Схема поршня: ᐉ Схема поршня

WHAT’S
NEW
HERE ?EPI
Products
and Services

Technical Articles and Product Descriptions

Mechanical Engineering FundamentalsPiston
Engine
TechnologyEPI
Engine
ProjectsAircraft
Engine
ConversionsDetailed
Gearbox TechnologyEPI
Gearbox
ProjectsAircraft
Propeller
TechnologySpecial
Purpose
SystemsRotorWay
Вертолет
Проблемы

Справочные материалы

EPI
Справочник
Библиотека EPI Руководства
и
Публикации Некоторые
Интересные
Ссылки

Дополнительные продукты

Материалы
Для продажи
(иногда)

3  

Журнал Race Engine Technology

ВВЕДЕНИЕ в Race Engine TechnologyПОДПИСАТЬСЯ
на Race Engine TechnologyДОСТУПНО
НАЗАД
ВЫПУСКИ

Последнее обновление: 16 декабря 2021 г.

ПРИМЕЧАНИЕ. Все наши продукты, конструкции и услуги являются УСТОЙЧИВЫМИ, ОРГАНИЧЕСКИМИ, БЕЗГЛЮТЕНОВЫМИ, НЕ СОДЕРЖАТ ГМО и не будут огорчать чьи-либо драгоценные ЧУВСТВА или тонкие ЧУВСТВА

Коленчатый вал, шатуны, поршневые пальцы и поршни в двигателе составляют механизм, который улавливает часть энергии, выделяемой при сгорании, и преобразует эту энергию в полезное вращательное движение, способное совершать работу. На этой странице описываются характеристики возвратно-поступательного движения, которое коленчатый вал и узел шатуна сообщают поршням.

Коленчатый вал содержит две или более центрально расположенных соосных цилиндрических («коренных») шейки и одну или несколько смещенных цилиндрических шатунных («шатунных») шеек. Коленчатый вал V8, изображенный на рис. 1 , имеет пять коренных и четыре шатунных шейки.

Рисунок 1

Коренные шейки коленчатого вала вращаются в комплекте опорных подшипников («коренные подшипники»), вызывая смещение шатунных шеек вращаться по круговой траектории вокруг центров коренных шеек, диаметр которых в два раза больше смещения шатунных шеек. диаметр этого пути — это «ход» двигателя, то есть расстояние, на которое поршень перемещается от одного конца до другого конца его цилиндр. Большие концы шатунов («шатуны») содержат подшипники («шатунные подшипники»), которые на смещенных шатунных шейках.

Подробнее о работе подшипников коленчатого вала см. на странице ПОДШИПНИКИ ДВИГАТЕЛЯ. Для получения подробной информации о конструкции и реализации коленчатого вала см. Страница CRANKSH\\HAFT DESIGN.

Малый конец шатуна прикреплен к поршню с помощью плавающего цилиндрического штифта («шпилька», или в британском , «поршневой палец»). Вращение большого конца шатуна на шейке шатуна приводит к совмещению малого конца, который удерживается поршнем. с осью цилиндра, чтобы перемещать поршень вверх и вниз по оси цилиндра.

Рис. 2: ВМТ

Следующее описание объясняет не столь очевидные характеристики движения, которое обеспечивает механизм коленчатого вала/шатуна. к поршню.

На рис. 2 показан вид сбоку в разрезе механизма коленчатого вала, шатуна и поршня (CCP), когда поршень в самой дальней части его хода вверх (от коленчатого вала), который известен как положение верхней мертвой точки (ВМТ) (даже в перевернутых и горизонтальных двигателях).

Наибольшее расстояние перемещения поршня вниз (по направлению к коленчатому валу) известно как положение нижней мертвой точки (НМТ).

В показанном механизме CCP коленчатый вал имеет ход 4000 дюймов, а расстояние между центрами шатуна составляет 6100 дюймов. отношение шатуна к ходу (R/S) — это длина шатуна от центра к центру, деленная на ход. В этом примере R/S составляет 6,100/4,000 = 1,525.

Это соотношение важно, поскольку оно оказывает значительное влияние на асимметрию движения поршня (поясняется ниже) и на результирующую вибрацию и балансовые характеристики, а также некоторые ТТХ.

(ПРИМЕЧАНИЕ: если вы считаете, что установка более длинных шатунов увеличит ход двигателя, вам не нужно идти дальше на этой странице или на всем сайте, если на то пошло. )

Для целей этого обсуждения удлиненная осевая линия отверстия цилиндра пересекает центр коренного подшипника коленчатого вала, и штифт совпадает с осевой линией цилиндра (определяется как нулевое смещение штифта) . Хотя применимы следующие описания строго для конфигураций с нулевым смещением запястья, общие замечания применимы и к конфигурациям с ненулевым смещением.

Рисунок 3: 90° после ВМТ

Важно понимать, что движение поршня в пределах 90° до и после ВМТ не является симметричным с движение на 90° до и после НМТ. Вращение коленчатого вала при перемещении шатунной шейки из положения ВМТ на 90° после ВМТ (и из 90° от ВМТ до ВМТ) перемещает поршень существенно БОЛЕЕ половины длины хода. И наоборот, поворот коленчатого вала от 90° ATDC (или 90° BBDC) в положение BDC перемещает поршень существенно МЕНЬШЕ, чем половина значения хода. Эта асимметрия движения важна потому что это источник нескольких интересных свойств, связанных с работой, производительностью и долговечностью поршневого двигателя.

На рис. 3 показан исследуемый CCP с шатунной шейкой, повернутой на 90° после ВМТ. Обратите внимание, что поршень переместился более чем на 58% от своего полного ход (2,337 дюйма). Это связано с тем, что в дополнение к движению шатунной шейки вниз на 2000 дюймов (полухода) (движение, проецируемое на в вертикальной плоскости), шатунная шейка также сместилась горизонтально наружу на 2000 дюймов, в результате чего шатун оказался под углом к ​​вертикальной плоскости. вертикальная плоскость на 0,337 дюйма с фактических 6,100 дюймов до 5,763 дюймов, показанных на рисунке. Это динамическое «укорочение» шатуна имеет эффект добавления 0,337 дюйма движения вниз к 2,000 дюймам движения вниз, вызванного вращением шатунной шейки, как показано двумя вертикальные синие линии в Рисунок 3 .

Для всех, кто интересуется, вот как вычисляется эта «эффективная длина». Фактическая длина шатуна {6,100 дюймов}, прогнозируемая длина в вертикальной плоскости и горизонтальное перемещение в 2,00 дюйма, вызванное вращением коленчатого вала, образуют прямоугольный треугольник, в котором 6,100 Размер длины шатуна равен гипотенузе , а половина хода 2,00″ является одной из сторон этого прямоугольного треугольника. Теорема Пифагора { средняя школа геометрия} утверждает, что для прямоугольного треугольника гипотенуза равна квадратному корню из суммы квадратов двух перпендикулярных катетов, в виде уравнения:

A² + B² = C²

, где A — одна сторона прямоугольного треугольника, B — другая сторона, а C — гипотенуза.

Решение этого уравнения для неизвестного участка («эффективная длина» шатуна) дает следующее решение:

B = SQRT( C² — A²)

или

SQRT (6,1²-2,0²) = 5,763

Обратите внимание, что в положениях вращения кривошипа, отличных от 0, 90, 180 и 270, расчет немного сложнее, требуя расчета угла между вертикальной плоскостью и осевой линией шатуна, затем умножая длину осевой линии шатуна на косинус этого угла (снова , простая тригонометрия средней школы ).

Рис. 4: 180° после ВМТ

Теперь вернемся к движению поршня.

Поскольку поршень уже прошел около 58% хода в течение первых 90° вращения кривошипа, это само собой разумеющееся что в течение следующих 90 ° поворота кривошипа (до НМТ) поршень должен будет пройти только оставшиеся 42% хода, чтобы достичь НМТ, как показано на рис. 4 .

Причина в том, что при вращении кривошипа в направлении НМТ шатунная шейка также перемещается горизонтально назад к центру цилиндра и «восстанавливает» эффективную длину стержня. Это косинусное «удлинение» шатуна противостоит нисходящему движение поршня, вычитая 0,337 из полухода вертикального движения, полученного из 90° до НМТ. Этот эффект иллюстрируется нижние две вертикальные синие линии в Рисунок 4 .

Рис. 5. Половина хода

Очевидно, что когда коленчатый вал находится в любом положении, кроме ВМТ или НМТ, ось шатуна больше не параллельна центральная линия цилиндра (линия, вдоль которой вынуждены двигаться поршень, поршневой палец и маленький конец штока). Следовательно «эффективная длина» шатуна в любой точке, отличной от ВМТ или НМТ, представляет собой фактическую длину шатуна от центра до центра, умноженную на косинус угла между стержнем и осевой линией цилиндра. Понятно, что динамическое изменение эффективной длины шатуна увеличивает и вычитает чисто синусоидальное движение, вызванное вращением шатунной шейки.

На рис. 5 показано, что при R/S в этом примере ККТ (1.525) положение полухода поршня происходит примерно при Поворот коленвала на 81° после ВМТ. Быстрое изменение объема камеры сгорания после положения ВМТ имеет некоторые интересные последствия. относительно диаграммы PV и теплового КПД (обсуждается на другой странице).

СКОРОСТЬ ПОРШНЯ

Скорость по определению представляет собой мгновенную скорость изменения положения относительно опорной переменной. Скорость поршня — это просто измерение того, насколько быстро поршень позиция изменяется относительно опорной переменной. Это скорость изменения позиции широко известен как « первая производная кривой положения «. (Для более подробного объяснения скорость и ускорение и производные, см. наши СКОРОСТЬ и УСКОРЕНИЕ страницу или любой текст базового расчета, например ref-1:2:39) .)

0281 в качестве эталона для этих графиков. Как правило, человек заинтересован в скорости изменения положения поршня по отношению к времени , что дает скорость в дюймах или футах в секунду, и значение будет зависеть от скорости вращения коленчатого вала.

Очевидно, что при движении поршня от ВМТ к НМТ и обратно скорость постоянно меняется и что скорость поршня равна нулю в ВМТ и ВМТ. Значение и положение максимальной скорости относительно вращения кривошипа (максимальный наклон кривой положения) зависит от отношения R/S.

На рис. 6 показано положение точки максимальной скорости поршня в градусах коленчатого вала до и после ВМТ для конфигурация, используемая в этом примере (ход 4 дюйма, длина штока 6,100 дюйма, R / S = 1,525). В этом положении (73,9 ° до и после ВМТ) поршень прошел только 43,9% (1,756 дюйма) от общего хода (4,000 дюйма). Для этой конфигурации (R/S = 1,525) при 4000 об/мин пик скорость поршня 4390 футов в минуту. Для более длинного хода с тем же R / S положение пиковой скорости поршня было бы таким же, но фактическое значение этой скорости было бы выше (конечно, при тех же оборотах).

На рис. 7 показаны графики зависимости положения поршня и мгновенной скорости от вращения коленчатого вала. Синяя линия («положение») показывает положение поршня (в % хода) в любой точке во время одного оборота коленчатого вала. Синяя линия искусственно ориентированы так, чтобы показать положение в интуитивном смысле (верх, низ), поэтому знаки «-» следует игнорировать по отношению к положению. Зеленая линия скорости показывает относительную скорость поршня (в % от максимальной) в любой точке. Скорость со знаком «плюс» — это движение К коленчатому валу; скорость со знаком «минус» — это движение ОТ коленчатого вала.

Еще раз обратите внимание, что в ВМТ и снова в НМТ скорость поршня равна нулю, поскольку в этих точках поршень меняет направление на противоположное, и чтобы изменить направление, поршень должен быть остановлен в какой-то момент.

Обратите также внимание на то, что график положения (синий) показывает, что для этого отношения R/S (1,525) положения 50% хода происходят приблизительно при 81°. до и после ВМТ (как показано на рис. 5 выше). График скоростей (зеленая линия) показывает максимальные скорости поршня происходят примерно при 74° до и после ВМТ (как показано на рис. 9).0270 рис. 6 выше). Линия скорости также показывает, что скорость поршня в любой точке вращения от ВМТ до максимальной скорости больше, чем при том же числе градусов до НМТ. Например, сравните скорость в 30° после ВМТ (62%) со скоростью в 30° до НМТ (34%).

Рисунок 7

На профиль кривой скорости и, следовательно, на положение максимальной скорости влияет отношение R/S. Как стержень становится короче по отношению к ходу (меньшее отношение R/S), происходят две интересные вещи, которые могут оказать важное влияние на наполнение цилиндра: (1) точка максимальной скорости поршня приближается к ВМТ, и (2) поршень быстрее удаляется от ВМТ, создавая более сильный импульс впуска. Расположение максимальной скорости поршня влияет на конструкцию профилей кулачков распределительного вала (особенно на впуске) для оптимизации процесса впуска. в определенном диапазоне скоростей и может влиять на характеристики впуска в отношении силы и формы впуска импульс для настройки барана.

СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ ПОРШНЯ

Существует еще одна скорость поршня, которая используется больше как «эмпирическое правило» при оценке двигателя. Это называется «средний поршень» скорость», которое представляет собой расчетное значение, показывающее среднюю скорость поршня при известных оборотах в двигателе с известной длиной хода.

Принимая во внимание, что за каждый оборот коленчатого вала поршень проходит расстояние, равное удвоенной длине хода, затем средний поршень Скорость ( MPS ) рассчитывается по формуле:

MPS (футов в минуту)   =   RPM x 2 x ход (дюймы) / 12 (дюймы на фут)   = об/мин x ход / 6

Средняя скорость поршня при 4000 об/мин для примера двигателя с ходом 4000 дюймов:

MPS (футов в минуту) 2667 футов в минуту.

Для практических целей общепризнано, что для авиационного двигателя 3000 футов в минуту является комфортным максимальным MPS и опыт показал, что двигатели с MPS, значительно превышающим это значение, испытывают проблемы с надежностью. Обратите внимание, что R / S не имеет влияет на MPS, хотя и влияет на ПИКОВУЮ скорость поршня (4390 футов в минуту для примера двигателя {R / S = 1,525} при 4000 об/мин).

УСКОРЕНИЕ ПОРШНЯ

Сила, необходимая для ускорения объекта, пропорциональна произведению веса объекта на ускорение. Отсюда ясно, что ускорение поршня важно, потому что многие из значительных сил воздействуют на поршни, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, подшипники, и блок напрямую связаны с ускорением поршня. Ускорение поршня также является основным источником некоторых внешних вибраций, создаваемых двигателем. двигатель.

Крутильные колебания коленчатого вала вызываются главным образом силами сгорания в сочетании с силами ускорения поршня, когда они становятся большими (думаю, высокие обороты). Крутильные колебания обсуждаются отдельно на нашей странице КРУТИТЕЛЬНЫЕ ВИБРАЦИИ.

Ускорение по определению представляет собой первую производную кривой скорости и вторую производную кривой положения. Другими словами, ускорение — это (мгновенный) наклон кривой скорости в любой заданной точке вдоль оси отсчета. Проще говоря, это мера насколько быстро изменяется скорость, обычно выражаемая по отношению ко времени. Если скорость не меняется по отношению к эталону, то нет ускорения. И наоборот, если скорость изменяется очень быстро по отношению к эталону, имеет место большое ускорение. (См. нашу страницу СКОРОСТЬ и УСКОРЕНИЕ для более подробного объяснения.)

Из рис. 7 видно, что скорость поршня постоянно изменяется относительно постоянного изменения углового положение коленчатого вала (вращение). Следовательно, чтобы перейти от точки нулевой скорости (ВМТ) к точке максимальной скорости, поршень должен подвергаться большой функции ускорения, которая зависит от угла поворота коленчатого вала.

На рис. 8 показаны графики ускорения, скорости и положения для обсуждаемого примера CCP. (Все числовые значения представлены для 1,525 об/с в этом примере. )

ПРИМЕЧАНИЕ. Для данной конфигурации двигателя значения скорости и ускорения зависят от мгновенной угловой скорости коленчатого вала (об/мин). Поэтому на следующих диаграммах кривые скорости и ускорения показаны в процентах от максимального значения, которое будет иметь место при любых оборотах в минуту. Величины будут меняться с RPM, но процент пика не изменится.

Рисунок 8

Максимальное положительное значение ускорения (100%) приходится на ВМТ. Между ВМТ и максимальной скоростью поршня (в данном случае 74°) ускорение положительна, но уменьшается к нулю (скорость поршня все еще увеличивается, но менее быстро). При максимальной скорости поршня (74° при этом R/S), поршень перестает ускоряться и начинает замедляться. В этот момент ускорение меняет направление (с плюса на «минусовое» число), и при этом на мгновение проходит через нуль.

При этом R/S максимальное отрицательное ускорение возникает не в НМТ, а примерно по 40° в обе стороны от НМТ. Значение этого максимального отрицательного ускорение составляет всего около 53% от максимального положительного ускорения, наблюдаемого в ВМТ. Ускорение в НМТ составляет всего 49% от максимума ВМТ. ускорение от максимальной скорости поршня (74°) до НМТ отрицательно, и это ускорение замедляет поршень до нулевой скорости. Следовательно, это может быть (неправильно) называть замедлением. Однако такое же отрицательное ускорение прикладывается к поршню после НМТ и вызывает увеличение его скорости.

Точка нулевого ускорения возникает (по определению) в точке максимальной скорости поршня (74° B/A ВМТ), где скорость является обратным направлением, но скорость изменения скорости (наклон кривой) равна нулю.

Несколько странная форма в нижней части кривой полного ускорения поршня (пурпурная) является результатом того факта, что общее ускорение поршня представляет собой сумму нескольких порядков ускорения, причем первые два являются наиболее значительными. Два основных заказа, которые объединяются, чтобы произвести эту общую сумму профиль ускорения важен, потому что он может создавать серьезные проблемы с вибрацией для конструктора двигателя. (прикрытые КОЛЕНВАЛАМИ).

На рис. 8 показана та же кривая общего ускорения поршня (пурпурная линия), что и на рис. 7 , наряду с двумя значительными порядками ускорений поршня (первого и второго порядка), которые в совокупности образуют эту кривую. Кривая полного ускорения поршня (пурпурный цвет) представляет собой сумму двух отдельных порядков ускорения: первичного (синий) и вторичного (зеленый).

Рисунок 8

Как объяснялось выше в разделе «Движение поршня», движение поршня в первые 90° вращения состоит из суммы эффекта полухода движения шатунной шейки в проекции на вертикальную плоскость (2,000 дюйма) и эффект кажущегося «укорочения» на 0,337 дюйма длины шатуна проецируется на вертикальную плоскость. Второй поворот на 90° также вызывает движение в вертикальной плоскости на половину хода, но косинусный эффект удлинение шатуна в вертикальной плоскости приводит к перемещению на 0,337 дюйма, которое вычитается из полухода.

Первичное ускорение (синяя линия) является результатом движения поршня, создаваемого составляющей движения шатунной шейки, спроецированной на вертикальная плоскость. Эта кривая представляет собой синусоиду, которая повторяется один раз за один оборот коленчатого вала (первый порядок) и составляет большую часть ускорение. Обратите внимание, что кривая основного ускорения пересекает ноль в точке 9Точки вращения 0° и пики в ВМТ и НМТ.

Вторичное ускорение (зеленая линия) является результатом дополнительного движения поршня, вызванного косинусным динамическим изменением эффективной длины шатун. Это движение добавляется к движению поршня между ВМТ и точкой максимальной скорости и вычитается из движения поршня между максимальной скоростью. точка и БДК. Эта кривая также является синусоидальной и повторяется дважды за один оборот коленчатого вала (второй порядок) и пересекает нуль при 45°, 135°, 225° и 315°. точки вращения. Полное ускорение поршня в любой точке равно сумме значений первичной и вторичной кривых ускорения.

Современные поршневые двигатели, как правило, имеют отношение R/S примерно в диапазоне от 1,5 до 2,0. Обратите внимание, что отношение шток/ход менее 1,3 соответствует практическое применение, невозможное из-за физических ограничений, таких как необходимость поршневых колец и поршневого пальца, достаточная длина юбки поршня, и неудобство, связанное с тем, что поршень не соприкасается с противовесом коленчатого вала, не говоря уже о чрезмерной боковой нагрузке, которую может создать такое маленькое соотношение.

Вот два практических примера, сравнивающих влияние R/S на ускорение и скорость. Двигатель 1 («Е1») представляет собой Lycoming IO-360 (или IO-540) с длиной шатуна 6,75 дюйма и ходом 4,375 дюйма для отношения R/S 1,543, что близко к нижнему пределу спектра в современный дизайн. На другом конце этого спектра находится двигатель 2 («Е2») — типичный (примерно 2007 г.) 2,4-литровый двигатель Формулы-1 V8 мощностью 755 л. позвоните в очень короткий шток «). Однако ход в этом двигателе F1 составляет 1,566», что дает очень большое отношение R/S 2,56. Влияние этих двух крайних соотношений R/S показано на Рис. 9 ниже

Рис. 9

На Рис. 9, красные линии представляют ускорение поршня (в % от пикового значения) для двигателя 1. (1,543 R/S): первичный (большие штрихи), вторичный (маленькие штрихи) и общий (сплошной). Синие линии показывают ускорение поршня для двигателя 2 с 2,560 об/с (в % от пикового значения): первичное (большие штрихи), вторичное (маленькие штрихи) и общее (сплошная линия).

Из этого графика совершенно ясно, что двигатель с очень маленькое отношение R/S 1,543 («длинный» 6,75-дюймовый шатун ) имеет существенно более низкое пиковое первичное ускорение (76 против 84%), но более высокое вторичное ускорение (24 против 16%), и очень четкое изменение направления ускорения вокруг НМТ, подтверждающее существенную вторичную составляющую вибрации.

Сравните это с большими синими линиями отношения R/S 2,56 («короткий» 4,01-дюймовый шатун), показывающими значительно более высокий пик первичное ускорение (84 против 76%), но более низкое вторичное ускорение (16 против 24%), а кривая общего ускорения ближе к симметричный, что подтверждает существенное снижение вторичной составляющей вибрации.

Рисунок 9 также наглядно демонстрирует абсурдность обсуждения длины шатуна как абсолюта.

Рисунок 10 представляет собой диаграмму, на которой перечислены основные эффекты отношения R/S в диапазоне от 1,40 до 2,55. Я выбрал R / S = 2,0 в качестве эталона. точка для этих сравнений Vmax % , PPA max-положительный % и PPA max-отрицательный % , потому что это соотношение является самым низким в максимальное отрицательное ускорение которого происходит в НМТ. Обратите внимание, что при отношении R/S выше 2,00 кривая ускорения становится более симметричной, но максимальная скорость практически не меняется.

Рисунок 10
Влияние отношения R/S

ПРИМЕЧАНИЕ: Все расчеты и пояснения на этой и следующей страницах предполагают нулевое смещение поршневого пальца. Ненулевое смещение будет немного изменить расчеты, НЕМНОГО являясь оперативным словом.

Объяснение вибрационных эффектов, которые производят эти первичные и вторичные силы

<< Вернуться к: Содержание Перейти к началу страницы ↑ Следующая тема: Силы, воздействующие на возвратно-поступательные компоненты >>