05.09.2020 Раздел "Двигатели"

План урока № 8

Тема: Понятие об уравновешенности двигателя.

-Изучить механизмы уравновешивания. Гасите­ли крутильных колебаний. Основные неисправности и влияние технического состояния кривошипно-шатунного механизма на показатели двигателя.

-Развитие умений анализировать, делать выводы, обобщать, выделять главное, сравнивать.

-Воспитание культуры общения, ответственности, требовательности к себе и другим, познавательных интересов, умений наблюдать и мыслить, воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям, мотивов труда.

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Методы урока: репродуктивный, словесный, индивидуальная и фронтальная форма обучения.

Комплексно – методическое обеспечение урока: ПК, презентация, карточки-задания, учебники, плакаты, макет.

ПК: ПК 1.6. Подготавливать рабочее и вспомогательное оборудование тракто­ров и автомобилей.

ПК1.1. Выполнять регулировку узлов, систем и механизмов двигателя и при­боров электрооборудования.

Приложение

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ О КОЛЕБАНИЯХ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

Для коленчатых валов автомобильных двигателей наибольшую опасность представляют крутильные колебания, хотя и изгибные колебания в некоторых конструкциях могут привести к поломке коленчатого вала.

Крутильные колебания опасны не только для деталей криво-шипно-шатунного механизма, но также и для всех механических передач, соединенных упругой связью с коленчатым валом. Поэтому при проектировании двигателей и механических передач всю систему (двигатель + трансмиссия) рассчитывают на крутильные колебания.

Крутильные колебания вызываются периодическими изменениями тангенциальных сил, приложенных к коленам вала двигателя, и являются следствием крутильной упругости вала.

Амплитудой колебаний (в радианах или градусах) называется наибольшее угловое отклонение колеблющегося диска от положения покоя.

Формой колебаний вала называется график амплитудных отклонений масс от положения покоя по длине эквивалентного вала.

Каждой частоте собственных колебаний соответствует определенная форма колебаний. Те сечения вала, которые при колебаниях не отклоняются от положения покоя, называются узлами колебания.

Форма колебаний обозначается по числу узлов (одноузло-вая форма, двухузловая форма и т. д.). Форма с самой высокой для «системы из к масс частотой колебаний имеет к — 1 узлов.

Отдельные свободные колебания масс на валу для данной формы могут быть гармоническими. При этом деформация валов должна быть прямо пропорциональна приложенному моменту. Если на валу установлена муфта с резиновыми элементами (предварительно сжатыми пружинами и т. п.) и зависимость угла закручивания вала от момента нелинейна, то колебания системы не будут гармоническими.

Крутящий момент, под действием которого вращается коленчатый вал, можно рассматривать, пользуясь методами гармонического анализа, как состоящий из суммы синусоидальных моментов (гармоник) с различными частотой, амплитудой и фазой.

Число периодов гармоники, приходящееся на один оборот двигателя, называется порядком гармоники. Так как основной период крутящего момента в четырехтактном двигателе равен двум оборотам, то полученные из гармонического анализа крутящего момента гармоники с периодами 1, 2, 3 ... обозначаются как гармоники 1/2-го, 1-го, 1*/2-го ... порядков; для двухтактных двигателей дробных порядков нет.

Вынужденные колебания системы вала под действием крутящего момента рассматривают как сумму гармонических колебаний, вызываемых гармониками отдельных порядков.

Резонансными колебаниями называются колебания под действием гармоники какого-либо порядка, частота которой равна частоте собственных колебаний системы. Возникающие при резонансе сильные (вынужденные) колебания системы образуют форму, практически совпадающую с формой собственных колебаний соответствующей частоты. Поэтому различают резонанс одноузловой формы, двухузловой и т. д., рассматривая его Как результат действия возбуждающих сил и обозначают как резонанс гармоники 1/2-го порядка, резонанс гармоники 4V2-roпорядка и т. д.

Число оборотов двигателя, при котором возникает резонанс, называют резонансным числом оборотов (рис. 175, г).

Резонансы крутильных колебаний в рабочем диапазоне оборотов коленчатого вала двигателя являются не только нежелательными, но и в ряде случаев недопустимыми. При работе двигателе на резонансном режиме наблюдается следующее:

1.Работа двигателя сопровождается усилением стуков и вибрации как самого двигателя, так и основания; при этом заметные вибрации ощущаются и в кузове автомобиля.

При увеличении или уменьшении числа оборотов коленчатого вала неприятные стуки и вибрации в двигателе уменьшаются или исчезают совсем.

2.Нагреваются отдельные участки коленчатого вала. Это явление чаще всего возникает в валах приводов от стационарных двигателей, если энергия крутильных колебаний расходуется на работу внутреннего (межмолекулярного) трения.

3.Уменьшается мощность двигателя при увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это объясняется наличием в системе коленчатого вала крутильных колебаний, при которых некоторая часть мощности двигателя затрачивается на работу внутреннего межмолекулярного трения, а также на работу внешнего трения, возникающего при этих колебаниях и вибрации двигателя в целом.

Способы устранения колебаний могут быть различными. К ним относятся: 1) увеличение или уменьшение частот собственных колебаний системы путем изменения конструкции двигателя (увеличение или уменьшение движущихся масс или жесткостей участков между массами); 2) изменение работы возбуждающих моментов путем выбора другого порядка работы двигателя; 3) постановка специальных устройств (гасителей, или демпферов) для гашения крутильных колебаний.

Первые две меры борьбы с крутильными колебаниями весьма органичены по своим возможностям, а третья — универсальна.

Гасители крутильных колебаний можно разделить на три группы: 1) устройства, поглощающие энергию, подводимую возбуждающим моментом, вследствие чего уменьшается амплитуда колебаний; к этой группе относятся гасители сухого трения, гидравлические и ударные; 2) устройства, уравновешивающие возбуждающий момент или изменяющие частоту системы без рассеяния энергии; к ним относятся добавочные массы на пружине (динамический гаситель, устройства для отключения маховых масс при приближении к резонансу, муфты, маятниковые гасители); 3) смешанные устройства, действие которых основано частично на изменении жесткости системы или уравновешивании возбуждающего момента, частично на рассеянии энергии: резиновые гасители, динамические гасители с рессорными пружинами и др.

Широкое применение в автомобильных двигателях получили резиновые гасители крутильных колебаний (рис. 175, д). Маховая масса 1 в этом гасителе присоединена к кожуху 3 через слой резины 2. Резина одновременно является элементом, рассеивающим энергию, и пружиной, с помощью которой к системе присоединяется маховая масса.

Чтобы снизить вибрацию двигателя при его работе, необходимо уравновесить моменты, создаваемые силами инерции. Для этого предусмотрены противовесы, закрепленные на коленчатом валу болтами или выполненные при изготовлении вала, а также уравновешивающий вал. Моментам сил инерции противостоят также противовесы на уравновешивающем вале и в шестерне его привода. Уравновешивающий вал приводится во вращение от коленчатого вала и вращается в противоположном ему направлении. Уравновешивающий вал используется также для привода масляного насоса.

Схема 1.

Рис. Уравновешивание двигателя V 10 TDI VW:

1 – гаситель крутильных колебаний; 2 – силиконовая жидкость; 3 – задающий диск частоты вращения коленчатого вала; 4 – противовес коленчатого вала; 5 – коленчатый вал; 6 – противовес уравновешивающего вала; 7 – уравновешивающий вал; 8 – противовес уравновешивающего вала; 9 – шестерня привода масляного насоса

Противовесы изготовляются из сплава вольфрама, высокая плотность которого позволяет уменьшить их размеры.

Каким бы жестким ни был коленчатый вал, он подвергается крутильным колебаниям. Крутильные колебания можно представить как постоянное закручивание с последующим раскручиванием вала, что происходит при работе двигателя с определенной частотой. При совпадении частоты крутильных колебаний с частотой внешних сил может наступить резонанс, который приведет к резкому увеличению нагрузок, действующих на коленчатый вал, и, как следствие, к его поломке. Излом коленчатых валов (обычно в месте соединения щеки с коренной шейкой) был частой причиной выхода из строя двигателей старых конструкций. Современные коленчатые валы имеют высокую жесткость, и резонансные частоты находятся за пределами возможных частот вращения валов этих двигателей. Тем не менее, в конструкции двигателей часто применяют гасители крутильных колебаний, которые снижают до нужного уровня виброактивность коленчатого вала. Одним из способов гашения крутильных колебаний является разделение шкива или диска, установленного на коленчатом вале, на внутреннюю и наружную части – двухмассовый маховик. Обе части соединится упругим материалом, который поглощает вибрации за счет внутреннего трения.

Динамический фактор и динамическая характеристика автомобиля. Конструктивные факторы, определяющие динамические характеристики автомобиля.

Динамический фактор рассчитывается по формуле : D= ((Pk-Pw)/G=Mk·iрт·hрт)/rk-Pw)/G. Будучи удельным параметром, динамический фактор позволяет проводить сравнительную оценку динамических качеств различных автомобилей независимо от их грузоподъемности и веса. Динамический фактор имеет разные значения, в зависимости от скоростного режима автомобиля - частоты вращения двигателя и передачи включенной в трансмиссию.

1.Кинематика центрально-кривошипного шатунного механизма. Основные схемы КШМ современных двигателей.

При работе двигателя в кривошипно-шатунном механизме возникают усилия, значения и характер которых определяют кинематическим и динамическим исследованием этого механизме. В автотракторных двигателях применяются центральные (аксиальные) и смещенные КРМ. Кинематику и динамику КШМ рассматривают при установившемся скоростном режиме работы двигателя, то есть при постоянной частоте вращения коленчатого вала. В этом случае угловая скорость коленчатого вала : w=p·n/30. Перемещение, скорость и ускорение определят : x=r·(1+0.5l·sina·sina-cosa); c=w·r·(sina+0.5·l·sin2a; j=w·w·r·(cosa+·l·cos2a)

2.Приемистость автомобиля. Применение гидромеханических передач. Принцип действия гидротрансформатора.

Передача крутящего момента в гидротрансформаторе осуществляется путем использования кинетической энергии циркулирующей в нем жидкости. В простейшем виде гидротрансформатор состоит из центробежного насоса вращаемого коленчатым валом двигателя, турбины, соединенной механическим приводом с ведущими колесами автомобиля и реактора, представляющего собой неподвижно закрепленное колесо с лопатками. Все три колеса трансформатора - насосное, турбинное и реакторное образуют замкнутую полость, так называемый круг циркуляции в котором происходит непрерывное движение жидкости от насоса к турбине, из турбины на лопатки реактора, а от туда обратно на в насос. Поток масла вытекающий из насоса увлекает за собой колесо турбины и заставляет его вращаться вокруг оси коленчатого вала.

3.Силы действующие в КШМ. Особенности конструкции КШМ, направленные на повышение его надежности.

Основная задача кинематического расчета состоит в определении закона движения поршня и шатуна. При этом делается допущение что коленчатый вал вращается с постоянной угловой скоростью. Силы - элементарно.

4.Определение нормальных реакций почвы на колесах трактора при работе с с/х машинами. Принцип увеличения сцепного веса.

5.Неравномерность крутящего момента и цикловой скорости двигателя. Подбор маховика. Конструкции маховиков и гасителей крутильных колебаний.

Когда проводится анализ динамики двигателей, принимается что коленчатый вал абсолютно жесткий и вращается с постоянной угловой скоростью. В действительности же угловая скорость коленчатого вала даже на установившемся режиме работы двигателя периодически изменяется из-за неравномерности крутящего момента, обусловленной цикличностью рабочих процессов в цилиндрах и кинематическими свойствами КШМ. Не равномерный крутящий момент вызывает соответствующую неравномерность хода (вращения вала) двигателя. От неравномерности крутящего момента зависит возникновение крутильных колебаний в коленчатом валу, которые увеличивают неравномерность его вращения. Степень неравномерности учитывают коэффициентом неравномерности крутящего момента : m=(Ммакс-Ммин)/Мср. Гаситель крутильных колебаний представляет собой стальной корпус с крышкой, внутри которого размещен чугунный маховик. В корпусе маховик центрируется по внутренней цилиндрической поверхности с диаметральным зазором 0,1..0,18мм. Во избежание задиров, в отверстие маховика запрессована бронзовая втулка. Через отверстие в крышке зазоры в гасителе заполняются специальной жидкостью, основным свойством которой является незначительное изменение вязкости в диапазоне рабочих температур. Отверстия закрывают пробками и заваривают сплошным швом. При вращении коленчатого вала, энергия крутильных колебаний превращается в работу трения в тонком слое жидкости.

6.Положение центра давления гусеничного трактора. Конструктивные мероприятия выравнивающие положение центра давления.

-это легко : начертить трактор на наклонной плоскости, расставить все силы и вывести формулу из моментов. Центром давления называют точку приложения результирующей нормальной реакции почвы на гусеницу. aд-Ркр·hкр/Gтр-ао . ао- смещение от центра тяжести до центра масс.

7.Уравновешивание двигателей внутреннего сгорания. Конструкции механизмов уравновешивания движителей.

Различают внешнюю и внутреннюю неуравновешенности поршневых двигателей внутреннего сгорания. Внешняя неуравновешенность характеризуется наличием периодических сил инерции, а так же опрокидывающего момента, которые передаются на опоры двигателя и далее на раму трактора. Внутренняя неуравновешенность характеризуется возникновением под действием воспринимаемых двигателем нагрузок в поперечных сечениях блока цилиндров перерезывающих сил, а так же моментов упругих сил, которые называют внутренними изгибающими моментами и внутренними скручивающими моментами . Уравновешенность - это такое состояние двигателя, при котором на установившемся режиме работы на его опоры передаются постоянные по значению и направлению силы и моменты. Для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил в многоцилиндровых двигателях необходимо, чтобы равнодействующие в плоскостях, проходящих через ось вала, а так же сумма этих сил относительно выбранной оси равнялась нулю. При разработке конструкций двигателей стремятся к тому, чтобы уменьшить влияние свободных сил моментов. Для этих целей применяют следующие конструктивные мероприятия : выбор соответствующего числа и расположения цилиндров и схемы расположения кривошипов, установку простейших противовесов и сложных уравновешивающих механизмов. Обеспечение конструктивно предусмотренной уравновешенности двигателя достигается выполнением соответствующих требований при производстве деталей, их сборке и регулировке, а так же при ремонте и эксплуатации двигателей. При этом обращают внимание на : 1) Соблюдение допусков на масса и размеры всего 2) проведение статической и динамической балансировки коленчатого вала 3) достижение идентичности протекания рабочего процесса во всех цилиндрах.

8.Разгон машинотракторного агрегата. Конструкции трансмиссий уменьшающих нагрузки на двигатель при разгоне.

Способность трактора к троганью с места и быстрому разгону является существенным динамическим качеством, приобретающим все большее и большее значение в связи с повышением скоростей движения, увеличением числа передач и расширением использования тракторов на транспортных работах. Процесс разгона можно разделить на два периода. Первый период охватывает отрезок времени, затрачиваемый на выравнивание угловых скоростей коленчатого вала двигателя и первичного вала трансмиссии. Второй период разгона составляет время, необходимое для дальнейшего повышения скорости движения агрегата до установленной величины. Конструкции : 1)Применение поэтапного переключения передач во время разгона (т.е. трактор должен двигаться не на той скорости с которой начинал движение) 2) Наличия увеличителей крутящего момента (включать когда трогается)

9.Кинематика и динамика механизмов газораспределения. Особенности конструкции современных механизмов газораспределения.

Механизм газораспределения предназначен для своевременного впуска в цилиндры двигателя свежего воздуха и для выпуска отработавших газов. В четырехтактных двигателях применяются клапанные механизмы газораспределения , клапаны которых открывают и закрывают впускные и выпускные отверстия. Различают два типа клапанных механизмов газораспределения : с подвесными клапанами, расположенными а головке цилиндров и боковыми клапанами, расположенными в блок картере. В двухтактных двигателях газораспределение может осуществляться двумя способами : 1) Кривошипно-шатунным механизмом 2) Смешанной системой: в этом случае воздух поступает через окна, открываемые и закрываемые поршнем, а отработавшие газы удаляются через клапанное отверстие.

10.Распределение нормальных реакций почвы по длине гусеницы. Конструктивные мероприятия, выравнивающие эпюру нормальных давлений.

Положение центра давления определяет точку приложения результирующей нормальных реакций почвы. Распределение этих реакций по длине опорной поверхности гусениц зависит не только от положения центра давления, но и от почвенных условий и конструкции гусеничного движителя. Если бы давление на почву распределялось по всей длине опорных поверхностей гусениц равномерно, то их можно было бы охарактеризовать средним значением давления Рср = G/(2·b·Lус). Однако в действительности давления гусениц на почву распределяются неравномерно. Согласно результатам исследований, гусеницы передают на почву давление отдельными активно-опорными участками, группирующимися вокруг опорного катка. Если катки расставлены часто, то формула верна. В других случаях, при допущении что эпюра имеет линейный характер ,она может быть в виде прямоугольника или треугольника или трапециевидную.

11.. Система топливоподачи дизельных двигателей. Особенности конструкций топливных насосов высокого давления.

-элементарно.

12..Удельное давление ходовой части трактора на почвы. Конструктивные решения снижающие уплотнение почвы.

Уменьшение веса, увеличение ширины колес (гусениц -длинны/ширины).

13.Тенденция развития системы питания двигателей с принудительным зажиганием. Особенности конструкций современных систем зажигания.

К наиболее существенным недостаткам карбюраторных систем зажигания относятся неравномерное распределение топлива по отдельным цилиндрам двигателей. В карбюраторных двигателях состав может отличаться на 10..20% Вывод : чтобы избежать кое где обеднения приходиться в общем немного пере обогащать смесь. Основную часть времени двигатель работает с неполным использованием мощности. По мере уменьшения нагрузки, топливная экономичность ухудшается. Тенденции : применение форкамерно-факельного зажигания и непосредственного впрыска легкого топлива в цилиндры. В этом случае можно создать двигатель по экономичности близкий к дизелю. Конструкции - просто.

14.Виды устойчивости тракторов и автомобилей. Конструктивные мероприятия, повышающие устойчивость.

Виды : продольная и поперечная устойчивость. Подвиды : устойчивость от опрокидывания, устойчивость от сползания, опрокидывание трактора при заклинивании ведущих колес, динамическая поперечная устойчивость, поперечная устойчивость. Суть : чтобы предельное значение не превышало. Мероприятия : ширина ,центр тяжести.

15.Регулирововчные характеристики по установочным углам опережения зажигания и впрыска топлива. Устройства обеспечивающие установку необходимых значений углов.

-это зависимость эффективной мощности Ne, часового Gt и удельного ge расходов топлива и других показателей работы двигателя от угла опережения зажигания j в градусах поворота коленчатого вала относительно ВМТ при неизменной частоте вращения и постоянном открытии дроссельной заслонки карбюратора. Угол опережения зажигания для каждого режима изменяют поворачиванием корпуса прерывателя-распределителя с помощью винтового регулировочного устройства. При этом для поддержания постоянной частоты вращения с помощью тормозной установки регулируют нагрузку двигателя. Характеристики по установочному углу зажигания необходимо определять на топливе, которое может детонировать в двигателе на исследуемом режиме только после достижения максимума мощности. Основную характеристику по УОЗ снимают при номинальной частоте вращения вала и при полном открытии дроссельной заслонки. Кроме основной , могут быть сняты характеристики и на других скоростных и нагрузочных режимах. Снятие характеристик имеет своей конечной целью определение двух зависимостей : влияние изменяющихся режимных и конструктивных факторов на оптимальные углы опережения зажигания и влияние УОЗ на показатели работы двигателя. Решение первой задачи необходимо для выбора характеристик автоматов, при которых достигаются наилучшие мощностные и экономически показатели двигателей. Решение второй задачи позволяет оценить возможные ухудшения в показателях двигателя в случае если по каким-либо причинам нельзя установить оптимальный угол зажигания. В большинстве современных автомобилей карбюраторных двигателей имеются 2 автомата, встроенных в распределитель системы зажигания. Независимо от конструктивного устройства они предназначены для изменения угла опережения зажигания по двум режимным параметрам : частоте вращения и нагрузке. Первую функцию обычно выполняет центробежный автомат, а вторую - вакуумный автомат опережения зажигания. В тех случаях когда оба автомата действуют независимо, характеристику каждого из них определяют раздельно. Кроме автомата опережения, имеется так называемый октан-корректор, позволяющий изменять начальную установку УОЗ.

16. Динамика поворота гусеничных машин, ее зависимость от конструкции механизма поворотов.

Поворот гусеничного трактора осуществляется рассогласованием скоростей гусениц, одной из которых (забегающей) придают более высокую скорость по сравнению с другой (отстающей). Движение трактора на повороте можно рассматривать как вращательное в плоскости дороги или поля вокруг мгновенного центра О. При этом каждая гусеница по мере перемещения по дуге радиусом R1 и R2 поворачивается на некий угол вокруг своего центра поворота. Возможны 3 варианта движения трактора на повороте в сравнении с режимом прямолинейного движения : скорость точки геометрического центра трактора снижается , скорость сохраняется и возрастает. Тот или иной скоростной режим поворота определяется типом механизма поворота. Например простой дифференциал используемый в качестве механизма поворота сохраняет скорость поворота равный скорости до оного, увеличивая скорость первой гусеницы и уменьшая в пропорции второй. Планетарные механизмы и бортовые фрикционные обладают одинаковой характеристикой : они сохраняют скорость забегающей гусеницы. Как результат уменьшается скорость второй гусеницы. Итог- общая скорость уменьшается.

17. Тепловой баланс двигателя. Тенденции развития систем охлаждения двигателя.

Из анализа действительного рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания было установлено, что только 20..40% теплоты расходуется на совершение полезной работы; остальная часть составляет всевозможные тепловые потери. Тепловой баланс показывает распределение теплоты в двигателе. Он дает возможность оценить степень совершенства работы двигателя и наметить пути улучшения его экономичности. Уравнение теплового баланса в общем виде : Qo=Qe+Qохл+Qг+Qн.с+Qост, где Qo- общее количество теплоты в результате сгорания топлива, - теплота эквивалентная эффективной мощности, - теплота отданная охлаждающей среде, - унесенная отработавшими газами, - теряемая от неполноты сгорания, - не учтенные. Составляющие теплового баланса чаще определяют экспериментально или рассчитывают. Тенденции : от водяного к воздушному.

Контрольные вопросы-

1.Уравновешивание и балансировка звеньев и механизмов

2. Понятие неравномерности движения машин. Назначение и порядок расчета маховика.

3. Уравновешивание механизмов. Статическое и динамическое уравновешивание.

4.Каковы причины неуравновешенности вращающихся звеньев?

5.Каково воздействие неуравновешенных сил на фундамент машины?

6. Назовите и охарактеризуйте виды неуравновешенности вращающихся звеньев?

7. Какими способами осуществляется уравновешивание кривошипно-ползунного механизма?

8Что такое самоуравновешенный механизм?

9. Вибрационные транспортеры.

10.Вибрация.

11. Какие факторы вызывают периодические колебания скорости ведущего звена машины?