Кривошипно-шатунный механизм

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Кривошипно-шатунный механизм

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:

Принцип действия[править | править вики-текст]

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.

История[править | править вики-текст]

В природе[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Римская пилорама из Иераполиса из 3-го столетия до н.э., наиболее ранняя известная машина с соединением кривошипа и шатуна.[1]

В пилорамах. Самые ранние свидетельства, в любой точке мира, для рукоятки в сочетании с шатуном на машину появляется в конце Римской пилорамы из Иераполиса с 3-го века нашей эры и две римских каменных пилорамы в Герасе, Сирии и Эфесе, Малая Азия (как в 6-м веке нашей эры).[1]

Уравнения движения поршня[править | править вики-текст]

Диаграмма показывающая геометрическое положение шатуннопоршневой оси - P, кривошипношатунной оси - N и центра кривошипа - O

Определения[править | править вики-текст]

l - длина шатуна (расстояние между шатуннопоршневой осью и кривошипношатунной осью)
r - радиус кривошипа (расстояние между кривошипношатунной осью и центром кривошипа, т.е. 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[править | править вики-текст]

Угловая скорость кривошипа в оборотах в минуту (RPM):

Отношения в треугольнике[править | править вики-текст]

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 (Угловая область)[править | править вики-текст]

Уравнения, которые описывают циклическое движение поршня по отношению к углу поворота кривошипа.
Примеры графиков этих уравнений показаны ниже.

Положение[править | править вики-текст]

Положение относительно угла кривошипа (преобразованием отношений в треугольнике):

Скорость[править | править вики-текст]

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

Ускорение[править | править вики-текст]

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

Пример графиков движения поршня[править | править вики-текст]

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):

Единицами вертикальных осей являются: [дюймы] для положения, [дюймы/рад] для скорости, [дюймы/рад²] для ускорения.
Единицами горизонтальных осей является угол поворота кривошипа в [градусах].

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

Анимация движения поршня с различными радиусами кривошипа

Применение[править | править вики-текст]

Пистолет Люгера, модель 1898 г.

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[править | править вики-текст]

Другие способы преобразования вращательного движения в прямолинейное[править | править вики-текст]

Здесь была возможность смены Хойкена.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), "A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications", Journal of Roman Archaeology, 20, pp. 138–163

Ссылки[править | править вики-текст]