Общие сведения. В двигателях внутреннего сгорания возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала посредством

В двигателях внутреннего сгорания возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала посредством кривошипно-шатунного механизма.

Кривошипно-шатунный механизм может быть центральным, когда оси коленчатого вала и цилиндров лежат в одной плоскости (рис. 5, а), или смещенным (дезаксиальным), когда оси коленчатого вала и цилиндров лежат в разных плоскостях (рис. 5, б). Дезаксиальный механизм может быть получен также и за счет смещения оси поршневого пальца.

В настоящее время в автомобильных и тракторных двигателях наибольшее распространение получил центральный кривошипно-шатунный механизм. На рис. 5, а приведены основные обозначения такого механизма: S_X - текущее перемещение поршня (точка А - ось поршневого пальца); φ - угол поворота кривошипа (ОВ), отсчитываемый по оси цилиндра (А'О) в направлении вращения коленчатого вала по часовой стрелке (точка О обозначает ось коленчатого вала; точка В - ось шатунной шейки; точка А' - в.м.т.); β - угол отклонения оси шатуна (АВ) от оси цилиндра; ω - угловая скорость вращения коленчатого вала; R = OB - радиус кривошипа; S = 2R = A'A" - ход поршня (точка А" обозначает н.м.т.); L_Ш = AB - длина шатуна; λ = R/L_Ш - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна (постоянная КШМ); R + L_Ш = A'О - расстояние от оси коленчатого вала до в.м.т.

В смещенном кривошипно-шатунном механизме (рис. 5, б) в отличие от принятых обозначений для центрального механизма
угол φ поворота кривошипа отсчитывают от прямой СО, параллельной оси цилиндра A'D и проходящей через ось коленчатого вала, a S = A'A" ≠ 2R. Дезаксиальный механизм характеризуется величиной относительного смещения k = a/R = 0, 05…0, 15, где a = OD - величина смещения оси цилиндра относительно оси ко­ленчатого вала.

Величины инерционных усилий, действующих в двигателе, зави­сят от указанных выше размеров и их соотношений.

Установлено, что с уменьшением λ = R/L (за счет увеличения L) происходит снижение инерционных и нормальных сил, но при этом увеличивается высота двигателя и его масса. В связи с этим в автомобильных и тракторных двигателях принимают λ = 0, 22…0, 33.

Для двигателей с малым диаметром отношение R/L выбирают с таким расчетом, чтобы избежать задевания шатуна за нижнюю кромку цилиндра.

Минимальную длину шатуна и максимально допустимое значе­ние λ без задевания шатуна за кромку цилиндра определяют следу­ющим образом (рис. 6): на вертикальной оси цилиндра наносят центр коленчатого вала О, из которого радиусом R=S/2 проводят окружность вращения центра шатунной шейки. Далее, пользуясь конструктивными размерами элементов коленчатого вала, из точки В (центр кривошипа, находящегося в н.м.т.) радиусом r_ш.ш проводят окружность шатунной шейки, из центра О радиусом r₁ - вторую окружность вращения крайней точки щеки или проти­вовеса:

- для двигателей без противовесов r₁ = R + (1, 15…1, 25)·r_ш.ш.

- для двигателей с противовесами r₁ = R + (l, 3…l, 5)·r_ш.ш.

Рис. 5. Схема кривошипно-шатунных меха­низмов: а - центрального; б - смещенного (дезаксиального)	Рис. 6. Схема кривошипно-шатунного механизма для опреде­ления минимальной длины ша­туна

Отступя на 6…8 мм вниз от точки С, проводят линию А - А перпендикулярно оси цилиндра, определяющую минимально до­пустимое приближение нижней кромки поршня к оси коленчатого вала.

Пользуясь конструктивными соотношениями размеров поршня, от линии А-А вверх наносят контур поршня, в том числе и центр поршневого пальца (точка А"). Расстояние между точками А" и В - минимальная длина шатуна L_Ш.min, по которой определяют λ _max = L/ L_Ш.min.

Во избежание задевания шатуна за стенки проверяют его траек­торию при движении поршня от в.м.т. до н.м.т. Для этого вырезают из кальки контур шатуна и перемещают его по чертежу так, чтобы центр поршневой головки шатуна перемещался по оси цилиндра, а центр кривошипной головки - по окружности радиуса R. При этом шатун не должен задевать за нижнюю кромку цилиндра, которая может находиться на 10…15 мм выше нижней кромки поршня при его нахождении в н.м.т. (линия Е - Е). Если шатун при движении задевает за нижнюю кромку цилиндра, то длину шатуна увеличивают или делают прорези в стенках цилиндра для прохода шатуна. На этой же схеме наносят траекторию движения крайних точек кривошипной головки шатуна для определения габаритных размеров картера двигателя и размещения распределительного ва­ла. Значение λ, принятое предварительно при построении индика­торной диаграммы, сохраняют при условии λ ≤ λ _max.

Расчет кинематики кривошипно-шатунного механизма сводится к определению пути, скорости и ускорения поршня. При этом принимается, что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью ω (в действительности за счет постоянно изменяющихся газовых нагрузок на поршень и деформации коленчатого вала ω ≠ const). Это допущение позволяет рассматривать все кинемати­ческие величины в виде функциональной зависимости от угла пово­рота коленчатого вала φ, который при ω = const пропорционален времени.