Влияние износа шеек коленчатого вала и поршневого пальца на степень сжатия ДВС

На рис. 2 приведена схема кривошипно-шатунного механизма ДВС. Основная функция этого механизма – преобразование возвратно-поступательного перемещения поршня во вращательное движение коленчатого вала с передачей мощности от расширяющихся газов к коленчатому валу и от коленчатого вала к поршню в процессах сжатия, выпуска и впуска.

В связи с этим одним из обязательных условий выполнения этой функции является точность сопряжения сочленений рычагов, т.е. сохранение минимально возможных зазоров между сопрягающимися поверхностями.

В общем случае сила F_П является величиной переменной по величине и направлению. Соответственно происходит неравномерное нагружение тел рычагов и, что особенно важно, их подвижных в радиальном направлении сочленений. Из-за этого происходит неравномерный износ трущихся поверхностей, и поэтому основной эксплуатационной характеристикой такого механизма являются величины зазоров в сочленениях. Предельные величины этих зазоров (минимальная и максимальная) устанавливаются заводом-изготовителем.

Слишком малые зазоры способствуют неправильному распределению смазочного материала, а также могут привести к заеданию и заклиниванию кинематической пары при чрезмерном тепловом расширении (схватывание II рода), возникающем из-за повышения сил трения. Это явление может возникнуть и как результат неправильной сборки или некачественно проведенного ремонта.

Слишком большой зазор способствует вытеканию консистентной смазки или падению давления жидкой смазки (при подаче масла под давлением), появлению ударных нагрузок, из-за которых может произойти смятие поверхностей сочленения или промежуточных элементов (например – антифрикционных вкладышей), дальнейшему увеличению зазора и возникновению еще больших ударных нагрузок, которые могут привести к разрушению материала рычагов и выходу из строя передачи.

Кроме того, при увеличении зазора теряется кинематическая точность передачи нагрузки с одного рычага на другой, что ведет к уменьшению хода выходного звена – поршня.

 

 

Последнее обстоятельство приводит также к тому, что уменьшается рабочий объем цилиндра, следовательно, и степень сжатия тоже, т.к. объем камеры сгорания остается прежним.

Следует напомнить, что рабочий объем цилиндра V_h – это объем, описываемый поршнем при его движении от ВМТ до ВМТ:

,

где D – диаметр цилиндра, S_h – ход поршня, R – радиус кривошипа (расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала).

Объем камеры сгорания V_С – это объем, образующийся над поршнем в его положении в ВМТ.

Рис. 2. Схема кривошипно-шатунного механизма ДВС

Полный объем цилиндра V _a – это объем цилиндра над поршнем при его нахождении в положении НМТ, равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания:

 

 

Степень сжатия ε – это отношение полного объема цилиндра V _a к объему камеры сгорания V_С. Процесс сжатия – это процесс уменьшения объема, который сопровождается увеличением давления сжимаемого газообразного вещества и увеличением его температуры.

Чем выше степень сжатия, тем выше давление и температура в конце процесса, тем выше скорость сгорания рабочей смеси и тем мощнее и экономичнее двигатель.

 

При увеличении зазоров в коренных, шатунных шейках и в сочленении поршневого пальца с отверстиями в бобышках поршня его ход уменьшится на удвоенную сумму разности между фактическими зазорами в вышеуказанных сочленениях и номинальными. Это приведет к увеличению объема камеры сгорания, уменьшению рабочего объема цилиндра и, таким образом, уменьшится и степень сжатия.

То есть ход поршня S_h(НОВ) с учетом износа коренных, шатунных шеек и сочленения поршневого пальца с поршнем будет определяться уравнением

 

где: Δ_К – разность между изношенным и номинальным зазором в коренных шейках коленчатого вала;

Δ_Ш – разность между изношенным и номинальным зазором в шатунных шейках коленчатого вала;

Δ_П – разность между изношенным и номинальным зазором в сочленении поршневого пальца и поршня.

Соответственно измененный рабочий объем цилиндра V_h(НОВ)

 

Измененный в связи с износом шеек коленчатого вала и сочленения поршневого пальца и поршня объем камеры сгорания V_C(НОВ) определится из выражения

 

 

При записи этого уравнения учтено, что объем камеры сгорания формируется при ходе поршня только в сторону ВМТ.

Новый полный объем цилиндра V_а(НОВ) рассчитывается по формуле

 

 

Для выполнения занятия необходимо:

1. По данным табл. 2 определить степень сжатия ε, ход поршня S_h и полный объем цилиндра неизношенного ДВС.

2. Составить алгоритм расчета новой степени сжатия ε _НОВ, которой будет обладать ДВС после того, как шейки коленчатого вала и поршневой палец износятся на заданную величину.

3. Используя данные табл. 2, произвести расчет новой степени сжатия ε _НОВ и определить, во сколько раз степень сжатия стала меньше по уравнению N = ε_НОВ / ε.

Таблица 2