Кривошипно-ползунный механизм: устройство, принцип работы

Кривошипно-ползунный механизм (КПМ) представляет собой частный случай рычажного устройства с четырьмя звеньями. Вращающаяся на валу часть — кривошип — шарнирно соединена с совершающей продольные движения частью- шатуном. Он зафиксирован в направляющих, оставляющих одну степень свободы для линейного движения. Устройство служит для преобразования вращения кривошипного звена в линейное перемещение ползуна.

Механизм обратим, то есть и линейное движение ползуна может быть превращено во вращение вала кривошипа. Он широко используется в технике — в автомобильных моторах и паровых машинах, технологических установках и измерительных приборах.

Принцип действия кривошипно-ползунного механизма

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

ползун (как правило, соединенный с поршнем, который движется под давлением расширяющихся продуктов горения или пара) двигается линейно в сторону шатуна;
поскольку шатун закреплен на некотором расстоянии от оси вращения, приложенная сила создает крутящий момент;
он проворачивает кривошип.

В случае обратной схемы работы принцип таков:

вращающийся кривошип создает 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 другой исполнительный орган).

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

Скачать ГОСТ 2144-76

Кинематический анализ кривошипно-ползунного механизма

Целью кинематического анализа КПМ является проектирование взаимных положений, траекторий передвижения, скоростей и ускорений всех его деталей. Для этого реальные физические тела заменяются моделями- рычагами и поверхностями, имеющими абсолютную жесткость, шарнирами и поверхностями с нулевым трением. Масса детали полагается сконцентрированной в условной точке- центре масс, как правило, совпадающей с геометрическим центром моделируемой детали.

Кинематическое моделирование разбивается на следующие основные этапы:

выполнение общего плана положений. Строится для основных положений механизма, отражает взаимное 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 моментов инерции;
формирование графика энергии-массовых зависимостей.

При построении плана скоростей руководствуются следующими рекомендациями:

Вектора, проходящие через полюс плана, представляют собой абсолютные скорости. Они всегда направлены от точки полюса, конец отрезка обозначается прописной буквой, аналогичной заглавной, обозначающей ту же точку на плане положений.
Скоростные вектора, не касающиеся полюса, соответствуют относительным скоростям.
Поскольку скорость является производной от перемещения, векторные изображения скоростей для каждой точки перпендикулярны соответствующим тем же точкам отрезкам, представляющим собой положение, и изображенными на плане положений.
Неподвижным на плане положений точкам КПМ соответствуют вектора нулевой длины, расположенные в полюсе плана скоростей.

При построении плана скоростей возникает возможность стоить перпендикуляры и касательные к линии перемещения какой-либо точки кривошипно-ползунного механизма без изображения самой траектории.

Поскольку ускорение является производной от скорости, то векторные изображения ускорений для каждой точки перпендикулярны соответствующим тем же точкам векторам, изображенными на плане скоростей.

В ходе кинематического моделирования проводится также анализ на наличие избыточных связей в кривошипно-ползунном механизме. Под ними понимают связи, которые не добавляют степеней свободы и могут быть исключены из схемы без потери функциональности. Однако к удалению таких связей следует подходить осторожно. Например, дополнительные подшипники или опоры направляющих могут быть необходимы в реальном механизме исходя их больших величин перемещения во время рабочего хода. без них будет невозможно удовлетворить проектные требования по жесткости, прочности, температурной стойкости и т. д.

Статическое уравновешивание кривошипно-ползунного механизма

Во время перемещения звеньев механизма с изменяющимися скоростями (ускоренного движения) в них возникают инерционные силы и моменты. Их называют динамическими нагрузками. Такие нагрузки приводят к появлению вибраций, колеблющиеся детали излучают свои колебания в воздух, вызывая воздушный шум.

Динамические нагрузки приводят также к многократным деформациям деталей, их повышенному износу, накоплению усталости материала и преждевременному разрушению.

Шум и вибрация оказывают также негативное влияние на людей и точные механизмы, находящиеся рядом с источником. И, наконец, на возбуждение колебаний и излучение шума тратится энергия, это снижает КПД кривошипно-ползунного механизма.

Причины возникновения вибрации делятся на:

силовые, колебания возмущаются периодическим приложением сил к объекту;
кинематические, возмущение возникает за счет движения деталей;
параметрические, возбуждение происходит за счет сил и моментов инерции.

Виброактивность делится на

Внутреннюю, возникающую и распространяющуюся в пределах физических границ кривошипно-ползунного механизма. Она действует только на его детали и мало распространяется вовне.
Внешнюю. Она действует на опоры механизма, его связи с другими частями общей конструкции, трансмиссию и далее. Основная причина, вызывающая такую виброактивность — неуравновешенность рычагов и звеньев.

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

Для этого вычисляют массы всех звеньев и строят график сил, действующих на них в состоянии покоя, прежде всего сил тяжести. Массы звеньев должны быть уравновешены с учетом длины рычагов (расстояния от центра вращения).

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

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

После статического уравновешивания наступает этап динамического уравновешивания кривошипно-ползунного механизма. При этом расчеты ведутся уже с учетом реальной пространственной конфигурации деталей.

В ходе производства реального изделия из-за дефектов материала, погрешностей отливки, механообработки и сборки возникают дополнительные разбалансировки звеньев. Для их устранения применяется балансировка кривошипно-ползунного механизма. Она заключается в:

определении места дисбаланса с помощью средств вибродиагностики;
передвижения и закрепления балансировочных грузов, предусмотренных конструкцией изделия;
высверливание, выборка или наплавка необходимых масс материала в рассчитанных местах;
повторной вибродиагностике.

Цикл операций повторяется до тех пор, пока подвижные части не будут удовлетворительно уравновешены.

Построение КПМ

Построение эффективно работающих кривошипно- ползунных устройств, несмотря кажущуюся простоту их конструкции, требует большой расчетной и конструкторской работы.

В ее ходе учитывают такие моменты, как:

эффективность и коэффициент полезного действия;
рациональное использование материалов, оптимальные весогабаритные характеристики;
финансовые параметры производства и использования устройства;
надежность и периодичность технического обслуживания;
точность работы и виброактивность;
безопасность и охрана труда.

Поскольку перечисленные аспекты взаимосвязаны и влияют друг на друга, проектирование ползунного четырехзвенного механизма представляет собой многоэтапный итеративный процесс. Зачатую конструктору приходится возвращаться на более ранний этап проектирования рычажного механизма и уточнять параметры схемы по результатам расчетов на более поздних стадиях процесса.

Иногда даже приходится менять вид кривошипно- ползунного механизма. В высокооборотных дизелях требуется снизить скорость движения поршня на некоторых фазах рабочего цикла. Как правило, это требуется при прохождении верхней части цилиндра, чтобы обеспечить более полное сгорание топливной смеси. Для этого применяют дезаксиальную схему кривошипно-ползунного устройства. В ней оси цилиндров расположены со смещением смещена относительно оси коленвала на некоторое расстояние по ходу вращения.

Для лучшего уравновешивания многоцилиндровых V-образных двигателей используют схему двигателя с прицепным шатуном.

В ней прицепного шатун бокового цилиндра сопряжен с шатуном главного цилиндра. Это позволяет снизить вес, размеры и момент инерции части подвижных звеньев.

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

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

Обязательным этапом является проверка на соответствие нормам безопасности и охраны труда.

Традиционный расчет и построение такого сложного механизма, как кривошипный, представляет собой трудоемкий процесс, требующий от конструктора внимательности и достаточного опыта. Современные элементы программных продуктов семейства CAD — CAE позволяют избавиться от большей части рутинных и однообразных ручных операций, графических построений и расчетов. Конструктору достаточно выбрать из библиотеки трехмерную модель того или иного типа кривошипно- ползунной пары и провести параметрическое моделирование, задав необходимые размеры. Модуль графической симуляции проведет и статическое уравновешивание, и кинематический расчет, и выдаст рекомендации по оптимизации звеньев.

Область применения

Кривошипно-ползунные механизмы впервые стали применять в античности, на римских пильных мельницах. Там вращение колеса, приводимого в действие силой падающей воды, преобразовывалась в возвратно-поступательное движение полотна пилы.

В средние века конструкция была незначительно улучшена. Настоящий расцвет кривошипно-ползунные пары пережили в эпоху паровых машин. Детали стали производить из чугуна и стали, возросла их прочность и надежность. Учены стали разрабатывать методы расчета таких устройств.

В наши дни самым широким полем применения являются поршневые бензиновые и дизельные двигатели. Они используются в каждом автомобиле, тепловозе, большинстве судов, винтовых самолетах и вертолетах. В крупных судовых дизелях применяют как обычную, так и дезаксиальную схему.

Еще одна область использования-поршневые компрессоры для производства сжатого воздуха и других газов. В них используется обратная схема действия кривошипно-шатунной пары.