Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение (например, во вращательное движение коленчатого вала в двигателях внутреннего сгорания) и наоборот. Детали КШМ делят на две группы, это подвижные и неподвижные детали: Подвижные: поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун, коленчатый вал с подшипниками или кривошип, маховик. Неподвижные: блок цилиндров (является базовой деталью двигателя внутреннего сгорания и представляет собой общую отливку с картером), головка цилиндров, картер маховика и сцепления, нижний картер (поддон), гильзы цилиндров, крышки блока, крепежные детали, прокладки крышек блока, кронштейны, полукольца коленчатого вала.

Принцип действия Прямая схема: Поршень под действием давления газов совершает поступательное движение в сторону коленчатого вала. С помощью кинематических пар «поршень-шатун» и «шатун-вал» поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Коленчатый вал состоит из: шатунных шеек коренных шеек противовеса

Обратная схема: Коленчатый вал под действием приложенного внешнего крутящего момента совершает вращательное движение, которое через кинематическую цепь «вал-шатун-поршень» преобразуется в поступательное движение поршня.

Типы и виды КШМ Центральный КШМ, у которого ось цилиндра пересекается с осью коленчатого вала. Смещенный КШМ, у которого ось цилиндра смещена относительно оси коленчатого вала на некоторую величину; V-образный КШМ (в том числе с прицепным шатуном), у которого два шатуна, работающие на левый и правый цилиндры, размещены на одном кривошипе коленчатого вала.

По соотношению хода и диаметра поршня различают: короткоходные(S/D<1) КШМ; длинноходные (длинноходовые) (S/D>1) КШМ.

В автомобильных высокооборотистых ДВС преобладает короткоходная схема.

По наличию бокового усилия на гильзе КШМ бывает: тронковый(с боковым усилием, только одна сторона поршня может быть рабочей, конструкция дешевле и менее металлоëмкая. Распространён на подавляющем большинстве современных двигателей внутреннего сгорания, а также в поршневых компрессорах малой и средней мощности); крейцкопфный (разгруженный поршень, боковое усилие воспринимает крейцкопф. Распространён в мощных поршневых компрессорах, паровых машинах, судовых двигателях большой мощности, являлся неотъемлемой частью двигателя Ленуара и двигателей Стирлинга. Такая конструкция позволяет сделать рабочими обе стороны поршня, но более металлоëмкая).

История

В природе Задние конечности кузнечиков представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом. Бедро и голень человека и роботов-андроидов тоже представляют собой кривошипно-шатунный механизм с неполным оборотом.

В Римской империи

Самые ранние свидетельства появления на машине рукоятки в сочетании с шатуном относятся к пилораме из Иераполиса, 3-й век нашей эры, римский период, а также византийским камнережущим пилорамам в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (6-й век нашей эры). Ещё одна такая пилорама возможно существовала во 2 веке н. э. в римском городе Августа-Раурика (современная Швейцария), где был найден металлический кривошип.

Уравнения движения поршня (для центрального КШМ)

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)

Угловая скорость Угловая скорость кривошипа в оборотах в минуту (RPM):

Отношения в треугольнике Как показано в диаграмме, центр кривошипа, кривошипношатунная ось и шатуннопоршневая ось образуют треугольник NOP. Из теоремы косинусов следует, что:

Уравнения по отношению к угловому положению кривошипа (для центрального КШМ) Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа. Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

Скорость Скорость по отношению к углу поворота кривошипа (первая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции):

Ускорение Ускорение относительно угла кривошипа (вторая производная взята, используя правило дифференцирования сложной функции и частное правило):

Пример графиков движения поршня График показывает x, x', x" по отношению к углу поворота кривошипа для различных радиусов кривошипа, где L — длина шатуна (l) и R — радиус кривошипа (r):

Анимация движения поршня с шатуном одинаковой длины и с кривошипом переменного радиуса на графике выше:

Применение

Кривошипно-шатунный механизм используется в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, поршневых насосах, швейных машинах, кривошипных прессах, в приводе задвижек некоторых квартирных и сейфовых дверей. Также кривошипно-шатунный механизм применялся в брусовых косилках.

См. также Двигатель внутреннего сгорания

Другие способы преобразования вращательного движения в прямолинейное Здесь была возможность смены Хойкена. Механизм Чебышёва Механизм Хойкена Механизм Липкина — Посселье Механизм Ватта Механизм Саррюса Шотландский механизм Механизм планшайба-стержни Кулачковый механизм Качающий подшипник

Примечания

Литература

Ссылки

Категория:Двигатель внутреннего сгорания Категория:Механизмы Категория:Детали машин и механизмов Категория:Кривошипно-шатунный механизм