Виды кривошипно-шатунных механизмов

Прочностной расчет деталей двигателя внутреннего сгорания (ДВС) во многом опирается на результаты расчета кинематики его кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Рис. 6.1. Схемы кривошипно-шатунных механизмов: а – центрального; б – смещенного; в – с прицепным шатуном

В поршневых ДВС используются три основных типа кривошипно-шатунных механизмов (рис. 6.1): центральный (аксиальный), смещенный (дезаксиальный) и с прицепным шатуном. В центральном КШМ (рис. 6.1, а) оси коленчатого вала и цилиндров лежат в одной плоскости. В смещенном КШМ (рис. 6.1, б) ось цилиндра не пересекает ось коленчатого вала, а смещена относительно нее на некоторое расстояние. В КШМ с прицепным механизмом (рис. 6.1, в) имеются главный шатун, шарнирно соединенный с шейкой коленчатого вала и прицепной шатун, соединенный посредством пальца с главным шатуном в его кривошипной головке. Такая схема КШМ нашла применение на многоцилиндровых двигателях для уменьшения длины двигателя.

Кинематический анализ КШМ устанавливает законы движения его звеньев: поршня, шатуна и кривошипа. При этом не учитываются силы, вызывающие движение звеньев КШМ, и силы трения, а также считается, что зазоры между сопряженными элементами отсутствуют, а угловая скорость вращения коленчатого вала постоянна. При кинематическом анализе КШМ учитываются только его структура и геометрические соотношения между его звеньями.

В центральном КШМ основными геометрическими параметрами, определяющими законы движения его элементов, являются радиус кривошипа коленчатого вала R и длина шатуна L_ш. Критерием кинематического подобия центрального КШМ является параметр λ, равный отношению радиуса кривошипа к длине шатуна λ = R/L_ш. Это означает, что для кривошипно-шатунных механизмов различных размеров, но с одинаковым значением параметра λ законы движения их аналогичных элементов будут подобны. При уменьшении параметра λ снижаются инерционные и нормальные силы, но увеличиваются высота и масса двигателя. Исходя из этого, в автомобильных и тракторных двигателях используют механизмы, в которых отношение радиуса кривошипа к длине шатуна равно λ = 0,24…0,31.

В смещенных КШМ на кинематику также оказывает влияние величина смещения оси цилиндра относительно оси коленчатого вала a. В этих механизмах в дополнение к параметру λ вводится еще один критерий кинематического подобия – относительное смещение k = a/R.

При работе двигателя имеют место различные виды перемещений основных элементов его кривошипно-шатунного механизма. Поршень совершает возвратно-поступательное движение; шатун – сложное плоскопараллельное движение в плоскости его качания; кривошип – вращательное движение относительно оси коленчатого вала.