воздух) для оптимизации теплофизи..
ческих и rидравлических параметрО8 воз ноrо тракта должен
иметь массовую скорость v.p. 14;. .16 п' /(м 2 · с), что при заданной
величине фронта..льной поверхности F фр определяет величину по
доrpeва воздуха в радиаторе A/..
для определения расчетной производителъности системы Heo
ходимо определение Qсхл производить на режиме работы двиrатели,
на котором lCоличество теплоты, отво..
..,
димое системои охлаждения, максима..
льво. Для автотракторных двиrателей
таким режимом является режим но.ми--
нальной мощности.
Связи между температурными ре..
'"
жимами теШIоносителеи, СlCоростями
их движения, характеристиками жид..
КОСТНЫХ насосов и вентиляторов, кон..
СТРУICТИВНЫМИ особенностJlМИ охла..
ждающих решеток радиаторов устава..
вливает уравнение теплопередачи Q. ==
==КFDXЛ!!! (Дж/с), rдe к lCоэффици
В nцфи на; Н высота; 1 rny-- ент теплопередачи, Вт/(м 2 . К); F схл
б:ииа; p площадь фронтальной площадь охлаждающей поверхности
(лобовой) поверХВО СIИ
I I
F фр t:t:
"
,
в ...
..
....
1
Рис. 11.19. rабаритиые разме..
...
ры ОХЛ8.Ждающеи реmетICИ ра..
диатора:
312
2
радистора, М ; 111 == '-.ер I..r;p среднее значение тeмnepaтypnoro
напора в радиаторе, К, r де '...ер и 1&qJ средние значения тeM
ператур жид;lCОСТИ и воздуха в радиаторе, К.
11.7.2. РАСЧЕТ РАДИАТОРА
Расчет ЖИДlCоcrноrо радиатора ведут в такой последователь..
н ости.
1. Определяют количество теШ10ТЫ (Дж/с), введенной в ЦИJIИВд
ры двиrателя с топливом: Qт==G т НJЗ600, rде Н., " низшая теплота
сrорания: топлива, Дж/"r; G y расход топлива на расчетном режи
ме, п /ч.
2. НахОДИТСЯ ICоличеcrво теплоты Q. (Дж/с), отдаваемой в ox
лаждающую ЖИДIC.ОСТЬ:
. базируясь на испытании двиrателя с определением составля
ЮIЦИX тепловоrо баланса по внешней CICоростной характериcrиlCе;
. на основании статистичесlCИХ данных по величине относитель--
Horo теШIоотвода в охлаждаюЩУЮ ЖИДlCоcrь q.:
Q. == QTq..
ЗвачеllШ[ q. изменяются в пределах O 24...0,32 ДJIJI двиrателей
с искровым зажиrанием и 0,16...0,25 для дизелей.
3. Задаваясь перепадом температур в радиаторе 111.==6...8 К,
вычисляется циркуляцио=-=-. расход охлаждающей жидкости (м3/ С ):
G. == Q..j(At.c.p.).
4. Выбирается ICонcrpукция охлаждающей решетки радиатора
(см. рис. 11.11, 11.12). По статиcrическим давным (СМ. рис. 11.13)
для массовой СlCорости воздуха IJ P. 14...16 п:/(м 2 .с) определяется
коэффициент теплопередачи радиатора К.
5. Рассчитывается поверхность оXJIаждения радиатора (м2):
F оЮl == Q.qJ' /(КА1).
Здесь I1, == '-.ер '..ер; ''''ф == (t.. В\П + 1...J/2; t.. ф == (1.._ + AtJ/2;
ПQдоrрев воздуха в радиаторе
111.== Q. ;
F ФР(р." С.
температура воздуха на входе в радиатор (ОС):
t""\оп == 10 + Alup;
313
A-tпрR:J5...8 К теМlIсратура подоrрева воздуха в маслJШОМ pa
диаторе, если ОН предшесrвует жидкостному по ходу воздушноrо
потока;
С. == 1005 Дж/(кr. К) rеnлоеМICОСТЪ воздуха;
10 расчетная температура окружающей среды, 10 == 45 ос;
t.. выx температура жидкости на выходе из двиrате ля, t.. BJlX ==
==90...95 0 С для открытых сиcrем, t...wx==(100 V I0рnap.юJ SОС
для захрытх систем;
РпарI01 давление срабатывания napoBoro ICЛапана КрЫIllICИ pac
ширительноrо бачка, МПа;
ч/ коэффициент запаса, учитывающий ухудшение теплообме
на ОТ зarpязнения элементов решетки радиатора, чJ' == 1,1.
6. В соответствии с принятой констрYIЩИей охлаждающей pe
шепси задаются размеры охлаждающеrо элемента (рис. 11.20):
. для mрубчато nлaстинчаmых радиаторов:
tфр размер охлаждающей пластины по фронту радиатора, вы-
бираемый с таким расчетом, чтобы на размере В в одном ряду
. ...
радиатора разместил ось целое ЧИСЛО элементов Iт.фр; h высота
элемента, выбираемая с таким расчетом, чтобы на размере Н на
одной охлаждающей трубке радиатора уложилосъ конечное число
элементов ;э.; lrл размер элемента по rлубине радиатора (задается
ориентировочно); ШI толщина охлаждающей пластины; Ь раз
мер охлаждающей трубки o rлубиве радиатора; с то же, по
фронту радиатора; Ь"Ф толщина crенки охлаждающей трубlCИ;
. для трубчато ленmочных радиаторов дополнитепъно зада
ютси:
t л шаr rофра ленты с таким расчетом, чтобы на размере
радиатора Н на одной охлаждающей трубке уложилось конечное
а
I rл
111
б
...
Рис. 11.20. ОХJIвждающие элементы решетIИ радиатора:
а "Ipубча пластивчатых; 6 трубчато nеиточвых
314
число элементов; lп длина развертки половины roфра охлажда
...
ющеи ленты.
7. ОпредеЛJIетСJI коэффициент JCомпаICТНОСТИ радиатора (м 2 /м 3 ):
qJ F oxлI Y Xlb
rде F X1J охлаждающая поверхность элемента решетки радиатора,
м 2 ; у хл reометричесDIЙ объем элемента решетки радиатора, м э ;
. для трубчато пластинчатых радиаторов
F;,u 2(Ь + c)h 2(Ь + с)дол + 2( tфрt rп ьс), V XJI == tфрtJz;
. ДЛЯ трубчаmо--ленточных радиаторов
FDXJ)==4I п t rп + 2(Ь+с)t п , У хл tфрlrлtл.
8. РассчитьmаетСJI rлубина радиатора 1 (м):
F oXJI
/ ......
......... .
Fфрtp
9. Уточниется размер t rп охлаждающеrо элемента с Т8.lCИм расче--
том, чтобы по rлубиве 1 уложилось целое число элементов ( .rп1),
и определяетCJI количество охлаждающих трубок радиатора для
одноrо хода жидхоcrи:
- .
Iтр.1 == 'т.фрlт.rл.l. ·
Количество элементов в решетке радиатора
iэ l.вi.rr,l.
11.7.3. РАСЧЕТ В
ОРА
Исходным параметром для расчета вентилятора является по..
требный расход охлаждающеrо воздуха G. (n/c) па расчетном
режиме работы двс.
Рабочая точка на характеристике вентилятора определяется пе..
ресечением кривых статичесICоrо напора вентилятора и полноrо
.. u u
сопротивления воздушвоrо тракта, Т. е. ТО1JЖОН, для lCоторои
Ap Apr;,
r де АрJIeJП напор, развиваемый вентилятором, Па.
Величину APr; можно определить:
. по crатистическим данным Ар р ==200...500 Па;
31S
. по rpафичеспм заВИСИМОCfJlМ (СМ. рис. 11.13).
ОКРУ3ICНйЯ скорость лопастей вентиляmора на диаметре п.
и. == '" Ap .....11 Р.,
{"де Ф коэффициент формы и уrла установки лопастей: '" == 2,8...3,5
ДJIJI ПЛОСКИХ лопастей, '" == 2,2...2,9 для профилированных лопаcreй;
р. плотность воздуха при температуре ' Lи == 10 + Аlпр + 11.1.. Cкo
рость и. должна находитьCJl и пределах 70...100 м/с.
Диаметр вентUJIЯтора (М):
п.== us · 60/( 1С 1Ia),
еде п. частота вращения ICрыльчатки, МИВ 1 . Диаметр вевтИJ1ЯТO--
ра должен соответствовать rocтy и быть не более наименьшеrо из
размеров охлаждающей реmетхи Н или В.
Подача вентилятора (ж-r/с):
.
G. == P.1J.F фр.
Мощность (кВт), затрачиваемая на прИВОД веНТИЛJIТора:
Gи8aIТ
Н.== .
Р.'1а
11.7.4. РАСЧЕТ ЖИДl(оcrноrо НАСОСА
жидкостный насос должен обеспечить расход ЖИДКОСТИ через
радиатор системы охлаждения (П'/с):
G...== Q. .
c...At.
Расчетный напор насоса определяется соотношением
Ap == Ap'К-C'J
rде А.Р.-в
Па; Ар....с
та, Па. .
Определение Ар....с достаточно сложно, и KOHICpeТJIЫe результаты
обычно получают только па основании лабораторных испытаний.
для ориентировочных расчетов можно воспользоваться rрафичес-
кой зависимостью (см. рис. 11.15), учитывая, ЧТО в большинстве
w '"
статическии напор, развиваемыи ЖИДICОСТНЫМ: насосом,
rидравлическое сопротивление всесо ЖИДICостноrо трак--
316
случаев Ap.==SO% от Ар..с, или статистич... . :1 1: '.: :1. I 1: Ap....c
38...55 кПа.
Расчетная величина подачи насоса (п/с):
G.... p == G.J'1/o,
rде '1/0 объемный кпд насоса, '10 == 0,8...0,9.
Радиус 8ходноzо оmtlерстия крыльчanиcи (м) (рис. 11.21)
rl
G....p/ Р. + C1"1U
C I 7t
,
rде CI== 1...2,5 М/С абсолюТИ3JI ClCорость охлаждающей ЖИДICО--
сти на входе в насос; '0 радиус ступицы IрыльчатlCИ (м).
Окружная CKOpocmь выхода :жидкости с рабочеzо колеса (м!с):
и2 =: .J 1 + tg ctg Р2 .J Ap ...J(P-'1r),
еде «2==8...120 yrол между веrrорами абсотоmой сICОpocrи
С2 схода ЖllДJCОСТИ с рабочей лопапи и окружной СIОростИ "2, rpaд
(рис. 1[21); Р2 yrол установки лопапи на ВЫХОДС для радиаль
ных лопатоJC равен 35...500; '1r==0,6...0,7 rидравличес:кий кпд
насоса.
Радиус схода жидкости с рабочей .JIonaтки (м):
......
.....
...rv I
.
Р.с. 11.21. P&C'leYВ.. схем. --дa:ocтвoro 118Соса
317
'2 == 30иJ( пп.),
rде п. ... ЧИСЛО оборотов насоса в минуту.
Окружная скорость НИЖНИХ КрОМОХ лопаток (м/с):
'1
UI ==и2 .
'2
Радиальная скорость схода :жидкости с лопаток (м/с):
Ар.....в tg tЖ2
с,==
.
P_'Ir Il 2
У:rол Р. между относительной аоростью Wt и отрицательным
....
направлением ОlCружнои СlCорости UI
tg РI == с./и1-
Абсолютная скорость схода жидкости (м!с):
С2 == c,/sin (%2.
Ширина рабочих АOnamoк (м):
. на входе ЖИДICОСТИ в рабочее колесо
..
Ь. ==
G. P
%6
Р... 21171....... cl
sin Рl
.
,
. на выходе ЖllДIОСТИ из рабоче:rо колеса
Ь 2 ==
G. p
.
z6
Р.. 21['2 . с,
юп fJ
.
Мощность (кВт), затрачиваемая на привод насоса,
N.== G....pAp-л . 10 3,
Р-'1м
rде '1м == 0,9...0,95
механичеCПIЙ кпд насоса.
318
11.8. воздушныIE СИCfEМЫ ОХЛАЖдt:НИЯ
в подавтnoщем большинстве автотракторных двиrателей ВОЗ--
дуmноrо охлаждения применяют систему с принудителыIым HarHe
танием воздуха в межреберные ICаналы rоловоlC и ЦИЛИНДРОВ. Рас--
ХОД воздуха реrуJШРУется дефлеICТИРУЮЩИМИ элементами (рис.
11.22).
Для обеспечения ВЫСОКИХ СlCоростей циркуляции воздуха приме..
няют высокоэффективные осевые вентиляторы с большим количе..
ством ПРОфИJШрованных лопаток. ПоЛНЫЙ напор, развиваемый Ta
КИl\.Ш вентиляторами, достиrает 1000...2400 Па.
Расчет системы ВОЗдyпПlоrо ОХЛ8жде: ': 1. Параметры ОlCружа
'"
ющеи среды и расчетные режимы принимают такими же, как и при
расчете системы '11 .. ocтнoro охлаждения. Расчетные температуры
цилиндра и rоповJCИ приведевы в таБЛа 11.1.
Таблица 11.1
Тип Дllиrа тeлJI Мucимальвв.. температур.. ос
IB . I: Ч' rолов:п ЦllJlИНд1)8.
из mециальвоrо 'ЧYfYВ& из атомивиевоro сплава
Автомоби.льИЫЙ 220 340...360 240...260
трarrориый 200 320._.340 220.. 240
Средняя температура у оснований ребер цилиндра из чyryна
lЗО...170 0 С; у оснований ребер rоловп: из чуrува 170...220 ос;
из алюминиевоrо сплава 160...200 ос. Температура внутренних
1
......
...
/
о )IL
се "- '" '
.....
Рвс. 11.22. Схема оprаниз&ции цирку .. 1: воздуха в дввrателе
воздyuшосо охлаадеНИJl:
1 дефлепорw; ...аСЛ8Ныi радиатор
319
поверхностей цилиндра долина быть не : t: е 130...140 ос. Omоси
тель :1. l'r теШ10ОТВОД в систе у охлаждеНИJl составлиет q.==О,24...0,ЗО
для двиrателей с искровым 3: . .1 авием; q.==0,20...0,26 ДЛJl дизелей.
Общее количество теплоты (ДЖ/С), отводимой в систему охлажде
ИИJ1, составляет
Qc:.o == q.Qr.
с учетом теплоты, ОТВОДИМОЙ от маелявоrо радиатора и повер.-
хностей картера, ;. ., : Qc.o увеличиваеТСJl на 10...15%.
В табл. 11.2 привсдсны средвестатиcrичесхие данные по ЖОJIИче..
"
CfBY теплоты, отводимов от rоловlCИ из атоминиевоrо СШ1ава
qr В ОТ 11 I 1: 'ра q., иэrотовлевноrо из чyrува. В случае вы:nолневlUI
.,.,
I'оловхи цилиндра из чyryва ДОЛJI теплоты, ОТВОДИМОИ ОТ rоловки,
""
уменьmаеТСJl. а ДОЛJil Теплоты, ОТВОДRМои ОТ 11: I : . ра, увел: 1. : а..
етсJl.
ТООJUЩllll.2
тип д,.--r8.тeJIJI КOJI. 'еспо OТ80ДllМol тспJIоты, д./с
or roло... fr от 11. I I; , ,.",
С BckpoBым 38Ж11r : I : .. 0,7 0,3
Дизель с вера.зделеввоi: КС 0,4 0,6
Дизель с разделеввой КС 0.5 O S
для двиrатеЛJI с цилиндром с целъю упрощения расчет ПроВОДJIТ
ДЛJl ОДБоrо 11: 1 \ ндра И rоловЮI. Количество теплоты (Дж/с), OT
...
водимов ОТ одноrо I I : J ра, составит
Q %&с.о
........... .
.
I
Потреб :I.' расход охлаждающеrо воздуха (П/С), необхо 1': 1. 1:
Д.1IJI отвода теплоты Q. от ОД80СО 1': 1: вдра:
G а.
.......... ,
с" ('......-- 'Ie)
еде с,== 1005 Дж/(п. к) cpeдНJIJI теплоеМЖОСТЬ воздуха; t,. и '.
средние те&Шсратуры воздуха, ВЫХОДJПЦеrо из межреберных авалов
и входищеrо в них. ос. Температуру t. привимают равной 45 ос,
а '" вычишlютT ПО формуле t,.==(I.+t.)/2, rде t. и '. темпера ту..
... ""
ра воздуха, выxдJпцсrоo соответственно из верхнеи и :1 '. : ев зов
цилиндра, ос; t.==80...110°C; '. == 60...80 ос. СреДИJl. температура
..
320
воздуха в межреберных а.налах 1",,== (11a + t )/2. Объемный pac
ХОД воздуха (м 3 /с) на охлаждение одвоrо . ш:дра V.==GJp., rдe
Р. ШIОТВОСТЬ охлаждающеrо воздуха П'/М 3 . Через неШIОТНОСТИ
в уплотнениях ВОЗдyпIНоrо тракта терJJeТСЯ 8...10% охлаждающerо
воздуха. С учетом этоro необходимое количество воздуха (п/с),
подаваемоrо на охлаждение одвоrо ци I I: .ра, составит a ==
== (1,08...1,1)6..
Ориентировочно массовый расход воздуха (xr/c), необходимый
для охлаждения Bcero двиrателя, находят из выражения G==G i/qIl.
Более точные значения G можно получить, определив отдельно
количество воздуха,. веобходимоrо для охлаждения rоловlCИ ци
линдра.
Удель :.. __! расход воздуха [кr/(c. кВт)] на единицу мощноcrи
двиrателя составит К. == G/He. для оцепи правилъности расчета
необходимо сравнить К. со статистическими да:1 :1. МИ, приведен
ными в табл. 11.3.
Та6лlЩQ 11..3
Тип д!lИr атc.u g.. ж:r/(с -ЕВТ)
С RСIpОВЫМ зaжиrавиеы 0,0265....0,0285
Дизель с вера.зделевной КС 0,018..-0,021
Дизель с ра.зделевной КС 0,0245...010265
Поверхность охлаждения Fохл. (м 2 ) можно определить через при
веденную поверхность Fпр охлаждения цилиндра и коэффициент
оребрения 'ор:
F oи ==F вp ; Fпр == п(D + 2 JhI!'
rде D диаметр 1 ' 1: дра; ТОJПЦИНа crешси цилиндра; hц
высота оребренной части цилиндра: hц== (1,2...1,4)S, еде S ход
партия. Коэффициент оребрения для автотракторных двиrателей
'ор==4,4...8,0.
На основа :I I crатистических данных F охл ==(О,4__.0,8)iV II ДЛЯ
дизелей; F о z.л=={О,65...1,60)iV,. ДЛЯ двиrаТtлей с искровым зaжиrа..
вием. Здесь iV,. рабочИЙ объем двиrателя, л.
ФоРма и размеры оx.naждающих ребер :..олжны обеспечить необ
ходимую теплоотдачу при минималЬНОМ аэродинамическом со про..
тивлении, что необходимо для снижения МОЩНОСТИ, затрачиваемой
на ПрИВОД вентилятора.
Чаще Bcero ИСDOJIЪЗуюТ трапециевидные ребра, которые более
удобны в производстве и имеют высокую теШIовую эффектив
321
h/2 ность (рис. 11.23). Основными параме.. ·
трами оребренИJI ЯВЛЯЮТСЯ lCоличест..
во ребер z, cpeДWIJI высота ребра h,
шar оребрения s, средняя толщина ре..
Do бра lJ, средняя mирина межребервоrо
канала 1 и диаметр ЦИJШндра у основа..
IШЯ ребер по.
h Значения перечисленных парамет..
ров приведевы в табл. 11.4. Толщина
Рис. 11.23. Трапециеввдвые реб-- ребер у освования примерно в 1,5 раза
ра охла.ждевва больше, чем у вершины.
ТаБЛlЩllll.4
Парsмe"IpЫ Чyryв AmoМИllИ еlП.lЙ сплав
аре- . 'III'i:I . Cnп:ав rOпOBEa Стак:ав rOп OВI&
мм
11:- I I: Ч. , It н: I ' .. I I: 1'1 . II I I: Ч' :
h 14...30 1 S...so 1 S.__35 15.... 7S
S 6...12 6. ..12 3,5_..8 3,5...8
1 4...8 4. ..8 2...6 2...6
2...4 2....4 1,S...2,S 1,S...2,S
11.9. срАвнитFлъный АНАЛИЗ СИСТЕМ
ocrнoro и ВОЗДYIПНоrо ОХЛАЖДЕНИЯ
Достоинства систем жидкостноzо охлаждения: меньшие мои..
тажные зазоры между зеркалом цилиндра и порпmем, снижающие
интенсивность ХОЛОДНЫХ стуков; эффективное охлаждение деталей
двиrателя при moбой тепловой нarрузке, что связано с высокой
...
теплопроводностью охлаждающеи ' . ' ости; равномерное охла..
ждение деталей двиrателя; возможность применения блок..картеров,
что повъппает жесткость lCовcrpукции двиraтеля; стабилъное тепло..
вое состояние двиrателя на любых режимах ero работы; ВОЗМОЖ"
пость использования охлаждающей ЖИДlCОСТИ для обоrрева uбив
и салонов транспортных средств; меньшИЙ шум при работе двиrа..
тели; меньшая СICЛОВНОСТЬ IC детонации Де ИЗ; возможность реryли--
...
рования температуры охлаждающеи ЖИДl(ости по воздушному
и жидкостному трактам.
Недостатки систем :иcuдкосmноzо охлаждения: высокая трудо..
емкость эксплуатации системы в связи с необходимостью проведе..
ния реrпаментных работ по контролю уровня охлаждающей ...
кости, очиcrки И ПроМЫВICИ рубашхи системы охлаждения и ради"
атора, уcrpаневию DОдтехания охлаждающей ЖИДl(ОСТИ; необходи..
MOcrb иметь специальную охлаждающую ': j оqь; возникновение
322
кавитационных JlВленИЙ, разрушающих rилъзы цwшндров; потреб--
ность в дороrостояlЦИX цвemыx металлах; большие rабариты MO
TopHoro отсека из--за наличия жидкоствоrо радиатора.
ДоcmОWlства систе.м воздушноzо охлаждения: проcrота ICОБСТ---
рукции; быстрый nporpeB двиrателя после запуска; меньшая чувcr..
...
вительвоcrь IC изменениям температуры окружающеи среды из..за
ВЫСОКИХ температур цилиндров и rоловоlC двиrателя; простота об..
служивания и низкая crоимостъ; меньшие затраты мощноcrи (в
1,5...1,8 раза) на фymc.циовирование системы.
Недостатки систем воздушноzо охлаждения: оrраниченные
возможности реrУJШрования производителъности системы; мень..
тая жесткость корпуса двиrатепя из..за невозможности ПРШdене--
пия блочных конструкций I I : J ров; большие rpадиенты TeM
ператур в элементах lCорпуса, ЧТО приводит IC ПОJIВленИIO ЗОВ по--
lCальноrо .переrpeва в термическому короблению; большие меж
цилиндровые расстоJIВИЯ из за необходимости размещения охла
ждающвх ребер; уменьшение средпеrо эффепивноrо давления
и литровой мощности вследствие снижения :коэффициента напОJШе
ния; ПОВЫIlIевная шумность работы двиrателя; переохлаждевие дви
rателя при ВИЗICИХ температурах воздуха, сильном встречном ветре
и двmкении тpaBCnOpтBoro средства ll3.ICатом, о бевно на дли :1: · ..
.
сорных спусках.
rЛАВА 12
СИСТЕМАВОЗДУХО АНИЯ
-
12.1. СИCfЕМА ВПУСКА
Система предназначена для подвода свежеrо заряда IC ци ' 1: ,
рам две и орrанизации процесса смесеобразования в :карбюратор
ных' rазовых двиrателях и двиrателях с центральным впрыском.
Система впуска должна обеспечить максимально возможное
наполнение цилиндров свежей смесью, для чеrо необходимо мини
мальное rидравлическое сопротивление системы, что дает возмож"
ность получить минимальные потери давления на впуске. Для этоrо
crремятся использовать системы впуска с прямыми или слабо изо..
rнутыми каналами (рис. 12.1).
Стремясь увеличить наполнение цилиндров, в современных дви
rателях применяют по два--три клапана на впуске, что вызьmает
необходимость использования мноrоканальвых впускных трактов.
Но в двиrателях с внешним смесеобразованием процесс ВПУClCа
связан с процессом смесеобразования, на что влияет скорость дви..
жения заряда. Поэтому диаметр входноrо канала и ВПУСlCНоrо трак--
та должен обеспе'lИватъ скорости, при которых процесс смесеоб
разования практически заканчиваетс-я до входа смеси в цилиндр, но
не создает в то :же время значительных потерь давления на впуске.
В случае использования мноrожанальвоrо ВПУСlCноrо тракта в одном
из каналов устанавливается заслонка, lCотора.я заICрьmает есо на
малых нarpузках полностью и обеспечивает повъnпение скорости
пото:ка в открытом канале, что способcrвует улучшению смесеоб..
разования и процесса сroрания (рис.
12.2).
Система впуска должна обеспечи
вать равномерное наполнение всех ци..
линдров двиrателя, подцерживая в них
одинаковый состав смеси. Сопротивле..
....
ние ВПУСICНОИ системы оценивается ко..
I 1: I I эффициевтом .п.
/1
-/2
13
Рис. 12.1. ВПУCПlОЙ канал rоноч"
иоrо двиrатеЛJI (У,.==3 JI, 11==
== 16 000 МИН 1 на номинале;
w
длина по центральнои
214,4 мм)
.
324
а
I
2
3
б
"...
...
в
Рвс. 12.2. ЧетырехклапаиваJl rоловка. с перекрываемым каналом:
а располо .еtfи с UCЛОВПI в канале; 6 Nалu нarpузо 8 поли... В8Ipyвa; 1 sacп оиАА ;
2 IЮ СТО_нн О опрытый I ,:оl ..аА &Л l..llUloro се...енИJI ДЛ.8 ма.льп. И . I':I ' вa.rpy1OК; 3
к8В8Л полной МОЩНО С112
Специальное ПрОфИJlирование впускных каналов создает уело..
ВИJI направnенвоrо ДВИЖСIIИJI заряда в цилиндре двиrателя, что
важно для орrанизации процесса сrорания.
РежиlWd холодноrо пуска и nporpesa двиrателя требуют про..
.....
rpeBa ВО впускнои системе смеси ИЛИ воздуха для дизеля, для чеrо
в систему устанавливаются подоrpeватели. для улучшения испаре..
"
ния
ТОПJШва ]с ВПУСICНОИ системе ПОДВОДИТСЯ теШlО ОТ ВЬШУСlCНоrо
трубопровода ИЛИ системы охлаждения.
Карбюраторные двиrатели и двиrатели с системой центральноrо
впрыска им:еют дренажную систему для слива изБытчнойй жидкой
фазы ТОШIИВа при случайном переобоrащении.
В современных бензиновых двиrателJIX, оборудованных распре..
делен :t. I I
системами впрыска или сиcrемами вепосредственноrо
впрыска бевзина В 11
1
ндр, используют ВПУCICНЫе сиcrемы с изме-
няемой rеометрией (рис. 12.3), хоторые позволJПOТ существенно
повысить хоэффициент наполнении за счет холебатеJIЫlоrо процесса
зарJIДа, находящеrося ВО ВПУСICНОЙ системе. Длина впуcmоrо канала
-...
: · ..
: · - · на определенныи СlCороcrНQИ режим: двиrатеШI, и на
. - .:.. а ах от 1000 до 3000 мин
1 работает ДJI
1.1: ый хавал, а на
режиме от 3000 до 6000 мин
l короткий. В некоторых XOHcrpyx
циях используются три различные длины канала для трех ClCopo
стных режимов. Появилась конструкция непрерывноrо изменения
ДJШНЫ впускноrо трубопровода (рис. 12.4), оптимальной для вы..
бранноrо cкopocI'Horo режима. К системе впуска бензиновых дима..
телей ПОДICЛЮчена система рецирlCУ -11
отработавших rазов для
снижения ТОlCсичности.
В двиrателях с наддувом кроме элементов фильтрации и myмo-
rлуше :I
· В сиcrему впуска ВХОДЯТ компрессоры и охладители над..
дувочноrо воздуха. В системе впуска двиrателей с элеlCТРО :1:1.
1
4
5
...
ECU
Рис. 12.3. ВпуCКllaJ[ система с взмеВJIе..
мой rеометрией:
а
а
I 1'1:1:1. .
.. ВIJYCkиО Й К РАЛ, СООТВ eтCJиу ..
юЩИЙ pe
ВИЭ ПIX и среДНИХ оборотов;
6
ЕОро Тl'ий :l: lIRал ДJIJI рабоПil Дв иr а тeJ18
на ре .я
с ВЫ СОIИX оборотов; 1
воздуш..
яый фильтр; 2
11' . ... 1.:
. заслОНЕ&; j .............
ресивер; 4
Sl.C.'JIoвкa, иэмс: . 1 . 11 :,' ДJIиву
В I ,:. t к ава.лq,в ; j
привод ЭВСПО НIИ
326
expert22 для http://rutracker.org
Рис. 12.4. Система с DJIaВВЫM реrули
роваииеы I I : I t впускноrо тракта:
: ,
/"
Q поло.свис ПОДВ .и. оrо ЗJ1СМ Cd'l а
впусжв:ой СИСТСМЬ1 , ОООТВ СТС1ВУЮ щеro ре.-
.-.иlt4Y : I .. 7. t оборотов; 6 полоиевие ПО
двв-вorо злем:евта ВпусIно l системы.
обеспе ч.ив ВЮЩСro Kopo 1&J11 ..аЯ &J] дл.. ра--
боты двиrатeJlll на ........ I · е ВЫСОЖИХ оборо-
тон; 1 поток от B03дymвoro филь'lp8;
2 ПОДВ " ":1. повара .I f;: ,JЦИЙС8 зле--
мент ВпускRО Й aJCТCМЬ1. ШI8Вво измеи.
IOЩИЙ ДJ JИН 1 впуав:оro tparra; J корпус
Впус IfО ro "Ipyбoпровода
а
I
2
3
6
управлением размещены расходомер воздуха, датчики температур
и давления, система пуска холодноrо двиrател.я, дроссельная за--
слонка с механизмами элехтронноrо lCонтроля и управления, а так...
u
же lCЛапаны перепус:ка свежев смеси, рецирlCУЛЯЦИИ и ве: · I И
картера.
Ковcrрухция сиcrемы впуска зависит от типа, назначения и МО--
щноcrи двиrателя. ВПУСlCНые системы автомобильных двиrателей
обычно изrотовляют из amoм:ивиевых CШIавов, ВО в последнее
время все большее распространение получают системы из специа.лъ-.
ных пластмасс.
В двухтактных двиrателях система воздухоподвода СОСТОИТ из
воздуховода, сиcreмы фильтрации воздуха, Koмnpeccopa, lcОТОРЫЙ
подает сжаТЫЙ ВОДУХ в ресивер, размещенНЫЙ в полости блока.
В двухт.' :... дизелях с V...образвой ICОВСТРУIЩИей блока в качестве
ресивера используется полость между блоками.
Основ :1. 1 . требов. :I ..ями предъявляе 1. 1 I IC сиcreмам ВОЗДУ
ХООЧИСТICИ, является качество ОЧИСТICИ воздуха и I I: мально 80З--
.
можное rидравпическое сопротивление этих сиcrем, ЧТО веобходи..
МО для снижения затрат эверrии на rазообмев и повьппения вапол..
пения 11 .1 : j ров. КОНСТРУlCТивно система должна иметь наимень--
ПIИе raбариты и массу, для чerо она об , 1: JIется с элементами
myмоrлymенИJI впуска. Особое внимание при этом уделяется выбо-
ру размеров и reометрической форме элементов воздухоочистителя
и rлymителя шума впуска, ЧТО позволяет использовать вестаци--
оварные явления потока свежеrо зар.ида для улучшения наполнения
цилиндров. В rpузовых аВТОМ6билJlX и внедорожmncах примевяют
327
:выносные системы воздухозабора с размещением :в них фильтру..
IOЩИХ элементов. Передко воздухозаборник таких автомобилей рас..
полarается над кабиной ИJIИ совмещен со стойхой..рамой seтpOBoro
стекла, ЧТО позволяет обеспечить забор воздуха с высоты 2,0...2,5 м,
Т. е. из зоны с пониженным пылесодержанием. Окончательно зона
забора :воздуха определяется после испьпаний автомобиля в аэро..
динамической трубе. У лепсовых автомобилей воздух забирается
ИЗ..ПОД капота автомобиля. Месторасположение воздухозаборника
определяется экспериментальным пyrем, с учетом температурных
"
полеи в подкапотном пространстве, значения ICоторых для совре--
ме :1:1. автомобилей ПРИ80ДЯУСЯ на рис. 12.5.
В атмосферном воздухе в большем или меньшем количестве
всеrда присутствуют частицы пыли. Количественное содержание
пыли в воздухе оцепи:вается запыленностыо воздуха (с/м 3 ), показы..
вающей массовое lCоJIИЧество ПЫЛИ, содер:жащейся :в 1 м 3 воздуха.
Запыленность атмосфервоrо воздуха зависит от ldНоrих фах--
торов: сезона rода, типа rpyвтa и дороrи (табп. 12.1), влажности
воздуха, интенсивности движения, типа TpaнCnOpтHoro средства
и lCонструIЩИИ ШИВ, направления ветра, аэродинамики транспорт--
Horo средства.
Запыленность воздуха, поступающеrо в воздухозабор: I , сиcrе"
мы :ВОЗДУХООЧИCfkИ двиrателя прИ ЭICcnлyат. 1 1 автомобиля, зави..
""
СИТ, ПОldИМО вышеперечисленных ус.повии, ОТ месторасположеВIПI
129 Ю С 150°С
"
140 О С
66 0 С
148°С
....
Рис. 12.5. Располоа:евие воздухозаБОРllllIа в подкаПОТНОМ 1" . :: стве пerкoвoro
автомоБВЛJI с учетом температурвых полей
.
328
воздухозаборвиlCа, СIОрости движения автомоБИЛJI в может коле
баТЬСJl в пределах от 0,0003 до 1,4 rJM 3 .
ТОО.IПIЦQ 12.1
Тип _томооильвоi дороrи
За m..Jлеииость воздуха ПР. Д8:JD1 еИII . .8ТОNоби.л.., r/M]
r
одиво.воrо
. :колонне
Нет I : I : I .
Автомarистра.ль
С TвepДЬВf : ..... 1.. тобетои
вым DоЕрытим
Без твердоrо покрblТllJl
Карьер
0,001...0,002
O,004...01tOOS
0,01...0,10
O,S. .1 ,0
0,01 S._.0,020
0,4...0,6
До 2 O
Основная масса частиц пыл,' поступающих IC воздухоочисти..
тето двиraтеля, имеет размер до 40 МICМ и состоит в основном из
чаcrиц ОКСИДОВ кремнии, :железа и атоМИВИJl. Химичесхий состав
пыли разл '1: .. почв по rедроЙЦУ приведен в табл. 12.2.
Ta61111Цll122
Тип повы Размер . fI Содерж Jl'А"Ае проI8ЛСИВorо щест.. , % IIO M8CCZ
NЖN SiO:a А1 2 О! + Pe O Al O СаО МgO FeO
Лёсс S ..10 б 2 17,3 14,1 2.0 0,3
.
ПОДЗОЛ 5...10 79,1 12 3 ............... 1 ...............
10...250 89,4 1 1
Черно--
зем S...10 88,S 8s6 7,1 0,4 0,2 ..............
1 о.. .250 60,6 22,3 15,0 0,8 O,S ...............
Запыленность воздуха, поступающеrо в воздухозабор: 1: 1. кор.-
пуса фильтра, в значительной мере определяется высотой ero рас--
положе :1: · над поверхностью дороrи. Увеличение на 0,7 м ВЫСОТЫ
расположения 80здухозаБОРНИlCа уменьшает запыленность воздуха
почти в 8 раз, в основном за счет уменьшения концентрации в воз..
духе крупных частиц пыли (табл. 12.3).
Та6.J1JЩlJ 12.3
Высота забора Сод · : ; I е IJЫJ'IИ. 'У.
пробы, .. L.
Леповой rрузовоi
а8ТОМобиль аатомооlIЛЬ
0,5 0.20 0,50
1,0 0.14 О,ЗS
1.5 0,04 0,22
2.0 0.01 0,14
329
Одной из rлавНblX хараК"rсристик, влияющих на ПОlCазатели ра..
боты воздухоочистителей, является дисперсность пыли.
По дисперсному составу пыль делится на три вида:
1. Мmовенная ПЫЛЬ, ICОТОрая по J 1: I аетс.я в воздух с дорожноrо
полотна движущимси транспортным среДСТВОМ и имеет размер
частиц более 150 мкм и скорость оседания в неподвижном воздухе
1,0 м/с. Такие частицы составляют около 550/0 от массы поднима..
""
емои машинои пыли.
2. Временная пылъ имеет размер чаcrиц 2...150 МlCM и аорость
вьшадения (1,O...O,18).lO 3 м!с. Масса пыли этоrо вида составляет
47...90% от массы пыли, подним:аемой машиной, ЧТО зависит от
типа почвы Ш1И пожрытия: дороrи.
3. Постоянная пыль содержит частицы, СlCороcrь осаждения
которых менее 0,18. 1 О 3 м/с.
Наиболее опасна ДЛJI двиrателя .lCВарцевая пыл,, твepдocrъ ча..
... u
СТИЦ ICОТОрОВ вьппе твердоcrи трущихс.и поверхностен двиrателя.
В ПЫЛИ С доро:жноrо полотна присутствуют и дрyrие твердые
.
МШlералы, входящие в состав материалов дорожноrо полотна,
а также сажа и частицы от износа шип.
Эффепивность воздУхоочистителей две оценивают следующи
ми ПОlCазателями:
. коэффициентом очистки воздуха;
. rидравлическим сопротивлением;
. пылеемкостью;
. надежностью; ·
. массовыми и rабаритвыми ПОlCазателями;
. стоимостью конcrpукции И затратами на ero обслуживание
в процессе эксплуатации.
ЭффеlCТИВDОСТЬ ОЧИСТПl воздуха от пыли оце: I : ают коэффuци..
ента.ми очистки '1 или пропуск.а пыли Е. Коэффициент ОЧИCТICИ
характеризует относительное количество пыли (%), задержанной
воздухоочистителем, и определяетСJl ICак:
М 2 M1......M]
'1== .100== .100,
М. Мl
rде Mt, М 2 , М3 соответственно массы пьши, поступающей, задер..
... u
жаннои И проnyщеннов воздухоочистителем.
Коэффициент пропуcu. пыли определяется как отвocиreльное
содержание пыли за воздухоочистителем: s(Мэ/М).lОО%.
Коэффициенты пропуcu. и очистки связаны зависимocn.Ю Е ==
:=:(lOO ,,)%.
.,.
Система ОЧИСТICИ воздуха существенно увеличивает I'идравличес..
кое сопротивление впускной системы. rидравлическне потери на
...,.
воздухоочистителе на ре } I . е номинальнои мощности определяют--
.
330
си как разность между давлением на входе в воздухозаборник
и давлением после последнеrо элемента воздухоочистки (для мво...
rоступевчатых фильтров).
rидравлическое сопротивление воздухоочистителя отрицатель..
но влияет на коэффициент наполнения '1у, yxyдmaeт эффективные
и ЭICовомичеСlCИе ПОlCазатели работы двиrатели. Эксперименталь..
выми исследова :I -, , установлено, ЧТО величина rидравличес.ICоrо
сопротивления по мере зarpязнения фИЛЬТРУЮЩИХ элементов линей...
но возрастает и до некоторой «предельною> веJШЧИНЫ Арпр (Д<r
пуcrимое rидравличеСlCое сопротивление, СМ. табл. 12.4) не оIcазыв
ет существенноrо или .I:I - на коэффициент наполнения двиrателя.
Однако возрастающие при этом энерrозатраты на raзообмен yxyд
mают мощностные и ЭICОНОl\ШЧеские по:казатели двиrателя. Наибо...
лее чувствительным J( сопротивлению на впуске является двиrатель,
работающий на бутав пропаве.
Кв видно из табл. 12.4, нормативные значения А]Jпp зависят от
типа и вазначе :I · двиrателя и определяются техничесПIМИ услови
ими завода..изrотовителя.
Та6.IШЦQ 12.4
Двиraтс.ль lspПР. ЮIа
С ИСКРОВЫМ зажиrаивем S,O
Дизель 3,5...4,0
Дизель с турбо: · I l' ;ОМ 4,5...5,0
трarrорRый До 7,0
Относительные потери МОЩНОСТИ ДJIJI двиrателей пропорциона--
ЛЬНЫ сопротивлению на впуске. Так, увеличение уровня rидрав..
личесЮlХ потерь на 100 мм вод.иноrо столба (вод.cr.) вызывет
с :I .\ ение мощности двиrателя примерно на 1,3%.
В то же время двиrатели с аппаратурой для работы на . ' ев..
НОМ rазе при вышеназванном сопротивлении на холостом ходу не
работоспособны.
Дизели, имеющие большие значения коэффициента избытка B03
духа, менее чувствительны IC увеличению rидравличеСlCоrо сопроти--
вленИJI воздухоочиcrитeлей. Увеличение Ар воздymноrо фильтра
дизеля на 100 мм вод.. ст.. вызвет упеличевие удельноrо расхода
ТОШIИВВ и уменьшение мощноcrи примерF! на 0,5%.
На отдельных двиrателях применяют сиcrемы воздухоочистки,
,.,..
для удаления ПЫЛИ, в Koтopых используются уcrpоиства с эжеICЦИ"
о =1:1. М отсосом, соединенные с выпускными системами. Однако
применение эжепора ПРИВОДИТ IC росту противодавления на вьшус--
ке, что вызвет потери МОЩНОСТИ и увеличение эффеrrИВБоrо
уделъноrо расхода топлива.
331
Количество пыли W u (Kr), ICоторое воздухоочиститель задержи'"
...
вает ДО достижения предельно допуcrимои величивы rидравличес--
IC.oro сопротивления, называют пылеемкостью.
Совершенство lCовcrрукции воздухоочистителя оценивается ero
удельнoil пылееAtКостью (кr/л):
в Wп
........ ,
v
rде V полНЫЙ объем, заним:аемый системой ОЧИСТICИ воздуха.
КОИСТРУКQВR и работа еистем ОЧИСТКИ воздуха. В современных
автотракторных двиrателях используют воздухоочистители следу--
ющих типов: инерчионно чеюпробе:жные. пористые и комбинирован-
ные. В crационарных двиrателях используются фильтры элеICТрО
статичеаоrо типа.
Инерционные фильтры (решеТICИ) примевЯIOТСЯ в качестве пред
....
варительнои ступени очиcr:к:и воздуха.
ПРИIЩИП работы инерционных фильтров заключается в CJlеду
ющем. Запыленный воздух 1 поступает в корпус фШIЪтра, в К:OTO
ром расположены перекрывающие дрyr дрyrа наклонные ребра
решетки. Воздух движется мимо этих элементов со скоростью до
25 м/с. Элементы, составляющие решетку, постепеlПlО сужаются
и заставляют резко изменять направление движения воздyпmоrо
потока 11, при этом пылевые частицы выдляютсяя из потока и по..
cryпают в бункер, опсуда удаляются с помощью эжеIЩИопвоrо
....
устроиства.
т Эффективность инерционных филът
ров зависит от rеометричесlCИХ разме..
'"
ров и соотношении элементов, состав--
ляющих решетку, а таlCЖе от соотвоше..
....
НИЯ скоростеи воздуха на входе v и и
выходе tJ Urc . Коэффициент про пуска
ПЛОСКИХ инерционных решеток при
varclv вx == 3,8...4,7 на стандартной пыли
равен 16%.
Плоские решетки вызвютT невысо--
кое сопротивление, ДО 120 мм вод. СТ.,
что позволяет применять их в качестве
'"
предварительнои ступени ОЧИСТICИ мно..
.."
rоступенчатых воздухоочиcrителеи.
Центробежные очистители, или ЦИ"
Рис. 12.6. ИверЦИО:l:I. -: очиcrи- J(л пы, используются в I( Честве пер
те.ль первой crупеви фильтра: ВОН ступени очистки в воздух.оочисти..
1 эапыл ;I:I.I\ IIOЗД)'Х; Л 0.- телих, уcrанавливаемых на д.виrателях
1I :I:I.I': вm дорожно--строителъныx машин, внедо--
I
.
I
I
I
332
//
рож 8. I ОВ, тракторов и спецтеXНИJ[И, предназначенной ДЛ.R работы
в СИЛЬНО запылеНШdХ условиях.
По к:онструхции их можно разделить на пр.ямоточные ЦИКЛОНЫ
и циклоны с поворотом поток:а воздуха на 1800, на МОНОЦИЮIОНЫ,
коrда весь поток воздуха ПРОХОДИТ через один ЦИЮIОН, ИJШ мулъ--
Т I I ЛОНЫ, Коrда очиститель СОСТОИТ из нескольких МОИОЦИК"
понов (рис. 12.7).
Принцип работы цеlПpOбежноI'О очистителя основан на дейст..
вни центробежной СИЛЫ, lCоторая при захручиваиии входящerо
потока воздуха отделяет чаcrицу пыли из воздуха.
Коэффициент проПУClCа ПЫЛИ мопоциклона npЯМОТОЧНОI'о
типа ДО 60%, моно циклона «Доналъдсою) 30%, ЦИICлона
I
.
,
з 4 2 .
I
1
I
2
а
.
з
5
.
.
2
.
.
.
2
.
.
J
.
.
8
4
б
Рвс. 12.7. Конструкции ЦИКЛОНОВ:
а МОDОцих.лов 00 сбором пыJIи в бункер; 1 ВОЗДУХОВОД ДJU. Q чище вноrо воздуха; 2
:корпус О ЧИClЬ I eЛJI ; j бувк:ср ДШI пыли; 4 крыл..атl:а 1 :, tl .Вающв.. ПОТОК ВОЗ ; lJ ...........
ЦПЛОВЬ1 ДJII муль 111 l' О ииt.Ц. во духоочиcr.ителсй; 6 с Т.:. ...: 111 .: 1. I j ВХОДОМ воздуха; IJ
С крыльчапой: 1 Jtовическu чacrь ксрпуса циклона; 2 ЦИ лииДрич cau: часть жорпуса; 3
ВОЗДУХОВОД ДШI очюцевв оro ВШДУХ8; 4 танrснциаль иыii патруб0:к; j Ipыльчапа
333
С центробежным завихри."елем <<Маню) 40%. rидравлическ:ое
сопротивлеlШе ЦИКЛОНОВ ОТ 50 ДО 100 мм вод. ст.
Инерционн центробе:исные очистители примеияются в возду--
.... ...
хоочистителJIX автотракторных дизелеи в :качестве первон crупени
очисТIШ. Коэффициент пропуска пыли таких очистителей холеб..
лется ОТ 1 О до 60%, а rnдравлическое сопротивление не превышает
100:мм: вод. cr. Такие показатели позволяют применять их в ос..
""
вовном В качестве первон ступени очистки.
Основным назначением первой ступени очистки воздуха пля..
"'"
етСJl снижение пьшевои наrрузки на вторую основную ступень
воздухоочистки, а следовательно, увеличение продолжительности
ero работы до тех.ническоrо О. I: ания.
Наибольшее распространение на rрузовых автомобилях полу..
чили двухступенчатые воздухоочистители С к:артонными фИЛЪТ"
РУЮЩИМИ элементами (рис. 12.8, а) во второй ступени очистки.
Находят применение также комбинированные воздухоочистители
с картоlПIЫl\Ш фИЛЬТРУЮЩИМИ элементами, в первой ступени ко..
торых используются батареи цик:лонов со сбором отсепарирован"
ной пыли в бункере с автоматическим удалением ее с помощью
rазовоrо эжектора.
На rpузовых полноприводных автомобилях примевяются ком..
бивированвые системы очистICИ воздуха (рис. 12.8, 6), в первой
ступени lCоторых используются конические инерционные реmетlCИ
...
с автоматичеспм удалением отсепарировавнои rазовым эжектором
пыли.
Широкому использованию батарей циклонов в системах ОЧИСТICИ
воздуха преШIТСТВуют их БО.JIЫIIие rабариты и высокая материало
емкость. Для обеспечения наибольшей продолжительности работы
двухступенчатоrо воздухоочистителя коэффициент пропусха пыли
первой ступени EI должен находиться в пределах 8...15% (рис. 12.9).
Дальнейшее снижение коэффициента EI не прИВОДИТ J( увеличению
продолжительности работы т двухступенчатых воздухоочистителей
сжарто :1:1. ми фильтрующими элементами вследствие ТОСО, что
С уменьшением размера частиц пыли, поступающей на фильтро..
....,
валь :1. I картон, удельная: пылеемкость последнеrо резко сокраща..
ется. Помимо Toro уменьшается ресурс работы воздухоочистителя
ДО момента достижения пределъноrо сопротивления из..за повышн
v
Boro сопротивления первов ступени.
Широко ПРИl\dенявшиеся ранее воздухоочистители Wlерционно--
маСЛЯlЮZО типа, отличающиecJI простотой конструкции И боль..
mим срОК:ОМ службы, обладают РJlJ.tом существеlПlЫX недостатков,
--
оrраничивающих возможность их рациональноrо использования
на двиrателе. Эффективность очиcrки воздуха от IIЫЛИ такими
фильтрами сравнительно невысока и в значительной мере зависит
.
334
,\\ :
l\'.
"
,
а
2
'n
11
1
3
.......
.......... ....... ..
б
Рис. 12.8. Воздухоочвcrвтeль с Kapro :':1. 1. фильтрующим элементом (о) в КОМ-М
б : I : I . ОВ : : 1. е двухступенчатые воз.цухоочистители (6):
1 ПР-МОТО ЧFnЩ МОВОЦIIЮJов; 2 карто нный фильтруюЩИЙ элемент; 3 б)'IIEер ДmI сбора
оn:eпарироваввой DыJIв; , К О.II.И-s.еа u ив ерЦВОIIIUUI решеп:а; j :иверциоиво- : .':1. I
ВООДУХООЧИ IИтель
от режима работы двШ"ателя. Так, если при расходе воздуха,
соответствующеrо номинальному режиму работы двшателя, луч..
пше образцы фильтров проnyск:ают 0,8...1,6% пыли, то при работе
на режимах частИЧНЫХ нarрузок ЭТОТ показателъ увел · .:ается до
5...10%.
Воздухоочистители cyxozo типа в значительной мере JШшены
недостатков, присущих инерционно--масляным воздухоочистителям;
они обладают эффе:ктиввостью ОЧИСТICИ воздуха, не зависящей ОТ
335
t'
3
'",
..
I
О 20 40 60 80 100
El, %
Рис. 12.9. 3аввсиыость ОТНОС: ' : oro времени работы т двухступевчатorо воздуха..
O'IВCI1IТeJI.I: ОТ коэффициента пропуска первой CIyПeВИ 1]
режима работы двиrатеЛJl, и в 10...30 раз превышают аналосич:ный
ПОlCазатсль иверциовно"масл : 1: .. воздухоочиcrителей. Кроме Toro,
н8.lcопителъный харптер пыJIотпожевия на картонных фильтру..
ющих элементах (КФЭ) делает ВОЗМОЖНЫМ примевение приборов
(индикаторов запылевности), показывающих В процессе ЭlCCПлуата
ции рост сопротивления системы впуска автомобиля и сиrвализиру
ЮIЦИХ о необходимости проведения обслуживания фильтрующеrо
элемента (рис. 12.10).
Трудности комповоВПI воздухоочистителей с КФЭ в больmе
rpузных автомобилях и необходимость ИCЮIIOчения подоrpeва вca
сываеыосо воздуха не позволяют устанавли..
вать тахие фильтры в моторном отсеке. Ta
ким образом, между двиrателем и воздухо..
очистителем в ICОВСТРYПUШ автомобиля по..
JlВляеТСJl ВОЗДУХОПроВОД с резиновыми шлан..
rам:и и СУ. :. ми хомутами.
Существующие Методы расчета воздуха..
.....
очистителеи в значитсльвои мере основаны
на использовании экспериментальных и ста..
тистических данных, достоверность которых
сравнительно вевысожа, вследствие чеrо при
их разработке требуется проведевие БОJIlr
moro объема экспериментальных ДОВОДОЧ..
ных работ..
Расчет инерЦИО: 1: 1.. воздушных фильт--
ров базируется на определении скорости
....
осаждения твердои частицы в воздушном
потоке, коrда и воздушном пространстве
устанавливается равенство силы тяжести
частицы и силы сопротивления воздуха ее
движению. В этот момент 1{астица IIЫJШ
начинает перемещатъся равномерно со с:к:о..
'"
ростъю осаждения tJo, значение IC:оторои за
..
J
4
5
Рис. 12.10. : II . :тор ДО"
пустимоrо ПlДPавJlll1lес..
Koro сопротив.леВИJI фир..
мы <<Бахара»:
1 .. . . .: :; 2 смотровое
ОААО ; J ............ мембрllll8.; ., :кор-
пус; 5 ; 6 nOрШСJllt;
7 ОТВ cpcПlе дла IЮД80да
воздуха
336
.
ВИСИТ от массы частицы, ее размера, ВJl3ICОСТИ и ПЛОТНОСТИ 80ЗДуш--
НОЙ среды.
В соответствии с З3J(оном Стокса скорость осаждения частицы
пыли
.
vo == кх 2 (рп р.)/2р.,
rде х диаметр частицы пыли; РП плотность частицы пыли;
Р. плоmость воздуха; р динамическая вязкость среды.
Считается, что в пределах Re < 1 скорость осаждения шаро..
образных чacrиц пропорциовальна хвадрату их диамerpа, разиocrи
плотностей частицы и среды и обратно ПроПОрЦИQВaJlЬна ВJlЗICОСТИ
среды.
ОДН8lCО реальная скорость осаждения твердых частиц ввоздуш"
НОМ потоке на 50% меньше теоретической, ЧТО требует оБJIзателъ
.... w
вои ЭlCсперlDdенталъвои доводки инерционных очистителеи.
При центробежной очистке воздуха осаждение пыли происходит
под дейcrвием центробежной сиJIы, ВОЗJШI(ающей за счет вихревоrо
движения потока в воздухоочиcrителе.
Схорость осаждения частицы пыли в ЦИXJIопе
110 =: T(JJ2 R,
rде R радиус внутренней поверхности ЦИICЛона; т время, в те..
чение ICOToporo частица пыли дocтиrает crенки циклона; (JJ yr..
ловая скорость, m==I1/R, v ClCорость воздуха в ЦИlCJIоне.
При расчете ЦИlCЛОВОВ условно принимают, что частица пыли,
..,
достиrшая внутренне и поверхности ЦИlCЛова, выделяется из потока.
Время, необходимое для преодоле :1. · пути от внешней поверх..
ности ЦllDIоиа RI до внутренней R, определяется как
InRl
'== [(1 8р./РпХvg)] .
R
Определение диаметра наименьших чаcrиц, отдеЛJlемы:х в ЦШС"
......
поне, ведется при ПОСТОJШНОИ СlCорости вращающеrОСJJ воздуmноrо
потока:
.
...
Хtnin == [(JL/1tрпlO)] ln
,
R RI
L....L
.
R
Значения 110, R и R. выбираются ICOHcrpyrrOpOM. Чем больше
скорость V o и меньше величина R R., тем эффеlCТИВнее работает
ЦIlЮIОВ, НО при ЭТОМ растет ero сопротивление.
337
Существуют друrие методы расчета ЦИI(ЛОНОВ: вихревой вороно
И С учетом турбулентноrо перемещения.
Наиболее эффективно ОЧИСТICa воздуха осуществляется сухими
фильтрующими элемеlПами. Конструкция фильтрующих элементов
посто.янно совершенствуется, что позволяет ПОВЫСИТЬ их падеж..
насть, удельную воздушную вarpузху И пылеемкость. ПОJIВление
фильтрующих элементов на основе фильтровальных картонов
и синтетичесlCИX материалов позволило создать конструкции очи..
...
Cfвтелеи с заранее задан: · I I харахтериетИlCRМИ, что дocтиrается
изменением размеров пор при производcrве фильтрова.лъноrо эле
мента, тем самым определяетСJI наибольший крИТИЧеский размер
частиц ПЫЛИ, которые MOryT проникнуть вместе с воздухом ВО
впускную систему двиrателя. Фильтрующий элемент можно pac
..,
сматривать как монолитное тело, пронизанвое криволинеи .1. I I
каналами. Воздух движется по этим криволинейным каналам с вор..
систыми стенками, и частицы пыли осаждаются на стенках, тем
самым сужая канал и повышая ТOВIC.OCТЬ фильтрации.
В общем случае коэффициент пропуска может быть определен
A, Ф
как в==е , rде t толщина ильтрующеrо материала; 1 lCоэф.-
фициент осаждения пыли (Вe.JШчива ЭICCllериментальная).
Условии работы фвлътрующеrо элемента оцениваются величи..
ной удельной воздушной нazPY3Kи [м 3 /(ч · .r)]:
..
У.
q ,
F
сде У. расход воздуха через двиrатель, м 3 /ч; F ШIощадь рабо-
чей поверхности филътрующеrо элемента, м 2 .
Косвенным критерием пылееl\ПCОСТИ сухих фИЛЬТРУЮЩИХ эле..
ментов JIВляется изменение величU1RJl их удельноzо сопротивленил:
M Ap.
z ,
tp
rдe АРа и Ар... cooтвeтcrвeвнo начальное и конечное сопротив..
ления фильтрующerо элемевта; tp запыленность воздуха, подвер..
raeMoro фильтр. II I .
Удельная пылевая нazруЗКQ на сухой фильтруюЩИЙ элемент
определяетСJllCaIC g..==MzfF, rде M z ЖОJIИчество ПЬШИ, осевшей на
фильТрующем элементе IC моменту повышении сопротивления воз..
духоочиcrителя до 700 ldМ вод. а.
Основные параметры элементов из картона опредеЛЯЮТСJl ис..
ХОДЯ из расхода воздуха двиrателем на во:ми:Вальвом . - ::.. ме
338
У. и принJIтых значений q, а Тa.ICже от способа ухладк:и картонной
шrоры в элемент (рис. 12.11).
ПЛОЩадь рабочей поверхности картона определ.яетс.в как
F== VJq.
Ширина аоровы rофра h == o, .S. Шar между складками rоф
ра а==5...8 мм выбирается и в дальнейшем при ICОМПОИОВICе lCoppelC
тируетСJl. Вели -. 1: а шаrа влияет на пылееl\D(ОСТЬ. В сложенном
1
, D
А!..
......
.
I
ь
. ....
1 ·
::t::
A A
а
"
,
,
S2
" 51
,
I
б
в
...i A
,
,
,
,
I
" S2
,
,
I
,
"
"-
,
"
\\'
\
\
\
,
,
I
z
д
.
S)
,
,
I
е
Р8с. 12.11. осиовIIые размеры И способы УКЛ8.ДIВ шторы в сухом фильтрующем
элементе:
.о" 6. Z. d с посто....и ой t ", '1',': 01 fКЛ8дКII; 8. с П eperdeJ{ВО Й II1 j . .: 01 '..
339
состоя :1.1\ площадь боковой поверхноcrи фильтрующеrо элемента
F. == O,5Fa/ h. Далее из равенства O,5Fa/h:= 1tDH определяется D или
Н с учетом соотношении DIH O,4...6, но это не является обязатель...
ным.
Хар3.ICТериCТIIК.И сухих фильтрующих элементов определяются
соrласно отраслевым стандартам и rocr 8002, rocт 88034, SAE J
726, 726с (стандарты общества америхапСICИX автомобильных ин
жеверов). Размеры сухих фильтрующих элементов стандартизовавы
(SAE J 114). Определение акустической эффеICТИВНОСТИ rлymителей
шума проИЗ80ДИТСJl по стандарту SAE J 1207.
Изменение объемов надпорmневоrо пространства при raзооб
мене ПрИВОДИТ IC ВОЗ .1 1,,,.овенИIO шума. Мощность акустическо"
ro излучения при этом зависит от диаметра . I. .ра и хода
портия и про.являетс.я в основном на низких частотах, кратных
периоду чередования рабочих ЦИlUIОВ в отде.лъных ЦИJШндрах
двшателя:. Шум па средних и высоких частотах reнерируется
потоком воздуха, обтекающим элементы вnyсв:поrо тракта. Мощ
ность акустическоrо излучения на этих чаcrотах зависит ОТ CKOpO--
crи воздymноrо потока. Основным и малоизучеlПlЫМ ИСТО"I la: ом
является шум, возникаюЩИЙ при перев:рытии фаз rазораспределе..
пия, особенно в высокофорсированпых двиrателях. Исполъзова
ние систем турбонаддува значительно повышает мощность al(Y
стическоrо излучения на впуске. Уровень незarлymенноrо шума
впуска на ряде двиrателей с турбонаддувом приближается к боле
вому пороrу, достиrая 135 дБА. ОДItИМ из методов устранения
этоrо источника шума является повышение частоты вращения
компрессора, что позволяет перенести акустическое излучение
...
в улътразвук:овон диапазон чаcrот, не воспринимаемыи орrаиом
слуха. Применение турбокомпрессоров с частотой вращеНИJI
130000...200000 мин l позволяет «увести» акустическое излучение
в диапазон 25...30 кrц.
rлушитеJIИ шума всасывания двиrателей внутреннеrо сrорания
подразделяют на реактивные. активные и комбинированные. ОСНОВ"
u
ным элементом QKтuBHOZO zлушumеАЛ ивляетси 3ВУICопоrлощающии
u
материал, которыи размещен внyrри корпуса rлушителя и взаимо..
дейcrвует с потоком rаза. Снижение шума происходит в результате
'"
превращеви.я звуковои эверrии в теплоту в порах звукопоrлоща--
ЮЩИХ материалов.
Характеристик:а звукопоrлощающих материалов определяется
коэффициентом 38)1копоzлощения, показываюiцим величину oтвo
... ... "'"
шения ЗВyICОВQИ эверrии, поrлощеннои материалом, IC эву:ковои
энерrии, падающей на поверхность материала: а == ЕпоrJ Е п _ л .
Наиболее эффективlПdМИ и распространенными звук:опоrлоща
""
ющими материалами для систем впуска являются техничесmи
воЙЛок, минеральная вата, к:апроновое волокно. 3вук:опоrлоща..
.
340
ЮЩaJI способность различных пористых материалов в области
низких частот весьма мала. Наиболее эффективно звук:опоrлоще..
ине пористыми материалами происходит в области средних и вы..
......
соких частот и зависит от толщины И удельная ШlОТНОСТИ Ma
териала.
Реактивные Z.llушиmели, или ахуcrичearие фильтры, не содер..
жат специальноrо звук:опоrлотителя и представляют собой сочета..
ине :камер и трубок, :которые составляют систему расширительных
:камер и резонансных объемов. Набор элементов реактивноrо
rлynштеля создает импеданс рассоrласования и обеспечивает ВОЗ..
врат звуковой энерrии к: источнику. Реактивные zлушuтели эффех..
тивно работают для подавления тональных составляющих шума
в диапазоне низ:ких и средних частот Резонансные камеры целесо-
образно применять для снижения шума высокой интенсивности
и с УЗIШМ спектром излучения. Расширительные камеры работают
в mироком диапазоне частот, но их заrлушающая способность
ниже (рис 12.12).
Ко-мбuнированные zлушителu поcrрое--
вы, 1C8JC правило, по принципу реактивных
'"
rлушителеи, в ICоторые вмонтированы ах..
тивные элементы.
Нужно сказать, что воздухоочистите..
ЛИ, как правило, ЯВЛЯЮТСЯ ДОВОЛЬНО эф..
фектив : 1. . I rлушителями шуМа впуска.
Воздухозаборник и корпус 80эдушноrо
фШIЪтра при этом являются элементами
....
реактивноrо rлушителя; lCартонныи
фШIЪтрующИЙ элемент работает как ак..
тивНЫЙ rлушитель и обеспечивает эффек"
тивное звукопоrлощение в спепре выше
3,5 ICrц.
Расчет единичной расширительной ка..
меры rлушителя ПРОИЗВОДЯТ ИСХОДЯ из
потребной велич 1: 1. , на которую необ..
ходим о уменьшить уровень шума ПРОЦес...
са впуска ALrл:
1 2 п ...
А4л== 101g 1 +0,25 т ;; sin 2 f ,
сде m=:F,JF r отношение площади про--
ходноrо сечения расширительной камеры
.....
IC ШIощади сечения воздуховода; f == nr
безразмерная частота, JIВЛЯЮЩёtЯСЯ ОТНО'"
r "-
,
. .
I I
I I
. .
. I
, .
. .
. ,
. ,
.
I
I
I
,
.
.
f
I ,
, I
.
,
I
.
I
Il
......... ..................
,
I
r
. .
-+ ' ,
. .
. f
I I
-+
+
I
. I
"" I
. ,
. .
I I
I
,
t!
.
I
I
I ·
I I
, I
I
I
I
I
f
I
. .1
r -"-'48'
I
I
Рис. 12.12. Воз.\ 1: ' фильтр
С резонавсIlым rлymвтeлем
341
mением среднеrеометрических частот третьопавиых полос / IC ха..
рапериcrичеасой частоте rлушитеЛJ1.r сl(41J; длина расmи
....
рительнов камеры; с скорость звука.
Расчет е J I 1: · ной резонансной камеры rлушителя производится
из услО8ИJI обеспечения требуемоrо зa.rлуше :1: : ЛLrJl на резонансной
чаcrотеr при lжЕ;О,4 :
M/(2Fy) 2
А4д lОlg 1+
/.....111
еде cLr длина звуковой воЛВЬ1 на резонансной чacrоте f*;
v объем резонатора; Е т WIОЩадъ сечении центральной трубы
rлуmителя; 60 проводимость отверстий, соеJI I:ЯЮЩИХ трубу
с резонансной камерой, ao пFoтJhoп +O,8fO , F aв ШIощадь OT
верстия, hara rлубива отверстия, п количество отверстий.
Примевение новых полимерных материалов для изrотовлеНИJl
корпуса 80Здyillноrо фильтра и впусlcных трубопроводов ПОМИМО
снижения массы автомоБШIJJ способствует снижению есо шума.
Подкапотное пространство с поз 11. i:: ахустичеClCоrо излучения
следует рассматривать 1C8.IC резонатор с точечным источником, ра..
ботающим в низкочастотном диапазоне частот.
Хар8.ICтеристИICИ воздухоочистителей, используе на нехото"
рых современных автомобилях, ПРИlJCдены в табл. 12.5.
ТаблtЩtfJ.2.5
По:казатели рабon.r
Номи.. Сопротивление Коэффициент пропycu ПЬUIII. Уд , .. .
Марка о ... .
валь JD-IЙ при во JI I: r 'Уо,при ле--
воздухо-
ОЧИcтитeJI8: расход ВОМ расходе В ОNIJRВЛ ЬВОМ 200/. ВО .. I: 1... oao
возmx а , воздуха, расходе Boro расхода ['/п
M 3 J'I мм IIOд. cr..
втдух& воздуха
ВМ lб (ЗИЛ) 430 240 1,0 4,6 S7
ВМП..] (ЗИЛ) 430 ЗОS 1,2 S,3 187
ВС..4 (ЗИЛ) 490 220 0=-38 370
Цвклопаж FWG
(США) 480 180 0,37 84
«р от оп амик)...
Фарр (США) 800 210 0,13 193
.....
342
12.3. ArРЕrлты ВОЗДУХОIIИТАНИЯ
двиrАТЕЛЕЙ С НАДДУВОМ (КOМlIPECCOPЫ,
ТУРБОКОмпРЕССОРЫ)
для форсирования турбонаддувом автотракторных две приме-
няются сравнительно неболъmие турбокомпрессоры (ТКР), име..
ющие наружный диаметр колес обычно менее 110 мм, с консольным
расположением lCолес компрессора и турбины и подшипниками
скольжеНИJI. В них исполъзуются, как правило, центробежные lCомп
рессоры и радиально--осевые турбины, так жак они обеспечивают
достаточно ВЫСОюШ кпд при малых диаметрах lCолес.
На рис. 12.1 3 представ.ttева схема турбокомпрессора ТКP 7, уста..
вавливаемоrо на дизелях автомобилей КамАЗ, r АЗ, ряде трактор..
вых дизелей. Отличительными особеввоCfЯМИ турбоко.мпрессора
являются 6езлопаточвые диффузор lCомпрессора и направляюЩИЙ
аппарат турбины. Колесо турбины имеет укорочеННЫЙ диск, что
C:I . зет момент инерции ротора и улучшает динамику разrова
4
, ..L
1. "
.
%
,/
V ... ..... .... 1: "j
.. "'./ I V7
..Ь==L . , т /8
.. · · ,, 1./
\.1 '1 , V./
1 v
............... ' ::s /'
,\I " V
, ,",\... V I
........"""' "" ..r 'Z' . I
..
/ ."1 J
""" 10.' \
17 L /,, :иТJ J, ....... I
..: r r 7/ Р/ J L'..,v V J 7/ //./: ..
'/ / L1 ,-. l.i,J ///.(./ ;:1."9
16 15 ).." I...:.J / ' Z =-
11 ".-. J.. ,/
..; I J
J 'r "<.L 7 h
!
I j
I
3
ZL
Z/
5
6
2
и
,.,
LfI
....
V]
V / , v
I/ 011. /
l'
,
14
13 12
11
/0
Рис. 12.13. Схема труБОJ[омпрессора ТКР..7:
1 вал ротора; 2 рабочее :колесо :компрессора; 1 J];Иф ор ком прессора ; 4........... t 18'/1: тор
В "I)'.J 1IИ вал&; 5 ваправ.шпощиl аппарат -.урб ины ; 6 :корпус турбияw ; 7 в-.у.па П ОДJIП1П"
'ВIи ов; В. 14 N : I ' . e УПЛО ТIDП'СЛЬНЧ С кольца; 9 рабочее J;:ОЛССО турбlJНьJ ; 10 ..............
тепловой з-рав; 11 корпус ПО ДJIТ1{I.НИК ОВОro У1Ла; 12 ynлntuиleЛЬВ ОС кольцо; 13 ЖРЬПП18.
yпJI &IJ:1eJIR'; 15 в-ry1Jl:а УПЛО1..1С IIИJI : 16 Iopoyc :ком прессора ; 17 raЙl:а
343
автомобиля (ротором Ilазывают все вращающиеся детали ткР,
собранные в единый узеJI). Боковое расположение спиральных жа..
мер корпуса компрессора и турбины дает возможность уменьшить
rабаритвые размеры ТКР. Принцип работы ткр следуюЩИЙ. OT
работавшие rазы поступают в подводящий корпус турбины 6, OT
куда попадают в суживающИЙся направляющий аппарат 5, rде их
скорость увеличивается, и подаются ПОД некоторЬ1М yrлом на по--
паТICИ колеса турбины 9, вызывая ero вращение Колесо турбины
передает вращение колесу компрессора 2, с которым связано валом
1. ВОЗДУХ через ВnyСICВОЙ патрубок компрессора поступает на ВХОД
в колесо компрессора 2, rде под действием центробежных сил ero
скорость резlCО увеличивается, и ВЫХОДИТ из колеса в диффузор 3.
В диффузоре скорость воздуха уменьшается, а давление pacreт.
Далее BO поступает В спиральный сБОрJlИI( корпуса компрессора
16, откуда нanравляетс.я в двиrатель.
Диффузор компрессора и направляющий аппарат турбины мо--
ryr быть вьшолвены лопаточными и безлопаточвыми. Уста.новка
лопаток в диффузоре и направляющем аппарате повышает М8.IC
симальные значения КПД компрессора и турбины, однахо сужает
диапазон их эффеlCТИВной работы. Поскольку применение лопаток
улучшает показатели работы компрессора и турбины при cpaB
нительно больших диаметрах колес (больше 100...110 мм), малораз
мерные ткр автотражторных две имеют в ОСНОВНОМ безлопаточ",
вые диффузор и направляюЩИЙ аппарат.
Корпус подшипниковоrо узла изrотовляетс.я ИЗ алюминиевоrо
СШIава ИЛИ чyrуна. Amoминиевый корпус леrче, а чуrунНЫЙ прочнее.
Кроме тосо, поскольку коэффициент теплопроводности чуryна эва...
чителъно меньше, чем алюминии, при использовании чуrунвоrо
корпуса уменьшается тепловой поток, передаваеМЫЙ от турбины
IC компрессору. Это неclcопысo снижает температуру и повыmает
плотность сжимаемоrо воздуха.
ПодшипниковЫЙ узел включает в себи вал 1, lCоторый вращаеТСJJ
в бронзовой втутсе 7, посаженноЙ в корпус 11 с зазором (ВТУJIlCе
плавающеrо типа). Втулка удерживается ПОЛЫМ фиксатором 4. Та--
хая конcrpухция обеспечивает надежную работу ПОДПIИDНИковоrо
узла при воздействии цевтробежных СИЛ, вознmcaIOщих ОТ неурав--
., ...
новешенных масс ротора, ICоторыи вращается с очень высокои
чаcrотой, достиrающей 150000 мин 1, а у последних конcrpУКЦИЙ
малоразмерных ТКР даже больше. Подшипниковый узел ВICЛЮ
чает в себя упорный подшипник, оrpаничивающий осевое перемеще
ние ротора. В турбокомпрессоре ткр.. 7 осевое перемещение оrрани..
чиваетСJl торцами втулки 7. Масло подводится IC зазору между
валом 1 и втулкой 7 ПОД давлением по каналу в фиксаторе 4. Для
свободноrо слива масла из корпуса ПОДШИПВИlCовоrо узла сливное
отверстие ДОЛЖНО иметь диаметр, больший, чем диаметр ПОДВОДЯ'"
344
щеrо канала в фикса J.opc 4. С целью предотвращения попадания
масла в турбину и ICOМlJpCCCOp предусмотрены упрусие разрезные
кольца типа порпшевых, установленные по два со CТOpOНbl турбины
8 и компрессора 14. ТеlIЛОВОЙ защиТВЫЙ экран 10 служит для
уменьшения тепловоrо lIотока, передаваемосо ОТ турбины в КОРПУС
подшипвиковоrо узла, и далее в компрессор.
Колеса компрессоров и турбины отливаются по вышIвл.яемым
моделnl. Материалом ДЛЯ колес компрессоров служит алюмини
евый сплав, а турбин жаропроЧНЫЙ сплав на никелевой основе.
Лопатки компрессора мосут быть заrнуты назад по отношению
к направлению вращения колеса. Это приводит К повыmевию КПД
компрессора, однако снижает есо напор, что компенсируется увели--
чением частоты вращения ротора. КОЛесо турБины жестко соединя..
етс.я с валом методом сварки трением, а колесо компрессора кре--
питс.я на валу вместе с втулкой уnлоmения 15 rайкой 17 с левой
резьбой.
Адиабатный кпд компрессора определяется как отношение
адиабатной работы сжатия 1 ICr воздуха в lCомпрессоре .вд К дсйст..
вительной работе lLдeIr:r:
'1".0 == l".aд! Icr.
Внутренний кпд турбины является отношением деЙC'rВитель..
ной (внутренней) работы lкс rаза l yi к располarаемой lr:
'1T.i == ITi/I T .
Механические потери на трение в подшипниках ротора, lCоторые
возрастают с увеличением частоты вращения и диаметра вала,
принято относить к потерям в турбине. Поэтому эффе:ктивный КПД
турбины рассчитывается с учетом механическоrо кпд ТКР f/т.м:
'1т..е == '1Ti"lT..N-
ДЛЯ ТКР с подшипниками ClCольжения на номинальном режиме
работы двиrателя '1T.N==O,94...0,96.
КПД ткр
"
'1ТКР == 't/ж..ад1Jт _ .r
..
"
КПД ТКР возрастает с увеличением диаметров колес, поскольку
уменьшаются относительные потери в проточных чаcrях.
УвеJШЧение КПД ТКР приводит J( повышению мощности
и ЭКОНОМИЧНОСТИ .двиrателя, а также уменьшению :выброса сажи
у дизелей. Это объясняется, во---псрвых, тем, ЧТО с ПОВЪПIIением
КПД -ryрбины располаrаеМaJI энерrия rаза более ПОJШО превраща
345
СТСЯ 80 вращатеЛI.IIОС движение колеса турбины, что прИВОДИТ
к увеличению часто I-bl вращения ротора и росту давления наддува.
К повыше :I I , даВЛСIIИ.я наддува ПрИВОДИТ также увеличение кпд
компрессора. В результате повышается ПЛОТНОСТЬ надцувочн:оrо
воздуха, увеличивае 1"C.R .коэффициент избытка воздуха, возрастает
.: " каторный КПД И уменьшается выброс сажи у дизелей. Вo
BTopых, с ростом кпд ТКР уве . · а:ается отноmение РЖ/РП так
как для получения неизменноrо давления надцува требуется затра..
титъ меньшую работу выта..шсивания на привод турбины. При неиз
меввой работе въпалкивания будет получено большее давление
наддува. В результате в обоих случаях улучшаетСJJ баланс работ
наполнения выталкиванИJl, что ПРИВОДИТ IC снижению потерь на
rазообмев и, как следствие, IC: повьnnению механичесIC:оrо кпд
двиrателя.
На характеристике компрессора, представленной на рис. 12.14,
приведена зависимocrь crепени повъппенвя давления п. и адиабат
НОСО кпд 1/..ад ОТ MaccoBoro расхода воздуха а" при разных чаcrо
тах вращения ротора 1Ip. Здесь же наиесевы ЛИ:I 1: совместной
работы двиrателя с д. : :,. I ТКР по внешней скоростной 1 и двум
нarрузочным 2, 3 харarrеристикам. Слева харarrерВСТИlCа оrpаниче..
на линией помпажа 4. Суть явления помпажа ЗaюJючаетс.JI в ТОМ,
....
что если при неизменнои частоте вращения ротора уменьшать
расход воздуха через компрессор, то рано или ПОЗДНО наступит
п к ..
2,1 :&.
ин l
2,0
90000
.
1,9 4
80000
1,8
1,7 70000
1,6
1 5
1,4
1,3
I
З
0,06 O IO
.....
Рис. 12.14. ХаражтерВCТIIКВ KO..II ... .ра
346
момент, )(оrда прОИЗОЙJt С ,,- нарушение нормальноrо течения воздуха
в межлопаточных ICaHaJlaX колеса, сопровождаемое отрьшом потока
и образованием завИХрсIIИЙ. При этом сжатие воздуха в I(OМIlpec
соре прекращаетс.я, сопротивление вращению колеса снижается
и частота есо вращенИJI увеличивается. Блarодаря увеличению ча
стоты вращения BOpMaJlbHOe течение воздуха в колесе восставав...
пивается, компрессор снова начинает сжимать воздух, сопротивле..
вне вращению возрастает и частота вращения опять снижается.
В результате циклическоrо повторении данных процессов Dозника--
ют пульсации чаcrоты вращения ротора и давления воздуха, что
приводит IC сильной вибрации ткР, резкому падению давлеНИJJ
наддува и ухудшению показателей двиrателя. Колебания давлеНИJJ
"'"
воздуха 80 ВnyСICНОИ системе, а также зarризнения корпуса Koмnpec..
сора, ПОJIВляющиеся в ходе эксплуатации, мосут приблизить ПОМ"
паж. Поэтому при выборе ТКР необходимо обеспечить запас по
помпажу не менее 10...15%. Запасом по по.мпажу называют отноше..-
ние теlCущеrо расхода воздуха IC величине расхода воздуха при
..,. w
даннои пр, при котораи начинаетСJl помпаж.
На харахтеристиках турбины, представлевных на рис. 12.15, да..
на эависим:ость приведенносо расхода саза через турбину G T .J""Тт/PT
r
G T Tt.. м 2 " К
,
Рт С
3,2
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
з зd I
2980 З600
"'
"
2690, \
.........
2500" ..... '81""
!' Р==2190 ,, ,""
rт; """
т / V
l'
-
I 2 1 ,3 I 4 ] .5 I 6 I , 7 1 ,8х т
11 те
O 64 2690 2980 3230 3680
0,62
0,60 2.500
0.58 пр ==1190
O S6 fi:
о 54 т
,
0,52
..) ,1 1.3 1 ,4 1 .5 I .6 J .7 1 ,8п т
Рв. 12.15. ХарактерИСТИIII турбивы
347
и эффективпоrо КIIД '1и ОТ степени попmкения давления в тур..
бине П т при разных ЗIIRЧСIIИЯХ приведенной частоты вращения рота..
ра пp/.J"Тт. в формулу приведенноrо расхода rаза на характеристи..
:ках турбины принято подcrавлять давление (П'/см 2 ) перед турби..
w
НОИ Ру.
Првводиоi DВrнетатель. В роторно..шестеренчатом наzнетаmеле
типа <<Рутс» два СВJlзанных шестеренками ротора в форме вась..
мерок вращаются в разные crороны. Роторы, поочередно ПОДХОДЯ
своим верхним краем к верхним кромкам корпуса, захватывают
объем свежесо заряда V (рис. 12.16, а), имеющerо атмосферное
давление Ро, и, практически не меняя давления, выталкивают ero
в выходную камеру, rде находится заряд с повышенным давлением
Р.. В момент сообщения объема V с ВЫХОДНОЙ камерой находящий..
ся в ней зарJJД ПОД давлением Рж. врывается в объем V, что вызывает
аэродинамический шум. Для обеспечения уплотнения зазор между
роторами, а также роторами и стенками корпуса делается мини...
мальны.. Тем не менее, при больших значениях Р.., соответству--
ющих высоким частотам вращения, утечки становится заметными,
что уменьшает степень повышения давления и КПД нarветателя.
Поэтому максимальная степень повьnпения давления в таком паrие--
тателе соcrавляет 1,6...1,7.
В роторно пластинчатом компрессоре (рис. 12.16, б) по мере
ПОБорота ротора происходит постепенное сжатие свежеrо заряда,
lCоторый вытJIпlваетсяя 80 впускной коллектор две под давлением
р.... В результате такой компрессор имеет меньший уровень шума,
чем роторво..mестеренчатblЙ. Поскольку WIастины прижимаютс-я
к стенке :корпуса центробежными силами, утечки минималЬНЫ, по--
этому производителъность РОТОРВО"ШIастиичатоrо JC:омпрессора
растет пропорционалъно частоте вращения вала двс, что хорошо
соrласуется с DотребвостJIМИ две при работе по внешней ClCopo--
РО
..
Р к
- ..
Р к
а
б
.....
Рис. 12.16. объемвыe приводные компрессоры:
а potopbo-шсстеренча1ЫЙ; 6 ротор во... 1. I:. : тый
348
сmой хаРaICТеристике. Однако с ростом частоты вращения роторно--
пластинчатоrо компрессора повышаются потери на трение пластин
о стеmcи корпуса, что также оrpаничивает crепень повышения дав..
ленив наддува.
Компрессоры с винтовыми роторами типа <<Jlисхолъм» по срав--
нению с роторныи наrнетателями типа «Рутс» имеют значительно
больший кпд (ДО 82%), очень высокую степень повьпnения давле...
ния воздуха (ДО семи при наличии охлаждаемоrо корпуса). Высокая
быстроходность компрессора (ДО 12000 мив l) ПОЗВОЛЯe-I сделать
ero достаточно lCомnактнЫl'd. Достоинcrвами тахже ЯВЛЯЮТСЯ высо"
кая надежность и уравновешенность.
ВИНТОВОЙ компрессор по казан на рис. 12.17. Ero роторы имеют
вид зубчатых кОЛес со спиральными зубьями и большим yrлом
наlCЛона спирали. Ведущий ротор 1 имеет четыре зуба, а ведоldый
ротор 6 шесть выемок, профипь которых соответствует профилю
зубьев ведущerо ротора. Зубья роторов в процессе работы не co
прmcасаютСJI между собой и корпусом, что обеспечивается наличием
синхронизирующих зубчатых колес j и 2, закрепленных на валах
j и 4 роторов, и ПОДШИПНИКОВ. Отношение чисел зубьев колес равно
отноmению чисел зубьев соответствующих роторов. ВОЗДУХ, запол
...
ПЯIOЩИИ винтовые впадины ведомоrо ротора, проталкивается зу...
бь.ими ведущеrо ротора со стороны всасывани" IC стороне впнета..
пия и таким образом сжимаетСJI. Основными педоcraТICами вивто-
Bых компрессоров ЯВЛЯЮТСЯ высокая СТОИМОСТЬ, связанная со слож--
НОСТЬЮ формы роторов, требующих для изroтовлевия специаль
носа оборудования, а также большая масса и rабариты по сравве..
пию с турбокомпрессорами. Кроме Toro, работа винтовоro I(ОМП
..,
рессора сопровождается шумом ВЫСОICОИ чаcrоты, вызываеМЪUd
пульсациями при всасывании и наrнетании.
Вотювой обменник давлений «КoмnpeKC» позволяет использовать
эверrию отработавших rазов двиrателя для сжатия поступающеrо
в цилиндры воздуха при их вепосредственном lCонтакте. Принцип
действия волновоrо обменника давления основан на rазодинамичес..
ком эффекте взаиМодействия выпускных rазов с воздухом в lC8.IIалах
6 .,' ;,:.... 1
i '. . " %- \
. \r
.. :\ ,.?- .. .
.." '1', (
..
.. .'. .ii!! ':;. ,
J r ,
;.r \ \, · . . l'tI
t ,/11
.-..
.. /
5 4 3 2
РиСа 12.17. Винтовой J[омпрессор
349
вращающеrОСJl ротора. Jlри движении rазов в УЭJCИХ длинных жана...
пах выравнивание их давленИЙ ПРОИСХОДИТ значительно быстрее,
чем перемеши:вание.
Волновой 06.менник давАения (рис. 12.18) представляет собой ци..
линдричесlCИЙ вращающийся ротор 1, закрепленный в ПОДIlIиnниках
u '"
И заlCJlЮче .1: It 1. В непод8ижныи lCожух с радиальными переrород--
:ками, образующими каналы трапециевидноro сечения. Ротор приво-
.
ДИТСЯ 80 вращение с помощью ременнои передачи ОТ :коленчатоrо
вала двиrателя. Мощнocrь, затрачиваемая на привод ротора, веве..
.JIИICа, так как расходуется только на преодоление трения в ПОДШИП"
никах и вентиляционных потерь, и на номинальном режиме состав..
ляет всесо порJIД1(3. I % мощности двиrателя. Торцы ротора захры..
ты крышками с окнами, сообщающиеся слева каналы ротора с тру..
бопроводами подвода воздуха НИЗlCоrо давления 2 и отвода воздуха
BblCOlCoro давления 3, а справа с трубопроводами подвода rазов
BblCOlCoro давления 4 и отвода rазов низкоrо давления 5. Сечение
ОICПа, подводящеrо отработавшие rазы BblCOlCoro давления из цили..
вдра двшателя, выбирается таICИМ, чтобы на номинальном режиме
давление в канале ротора составшmо 0,18...0,2 МПа.
Волновой обменНИIC давления работает следующим образом
(рис. 12.19).
1. Один из каналов ротора с обеих торцевых сторон закрыт
и заполнен атмосферным ВОЗДУХОМ.
2. При вращении ротора правый торец канала сообщается с ОК--
БОМ подвода отработавших rазов. В ЭТОТ момент возникает волна
4
J
.,.
Рис. 12.18. Волновой обмеRllИJ( давлеНИJl <d(омпреJ[С»:
1 вращаюЩИЙс.l ротор; 2 подвод 80эдуха ..tUfЭ J:Оro да в.пeRИR; j ОТВОД воздуха высохото
давлении; 4 ПОДВОД ra=юв высо:коro давлеви..; .5 ОТВОД rаэб'в випоrо .цавл еRJI-
350
давления, lCотораи распространяетСJI Воздух
'"
в канале со сверХЗВУКОВОИ СICОРОСТЬЮ П
И сжимает ваходящи.йСJI 8 нем ВОЗДУХа J U
3. левый торец КаБала сообщается
с трубопроводом подвода сазОВ высо..
косо давлеlIИJl4. Длину канала и часто..
ту вращенИJI ротора выбирают та I . ,
чтобы IC моменту открытия о:кна на 2
выходе воздуха волна давления достиr"
па левоrо торца канала. Одновременно
""
в хавал, но уже с менъшеи СКОрОСТЬЮ,
чем распространяется волна давления,
поступают отработавшие rазы, XOTO 3 <::J
.....
рые вытесняют сжатыи воздух 80 впуск...
ВОЙ трубопровод з.
4. Правый торец канала закрыв..
ется. В результате ввезапвоro ПepeIфы... 4 <C:I
тия rазовоrо потока, поступающеrо
в канал из окна входа rазов, создаеТСJl
волна разрежения, ICOTOpaJI : .': ает да..
пление rазов, а воздух продолжает не..
:которое время вытехать через OICНO j D . I 'H " .. .". О
выхода воздуха вследствие инерции по L .
ТОlCа.
5а Левый торец канала (ошо выхода
воздуха) Э8.lCpьшаетСJl, lCоrда ClCopocrL
вьпекающих rазов crаНОВИТСJl при-- 6
мерно равной НУJПO. В этот момент
rазы запОJШЯlOТ при6лизителъно две
трети хавала. Давление в канале су..
щеcrвенно меньше, чем в трубопрово--
де подвода rазов, ВО 3UdeTBO больше 7 с:>
атмосфервоrо.
6. Поэтому, ICоrда правый торец ка..
пала сообщае:ся с выходным OICНOM, Рис. 12.19. Схема работы ВОJlИ()-
rазы с ВЫСОICОИ скоростью вытекают из Boro обы. :,;I I. , давлеВИJI
канала в ОТВОДНОЙ трубопровод ВИЗ..
Koro давления. При этом создается волна разрежения, lCоторая
достиrает левоrо торца канала, 1(8J( ТОЛhХО ОН подоидет IC olCНy
входа воздуха.
7. Под действием перепада давлений канал заполняется свежим
воздухом, а отработавmие rазы по инерции продолжают вытекать
В отводной трубопровод.
Косда отработавшие rазы и смесь rазов с воздухом, обра
зующиеси при их вепосредствевном lCонтакте, полноcrью вытеICают
3S1
rазы
. .
.
о
Зона перемеluивания
..
Волна давления
I
..
1
.. D
Волна разрежения
..
.;з..r
к::>
.;з..r
из канала, цикл повторяется. Аналоrичные JlВлени.я ПрОИСХОДЯТ
в друrих каналах, ЧИСЛО которых в выплве:: 1: 1. Х lCонструкциях
доcтиrает 70.
КПД современных волновых обменнИlCОВ давления достиrает
75%, а степень повышения давления 1. С целью получения
CIIМl\{етричноrо пarрева корпуса, веобходнмоrо для сохранения ма..
JIЫX зазороа с торцевых и боковых сторон, все ОПIа и трубопроводы
ВЬПIолнены парными через 1800. Для обеспече:1 · эффективной ра..
боты волновоrо обменника при изменении частоты вращения рото..
ра и температуры отработавших rазов (наrpузm двиrателя) в реаль..
ных lCонструкциях В торцеиых стешсах корпуса вьшолняют специ..
алъвые камеры (карманы), жоторые изменяют интевсиввоcrь от..
ражения волн сжатия и расширения и тем самым расшир.JIЮТ дна..
пазов эффективной работы волновоrо обменника давления.
Несмотря на ВО3МО)l(llОСТЬ получения ВЫСОICИX значений мощ"
БОСТИ И ЭКОНОМИЧНОСТИ двиrателей с B01IНOBЫМ обменниlCОМ давле...
НИЯ, системы воздухоснабжения в этом случае имеют увеличенные
rабаритные размеры и более высокую croимостъ.
Охладители ваддувочвоro воздуха. Принцип работы сиcrем
охлаждения вадцувочвоrо воздуха типа «воздух воздух» и «охла..
ЖДaIOщая ЖllДICость воздух» подробно рассмотрен в 1 й ICНИrе,
раздел 6.3. Материалом для изrотовления охладителей воздуха
служат медные и алюминиевые сплавы и нержавеющая crWIL. Алю..
мивиевые сплавы ЯВЛЯЮТСЯ наиболее перспепиввым материалом
u
для охладителеи, поскольку ПОЗВОЛЯЮТ сочетать низкую crоимость,
высокие эффеlCТИВвые показатели, механическую прочность и Haдe
ЖНОСТЬ lCовстр I I С возможностью примевения высоICОПРОИЗВО--
дителъных технолоrических процессов.
По lCонструкции теплопередающей поверхности охладители воз..
духа МО:Ж:НО разделить на трубчатые, а т3.ICЖе трубчато-ленточвыe
и пластинчато ленточвы.. для интенсификации теплообмена на
наружной поверхности трубок ICрyrлоrо и овалЬБоrо сечения не--
пользуются ребра, которые припаиваюТСJI (привариваются) либо
образУЮТСJI мехапичecrmм путем (вакаТICОй, crporавием) вепосред
crвeвнo из МeтaшIа аенок. В условиях сильных вибр8IШЙ более
надежными JlВ1IЯIOТСJI трубп 1 с накатанными ребрами 2 (рис.
1 2
. .. ........... ...
Рвс. 12.20. ТрубчаТЫЙ элемент о 11 . : I l' :, чвоrо воздуха
ЗS2
12.20), но теплопередающаи способность таких трубок меньше, чем
трубох с припаяввыми (привареп .1.. . ) ребрами.
Трубчато..ленточные и пластинчато--ленточиые охладитеJШ ВОЗ--
духа более lCомпзхтны, чем трубчатые, вследствие большей тeJШО
передающей поверхности при том же объеме. пластины и ленты
... '"
в местах соприхосновения соединяют папок иконтактнои свар--
кой. Трубчamо--лeюnочные охладители (рис.. 12.21, а) имеют труб
.IШ, сформиров. :.".. е из листа толщиной 0,3...0,5 мм, причем тру&-
ки образованы из двух штампов. :.8.. Х деталей и имеют два
прОДОJIЪНЫХ соединения, либо выполнены из одной заrотовки
и имеют одно ПрОДОJIЪное соединение внахлестку. Последнее по..
пучило более широкое распространение. Внyrpи и снаружи трубок
в общем случае размещают rофрированные ленты толщиной
0,12...0,15 мм из amoминиевоrо листа. Внyrренние ленты для
,. /
.... ,.... · о о I
, - ,
.00. .
....... . -
.. . "
О "
. о о · .'
... о ". ........
. .. ...
о о -"
о " ........
...
а
б
Рис. 12.21. трубчато..-левто'пlыe (о) в J"пастинчат левточRыe (6) о .I 1: над..
дувочвоrо воздуха
353
интенсифпации теплообмена им:еют отверстия ШIИ местные вы..
штампОВКИ. Наружные ленты имеют жалюзИЙНЫе проceчm для
интенсификации теплообмена или Moryт быть rл. . :.. . , ЧТО поз..
ВОЛJIет получить минимальное сопротивление со стороны охла..
ждающero воздуха., но требует увеJШЧения фронтальных размеров
охладителя. Плаcтuнчamo...лeнmочная конструкция (рис. 12.21, б)
отлич:аетСJl от трубчато ленточной тем, что не имеет ни формо-
B8.нных трубок, ни опорных пластин, а каналы замьпсаются приз..
матическими брусками. Все рассмотренные ВИДЫ охладителей мо"
ryт применятъс.и в системах охлаждения наддувочноrо воздуха как
типа (<воздух ВОЗдyIO> , так и «охлаждающая . J I ость ВОЗ--
дух». Трубчат ленточные и пластинчато..ленточные КОНСТРУКЦИИ
в системах типа «охлаждающая жидкость воздух» менее надеж..
... ...
ны ввиду недостаточнои прочности паяных и сварных соединении.
Поэтому охладители типа «охлаждающая .. ..: ость воздух»,
:как правило, делают трубчатыми.
А
.....
"
rЛАВА 13
СИСТЕМА ВЬШУСКА
..
13.1. СИCfEМA ОТВОДА ОТРАБОТАВIПИХ rАЗОВ
Система выпуска предназначена для отвода отработавших rазов
(OI). При ее lCонструировании учитывается также необходимость
снижения токсичности и шума процесса выпуска. Кроме Toro, в си..
стеме Moryт Быть размещены некоторые ДОПОJШителъиые уcrpoй
ства, такие, как моторныи тормоз, система эже' I I воздухоочиcrи..
теля, сажеуловитель, исхроrаситель и др.
Сиcrема ВЬШУClCа должна оказывать минимальное сопротивле..
вие движущемуся ПОТОlCу отработавших rазов, не затруднять очиcr
ICУ цилиндров при взаимном переlCpЫТИИ тактов выпусlC8.. Объем
системы вьшускных трубопроводов должен 'быть I :1 Мальвым,
С тем чтобы снизить ВЛ -.: e инерциовности движущейс.я массы
отработавmеrо rаза и увеличить импульс давления ВЬШУСICR. От..
дельные уcrpoйства системы выпуска связаны трубопроводами раз
личноrо диаметра, сопротивление lCоторых ПОТОICУ отработавших
rазов ДOJDICНO быть минимальным. ПульсирующИЙ поток отработа--
впшх rазов движется через', систему ВЬШУСlCа с ВЫСОКИМИ ClCОроСТJIМИ,.
С постоянвым понижевием температуры и переменным сопротивле.-
нием потоку.
Выбор оптимальвоro диаметра вьшускноrо трубопровода про
изводитси В процессе ДОВОДICИ системы въшус:ка с учетом различ--
Hых arperaTOB, устанавливаемых на ЛИНИИ вьшуска, rидродинами..
чеСlCое сопротивление которых различно, но нормируется отрас..
левыми crавдартами. Так, например, каталитический нейтрализа..
тор для двиrателя с У ,. дО 1,8 л не может иметь rидродинамиче
СICое сопротивление более 250 ldМ: вод. t: r. Место расположения
""
неитрализатора и отдельных элементов myмоrлушевия ведется
с учетом колебательных .явлеНИЙ пулъсир)'К'щеrо потока ВЫХЛОПНЫХ
rазов.
Расчет системы вьшуска и сиcrемы шумоrлушения должен учи..
тывать динамичесmй режим их работы.
К сиcrеме выпуска преДЪJIВЛЯЮТСЯ достаточно жеcrICие тре..
бования по надежности и долrовечности. Система работает при
больших термичеCICИХ ваrpузках и со звачительвым перепадом
ЗSS
температур. Система BblIIYClCa COBpeMeHHoro 6ензиновоrо двиrателя
с турбонадцувом представлена на рис. 13.1. В системе размещаются
J(JIanRНЫ перепус](а отработавших rазов, которые изменяют режимы
работы турбины.
Система ВЬШУСlCа высокооборотных двиrателей для повьппевия
эффеКТИВНОСТИ работы ВIШючает в себя приемные трубы, которые
подбираюТCJJ по Д1IИВе и соединяются в определенном порядке (рис.
13.2).
11
1
2
....:.:..:.:.:.........
... . .. . .. ,.....t
....:6:.:..:.:........
:::.:. :.:.:::::::
..................
..... . .. . . . . ..
.. ..................
............
....:.:..:.:.:".......
:::.:.:.:.:.:::::::
...................
.-.. . ... . . . ..
... ............ . .
.",...............:.:4
.... ... . . .......4
.............. .......
...........
. ............ . . ..
......................t
.:.............:..:.:..
..........
.......-...... ......
..........
.....................
'.i
.... ...,
1 ... .
11111 ... .
.... ."IJ
I
..
10
..
11
...
f
1 ..1111 t
.1.1.8,
,
,
..
".. . ;J
--- ......
1
8
JI'r
7
9
4"'
з
4
5
6
Рис. 13.1. Система выхлпаa беизиновоrо дввrател.. с турбо: : 1 ., ВОМ:
1 радиатор ДmI OXJJ8ЖДemJJI ;.: I I : I1I(8()ro воздуха; 2 .............. КЛ 8JI8.'U пtpcпycIа ;: I I : .чвоrо
воэдуха; j поток воздуха; 4 ............ воо r 111: 1. I филь-rp; 5 :компрессор; 6 турбина; 7 ПОТОК
отработаВ Т'IИ 111308; В о срепуСAtlО Й D.II8Л; 9 возвраТИЬJЙ воз., 111:'. I канал; 10 пcptПyск--
воl клапан отработав ПIИ raзов; 11 .............. ' "." 1. :1. е I:LUI
356
м оmорный тормоз состоит из заслоБХИ, перек.рывающей поток
or из двиrатели и ПРИВОДИМОЙ В действие системой рычаrов
или соленоидом с управлением от педали тормоза. Одновременно
прек:ращается подача ТОШlива в ЦШIИндры двиrателя, чrо переоодит
двиrателъ в режим работы JCомпрессора. В результате затрат
эверrии на прокручивание двиrателя эффeICтивнocrь торможения
автомобиля реЗlCо возраcrает.
Искроrаситель расположен в последней камере rлушителя шума
вьшуска или на конце выхлопной трубы. Наличие ИСlCроrасителя для
pJIДa транспортных и специaJIъных двиrателей является оБJJЗатель--
БЫМ. Транспортные средава без ИСlCроrасителей не допускаюТСJl
IC эксплуатации в зоны lCатеrории А, например нефтяные базы, зоны,
содержащие такие взрывоопасные вещества, как древесная и уrоль..
пая пыль.
СеЛЬСlCохозЯЙственная и лесоповал очная техшп:а с системами
выхлопа без искроrасителей может быть причиной пожара в сухую
поrоду при уборке урожая ЗJIakОВЫХ IC)'льтур, работе с сеном ИЛИ
в лесу.
Раскаленные частицы сажи, выбрасывеl\fыe системой выxJIпаa
дизеля, или пламя при доrорании ТОШIИВовоздуmной смеси быстро..
ходноrо двиrателя при пропуске зажиrании или быстрой смене
режима работы JIВЛЯЮТСЯ источником повышенной пожарной опас..
пости. Устройства, расположенные в последней камере rлymителя,
как правило, являются механизмами, использующими центробеж..
вый эффе:кт потока rаза. РаскалевНЪ1е частицы отбрасываются вра..
щающимся потоком rаза на периферию камеры rлymителя, а ПОТОК
'10.
..
" ...
.&.
. Д . ..
, .,
. _., " .......
. ';'" . .&
)\A'" J ;8' "
... .. rt . .,..... . . ')..... ( "
'-. ... - !' . - .
6" -'; , 6 ' ' · I -
. .' ". - .'
", · "h, t . .... - ' ."" ( , - .", "
t! ... ' ../ "" ОМ.
I ''';''i .
\, # 1
' f1"::
... . , .--. с .
f f
l'
f J
,
а
. /5786
I 3 4 2
б
Рвс. 13.2. ВЫХЛОпвaJI сиcreма спортвввоrо двиrатеЛJl (ПОрIlДОJ:: работы II i I:' .ОВ:
1 S 3 7 4 8 2 6)
357
отработавших rазов ОТВОДИТСЯ через выхлопную трубу, располо..
женвую цеитрально. В некоторых случаях в концевой трубе
на выходе из rлymител.я устанавJШвается металлическая сетка,
удерживаюЩaJI на СБоев поверхности расlcаленвыe частицы сажи.
К системам иасроramения предъявляются жестICИе требовании
100%"вая rарантия отсутствия искр при тобом режиме работы
двиrателя. иcпытвия эффективности работы искроrасителей и ШIа
'" ....
меrасителеи проводится по стандартам: ДJUI малых двиrателеи
SAE J 350в, ДЛИ ере..:1 х SAE J 350 и для дизелей мощностью
более 350 хвт по стандарту SAE J 342.
Выхлопные трубы изrотовляются из леrированных материалов,
которые стоЙКИ IC. lCоррозии И терМОШОХУ. Автомобильная промьпn"
левность и двиrателестроение в вежоторых случаях для изоляции
ВЫПУClCНОЙ СИCl'eМЫ от вибрации дополнительных тер:мичесхиХ Ha
rpУЗОК и компенсации тепловоrо расmирении используют метал..
личесхие rибlCИе рукава (рис.. 13.3).
Процесс выпуска or является наиболее интенсивным источни
KOAf шума двс. МОЩНОСТЬ и спектральный состав акустичесlCоrо
излучения процесса выпуска характеризуютс.я высо. I I их эвачени"
....
ими; основная доля аICустичесICОИ эверrии при этом располarаетСJl
..
4 1:
+ ....
.
""'"
-
, " \ ' '
;. \ \ \ , ',' 1"; , .
\ " . -.. .
\ .. . -. . 1 "
· .. о ...... , I
'" . ."
, . -- .. "
""_. ....., . _: t ": . '.._
.i -.
. ..
' . _"\.. I
...
.. '.
1
! '..\
.
. ,J"
. '"
... <..х
. \
..
. i k.; ...
.. .
.
- - .,
..
j
,.'-.. Т"., r
. '-. ,/ U " tJ, _и ,- J :1 , } ". .
., · I h / /.... '. ::. " . ..J " 1
. t . ... ,,; , !' .. "". . t Id ti 11 I j J
'" . ".. '. It .. J .. '4 /. . :
.,t.. , , -, 1. !;, \ . \ 1 ., А, ' .. 10>, . '.. _ .4
· _', - - '1" ,О( :ti. 1 · ,"" , ' 'К-, .. - I /
-1 , ............. 00; ." ., . t. It" .
'. -</ -.'-.'? "'. - _-.\;. 'l; ;"' \ , , tt'," , ".>- '..1 .;.
"'-. ,, "Ж Й · '''' .... · 7 1
. .!1 \.;1 . .. .. ,
.. · -. ",..... ..1, -
. . .,. , ,., ,...... . . .
- . ' -"1' 'l ''1, ,,' --.. '....' J
4 ri " . ' 1 j ., }
. . ,
... I "
.
Рис. 13.3. Компе: · II oвRыe элемевты выпускной CIIcreмы
358
в наиболее акустически неблаroприятной зоне спектра звуковых
волн. Уровень 3B}'ICOBoro давления в приемной выхлопной трубе
форсированноrо ДDИrателJl может достиrать 180 ДБ.
Процесс ВЫПУСICа начинается в момент начала открытия ВЫПУСК"
НОСО lCJIanaна во время свободноrо выпуска Ь'Ь (рис. 13.4) за 30...700
ДО нмт и харахтеризуетси надкритичесХИМ истечением or. Второй
период bq продолжает процесс отвода or после НМТ. Температура
Т" и давление РЬ' в момент начала открытии клапана в значительной
мере определяют xapalCТep аICустичеСICоrо излучения при процессе
ВLШyСlCа. Максимальная мощность rенерируется в период наиболь--
mей турбулизации or, косда rpадиент средней скорости в lCЛanан
ной щели достиraет наибольшей вели 11 : · . Суммарная ахустичес--
ICая мощность, излучаемая на участке ВЬШУСlCа bfq, определяется на
основании ПОСТОJllШой Лайтхилла, которая пропорциональна вocь
...
мои степени скорости rазовоrо потока.
Спектральный состав турбулевтвоrо шума rазовоrо потока
определяется ICВ.IC crатистическая величина. Суммарная еro интен
сивность lЕ. (ВTjм2) и спектральная плотнocrь Ц связаны между
собой соотношением
со
IЕ == G (f) df
о
Наиболее интенсивное излучение ахустической энерrии системой
выпуска ПроИСХОДИТ на низких частотах; при этом звуковое поле
формируeтcJ.I на больших расстояниях от JCлапана.
В начальный период Bьmycxa струя or распространяется в He
u
ПОДВИЖНОИ среде и не занимает все сечение вследствие сжатия
....
струи, поэтому деиствителъная скорость rаза на :коротком участке
...
за клапаннои щелью может сущест-- р
венно превыmать скорость звука.
третий период выпуска or qtl
(период вьrra..тmвaния) происхо--
дит прапически при посто 8.: 1: ом да..
влепив в цилиндре. Интенсивность
вихревоrо шума на ЭТОМ участхе
u
пропорциональна шестов степени СКО"
рости потока (постоянная Е. я. Юди--
на).
Четвертый и пятый этапы ВЬШУС
ка tlr и rh' происходят в пе
риод переICрЫТИЯ IOIапанов. Процесс
шумообразоваНИJI в этих зонах ra..
а'
Ь'
i
.'
q
I
I
а
Ь"
.а
у
Рис. 13.4. : II I: аториa.JI .циarp8.МЪ4а
с характер: 1. I : участками шума..
образованиJl при выпуске отработа-
вших rазов
359
зообмена определяется фазами rазораспредслеВИJl и в ваСТОJIЩее
время изучен недостаточно.
Интенсивность акустичесlCоrо излучения в процессе rазообмева
определяется JC3.I( параметрами рабочеrо проце тах и особеН
НОСТЯМИ lCовcrp}llCЦИИ пдвс. В частности, на характериCfИICИ шума
ВJШяют ШIОТНОСТЬ rаза на иьmУСICе Р вып , противодавление среды Рср,
в lCоторую ПРОИСХОДИТ истечение, и температура or.
Суммарная акустическая мощность процесса BыnyClCa W (Вт)
определяетСJI как
w== WимпW к + Wcтp,
rде W IIМII мощность шума, возбуждаемоrо импульсом давления;
мощность шума от обтекания элементов :клапана; W стр
...
МОЩНОСТЬ шума rазовои струи.
13.2. r ЛУШИТЕЛИ ШУМА ВЪШУСКА
Система шу.моzлушенUR (рис. 13.5) состоит из двух или трех
отдельных резонаторных И1Ш комбинированных rлупштелей ДJDI
леrковых автомобилей и мопоблочноrо rлymителя для rрузовых.
В лесковых автомоБШIЯХ в систему вьшуска ВКJПOчается каталити--
" ,.,..
ческии неитрализатор, характерист .. которое о учитываются при
оценке заrлушающих свойств всей системы. сажевый фильтр,
lCоторый устанавливается на дизеле, обычно компонуется с rлуши--
телем.
Развитие автомобильной электроllИКИ позволяет использовать
для снижения шума выпуска полуактивные систе.мы, в конструк--
ции которых используются подвижные элементы, изменяющие
rеометрические размеры системы myмоrлушения, а именно актив--
пую ДЛИНУ ВЫХЛОIЩой трубы. Это позволяет наилучшим образом
....
соrласоватъ заrлушающие своиства системы с хара:ктером силово--
со возбуждения колебаний в пек Так, система mумоrлушеНИJI
с наиболъmей длиной более эффе : ':Ha на режимах малых чаcrот
вращения коленчатоrо вала двшателя, :короткая на ВЫСОIШX..
В качестве подвижноrо элемента испоnъзуются пневматичесICИЙ
или эле:ктромarпитный клапан либо управляемая заслонка или
ЗОЛОТНИК.
Применевие ПОПУ8lCТИВВОЙ системы поволяет повысить эффек-
тивность myмоrлушения на 10 дБ на режимах малых чаcroт враще
пия.
Работа более эффективной аlCТИВВОЙ системы шумоrлушения:
.....
осноsаиа на принципе подавления шумовоrо излучения ах:уcrичес-
ICИМ сиrвалом раввозначноrо спектральноrо состава, НО подавноrо
в противофазе. Работа такой системы требует значительных эверrо--
.
360
'9
I ...... I
I
192 110
а
116 100 235
б 585 1
Рис. 13.5. r I . I шума выпуска лerковоrо аВУОblоБИJIJI (а) и автобуса (6)
I l 1
I
v)
0'\
N
\9.
.
ют
1Ш
затрат, поэтому целесообразно использовать ее в зове, {'де звуковые
давления малы, Т. е. ближе к хвocrовой трубе. Система эффективно
работает в mирОlCом диnазове чаcrот и позволяет доБИТЬCJJ свиже..
ВИJI шума выпуска на 30...35 дБ. ·
ЭффекТИВНОСТЬ работы 8.ICI1IВНОЙ сиcreмы шумоrпушевия зава..
сиr от чувствительности и быстроты дейcmия датчика и элеп..
ронносо блока управления шумоподавляющей сиcrемой.
Трубы, соединяющие отдельные элементы системы выпуска ДЛИ
пеncовых автомобилей, IC lCоторым предъявляются белее жесткие
требовании по уровням ахустическоrо излучения, выполняются
"
с ДНОВНЫМИ стеmcами.
Системы автомобилей высшеrо класса имеют специальное тер-
""
МОСТОИICое пожрытие из синтетичесПIX смол с наполнителем, ICOTO
рое защищает их от коррозийнос.:> И абразиввоrо износов. Однuо
361
расположение rлушиrеJIЯ в сиcrеме ВЬШУСlCа не может быть произ..
ВОЛЬНЫМ, оно зависит от lCонcrpyICЦИИ двиrателя, расположения
двиrателя на автомобиле и допустимоrо сопротивле: I иьmyСКУ
or. Волна давления, перемещаясь по BьmyclCНOМY трубопроводу,
падает на ЭJ(рав (rлушитель), обладаюЩИЙ импедансом Z, и отража..
ется. Отраженная ОТ r лушителя волна давления возбуждает lCолеба..
...
тельныи процесс в системе с узлами и пучностями давления, рас..
u ....
положени.и lCоторых в выпускнои системе опредешnoтся частотои
вращения lCолевчатоrо вала двиrателя, тахтностью и количеством
цилиндров, ПОДlCЛЮченвых )( этой ВЫХЛОПНОЙ трубе.
Вьmусmyю систему двиrателя ииутреииеrо crop. :1 можно С1Ш..
тать трубой, открытой с одвоro конца и З3.ICpьпой ЮIапавом с дpy
roro конца. Тоrда для давления имеем
Р:; РО sin kx:; м2" + 1 )1r./21,
а собственная частота определится выражением J.== (2у + 1 )c/41, от..
куда 1:;(21'+ 1)Ц4, rде k:;2пm волновое число; m==2nf кpyro..
вая частота; v порядок rармоники; л длина волны; f часто..
та; 1 длина трубы.
Распространение давления по длине трубы ДЛЯ оеИОВБоrо тона
и обертона представлено на рис. 13.6.
Коrда ВХОД в камеру rлушителя расположен в узле, Т. е. в зоне
наименьmеrо давления, отраженная волна имеет наименьшую aмn..
литуду и rлymитель работает более .эффеlCТивно по сравнению со
случаем расположения ero в пучности давления. Анализируя резуль..
таты эксперимента перемещеНИJI rлymитеЛJl по дпине трубы, прове..
денные на двиrателе мощноcrью 150 кВт (табл. 13.1), ВИДИМ, что
вторая позиция наиболее эффективна по CIUDIreIIию шума и создает
веболъшое противодавление. Питая позиция T8.IOICe зае ' I ает
внимания. Это положение rлymителя создает наименьшее проти..
1
....
...
I
. х
х==О x '
.....
3 1 р
Рис. 1 .6. Коле. : :I . Д3.ВJIеИИJl rаза в трубе (в сечевив х==о труба выеет отq)ытьIй
конец, в сечении х==' зажрыты::
1 основной тои; 2 перВЬJЙ тои; 3 второй тои
362
..
водавление. Следует ПОМНИТЬ, что изменение CIоростиоrо режима
работы двиrатеЛJl повлечет за собой изменение чаcrоты вынужден--
Hых жолеб :1, r rаза в трубопроводе и, жaJC следствие, потребует
изменения положении rлymитеШl в сиcrеме.
Ta6lU11Jlllj.l
1fl J I I: . IIылопвойй J I I: . концевой ПроТИIlO-- ДБ (А)
пJп трубы до rnyrII".lШa, трубы, мм даалевис.
мм бар
1 1200 4800 0,95 13,0
2 2100 3900 0,71 16,5
3 3000 3000 0,83 7,5
4 3900 2100 1,01 10,S
S 4800 1200 0,73 13,5
6 S700 300 O 72 8,0
Расчет rлymитeлей шума B:ьmycкa ВЮIЮчает в себя три этапа:
1)" определение харахтериcrки иcrОЧНИlCа шума; 2) расчет передаточ--
вой фymcции сиcreм вьшуаса; 3) определение излучения.
ОсИОВНhIМ содержанием расчета передаточной фушс 11 I JIВляется
определение амплитудно..частотных харахтеристИIC myмоrлушащих
элементов типа расширительных камер, резонаторов и эвукопоr--
.
лощающих элементов.
В rлуmителях в ОСНОВНОМ используются элементы двух типов:
1) arrивны:е (диссипативные); 2) рептввные. Двссипативвые эле
менты преобразуют акуcrическую энерI'ИЮ в тепловую за счет
рассesmия эверrии при перетек. : 1. or через поры в воло.IoIиcтых
материалах.
Основную дота энерrии, поrлощаемую реахтивными элемев...
тами, соcrавЛЯIOТ отражение вопн и их интерференции.
ХарахтериCТIIПI ИСТОЧНИКОВ шума ВЬШУClCа СООТВОСИТСJl с мае..
coBым расходом or через систему, характериcrИIC8 зarлymевия
lCоторой зависит от объема rлушителя. Есо объем определяется по
основным параметрам двиrателя:
"" r:Ii:.
V K v l/i,
п
['де K 5.103 ДШI тракторов; и t(t' для введоро' :I KOB;
К == 3,5 · lQ4 ДЛJl rpузовых автомобилей; К== 5 · 104 для леrJ(О
Bых автомобилей.
Характериcrика зarлуmе :I · зависит от частоты пульсацИЙ, сrла..
'. 1: анию KoTopых способcrвуют увеличение количества цилиндров
и возрастание частоты вращенИJI 11. При частотах вращеНИJI BыlIIe
3000 мин l объем rпymитеЛJJ мало СlCазываетСJl на ero харапери
стихе заrпуmеви.R, ЧТО харапфВО для двиrатели с количеством
363
цилиндров более четырех. При ЭТОМ шум выхлопа в основном
формируется потоком or.
rеометрические размеры rлушителей определяют ИСХОДЯ из воз--
можноrо компоновочноrо пространства. При этом У ЧИТЬШают , что
rпушители минимальноrо диаметра, как правШJО, выполняются по
однотрубной прямоточной схеме с резонансными камерами.
В случае применения звукопоr лощающей набивки возможно
уменьшение длины резонансноrо rлушителя, НО невысокая эффек--
тивность в низкочастотной области сохраняется. ЛИ повьппения
величины заrпушения необходимо применять мноrо:камернblЙ rлу..
шитель с увеличенным диаметром.
Отношение ДЛИНЫ rлуmителя к ero диаметру оказывает сущест--
венное влияние на величину заrлушения шума и на диапазон заrлу--
шаемых частот. КоротКИЙ rЛУIIIИтель большеrо диаметра дает
большую величину заrлушения, НО в относительно узком диапазоне
частот, в то время как rлушитель с малым диаметром заrлушает
составляющие шума в более широком диапазоне частот, при этом
уменьшается величина заrлушевия.
Ко.мбинированные zлушители представляют собой систему реза..
пансвыx камер, в ICОНСТРУJЩИИ ICоторых используются звукопоr..
лощающие материалы, такие, как стеКЛQ80ЛОIШО, путанка (стальная
ПрО80лока, спрессованная брикетами) и металЛОlCера:мшса.
При расчете rлушителей все элементы системы полarают ОДНО"
мерныlt{И. ПростеЙIIIим одномерным э ементом является труба по...
стоянноrо диаметра с жесткими стешсами. Параметры матрицы,
.... ""
описывающеи акустические своиства простеишеrо одномерноrо эле..
мента, определяются из рис. 13.7 как совокупность параметров
прямых и отраженных волн:
( ) F + «+.х К----z
р Х == е +р е ;
1J (х) == S [р + е ik+j,
ре
rде р + , Р звуковое давление прJIМОЙ и обратной вопн COOТBeтcт
веБНО; k==ro/c волновое число; (D крyrовая частота; М чис
по Маха; S площадь поперечноrо сечения.
Pl l I р2 для вычисления зоуковоrо давле..
: : пия р (х) и объемной а.кустичеClCОЙ ао..
! (p+)e2k+X ... ! pocrи IJ (х) используют следующие ура..
: : внения:
: с {Jт)e2k x I
I I
"1 r 1'2
х==О х=='
.,...
A==Fcos
kl
Рис. 13.7. ПрllМ8.J: 1."руба
.
1 ..... М 2 '
364
в == Fipc sin
.
,
С .. 1
==сl Sln
ре
kl
D==Fcos ,
1 ...... М 2
Mkl Mkl
rде F==cos isin
1 M2 1 M2
При расчете вьmyСПlаJI система делится на участlCИ, на каждом
из IcoTopых задается среДНЯЯ температура, вычиляютс.я параметры
матрицы, а затем реализуетСJI «сшивка» всех отрезков с ИСПОЛЪЗ0ва...
нием уравнения
.
АВ
сп
.....
........
А 1 В 1
С 1 п 1
А 2 _ В 2
.. .
Cz, п1.
А,. В"
.
С.,. п"
Ливеариэов. :1: . е уравнения сохранения эверrии, массы и жоли...
... ....
чества движенИJJ при ПОСТОJIННОИ температуре имеют следующии
вид (рис. 13.8):
ре ре
PI+ MIIJI==P2+ Mtv2 . '
n l
S.M 1Рl + рси. == S2 M ,p+ pc + s,м-АР,
(S2+ S.Щ)РI + 2pcM.1J1 == (8. + S2 M l)P2 + 2РСМ 2 112 + S2ЩАр,
еде Ар необратимые потери давле: в ..
Через импеданс ответвления Z выражается lCах
I
PI Р2
M 1 ... :Р2 .. М 2 М. .... p . М 2 I
1\1. V.I I
1'. t 2 M 1 "" Pl I Р2 . М 2
I
"1 I 112
а б f1
Рис. 13.8. Расчетв8..1: схема:
а сужевве uвaлa; 6 . .. 111 . t. е к ав-Л 8; . боковое OI.L nШ е
36S
Рl 1 О
.....
......,.
"1 Z6 1 1
Р2
,
1'2
R Х
Z.==
+i
S.
рс2
,
['де R и Х == oJР!' соответственно апивпое и реажтиввое удельныe
ажустичесхи:е сопротивления roрловины; S. ШIощадь поперечвоrо
ССЧeвиJI rорловины; tТ объем полости rлушитеЛJI; t' эффeJCтив
НaJI длина rорловины.
На средних и высо:ких частотах расчет по вьnnеприведеВНblМ
формулам возможен и ДЛJI труб малых диаметров. ОДН3.ICО в эле--
....
ментах рacmирительвои Iaмepw на ЭТИХ частотах может B03BIIIНYТЬ
ИСТОЧНИК Передаточная Характеристика
.......
L(f)
функция
излучения
системы выпуска L(f)
Р(О
Исходные данные расчета
iJtl.; i; п; F,;
; d 8lI ; d. wn ; h КJI шах; ;.0. IUI; у; 11,,; а;
Фазы raзoраспределения; raбаритные размеры
предполaraемой системы
I
Предварительный расчет компоновочной схемы:
расчет raбаритов отдельных rлушитслей, их
взаимное расположение с учетом (без учета)
тормоза, сажеуповителя
.....
Расчет отдельных элементов rлушителя,
диаметра и ДЛИНЫ соединительных труб и
конечной трубы по параметрам шумоrлу
шения 6.1 и
Иэroтoвление прототипа
АкустичеСJQfе испытания прототипа:
а) стационарные;
б) холодные с потоком;
в) roрячие
на двиrателе на рaз.nичных режимах;
r) динамические
т
Конструктивная доработка
Испытание системы на надежность:
а) виброиспьrraния;
б) испытания в соляной ванне;
В) испытания на термошок
..,..
Рвс. 13.9. П. -,1; 111: 1 t
8JlЬR8..8 схема p8C1Ieтa alcтe.. _ьшуска . myмоrлymеви.
366
expert22 для http://rutracker.org
резонанс поперечных колебаний, ЧТО повлияет на условия распрост..
ранения ПЛОСКОЙ одномерной ВОЛНЫ. Одномерная модель расчета
не будет адекватно описывать совокупность колебательных явлений
в реальном объекте. В этом случае применяют либо метод модаль..
HOZO анализа, либо метод ICонечных элемeнI'OВ. При модалЬНОМ
...
анализе rазовую среду попarают сплошнои и задают такие завнеи...
мости звуковоrо давления ОТ ICоординат, ICоторые соответCfВУЮТ
rраницам камеры.
Метод конечных элементов примевительно )( расчету rлymи--
телей может Быть использовав для моделирования камер любой
формы.- основу метода составляет интерпретация объема lCах СОВО"
lCупноcrи множества малых элементарных объе ов. Для определе--
ния ЗВУlCовоrо давления в каждом элементарном объеме задаетСJI
приближенное решение ВИЗlCоrо порядка точности в виде полинома,
в к-отором неизвестными ЯВЛЯЮТСЯ амплИТУДЫ ero УЗЛОВ.
Окончательно данные системы определяются после испытания
OnЫТHoro образца и ДОВОДКИ есо конструктивных парамеТРО8 (рис.
13.9). Лабораторные ахустичесхие испытания системы выпуска вы--
ПОJШЯIOТ С ПОМОЩЬЮ искусственных источников звука. ПрахтичесIC:И
...
8JCустичесое и механические своиcrва системы оцениваются при
испытаНИJJX на реальном двиrателе. ОБЩИЙ уровень шума авто..
мооиля, в ТОМ числе и системы выхлопа, оценивается в соответ...
ствии со crандартами rocт, SAE и 53 правил ЕЭК ООН. Стан..
дарт SAE J 1287 служит для оцешm шума выпуска мотоцmcлов;
SAE J 1169 для леrlCОВЬ1Х автомобилей и SAE J 1207 для оцев"
IOI эффективности rлушителей шума Bьmycкa.
13.3. IIEЙТP АЛИЗАЦИЯ ОТРАБОТАвШИХ rАЗОВ.
IIEЙТPАЛИЗАТОРЫ
Содержание токсичных J(омповеитов в or двиrателей может
быть с :I \ ено З8 счет каталитической и термичеClCОЙ нейтрализации.
Общими требованиями, предъявлясмыми IC анТИТОlCсичесuм
"
устроиствам, JIВmпoтся: малые rидравличеСICие сопротивленШI, :МИ..
вимальные массоrабаритные ПОlCазатели, безоТICа3ваs работа по
крайней мере до 80000 .см пробеrа, технслоrичность и вeBЫCOК3JI
стоимость.
Как показала праПИlCа, наиболее эффrnивными о:казываются
способы DТалитичссICОЙ нейтрализации or, основанные на пониже..
нии энерrетИЧecICоrо пороrа протекания химичесхих процесСОВ.
Сиcrемы каталитической неЙТрализации и собственно сами ней...
трализаторы мoryт ЮI8.CCвфицироваТЬСJl по следующим признакам:
. no типу окислительные (ДЛJl ОlCислеНИJI СО и СП), вое..
становвтельвые (для восстааQ8леНИJJ азота из NO,J и бифунжци
367
опальные (треXICомпонентные), в которых нейтрализуются СО, СН
и NO r ;
... ""
. по назначению rлавныи и ПУСICО80И;
. по исполнению одно-- и двухкамерные;
. по типу носителя с пасьшиым ИЛИ моволитным носителем;
. по материалу носителя С 1Серамичесхим или металличесlCИМ
носителем;
. по материалу aкmuвнozo кamaлитическоzо СЛОЯ с блarород
.t. -1 . металлами и обычными материалами;
. по ВО3.JNОЗICНости работы с различными топливами ДЛЯ ра--
боты на неэтвлированвых бензинах и для работы на бензинах
с оrpаниченным содер'. · :.: ем в них свинца.
НейтраА,uзатор конструктивно состоит (рис. 13.10) из метал
личесхоrо .корпуса 1, изrотовленвоrо из жаропрочной crали толщи..
ной ПОрJIДICа 1,5 мм, в КОТОрОМ нахОДИТСЯ ПОlCрыТЫЙ активным
:каталитичесuм слоем 3 носитель 2. Для соединения с элементами
системы выпуска корпус ueйтpaJIизатора снабжен фланцами. В цe
лях снижения уровня передаваемых ОТ двиrателя: вибрациоlПlblX
нarрузоlC корпус может подсоедивяться IC вьшусквому трубопроводу
посреДСТВОМ lCомпенсатора lCолеба :.:.': .
В lCаталитичеспх вейтрализаторах ИСПОЛЬЗУЮТСJl носители на..
сьтные (обычно rранулы на основе керамики), керамические .моно--
литные и .метQ.JfA.UЧеские. В вacrоящее время ваcыпнъle носители не
"
применЯIOТСЯ ввиду их повышенных rидравличесlCИХ сопротивлении,
медленноrо проrpева и небольmоro сроха службы из--за иcrирания:
поверхностей rpанул при вибрациях.
Наибольшее распространение в настоящее время получили носи..
тели из термоcroЙlC.ой Jtерамижи. МОНОЛИТ, изrотовляeмый методом
ЭICструзии (выдавливания), имеет обычно овальную или крyrлую
форму. Он провизав lCВaдpaT:I. . каналами (обычно 31, 46, 62, 93
1
/ /3 2
l :.... ... : ..r: " - ;-r
.... ..... . " -.. .. ".
i, ........ Y'--- "IJ;. .. . '"
. , .. . .II .
I . ...... · r
" 11 1* ' ...: --:..:=........
I I --410. .. .............. ....... .
. ... .. I .
, .. ... " ...- . . .
. ..J I j . . . .:-.:... I c.. . , :: .:== . I::.
'-" "" ........... lII8fI .. .. ....:.........
.,..
Рис. IЗ.IОа Vc-rpОЙСТВО aT. I : "ecкoro веiтpалвзатора
368
канала или более на 1 см 2 поперечноl'О сечения) по направлению
протекания ОТ. В целях увеличения площади активной поверХllОСТИ
носитель DОlCрывается пориcIым слоем ram:ma--ОlCсида алюминия,
'""
поверх ICOToporo наносится каталитическии материал.
Недостатками всех каталитичесICИX вейтрализаТОРО8 на основе
неблarородных метaJШОВ ЯВЛЯЮТСЯ их малая эффекТИВНОСТЬ при
пуске холодноrо двиrателя и повыпIнная чувствительность к заrря--
зневию топлива свинцом и серой. Это является причиной преиму..
...
щественноrо использования в неитрализаторах дороrостоящих ма..
териалов (пла палладия и родия). Ранее исполъзовались также
рутений и иридий. на один нейтрализатор расходуется от 1,5 до
3 r блаrородиых металлов. На платине протекают окислительные
процессы, родий же способствует восста.вовлению азота из ero
ОКСИДОВ. В современных К:ОНСТРУIЩИЯХ нейтрализаторов часто не..
пользуется палладий. Широкое использование палладия объясняет
ся «о меньшей по сравнению с W1атипой crоимостью (приблизите..
льво в 4 раза) и более ВЫСОКОЙ эффективностью при окислении
парафинов и ароматичесlCИX yrnеводородов.
В цепях снижения массы дороrих катализаторов стремятся уве..
личитъ плотность IC:аталитически активных ячеек, что повьппает
anивную поверхность и интенсифицирует протекание химических
процесСОВ. ПерспеlCтивные ультратонкие ПОlCрытия открывают но...
вые возможности, поскольку приводят IC существенному снижению
масс и IC увеличению активных площадей. Известны технолоrии,
позволяющие наносить 2000...1200 ячеек на квадратный дюйм (при..
близите.пьво 310...186 на 1 см 2 ).
Керамический носитель отличается малыми значениями 1(0*
фициепта объемпоrо расширения и блаrодаря боlIЬшому cyммap .
ному проходному сечению каналов характеризуется незначителъ--
IIыии велич:Шlами rидравлических сопротивлений. Недостатком
..,
керамических МОНОЛИТОВ является их невысокая УСТОИЧИВОСТЬ
против механических пarрузох. Поэтому между хорпусом и поси
телем (СМ. рис. 13.10) размещают эластичную металлическую
проXJIадку 3 из высохолеrированной проволоки. Дрyrим недостат..
ком керамических носителей JlВляется относительно большое B
МИ, необхоДимое для их nporpeBa до рабочих температур (вьпnе
250 ОС).
В наcrоящее время намечается тенденция к более широкому
использованию в качестве носителя жаропрочных аустенитпых ста..
лей. их применЯIOТ в виде rофрированноii фольrи толщиной
0,04...0,05 мм. Фольrа свернута в рулон, КОТОРЫЙ припаяв IC метал--
личесkОМУ КОРПУСУ (рис. 13.11). Первоначально металлические НОСИ
тели использовались лишь в стартовых (пусковых) нейтрализато..
рах. В настоящее время они примевяются и при изrотовлении
основных нейтрализаторов. &е более широкое применение металла
369
... - . ...Чi .,. . "-...
-...... .L
.. -. . 11 .и ,.
. .. .....WifIМI ...... ...
. ..... # ". H""""' ''' ... .. - . : . 'Iri.
,.:-... ....rr. f.:4iI --- .' -...... ......... ......1. .
· · ."... :е\....,.".. . . 'f' v '.
JJ "fl'.-:... ... " ..... .. r ., !.
,, .. 1A.. -... ... ... . \. . .
. ' 7.. , e'J , ..,: "1.. . -
... r:Z...iI:ff::"..?'f:.Ч' . .."., 1I:t- "i.-;;, Н-- \-
. I tй fIt: -",.. .*II . 'А' .t
. :i6 ч.\;" t 1"i . - :L1.!-!
. I.; .......\'-. ... t .J' q. i ... -
"..:t.4 \\ \. .: . . i"; r.N. .
, t, 1... . .:. J-t · ·
ii7l(". .. ".' , ...
'. 11t .ta.,.<, :. 4 . ,"
, ' ь.; ,... ,. I I
"'f. !t., · :-r.. 1
- .ft.;' ' f:::"' <j.
о: ... .. .......... ..
. , ....,.-r"
r' .
..
-
Рис.. 13.11. Прим:ер ИСПОJIЬ30В8JIИJI металлической фольrи в качестве ВОСитeJUI
в качестве носителя объясняется рЯДОМ преu.муществ подобных
'""
неитралиэаторов:
. быстрым проrpeвом ДО рабочих температур;
'"
. высоlCОИ прочностью;
. СТОЙIcОСТЬЮ к ВЫCOIOlМ (ДО 1300 ОС) температурам и перемен
ным термическим нarрузкам;
. неоrpавиченными возможностями по выбору lcовструхтивных
форм И размеров нейтрализаторов;
. малым rидравлическим сопротивлением в СВЯЗИ с небольшой
толщиной фолъrи носителя;
. возможноcrъю при малых rабаритвых размерах реализовать
большие активные поверхности при меньших расходах блarород
ных металлов.
Сталь, используемая для изrотовлевия метaJШичес:КОЙ фолъrи,
обычно леrируется хромом, алюминием, цирконием и кальцием.
Более mирокое применение металличесICИХ носителей для основ..
ных катализаторов оrраничивается в настоящее время их относите..
льна высоlCОИ стоимоcrью.
Чтобы обеспечить нормальную работу любоrо нейтрализатора,
следует поддерживать в необходимых пределах следующие вели
чины:
. коэффициент избытка воздуха;
. достаточно высокую температуру or;
. отношение объемноrо расхода or 1( объему нейтрализатора.
При прохождении or вдоль ПОICpЩЫХ а.хтивным: ((аталитичес
-...
ким слоем поверхностеи имеют место три основиых процесса: ад...
сорбция, собcrвенно сами х I .. · еские реакции и десорбция.
Керамичеспе монолитные и металличеспе нрсители для уне--
личевия их эффективности покрываются вначале промежуточным
слоем из оксида аmoминия. Блarодаря этому эффеПИВН8JI поверх--
ность каталитически активноro слоя сущecrвelJНО возраcrает. Про
370
межуточный слой имеет Ilеболъшую ТОJПЦину и содержит так вазы
ваемые промоторы, повышающие способность апсумулирования
02 и ускоряющие реакции взаимодействия yrлеВОДОРОДОII и СО
с парами воды. В качестве промоторов используются, в частности
оксиды церия и циркония. Протекающие при ЭТОМ в трехкомпонент..
...
Bых веитрализаторах реaJЩИИ накОWIения--расхода хислорода в ак--
тивном слое MorYT описыватьс.я уравнением
2СеО2 .......C O] + 1/202-
НакапливаеМЫЙ в активном слое ICИСЛОрОД используется затем
для ОlCИсления: ПРОДУКТОВ неполноrо сrорания и yrлеводородов.
Твердый раствор СеО 2 Zro 2 не TO.JIЫ(O повьппает долю апу
мулируемоrо активным слоем ICИслорода, НО и УСICоряет ОICИсление
со и восстановление NO x -
Первоначалъно наибольшее рacnpocrpаневие нашли нейтралuза..
торы окислительноzо тиnа, предназначенные для ОICИсления СО
и СИ в СО 2 И Н 2 О, дЛЯ нормальной работы которых требуется
наличие свободноrо ICИCлорода. В общем случае дополнительные
количества ICИслорода вводятся в поток or перед каталитичecICIIМ
нейтрализатором с вторичным воздухом. он подается дополни..
тельными 80Здym .1. I I насосами ИЛИ же специаль :1. I I lCЛапан--
выми устройcrвами, обеспечивающими введение в поток or вто"
ричноrо воздуха в момент прохождения волны разрежения.
НеЙУрализатор устапавJШВается вблизи ВЬШУСDIоrо коллеж..
тора. Блarодаря этому обеспечивается температура or (обычно
400...600 ОС), необходимая для завершения указанных реакЦИЙ
в течение Kopoтxoro времени пребьш8.IDIJI каждой порции raзa
в нейтpa.rmзаторе. Поскольку эффективность нейтрализ · I . воз..
растает пропорционально температуре, скорость протекания хн...
мических преобразований зависит от нarpузm, уменьшаясь при ее
снижении.
Естественно, каталитический ожислительнblЙ вейтрализатор
имеет смысл использовать лишь в том случае, если КaICИм--либо
путем удается понизитъ содержание в or оlCCИДОВ азота :В'. е
"" w
значении, устанавливаемых деиствующими нормами на ТОКСИЧ--
ность. Поскольку практичесICИ невозможно СНИЗИТЬ их содержание
в or до законодательно предписываr.мых значенИЙ только за счет
рециркул.яции и изменения yrла опереж ния З. 1 I ания, для со...
временных автомобилей неизбежно и.::пользование специалЬНLIX
нейтpaJJизаторов, обеспечивающих восстановление азота из ero 0)("
СИДОВ.
Нейтралвзаторы ЧИСТО восстановительноzо типа в настоящее
время не используются, поскольку для их эффerrиввоrо применения
необходима работа двиrатe.JtlI при а < 1. Точно так же нецелесооб..
371
u
разно и использование двухкамерных веитраJlИзаТОРОD, в которых
одна. из камер служит ДЛЯ восстановления NO-x, а вторая. для
ОICИслеНИJl СО и СН до СО 2 И Н 2 О. В подобных сиcrемах необ..
ХОД I 1. ' ДЛЯ' ОlC.ислиrельных процессов ПIслород должен был бы
"'" ...
подаваться перед второи камерои с вторичным воздухом.
Помимо ухудшения экономических показателей двиrатели при
ero работе на обоrащенной смеси :к недостаткам подобных систем
можно отнести и то обстоятельство, что образуюЩИЙся в первой
"" "
восстановителънои камере аммиак 80 второи камере вновь окисли..
ется с образованием ОКСИДОВ азота.
Указанных недостатков лишены биФункциональные ИЛИ трех....
компонентные нейтрализаторы. они обычно выполняются в одном
корпусе и способны ПО :I .' атъ содержание в or всех трех компонен"
тов: СО, СП и NO x . Иноrда их используют также в качестве первой
хамеры двуххамерных систем. Ах.тивный. слой таких нейтрализато..
ров содержит платину, палладИЙ, родИЙ в соотношении 1 : 16 : 1 ИЛИ
1 : 28 : 1, алю I : I Й, оксиды церия и циркония, а таlCЖе и дрyrие
вещества, способствующие более эффективному протеканию хи
мических реаIC 11 lr. РеaICЦИИ восстановлении азота из ero оксидов
протекают при взаимодействии NO% с нахОДЯЩИМИСJI в or водоро"
дОМ Н 2 , С МОНООlCсидом yrлерода СО и с yrлеводородами си. При
ЭТОМ образуются азот и a alC:
NO + СО---+ 1/ 2 N 2 + С0 2 ,
..
2NO + 5СО+ 3Н20 2NНз + 5С0 2 ,
NO + п 2 ..... 1 / 2 N 2 + Н 2 О,
2NO + 5И2 2NИз + 2Н 2 О,
NO + (си)..... N 2 + Н 2 О + СО 2 + СО + NН з -
в результате протекания вышеприведенных реаIЩИЙ ПроИСХОДИТ
не только уменьшение содержания в or тоIcсичных ОКСИДОВ азота,
но и одновременное понижение в отработавших rазах долей СО
и СН (за счет их окисления в СО 2 и П 2 О).
Если двиrатель работает на стехиометричеCIОЙ смеси, в ре..
зультате протекания ре8lЩИЙ восстановления в ОСНОВНОМ обра....
зуется азот N 2 , а при работе на боrатых смесях имеют место
реакции, приводящие I( образованию амми8ICа NН э . Наличие в 8.IC"
ТИВПОМ слое родия способствует относительному увеличению ДОЛИ
образующеrося азота в результате соответствующеrо понижения
ДОЛИ NН з - ...
Наибольшие значения кОЭФФициента преобразования к;==(qx
qwx)/qыx по трем нормируемым компонентам (С ; J(онцептра
372
ция компонента в Or) имеют место при несколысo обоrащенной
смеси, lCоrда а==О,98....0,99 и ДЛЯ ОlCИсления Н 2 , со И СН в смеси
оказываетс-я доcrаточно кислорода, образующеrося при BOCCTaнOB
ленив N из ero ОКСИДОВ. Резкое изменение свимаемоrо с l"зонда
cиrвала при а == 1 позволя.ет поддерживать на болъшинcrве эксплу
атационных режимов коэффициент избытка воздух необходИМЫЙ
для эффективной работы нейтрализатора. При этом ОТlШонения
а ОТ crехиометрическоrо cocraBa укладываются в величину Аа ==
== 1:0,03.
Для нормальной работы сиcrемъr нейтрализации важен быстрый
проrpeв l зонда после nycu двиrателя. Для ero УClCоренноro про-
['рева до рабочих температур (выше 300 ОС) в современных хона..
рукциях используется электропроrрев зонда.
Иноrда системы питания (и нейтрализации) работают с исполь
зованием двух l зондов. один из них располarается до, а второй
после неЙТрализатора. Блarодаря этому удается сузить диапазон
изменения :коэффициента избытка воздуха, что способствует росту
коэффициента преобразовавия, а также увеличить надежность си..
стемы и упростить орrанизацию ее диаrностирования.
При компоновке системы вьшуаа стремятся установить нейтра..
лизаторы по возможности ближе 1( двиrатешо, что позволяет обес...
печить необходиМЫЙ ДЛJI эффехтивной работы б:ыстрый проrрев.
С этой же целью прибеraIOТ к: термоизоляции части системы вьшус"
""
ка от вьшусIcных клапанов до неитрализатора.
Чтобы за возможно более lCороТICИЙ отрезок времени ПОДНЯТЬ
температуру системы нейтрализации до рабочих температур, ис-
пользуют эле:ктроподоrpeв неiiтpализатора и/или cжиrание перед
иим: подаваемоrо через специальную форсунку топлива. При по..
...
доrpeве неитрализатора после пуска непосредственно за двиrате..
лем в ПОТОК or ВВОДИТСЯ необходиМЫЙ ДЛJI реализации окислитель..
ных реакций дополнительный воздух. Применение любоrо типа
подоrpeва приводит Х существенному уменьшению содержания СН
и со.
Эпектроподоrpeв вейтрализаторов на р I ах пуска и nporpeBa
осуществляетСЯ использованием специальных элементов. Эти эле..
менты MOryт проИЗВОДИТЬСЯ из металлической фольrи (обычно)
или изrотовлятьс.и методом экструзии (подобно нейтрализаторам
из кер. I ) из отличающеrося ВЫСОКОЙ АОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТЬЮ
сплава железа, хрома и алюминия. В последнем случае метал
'"
лическии монолит с относительно ВИ3 .:.t количеством ячеек на
е .. 1: ицу поверхности и с высоlCИМ электрическим сопротивлением
ПОlCрьшается хаталитичесlCИ активным слоем и устанавливается
В КОРПУС перед основным нейтрализатором. Возможно использо--
ванне подоrреватеJIЫlОro элемента без :каталитичесжоrо покрытия,
НО в этом случае теряется знерrия, выдляемая при окислении
373
на к.аталитичеCICОМ DОICРЫТИИ, что замедляет nporpeB OCBOBBoro
пейтрализатора. Целесообразно использование предв, арительноrо
u
ДО ВlCЛЮче :I I двиrателя, nporpeBa неитрализатора при применении
металлической фольrи в качестве носителя.
При температурах около 1000 ос начинaercя спекание промежу..
точноrо сло-я со слоем каталитическ:и 8хтиввым' ЧТО вызьшает
сокращение активной поверхности и по: I .' евие эффективности ][а..
ТaJIИЗaтора. Дальнейший рост температуры or приводит :к сущест..
-...
венному ускорению термическоrо старения веитрализатора и IC со..
отвeтcrвующему понижению ero эффеlCтивности. В СВJIЗИ С ЭТИМ
.."
неитрализатор должен размещаТЬСJI перед rлymителем на вполне
определенном рассто..:. и от двиrателя; исключающем ero пе..
perpeB.
Поскольку на .. .... ах пуска и проrpeва расход or через нейтра
лизатор вевелиlC, в некоторых системах используют специальные
стартовые нейтрализаторы. Имея в сравнении с основным меньшие
rабариты и массу, стартовый нейтрализатор устанавливаеТСJI перед
ОСНОВНhПd ИЛИ же параллельво ему.
Считаются перспективными разрабoтm адсорберов си и со..
зданны:х на их основе rибр ..... х нейтрализаторов. После пуска
двпателя в таких уcrройствах имеет место адсорбция yrлеводо
родов, которые затем, по достижении нейтрализатором рабочих
температур, окисляются на ето в:аталитическ:и апивных поверх..
HOCТJIX.
Как ре' I 1. проrрева, так и ре' I 1. разrова характеризуются
работой двиrателя на обоl'ащепных смесях, ЧТО сопровождается
повышенными выбросами СИ и со с отработавшими I'азами. В то
же время наилучшие экономические пожазатели двиrателя достиrа..
ются при el'o работе на смесях обедненных. Тах называемые адСОр--
БЦИОВВО-lCаталитические нейтpaJIизаторы способны обеспечить по..
:Ia' ение содержа:в: В or реrламевтируемых нормами 1C0мпонен"
ТОВ 1Ca.IC при сх < 1, T8.IC И при а> 1. Подобиьrе вейтрализаторы MOCyr
использоваться не ТОЛЬКО на двиrателях с искровым з ' I анием:
и с непосредcrвенвым ВПРЫСI ; · :1 ем, НО таюке и в системах ВЬШУС"
...
ка дизелеи.
В нейтpaJIизаторах типа DeNO x или <<ДЕНОКС» (их называют
таюке селективными неЙТрализаторами) носитель ПОlCрыт ката..
лизатором из плат 1: 1. И активНЪПd слоем, обеспе 8. 1: ающим в слу..
чае работы двиraтепя на бедных смесях адсорбцию двуоlCИСИ азота
N , образующейся в присутствии платины из МОНООlCсида NO.
В случае работы двиrателя на обоraще: :1... смесях адсорбиро..
ванная в 8.lCтивном слое нейтрализатора ДВУОlCИсь N0 2 восста..
вавливается в результате взаимодействия с СО, си и Ну2. ПOClCОЛЪ-
ICY двиrатель в основном должен работать на обедненных смесях,
жраТICовременное обоrащение смеси на режимах разrона не всесда
374
может обеспечить количества СИ, со и Н 2 , необходимые для реали..
зации последующих восстановительных реакЦИЙ. Восстановлению
баланса может способствовать подача на такте расширения в ци..
I I: а р неболъmоl'О количества ТОIIJ1ИВ8. или же сжиraние топлива
...
непосредственно перед неитрализатором в целях СВJlзывания из..
быточноl'О IШслорода. В то ж-е время при работе на смес.их с не..
значительным обеднением в or может не хватать кислорода ДJI.Я
окисления образующееося в и I арах монооксида NO, что при..
ВОДИТ к необходимости подачи в систему ДОПОJШИтелъноrо воз..
духа. Эти обстоятельства несколько снижают эффе:ктивнOCIЪ нс"
пользования нейтра.лизаторов подобноrо типа и УСЛОЖНЯЮТ свете..
му управлеНИJI двиrателем. Препятствием JЩЯ более mиpокоrо
использования адсорбционно..:каталитичесmx нейтрализаТОРОD
JlВляетс.я относительно высокое содержание серы в европеиских
и амерпанCПIX бензинах. Содержание в бензинах даже незначи
телъноrо (более 30 ррт) количества серы существенно сокращает
срок их службы.
Необходимоcrь подцержания сх == 1 для эффеlCТИВllОЙ работы би..
фymщиовальвых неЙТрализаторов Тахжс приводит J( выводу о He
возможности их применения на дизельных автомобилях. Поэтому
токсичность or дизелей пони:жается в основном за счет уменьшения
выбросов со, yrлеводородов и альдеrидов пр еневием оICИСЛИ
u
тельных неитрализаторов.
Процессы до:жиrавия сажи ускоряются катализаторами на ос..
нове ОICСИДОВ ванадия. ОбразylOщиес.я на поверхносТи активвоrо
слоя свободные ра.дикалы взаимодейcrвуют с or и вызывают об.-
разование в их объеме новых аlCТИВВЫХ веществ. Последние интен..
сифицируют процессы окиcnения сажи. Процессы окисления сажи
Moryr ускориться ВЫСОlCочастот :1. I 14 элеICТpичесIOlМИ ПОЛЯМИ, ICOTO..
рые способствуют переносу радикалов с активной поверхности
в объем or, а та.хже пyreм введения в or водорода или ионизиро..
ванвоrо rаза.
Оксиды азота в условиях дизелей целесообразно вос:станавли..
вать в присутствии меди, нarpeтoй выше 800 ос.. В результате вза..
имодейcrвия меди и оксидов азота образуются окалина (ОICCид
меди) и азОТ. Окалина затем удаляется с активвой поверхности
потоком or.
посколысу дизели работают лишь при J> 1, в их or всеrда
содержится коJШЧество IOIслорода, необходимое ДЛЯ проведения
ОlCИслительвых процесСОВ. однако ОТВОСИТeJТ'..,НО высокое содержа..
вие серы в дизельвых топливах вызветT определенные затрудне..
нии в испо.лъзовавии чвcrо о:кислителъвых вейтрализаторов. Как
ПОlCазывает опыт, увеличение температуры or дО 450 0 С в случае
..,
устаиОВICИ ОICислительноrо неитрализатора вызвет увеличение вы...
броса с or частиц и сульфатов, чrо приводит IC СОICращевшо срока
службы вейтрализатора.
37S
Если дизельный автомобилъ эксплуатируется в условиях orpa..
ниченноrо воздухообмена (например, в закрытых производствен"
ных помещениях ИJШ в подземных выработках), то для допол"
нительной очистки or MorYT использоваться жидкостные нейтра..
лuзаmоры. В этом случае каталитическИЙ окислительНЫЙ нейтра..
....
лиза тор ставится до неитрализатора ЖИДJCостноrо, поrлощающеrо
перед выбросом в атмосферу из or низшие спирты, альдеrиды
и серную кислоту. В . JI,ocтных нейтрализаторах целесообразно
использовать водные растворы КОН и NaOH .либо солевые pac
творы. Достаточно эффективным ОК8Зьmается и исполъзова..
иве обычной воды. Прошедшие через жидкостпые нейтрализато..
ры or проще очищать от содержащейся в них сажи с помощью
фильтров.
Определенное применение на дизелях нашли нейтралuзаторы
DeNO x (селективные неЙТрализаторы). Для этоrо в систему выпуска
(до веЙУрализатора) подаются аммиак, мочевина или yrлеводород"
ное ТОПЛИВО, необходимые для связывания содержащеrося в or
ICИслорода. В качестве катализаторов в подобных нейтрализаторах
используются медь и цеолит. В нейтрализаторе протекают следу"
ющие реакции с образованием безвредных паров воды и азота:
4NO+4NН э + 02......4N2 +6Н 2 О,
6N0 2 + 8NН з ...... 7N 2 + 12Н 2 О.
..
Недостатком подобных нейтрализаторов «ДЕНОКС» является
необходимость перевозки емкостей с аммиаком ШIИ мочевиной,
""
а также использование специальных устроиств для их дозировки.
В условиях леrковых. автомобшrей использование таких систем
неЙТрализации представляется малоцелесообразным. для сниже..
пия выбросов СО, СП и альдеrидов системы Bъmycкa с DeNO-х
ДОЛЖНЫ ВlCJIЮчать в себ.я дополнительно и окислительнЫЙ нейтра--
лизатор.
Для удаления частиц из or дизелей используются различноrо
типа фильтры и адсорберы. Фильтрующие элементы MOryт быть
сотовыми, патроввыи (свечными) ШIИ состоять из arломерировав--
ной металлокерамики. В moбом случае фШIЪтруюЩИЙ элемент 'до-
лжен обеспечивать высокую степень ОЧИСТКИ, достаточную а.псуму--
лирующую способноcrь, высокую механическую и термическую
....
стоИICОcrь, характеризоваТЬСJl незвачитепьвыми rидравличесlCИМИ
сопротивлениями и продолжительным сроком службы, а также
должен выдерживать заданное количество ЦИlCЛОВ реrеверировавия.
В случае ИСПОЛЬ30вания. пористой lCерaмmcи or дизеЛJI проХОДЯТ по
каналам, lWIOrOl(paTHO изменяя направление CBoero движения, бла
..,
rодаря чему твердые частицы осаждаютс.я на пориcrои поверх..
ности. Фильтры из керамической нити или ИЗ пористой lCера:мDКИ
.
376
забиваются отложениями за 10...12 ч работы автомобиля, что при
ВОДИТ IC росту противодавления в системе ВЬШУСICа. В связи с этим
фильтры нуждаются 8 замене или реrенерации через каждые
450.. .550 ICМ пробеrа. Для выжиrания осажденных на поверхностях
фильтра частиц в активных системах используется их электропо--
"'" "'"
доrpев или подоrрев специальнои rореmcои, а в пассивных использу..
ются каталитические ПОКрЫТИЯ. Применение фильтров позволяет
повизить содержание чаСТИЦ в or на 90%. В настоящее время не
существует достаточно надежной и эффективной автоматической
системы реrенерации фИЛЬТрОВ.
На рис. 13.12 приведен пример современной компактной сиете..
мы вьшуска с окислительным нейтрализатором 1, Шlтеrрирован..
ныM в rлушителъ с фильтром для улавливания сажи 2 и селектив
ныM нейтрализатором 5. Если двиrателъ длительное время рабо
тает на частичных наrpузках, через форсунку 6 подается топливо,
бпarодаря чему достиrаются температуры, необходимые для вы..
жиrания отложений сажи. Как следует из схемы, or вначале npохо--
ДЯТ через окислительный нейтрализатор 1, затем через фильтр 2,
в котором освобождаются от частиц, после чеrо в смесительной
камере 3 через ФОРСУШУ 4- в НИХ ВВОДИТСJI мочевина. В селеlCТИВНОМ
нейтрализаторе 5 протекают восстановительные ре8JЩИИ с образо..
ванием азота.
Кроме каталитичесlCИХ, в практике двиrателестроени.я оrpани..
ченное распространение получили термические реакторы или тер:.
мuческие нeй1nрализamоры. Речь идет о дожиrании си и со в СО 2
И н 2 о. Этот метод эффеICТИВeн лишь при температуре or выше
700 ос и предполarает увеличение времени нахождения каждой
порции or в зоне высоких температур. При этом в случае работы
-.t I .
I . :1
, . ,li1.11: .
.,. .,,11.. 1'-.
. .;:' , ,,,,,,,1 ,",,'.. _
It .OIf. . ... .'"
.... . .... ::::: ;1' '1. · '", "'\
. ... '.:' !1':t..i .. .....:J..::.. '" · .
.......; ,_ J.!'"." "\.\ . .
. ;; :: 1 11:: . .... 7 "'" :" 1' .. ' -: . .7' ,.
. l' ,1" .. -,. . ........
.r ..... ,_
\ . t . .."' " . . _ . .
,' "-...';-:' \..;if' ::".
6 ...t')l. · /'
-""'-/ " ... ' J
\ < r:.
у 14f'
4'
Рис. 13.12. Пример выполнеНИJl сиcrемы ВЫПУCJ(& с интerpиро:. :1:1. ми В rлушителе
оюlслителъвым катализатором, фильтром ДЛJl улавливания частиц и с селективным
....
неитралвзатором
377
двШ'ателя на обоrащенной до «==0,8...0,9 смеси содержание yrле..
водородов в or удается п-онизить приблизителъно на 50%. Вто"
р .':1. Й воздух подается в объем термическоrо реактора специа.лъ
...
ным насосом ШIИ за счет использования воJшовых явлении в си..
аеме BЫIIycк:a. Необходимость орrан.изации работы двиrателя
на обоrащенной смеси, существенное увеличение противодавления
на выпуске (до двух раз), а T8.DIre затраты энерrии на npивод
насоса прИВОДJIТ к значительному (до 15%) увеличеншо расхода
ТОШIИва.
В двиrателях, работающих на обедненных смесях, примевяются
так называемые zорячие трубы или бедные реакторы. В них для
окисления используется содержащийСJl в or свобоДНЫЙ ICИслород.
Но ввиду относительно невысоJШX температур процессы ОlCислеНIUI
протекают медленно, что требует существенноro увеличения объ..
еМО8 реакторов в целях продления времени пребывания or в зоне
выclcиx температур, а также весьма эффективной их теплоизо-
ляции.
Общим недостатком термических реакторов JIВЛЯется невозмож"
...
ность неитрализации токсичных компонентов при пуске и nporpeBe
двиrателя, lCоrда температура or меньше 600 ос. Воздействие при
высоких температурах содержащихся в or lCоррозионно аrpeccив-
вых компонентов на поверхности pe8.ICTOpa приводит J( оrраничению
срока службы подобных нейтрализаторов.
Использование каталитических веЙУрализаторов накладывает
определенные оrраничевия на условия ЗlCсплуатации двиrателJI. Как
ухазывалось ВЪШIе, увеличение температуры or сверх 1000 ос МО"
жет вызвать спеlCавие Dоверхностно..активноrо СЛОЯ и тем самым
привести (( выходу нейтрализатора из строя. Одной из причин
чрезмерноrо повьnпения температуры or может craTL слишком
позднее зажвra.ние. Также поднять температуру or до 1400 ос
способны неполадки в работе системы зажиrанИJl.
rЛАВА 14
СИСТЕМА ПУСКА двиr АТЕЛЕЙ
для ПУCI(а любоrо две необходимо предварительно раCICрУТИТЪ
вал до определенной частоты вращения, чтобы запОЛНИТЬ рабочие
объемы II 1 I:ДроВ свежим зарJIДОМ и подrотовить И реализовать
воспламенение ТОШIИва.
Основные требования lC пусковым системам:
. малые затраты времени и энерrии на осуществление пуска;
. малые rабариты ПУСКОВЫХ устройств;
. надежность работы в различных ICJIИМRтических условиях.
Пусковое устройcrво, преодолевая общее сопротивление враще.-
нию вала двиrателя, должно сообщить валу достаточную для на..
дежноrо эanyCICа частоту вращения. ·
М 1:1 мальная частота вращения, при которой получаются пер--
.... .,
вые ВСПЪШIICИ, назыветсJI пУСК080U частотои вращенuя.
для двиrателей с искровым зажиrанием эта частота 35...50
мин 1, для дизелей 150.. .200 мин 1
14.1. СПОСОБЫ ПУСКА двиrАТЕЛЕЙ
На совреме: :.... автомобилях и тракторах применяют следу..
ющие способы пуска:
. ручной;
. электрическим стартеро.м;
. сжатым водУХОМ;
. вспОJИоzamеЛЬНЫAt пусковым двиzamелем;
. с no.мощью zидромоmоров.
Ручной пуск являетСJl, как правило, резI;'рвным, и ВОЗМОЖНОСть
....
ero примеве :1 оrpаничиваетсJJ. двиrателями малои мощности.
Пуск электрическим стартером паибоЛefJ распространен. Схема
TalCoro пусковоrо устройcrва представлена на рис. 14.1. Электроста..
ртер 3 представляет собой сериесный электродвиrатель ПОСТОJШпоrо
тожа, питаеМЫЙ от апсумуляторной батареи 1. При ВlUllOчении
DlОПICИ 2 порь элеICТpомотора начинает вращаться, а шестерня
стартера 4, входя в зацепление с зубчатым венцом j маховика,
передает вращение lCоленчатому валу.
379
2
з
J
4
5
...
Рис. 14.1. Схема пуска две элеI"IpOCТaртером:
1 ......... апумулхтОр . 6aтape 2 пуаовu IИопu.; 3 ........... ЗJlсктростартер; 4 шccrcpВJI стартера;
j уб'ч8.1"ый венец махОВИl:а
Пуск сжаты.м. воздухом может осуществляться либо с исполъ
зованием пневматическоrо стартера, либо за счет подачи СЖ8тоrо
воздуха непосредственно в цилиндры двиrателя. На прахтИICе более
ПIИроlCое применевие получил второй вариант. Пр 1:11 ипиальная
схема ао пред ставлена на рис. 14.2. Из баллонов 7 через вентили
6 сжатый воздух, ПрОХОДЯ через кран--редухтор 5, Dоздухораспреде--
лителъ 2 и пусковой ЮIапан 1, поступает в цилиндры двиrателя
в соответcrвии С порядком их работы. В такте расширения сжатый
воздух давит на поршень, перемещает ero и проворачивает колен...
чатый вал. После пуска жрав 5 з8lcрывется.. Для lCонтроля давления
"
воздуха в баллонах и воздуха, поступающеrо в двиrателъ, имеются
манометры 3 и 4.
7
3 4
...
....
I
+++i
",
I
f
\
,
..
Рвс. 14а2. Схема пуска C]U.ТЫМ воздухом:
1 пусковой ЖЛ8. n И : II ; 2 ВО1ДУХОраспре.целитель; 3. 4 мaвoMc"Ipы; j :IpВ.В..pcдyrrop; 6
: ". ,. ; 1 ............ б8JIJIОиы. со скатым вmдyxoы
.
380
Недоcrапсом данной системы является затрудненный пуск дви--
rателя при низких температурах вследствие охлаждения элементов
камеры подаваемым в цилиндры ВОЗДУХОМ.
Автономные пусковые двиzатели внутреннеzо сzйрания оБычоo
примевяются для пуска тракторных дизелей. Недостатком данноrо
способа пуска являетСJI rромоздкость nYCKOBoro устройства и нео6..
ходимость расширения номенICЛaтуры потребных эксплуатацион
ных материалов ТОШlива для пусковоrо двиrателя.
Система zuдрозапуска СОСТОИТ из rидропневматичеСICоrо апу--
мулятора давления и rидромотора. В качестве аккумуляторов
давления применяют резервуары, заполняемые рабочей ЖИДКО"
стъю и воздухом, которые разделены подвижной мембраной, ире..
nятствующей их смеmению. При закачивании рабочей ЖИДКОСТИ
rазовая подушка сжимается, поднимая давление в аккумуляторе
ДО 30 МПа.
14.2. ЭНЕРrEТИКА ПУСКА
НеобходИМЫЙ момент на валу при пуске определяют СОВОКУП--
" ....
ностью противодеиствии вращению, складывaIOЩИХСЯ из:
. сопротивления СШI трении;
. затрат энерrии на ПРИВОД вспомоrательных arperaTOB;
. потерь на rазообмен (впуск И вьшуск);
... ...
. противодеиствия сил инерции подвижных частеи при разrоне
двиrателя до пусковых оборотов.
Из перечисленных параметров основными ЯВЛЯЮТСЯ сопротивле..
вне сил трения и энерrозатраты на ПРИВОД вспомоrательных ar..
peraTOB.
Значения этих параметров зависят ОТ типа и рабочеrо объема
двиrателя, ОТ вязкости масла и от ряда друrих факторов. В насто..
ящее время нет аналитических зависимостей, которые позволяли бы
"""
с достаточнаи точностью для каждоrо конкретноrо двиrатепя и для
w ""
определеннои температуры окружающеи среДЫ определять значе--
вне ПУСlCовоrо момента.
Поэтому на праКТИlCе ПРИХОДИТСЯ пользоваться ЭМПИрlAесlCИМИ
завИСИМОCfЯМИ, предложенными различными исследователями.
Так, для двиrатепей с искровым З8жиrаJ;1fем можно режомендо--
вать зависимocrь (н. м), предложенную А. Н. Хвапсовым и УТОЧ"
венную по испытаниям большоrо количества двшателей Р. и. Дaв
ТJlНОМ:
м. ...... 23 · 1 О З А О.3БS O.2S
с ......... АВ V п-пусж,
381
rде А. коэффициент, характеризующий поверхности трения дои..
rателя:; v кинематическая вязкость масла, Ст; nпyt:l[ nYClCовая
частота враще : I ., мин 1 .
Для четырехтактных дизелей может быть рекомендована следу..
ющая зависимость (Н. м):
Мс == 80p'l}JiV т
rдe Ртр==О,19$ (величина Ртр измеряется в МПа).
По известным моменту сопротивления и пусКовой частоте вра..
щення определяют необходимую мощность стартера ИЛИ дpyroro
nyCIC:OBOro уcrpойcrва (кВт):
Мr!lпуа.
Н сх == 9SSO ·
для ориентировочных расчетов MOryT быть использованы стати..
crичесхие данные Мс (Н. м) и N r:r (хВт);
. для двиraтелей с искровым зажиrанием Mc (lO...20)iV,. и Nf:f==
== (О, lS...О,ЗО)iV II ;
. для дизелей M c ==(40...70)iV,. и N cr ==(O,7...0,9)iV", для дизелей
при i 8 и мощностью более 220 хНт Ncт O,4iVII.
14.3. СРЕДСТВА, ОБЛЕrчAIOЩИЕ ПУСК
двиr АТЕЛЯ
Функционально эти средства можно разделить на две основные
rpупnы: устройства, способcrвующие надежному воспламенению
рабочей смеси и уменьшающие сопротивление прОlCрyчиsанию КО--
левчатоrо вала.
К первой rрynпе относятся:
. подоzрев поступающеzо воздуха;
. пpozpeB камеры сzоранuя свечами накаливания;
. повышение степени сжатия при запуске;
. "'рименение леzкоиспаряющихся и леzковосплам.еняЮЩUXСR пу...
сковых топлив.
К устройствам второй rруппы ОТНОСИТСЯ:
. декомпрессоры;
. подоzревamели воды и масла.
В М. 11 I: ах, предназначенных ДЛЯ эксплуатации при НИЗICВX от...
рицательных температурах, как правило, используются комбllllИpO--
"
ванные устроиства.
Подоzрев воздуха, постур:ающеrо в _двиrателъ, особенно mирОlCо
применяетСJI дм дизелей. На рис. 14.3 приведева схема электрофа--
382
6
3
\
7
1..L....
Воздух :::
I . . I
т ОПЛl1ВО
h
k 2
1
I
\ I
I
, . ,
"
Рис. 14.3. Схема подоrpева воздуха:
1 апумуnпopвu ба таре..; 2 пуаоВ8JI ПlОIID; 3 б
JE:атyпIIВ. .. J I : I .. " свеча; J фо , : ,. ; 6 ............ насос; 7
7 ТОD.JUпlиwii ба
8
9
11
. t
I · i
Рис. 14.4. Ф8.Iельва. свеча:
1 .............. :: , ; :тел ь зпем евт ; 2 жорпус; j штуцер
подвода .. . I · 4 топnив Qый фильтр; j -ижлер ; 6 ..............
труб.:а; 7 се 1"&8. ; 8 :ковтрraйd.; .9 резьбовu: часть
корП}'С8. ДШI уcrавоВПI во ВПУCКВ}'lO трубу; 10 об1.еМВU
сепа; 11 экран
10
кельноzо подоzреватеЛR. При пусх:е двиrателя ВО впускную трубу
через форсунку 5 насосом 6 впрыскивается ТОПЛИВО, lCоторое БОСП"
ламеняетс.и ОТ свечи 4.
Образуюшаяся при ЭТОМ теплота HarpeBaeт движУЩИЙс.и
ВОЗДУХ, стешси трубопровода и crешси цилиндра, в результате
чеro повышается температура конца такта сжатия и 06еспечива..
етСJl более надежное воспламенение топmша, подаваемоrо в ци..
линдр.
На дизелях в качестве TaICoro устройства обычно используется
тер.мостарт, вюnoчаюЩИЙ в себя факельную свечу, электромamит"
ный топливный клапан, добавоЧНЫЙ резистор с термореле и пере..
ключатель.
Факельная свеча (рис. 14.4) имеет нarревательный элемент, пред..
ставляюЩИЙ собой металлический lC.ожу внутри lCотороro в специ..
алЬБОМ наполнителе запрессована спираль. ТОШIИВО ПРОХОДИТ по
кольцевой полости между нarрсвательным элементом и трубкой,
испаряется и после смешивания с ДВИЖУЩИМСJI ВО ВПУСКНОЙ трубе
383
Бензин
..
Рис. 14.5. Схема устройства ДJlSI пуска дк..
зел.и на бензине:
1 заслов:а:а; 2 :карбюратор; 3 x.nапав; 4
свеча 3 8 "1к" И 1 т 8.ВИI; 5 .............. ДОПО '; . : ВJI :камера
воздухом воспламеняеТСJl. ОбразующИЙ факел пламени обеспечив а...
ет насрев воздуха, поступающеrо в цилиндры.
Пуск дизеля на бензине (рис. 14.5) применяетс-я для двиrателей
с не60лъmим рабочим объеМОМ. Для этой цели в rоловке цилинд
ра устраивают дополнительную камеру 5 со свечой зажиrания 4,
:которая отделена от основной :камеры :клапаном 3. При пуске
клапан открывается, степень сжатия понижаетс.я, что ПРИВОДИТ
IC уменьmеншо сопротивления при прокручивании вала. Для по--
дачи смеси в цилиндры двиrателя при пуске используется кар--
бюратор 2.
После пуска и nporpeBa двиrатеJUI на бензине ICЛaIIав 3 закрыва..
еТСJI, ВlCШOчаеТСJI подача дизельноrо тоwшва через штатную систе..
...
му питания, а воздух направляется в :камеру сrорания через откры..
тую заслонку 1 и двиraтель начинает работать как обычный дизель.
Для запуска двиrателей в арктических условиях mироко исполь..
зуют леrковоспламеняющиеся жидкости, впрыскиваеldЫе ВО впуск..
ной трубопровод. Отечественная пусховая :ЖИДКОСТЬ для дизелей
«Холод Д40» имеет следующий состав (%): этиловый эфир
58...62, изопропилвитрат 13...17, петролейвый-эфир 13...17, мас-
ло для сазотурбинных двиrателей до 10.
Аналоrичная ЖИДКОСТЬ для двиrателей с искровым зaжиrанием
«АРICТИIC8» включает (%): серный эфир 4 5...60, rазовый бензин
35...55, изопропилнитрат 1...6, противоизпосную присадку до
2, аНТИОlCИслительную присадку ДО 0,5.
Для: запуска дизелей mиро:ко применяют декомпрессионные
устройства, конструкция одноrо из которых приведена рис. 14.6.
При установке рычаrа 3 в положение (dIусю) валшс 1, на поверх..
ности ICOToporo имеются ЛЫСICИ, поворачиваетс.я и ero цилиндричес..
кая часть через mтaнrи 2 передает усилие на коромысло, которое
открывает цапав. ПРИ oTKpытIx lCЛапанах существенно снижаются
эперrозатраты на прокручивавие двиrатепя. По достижении пуско"
Bых оборотов декомпрессор отключается и двиrатель начинает
работать как обычный дизель. ·
384
2
......
... ... ... .... '"
, .: .: ......
, .... · i · "-
" .. 4 - · .....
, .:... I 4' ,.
, < ',,: : \"
I . .. r 4 j .
'.,. . ' .,
I .... . t · 11 . ...
I . . :".!' .., ; ..
.. - .
, ;... 4.- '.
I .I,..', 1I
I .
I . .
\
\
\
\
\
\.
,
"
,
"-
'.....
......
,
J
Рис. 14..6. Схема ме - 4 : I ма rазораспределени.и с декомпрессором:
1 В 8J1..ИI деко 1...... ра; 2 I :: I ; j рычar упра.вл е виv де:к:омпрессором
для рациовальвоrо решения проб:Dемы холодноro запуска ис-
пользуют комбинированные уcrройства, обеспечивающие предпу
.... .., ....
сковов подоrрев охлаждающеи ЖИДКОСТИ и масла в смазочнои
системе, представляюiцие собой автономный noдоzреватель, вICЛЮ
....
чаемыи в систему жидкостноrо охлаждения двиrателя.
ОСНОВНЫМ элементом УlCазанвоrо устройства является котел..
Dодоrpeватель с блоком насосов. Как правило, он работает па том
же топливе, что и двиrатель.
rЛАВА 15
ПР I ПОДБОРА двиrАТЕЛЯ
ВНУТРЕIПIErо crop для
ТРАНшортноrо CPEДCfВA
Неопределенность дорожных условИЙ, в которых будет рабо..
тать двиrателъ транспортносо средства, а отсюда практичеСХaJI
невозможностъ стрососо. выбора реryлировочных решений для
сиcrем двшателя, делают задачу подбора две неопределенной,
... -...
сводя ее к искусству решении по аналоrии со складывающеися
"
практlПОИ.
Большое разнообразие транспортных средств, широlШЙ диапа
зон условий ЭJ[сплуат. , ;,; И специфических требований IC ICOНJ[peT
ному транспортному средству заcrавцли систематизировать эти
факторы и в разумных сочет. .,; '. искать (ПР ':lа атъ) их зна
чения.
Если оrpавиЧИТЬCJI автомоБШIЪНОЙ теxmпcой, то, подбирая дви
rатель, необходимо решить следующие вопросы:
. тип двиrателя;
. ero максимальная мощность;
. частота вращения ICоленчатоrо вала;
. тип системы охлаждения;
. ЭlCсплуатациовно"технические ПОlCазатели: экономичность, то..
ICсичноCfЬ, ввброакустичеСlCИе характервcrики, пусховые качеcrва
обеспечение условий зимней ЭICСПЛуат, I ' И надежвоCIЪ.
РеlCОмендуя двиrатель на транспортное средство, ICOHcrpynOp
в значительной мере задает есо свойства (топливную ЭlCономич
НОСТЬ, динамические качества, надежность и др.), а таюке предоп..
ределJIет известную ЭlCсплуатационную инфраструктуру И, rлавное,
определяет исходные данные ДЛЯ проеlCТИрОВаиии и орrавизации
перевозочноrо процесса, Т. е. Toro caмoro процесса, во имя ICOToporo
создаются двиrатель, транспортное среДСТВО и вся инфраcrруктура.
В самом общем виде можно использовать сложивmиеся в мира..
БОМ двиrателестроении соотношении между мощноcrью двиrателя
и массой автомобиля. .
386
за последние 20 JICT прошлоrо столетия МОЩНОСТЬ двиrателей,
прихоДяща.яся на е/1Jl11И1tY (1 т) ПОJШОЙ массы леrковых и rрузовых
автомобилей, увеличилась в 2 раза.
Так, для лесковых дизелъных автомобилей среднеrо класса
она составляет 23&&.51 КВТ/Т, rрузопассажирсхих 17...31, rpузо
Bых ОДИНОЧНЫХ (массой 3,5.-.10 т) 9...20, rpузовых ОДИНОЧНЫХ
(массой свыше 10 т) 9.&.20, автопоезДОВ 5...12 КВТ/Т.
ДЛЯ леrковых автомобилей с бензиновыми двиrателями мощ"
ПOCfЬ на единицу снаряженной массы 50...160 КВТ/Т, ПОЛНОЙ
массы 37...125 КВТ/Т.
В условиях конкурентных рыночных взаимоотношений качество
двиrателя, каlC и любоrо изделия, :количественно про является в сти--
хиЙНо CICЛ. .t. 1: ающейся на рьшке цене. При этом .цли производитеЛJI
качество двиrателя, заложенное при есо проектировавии и обео-.
....
печенное в процессе изrотовления, .является важнеишим условием
успешной реализации двиrателя в IC:овхуревтной борьбе за сбыт на
рынке.
Обеспечение перевозочвоrо процесса (или дрyrой фymcции, Ba
...
пример, у ДОрОЖНОоа.Строителъвых машин, сеЛЪСlCохозяиственнои
техники) в rороде, реrионе, в crpaнe в целом возможно вполне
определенным пархом машив, каждая из которых будет укомплек
тована обоснованно выбранным двс.
у crановлеввый двиrатель на транспортном средcrве и сфор.-
мированный парк машин будут определять воздействие на окружа
ющую среду. Дрymми словами, выбор типа двиrателя для вазем
вой мобильной машины это не только задача техническая ИЛИ
ЭlCономическая, ВО и ЭlCолоrическая.
Представление о арухтуре парка машин в нашей стране дает
рис. 15.1..
20
=
22,7
1. Мотоколяски 6. ВАЗ 11. УАЗ, ЕрАЗ
2. Мопеды 7. ВАЗ 2121 12 rАЗ 52
з. Мотороллеры 8. АЗЛК, иж 13. rАЗ 53
4. МОТОЦИICJlЫ 9. rАЗ 14. зил
s. 3A3 ЛуА3 10. УАЗ 15. КамАЗ
16. МАЗ, КраЗ
17.. Автобусы
РАФ ,УАЗ
18. ПАЗ, КАВЗ
19. ЛАЗ
-20. ЛиАЗ
21. Икарус
31,]
30
8
t::1 1 О
4 3 4,8 4 7
, , 3,3
17
0.31.3 1 О О 8 0.31.3 070.50.
1 2 3 4 S 6 7 8 9 10 I1 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
1.. .11... · ..11'4 ..1
Мототранспорт Леrковые АТС fрузовые А те Автобусы
7,6
Рис. 15.1. Структура парка АТС в бывшем СССР (на начало 70..х садов)
387
Мировой тенденцией в двиrателестроении является увеличение
ДОЛИ дизелей, установленных на автомобиль. Ти, после 1996 с.
бензиновые двиrатели практически не ставят на rpузоиые автомоби
JШ или автобусы в странах Европы, Америки и Японии.
На рис. 15.2 пожа.зана дивамиха прОИЗDOдства rpузовых автомо--
билей в 198 5 1992 сс. рядом стран Западной Европы. По име
ющимся сведениям IC 1996 r. rермавия и Италия резко снизили
Bьmya СРУЗ0ВЫХ автомобилей с бензиновыми двиraтелями.
на рис. 15.3 ПОICазана динамиха в 198 0 1992 се. общеrо произ
DOдства r:pузовых автомобилей в Западной Европе. Из них произ
BOДcrвo дизельных автомобилей rрузоподъемностью свыше 6 т Bы
росло С 20,8% в 1980 с. до 31% в 1992 с.; производство дизельных
автомобилей rpузоподъемностью менее 6 т составило 21 % в 1980 с.
и 62,3% в 1992 {' ; прОИЗDOДСТDО rрузовых автомобилей с бензино..
БЫМ двиrателем снизШIОСЬ с 480/0 в 1980 с. ДО 16,8 % в 1992 r.
Выпуск новых леrковых автомобилей с дизелем вырос во
Франции в 1985 1992 IТ. с 15 до 38%, в rермании сначала
несколько вырос с 22 до 270/0, затем:к 1989 с. снизился до 10%,
а потом повысился до 15%. В Испании проИЗDОДСТВО с 23%
в 1985 r. упало ДО 15% в 1992 r. В Великобритании возросло с 5%
в 1985 r. до 12% в 1992 с. В Белы'ии возросло с 16% в 1985 r. ДО
31% в 1992 r.
Указ. :1: · е страны ПРОИЗВОДИJIИ нов.ые лепсовые автомобили
с дизелем в 1985 с. в среднем 16,2%, а в 1992 1". 20%.
Тыс. шт
600
о
1985
. ,
D F 1 Е GБ S
....
to..' "
""'" "
"
"'- ....
1\
,.. Т .. ....
""-
t:: '\ " ....
,
":--' ....1"1 "
.. ';-"
.I ,, I'i:
". lIi;
l..o' .....1'\.. 'i"'IiI,
"1'\. ""- :-.. f'\ :'\
.. ; \""-.: ..... 1"\" :'\
..... ,, """ " ,.. "-
[", r\ "'" " 'r'\ :'\
[", .....
.;1 , "
!" "- ' "
'\ ./ ."" '7 , ,
.. ",V to..'
. 1 .... ..... ....
.;1 .1
IJ r "'" 1"'"
. '.I ...
:lV '"", ,/ t.I .., ...1.I
./ " ,
,1
"... ....... .... ")
I. V r .;, [..... 1'; ....
.;1....1..1 " ..../
/ .... [....
-.. . , .
. " C
.- ,1
...
92 8S 92
11 дизель > 6т
85 92 8S
Jfi1I lIИ3eЛЬ < 6т
92 85 92 85 1992 roды
бензиновый < 6т
400
200
....
Рвс. 1 S 2. Провзводcrво rpузовых .. : 111 : В странах : I r: J 1: ой Европы:
D rерм апи8, F I t .: : tll . 1 ИТ8JIИJI. Е ИШ $l. ИИ .. GB :. . I' обрит8!lИJl,
S ШвсЦИ8 .
388
ТЫс. шт.
2500
2000
soo
1500
1000
о
1980 81 82 83 84 85 86 87 88
11 дизель > 6 т .пиэель < 6 т
89 90 91 1992 fоды
бензиновый < 6 т
Рис.. 15..3. Общее производство двиrателей в Западной Европе
На рис. 15.4 похазана ДИБамиха по содам производства дизелей
в мире. Всесо в 197 5 1992 п. выпуск дизелей вырос с 3,8 до 9,8 млн.
ют. При ЭТОМ дОЛЯ дизелей ДJUl леncовых автомобилей возросла
с 5,3% в 1915 с. до 36,7% в 1992 с.; для rpузовых автомобилей
с 42,1% в 1975 с. до 42,9% в 1992 с.; для тракторов уменъmилось
с 16,3 до 8,2%; для стандартных установож с 28,3 до 12,2%.
Приведенное распределение сохранится, по видимому, и в буду
щем, так жак на песковых автомобилях будут применяться двиса
тели с искровым з. · I авием, а на автобусах и rpузовых дизели.
Мощность двиzателя KOHICpeтнoro транспортвосо средства зави..
сит от миосих факторов:
. режим:ов ЭICCШIуат. I I ;
iU'
. хлиматичесПIX условии;
-.. ..
. заданнои максималъвои скорости движения;
. обеспечения необходимых приемистоcrи и приспособпяемocrи
и др.
Важньw периодом эксплуатации двиrатепей является неустано--
ВU8ШUЙСЯ режим работы двиzamеля. Он составляет 93...97% в уело-
вип интенсивноrо сородскосо движеllИЯ, 90...950/0 при движении по
rpYНTOBblM дороrам, 30...35% Bcero времени движения на зarород--
ных мarистралях. Используемая мощность двиrателя составляет
13...78% от номинальной. Работа на неуставовившихся режимах
приводит к росту расхода топлива на 5...7% и увеличивает износ
двиrателя в среднем в 1,2...2 раза.
389
Тыс. ШТ.
2500
2000
500
1500
1000
о
1980 81 82 83 84
11 дизель > 6 т
85 86 87 88
дизель < 6 т
89 90 91 1992 [оды
бензиновый < 6 т
Рис. 1 S.4. Производство автомобилей в мире
Диапазон изменения КJШМатичеси:их условИЙ также очень ши--
рок. Так, в районе Москвы (умереННЫЙ климаткчесIИЙ район)
средняя суточная температура в течение rода колеблется от + 30
.
до 30 ос, в районе Салехарда (холодном) от + 30 до 50 ос,
в Якутске (очень холодном) от +30 дО 600C. Естественно,
ЧТО при эксплуатации в данных диапазонах температур МОЩНОСТЬ
двиrателя будет мениться, вли.яя на тиrовые качества транспорт--
Horo средства.
Указанных примеров достаточно для подтверждения СЛОЖНОСТИ
задачи Bы opa мощности двиrателя. Тем не менее решению ее
посвящено большое количество трудов в курсах теории автомоби
ля. . Рассмотрим два несКОЛЬКО упрощенных подхода IC решению
данноrо вопроса.
1. Мощность двиrателя (хВт), обеспечивающую максимальную
СlCорость движения, можно определить из следующеrо выра:женWI:
N. == Ifam,'" (tpm. + к.n:1ПJI х + &nJJ
е l T '
rде Vam. максимальная скорость автомобиля, М/е; т. масса
автомобиля; tp коэффициент cyммapHoro сопротивления дороrи;
1(. коэффициент обтехаемости, н. с 2 /м 4 ; F лобовая площадь,
.
390
м 2 ; Ь коэффициент учета силы инерции приведенных вращаю
щихс.и масс; ДШI ero определения можно пользоваться следующим
выражением: ь == 1,04 + O,04ix 2 , r де iж. передаточное число lCоробки
передач; j. . . ускорение автомобиля, lCоторое можно принимать
равным 0,2...0,3 м/с1; '1т==0,85...0,9 кпд трансмиссии.
Приближенно можно принять:
Автомобили K.tH fм F: M tp
,.
ЛerJ[овые 0,2....0,3 1,5...2 (0,01...0,05). 10 fjlJ m.J[
rрУ30вые 0,5...0, 7 3,0...6,5 (0,015...0,02)+6 .lO 6t7 max
Автобусы O,3Sa..O,4S 3,0...7,S И.д.
2. Для ориентировочной оцеmcи необходимой максимальной
мощности двиraтеля для: различных видов автомобильной техники
можно воспользоваться статистичесlCИМИ дан :1. I I по удельным
мощвOCDIМ двиrателя (кВт/т):
N. N сиам
уд .......... .
та
в табл. 15.1 приведевы данные по Нуд и дрyrим показателям
pJJД8. отечественных автомобилей.
На основа :I I данных табл. 15.1 можно принимать удельные
мощности (кВТ/Т): 40...45 для: лесковых автомобилей; 9...10
для rрузовых; 10...12 для автобусов.
Зная полную массу, можно определить и необходимую Maк
симальную мощность двиrателя. Частота вращения lCоленчатоrо
вала обусловлена спеЦИфИЧeCICИМИ требов. :.:: .: IC каждому типу
двиrателя и должна учитываться при расчете передаточных чисел
lCоробки передач и rлавиой передачи.
Твп охлв-де: I дввrаТeJIII. В прarrИICе l\Шровоrо автомобиль--
Boro двиrателестроени.я применяетс.я как 3ICuдKocmHoe, так и воз...
душное охлаждение. Сравнительная оценка обоих видов дана
в rл. 11.
Решая ЭТОТ вопрос применительно к конкретному транспорт..
ному средству, необходимо руководствоваться условиями ЭlCсплу
атации, в :которых, вepO.RТHO, придется работать двиrателю; тради...
: .. .:, ycrановив 1..: 1: си В данной области теXНИlCИ; возможностью
обеспечения хороших пусковых качеств при НИЗICИX отрицательных
температурах и т. д.
391
Таблица 15.1
Маржа П" ЛJUI.S Мь:симв.ль.... Махсималь- Ковтро льJJIdЙ УдельВ8JI
аВТОNобип.. :м aa=a Ir на. ао-- вu: МQЩ" расхо д MOJЦВOCТЬ,
рость. rмfч НОСТЬ топлива., кВТ/Т
даиrатeшl, n/lOO ЕМ
:кВт
Леzковые QlJто.моби/Ш
4'
ЗАЗ...968а 1160 118 30,3 6,2/80 26,03
BA3 2103 1430 152 56,6 8,4/80 39,6
Мосхвич..2140 1445 154 58,8 8,S/80 40,2
1445 142 SS,2 7,4/80 38,2
r АЗ 24 1820 147 69,9 10,S/80 38,4
rАЗ..3102 1870 152 77,2 8 S/80 41,28
3ИЛ..41 04 3800 190 237 8 22,00/80 51,10
rрузовые авmомобили
r A3..S2...03 5465 70 5S 2 21 O/4O 1 О, 1 О
3ИJI..130 1 О S2S 90 110,3 29,0/50 10,47
КамАз...SЗ20 1 S 305 80 1 S4J'4 2б О/fJJ 10 lO
КрАЗ..2576 22500 68 176,5 38,50 7,8
Автобусы
ПА З201 7155 80 84,6 2S 4/30 11,80
ЛАЗ 4202 13400 7S 132,4 19,0/40 9,90
ЛиАЗ...б71М 14050 70 132,4 39,0/40 9,40
.
· в знаменателе ук:азава. скорость автомобили, при которой определиетсJl расход
топлива.
При использовании ЖИДlCоетиоrо охлаждения необходимо выпу",
екать автомобили в двух видах исполнения: «северном» и (<ЮЖНОМ».
Очевидно, что при эксплуатации в диапазоне температур + 30....
600C (Якутия) весоrабаритные параметры радиатора, производи
тельности вентилятора и ЖИДIC:оcrноrо насоса ДОЛЖНЫ Быть мень..
III 1:, чем при эксплуата Ila В диапазоне температур +45... + 10 ос
(faпncент ).
Так, например, у автомобиля КамАЗ поверхность охлаждения
радиатора будет примерно на 25% меньше, если про изводить рас.
чет на lо=:ЗООС (в настоящее время расчеты ведут на +45 0 С). На
машинах «южноrо» исполнения не требуется устроЙСТВа, облеr
чающеrо запуск двшателя при низких температурах. Эти обсто
ятельства позволят снизить затраты МОЩНОСТИ на систему охлажде...
пия и затраты дефицитных материалов, что в lCонечном итоrе
приведет IC значительному экономическому эффекту.
Эксплуатациовво-техвическве показателв (ТОIIJПIВII8.JI ЭКОВОМВЧ--
вость). Данный показателъ является чрезвычаЙНо в. ,t :1. I при реше..
нии вопроса о двиrателе для автомобиля. Если подходить J( реше
: I I . этоrо вопроса только с ТОЧКИ зрения ЭICовомlIЧЛОСТИ, то следо'"
392
вало бы во всех случаях применять дизели, так как они экономичнее
двиrателей с искровым зажиrанием в среднем на 25...300/0. Но, как
-..
указывалось выш,, применение дизелеи пока оrpаничено rpУЗОВЫМ
транспортом и автобусами в силу специфичеCICИХ требований I( ДВИ--
rателJНd леrlCОВЫХ автомобилей. Независимо от типа необходимо
использовать двиr8тели с такими параметрами, lCоторые обеспечи...
вали бы IC.OHKpeтHO Y транспортному средству минимальный рас--
ХОД топлива при максимальной производительвости Оценочным
показателем топливной ЭlCоном:ичноcrи ивляется удельный эффек--
тивный расход топлива g , r/(KBT. ч).
На уменьшение K направлены исследования в области COBe)r
mенствовавия рабочих процессов двиrателей, в которых к нaCTO
ящему времени достиrнyrы значитеЛЪШdе успехи. Но данный по--
....
казателъ в значительноя степени зависит от скоростносо и нarpy--
зочноrо режимов работы двиrателя. По этой причине он не может
быть объепивным ПОlCазателем ДJIЯ сравнения и оценки двиrа
телей раз I · :1.. мапшн. Более правильно отражает экономич",
пост.ь расход топлива, отнесенный J[ совершенной работе, т. е..
л/(lОО т. км).
В соответствии с этим по rOCT 20306 85 топливная экономи...
чность оценивается следующими показателями:
. контрольнЫЙ расход топлива (КРТ);
. расход то I I 1: а в маrистральвом ездовом цикле на дороrе
(РТМЦ);
. расход топлива в rородсlCОМ ездовом ЦИlCЛе на дороrе
(РТrЦД);
. расход топлива в rородском ЦИlCЛе на стенде (PТrц).
Значения КРТ отечественных автомобилей приведены в табп..
15.1.. Как видно из этой таблицы, КРТ определяют при определен
НОЙ скорости движения, разЛИЧНОЙ для разных видов автомобиль--
ВОЙ техниlCИ. КРТ позволяет косвенно оценить техническое состоя..
вве автомобиля и сравнить уровень топливной ЭКОНОМИЧНОСТИ ава...
лоrов.
К сожалению, при выборе двиraтеля нет полной информации по
всем показателям, в лучшем случае имеются толысo да :.:.. е по Ее на
...
номинальном р- ': ' е ИЛИ g in ПО ввеmнеи СICОроСТНQИ характери--
стике двиrателя и иноrда КРТ. Как показывает ОПЪП, расход топ
лива (л/lОО хм) зависит от рабочerо объема две V II и ОТ Н У А'
поэтому, обосновывая необходимую мощность ДЛЯ травспортноrо
средства, следует учитьшать указанные зависимости и не завы--
тать НУД.
Токсичность. При подборе двиrателя необходимо, чтобы он
в полной мере удовлетворял требованиям законодательных оrpани
чевий (предельных норм) на выброс токсичных веществ.. Эти нормы
и метОД определения по содержанию оксида уrлерода реrламен--
393
тировавы rocr'17 2 2.0З 77 для бензиновых двиrателей, а для
автомобильных дизелей rocт 21393 75 по дымнОС1'И отрабо..
тавmиx rазов и ocr 37.001.234 81 по выбросам СО, си и NO x
(r/(жВт · ч)].
Ввбрациовво-акуCТllЧеские качества. Оценивая двиrатель с точки
зрения данных по:казателей, необходимо иметь В виду, что они во
l\Шоrом определяются степенью уравновешенвоcrи двиrателя.
для ориентировочной оцешси допустимоrо значения неуравнове..
mениых сил и их моментов можно воспользоваться критерием
Климова Стечкина Каца, представляющим собой безмерные
относительные величины, определяемые выражениями:
==
тд-пш м
1
БL
1
:ЕР}1 + 1: Рр+
4
1
M.I+ м. и
"1 4 J
L 2 +H 2
.
,
I . к, БLМ,
'1 +
тwPш:" L 2 + В 2 '
.
rде L, Н, В длина, высота, ширина двиrател.и по основному
массиву металла корпуса, м; D диаметр 1. I 1: J ра, м; т.. мае..
са двиrателя, кr; СОвом yrловая час:rота вращения lCоленчатоrо
вала на номинальном режиме, C 1.
Опыт показывает, что если значения , 0,002, то уравновешен--
ность двиrателя можно считать удовлетворительнои, а двиrатель
приrодным для установки на транспортное средство.
Равномерное чередование при любом количестве и любом yrле
развала I ': 1: вдров обеспечива.ется, в чаcrности, смещением шатун
ной шейхи к3.ЖДоrо кривошипа на yrол 8. Так выплвены колен..
чатые валы двиrателя КАз..ЯМ 2 и мноrиx зарубежных mести
ЦИЛИНДРОВЫХ V..образных двиrателей.
На совремеlПlЫХ двиrателях КОРПУСНЫМ деталям придают та..
кие ФОРМЫ, которые исключают резонансные явления в зоне рабо--
чих оборотов и тем самым обеспечивают бес работу
двиrателя.
Надежность дaвraTeJa:. Ори подборе двиrателя ориентировочная
оценка есо с точки зрения напряженности рабочеrо процесса, а 3Ha
ЧИТ, в косвенная оценка надежности двиrателя Moryт быть осущест..
плены определением критериев Б. я. rинцбурrа и А. К. Костина.
Выражения указанных критериев приведевы в сл. 5. w"
)l. современвых, достаточно надежно работающих автомобиль..
ных двиrателеи зваче: I указанных критериев находятся в следу"
ющих пределах: н о == 1,5...2,3 ICВт/см 2 , qn==3.;2...7. .
394
Т3JCИМ образом, если у выбранвоrо двжатeлJI для данносо
транспортноrо средс.rН8 Зl18чеllИЯ критериев не превыmают указан...
'"
вых значении, ТО ориен"rировочно можно считать ДВиrатель ДО--
ста точно надежным.
Моторное ТOПJIИ80. ДЛИ последних лет характерным JIВляется
расширение спектра видов топлив, примев.яе:мых в двс. Так, в экс"
плуатацию в Бразилии внедрено спиртовое ТОПJШво. В crpaнax
Западной Европы расширяетСJI примевение ТОШIИВ биолоrическоrо
происхождения, в особенности на сельскохозяйственных транcnорт
вых средствах. Повьnuается ДОЛЯ применеНИJI rазовых ТОПЛИВ. &Те..
ствевво, все это меняет облик эксплуатационной сферы, меняется
заправочное хозЯЙcrво, IC:онтролъно"диаrностическое оборудование,
меняются треБОВания к обслу' I:ающему персовалу. Происходит
все ЭТО при одновременном ужесточении ЭlCолоrичеспп требований
IC автомобилю, что crимулирует разработку новых моторных топ
лив. Эти тенденции сохраняют свое ВЛИ.I:I е на двс, и именно они
будут определять сферу их примевения.
Дрyrими словами, выбирая двиrатель для тра.вспортноro cpeд
crвa, для парка. машин, необходимо понимать, что сеrодня тем
самым задаеТCJI облих автотранспортной ивфраструктуры, мевяют
си капиталовложе :1 ., формируется занятоcrь населения:. эти про
цессы будут все более rлубоlCИМll ПО мере расширения ассортимента
топлив, возмо '. : 1... для примевения в двс.
ЛИТЕРАТУРА
1. Автомобильные дввraтелвfПОД peд М. с. Ховаха. М.: Машиностроение:.
1977. 591 с.
2. Двиrатели BнyтpeИRero crорани.и/ПОД ред.. В. Н.. ЛYJ[авина. Ма: Высшая IIЖО..
па, 1985. 311 с.
3. Конструкция и расчет автотранспортных двиrателей/llод ред. ю. А. Сте..
па.иова. М..: М. I : остроевие 1964. 5S2 с.
4. Дввrате.ли виyrpeнвеrо ссоранвJl. Уcrpoйcrво и работа поршвевых и :КОМ..
б I:I .OB a:I . двиrателейfПод ред. А. с. Орлина, М. r. Крyrлова. М.: М.. II :ост..
роение, 1980. 288 с.
s. Дввrатели ввутреввerо crораllИJl.. Системы порmвевых и комб : I .oвallllых
двиrателейjПод ред. А. с. Орлина., М. r. Крyrлова. М.: Мamивocrpoевве, 1985. 456 с.
ба Двиrателв BвyтpeRRero cropaнвa. Конструирование и расчет на прОЧRОСТЬ
порmвевых и J[Омб :I .ОВ. :1:1. I двиraтелейjПод ред. А. С. Орлива, М. r. Крyrлова.
М.: Мamивостроевие 2 1984. 384 с.
7. Маслов r. с.. расчеты J[олебаний валов: СпраВОЧНИХ. М..: М. III :остроеиие,
1980. 151 с.
оrЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
. . ..
. .. .. . . . . ... ., . . . - .. .. .
Сл... 1. Кинематика. динамика КРИВО. :tll:о..шатуввоrо меХllIIII.1ма .. .
1.1. Кинематика ICpивошипво
mатунноrо механизма . . . . . . . . .
1.1.1. Кинематика централъноrо и смещенноrо IpИВОUШIIВо--шат :.:.. ме...
][
()II ...
. . . . . . . . . . . . . . . . .
.
1.1.2. Кинематика ICpИВОШИIIИо...шатунвоrо механизма с првцепным шату..
НОМ .................... _ . . . .. . _
1.2. ДивамИICа кривоmипв:о...шатунноrо механизма . . . . . .. .. . .
1.2.1.. сиJIы давлеlUlJl rазов . . . . . . . . .. . . . а .. . . .
1..2.2. сиJIы инерции дв
: I.I
. СЯ масс КШМ _ _ . . .. .. . . .. . .
1.2.3. Суммарвые силы и моменты, действующие в КШМ . . . . . .
1.2
4. сиJlыJ дейcrвующие на шеЙКИ lCолеичатоrо BaJIa .. . . . . . .
1.2.5. ТеоретичесIC3.J( диarpамма износа mеЙIcИ вала ... .
. . . . ..
1.2.6.. Суммарный крутящИЙ MotdeJIТ двиrатeлJI . . . . . а . . . .
1.2
7. В I
:1:I
e конcrpуктивных соотношений в К1ПМ на показатели двиrа..
тел.и ..................,........
.
r л... z. УравВО8ешеВlIOСТЬ . уравно.' I
1; авве Д-1II"8телеi BByrpeaвero стора..
- ..........................
2..1. Силовые факторы, вызвющиеe веураВRовешеввocrь порmвев()rо двиrа...
1r
.........................
2.1.1. Одиоцилив.дровый двиrатель .........
. . . .
2.1.2.. MBoroItИ
I: I .овый двиrателъ . . . . . . . . . . . . . .
2.2.. Пр
.: I
I'I. уравнове I
:.- :I
цеиipобеж:н.ых сил инерции и их моментов
(уравновешивание коленчатых валов) ...... _ . .. . +
2.3. Пр
.:
II
ураввове
.
:
проcrpанственных коленчатых валов . .
2.4. Пр
I:I
'I. уравновешивания сил инерции масс, движущихея возвратно...
1I()
JVII
lПe1Dbll() · . . . .
. . . . . . . . . . . . . .
2.5.. Анализ уравновешенности и уравновешивание двиrателей с липейвыM
расположением цк I
I: I
.OB ........ + . . _ .
. . . .
2.S..1. Одиоциливдровый двиrателъ . . . . .. . . .
. . . . .
2..5.2.. Двухци
I: I .овые двиrатели ... ..........
.
2.5.3. Трехци I
I: I . -вый двиrателъ .
. ..
. . .
. . r . .
2.5..4. ЧетырехциливдровЫЙ двиrателъ . .. . . . . . . . . . . .
2.5.5. Анализ уравновешенности и ураввовеlIJИвавие
. двиrатеЛJI 5Р (fJ == 720)
2.5.6. Шеcr
I
НДРОВЫЙ двиrатель
.
.
.. . _ . . . . . .
2..6. Анализ уравновешенности и уравновешивание V
образных двиrателей
2.6.1. Анализ уравновешенности двухцилиндровоrо V
образиоrо ДВИf'атеЛJI
с yrлом развала 900
2V(}' == 900)
. . . . . а . . . . .
2.6.,2. Шестицилиндровый двиrатель с уrлом развала 900 и yrлом между
кривошипами 120o
6V ()' _900) . . а . . . . . . .. . .
2.6.3. восъмицилиндровый двиrатель с yrлом развала 9Oo
V ()'==90 0 ) .
2.6.4. Шестицилиндровый двиrатель с yr лом развала 1200
V ()' == 12(0) .
expert22 для http://rutracker.org
з
s
s
6
11
14
14
16
20
21
25
26
29
32
32
32
33
ЗS
39
41
43
43
44
49
S2
53
58
60
60
62
63
66
397
2.6.5.
:: I
3 ураввовешеввости в уравно вешив ание Л)lиrа тела lOV (7== 144°) 69
2..б.б
Две: . 111:
"I: I
: 111 -вЫЙ дввraтель с yrлом развала 6<r
12V (}'==БО О ) 75
2.7. ТехволоrичеСDJI неураввовешеиность дввrателеi внутреввесо crоравиJl 75
2.8. HepaвaOMepBDCТЬ крyrJПЦеrо момента . . . . . . . . .
76
2.9. Равномерность хода двиrатeJП . . . .. . . . . . . . . ..
. 78
2.10. Осиовы : :: I:за В амОРТИЗ Я.,ии колеб аний двиrатеЛJI на подвесже 81
2..10.1. Силовые фarrоры, выэlвающиеe колеб
RИ. порmвевых две на ПОД"
вес:же ....................
. . 81
2.10.2. Расчетва.к схема двиrатeJIJl, колеБJПOщerОСJl на подвеске _ .. . .. 82
2.10..3. Повrrиа об осц центре .ecrЕ.ОСТИ по 11:.. ".
и св. . :1:1., колеб. :I
.. 85
2.10.4. Основные требовавиJl J[ IОИСТР :
I;ным параметрам подвеС:IИ 86
rл... 3. Ос8»... KOIICТpYВPO.' ;1," . I t . 111' " 1 : К paC'leТY деталei д-lIr8тeJIК
... DPCJ
.............. _ . . .. . 88
З.l. Эксплуата.цв Онm.Jе требовавв.к J[ прoerrиpуемому двиrателю . а _ . 88
3.2.. Выбор lИua В ocRоввых КО НСТРУ&.lИВ ИЬJX параметров двиrатeJIJI . . . 89
3..3. Определеиие расчетвых нa.rpузок и режВЫОВ . . .. . .. . . . . . 92
3.4. Расчет деталеi двиraтeJIJI на прочвость с учетом переме lПlJJ Х вarpУЗОК 93
З.S. Методы расчетвоrо модепвров я Rll JI НЙЦРJl]( енв:о..дефорыиров аRRоr о со..
СТО IIRIIJl И тепловых полей деталей и узлов две . .. ... . . 98
r л
а.. 4.
1.:
. 1." rpyuвa 8 Kapтepw . . . . .. . . . . .. . . . 102
4.1. Корпусные ЭJI емен.91
ЬiI двиrателей W'A
ocтвoro охлажде нии .. . . . .. 103
4.2..
I
I: 111" И картеры дввraтелей с воздyIDвым ОXJТЯW'ле вием . .. . . 113
4.3. Расчетвas оцеllI& работоспособности элементов rазовоrо C тur. .. . . 11 б
r л... 5. По. I
: ..,.. rpy1818 . . .. . . .. .. . .. . . . . . . . . . 121
5.1. Порmевь ..............&...... .. 122
5..1..1. коветрук:тиввыe параметры ОСИО: :1.. элементов П орП1RII . _ .. . 12S
5.1.2. 3а.зоры между элеме иrами ПОр ПМII и цк 1: : I .ОМ . . . _ . . . 128
S.I.3. кои с1руа.lв вныe меропрВЯТВJl по повьппевию прочвости и долrовеч..
B
......................... 133
S.1.4. матери8JIы и техволоrИSl изrотовлеНИJl порmвей . . . . . .. . 139
5.2. По рwиe вой палец .............. .... . .. 141
s.з. Порmвeвые кольца .. . . . .. .. ............ 142
5.4. Расчет П орПТЯ1l .. . . . .. . . . . а . . .. .. . . .. . . 148
5.5. Расчет nopmвeBoro палъца .. . . .. а .. . .
149
5.6. Расчет nopmвeBoro кольца . . . .. .. ....... 152
r л... 6. Шатувв.. rpyuua .. ..... .... ....... lSS
6.1. Констр : :I;RЫЙ обзор .... . . . .. .. _ . . .. . . .. ISS
6.2. Расчет элемеиrов шатуна на прочвость . . . . . . ... 163
rJl... 7. KOJlell1laтwl 88J1 ........ . . . . .. . 170
7.1. Коистр уа.1ИJ1 I1Ь1Й обзор ..................... 170
7.2. Расчет J[олеичатоrо вала на про'lllОСТЬ . . . . . . . .
. . . 175
7.3. Методы упрочнения коленчатых валов .. .. .. ...... 183
rna.. В. 1(0Jl.. '",'. w.. .тeв-x ,
I "I8tro crOt..
'. . ..... .. . . .. . 185
8.1.. Общие сведеВИJl о крyrи I
:I
. kолеб. :I
.. коленчатых валов =-. . .. 185
8.2. Ypaввe JnlJl ДВlD(е ниg э
:1;. еИIНО Й крутильной системы .. . . . . 189
8.3.. С И.I:I.lе з ЭIВИВ 8.JIeИIНО Й крутильной системы . . . . . . . . . . 190
8..4. Частоты в формы с- .
"
.:.
I к-оле6 stний. ЕрyтиJIЬВОЙ системы . . . 195
8.5. rарМ ов.....ес ПIЙ анализ жрут '111:1 моментов . . . . . . .. .. . .. 199
398
expert22 для http://rutracker.org
8.6.. Фазовые соотношении rарм оlППr жрут'. 111
, ыомеВТОВ 7 действуюших на
отдельных кривошипах
............ _ _ . + 201
8.7. ЧacrоТII8JI диarpамма к:рутилыIьIx IOлеб.. :I
I
....... 203
8.8.. Потери эверrив при Iолеб
:I
. ................. 205
8.9. Работы возбуждающих моментов при рез онансе .. . . .. . 207
8.10. Работа моментов сопротивлении . . . . . .. _ . . . . . 208
8.11. Определение ·
11 I
Д yrловых смemе ниА элемеиrов крутильной св..
crемы .
. . .. .. . . . . . . . . . .. . . . _ . . .. 209
8..12. Определение Аяnpи- е ний В элементах вала от крутильных колебаний 209
8.13. Способы уменъшеllИJl #
I .: Д вьm:yжд еJПП.Ц крутильных Iолеб аний 21 О
8
14. Осиоввые сведе НАJI об изrвБвых Iол ебя-RИ JIX коленчатых валов . 211
8.1S. Колеба AIIg корпусных деталей две . . . . . . . . .. . 216
Сл... 9. Мех ....1 М rазораспределе... ...... .. . 221
9.1. КовcrpyJCТИВ IПdЙ обзор ... . ........... . 221
9.2. Системы управле яи . ... 4 ·
rазораспределеJllljl и законами подъема
.кJ'Iaпава .......... а .. . . . . . . . . . . . 228
9.3_ Элементы механизма rазораспредел еRllfi . . . . . . . . .. . . 238
9.41f ПроеIтиpDваиие ме 4 :I
"мa пзораспределевии . . . . .. . . . . 249
9.4.1. Определение ocBoBвых пара.метрО8 механизма rазораспределеИИJl .. 250
9.4.2.. Критерии оце R'Jl"И профилей купаЧIОВ . . . . . . . . .
. 2S2
9.4.3. J
I:. I
ка:
I
:1: ОСО механизма rазораспределе ИИII .. . . . . . 253
9.4.4. Упрyrие колебави.в: в механизме raзoраспредел е R1l11 . .. . .. . .. 2S8
9.4.5. С
I: .с профилей IУлаЧJ[ОВ . . -. _ . . . . . . . . . .. . 261
9.4.6. Определение rеометричеCПIX параметров и oцe
работоспособности
пр "
: 1. кля. П
Аа .. . ... _ . . . . . . . . . . . . 269
r Jlа.. 10. ", '.
.. ClltТeМ8 . . . . ... ....
10.1. Моториые масла
. _ .
. _ .. . .. .
10..2. Расчer цк I
I: J .ическоrо по IIIII
11:1: : : .. . . .
10.3. Схемы см азо
систем .. .. . . . .. . . .
10.4. ArperaТbl смазочной сиcrемы. М.
I:I. е насосы
. .. . - . . 272
. 272
. . . .. . . 276
. 286
. · . .. . . 286
.. . .
rJl... 11. Свстема ОXJI -.ле _ .........
. . . . . . . . 293
11.1. Жидкоства.и система охл я...де ниg . . . . . . . . . .. 293
11.2. Рerулвр о1UtRRе проИЗ ВОДИlе JIЬВОСТИ системы 'IR
ocтвoro охл я
де вва 298
11.3. КоветрyDJJIJl радиаторов ................... 303
11.4. TeWIoBwe и rв.цp.; I
t есхие ха.рarrepи
:,
радиаторов . . . .. .. З06
11.5. JКвдв:ocтвыe :: I
. ..................... 309
11..6. Веитишrrоры . .. . . . .
. 4м .. .. . . . . .. . . . . . 311
11
1. Определение ков струа.Iив вых параметров элементов системы .
'I
ОСТ--
Horo ОXJVI--де вв.. ... - . ... ..... . . . . . з 12
11.7.1. ПреДПОСЬ1ЛIВ к расчету . . + .
. . . . . .. . . . .. . 312
11.7.2. Расчет радиатора . . . . . . . .. .
J. . .. . . . . . 313
11.7..3. Расчет вellТllJISТopa ....
....
... . .. . . . 315
11.7.4. Расчет .lJЩостноrо насоса . . . . . а .. . .. . . . . . 316
11.8.. Воз l' 111: · е СИСТемы ОXШII де НUII ..... а .. . 319
11.9.. Срав: I
. 1. RIt.IЙ 4 :,.: I
3 сиcrем . 1Vt
OCТBOrO и воздушвоrо ОXJТя-де НИII 322
r л... 11. CIICТeМ8 IIOЗ духau.-. .... . . . . . . . .
121. Сиcrема впуска . . . . . . . . . .
122. ВоЗДУХОО'IВС11lТeJtИ .... ..... .
12.3. Arperaты ВОЗДУХО ПВТ Я RII1J двиrателеl с :: I I
О.. (ЕО.. 1 .
.ко 11'" . ры) .................
. . . ..
. . . . - . 324
. . 327
. . Ы, турбо--
. .
. .. .
343
399
expert22 для http://rutracker.org
r л ан а 13. Свстема вьшусха ................. ЗSS
13.1. Система отвода отработавIIlИХ rазов . . . . . . . . . . . . 355
13.2.. rлymители шума ВЫnyClCа . а . . .. . . . . . . . . . . . 360
13.3. НейтралиЗ Яf{АSI отработавших rазов. НеЙУрализаторы . . . .. 367
r лава 14. Система пуска двиrателеi ............. . 379
14..1. Способы пуска двиrателей . . . . .. .. . . . .. . . . . 379
. 14.2. ЭнерI
етика пуска ................ ... 381
14.3. Средства, облеrчающие пуск двиrатеЛJl . . . - . . . .
. . 382
r лав а 1 s. прввцlпlы IIOдбора дввrатеJIII ввyтpeввero crop' : :.. ДJUI тр 8АМ1 Оpr"
&0['0 средства . ...
............... 386
Литература ... _ . . _ . _. ............. 396
Учебное издание
Луканив Валентин Николаевич, Алексеев Иrорь Владимирович,
Шатров Михаил rеорrиевич, ПВВJlOВ Алексей Васильевич,
rоршков Юрий ВИlCТорович, Назаров Николай ИваНОВЦ
Е_ов Серrей Петрович, Матюхии Ле оRИД Михайлович,
С, :
t
Владимир Викторович
двиr АТEJIИ ВНУТРEIШЕrо сrоРАНИЯ
.
КН. 2. ДИНАМИКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ
Редакторы л. Е. ВардЗU2уловй, л. А. Савина
Внешвее оформление А.. А. ЛУКЪЯIleIUCО
Техничес кИЙ редактор Н. и. Тросmянская
Компьютерная верстка Н. с. Михайлова
Оператор Ва Н. Новоселова
Корректор В. В. КО3ICуткин.а
Лицензия ИД
N2 06236 от 09.11.01.
Изд. Не CTp..182a. Подо. в печать 12.04.07. Формат 60 х 881/1.,. Бум. офсетнаи.
rар ни..ур а ТаЙМс. Печать офсетная. Объем 24,50 усл
печ. л. 25,25 уел. 1Cp....OYТ.
Тираж 2000 ЭЕЗ. Эак. N212095
фrуп <<Издательство <<Высшая mкOJIa}>,
127994, МОСICВЗ., rСП4, Ул. Не rJYИПП ая, д. 29/14.
Тел.: (49S) 694
4..S6
http://www.vshkola.ru. E..mai1: info__vshkola@mail.ru
Отдел реЙ.1Шзации: (495) 69+07--69, 69
3147, факс: (495) 694-.3+86.
E..mai1: sa1esvshkola@mail.ru
...
..,..
Orпечатаво в ОАО <<Издателъско..полиrpафическИЙ комплекс
<<ЮжНЫЙ Ура.л», 46OOO0
r. Оревбурr J пер. Св06 0}\J'П а, 4.
expert22 для http://rutracker.org