Поршневой палец
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он представляет собой трубку, проходящую через верхнюю головку шатуна и установленную концами в бобышки поршня. Крепление поршневого пальца в бобышках осуществляется двумя стопорными пружинными кольцами, расположенными в специальных канавках бобышек. Такое крепление позволяет пальцу (в этом случае он называется плавающим) проворачиваться. Вся его поверхность становится рабочей, и он меньше изнашивается. Ось пальца в бобышках поршня может быть смещена относительно оси цилиндра на 1,5…2,0 мм в сторону действия большей боковой силы. Благодаря этому уменьшается стук поршня в непрогретом двигателе.
Поршневые пальцы изготавливают из высококачественной стали. Для обеспечения высокой износоустойчивости их наружную цилиндрическую поверхность подвергают закалке или цементации, а затем шлифуют и полируют.
Поршневая группа состоит из довольно большого числа деталей (поршень, кольца, палец), масса которых по технологическим причинам может колебаться; в некоторых пределах. Если различие в массе поршневых групп в разных цилиндрах будет значительным, то при работе двигателя возникнут дополнительные инерционные нагрузки. Поэтому поршневые группы для одного двигателя подбирают так, чтобы они несущественно отличались по массе (для тяжелых двигателей не более чем на 10 г).
Шатунная группа кривошипно-шатунного механизма состоит из:
- шатуна
- верхней и нижней головок шатуна
- подшипников
- шатунных болтов с гайками и элементами их фиксации
Поршни
Деталь представляет из себя стальную или алюминиевую отливку в виде перевернутого стакана. Скользя по стенкам цилиндра, он принимает на себя давление сгоревшей топливной смеси и превращает его в линейное движение. Далее через кривошипный узел она превращается во вращение коленчатого вала, а затем передается на сцепление и коробку передач и через кардан к колесам. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, приводят транспортное средство или стационарный механизм в движение.
Деталь выполняет следующие функции:
- на такте впуска, двигаясь вниз (или в направлении от коленчатого вала, если цилиндр расположен не вертикально) на, он увеличивает объем рабочей камеры и создает в ней разрежение, затягивающее и равномерно распределяющее по объему очередную порцию рабочей смеси;
- на такте сжатия поршневая группа движется вверх, сжимая рабочую смесь до необходимой степени;
- далее идет рабочий такт, деталь под давлением идет вниз, передавая импульс вращения коленчатому валу;
- на такте выпуска он снова идет вверх, вытесняя отработанные газы в выхлопную систему.
На всех тактах, кроме рабочего, поршневая группа движется за счет коленчатого вала, забирая часть энергии его вращения. На одноцилиндровых двигателях для аккумуляции такой энергии служим массивный маховик, на многоцилиндровые такты цилиндров сдвинуты во времени.
Конструктивно изделие подразделяется на такие части, как:
- днище, воспринимающее давление газов;
- уплотнение с канавками для поршневых колец;
- юбка, в которой закреплен палец.
Палец служит осью, на которой закреплено верхнее плечо шатуна.
Формула изобретения
1. Сферический кривошипно-ползунный механизм для обратимых преобразователей направления движения, в котором геометрические оси всех установленных с возможностью вращения деталей пересекаются в одной “центральной” точке и который имеет корпус, вал, который установлен в корпусе в двух противоположных соосных подшипниках, кривошип, который жестко связан с валом в его средней части и снабжен кольцевым пазом, плоскость симметрии которого наклонена к геометрической оси вала и включает в себя упомянутую “центральную” точку, ползун, который кинематически связан с кольцевым пазом кривошипа, качательное кинематическое звено, которое установлено в корпусе в двух противоположных соосных подшипниках так, что их общая геометрическая ось практически перпендикулярна общей геометрической оси подшипников вала, и по меньшей мере один стержневой промежуточный элемент кинематической связи между ползуном и качательным кинематическим звеном, отличающийся тем, что кольцевой паз кривошипа выполнен в виде по меньшей мере одной первой беговой дорожки для тел качения, ползун выполнен на основе кольца с по меньшей мере одной второй беговой дорожкой для тел качения и кинематически связан с кольцевым пазом кривошипа через эти тела, качательное кинематическое звено выполнено в виде обоймы, которая с непрерывным зазором свободно охватывает указанное кольцо и жестко связана по меньшей мере с одним дополнительным выступающим за корпус валом.
2. Механизм по п.1, отличающийся тем, что указанная обойма жестко связана с двумя дополнительными соосными валами, которые выступают за пределы корпуса с его противоположных сторон.
3. Механизм по п.1 или 2, отличающийся тем, что вал, несущий кривошип, снабжен по меньшей мере одним маховиком, который расположен вне корпуса.
4. Механизм по п.1 или 2, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде двух жестко связанных рамок, плоскости симметрии которых перпендикулярны и включают упомянутую “центральную” точку.
5. Сферический кривошипно-ползунный механизм для обратимых преобразователей направления движения, в котором геометрические оси всех установленных с возможностью вращения деталей пересекаются в одной “центральной” точке и который имеет корпус, вал, который установлен в корпусе в двух противоположных соосных подшипниках, кривошип, который жестко связан с валом в его средней части и снабжен кольцевым пазом, плоскость симметрии которого наклонена к геометрической оси вала и включает в себя упомянутую “центральную” точку, ползун, который кинематически связан с кольцевым пазом кривошипа, качательное кинематическое звено, которое установлено в корпусе в двух противоположных соосных подшипниках так, что их общая геометрическая ось практически перпендикулярна общей геометрической оси подшипников вала, и по меньшей мере один стержневой промежуточный элемент кинематической связи между ползуном и качательным кинематическим звеном, отличающийся тем, что кривошип выполнен разъемным, в кольцевом пазу кривошипа жестко закреплено цельное кольцо с по меньшей мере одной беговой дорожкой, которое служит внутренним кольцом подшипника качения, ползун выполнен на основе наружного кольца указанного подшипника качения, которое имеет одинаковое с указанным внутренним кольцом количество беговых дорожек и опирается на него через подходящие тела качения, а качательное кинематическое звено выполнено в виде обоймы, которая с непрерывным зазором свободно охватывает ползун и жестко связана по меньшей мере с одним дополнительным выступающим за корпус валом.
6. Механизм по п.5, отличающийся тем, что указанная обойма жестко связана с двумя дополнительными соосными валами, которые выступают за пределы корпуса с его противоположных сторон.
7. Механизм по п.5 или 6, отличающийся тем, что вал, несущий кривошип, снабжен по меньшей мере одним маховиком, который расположен вне корпуса.
8. Механизм по п.5 или 6, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде двух жестко связанных рамок, плоскости симметрии которых перпендикулярны и включают упомянутую “центральную” точку.
Проектирование (производство) кулисного механизма
Несмотря на кажущуюся простоту устройств кулисного механизма, для того, чтобы он работал эффективно, требуется провести большую работу по его расчету и проектированию. При этом рассматриваются следующие основные аспекты:
- производительность и КПД;
- себестоимость производства и эксплуатации;
- отказоустойчивость и межремонтный ресурс;
- точность действия;
- безопасность.
Учитывая сложность взаимовлияния этих аспектов друг на друга, расчет кривошипно-кулисного механизма представляет из себя многоступенчатую итеративную задачу.
В ходе проектирования проводят следующие виды расчета и моделирования:
- расчет кинематики;
- динамический расчет;
- статический расчет.
Обычно проектирование и расчет разбивается на следующие этапы:
- Определение требуемого закона движения расчетно-аналитическим или графоаналитическим методом.
- Кинематическое моделирование. Выполнение общего плана, скоростного плана, графическое моделирование моментов инерции, графика энерго-массовых зависимостей.
- Силовое моделирование. Построение плана ускорений, эпюр сил, приложенных к звеньям в нескольких положения.
- Синтез кулисно-рычажного механизма. Построение графиков перемещения, скорости, ускорений графико-дифференциальным методом. расчет динамики кулисного механизма и его динамический синтез.
- Проверка на соответствие закону движения. Окончательное профилирование кулис.
- Проверка на соблюдение норм безопасности и охраны труда.
- Выпуск чертежей.
Расчет и проектирование кулисного механизма долгое время представлял собой весьма трудоемкий процесс, требовавший большого сосредоточения и внимательности от конструктора. В последнее время развитие средств вычислительной техники и программных продуктов семейства CAD-CAE существенно облегчил все рутинные операции по расчету. Конструктору достаточно выбрать подходящую кинематическую пару или звено из поставляемых производителем программ библиотек и задать их параметры на трехмерной модели. Существуют модули, на которых достаточно отобразить графически закон движения, и система сама подберет и предложит на выбор несколько вариантов кинематической его реализации.
Принцип работы кривошипно-шатунного механизма
Под давлением газов, которые образуются в цилиндрах двигателя при сгорании топливно-воздушной смеси, поршень совершает поступательное движение по направлению к коленчатому валу.
Важные детали механизма, а именно: поршень, шатун и вал помогают преобразовывать движения поступательного характера в движения вращательного, что в свою очередь запускает вращение колес автомобиля.
В обратном порядке взаимодействие вала и поршня выглядит следующим образом: вал при вращательном движении через детали механизма – вал, шатун и поршень, преобразовывает энергию в поступательное поршневое движение.
By A. Schierwagen using OpenOffice Draw , via Wikimedia Commons
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к группе механизмов, в которых связь механических звеньев осуществляется прохождением магнитного потока при отсутствии между ними контакта.
Известен механизм, содержащий поворотный на оси барабан и магнитный элемент .
Задачей изобретения является придание известному механизму функций преобразования возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и наоборот.
Технический результат достигается тем, что в механизме преобразования возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и наоборот, содержащем поворотный на оси барабан и магнитный элемент, на поверхности барабана выполнен закрытый винтовой канал с заключенным в нем, по меньшей мере, одним шариком, а магнитный элемент установлен на рейке с возможностью перемещения вдоль барабана; причем шарик и магнитный элемент имеют магнитную связь. Магнитный элемент уравновешен баллоном, содержащим газ легче воздуха.
На фиг.1 представлен в горизонтальном положении механизм преобразования возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и наоборот, вид сбоку; на фиг.2 изображено сечение фиг.1 по А-А; на фиг.3 механизм преобразования возвратно-поступательного в возвратно-вращательное движение и наоборот показан в вертикальном положении, вид сбоку; на фиг.4 изображен вид на фиг.3 сверху.
Механизм преобразования возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и наоборот содержит поворотный на оси 1 барабан 2, на поверхности 3 которого выполнен винтовой канал 4, закрытый жесткой тонкостенной оболочкой 5. Барабан может быть пустотелым или полнотелым, располагаться горизонтально или вертикально, иметь форму цилиндра или усеченного конуса. Канал в поперечном сечении может иметь форму полукруга, квадрата, прямоугольника, треугольника. В канале с возможностью свободного качения размещены несколько шариков 6, изготовленных из ферромагнитного материала, например, в виде железной дроби. У боковой поверхности барабана подвижно установлена рейка 7 с закрепленным на ней постоянным магнитным элементом 8, имеющим возможность перемещения вдоль барабана. Барабан, оболочка и рейка изготовлены из немагнитного материала. Шарики (дробь) и магнитный элемент имеют магнитную связь. В случае вертикального расположения барабана магнитный элемент может быть уравновешен баллоном 9, например, в форме тонкостенного жесткого шара, содержащим газ (водород гелий) легче воздуха. Шар может быть прикреплен к магнитному элементу или рейке.
При повороте оси 1 шарики 6 начинают перекатываться по винтовому каналу 4, выполненному на поверхности 3 барабана 2; заставляя вследствие воздействия постоянного магнитного поля перемещаться магнитный элемент 8 и рейку 7 в направлении движения шариков. Тонкостенная оболочка 5, плотно охватывающая поверхность барабана, препятствует выпадению шариков из канала. Таким образом, в предложенном механизме происходит преобразование возвратно-вращательного движения барабана в возвратно-поступательное движение рейки.
При перемещении рейки с магнитным элементом вдоль барабана постоянное магнитное поле, воздействуя на шарики, находящиеся в винтовом канале, заставляют их перемещаться в направлении движения магнитного элемента и поворачивать барабан. Таким образом, происходит преобразование возвратно-поступательного движения рейки в возвратно-вращательное движение барабана.
При вертикальном расположении механизма преобразования возвратно-поступательного движения в возвратно-вращательное движение и наоборот баллон 9, заполненный газом легче воздуха, уравновешивает силу тяжести от масс магнитного элемента и рейки.
Предложенный механизм может быть применен в учебном процессе, техническом творчестве, в изготовлении приборов и игрушек.
Источники информации
1. Политехнический словарь. Гл. ред. И.И.Артоболевский. – М.: Советская Энциклопедия, 1976. – С.268-269.
Расчет собачки храпового механизма
Устанавливаемая собачка храповика выступает в качестве важного элемента конструкции. Среди особенностей его изготовления отметим нижеприведенные моменты:
При создании подвижной собачки механизма применяется сталь 40Х, которая дополнительно обрабатываются термическим методом для повышения твердости
Рассматриваемый материал после термической обработки становится более защищенным от воздействия окружающей среды.
Для обеспечения надежной фиксации применяется специальная пружина или вес.
При установке собачки уделяется внимание тому, что ось ее вращения располагается так, чтобы ее контактная поверхность соприкасалась с зубом под углом 90 градусов или близким к нему. За счет этого обеспечивается более высокая надежность фиксации.
Работа рассматриваемого устройства определяет то, что не приходится выполнять периодической обслуживание. При длительной эксплуатации есть вероятность быстрого износа поверхности. Кроме этого, со временем пружина может потерять свои основные свойства.
Возможные проблемы и важные особенности
При работе рассматриваемого механизма велика вероятность возникновения самых различных проблем. Примером можно назвать проскок положения максимума и многие другие. Для предотвращения проблем следует:
- Проводить своевременное обслуживание.
- Соблюдать технику безопасности.
- Выполнять периодическую замену различных деталей.
Также следует уделять внимание тому, какой период смазки коленно-рычажного механизма. Только при своевременной подаче смазывающего вещества можно существенно снизить степень износа основных элементов
Стоит учитывать, что для рассматриваемого рычажного механизма требуется специальная жидкость, обладающая особыми свойствами.
Проскок положения максимума
Как выше было указано, довольно большое распространение получил случай проскока положения максимума. Среди особенностей этого момента отметим следующее:
- На момент, когда все три шарнира находится на одной линии оказывается наибольшее усилие смыкания.
- В данном положении шток вытянут максимально, неосторожные действия могут стать причиной повреждения конструкции.
- Если конструкция была настроено неправильно, то серьги проскакивают положение крайней точки. Подобное явление становится причиной, по которой шток не может вернуться в первоначальное положение.
На момент максимального перемещения штока оказывается сильное давление, за счет чего возникает вероятность деформации основных элементов. Именно поэтому проскок положения максимума приводит к механическому повреждения станка.
Оверлок
Проблема может возникать также в случае неправильной регулировки рычажного механизма. Примером можно назвать случай, когда усилия цилиндра недостаточно для открытия основных элементов. Особенности проблемы следующие:
- На колонны в большинстве случаев надеваются ленточные нагреватели.
- За счет нагрева до определенной температуры происходит удлинение колонны, за счет чего снижается степень оказываемой нагрузки.
В подобном случае запрещается открывать форму до полного открытия колонн. Это связано с тем, что возникающая нагрузка может стать причиной деформации направляющих элементов. Если они потеряют свою форму, то в дальнейшем существенно усложниться ход подвижных элементов.
Уравнения движения поршня (для центрального КШМ)
Диаграмма показывающая геометрическое положение шатуннопоршневой оси — P, кривошипношатунной оси — N и центра кривошипа — O
Определения
l — длина шатуна (расстояние между шатуннопоршневой осью и кривошипношатунной осью) r — радиус кривошипа (расстояние между кривошипношатунной осью и центром кривошипа, то есть половина хода поршня A — угол поворота кривошипа (от «верхней мёртвой точки» до «нижней мёртвой точки») x — положение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра) v — скорость шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра) a — ускорение шатуннопоршневой оси (от центра кривошипа вдоль оси цилиндра) ω — угловая скорость кривошипа в радианах в секунду (рад/сек)
Отношения в треугольнике
Как показано в диаграмме, центр кривошипа, кривошипношатунная ось и шатуннопоршневая ось образуют треугольник NOP. Из теоремы косинусов следует, что:
Устройство и принцип действия сдвоенного механизма
Наибольшее распространение получила конструкция коленно-рычажный механизма сдвоенного типа. Она состоит из следующих элементов:
- Неподвижной траверсы.
- Гидравлического цилиндра.
- Четыре колоны, служащие для соединения основной части к плите.
- Подвижная плита.
- Пятишарнирный механизм.
- Серьги.
- Шарниры.
- Салазки.
Отличительной особенностью можно назвать наличие пятишарнирного механизма. Он состоит из нижеприведенных деталей:
- Коромысла.
- Короткой серьги.
- Рычага.
- Штока.
- Траверсы.
Гидравлический выталкиватель обеспечивается удаление отлитых изделий из формы. При этом применение пятишарнирного механизма обеспечивает передачу высокого усилия для открытия формы. Увеличить ход плиты при открытии можно за счет изменения передней серьги. Также может проводится изменение расстояния между шарнирами, которые также расположены на неподвижной траверсе. Особые конструктивные особенности конструкции определяют практически полное отсутствие бокового усилия, которое полностью компенсируется. Именно поэтому устройство устанавливается намного чаще, так как вероятность потери груза существенно снижается.
Салазки можно назвать важной частью конструкции. Они требуются для разгрузки колонн от оказываемой нагрузки подвижной плиты
При их изготовлении применяется материал, который характеризуется высокой износостойкостью и другими привлекательными качествами. Точность размеров салазок позволяет исключить существенно отклонение при передвижении подвижного элемента.
Принцип действия механизма
Принцип действия основывается на базовых законах прикладной механики, кинематики и статики, описывающий взаимодействие системы рычагов, имеющих как подвижные, так и неподвижные оси. Элементы системы полагаются абсолютно жесткими, но обладающими конечными размерами и массой. Исходя из распределения масс рассчитывается динамика кулисного механизма, строятся диаграммы ускорений, скоростей, перемещений, рассчитываются эпюры нагрузок и моментов инерции элементов.
Силы считаются приложенными к бесконечно малым точкам.
Рычажное устройство, имеющее два подвижных элемента (кулиса и кулисный камень) называют кинематической парой, в данном случае кулисной.
Чаще всего встречаются плоские схемы из четырех звеньев. Исходя из вида третьего звена рычажного механизма, различают кривошипные, коромысловые, двухкулисные и ползунные механизмы. Каждый из них обладает собственным способом преобразования вида движения, но все они используют единый прицеп действия- линейное или вращательное перемещение рычагов под действием приложенных сил.
Траектория движения каждой точки кривошипно кулисного механизма определяется соотношением длин плеч и рабочими радиусами элементов схемы.
Вращающееся или качающееся звено системы рычагов оказывает воздействие на поступательно движущееся звено в точке их сочленения. Оно начинает перемещение в направляющих, оставляющих этому звену только одну степень свободы, и движется до тех пор, пока не займет крайнее положение. Это положение соответствует либо первому фазовому углу вращающегося звена, либо крайнему угловому положению качающегося. После этого при продолжении вращения или качании в обратную сторону прямолинейно движущееся звено начинает перемещение в обратном направлении. Обратный ход продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто крайнее положение, соответствующее либо полному обороту вращающегося звена, либо второй граничной позиции качающегося.
После этого рабочий цикл повторяется.
Если кулисный механизм, наоборот, преобразует поступательное движение во вращательное, взаимодействие осуществляется в обратном порядке. Усилие, передаваемое через сочленение от ползуна, прикладывается в стороне от оси вращения звена, обладающего возможностью поворота. Возникает крутящий момент, и вращающееся звено начинает поворачиваться.
Устройство кривошипно-шатунного механизма
Поршень похож на перевернутый стакан, в который укладываются кольца. На любом из них присутствуют два вида колец: маслосъемное и компрессионное. Маслосъемных обычно ставят два, а компрессионных – одно. Но бывают и исключения в виде: два таких и два таких — все зависит от типа двигателя.
Шатун изготавливается из двутаврового стального профиля. Состоит из верхней головки, которая соединяется с поршнем при помощи пальца, и нижней – соединение с коленчатым валом.
Коленчатый вал изготавливается в основном из чугуна повышенной прочности. Представляет собой несоосный стержень. Все шейки тщательно шлифуются, с соблюдением необходимых параметров. Существуют коренные шейки — для установки коренных подшипников, и шатунные – для установки через подшипники шатунов.
Роль подшипников скольжения выполняют разрезные полукольца, выполненные в виде двух вкладышей, которые обработаны токами высокой частоты для прочности. Все они покрыты антифрикционным слоем. Коренные крепятся к блоку двигателя, а шатунные — к нижней головке шатуна. Чтобы вкладыши хорошо работали, в них делают канавки для доступа масла. Если вкладыши провернуло – значит, имеется недостаточный подвод масла к ним. Это обычно происходит при засорении масляной системы. Вкладыши ремонту не подлежат.
Продольное перемещение вала ограничивают специальные упорные шайбы. С обоих концов обязательно применение различных сальников для предотвращения выхода масла из системы смазки двигателя.
К передней части коленвала крепится шкив привода системы охлаждения и звездочка, которая приводит в действие распредвал при помощи цепной передачи. На основных моделях выпускаемых сегодня автомобилей ей на замену пришел ремень. К задней части коленчатого вала крепится маховик. Он предусмотрен для устранения дисбаланса вала.
Также на нем стоит зубчатый венец, предназначенный для пуска двигателя. Чтобы при разборке и дальнейшей сборке не возникало проблем – крепеж маховика выполняется по не симметричной системе. От расположения меток его установки зависит и момент зажигания – следовательно, оптимальная работа двигателя. При изготовлении его балансируют вместе с коленчатым валом.
Картер двигателя изготавливается вместе с блоком цилиндров. Он служит основой для крепления ГРМ и КШМ. Имеется поддон, который служит емкостью для масла, а так же для защиты двигателя от деформации. Снизу предусмотрена специальная пробка для слива моторного масла.
Принцип работы КШМ
На поршень оказывают давление газы, которые вырабатываются при сгорании топливной смеси. При этом он совершает возвратно – поступательные движения, заставляя проворачиваться коленчатый вал двигателя. От него вращательное движение передается на трансмиссию, а оттуда – на колеса автомобиля.
А вот на видео показано как работает КШМ в тюнингованном ВАЗ 2106:
https://youtube.com/watch?v=jmcssqJNFTg
Основные признаки неисправности КШМ:
- стуки в двигателе;
- потеря мощности;
- снижение уровня масла в картере;
- повышенная дымность выхлопных газов.
Кривошипно-шатунный механизм двигателя очень уязвим. Для эффективной работы необходима своевременная замена масла. Лучше всего ее производить на станциях техобслуживания. Даже, если Вы недавно поменяли масло, и приходит пора сезонного ТО – обязательно перейдите на то масло, какое указано в инструкции по эксплуатации машины. Если в работе двигателя возникают какие-то проблемы: шумы, стуки – обращайтесь к специалистам – только в авторизированном центре Вам дадут объективную оценку состояния автомобиля.
Также на эту тему вы можете почитать:
Как правильно менять масло в коробке-автомат?
Система зажигания очень важна для автомобиля
Как промыть систему охлаждения мотора
Рено Меган: покупка со вторых рук и стоимость возможных рисков
Правильный тюнинг двигателя Нива Шевроле увеличит мощность на 30%
Alex S 13 октября, 2013
Опубликовано в: Полезные советы и устройство авто
Метки: Как устроен автомобиль
