5. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма.
Целью динамического расчета является определение сил и моментов, действующих на детали кривошипно-шатунного механизма при работе дизеля. Значение сил и моментов необходимо для расчета деталей проектируемого двигателя на прочность, анализа надежности и долговечности узлов и деталей в эксплуатации, оценки уравновешенности двигателя и сравнения его нагруженности с аналогичными эксплуатируемыми дизелями.
Во время работы дизеля на его к.ш.м. действуют три силы:
— сила от давления газов на поршень, приложенная к верней головке шатуна:
;
— сила инерции от возвратно-поступательно движущихся масс, приложенная к верхней головке шатуна:
;
— сила инерции от вращающихся масс, приложенная к нижней головке шатуна:
;
Силы и всегда имеют направление действие вдоль оси цилиндра, поэтому их можно складывать алгебраически:
Сила направлена от оси вращения вдоль радиуса
кривошипа.
Силы и считаются положительными, если они направлены к днищу поршня, а сила – если от оси вращения коленчатого вала.
Схема действия сил на кривошипно-шатунный механизм представлена на рис. 3.
Суммарная сила приложена к поршню и ее можно разложить на силу , действующую вдоль оси шатуна, а силу , направленную перпендикулярно к боковой стенке цилиндра. Сила определяет величину силы трение поршня о поверхность цилиндровой втулки. В проектном динамическом расчете величина силы трения не учитывается. Силу можно перенести вдоль линии ее действия и принять за точку приложения центр шатунной шейки коленчатого вала. Эту силу также можно разложить на две составляющие: силу , направленную тангенциально, и силу ,
направленную вдоль радиуса кривошипа коленчатого вала.
Рис.
3. Расчетная схема аксиального
кривошипно-шатунного механизма и силы, действующие
на его элементы.
Сила считается положительной, если она сжимает стержень шатуна, сила — если действует по направлению вращения коленчатого вала, а сила — если она сжимает щеку кривошипа коленчатого вала.
При выполнении динамического расчета к.ш.м. дизеля обычно находят не абсолютные значения этих сил, а их удельные значения, т.е. относят силы к единице площади поперечно сечения поршня. Для определения абсолютного значения, необходимо удельную силу умножить на площадь поршня. Удельная сила давления газов алгебраически складывается из давления газов на поршень со стороны камеры сгорания и со стороны кривошипной камеры , т.е.:
В проектном расчете принимаем
Удельная сила инерции от возвратно-поступательного движущихся масс:
Масса включает массу комплекта поршня (поршень, вставка, палец, поршневые кольца и др.) и часть массы шатуна , участвующую в поступательном движении:
Массу
шатуна условно делят на две части.
Одну
из них
считают сосредоточенной на оси поршневого
пальца и относят к поступательно
движущимся частям, а другую на оси кривошипа и относят к вращающимся
частям. Распределение масс производят
по правилам разложения равнодействующей
на две параллельные силы:
— расстояние от центра масс шатуна до центра нижней головки шатуна.
Сложив алгебраически соответствующие ординаты и , получим зависимость удельной суммарной силы от угла .
Для построения зависимостей от угла используются следующие соотношения:
При вычислении принимаем от 0° до 270° (для 4-х тактного дизеля).
В диапазоне
В диапазоне
При величине принимаем два значения:
В диапазоне , но не более
При величине принимаем:
В диапазоне
Результаты
расчетов заносим в таблицу 3.
Таблица 3.
Карта сайта || Филиал КузГТУ г.Прокопьевск
|
|
советов по правильному размеру шатунов от Callies
Двигатель не лучше и не прочнее, чем его вращающийся узел: коленчатый вал, шатуны и поршни, все они имеют первостепенное значение для долговечности и потенциальной мощности.
Ключевой частью здорового вращающегося узла являются правильные шатуны, перемещающие поршни вверх и вниз при вращении коленчатого вала. Callies производит множество шатунов для различных применений, и они делятся полученными знаниями о том, как убедиться, что в вашем двигателе установлены правильные шатуны.
Выбор хорошего шатуна для вашего двигателя не ограничивается несколькими размерными измерениями; есть множество вещей, которые нужно учитывать. Кейли Ламберт из Callies предоставляет информацию о трех самых важных моментах, на которые следует обратить внимание при выборе размера удилища.
«Во-первых, какова ваша долгосрочная цель по настройке двигателя? Иногда люди сначала строят двигатель с «планами на будущее», и необходимо учитывать определенные компоненты, такие как шатуны. Во-вторых, что за приложение? Удочка, которая отлично подошла бы для стрит-кара, может не подойти для универсального гоночного автомобиля. В-третьих, какая комбинация двигателя? Иногда определенные ходы коленчатых валов и длины шатунов вызывают заедание блока, что требует «очистки» блока и/или шатунов.
Этого зазора можно избежать, используя стержень меньшего диаметра шейки, стержень меньшей длины или стержень со смещенным колпачком», — объясняет Ламберт.
Когда вы собираетесь построить двигатель, тип шатунов, который вы выберете, будет зависеть от конкретного типа сборки или добавочной мощности», — продолжает Ламберт. «Безнаддувные, турбированные, воздуходувные и закиси азота потребуют разных шатунов, чтобы обеспечить наилучшую производительность и наименьшее количество проблем. «В сборке N / A с высокими оборотами парни будут склоняться к более легкому и меньшему шатуну с большой шейкой, чтобы попытаться сбросить как можно больше массы. При большом форсировании или закиси азота вес не должен быть главной проблемой; главным пунктом должна быть долговечность и долговечность. В этих типах сборок обычно используется более тяжелый стержень».
После того, как вы знаете, каков ваш план действий с двигателем, пришло время выполнить все важные измерения, необходимые для шатунов.
Lambert предоставляет переменные, которые необходимо учитывать при измерении шатунов в вашем двигателе. «Вам необходимо измерить размеры диаметра отверстия шатуна и шатуна, ширину, надлежащие зазоры в подшипниках, а также боковой зазор. Вам также необходимо получить правильную общую длину для хода коленчатого вала и высоты сжатия поршня, прежде чем выбирать шатуны», — говорит Ламберт.
Последний совет Ламберта, касающийся выбора шатунов, касается того, чего не следует делать и как избежать ошибок, которые обычно совершают люди. «Когда приходит время выбирать детали, люди покупают стержень, подходящий для определенного применения, и пытаются повторно использовать его для другой цели. Использовать стержень из сборки N/A на сборке воздуходувки нельзя — будут проблемы. Кроме того, некоторые люди руководствуются исключительно стоимостью, а не тем, что лучше для их применения, и это может привести к серьезному отказу шатуна».
Обязательно посетите веб-сайт Callies, чтобы получить дополнительную информацию о том, как выбрать шатуны, и ознакомьтесь со всеми предлагаемыми шатунами!
Пять вещей, которые нужно знать об алюминиевых шатунах
Если вы прыгаете в более высокую часть пула лошадиных сил, вы можете использовать набор алюминиевых шатунов, чтобы раскачивать поршни внутри отверстий цилиндров. Алюминиевые шатуны уже давно являются предметом споров относительно их использования и долговечности в различных типах гоночных двигателей. В зависимости от цели, бюджета, дополнительных мощностей и других параметров алюминиевые шатуны могут стать отличным дополнением к любому двигателю, но подходят ли они всем? И устраняют ли сегодняшние последние варианты такие проблемы, как растяжение стержня?Энтони Джанноне из компании MGP Connecting Rods присоединился к нам, чтобы проиллюстрировать пять основных советов по покупке алюминиевых шатунов.
#1: Узнайте о преимуществах алюминиевых шатунов, прежде чем тратить деньги
Если вы инвестируете в создание двигателя-убийцы, вы хотите укомплектовать его самыми лучшими деталями. Проблема с таким мышлением заключается в том, что вы можете в конечном итоге купить детали, которые не подходят для ваших целей или комбинации.
Алюминиевые стержни могут показаться чем-то, что вам нужно, потому что они блестящие и их используют быстрые парни, но вам нужно сначала знать, подойдут ли они для вашей сборки.
Алюминиевые шатуны обеспечивают преимущества в производительности, но важно убедиться, что они подходят для вашей комбинации.
Энтони помог бесчисленному количеству гонщиков создать двигатели, мощность которых достаточна для многократного вращения Земли, и он дает прекрасное объяснение основ алюминиевых стержней.
«Алюминиевые стержни по сути являются амортизаторами. Они предназначены для восприятия всей сжимающей нагрузки и не передают эту энергию коленчатому валу; это было оригинальное мышление за алюминиевым стержнем. Итак, с учетом сказанного, теперь все, что имеет добавочную мощность, работает при детонации, и когда вы взрываете так сильно, стальной стержень не может пройти через это без отказа ».
Преимущество алюминиевого стержня заключается в способности выдерживать удар энергии и сохранять коленчатый вал.
Гораздо проще оправдать комплект шатунов за 1200 долларов, чем коленчатый вал за 5000 долларов, если вам нужно что-то заменить. – Энтони Джанноне
Гораздо проще оправдать комплект шатунов за 1200 долларов, чем коленчатый вал за 5000 долларов, если вам нужно что-то заменить. – Энтони ДжаннонеПреимущество алюминиевых стержней, о котором проповедовали с момента их появления, заключалось в том, что они обеспечивают снижение веса. Хотя алюминиевые стержни могут сэкономить вам вес, они также могут добавить прочности в нужных местах.
«Тема веса уже не так актуальна, как раньше. Производители стальных стержней смогли значительно снизить вес своих современных конструкций, а алюминиевые стержни примерно на 100 граммов легче при прямом сравнении с аналогичными стержнями. В наши дни производители двигателей пытаются уменьшить вес поршня и сохранить лишнюю массу в нижней части штока — вот где алюминиевый шток полезен. На дне намного больше материала, поэтому они все еще прочнее для своего веса по сравнению со стальными стержнями», — говорит Энтони.
#2: Растяжение и рост алюминиевых стержней прекратятся!
Растяжение и рост стержня раньше были законной проблемой для тех, кто хотел добавить набор алюминиевых стержней к своему вращающемуся узлу.
По сути, растяжение удилища — это физическое растяжение центрального расстояния удилища. Изготовитель двигателя должен был бы принять во внимание растяжение, потому что шатуны будут увеличиваться по мере увеличения оборотов двигателя. Если бы растяжение и рост не были компенсированы при проектировании узла двигателя, когда шток в конечном итоге растянулся бы, это привело бы к контакту поршня с вещами, которых он не должен касаться.
Энтони объясняет, что в MGP они больше не наблюдают роста удилищ и помогают своим клиентам убедиться, что у них есть удилища нужного размера, основываясь на этом.
«Раньше люди компенсировали межосевое расстояние от 0,010 до 0,015 дюймов для роста, который мог бы произойти при использовании алюминиевых стержней. Мы рекомендуем 0,050-дюймовый поршень к головке, и это зависит от того, хотят ли они поместить его на нулевую палубу и установить прокладку 0,050 дюйма, или поместить его в отверстие 0,050 и установить 0,010-дюймовую прокладку. Мы просто не видим, как стержни растягиваются по центральному расстоянию, как раньше.
Это расстояние есть на всякий случай, потому что, когда мы получаем удилища обратно, мы не видим, как они действительно растягиваются — они все еще имеют то же центральное расстояние, с которым мы их отправили».
Взорванный двигатель Pro Mod, подобный тому, который Майк Дженис использует в своем Camaro, нуждается в алюминиевых шатунах из-за жесткой природы комбинации. Алюминиевые стержни помогают вращающемуся узлу нормально вращаться.
Растяжение стержня и чума роста, возможно, больше не являются тем, о чем вам нужно беспокоиться, но для того, чтобы избавиться от них, потребовались определенные усилия. MGP потратила значительное количество времени на поиск способа устранения этой проблемы, чтобы алюминиевые стержни могли стать более практичными для всех применений.
«Мы частично устранили эту проблему благодаря дизайну и во многом благодаря материалам, которые мы внедрили в наши продукты. Алюминий, который мы используем, — это материал аэрокосмического качества, который является самым современным алюминием, появляющимся на рынке.
Материал — это то, что вызывало большинство проблем с растяжением, и наши новые материалы не имеют этой проблемы. Избавление от растяжения и роста удилища дает преимущество в производительности, потому что люди могут бегать на нулевой палубе, и им нужно всего лишь 0,050-дюймовый зазор», — объясняет Энтони.
#3: Метод затяжки против метода растяжения для шатунных болтов
Если вы планируете строить или обслуживать двигатель, в котором используются алюминиевые стержни, вам необходимо знать, как правильно затягивать шатунные болты. Есть два разных способа сделать это: один заключается в том, что вы измеряете величину растяжения после затягивания болта, а во втором вы затягиваете болт до определенного значения в футах/фунтах.
Величина растяжения болта стержня важна, потому что именно здесь находится предел текучести болта, и его нельзя превышать. Если болт растянут за пределы его предела текучести, он фактически станет физически длиннее, что приведет к его ослаблению или неравномерной нагрузке на головку стержня.
Мы используем значение крутящего момента для наших болтов стержня, поэтому обе стороны стержня и оба болта имеют одинаковый крутящий момент в футах на фунт. -Энтони Джанноне
Используя метод крутящего момента, вы затягиваете болт только до определенной величины, рекомендованной производителем. Вам не нужно беспокоиться о погоне за числом значения растяжения или попытках заставить датчик растяжения поместиться в ограниченном пространстве под автомобилем, если вы проводите техническое обслуживание на трассе.
«Мы используем значение крутящего момента для наших болтов стержня, поэтому обе стороны стержня и оба болта имеют одинаковый крутящий момент в футах на фунт. Свободная длина болта настолько сильно различается у разных болтов, что если вы отклоняетесь от значения растяжения, даже если вы устанавливаете для него статическую длину, этот болт будет физически длиннее. Когда вы закончите отверстие в корпусе, сохранение одинакового сжатия из стороны в сторону — это проблема, связанная со значением растяжения.
Скажем, с одной стороны, вы в 90 футо-фунтов, а с другой стороны, у вас 98 футо-фунтов…. это отверстие в корпусе не растягивается одинаково с обеих сторон. Это может привести к некруглости удилища», — говорит Энтони.
Использование метода крутящего момента с алюминиевыми шатунами обеспечит их правильную работу и упростит техническое обслуживание на трассе.
Использование метода крутящего момента позволяет получить более точные измерения. Очень важно иметь правильную величину зажимной нагрузки и удерживать ее равномерно на каждой стороне крышки стержня, потому что это помогает алюминиевому стержню работать наилучшим образом.
«Равномерность зажимной нагрузки из стороны в сторону в конечном итоге является ключом к поддержанию круглого отверстия корпуса, и именно здесь блестят алюминиевые стержни. Когда отверстие в корпусе круглое, оно не разрушается по вертикали, не открывает линию разъема вверх и не сдавливает подшипники. Если вы с самого начала не круглые, это разрушит подшипники — он найдет способ придать им странную боковую нагрузку и в некоторых местах изнашивает покрытия подшипников неравномерно.
Все эти факторы способствуют выходу из строя алюминиевого стержня, когда этого не должно происходить в любой ситуации», — говорит Энтони.
#4: Смазка болтов во время установки
Смазка во время сборки алюминиевых шатунов — это задача, к которой нужно относиться очень серьезно. Поскольку вы используете болт, изготовленный из другого материала, чем сам стержень, необходимо что-то использовать для заполнения пространства между каждой частью.
«Здесь мы имеем дело с двумя вещами: во-первых, у нас есть контакт стали со сталью между болтом и шайбой. Во-вторых, мы имеем дело с контактом стали с алюминием между резьбой алюминиевого стержня и болтом. Нужно добавить что-то, что может создать помехи между двумя разными металлами — вот почему мы используем масло, и оно также помогает с предварительной нагрузкой. Предварительная нагрузка на застежку — это то, что действительно заставляет шатун работать правильно; когда вы теряете предварительную загрузку, обычно это приводит к тому, что вы получаете гигантскую дыру в боковой части блока заготовок за 10 000 долларов», — объясняет Энтони.
Большинство людей может подумать, что пришло время использовать сборочную смазку, чтобы убедиться, что у вас есть правильная смазка болтов при сборке удилищ, но это может быть не идеальным способом действий. Энтони объясняет, почему сборочная смазка — не лучший друг при сборке алюминиевых стержней.
«Когда вы наносите монтажную смазку на болты и затягиваете их, эта смазка будет контактировать с моторным маслом, когда вы заполняете двигатель, а эти две жидкости плохо смешиваются друг с другом. Частицы в сборочной смазке захватят частицы в моторном масле и заставят их разделиться. Вот почему я всегда был против сборочных смазок — потому что они портят моторное масло, а также могут закупорить масляные галеры, если их слишком много. Когда монтажная смазка нагревается, она начинает разжижаться, и вы теряете ценность, которую получаете от нее».
Использование масла вязкостью 50 обеспечит правильное соединение шатунов и поможет избежать износа подшипников.
Так что Энтони рекомендует для смазки стержней? Удивительно, но ответ — просто старое моторное масло с вязкостью 50.
Это открытие было сделано после множества испытаний, чтобы найти решение, которое было бы наиболее последовательным в целом для затяжки болта штока, потому что масло остается нейтральным независимо от температуры вокруг него.
«Масло с нулевой или пятой вязкостью не остается стабильным, потому что оно зависит от температуры. Моторное масло с вязкостью 50 всегда будет вязкостью 50 при одном и том же уровне смазки и имеет одинаковое количество молекул между болтом и штоком независимо от температуры. Не имеет значения, находятся ли стержень и болт при двух разных температурах, они остаются постоянными», — говорит Энтони.
#5: Заготовки и кованые алюминиевые стержни
У вас есть два различных варианта изготовления алюминиевых стержней: алюминиевые заготовки и кованые алюминиевые стержни. Кованые алюминиевые стержни — это оригинальный тип стержней, который производился на основе доступной в то время технологии. Теперь компании также могут изготавливать стержни из алюминиевых заготовок, что добавило строителям больше возможностей.
Споры о том, какой стержень использовать, всегда велись вокруг зернистой структуры каждого из них. Чтобы сделать стержень из заготовки, MGP начинает с твердого блока алюминия длиной 12 футов и толщиной 3/4 дюйма. Этот материал имеет зерна, которые идут в одном направлении от конца до конца. Изготовление шатунов из этого материала заготовки было невозможно до тех пор, пока для этого не были разработаны машины и процессы. Теперь стержень из заготовок обеспечивает больший контроль зерна и прочность.
Современные шатуны из алюминиевых заготовок обеспечивают прочность во всех нужных местах на самом стержне.
«Зернистая структура наматывается вокруг конца стержня так же, как кованый стержень с современным стержнем из заготовки. Поскольку мы обрабатываем стержни из цельного материала, мы позволяем зернистой структуре течь прямо и обрабатываем только ее центр. Зерна в этом бруске проходят одинаково от конца до конца, и мы обрабатываем зерно, чтобы убедиться, что оно достаточно прочное», — говорит Энтони.