Что такое кривошип в двигателе

Устройство кривошипно-шатунного механизма

В соответствии с предназначением кривошипно-шатунный механизм (сокращенное название – КШМ) воспринимает давление газов, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, и преобразует его в механическую работу по вращению коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршней с шатунами, соединенных с коленчатым валом. Поршни перемещаются в гильзах (втулках) цилиндров.

Устройство кривошипно-шатунного механизма (Изображение 1)

1. вкладыш шатунного подшипника
2. втулка верхней головки шатуна
3. поршневые кольца
4. поршень
5. поршневой палец
6. стопорное кольцо
7. шатун
8. коленчатый вал
9. крышка шатунного подшипника

Поршень воспринимает давление расширяющихся при высокой температуре газов и передает его на шатун. Поршень изготавливается из алюминиевых сплавов. Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется в гильзе цилиндра.

Поршень состоит из единых головки и юбки. Головка поршня может иметь различную форму (плоскую, выпуклую, вогнутую и др.), в ней также может быть выполнена камера сгорания (дизельные двигатели). В головке нарезаны канавки для размещения поршневых колец. На современных двигателях используется два типа колец: маслосъемные и компрессионные. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов в картер двигателя. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла на стенках цилиндра. В юбке выполнены две бобышки для размещения поршневого пальца, который соединяет поршень с шатуном.

Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, для этого он имеет шарнирное соединение и с поршнем и с коленчатым валом. Шатуны изготавливаются, как правило, из стали путем штамповки или ковки. Шатуны двигателей спортивных автомобилей отлиты из сплава титана.

Конструктивно шатун состоит из верхней головки, стержня и нижней головки. В верхней головке размещается поршневой палец. Предусматривается вращение поршневого пальца в головке шатуна и бобышках поршня. Такой палец имеет название «плавающий». Стержень шатуна имеет двутавровое сечение. Нижняя головка выполнена разборной, что позволяет обеспечить соединение с шейкой коленчатого вала. Современной технологией является контролируемое раскалывание цельной нижней головки шатуна. Благодаря неповторимой поверхности излома обеспечивается высокая точность соединения частей нижней головки.

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатуна и преобразует их в крутящий момент. Коленчатые валы изготавливаются из высокопрочного чугуна и стали. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками. Щеки выполняют функцию уравновешивания всего механизма. Коренные и шатунные шейки вращаются в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных тонкостенных вкладышей. Внутри шеек и щек коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла, которое к каждой их шеек подается под давлением.

На конце коленчатого вала устанавливается маховик. В настоящее время применяются т.н. двухмассовые маховики, представляющие собой упруго соединенных два диска. Через зубчатый венец маховика производится запуск двигателя стартером.

Для предотвращения крутильных колебаний (чередующееся закручивание и раскручивание коленчатого вала) на другом конце коленчатого вала может устанавливаться гаситель крутильных колебаний. Гаситель колебаний состоит из двух металлических колец, соединенных через упругую среду (эластомер, вязкое масло). На внешнем кольце гасителя крутильных колебаний выполнен ременной шкив (звездочка цепи).

В совокупности поршень, шатун и гильза цилиндров образуют цилиндро-поршневую группу или просто цилиндр. Современный двигатель может иметь от одного до 16 (Bugatti Veyron) и более цилиндров.

Различают следующие компоновочные схемы расположения цилиндров в двигателе:

• рядная (оси цилиндров расположены в одной плоскости);
• V–образная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях);
• оппозитная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под углом 180°);
• VR (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под малым углом);
• W–образная (две VR схемы, расположенных V-образно со смещением на одном коленчатом валу).

Компоновочная схема определяет уровень балансировки двигателя. Наилучшую балансировку имеет двигатель с оппозитным расположением цилиндров. Достаточно сбалансирован рядный четырехцилиндровый двигатель. V-образный двигатель имеет наилучшую балансировку при значении угла между цилиндрами 60° и 120°.

Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяются балансирные валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

Источник

Кривошипно-шатунный механизм — что это?

В соответствии с предназначением кривошипно-шатунный механизм (сокращенное название – КШМ) воспринимает давление газов, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах двигателя, и преобразует его в механическую работу по вращению коленчатого вала.

Кривошипно-шатунный механизм состоит из поршней с шатунами, соединенных с коленчатым валом. Поршни перемещаются в гильзах (втулках) цилиндров.

1. вкладыш шатунного подшипника
2. втулка верхней головки шатуна
3. поршневые кольца
4. поршень
5. поршневой палец
6. стопорное кольцо
7. шатун
8. коленчатый вал
9. крышка шатунного подшипника

Поршень воспринимает давление расширяющихся при высокой температуре газов и передает его на шатун. Поршень изготавливается из алюминиевых сплавов. Возвратно-поступательное движение поршня осуществляется в гильзе цилиндра.

Поршень состоит из единых головки и юбки. Головка поршня может иметь различную форму (плоскую, выпуклую, вогнутую и др.), в ней также может быть выполнена камера сгорания (дизельные двигатели). В головке нарезаны канавки для размещения поршневых колец. На современных двигателях используется два типа колец: маслосъемные и компрессионные. Компрессионные кольца препятствуют прорыву газов в картер двигателя. Маслосъемные кольца удаляют излишки масла на стенках цилиндра. В юбке выполнены две бобышки для размещения поршневого пальца, который соединяет поршень с шатуном.

Шатун передает усилие от поршня к коленчатому валу, для этого он имеет шарнирное соединение и с поршнем и с коленчатым валом. Шатуны изготавливаются, как правило, из стали путем штамповки или ковки. Шатуны двигателей спортивных автомобилей отлиты из сплава титана.

Конструктивно шатун состоит из верхней головки, стержня и нижней головки. В верхней головке размещается поршневой палец. Предусматривается вращение поршневого пальца в головке шатуна и бобышках поршня. Такой палец имеет название «плавающий». Стержень шатуна имеет двутавровое сечение. Нижняя головка выполнена разборной, что позволяет обеспечить соединение с шейкой коленчатого вала. Современной технологией является контролируемое раскалывание цельной нижней головки шатуна. Благодаря неповторимой поверхности излома обеспечивается высокая точность соединения частей нижней головки.

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатуна и преобразует их в крутящий момент. Коленчатые валы изготавливаются из высокопрочного чугуна и стали. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками. Щеки выполняют функцию уравновешивания всего механизма. Коренные и шатунные шейки вращаются в подшипниках скольжения, выполненных в виде разъемных тонкостенных вкладышей. Внутри шеек и щек коленчатого вала просверлены отверстия для прохода масла, которое к каждой их шеек подается под давлением.

На конце коленчатого вала устанавливается маховик. В настоящее время применяются т.н. двухмассовые маховики, представляющие собой упруго соединенных два диска. Через зубчатый венец маховика производится запуск двигателя стартером.

Для предотвращения крутильных колебаний (чередующееся закручивание и раскручивание коленчатого вала) на другом конце коленчатого вала может устанавливаться гаситель крутильных колебаний. Гаситель колебаний состоит из двух металлических колец, соединенных через упругую среду (эластомер, вязкое масло). На внешнем кольце гасителя крутильных колебаний выполнен ременной шкив (звездочка цепи).

В совокупности поршень, шатун и гильза цилиндров образуют цилиндро-поршневую группу или просто цилиндр. Современный двигатель может иметь от одного до 16 и более цилиндров.

Различают следующие компоновочные схемы расположения цилиндров в двигателе:

• рядная (оси цилиндров расположены в одной плоскости);
• V–образная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях);
• оппозитная (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под углом 180°);
• VR (оси цилиндров расположены в двух плоскостях под малым углом);
• W–образная (две VR схемы, расположенных V-образно со смещением на одном коленчатом валу).

Компоновочная схема определяет уровень балансировки двигателя. Наилучшую балансировку имеет двигатель с оппозитным расположением цилиндров. Достаточно сбалансирован рядный четырехцилиндровый двигатель. V-образный двигатель имеет наилучшую балансировку при значении угла между цилиндрами 60° и 120°.

Для уменьшения вибрации в рядных двигателях применяются балансирные валы, расположенные под коленчатым валом в масляном поддоне.

Источник

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Маятник Капицы

Данная статья является вводной теорией к занятию по робототехнике «Кривошипно-шатунный механизм из Lego EV3″

Первые КШМ

Первые упоминания об использовании кривошипно-шатунного механизма можно отнести ко временам Древнего Рима (примерно III век н.э.). Машина для распиливания каменных блоков передавала вращение от водяного колеса с помощью зубчатой передачи на кривошипно-шатунный механизм, который преобразовывал вращательное движение в возвратно-поступательное движение полотна пилы. Также такие устройства могли использоваться на древних лесопилках.

Большого распространения такие машины не получили – деревянные части из-за большого количества трущихся деталей быстро изнашивались и требовали частого ремонта, а рабский труд был намного дешевле и не требовал большой квалификации рабочих.

В XVI веке кривошипно-шатунный механизм появился на деревянных самопрялках. Самопрялка – это ручной станок для прядения нити из шерсти, состоящий из двух катушек. В самопрялке для скручивания нити использовался принцип ременной передачи. Раньше большую катушку приходилось раскручивать рукой. К самопрялке добавили педаль. Нажимая ногой на педаль, работник смог раскручивать катушку без использования рук. Этот механизм упростил работу и позволил за то же время производить больше пряжи. В данном устройстве возвратно-поступательное движение педали передавалось через деревянный шатун на кривошип и преобразовывалось во вращательное движение большой катушки (шкива).

КШМ в паровых машинах

Начиная с начала XVIII века большую популярность среди изобретателей и ученых начинают получать паровые машины. Первый паровой двигатель для водяного насоса построил в 1705 году английский изобретатель Томас Ньюкомен для выкачивания воды из глубоких шахт.

Позднее устройство парового двигателя было усовершенствовано шотландским инженером и механиком Джеймсом Уаттом (1736-1819). Кстати, именно Джеймс Уатт ввел в оборот термин «лошадиная сила», а его именем назвали единицу мощности Ватт. Паровая машина Уатта получила сложную систему связанных тяг, а планетарная зубчатая передача преобразовывала возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика (большого тяжелого колеса). Данная паровая машина стала универсальной, так как в отличие от машины Ньюкомена поршень имел рабочий ход в обе стороны. Машина Уатта получила широкое распространение на ткацких фабриках, в металлургии, при строительстве первых паровозов для железных дорог XVIII века.

Нужно сказать, что паровыми машинами занимались в те времена очень многие изобретатели. Так, в Российской Империи свою двухцилиндровую паровую машину изобрел инженер Иван Иванович Ползунов (1728-1766).

В XIX веке паровую машину Уатта упростили, заменив сложный планетарный механизм на кривошипно-шатунный механизм.

Паровая машина с КШМ нашла широкое применение при строительстве первых автомобилей на паровой тяге и паровозов, перевозящих грузы по железной дороге.

КШМ в двигателях внутреннего сгорания

До этого мы рассматривали использование кривошипно-шатунного механизма в паровых двигателях. В паровом двигателе топливо сгорает в печи (вне цилиндра) и нагревает водяной котел, и уже водяной пар в цилиндре толкает поршень.

В двигателе внутреннего сгорания топливная смесь (воздух + газ, или воздух + бензин и т.д.) поджигается внутри цилиндра и продукты горения толкают поршень. Сокращенно такие двигатели называют ДВС.

Первый одноцилиндровый ДВС на газовом топливе построил в 1860 году в Париже французский изобретатель Жан Ленуар.

Однако широкое применение двигатели внутреннего сгорания нашли в конце XIX века после получения керосина и бензина из нефти. Появление жидкого топлива позволило создать экономичные двигатели небольшой массы, которые можно было использовать для привода транспортных машин.

В 1881-1885 гг. российский изобретатель Огнеслав Костович сконструировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт.

Двигатель внутреннего сгорания Огнеслава Костовича

В 1897 г. немецким инженером Рудольфом Дизелем был спроектирован и построен первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был компрессорный двигатель, работающий на керосине, впрыскиваемом в цилиндр при помощи сжатого воздуха.

Рудольф Дизель и его двигатель внутреннего сгорания

Все эти ДВС имели схожие черты и использовали кривошипно-шатунный механизм для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленвала.

Давайте посмотрим на схему устройства современного двигателя внутреннего сгорания.

Поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль цилиндра – он ходит вверх и вниз.

Шатун – деталь, связывающая кривошип и поршень.

Кривошип – условная деталь, которая связывает шатун с коленвалом.

Противовес снижает вибрации при вращении коленвала.

Блок цилиндров – корпус, в котором находятся цилиндры двигателя.

Поршневой палец – цилиндрическая деталь, ось вращения шатуна относительно поршня.

Коленвал (коленчатый вал) – ось вращения ступенчатой формы.

Верхняя мертвая точка – крайнее верхнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Нижняя мертвая точка — крайнее нижнее положение поршня, где меняется направление его движения.

Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня. Равно удвоенному радиусу кривошипа.

Видео:

Литература:

Маятник Капицы

Обычный маятник, если перевернуть его кверху ногами, неустойчив. Для него крайне трудно найти верхнюю точку равновесия. Но если совершать быстрые вертикальные возвратно-поступательные колебания, то положение такого маятника становится устойчивым.

Петр Леонидович Капица

Советский академик и нобелевский лауреат по физике Петр Леонидович Капица (1894 — 1984) использовал модель маятника с вибрирующим подвесом для построения новой теории, которая описывала эффекты стабилизации тел или частиц. Работа Капицы по стабилизации маятника была опубликована в 1951 году, а сама модель получила название «маятник Капицы». Более того, было открыто новое направление в физике — вибрационная механика. Данная модель позволила наглядно показать возможности высокочастотной электромагнитной стабилизации пучка заряженных частиц в ускорителях.

Владимир Игоревич Арнольд

Другой советский математик и академик Владимир Игоревич Арнольд (1937-2010), который был заместителем Капицы, вспоминал его слова:

«Он (Капица — примечание) сказал: «Вот смотрите — когда придумывается какая-то физическая теория, то прежде всего надо сделать маленький какой-нибудь прибор, на котором его наглядно можно было-бы продемонстрировать кому угодно. Например, Будкер и Векслер хотят делать ускорители на очень сложной системе. Но я посмотрел, что уравнения, которые говорят об устойчивости этого пучка, означают, что если маятник перевернут кверху ногами, он обычно неустойчив, падает. Но если точка подвеса совершает быстрые вертикальные колебания, то он становится устойчивым. В то время как ускоритель стоит много миллионов, а этот маятник можно очень легко сделать. Я его сделал на базе швейной электрической машинки, он вот здесь стоит». Он нас отвел в соседнюю комнату и показал этот стоящий вертикально маятник на базе швейной машинки».

У математика Арнольда не было своей швейной машинки, и он огорчился. Но у него была электробритва «Нева», из которой и был собран перевернутый маятник. К сожалению, в первой конструкции маятник падал. Тогда Арнольд вывел формулу и увидел, что длина маятника не должна быть больше 12 сантиметров. Известный математик укоротил подвес до 11 сантиметров и все получилось.

Давайте посмотрим, какие силы действуют на «маятник Капицы». После прохождения верхней мертвой точки подвес маятника начинает тянуть грузик вниз. После прохождения нижней мертвой точки подвес толкает грузик вверх. Так как углы вежду векторами сил в верхней и нижней точке разные, то сумма их векторов дает силу, направленную к оси вертикальных колебаний маятника. Если эта сила больше силы тяжести, то верхнее положение маятника становится устойчивым.

А эта формула описывает взаимосвязь частоты вибраций подвеса, амплитуды колебаний и длины жесткого подвеса.

Источник

Разрушители легенд. Двигатель внутреннего сгорания. Часть №6. Кривошипно-шатунный механизм. Часть №2. Кривошип.

Вторая часть Марлезонского балета.
Первая часть тут.

Продолжить свой опус я хочу басней Крылова:

Известный русский баснописец, судя по всему намного лучше разбирался в физике, чем многие современные «учёные». На рисунке мы видим, как три «двигателя», пыхтя и потея, вырабатывают колоссальное количество энергии, которая, будучи просуммированной, оказывается равной нулю и не производит никакой ПОЛЕЗНОЙ работы.

Вряд ли Крылов сам рисовал стрелочки сил на иллюстрации к басне. Тем не менее со стрелочками у него всё в порядке(значит живы ещё люди, понимающие в них толк), чего не скажешь о стрелочках сил в многочисленных учебниках по ДВС. Наука теплотехника так сильно зациклилась на сопромате, экологии во всех её видах и прочих тонкостях ДВС-ного бытия, что давно перестала видеть лес за тремя соснами. Я конечно понимаю, что у каждого узкого специалиста своё видение камня преткновения, но у семи нянек — дитя без глаза, и потому ситуация с ДВС мне видится такой:

Довольно тяжело с помощью одной плоской картинки рассказать о многомерном объекте. А ДВС — это несомненно очень многомерная штука. Многомерная даже не столько в плане конструкции, сколько в плане сосредоточения и пересечения многих наук.
Именно поэтому в каждом своём рассказе я стараюсь освещать только ОДНУ подобную проекцию. А вы уже сами складывайте у себя в головах этот пазл в многомерную композицию…

Сегодня мы займёмся вторым узлом, манипулирующим силами давления газов на поршень в нашем двигателе:

Второй узел — это сочленение ШАТУН-КРИВОШИП.
Тут картина намного запутаннее, чем в первом сочленении.
Дело в том, что сочленение ПОРШЕНЬ-ШАТУН совершает только возвратно-поступательное движение вдоль некоей прямой — потому РАБОТА, передаваемая через это сочленение, однозначно определяется довольно примитивной формулой. Эта формула ещё и обратима — работает однотипно в обоих направлениях — и при передаче мощности с поршня на кривошип(на такте расширения), и при передаче мощности с кривошипа на поршень(на такте сжатия).
Сочленение же ШАТУН-КРИВОШИП движется по сложной круговой траектории — при этом значительно трансформируются и моменты передаваемых сил, и расстояния — в итоге все только делают вид, что понимают, как этот узел фунциклирует.

Судя по всему — теорию КШМ начали городить, когда ещё никаких двигателей и в помине не было. Зато уже были первые лесопилки, ручные швейные машинки и прочие подобные устройства, которые преобразовывали ВРАЩАТЕЛЬНОЕ движение в движение ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ.

Именно поэтому вся кинематика КШМ и ЦПГ пляшет от ВЫХОДНОГО ВАЛА к поршню.
Именно поэтому угловая скорость КРИВОШИПА считается константой.
Именно поэтому везде изучают кинематику поршня относительно КШМ, а не наоборот, что было бы логично, раз это ПОРШЕНЬ у нас в двигателе крутит кривошип…

Зря КШМ в двигателе обзывают преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное — это ложное утверждение запутывает мозги уже в самом начале. На самом деле в четырёхтактном двигателе КШМ три такта выполняет функцию преобразователя ВРАЩАТЕЛЬНОГО движения в движение ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ, и только один такт — функцию преобразователя ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО движения в движение ВРАЩАТЕЛЬНОЕ!
Отсюда и значительная доля возникающей путаницы — ведь протекающие процессы совершенно не симметричны!

Распространённое заблуждение — многие полагают, что функционирование КШМ аналогично работе рычага или блока. Как известно — и у рычага и у блока СУММАРНАЯ совершаемая РАБОТА не меняется и не теряется. Т.е. если мы увеличим момент силы за счёт рычага в два раза — то проиграем два раза в расстоянии и скорости.
То же самое происходит и в механической ПЕРЕДАЧЕ — усилие от одной шестерни передаётся на другую шестерню под стабильным углом, БЛИЗКИМ(не буду останавливаться на этом) к 90 градусам:

Именно поэтому, как ни крути редуктор — положение шестерён или шкивов никак на работу этого механизма не влияет, передаточное отношение в любой момент времени будет константой, а работа(момент*расстояние), подводимая к редуктору ВСЕГДА точно равна работе(момент*расстояние), снимаемой с редуктора за минусом потерь на трение.

КШМ хоть и имеет в своей конструкции явные рычаги — работает совсем на другом принципе.
У КШМ, также как и у редуктора, соотношение ДЛИНЫ рычагов не меняется, но у него ПОСТОЯННО меняется УГОЛ приложения сил в сочленении ШАТУН-КРИВОШИП. Угол меняется циклически от 0 до 360 градусов — поэтому преобразование и сил и расстояний выполняется по тригонометрическим законам. При этом расстояние(скорость) преобразуется по одним формулам, а силы(момент) — по другим.
В отличие от рычага или блока — коэффициент трансформации сил(КТС) и коэффициент трансформации расстояния(КТР) не пропорциональны друг другу ни в общем случае, ни в каждый отдельный момент времени.
Так что откуда растут ноги у этого суеверия я не понимаю категорически…

Коэффициент трансформации СИЛ(КТС) в сочленении ШАТУН-КРИВОШИП определяется текущим УГЛОМ между ШАТУНОМ и КРИВОШИПОМ, рассчитывается по формуле T=Pt*sin(φ+β) и сильно ПОХОЖ на синусоиду. «Похож» — потому что настоящая синусоида получится только при бесконечно длинном шатуне или в так называемых «бесшатунных» двигателях.
В современных реалиях длина шатуна обычно находится в диапазоне 3-3.5R.
Максимума КТС достигает тогда, когда шатун образует прямой угол с кривошипом:

При бесконечно длинном шатуне пик момента, передаваемого сочленением ШАТУН-КРИВОШИП, находился бы при 90 градусах по коленвалу от ВМТ. При длинном(5R) шатуне этот пик находится в районе 79 градусов после ВМТ, при среднем(3.5R) — в районе 74 градусов, при коротком(2R) — в районе 63 градусов. Максимальный КТС во ВСЕХ этих случаях равен 1, но ПЛОЩАДЬ графиков максимальна при максимально длинном шатуне. По мере удаления от точки максимального КТС, передаваемая через шатун на кривошип сила уменьшается до нуля и в ВМТ и в НМТ. В эти моменты давление газов, каким бы большим оно не было, не способствует вращению коленвала ВООБЩЕ, так как замыкается накоротко через детали двигателя и только деформирует их, не совершая НИКАКОЙ полезной работы.
Вот так распределяются силы при разных положениях кривошипа:

Чем короче шатун — тем сильнее искажается синусоида, тем ближе пик момента к ВМТ:

Если построить СУММАРНЫЙ график коэффициента трансформации сил ОБЕИМИ сочленениями(и сочленением ПОРШЕНЬ-ШАТУН и сочленением ШАТУН-КРИВОШИП) — то окажется, что графики ещё сильнее смещены в строну ВМТ. С точки зрения передачи момента такое смещение к ВМТ может только приветствоваться — в области ВМТ давление газов максимально и такой сдвиг мог бы увеличить суммарный передаваемый момент(об этом поговорим ниже), но короткий шатун на корню хоронит весь получаемый эффект:

Как видно из графика — при длинном(5R) шатуне СУММАРНЫЙ пик передаваемого КШМ момента находится в районе 78 градусов после ВМТ(теряя около 2% силы давления газов), при среднем(3.5R) — в районе 73 градусов(теряя около 4%), при коротком(2R) — в районе 59 градусов(теряя около 10%). В итоге у системы с коротким шатуном катастрофически скукоживается ПЛОЩАДЬ графика — двигатель с коротким шатуном в итоге просерает почти на 10% СУММАРНОГО крутящего момента больше, чем двигатель с длинным шатуном! 🙁

Напомню — вышепонаписанное действительно только для 4-ого такта 4-ёх тактного двигателя, когда ГАЗЫ приводят в движение кривошип. В течение 1, 2 и 3-его тактов КРИВОШИП приводит в движение поршень и потому раскладка сил меняется на противоположную.

Когда кривошип образует прямой угол с шатуном на 1-3 тактах — КТС также как и на 4-ом такте становится равным 1. Но по мере поворота кривошипа к ВМТ или к НМТ на 1-3 тактах происходит не уменьшение(как подразумевается во всех учебниках), а увеличение КТС практически до бесконечности. Я не силён в математике и не умею делить на ноль, но реальные силы получаются настолько большими, что при попадании в камеру сгорания воды или других плохо сжимаемых предметов эти силы просто размалывают двигатель изнутри — гнут шатуны, ломают коленвал, коробят головку блока цилиндров…
Все детали, что рассчитаны на десятилетия работы под импульсами давления в сотни атмосфер, мгновенно разрушаются даже хиленьким электромоторчиком стартера. И это всё происходит при смешном плече кривошипа, редко превышающем 5 см…
Именно такая особенность работы КШМ позволяет воспламенять топливо задолго до ВМТ — даже детонационное сгорание не может ни то что остановить кривошип, а даже серьёзно замедлить его вращение…

Коэффициент трансформации РАССТОЯНИЯ(КТР) КШМ — это зависимость УГЛА ПОВОРОТА выходного вала двигателя от РАССТОЯНИЯ, на которое сместился поршень в цилиндре.
Если трансформацию СИЛЫ давления сгорающих газов в крутящий МОМЕНТ в специализированной литературе освещают пусть и однобоко, но худо-бедно вменяемо, то трансформации ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ поршня в ПОВОРОТ выходного вала как будто вообще не существует при том, что именно ЭТО — основное предназначение всего механизма.
Есть такие, кто хотя бы краем уха слышал про эту хрень?
Мне лично ни разу не попадалась хоть сколько-нибудь осмысленная писанина на эту тему… 🙁

С расстоянием в КШМ всё очень не однозначно.
С одной стороны — некий фиксированный ход поршня от ВМТ до НМТ приводит к фиксированному же повороту кривошипа на 180 градусов. Потому некий СУММАРНЫЙ коэффициент трансформации расстояния ВСЕГДА равен 1 вне зависимости от конструкции КШМ. Получается, что у всех двигателей он одинаковый.
А вот с текущим КТР всё непросто…
Я уже писал выше, что КТС и КТР в КШМ живут по своим индивидуальным законам — и потому КТР от длины шатуна не зависит никак. КТР становится равен 1 в тот момент, когда КРИВОШИП становится перпендикулярен оси движения поршня:

В этих двух точках не важно — в каком направлении осуществляется преобразование.
Вне этих точек картина становится зеркальной.
Когда осуществляется преобразование ВРАЩАТЕЛЬНОГО движения в ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ, то КТР по мере приближения к мёртвым точкам УМЕНЬШАЕТСЯ до нуля.
В мёртвых точках поворот кривошипа не вызывает движения поршня!

Закон движения ПОРШНЯ от угла поворота кривошипа никакой тайны не составляет.
Вот так перемещается поршень по цилиндру по мере поворота кривошипа от ВМТ до НМТ в зависимости от длины шатуна:

Полный ХОД ПОРШНЯ определяется радиусом кривошипа и потому одинаков при любом шатуне, а вот СКОРОСТЬ перемещения поршня довольно сильно зависит от длины шатуна — потому середины хОда поршень при коротком шатуне достигает почти на 10 градусов поворота кривошипа раньше, чем при длинном шатуне.

При худо-бедно постоянной угловой скорости кривошипа — поршень в «мёртвых» точках на мгновение останавливается(скорость становится равной 0), а затем разгоняется до приблизительно середины своего хода и вновь тормозится до нулевой скорости в противоположной «мёртвой» точке:

Когда осуществляется преобразование ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО движения во ВРАЩАТЕЛЬНОЕ, то КТР по мере приближения к мёртвым точкам УВЕЛИЧИВАЕТСЯ до бесконечности.
Бесконечность бесконечно смущает наших «учёных». Чего с ней делать — они не понимают, ведь эта бесконечность себя практически никак не проявляет. Чуют они в ней некий подвох — потому стараются держаться от неё подальше и даже говорить про неё не хотят… Ну а мне терять нечего — потому слушайте.

Если мы сместим поршень на очень маленькую величину(скажем, на 1мкм) при 90 градусах после ВМТ — то и сочленение ШАТУН-КРИВОШИП сместится также на 1мкм. При этом кривошип повернётся на некий микроскопический градус. В этой области КТР равен 1.
По мере приближения к НМТ(или к ВМТ) каждый 1мкм перемещения поршня будет приводить ко всё большему углу поворота кривошипа. «Мёртвые» точки по всем канонам русских сказок обращаются в «живые» — минимальное смещение поршня в зоне «мёртвых» точек вызывает невероятно большое смещение кривошипа.
Например, чтобы повернуть кривошип от ВМТ на 1 градус — нужно опустить поршень на 0,00762% его хода. Следующий градус потребует уже 0.02284% хода поршня, что почти в три раза больше. И так далее…
Чтобы повернуть коленвал на 1 градус в точке, близкой к 90 градусам по коленвалу, поршню придётся пройти 8.7262% хОда — почти в 115 раз большее расстояние, чем у ВМТ!
Если играться не с градусами, а с минутами или секундами поворота коленвала — то разница будет уже в тысячи раз…

Для наших трёх шатунов графики КТР выглядят так:

На графике сложно разглядеть, что происходит с КТР на участке от 10 до 170 градусов — потому я сделал график с обрезанными зонами ВМТ и НМТ:

В сказках добро побеждает зло. Жизнь побеждает смерть… Каждый раз…
Но чисто математически — ни в одной, ни в другой «мёртвой» точке не возможно создать достаточное усилие на поршень, чтобы повернуть кривошип хоть на йоту. Потому и поршень в этих точках остаётся неподвижен навечно. 🙁
Шутка.

В реальной жизни на мгновенный разгон даже элементарной частицы требуется неимоверное количество энергии. А как раз в «мёртвых» точках энергии нет — крутящий момент там равен нулю. Зато инерционная МАССА всех движущихся деталей двигателя(поршни, пальцы, шатуны, кривошип, ГРМ и сотоварищи, маховик, вся трансмиссия вплоть до колёс, и даже масса самого автомобиля — всё это хозяйство страшно сопротивляется изменению СКОРОСТИ кривошипа.
По мере удаления от «мёртвых» точек КТР лавинообразно снижается, а вот КТС нарастает ооочень плавно(хоть и с ускорением) и по факту близок к нулю всё то время, пока КТР значительно выше 1.
В итоге работа КШМ в подавляющей степени определяется кривой КТС! :(((

Шерсти клок пытаются вырвать у КТР только некоторые энтузазисты, максимально облегчающие маховик, шатуны и поршневую — они утверждают, что так двигатель «легче» раскручивается. В таком облегчённом виде двигатель действительно быстрее раскрутится за счёт того, что меньше энергии затрачивается на разгон облегчённых деталей — но мне сдаётся, что и КТР тоже вставляет в этот процесс свои пять копеек и двигатель легче раскручивается и за счёт подросшего КПД движка…

Подведём промежуточные итоги.
Кривошипно-шатунный механизм в процессе преобразования ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО движения в движение ВРАЩАТЕЛЬНОЕ при длинном шатуне передаёт на выходной вал не более 62% сил давления сгорающих газов при умеренно длинном(5R) шатуне и не более 53% при коротком(2R) шатуне.
Теряется почти ПОЛОВИНА энергии!

На САМОМ ДЕЛЕ теряется больше.
КШМ вращается с относительно стабильной скоростью и в нём мало дополнительных ДИНАМИЧЕСКИХ потерь, так характерных для поршневой группы. Но это не значит, что только что озвученные цифры потерь неверные или неточные. Проблема в том, что они — среднепотолочные.
Они действительны только для одного режима работы ДВС(что характерно — совершенно невозможного в реальном двигателе), когда давление газов в цилиндре одинаково на всём протяжении хода поршня.

В условиях реального двигателя максимальное давление газа в цилиндре создаётся вблизи ВМТ.
Но именно вблизи ВМТ кривошипно-шатунный механизм ВООБЩЕ не передаёт давление газов на коленвал.
По мере опускания поршня вниз — резко увеличивается ОБЪЁМ камеры сгорания и так же резко падает давление в цилиндре, воздействующее на поршень. КШМ по мере поворота кривошипа стремительно наращивает передаточный коэффициент, но значительная часть энергии уже потеряна безвозвратно…

Чтобы лучше понимать картину и не отвлекаться более на шатуны и прочее — шатун у нас будет длиной 3.5R. Объём «камеры сгорания» будет определять степень геометрического сжатия — 3, 6, 12, 24 и 48.
Режима работы двигателя будет 2 — первый(изобарный) будет идти при неизменном(100атм) давлении в цилиндре, а второй(квазиадиабатический) будет чисто «детонационный» — давление(100атм) будет создаваться в ВМТ и снижаться по мере расширения «камеры сгорания».

Вот такой график у меня получился:

На что желательно обратить внимание?
1). Чем выше степень геометрического сжатия расширения — тем ниже давление газов в НМТ. Соответственно — тем выше КПД двигателя. Если при СР=3 двигатель преобразует только около 66% энергии давления, то при СР=12 уже больше 90%. При бОльших СР рост КПД происходит всё медленнее.
2). Чем выше степень сжатия расширения — тем стремительнее падает давление газов в цилиндре.
Потому и момент всех двигателей с ростом степени расширения планомерно ПАДАЕТ.
Неожиданно, правда? Вся околоавтомобильная литература прямо захлёбывается слюнями, описывая как современные двигатели становятся одновременно и экологичнее(экономичнее) и мощнее.
Но чудес не бывает — среднее давление цикла с ростом степени расширения уменьшается, уменьшается и вырабатываемый двигателем за рабочий такт суммарный момент.
Литровая мощность среднепотолочного двигателя на одинаковых оборотах при повышении степени расширения с 6 до 12 очень значительно снизится, а не возрастёт! Так что забудьте весь бред про длинноходые старые бензиновые двигатели — их «паровозная» тяга обуславливалась не столько здоровенным плечом коленвала, сколько «паровозным» же рабочим циклом с высоким СРЕДНИМ давлением.

После того, как КШМ преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение кривошипа у нас останется в сухом остатке вот что:

На глаз сложно оценить всю катастрофичность ситуации.
Зона максимального давления в цилиндре бездарно обрезана.
И чем Уже была зона высокого давления(читай — чем выше степень расширения) — тем больше безвозвратные потери.

ДВС со степенью расширения 3 теряет в итоге около 41% условного момента — остаётся 59%.
ДВС со степенью расширения 6 теряет в итоге около 44% условного момента — остаётся 56%.
ДВС со степенью расширения 12 теряет в итоге около 50% условного момента — остаётся 50%.
ДВС со степенью расширения 24 теряет в итоге около 56% условного момента — остаётся 44%.
ДВС со степенью расширения 48 теряет в итоге около 63% условного момента — остаётся 37%.

С коротким шатуном потери будут ещё выше.
Понятно, что в реальном двигателе картина несколько отличается от теоретической в худшую сторону — но общие тенденции, я думаю, понятны. Чем выше геометрическая степень сжатия ДВС — тем выше потери в КШМ.

Наверняка теперь большинству моих читателей окончательно станет понятна значительно меньшая литровая мощность дизелей по сравнению с бензинками, а так же маниакальное стремление производителей всеми правдами-неправдами снизить у дизелей степень сжатия ниже всякого разумного предела.
Это только кажется, что разработчики двигателей безумны, на самом же деле перед ними стоит вполне однозначная задача — повышать литровую мощность всеми возможными способами. Они и стараются.
Как только задачу поменяют и во главу развития поставят КПД — расход ДВС одномоментно упадёт раза в два.

Я в прошлой статье показывал, что реальная степень расширения обычной современной(с геометрической степенью сжатия равной 8) бензинки не превышает 6 — т.е. вроде как наращивать степень сжатия ещё очень даже есть куда. Но именно КШМ просерает почти всю выгоду, полученную от лучшего сгорания топлива, от более эффективной работы ЦПГ и других систем… Всё усилия конструкторов по повышению геометрической степени сжатия(читай — по повышению КПД) коту под хвост — в движке просто лавинообразно нарастают внутренние механические напряжения и температура, а ни КПД ДВС, ни мощность практически не растут…
Отсутствие дальнейшего роста литровой мощности немного замаскировали оборотистостью современных движков, турбированием и, как ни странно прозвучит, экологией. ВСЕ современные разработки направлены на замедление сгорания топлива с целью уменьшения образования окислов азота — а это, как я уже писал, фактически равнозначно уменьшению степени сжатия. Именно поэтому снижение геометрической степени сжатия уже начинает в массовой технической литературе преподноситься как несомненное благо, хотя ещё лет десять назад все читатели покрутили бы у виска…

Но снижение степени сжатия и в самом деле благо. Для производителя.
Низкие максимальные давления цикла и высокие средние позволяют заметно экономить на весе и прочности механизмов двигателя. Можно делать почти весь двигатель из дешёвого говна типа силумина. Литраж двигателей планомерно снижают в борьбе с расходом топлива на холостом ходу и около — за максимальную мощность потому всё чаще отвечает турбокомпрессор. Сегодня турбокомпрессор — неотъемлемая часть ФАКТИЧЕСКОГО литража и ФАКТИЧЕСКОЙ степени сжатия современного двигателя. Геометрическая степень сжатия в двигателе с высоким наддувом снижается производителем на 2-3-4 единицы для того, чтобы вернуть процессы сгорания к экологическим стандартам — одновременно с этим частично решается и проблема низкой эффективности КШМ. Хитрожопые современные инженера льют нам в уши сладкую песню про научно-технический прогресс, а сами по факту возвращаются к техническим решениям 30-40-ых годов прошлого века.

КШМ для современного ДВС давно стал ахиллесовой пятой и нужно срочно от КШМ отказываться.
Есть правда одна проблема — до сих пор никто так и не сумел построить двигатель на иных принципах преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное.
Оттого и весь сегодняшний ступор двигателестроения.

Прототипы двигателей вообще без КШМ, конечно уже давно есть.
Вот концепция реечного ДВС:

А вот уже вовсю действующий двигатель Горшкова:

Источник