Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
5
PAGE 7
УДК 621.43
С.А.Горожанкин, А.В.Мартынюк
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, дезаксиальный кривошипно-шатунный механизм, скорость поршня, ускорение поршня.
Формулировка проблемы. Одним из путей повышения КПД поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является снижение потерь на трение в их механизмах. Их величина в некоторых конструкциях достигает 30% индикаторной мощности, причем превалирующими из них являются потери на трение в кривошипно-шатунном механизме (КШМ). Поэтому в настоящее время проводятся многочисленные исследования ДВС нетрадиционных схем, в которых предпринимаются попытки снизить потери в паре «цилиндр-поршень». К ним следует отнести двухвальные двигатели, в том числе с кривошипно-кулисным механизмом, позволяющие снизить потери на трение в КШМ [1,2]. Благодаря ряду достоинств они позволяют улучшить технико-экономические показатели таких машин. Вместе с тем на стадии проектирования и доводки конструкции необходимы как теоретические, так и опытные исследования, которые позволяют отобразить реальные процессы, протекающие в двигателе. Вышеизложенное определяет актуальность и важность выполнения разработок и проведения экспериментальных исследований двухвальных ДВС, для которых характерны значительные величины дезаксиалов их КШМ.
Анализ последних исследований. В настоящее время разработаны и исследуются конструкции КШМ с зубчатыми синхронизирующими секторами на поршневых головках шатунов [3]. В таком двигателе, схема которого приведена на рис.1, при надлежащей точности изготовления деталей может быть обеспечена практически полная разгрузка от боковых сил, действующих на поршень. Результаты исследований [2] кинематики двухвального двигателя при значениях дезаксиалов k до ~1.3 (k = a/R) показывают, что для уравновешивания их по силам инерции первого и второго порядка необходима установка дополнительных противовесов на коленчатом валу и дополнительных валах. В то же время величина дезаксиалов в некоторых конструкциях может достигать значений 2.5 и более. Это требует проведения дополнительных исследований кинематики и динамики таких ДВС.
Рис.1. Схема двухвального ДВС с зубчатыми синхронизирующими секторами на поршневых головках шатунов
Формулировка задачи исследования и цель работы. Нижеприведенные результаты исследований параметров КШМ хорошо согласуются с материалами, изложенными в [2]. Но в данной статье при анализе использованы аналитические выражения в явном виде, что позволяет использовать одни и те же формулы при любых значениях дезаксиалов и дает возможность повысить точность расчетов в процессе проектирования.
Изложение основного материала исследований. ДВС с двухвальной кинематической схемой включает симметричную относительно оси цилиндра систему из двух КШМ, в которой коленчатые валы вращаются в противоположные стороны с совпадающими по абсолютной величине фазами углов их поворота. Валы связаны двумя синхронизирующими шестернями. Относительное смещение, называемое дезаксиалом (иногда эксцентриситетом), лежит в пределах
0 ≤ k < (1/λ – 1), где λ = R/L – относительная длина шатуна.
В двухвальных двигателях, где используются два смещенных КШМ, k обычно не превышает 3.
Из геометрических соотношений (см. рис. 1) можно получить выражение для угла отклонения шатуна β
(1)
или
. (2)
Выражение (2) раскладывается в ряд по биному Ньютона:
(3)
Для центрального КШМ, или если k не превышает 0.15, с достаточной для практики точностью в расчетах обычно ограничиваются двумя первыми членами разложения в ряд. Этого, как правило, достаточно для удовлетворения требованиям уравновешивания двигателя и расчетов его деталей на прочность. В то же время при больших значениях k для повышения точности расчетов и обеспечения более высокой степени уравновешенности следует использовать выражение (3) с большим числом членов разложения.
Для дезаксиальных КШМ наибольшие углы отклонения оси шатуна от оси цилиндра получается при sinbmax = ± l при условии, что углы b отсчитывают от оси цилиндра или параллельной ей линии в направлении вращения кривошипа коленчатого вала.
Дифференцируя выражение (1) во времени, после преобразований определяем угловую скорость wш, а после повторного дифференцирования – угловое ускорение eш качания шатуна:
, (4)
. (5)
Во многих задачах динамики ДВС удобнее использовать соотношения, в которых перемещение поршня S является функцией только угла поворота вала j. В теории ДВС принято отсчитывать перемещение поршня от его положения в ВМТ:
(6)
Ходом поршня по-прежнему считается расстояние между его положениями в верхней и в нижней «мертвых» точках (ВМТ и НМТ). На рис.2 представлены графики относительного перемещения поршня S/R, полученные по уравнению (6). Из графиков следует, что если в аксиальном КШМ и при малых дезаксиалах (k<0,1) ход поршня практически равен 2R, то при больших дезаксиалах он может увеличиваться почти до 3R. Это объясняется тем, что наибольшее перемещение поршня достигается не при j =180º, а при j = 210- 240º, то есть НМТ поршня находится значительно ближе к оси коленчатого вала, чем в случае k = 0.
Рис.2. Зависимость относительного перемещения поршня S/R от угла поворота коленчатого вала при различных k.
Дифференцируя выражение перемещения поршня (6), получим соответственное уравнение для скорости поршня
(7)
Так, из рис.3 видно, что при k = 0 максимальное положение значения относительной скорости достигается при j ≈ 75º. При увеличении дезаксиала максимальное значение V/(Rw) сдвигается в область j ≈ 105º,а максимальное отрицательное значение – в область j ≈ 305º. При k = 2 наибольшее отрицательное значение V/(Rw) превосходит по модулю скорость при k = 0 почти в 1,45 раза.
Рис.3 Зависимость относительной скорости поршня V/(Rw) от угла поворота коленчатого вала при различных k.
Дифференцируя формулу для скорости поршня (7), получим, соответственно, аналитическое выражение для ускорения поршня
(8)
В ДВС амплитуда гармоник второго порядка всегда значительно меньше амплитуд гармоник первого порядка, при k = 0 наибольшее положительное значение ускорения достигается при j = 0, отрицательное при j = 180º. При увеличении дезаксиала максимальное значение J/(Rw2) остается на прежнем месте в области j = 0; максимальное отрицательное значения – из области j = 180º в район j ≈ 255º. При k = 2 наибольшее отрицательное значения J/(Rw2) превосходит ее значение при k = 0 почти в 1,77 раза.
На рис.4 представлены графики изменения относительного ускорения по углу поворота коленчатого вала при различных значениях относительного смещения k = а/R.
Рис.4. Зависимость относительного ускорения поршня J/(Rw2) от угла поворота коленчатого вала при различных k.
На рис.5 представлены графики изменения относительного ускорения по углу поворота коленчатого вала при различных значениях относительного смещения k = а/R и l = R/L. Как видно из рис.5, влияние l увеличивается с увеличением относительного смещения k. Гораздо большее влияние оказывает изменение дезаксиала а.
Рис.5. Зависимость относительного ускорения поршня J/(Rw2) от угла поворота коленчатого вала при различных k и l.
Выводы и перспективы дальнейших исследований в данном направлении. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что в двухвальном двигателе с двойным дезаксиальным КШМ (k=1.8…2.5) силы инерции поступательно движущихся масс представлены достаточно сложными функциями. Эти силы не могут быть полностью уравновешены с помощью установившихся традиционных схем (противовесы, расположенные на коленчатом вале, дополнительных валах). Уравновесить такой двигатель представляется возможным с помощью установки противовесов, которые отображают функции ускорений поступательно движущихся масс двигателя. Представленные аналитические и графические зависимости позволили получить численные значения перемещения, скорости и ускорения поршня при любых дезаксиалах кривошипно-шатунных механизмов ДВС. Это дает возможность в дальнейшем использовать приведенные результаты для расчетов динамических нагрузок в двигателях, решению задач их уравновешивания.
Смещения углов, соответствующих верхней и нижней мёртвым точкам, изменение продолжительности во времени всех тактов цикла двигателя приводят к необходимости исследований термодинамических процессов в нем. В дальнейшем необходимо изучение процессов газообмена при впуске и выпуске ввиду изменения продолжительности открытия клапанов (окон) и, соответственно, проведение оптимизации параметров этих процессов.
Литература