Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания (1037884), страница 22
Текст из файла (страница 22)
(3.67)m пд Rw2 = 2 m прСтатический момент противовеса¢ Rпр1 = 1 m пд R .S пр = m пр2(3.68)Горизонтальные составляющиесил Pc1 будут всегда равны друг другу по величине, но противоположны по направлению.Силу инерции второго порядка Pj2 можно уравновесить аналогичным способом, т.е. путем усiiå P j1 = å K j cos a n = 0;å P j 2 = å lK j cos 2a n = 0;n =1n =1iiin =1n =1n =1iå Pcy = å Pc cos a n = 0; å Pcx = å Pc sin a n = 0;n =1M j1 =iå K j cos a n Ln = 0;M j2 =n=2M cy =iå Pc cos a n Ln = 0;¢¢ Rпр2 = 1 m пд Rl.m пр8(3.69)å lK j cos 2a n Ln = 0;n=2M cx =n=2тановки противовесов на дополнительных валах O3 и O4, приводимых в движение при помощишестерен 5 и 6 и вращающихся вразные стороны с удвоенной угловой скоростью 2w.
В данномслучае масса каждого из проти¢¢ и расстояние ее ценвовесов m пртра тяжести от оси соответствующего вала R пр2 должны быть таковы, чтобы обеспечить равенство:(3.70)iiå Pc sin a n Ln = 0,n=22где Kj = mпдRw ; Ln – расстояние между осями первого и nго цилиндров;an = a + dn; dn – угол между кривошипами первого и nго цилиндров,отсчитываемый по направлениювращения коленчатого вала.При проектировании двигателястремятся путем выбора схем расположения кривошипов коленчатого вала и цилиндров создать такую конструкцию, в которой суммарные силы инерции å P j1 , å P j 2и å Pс и моменты Mj1, Mj2, Mс былибы равны нулю.
Если это не удает104ся, то прибегают к уравновешиванию двигателя с помощью дополнительных устройств.Для обеспечения полного уравновешивания двигателя требуетсясущественное усложнение конструкции, что с учетом высоких порядковгармонических составляющих силинерции практически неосуществимо, поэтому двигатель остается частично неуравновешенным.Величины неуравновешенныхсил и моментов, а также реактивного момента являются исходнымиданными для расчета уровня вибрации объекта, на котором установлен двигатель, а также уровня вибрации самого двигателя, если онустановлен на упругих опорах.Для предварительного заключения об уравновешенности двигателя можно пользоваться безразмерными величинами x и h, получаемыми в результате обобщения критерия Стечкина–Климова:1x=å P j1 + 4 å P j 2mw 2 D1æ6l Д ç M j1 + M j 24è+22mw D(l Д + hД2 )h=å Pcxmw D2+6l Д M cymw2 D(l Д2 + b Д2 )+ö÷ø;,(3.71)где m – масса двигателя; lД, bД, hД,D – соответственно длина, ширина, высота и диаметр цилиндра двигателя; å Pсн и Mсн – горизонтальные составляющие силыинерции вращающихся масс имоменты от этих сил; размеры lд,bд, hд следует брать по контурукорпусных деталей двигателя безучета несущественно выступающих деталей.Если x < 0,002 и h < 0,002, тодвигатель можно считать уравновешенным, если x > 0,01 и h > 0,01,то двигатель недостаточно уравновешен.Наилучшей уравновешенностьюотличаются шести, восьми, десяти и двенадцатицилиндровые двигатели с зеркальным относительносредней коренной шейки расположением кривошипов коленчатоговала.
У четырехцилиндровых двигателей неуравновешенными являются вертикальные силы инерциивторого порядка å P j2 .У двухтактных двигателей с равномерным чередованием работыцилиндров суммарные силы инерции равны нулю при числе цилиндров, большем двух. Моменты силинерции могут быть полностьюуравновешены при двенадцати цилиндрах.Для улучшения уравновешенности одно, двух и трехцилиндровых двигателей независимо от тактности, а также четырехцилиндровых двухтактных двигателей требуются противовесы.В общем случае силы инерциипервого и второго порядков в многоцилиндровых двигателях уравновешивают с помощью противовесов, расположенных на дополнительных валах.
Для уравновешивания момента сил инерции первогопорядка необходимо расположитьдве пары грузов, находящихся надвух валиках, расположенных симметрично относительно оси коленчатого вала. Валики вращаются вразных направлениях с угловойскоростью коленчатого вала w. Приуравновешивании момента силинерции второго порядка грузытакже располагают на двух валиках,но вращающихся с удвоенной угловой скоростью 2w.105Рис. 3.25. Расчетная схема уравновешиваниячетырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателяНа рис. 3.25 дана схема уравновешивания однорядного четырехцилиндрового четырехтактного двигателя с порядком работы цилиндров1342.Неуравновешеннойявляетсятолько суммарная сила инерциивторогопорядка å P j2 = 4lm пд ´´Rw2 cos 2a , максимальное значение которой возможно при a, равном 0, 180 и 360°.
Данная сила может быть уравновешена с помощьюгрузов, расположенных на двух валиках, вращающихся с удвоеннойугловой скоростью (см. рис. 3.24,валы 5 и 6). В таком случае массапротивовеса1Rm пр = lm пд,2Rпр2(3.72)где Rпр2 – радиус центра тяжести противовеса.Однако сила å P j2 относительно невелика, а устройство с дополнительными валиками значительноусложняет конструкцию двигателя.В результате сила å P j2 , как правило, остается неуравновешенной.3.2.5. Колебания в поршневыхдвигателяхКоленчатый вал двигателя впроцессе работы под воздействиемвнешних, периодически меняющихся сил совершает вынужденные колебания.
При совпадениичастот собственных и вынужденных колебаний системы возможнонаступление резонанса.При работе двигателя на резонансном режиме амплитуды колебаний элементов коленчатого валасущественно увеличиваются, авместе с ними растут и амплитудынапряжений. Дополнительные напряжения, возникающие в элементах коленчатых валов от изгибных,крутильных и продольных колебаний, могут быть весьма значительными и даже в некоторых случаяхприводить к поломке вала. Расчеты и экспериментальные исследования показали, что наиболееопасными, с точки зрения прочности вала, являются крутильные колебания.При расчете коленчатого вала накрутильные колебания определяются максимальные касательныенапряжения tmax, действующие всечениях вала на резонансных режимах работы двигателя.Для проведения расчета действительную колебательную системукривошипного механизма заменяют упрощенной, состоящей из одного или нескольких цилиндрических валов с насаженными на нихдисками – сосредоточенными массами.
При этом необходимо, чтобыдинамическая характеристика расчетной приведенной системы былаэквивалентна действительной системе, т.е. чтобы при приведениисистемы были бы сохранены действительные моменты инерции масси жесткости элементов вала.Расчет коленчатого вала на крутильные колебания состоит из следующих этапов:• приведение реальной системыколенчатого вала и присоединенных элементов к упрощенной расчетной (эквивалентной) системе;106• определение собственных частот и форм колебаний расчетнойсистемы;• гармонический анализ крутящих моментов, действующих на колена вала, и момента сопротивления, преодолеваемого двигателем;• определение критических режимов работы двигателя;• определение дополнительныхнапряжений в коленчатом валу, вызванных крутильными колебаниями;• заключение о работоспособности коленчатого вала.В случае, когда действующие напряжения превосходят допускаемые, возникает необходимость введения устройств, снижающих напряжения от кручения при работедвигателя (демпферы или антивибраторы колебаний).Расчетная система состоит изневесомых отрезков цилиндрического вала с поперечным сечениемкоренной шейки, имеющих жесткость участков действительного вала, и из сосредоточенных масс, привыборе которых учтены массы всехподвижных элементов рассматриваемой системы (колена вала, шатуны, поршни, валы, маховик, детали трансмиссии и др.).
При приведении масс и жесткостей (илидлин) участков вала необходимообеспечить равенство потенциальных и кинетических энергий реальной и расчетной систем.Расчетная система тем ближе креальной, чем большее число особенностей конструкции приводимых элементов учтено при замене ееэквивалентной системой. Однако сувеличением числа элементов эквивалентной системы растет трудоемкость решения задачи. В настоящеевремя расчет крутильных колебанийпроизводится с использованиемЭВМ и численных методов, позволяющих быстро и эффективно выполнить указанные выше этапы.В общем случае расчетная схемакрутильных колебаний двигателявнутреннего сгорания должна включать в себя как коленчатый вал двигателя с приведенными к оси коренной шейки массами, так и его системы, имеющие механическую связь свалом.В качестве примера на рис.
3.26приведена расчетная схема шестицилиндрового четырехтактного двигателя с приводными от коленчатого вала механизмами.В приведенной схеме указаныномера масс, заменяющих следующие элементы двигателя:1–6 – КШМ двигателя (моторные массы);7 – хвостовик коленчатого вала имаховик;Рис. 3.26. Расчетная схема для определения собственных крутильных колебаний10711–16 – газораспределительныймеханизм;17–18 – носок коленчатого вала;19–22 – топливный насос с регулятором;23–24 – масляный насос;25 – жидкостный насос;8–10, 27–m – привод потребителя мощности.Крутильную систему силовой установки будут характеризовать:моменты инерции дисков Ii, i = 1,…, m;жесткость при кручении упругихсвязей cij, i = 1, …, m–1, j = 2, …, m.Определение длин участков припереходе от действительного вала кэквивалентному основывается на условии, что потенциальная энергиязакрученного приведенного валадолжна быть равна потенциальнойэнергии действительного вала притех же закручивающих моментах.Потенциальная энергия деформации кручения гладкого валаП = cj 2 2,(3.73)где c – крутильная жесткость участка; j – угол закрутки.Жесткость кручения участкапредставляет собой отношение величины приложенных к концамданного участка крутящего момента M к величине угла j закруткиэтого участка и определяется черезмодуль упругости второго рода G,полярный момент инерции сечения Ir и длину участка l:c=M GI r=.jl(3.74)Для вала с наружным диаметромd и внутренним отверстием dвн полярный момент инерцииIr =p 44(d - dвн).32(3.75)Из равенства потенциальныхэнергий и соответственно жесткостей при кручении действительного c и эквивалентного c1 валовc = c1 =GI rl=GI r1l1(3.76)определяется приведенная длинаучастка эквивалентного валаl1 = lI r1Ir=l(d14 - d14вн )4(d 4 - dвн), (3.77)где l, d, dвн – размеры действительного вала; d1, d1вн – соответственновнешний и внутренний диаметрыэквивалентного вала, поперечноесечение которого, как правило, соответствует коренной шейке коленчатого вала.При наличии у действительного вала эксцентричного отверстияприведенная длина эквивалентного участка вала определяются поформуле:l1 =44l (d1 - d1 вн ),4l (d 4 - dвн)(3.78)где l – коэффициент, зависящийот относительного эксцентриситета2eотверстия z =и от относиd - dвнтельной величины отверстия в валуr = dвн/d.Если вал диаметром d переходит в вал диаметром d2, то в местеперехода возникают местные деформации, которые можно учесть,введя поправку длины l ¢, на которую следует укоротить вал большего диаметра и удлинить вал меньшего диаметра.Поправка длины вала зависит ототношения диаметров участков вала d2/d и радиуса галтели rг в местеперехода.108Приведенная длина участка валас конусом определяется по формуле:4l0 =l d1m(m 2 + m +1), (3.79)3 d4где m = d/d2.Влияние шпоночных канавок ищлицев на валу учитывается уменьшением диаметра вала d на величину kh (k – коэффициент, учитывающий число канавок; h – глубина канавок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
