Кривошипно-ползунный механизм: устройство, рабочий принцип, использование

Кривошипно-ползунный механизм (КПМ) собой представляет частный случай рычажного устройства с четырьмя звеньями. Вращающаяся на валу часть — кривошип — шарнирно объединена с совершающей продолговатые движения частью- шатуном. Он зафиксирован в направляющих, оставляющих одну степень свободы для линейного движения. Устройство служит для изменения вращения кривошипного звена в линейное перемещение ползуна. Механизм обратим, другими словами и линейное движение ползуна может быть превращено во вращение вала кривошипа. Он повсеместно применяется в технике — в автомобильных моторах и паровых машинах, технологических установках и измерительных приборах.

Рабочий принцип кривошипно-ползунного механизма

Для прямой схемы кривошипно-ползунного механизма рабочий принцип состоит в следующем:

• ползун (в основном, совмещённый с поршнем, который двигается под давлением расширяющихся продуктов згорания или пара) двигается линейно в сторону шатуна;
• потому как шатун закреплен на определенном расстоянии от оси вращения, приложенная сила создаёт вращающий момент;
• он проворачивает кривошип.

В случае обратной схемы работы принцип такой:

• крутящийся кривошип создаёт силу, приложенную по касательной к его окружности, расстояние от центральной оси до шарнира и будет плечом рычага;
• через шарнирное сочленение эта сила вызывает линейное перемещение ползуна;
• ползун толкает поршень в такте сжатия (или остальной исполнительный орган).

При построении кривошипно- ползунного механизма, его закона движения, статических и кинематических схем они должны удовлетворять требованиям по ГОСТ 2144-76.

Кинематический анализ кривошипно-ползунного механизма

Целью кинематического анализа КПМ считается проектирование обоюдных положений, траекторий передвижения, скоростей и ускорений всех его деталей. Для этого настоящие физические тела заменяются моделями- рычагами и поверхностями, имеющими полную жесткость, шарнирами и поверхностями с нулевым трением. Масса детали положено сконцентрированной в условной точке- центре масс, в основном, совпадающей с геометрическим центром моделируемой детали.

Кинематическое моделирование разбивается на следующие важные этапы:

• выполнение общего плана положений. Выстраивается для ключевых положений механизма, отображает обоюдное расположение его частей в верхней и нижних мертвых точках;
• построение плана скоростей кривошипно-ползунного механизма, применяется графоаналитический способ на основе метода подобия;
• построение плана ускорений кривошипно-ползунного механизма, строятся эпюры как угловых, так и касательных ускорений;
• графическое моделирование факторов инерции;
• формирование графика энергии-массовых зависимостей.

При построении плана скоростей руководствуются следующими советами:

• Вектора, проходящие через полюс плана, собой представляют полные скорости. Они всегда направлены от точки полюса, конец отрезка отмечается прописной буквой, подобной заглавной, обозначающей ту же точку на проекте положений.
• Скоростные вектора, не касающиеся полюса, соответствуют условным скоростям.
• Потому как скорость считается производной от перемещения, векторные изображения скоростей для каждой точки перпендикулярны соответствующим тем же точкам отрезкам, собой представляет положение, и изображенными на проекте положений.
• Неподвижным на проекте положений точкам КПМ соответствуют вектора нулевой длины, находящиеся в полюсе плана скоростей.

При построении плана скоростей появляется возможность стоить перпендикуляры и касательные к линии перемещения какой-нибудь точки кривошипно-ползунного механизма без изображения самой пути.

Потому как ускорение считается производной от скорости, то векторные изображения ускорений для каждой точки перпендикулярны соответствующим тем же точкам векторам, изображенными на проекте скоростей.

В ходе кинематического моделирования проходит также анализ на наличие избыточных связей в кривошипно-ползунном механизме. Под ними знают связи, которые не добавляют степеней свободы и могут быть исключены из схемы без потери практичности. Впрочем к удалению подобных связей необходимо подходить осторожно. К примеру, дополнительные подшипники или опоры направляющих могут быть нужны в реальном механизме исходя их больших величин перемещения во время рабочего хода. без них будет невозможно удовлетворить проектные требования по жесткости, прочности, стойкости температур и т. д.

Статическое уравновешивание кривошипно-ползунного механизма

Во время перемещения звеньев механизма с изменяющимися скоростями (ускоренного движения) в них появляются инерционные силы и моменты. Их называют динамическими нагрузками. Такие нагрузки приводят к возникновению вибрации, колеблющиеся детали излучают собственные колебания в воздух, вызывая шум распространяемый по воздуху.

Динамические нагрузки приводят также к многократным деформациям деталей, их максимальному изнашиванию, накоплению усталости материала и быстрому разрушению.

Шум и вибрация оказывают также вредное воздействие на людей и точные механизмы, имеющиеся поблизости с источником. И, напоследок, на возбуждение колебаний и излучение шума тратится энергия, это уменьшает КПД кривошипно-ползунного механизма.

Причины появления вибрации разделяют на:

• силовые, колебания возмущаются периодическим приложением сил к объекту;
• кинематические, недовольство появляется за счёт движения деталей;
• параметрические, возбуждение происходит благодаря сил и факторов инерции.

Виброактивность разделяется на

• Внутреннюю, появляющуюся и распространяющуюся в границах физических границ кривошипно-ползунного механизма. Она действует исключительно на его детали и мало распространяется вовне.
• Внешнюю. Она действует на опоры механизма, его связи с другими частями всей конструкции, трансмиссию и дальше. Главная причина, вызывающая такую виброактивность — неуравновешенность рычагов и звеньев.

Для устранения причин появления вибрации проводят статическое уравновешивание кривошипно-ползунного механизма. Механизм должен быть в равновесии в состоянии покоя, при этом силы трения надеются нулевыми.

Для этого вычисляют массы всех звеньев и возводят график сил, действующих на них в состоянии покоя, в первую очередь сил тяжести. Массы звеньев обязаны быть уравновешены с учетом длины рычагов (расстояния от центра вращения).

В ходе статического уравновешивания массы звеньев надеются сосредоточенными в геометрическом центре звена.

Если центр масс системы совершает ускоренное движение, механизм считают неуравновешенным. Цель процедуры — достижение нулевого значения ускорения центра масс. Для этого к двигающимся частям добавляют уравновешивающие массы, сводящие ускорение до нуля.

После статического уравновешивания приходит момент динамического уравновешивания кривошипно-ползунного механизма. При этом расчеты ведутся уже с учетом настоящей пространственной формы деталей.

В ходе производства настоящего изделия из-за недостатков материала, огрехов отливки, механообработки и сборки появляются дополнительные разбалансировки звеньев. Для их устранения применяется балансировка кривошипно-ползунного механизма. Она состоит в:

• определении места дисбаланса при помощи средств вибродиагностики;
• передвижения и закрепления балансировочных грузов, предусмотреных конструкцией изделия;
• высверливание, выборка или наплавка нужных масс материала в рассчитаные местах;
• повторной вибродиагностике.

Цикл операций повторяется до той поры, пока двигающиеся части не будут удовлетворительно уравновешены.

Построение КПМ

Построение хорошо работающих кривошипно- ползунных устройств, несмотря кажущуюся легкость их конструкции, просит высокой расчетной и конструкторской работы.

В ее ходе берут во внимание подобные моменты, как:

• результативность и КПД;
• прекрасное применение материалов, идеальные весогабаритные характеристики;
• материальные параметры производства и применения устройства;
• надежность и периодичность техобслуживания;
• точность работы и виброактивность;
• безопасность и охрана труда.

Потому как перечисленные моменты связаны и оказывают влияние один на один, проектирование ползунного четырехзвенного механизма собой представляет многоэтапный итеративный процесс. Зачатую конструктору приходится возвращаться на более начальный этап проектирования шарнирного механизма и уточнить параметры схемы по результатам расчетов на более поздних стадиях процесса.

Порой даже необходимо заменять вид кривошипно- ползунного механизма. В высокооборотных дизелях требуется уменьшить скорость движения поршня на отдельных фазах рабочего цикла. В основном, это требуется при прохождении верхней части цилиндра, чтобы обеспечить более абсолютное сгорание топливной смеси. Для этого можно использовать дезаксиальную схему кривошипно-ползунного устройства. В ней оси цилиндров размещены со сдвигом смещена относительно оси коленчатого вала на определенное расстояние по ходу вращения.

Для лучшего уравновешивания многоцилиндровых V-образных двигателей применяют схему мотора с прицепным шатуном.

В ней прицепного шатун бокового цилиндра соединен с шатуном основного цилиндра. Это дает возможность уменьшить вес, размеры и момент инерции части подвижных звеньев.

Построение в себя включает такие расчетно- модельные процедуры, как:

• кинематический расчет, оптимизация числа кинематических пар;
• силовое моделирование;
• статический расчет, включая уравновешивание.

Непременным шагом считается проверка на соответствие нормативам безопасности и охраны труда.

Обычный расчет и построение такого сложного механизма, как кривошипный, собой представляет трудный процесс, требующий от конструктора внимательности и необходимого опыта. Современные детали программных продуктов семейства CAD — CAE дают возможность освободится от большей части рутинных и одинаковых ручных операций, графических построений и расчетов. Конструктору достаточно подобрать из библиотеки трехмерную модель того либо другого типа кривошипно- ползунной пары и провести параметрическое моделирование, задав соответствующие размеры. Модуль графической симуляции проведет и статическое уравновешивание, и кинематический расчет, и выдаст советы по оптимизации звеньев.

Область использования

Кривошипно-ползунные механизмы первый раз начали использовать в античном мире, на римских пильных мельницах. Там вращение колеса, приводимого в действие силой падающей воды, преобразовывалась в возвратно-поступательное движение полотна пилы.

Раньше конструкция была несущественно улучшена. Настоящий расцвет кривошипно-ползунные пары пережили в эру паровых машин. Детали начали производить из чугуна и стали, возросла их надежность и прочность. Учены стали разрабатывать методы расчета данных устройств.

Сейчас самым широким полем использования являются поршневые бензиновые и двигатели работающие на дизельном топливе. Они применяются в каждом автомобиле, тепловозе, большинстве судов, винтовых самолетах и вертолетах. В больших судовых дизелях используют как обыкновенную, так и дезаксиальную схему.

Еще одна область использования-поршневые нагнетатели воздуха для изготовления сжатого воздуха и прочих газов. В них применяется обратная схема действия кривошипно-шатунной пары.

Аналогичная схема используется и в конструкции горизонтально-ковочных установок.

Применяются кривошипно-шатунные пары и в самых разных гидравлических и пневматических инструментах и станках.

Если вы нашли погрешность, пожалуйста, выдилите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.