Поршня строение: Строение двигателей / Хабр

Содержание

Строение двигателей / Хабр

Недавно наткнулся на прекрасный

сайт

(англ.), который по полочкам размусоливает и показывает строение большинства типов двигателей. Попытаюсь вольно и сжато пересказать самое на мой взгляд главное, совсем по пальцам и как для самых маленьких. Конечно можно было бы позаимствовать точные определения из авторитетных источников, но такой любительский перевод обещает быть единственным в своем роде 🙂

А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.

Работающий четырёхтактный двигатель впервые был представлен немецким инженером Николаусом Отто в 1876, с этих пор он также известен под названием цикл Отто. Но все же корректнее называть его четырёхтактным. Четырёхтактный двигатель является, наверное, одним из самых распространенных типов двигателей в наше время. Он используется почти во всех автомобилях и грузовиках.

Под четырьма тактами подразумеваются:

впуск, сжатие, рабочий ход, и выпуск. Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.

Впуск

Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.

Сжатие

Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь. Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.

Рабочий ход

В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.

В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса. Wiki

Так как в двухтактном двигателе на каждое движение коленчатого вала приходится один рабочий ход — двухтактные двигатели всегда мощнее четырехтактных (если брать двигатели одинакового объема). Важным фактором в пользу первых является их более простая и легкая конструкция. Эти двигатели получили распространение в бензо-пилах, лодочных моторах, снегоходах, легких мотоциклах и моделях самолетов.

Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.

Впуск

Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.

Сжатие в камере сгорания

Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.

Движение топливной смеси/выпуск

Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан. К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.

Сжатие

После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).

Рабочий ход

На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).

Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива.

Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.

Впуск

Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.

Сжатие

Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает. В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива

Впрыск

Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.

Рабочий ход

При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.

Выпуск

Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века.

В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.

В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda, но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным. Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах.

  • Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
  • низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
  • главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
  • Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
  • меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
  • меньшее на 35-40 % число деталей

  • Недостатки:
  • Быстрый износ
  • Склонности к перегреву
  • Сложность в производстве
  • Меньшая экономичность при низких оборотах

Впуск

Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.

Сжатие

Топливная смесь сжимается здесь.

Рабочий ход

Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.

Выпуск

Выхлопные газы выходят здесь

Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу.

На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.

Впуск

На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.

Рабочий ход

Газ расширяется двигая поршень вниз

Выпуск

Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.

Окончание

Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.

Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.

Ракетный двигатель

Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.

Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.

Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же 😉

Турбореактивный двигатель

Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы. По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.

Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.

Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.

Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.

Турбовинтовой двигатель

Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем. Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.

Турбовентиляторный двигатель

Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.

Источники:
www.animatedengines.com

  • Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
  • Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
  • The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
  • Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
  • Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
  • Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co., 1999
  • Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
  • Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
  • Toyota Web site Prius specifications
  • Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
  • Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
  • Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
  • An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
  • An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993

UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.

Поршни

В зависимости от задач, для которых используется шприц, поршень может иметь различную конструкцию и быть изготовлен из различных материалов.


Поршни для шприцев Microliter

Классический поршень для шприцев серии Microliter изготовлен из нержавеющей стали и вручную подогнан к цилиндру для обеспечения наиболее герметичного соединения. При использовании для дозирования жидкостей, исключающих наличие кристаллических частиц, такие поршни имеют практически неограниченный срок службы. Однако, в случае износа или повреждения, поршни не подлежат замене, поскольку размеры поршня индивидуально подобраны для каждого цилиндра.


Поршни для шприцев Microliter 7000 серии

Шприцы этой серии позволяют дозировать ультрамалые малые объемы, от 0,5 до 5 мкл, поэтому имеют особенное строение поршня — конструкцию «поршень в игле». Поршень имеет удлинение в виде тонкой проволоки, которая занимает всю длины иглы. Такое решение позволяет избежать проблемы мертвого объема.


Поршни для шприцев Gastight

Для шприцев Gastight существует несколько видов поршней в зависимости от назначения шприца. Поршни выполнены из нержавеющей стали или алюминия и имеют наконечник из полимерного материала. Традиционно наконечник выполнен из ПТФЭ, но для специфических задач возможно исполнение из других материалов. Поршни шприцев Gastight могут быть использованы как для ручного, так и автоматического ввода жидких или газообразных проб. Для шприцев с объемом дозирования от 10 мкл до 100 мл поршни являются взаимозаменяемыми.

Поршни для ручного ввода имеют два исполнения: со стандартным выпуклым наконечником и с наконечником с нанесенной резьбой. Шприцы для ручного ввода с объемом дозирования менее 1 мл имеют поршень из нержавеющей стали; шприцы с объемом 1 мл и более имеют поршень, покрытый ПТФЭ, в наконечнике которого сделано резьбовое отверстие, что позволяет использовать эти шприцы в автоматических устройствах дозирования.

 


Шприцы с усиленным поршнем

Для изготовления шприцев малых объёмов требуется исключительно тонкая проволока. При активном использовании проволока поршня может изгибаться и даже ломаться. В таких случаях к использованию рекомендуются шприцы с усиленным поршнем. Версии с усиленным поршнем доступны для шприцев Microliter (серия 800) и Gastight (серия 1800).


Поршень Х-типа

Поршень используется для шприцев с объемом дозирования 500 мкл и менее, предназначенных для установки в автоматические шприцевые насосы. Специальный наконечник позволяет останавливать насос точно на нулевой отметке, тем самым предотвращая повреждение окончания тонкой проволоки поршня.


Поршень ХР-типа

Поршень используется для шприцев модульных шприцевых цифровых насосов ХР-3000 и имеет стоппер для предотвращения повреждения окончания поршня. Поршень предназначен для шприцев половинного объема с длиной цилиндра — 30 мм.


Поршень XL-типа

Поршень используется для шприцев модульных шприцевых цифровых насосов ХL-3000 и имеет стоппер для предотвращения повреждения окончания поршня. Поршень предназначен для шприцев полного объема с длиной цилиндра — 60 мм.


Поршень ХВ-типа

Поршень отличается наличием стоппера и внутреннего вкладыша. Наличие вкладыша продлевает срок службы окончания поршня, способствует правильному выравниванию поршня и уменьшает крошение поршня при контакте со стеклом.

Поставка очистных поршней и комплектующих к ним для технического обслуживания объектов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» в 2019 г. 0035/19/4.3/0042592/ТГЕкатеринб/ПР/ГОС/Э/17.

06.2019

Цена договора и требования к обеспечению

Предмет договора

Поставка очистных поршней и комплектующих к ним для технического обслуживания объектов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» в 20

Начальная цена

3 149 336,85

Размер обеспечения заявки (в рублях)

Не установлен

Условия договора

Количество поставляемого товара/объем выполняемых работ/оказываемых услуг

Согласно закупочной документации

Место поставки товаров/выполнения работ/оказания услуг

Согласно закупочной документацииРассчитать логистику >

Условия оплаты и поставки товаров/выполнения работ/оказания услуг

Согласно закупочной документации

Заказчики

Адрес местонахождения

620075, ОБЛ СВЕРДЛОВСКАЯ, Г ЕКАТЕРИНБУРГ, УЛ КЛАРЫ ЦЕТКИН, СТРОЕНИЕ 14,

620000, ОБЛ СВЕРДЛОВСКАЯ, Г ЕКАТЕРИНБУРГ, УЛ КЛАРЫ ЦЕТКИН, ДОМ 14

Перечень товаров, работ, услуг

«Позиция 1»

«Транспортные расходы»

Кол-во: 1

«Позиция 2»

«Передатчик Семигор-С-80-95»

Кол-во: 1

«Позиция 3»

«Передатчик Семигор-С-42-64»

Кол-во: 1

«Позиция 4»

«Приемник Семигор-Р»

Кол-во: 1

«Позиция 5»

«Поршень Семигор-МД-КаС64-325(код77)»

Кол-во: 1

«Позиция 6»

«Поршень Семигор-Д6-Т-С95-1220 (код 77))»

Кол-во: 1

«Позиция 7»

«Поршень Семигор-Д6-С95-530 (код 77)»

Кол-во: 2

«Позиция 8»

«Поршень Семигор-Д6-С95-1420»

Кол-во: 1

«Позиция 9»

«Поршень Семигор-Д6-С64-325 (КОД 77)»

Кол-во: 1

«Позиция 10»

«Поршень Семигор Д6-С95-1020 (код 77)»

Кол-во: 2

«Позиция 11»

«Комплект для поршняСемигор Д6М1-С95-1420»

Кол-во: 1

«Позиция 12»

«Комплект д/поршня Семигор-МД-КаС95-530»

Кол-во: 2

«Позиция 13»

«Диск чистящий Семигор-ЧД-325 (код 77)»

Кол-во: 4

«Позиция 14»

«Диск чистящий Семигор-ЧД-530 (код 77)»

Кол-во: 8

«Позиция 15»

«Семигор-ЧД-1020 (код 77)»

Кол-во: 8

«Позиция 16»

«Диск чистящий Семигор ЧД-1220 (код71)»

Кол-во: 4

«Позиция 17»

«Диск Семигор-ЧД-720 (код 77)»

Кол-во: 6

«Позиция 18»

«Диск Семигор-ОД-720 (код 77)»

Кол-во: 4

«Позиция 19»

«Диск опорный Семигор-ОД-530 (код 77)»

Кол-во: 6

«Позиция 20»

«Диск опорный Семигор-ОД-325 (код 37)»

Кол-во: 2

«Позиция 21»

«Диск опорный Семигор-ОД-1020 (код77)»

Кол-во: 4

«Позиция 22»

«Диск опорный Семигор ОД-1220 (код77)»

Кол-во: 2

«Позиция 23»

«Поршень Семигор-МД-КаС95-530 (Код 77)»

Кол-во: 1

Устройство автомобиля.

Как работает роторный двигатель Роторный двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, устройство которого в корне отличается от обычного поршневого двигателя.
В поршневом двигателе в одном и том же объеме пространства (цилиндре) выполняются четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Роторный двигатель осуществляет те же такты, но все они происходят в различных частях камеры. Это можно сравнить с наличием отдельного цилиндра для каждого такта, причем поршень постепенно перемещается от одного цилиндра к другому.

Роторный двигатель изобретен и разработан доктором Феликсом Ванкелем и иногда называется двигатель Ванкеля или роторный двигатель Ванкеля.

В этой статье мы расскажем о том, как работает роторный двигатель. Для начала рассмотрим принцип его работы.

Принцип работы роторного двигателя

Ротор и корпус роторного двигателя Mazda RX-7. Эти детали заменяют поршни, цилиндры, клапаны и распредвал поршневого двигателя. Как и поршневой, роторный двигатель использует давление, которое создается при сгорании топливовоздушной смеси. В поршневых двигателях, это давление создается в цилиндрах, и приводит поршни в движение. Шатуны и коленчатый вал преобразуют возвратно-поступательные движения поршня во вращательное движение, которое может быть использовано для вращения колес автомобиля.

В роторном двигателе, давление сгорания образуется в камере, сформированной частью корпуса, закрытой стороной треугольного ротора, который используется вместо поршней.

Ротор вращается по траектории, напоминающую линию, нарисованную спирографом. Благодаря такой траектории, все три вершины ротора контактируют с корпусом, образуя три разделенных объема газа. Ротор вращается, и каждый из этих объемов попеременно расширяется и сжимается. Это обеспечивает поступление топливовоздушной смеси в двигатель, сжатие, полезную работу при расширении газов и выпуск выхлопа.

Далее мы расскажем о строении роторного двигателя, но, прежде всего, рассмотрим некоторые автомобили с таким типом двигателя.

Mazda RX-8

Mazda стала пионером в массовом производстве автомобилей с роторным двигателем. RX-7, который поступил в продажу в 1978 году, был, пожалуй, наиболее успешным автомобилем с роторным двигателем. Но ему предшествовал целый ряд автомобилей, грузовиков и даже автобусов с роторным двигателем, начиная с Cosmo Sport 1967 года. Однако RX-7 не производится с 1995 года, но идея роторного двигателя не умерла.

Mazda RX-8 оснащена роторным двигателем под названием RENESIS. Этот двигатель был назван лучшим двигателем 2003 г. Он является атмосферным двухроторным и производит 250 л.с.

Строение роторного двигателя

Роторный двигатель имеет систему зажигания и систему впрыска топлива, схожие с используемыми в поршневых двигателях. Строение роторного двигателя в корне отличается от поршневого.

Ротор

Ротор имеет три выпуклых стороны, каждая из которых выполняет роль поршня. Каждая сторона ротора имеет углубление, что повышает скорость вращения ротора, предоставляя больше пространства для топливовоздушной смеси.

На вершине каждой грани расположена металлическая пластина, которая разделяет пространство на камеры. Два металлических кольца на каждой стороне ротора формируют стенки этих камер.

В центре ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев. Оно сопрягается с шестерней, закрепленной на корпусе. Такое сопряжение задает траекторию и направление вращения ротора в корпусе.

Корпус (статор)

Корпус имеет овальную форму (форму эпитрохоиды, если быть точным). Форма камеры разработана так, чтобы три вершины ротора всегда находились в контакте со стенкой камеры, образуя три изолированных объемах газа.

В каждой части корпуса происходит один из процессов внутреннего сгорания. Пространство корпуса разделено для четырех тактов:

  • Впуск
  • Сжатие
  • Рабочий такт
  • Выпуск

Порты впуска и выпуска расположены в корпусе. В портах отсутствуют клапаны. Выпускной порт непосредственно соединен с выхлопной системой, а впускной порт — с дросселем.

Выходной вал

Выходной вал (обратите внимание на эксцентриковые кулачки) Выходной вал имеет закругленные выступы-кулачки, расположенные эксцентрично, т.е. смещены относительно центральной оси. Каждый ротор сопряжен с одним из этих выступов. Выходной вал является аналогом коленчатого вала в поршневых двигателях. При вращении ротор толкает кулачки. Так как кулачки установлены несимметрично, сила с которой ротор на него давит, создает крутящий момент на выходном валу, заставляя его вращаться.

Сбор роторного двигателя

Роторный двигатель собирается слоями. Двухроторный двигатель состоит из пяти слоев, удерживаемых длинными болтами, установленными по кругу. Охлаждающая жидкость проходит через все части конструкции.

Два крайних слоя имеют уплотнения и подшипники для выходного вала. Они также изолируют две части корпуса, в которых расположены роторы. Внутренние поверхности этих частей являются гладкими, что обеспечивает надлежащее уплотнение роторов. Впускной порт подачи расположен в каждой из крайних частей.

Часть корпуса, в которой расположен ротор (обратите внимание на расположение выпускного порта) Следующий слой включает корпус ротора овальной формы и выпускной порт. В этой части корпуса установлен ротор.

Центральная часть включает два впускных порта — по одному для каждого ротора. Она также разделяет роторы, поэтому ее внутренняя поверхность является гладкой.

В центре каждого ротора расположено зубчатое колесо с внутренним расположением зубьев, которое вращается вокруг меньшей шестерни, установленной на корпусе двигателя. Она определяет траекторию вращения ротора.

Мощность роторного двигателя

В центральной части расположен впускной порт для каждого ротора Как и поршневые двигатели, в роторном двигателе внутреннего сгорания используется четырехтактный цикл. Но в роторном двигателе такой цикл осуществляется иначе.

За один полный оборот ротора эксцентриковый вал выполняет три оборота.

Основным элементом роторного двигателя является ротор. Он выступает в роли поршней в обычном поршневом двигателе. Ротор установлен на большом круглом кулачке выходного вала. Кулачок смещен относительно центральной оси вала и выступает в роли коленчатой рукояти, позволяя ротору вращать вал. Вращаясь внутри корпуса, ротор толкает кулачок по окружности, поворачивая его три раза за один полный оборот ротора.

Размер камер, образованных ротором, изменяется при его вращении. Такое изменение размера обеспечивает насосное действие. Далее мы рассмотрим каждый из четырех тактов роторного двигателя.

Впуск

Такт впуска начинается при прохождении вершины ротора через впускной порт. В момент прохождения вершины через впускной порт, объем камеры приближен к минимальному. Далее объем камеры увеличивается, и происходит всасывание топливовоздушной смеси.

При дальнейшем повороте ротора, камера изолируется, и начинается такт сжатия.

Сжатие

При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, и происходит сжатие топливовоздушной смеси. При прохождении ротора через свечи зажигания, объем камеры приближен к минимальному. В этот момент происходит воспламенение.

Рабочий такт

Во многих роторных двигателях установлено две свечи зажигания. Камера сгорания имеет достаточно большой объем, поэтому при наличии одной свечи, воспламенение происходило бы медленнее. При воспламенении топливовоздушной смеси образуется давление, приводящее ротор в движение.

Давление сгорания вращает ротор в сторону увеличения объема камеры. Газы сгорания продолжают расширяться, вращая ротор и создавая мощность до момента прохождения вершины ротора через выпускной порт.

Выпуск

При прохождении ротора через выпускной порт, газы сгорания под высоким давлением выходят в выхлопную систему. При дальнейшем вращении ротора, объем камеры уменьшается, выталкивая оставшиеся выхлопные газы в выпускной порт. К тому моменту, как объем камеры приближается к минимальному, вершина ротора проходит через впускной порт, и цикл повторяется.

Необходимо отметить, что каждая из трех сторон ротора всегда вовлечена в один из тактов цикла, т.е. за один полный оборот ротора осуществляется три рабочих такта. За один полный оборот ротора, выходной вал совершает три оборота, т.к. на один оборот вала приходится один такт.

Различия и проблемы

По сравнению с поршневым двигателем, роторный двигатель имеет определенные отличия.

Меньше движущихся деталей

В отличие от поршневого двигателя, в роторном двигателе используется меньше движущихся деталей. Двухроторный двигатель включает три движущиеся детали: два ротора и выходной вал. Даже в простейшем четырехцилиндровом двигателе используется не менее 40 движущихся деталей, включая поршни, шатуны, распредвал, клапаны, клапанные пружины, коромысла, ремень ГРМ и коленвал.

Благодаря уменьшению количества движущихся деталей, повышается надежность роторного двигателя. По этой причине некоторые производители вместо поршневых двигателей используют роторные на своих воздушных судах.

Плавная работа

Все части роторного двигателя вращаются непрерывно в одном направлении, а не постоянно меняют направление движения, как поршни в обычном двигателе. В роторных двигателях используются сбалансированные вращающиеся противовесы, предназначенные для гашения вибраций.

Подача мощности также обеспечивается более плавно. В связи с тем, что каждый такт цикла протекает за поворот ротора на 90 градусов, и выходной вал совершает три оборота на каждый оборот ротора, каждый такт цикла протекает за поворот выходного вала на 270 градусов. Это значит, что двигатель с одним ротором обеспечивает подачу мощности при 3/4 оборота выходного вала. В одноцилиндровом поршневом двигателе, процесс сгорания происходит на 180 градусах каждого второго оборота, т.е. 1/4 каждого оборота коленвала (выходной вал поршневого двигателя).

Медленная работа

В связи с тем, что ротор вращается со скоростью, равной 1/3 скорости вращения выходного вала, основные движущиеся детали роторного двигателя движутся медленнее, чем детали в поршневом двигателе. Благодаря этому, также обеспечивается надежность.

Проблемы

Роторные двигатели имеют ряд проблем:
  • Сложное производство в соответствии с нормами состава выбросов.
  • Затраты на производство роторных двигателей выше по сравнению с поршневыми, так как количество производимых роторных двигателей меньше.
  • Расход топлива у автомобилей с роторным двигателей выше по сравнению с поршневыми двигателями, в связи с тем, что термодинамический КПД снижен из-за большого объема камеры сгорания и низкого коэффициента сжатия.

Изучаем странные двигатели, застрявшие на обочине прогресса — ДРАЙВ

Двигатели Ванкеля, Стирлинга, разного рода газотурбинные установки так и не стали автомобильным мейнстримом. Ряд известных компаний (от Мазды до GM, от Мерседеса до Volvo) работали над ними десятки лет, упорствовали маленькие фирмы и отдельные изобретатели. Увы, в конце концов выяснялось, что подводных камней в той или иной конструкции намного больше, чем казалось вначале. Но это не значит, что развитие альтернативных агрегатов невозможно. Энтузиасты перебирают идею за идеей, и мне как инженеру-двигателисту интересно поделиться с вами рядом экзотических схем.

Некоторые создатели перспективных двигателей решили, что комбинация из цилиндра, поршня, шатуна и коленвала отлично себя зарекомендовала более чем за столетие и, чтобы улучшить параметры ДВС, не надо изобретать её заново — достаточно лишь подправить кое-какие аспекты. Поэтому первый в нашем обзоре — мотор американской компании Scuderi Group, который имеет классические такты впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, но происходят они не в одном и том же цилиндре, а в разных. Так называемый холодный цилиндр отвечает за впуск и сжатие, а второй, горячий — за рабочий ход и выпуск.

В простейшем моторе Scuderi цилиндров два: поршень в холодном цилиндре отстаёт на 30 градусов поворота коленвала от собрата в горячем.

Пока в рабочем цилиндре идёт расширение газов, в холодном, компрессорном, — такт впуска. В рабочем — выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим верхним мёртвым точкам, смесь через перепускной канал перебрасывается из холодного цилиндра в горячий и поджигается. Такой разделённый цикл (в принципе — тот же цикл Отто, пусть и модифицированный) американцы придумали в 2006 году, а в 2009-м построили опытный Scuderi Split Cycle Engine. У компрессорного и рабочего цилиндров могут быть разные диаметры и ходы поршней, что даёт гибко настраивать параметры — получается аналог цикла Миллера с дополнительным расширением газов.

Экспериментальный литровый мотор Scuderi на стенде работает плавно и относительно тихо — даже без глушителя!

По расчётам мотор Scuderi на 25% экономичнее обычного, а с турбонаддувом и теплообменником, передающим энергию выхлопных газов воздуху в перепускном канале, и того выше. В четырёхцилиндровом варианте один компрессорный цилиндр может загонять смесь в три рабочих.

Если к каналу между цилиндрами добавить ответвление с клапанами и баллоном высокого давления, можно заставить такой мотор собирать энергию при торможении и использовать её при разгоне (этот режим показан на последней минуте первого ролика). Однако на протяжении уже ряда лет деятельность компании Scuderi Group ограничивается лишь опытными образцами и участием в выставках. Похоже, реальная экономичность тут всё же не может перебить высокую сложность конструкции.

Двухтактный агрегат Paut Motor использует принцип, подобный применённому в моторах Scuderi Group, — сжатие и рабочий ход тут происходят в разных цилиндрах, между которыми устроены перепускные каналы.

К разделённому рабочему циклу обратились было и разработчики хорватской фирмы Paut Motor. Их «разнесённая» конструкция привлекла меньшим числом деталей, низким трением и сниженным шумом. А необходимость внешнего бака для системы смазки, вызванная тем, что в картере масла не предусмотрено, не испугала. Изобретатели построили несколько опытных образцов. Для рабочего объёма в семь литров их габариты (500×440×440 мм) и вес (135 кг) оказались чуть ли не вдвое ниже, чем у традиционных ДВС. А отдачу так и не выяснили. Последний прототип был собран в 2011 году, а затем проект заглох.

В агрегате Paut Motor — четыре рабочих камеры с поршнями диаметром 100 мм и четыре компрессионных (120 мм). Двухсторонние поршни передают усилия на коленвал, который, благодаря паре шестерён с внутренним зацеплением, совершает планетарное движение.

Двухтактный двигатель Bonner (по имени спонсора, фирмы Bonner Motor), изобретённый в 2006 году в США Вальтером Шмидом, устроен ещё сложнее. Как и в проекте Paut Motor, цилиндры тут расположены буквой X, а коленвал тоже совершает планетарное движение за счёт системы шестерён.

Ключевое отличие от схемы фирмы Paut Motor — роль рабочих поршней играют подвижные цилиндры, соединённые с коленвалом (показаны красным). А с внешней стороны их закрывают неподвижные поршни (отмечены серым).

За газораспределение в Боннере отвечают клапаны в донышках цилиндров и вращающиеся золотники в корпусе мотора. При этом внешние поршни могут немного смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Запутанная схема! А всё — ради высокой мощности на единицу веса. В теории Bonner выглядит интересно, но на практике о нём уже давно нет никаких новостей — судя по всему, надежд он не оправдал.

Некий мистер Смоллбон получил американский патент на аксиальный мотор ещё в 1906 году. Но если бы такой агрегат был идеалом, через 110 лет все автомобили использовали бы его.

Другие изобретатели не меняли рабочие циклы ДВС, а сосредотачивались на расположении его частей. Таковы, например, аксиальные моторы, которым уже больше ста лет (один из ранних патентов — на рисунке выше). Все они отличаются деталями, но объединены общим принципом — цилиндры располагаются, как патроны в барабане револьвера, с соосным выходным валом. За преобразование возвратно-поступательных движений поршней во вращение вала отвечают разные системы вроде наклонённых к продольной оси двигателя штифтов, косых шайб и тому подобного.

По такому принципу сегодня работают некоторые компрессоры. Добавив продуманное газораспределение и зажигание, можно превратить подобный блок в мотор…

. ..такой, как американский Dina-Cam 1960-х с полувековыми корнями. Благодаря хорошему соотношению веса и мощности аксиальные агрегаты прочили на роль моторов для лёгких самолётов.

Разновидностью аксиальных агрегатов является новозеландский проект фирмы Duke Engines — пятицилиндровый четырёхтактник рабочим объёмом три литра. По сравнению с классическим ДВС того же литража этот был, по расчётам авторов, на 19% легче и на 36% компактнее. Ему сулили применение в самых разных областях, но мечты о завоевании целого мира остались мечтами.

Опытный образец мотора Duke был построен в 2012 году. Потом он мелькал на выставках, собирал призы, но вот уже несколько лет новостей о нём нет.

Ещё более сложный аксиальный пример — двигатель RadMax канадской фирмы Reg Technologies. Здесь вместо цилиндров в общем барабане с помощью тонких лопастей организована дюжина отсеков. В прорезях ротора установлены пластины, которые сдвигаются вдоль них по мере его вращения. С торцов полученные переменные объёмы ограничивают изогнутые поверхности: они задают траекторию движения лопастей и заведуют газообменом.

Основные части мотора RadMax. За один оборот вала тут происходит 24 полных рабочих цикла.

Схема RadMax позволяет создавать двигатели под разные виды топлива, хотя изначально изобретатели выбрали дизельное. В 2003 году был построен образец диаметром и длиной всего 152 мм. Он развивал 42 силы — в разы больше, чем схожий по габаритам ДВС. Позже фирма отчиталась о создании более крупных прототипов на 127 и 380 сил. Но, судя по релизам, вся её деятельность по-прежнему не выходит за рамки экспериментов.

Ещё один пример превосходства теории над практикой — тороидальный мотор Round Engine (или VGT Engine) уже исчезнувшей канадской компании VGT Technologies. Первые прототипы двигателя с тором переменной геометрии (отсюда и буквы VGT — Variable Geometry Toroidal Engine) инженеры испытывали ещё в 2005 году.

Авторы кругового двигателя избавились от возвратно-поступательных движений. Отсюда — радикальное снижение вибраций. Плюсом можно назвать минимальное число деталей и хорошую расчётную экономичность.

Тор здесь играет роль цилиндра, внутри которого вращается ротор с парой закреплённых на нём поршней. Необходимые для обеспечения рабочих тактов переменные объёмы образуются между поршнями с помощью тонкого распределительного диска с вырезом под поршни, который ремённым или иным приводом вращается поперёк тора. Этот диск ограничивает топливно-воздушную смесь в процессе сжатия и рабочего хода.

Система фирмы Garric Engines похожа на VGT, однако вместо поперечного распреддиска использовано шесть поворотных золотников.

В 2009 году свой тороидальный мотор, принципиально повторяющий канадский, разработали американцы Гарри Келли и Рик Айвас (видео выше). По их оценке, тор полуметрового диаметра обеспечивал бы 230 л.с. и около 1000 Н•м всего при 1050 об/мин. Но… На сайте их фирмы Garric Engines сейчас висит заглушка «Спасибо за интерес. В будущем страница может быть обновлена». Возможно, чуть лучшая судьба ждёт так называемый нутационный двигатель, придуманный американцем Леонардом Мейером в 2006 году — его хотя бы построили в нескольких экземплярах.

Главный принцип нутационного диска: в процессе работы он не вращается вокруг вала, а качается из стороны в сторону. Добавив перегородки, получаем отсеки, в которых газ может сжиматься и расширяться.

Нутация по-латински означает «кивать». Мейер сформировал четыре рабочие камеры переменного объёма между корпусом мотора и «кивающим» по сторонам диском, который играет роль поршня. Диск разрезан пополам вдоль своего диаметра и нанизан на Z-образный вал, с которого и снимается мощность. За газообмен отвечают каналы и клапаны в корпусе.

Рабочий диск показан в разрезе. Минимализму, уравновешенности и лёгкости нутационной конструкции позавидует даже двигатель Ванкеля.

Прототипы мотора Мейера построила компания Baker Engineering и родственная ей Kinetic BEI. С единственным диском диаметром 102 мм агрегат развивает семь сил, а с парой дисков по 203 мм — уже 120! Длина двухдискового двигателя — 500 мм, диаметр — 300, а рабочий объём — 3,8 л. На килограмм веса — 2,5−3 «лошади» против одной-двух у массовых атмосферных ДВС (из немассовых некоторые моторы Ferrari выдают больше трёх сил на килограмм, но при высоченных 9000 об/мин). Литровая мощность, правда, не впечатляет. Ныне Baker и Kinetic вроде как доводят проекты до ума, хотя особой активности на их сайтах не видно.

За один оборот вала в двухдисковом нутационном агрегате происходят те же четыре рабочих хода, что и в восьмицилиндровом поршневом «четырёхтактнике». На фото — одно- и двухдисковые рабочие прототипы. (Кстати, из двух дисков в принципе можно создать и машину с разделённым циклом, одному отдать сжатие смеси, другому рабочий ход.)

В 2010 году нутационный мотор попал в зону интереса исследовательского центра ВВС США. Гарри Смит, менеджер лаборатории, демонстрирует внутренности мотора и объясняет, что особую ценность конструкция представляет для лёгкой авиации.

Идея роторных агрегатов различного типа так часто привлекает новаторов, будто один лишь отход от знакомой схемы даёт существенное повышение характеристик. Так, Николай Школьник, выходец из СССР, давно перебравшийся в США, с сыном Александром разработал мотор, напоминающий двигатель Ванкеля, вывернутый наизнанку. Ротор арахисовой формы также вращается в треугольной камере, но в отличие от агрегата Ванкеля уплотнители закреплены не на поршне, а на стенках камеры.

В роторе LiquidPiston есть полость, играющая свою роль в газообмене. Процесс сгорания проходит при постоянном объёме, а затем идёт расширение — это один из факторов, повышающих КПД.

Для развития конструкции Школьники основали фирму LiquidPiston, которой заинтересовалось оборонное агентство DARPA — теперь оно софинансирует эксперименты в расчёте на перспективы работы «арахисовых» агрегатов в лёгких летательных аппаратах, включая беспилотники, и в переносных генераторах. Опытный моторчик рабочим объёмом 23 см³ обладает неплохим для таких габаритов КПД в 20%. Теперь авторы нацелены на дизельный прототип весом около 13 кг и мощностью 40 л.с. для установки на гибридный автомобиль. Его КПД якобы вырастет уже до 45%.

Первый образец мотора Школьников можно положить на ладонь. Он весит 1,8 кг и может заменить вдесятеро более тяжёлый поршневой ДВС карта (показан слева). Мощность всего 3 л.с., но классический двигатель такого размера был бы ещё слабее.

Последний рассмотренный нами мотор демонстрирует, что идея плоского агрегата (ротор ведь можно сделать очень узким) заманчива. Вместе с тем для её реализации сами роторы не так обязательны — достаточно «оквадратить» традиционный поршень и, соответственно, сделать прямоугольным на виде сверху цилиндр.

Этой странной разработке фирмы Pivotal Engineering уже несколько лет, в течение которых создан ряд образцов, приводивших в движение мотоциклы и самолёты. Авторы адресуют так называемый качающийся поршень в первую очередь авиации. Помимо высоких выходных характеристик по отношению к весу и габаритам, такой двухтактный агрегат отлично поддаётся форсировке за счёт прохождения сквозь неподвижную ось поршня (рисунок ниже) жидкостного канала охлаждения. С иной схемой такой трюк затруднителен.

Задумка компании Pivotal Engineering из Новой Зеландии представляет собой мотор с качающимися прямоугольными (в плане) поршнями. Один их край закреплён на неподвижной оси, второй — связан с шатуном. Справа — четырёхцилиндровый образец на 2,1 л.

За пределами нашего обзора осталось ещё много экзотических разработок вроде 12-роторного мотора Ванкеля, двигателя Найта или агрегатов со встречными поршнями, ДВС с изменяемой степенью сжатия или с пятью тактами (есть и такие!), а ещё роторно-лопастные агрегаты, в которых составные части ротора совершают движения, будто сходящиеся и расходящиеся лезвия ножниц.

Ещё пример чудачеств — H-образный двигатель, объединяющий в себе две рядные «пятёрки». Автор патента Луи Хернс полагает, что одну половину агрегата можно адаптировать под бензин, а другую — под метан и активировать их как врозь, так и вместе.

Даже беглый экскурс за пределы классических ДВС показал, сколь большое количество идей не находит массового воплощения. Роторы часто губит проблема износа уплотнений. Роторно-лопастные варианты вдобавок страдают от высоких знакопеременных нагрузок, разрушающих механизм связи лопастей и вала. Это только одна из причин, почему мы не встречаем такие «чудеса» на серийных автомобилях.

Вторая — в том, что и традиционные ДВС не стоят на месте. У последних бензиновых образцов с циклом Миллера термический КПД доходит до 40% даже без турбонаддува. Это много. У большинства бензиновых агрегатов — 20−30%. У дизелей — 30−40% (на крупных судах — до 50). А главное — глобальная альтернатива ДВС уже найдена. Это электромоторы и силовые установки на топливных элементах. Поэтому если изобретатели диковинок не решат все технические проблемы в самое ближайшее время, вырулить с обочины прогресса перед электричками они попросту не успеют.

Строение двигателей — FAQ общее — Russian SYM Club

Надо заметить, что двигатель Аткинсона таки получил свою нишу. В начале ХХ века его устанавливали англичане на своих боевых самолётах, несмотря на сложность конструкции. Замечательные данные двигателя на высоких оборотах, позволяли ангийским пилотам летать быстрее, а экономичность мотора позволяла летать дальше их немецких коллег и врагов. Именно этот двигатель, заполучив в качестве трофея, приказал установить на своём Фокере знаменитый «Красный барон» Мартин фон Рихтгоффен. Однако английский мотор отказался служить немецкому мастеру воздушного боя и 21-го марта 1918-го года, Красный Фокер был сбит ангичанином же, капитаном Уилфридом Мэем. Великий мастер погиб, потом первая мировая кончилась… И о двигателе забыли аж до наших дней. И лиш совсем недавно, инженеры Тойоты снова вспомнили о нём. Однако сказать что совсем забыли, былоб не очень правильно. На основе цикла Аткинсона появился ряд модифицированных двигателей. Именно на основе работ Аткинсона, в 1947-ом году, американский инженер Миллер изготовил свой двигатель. Он планировал устанавливать его на дальние бомбардировшики, но поршневая авиация уже своё отвоевала… и его тоже забыли.

Кстати о автомобилях: Вы думаете автомобиль изобрели господа Бенц и Даймлер? Возможно. Но есть и иная история, более креативная
Изобретение автомобиля
Джордж Болдуин Селден, юрист из г. Рочестер, в конце 70-х гг. XIX века заявил об изобретении «уличного локомотива». Если верить Селдену, он задумал самодвижущийся экипаж еще во времена Гражданской войны в США, но в реальную конструкцию свой замысел так и не воплотил. Возможно, поэтому, подав первую заявку на патент аж в 1877 г., он смог получить последний только спустя восемнадцать лет, в 1895 г., когда каждый мог убедиться в том, что такие игрушки действительно ездят. Однако он отлично поднаторел в законах, и его последняя заявка оказалась сформулирована настолько филигранно, что под нее подходил практически любой автомобиль. Селден запатентовал конструкцию авто, как таковую, с описанием общей компоновки и принципов действия: в патенте за N 549.160 от 5 ноября 1895, в частности, значилось, что изобретен «безлошадный экипаж с легкими колесами и багажником, легкий в управлении и производящий достаточно энергии для своего передвижения».

Последствия были фантастическими. В 1903 г. по итогам процесса суд не только заставил одну компанию заплатить Селдену за патент, но и обязал автопроизводителей создать ассоциацию, чтобы регулировать использование патента. Члены созданной вскоре «Ассоциации лицензированных автопроизводителей» (Association of Licensed Automobile Manufacturers — ALAM) приобрели патент у Селдена и должны были отчислять его обладателю 0.75% выручки с каждой продажи автомобиля, включая импорт.

Никакого «автомобиля Селдена» по-прежнему не существовало, зато старость законника была явно обеспечена.

Занятно, что автопроизводители смирились с этим узаконенным безобразием. Сдается, что это объединение «рабов» Селдена в некую общность давало им возможность вместе давить «новичков», шантажировать патентом, судить, разводить. .. В конце концов, платеж все равно перекладывалось на покупателей, зато патент Селдена давал возможность избранным «рулить» быстро растущей отраслью. Достаточно сказать, что будущее и судьбоносной модели Т, и конвейера, и империи Форда зависело от исхода «дела Селдена». И именно ассоциация ALAM, а не сам Селден, обрушилась на Генри Форда, когда он отказался платить. Последний никаких патентов не приобретал, благо еще в начале 90-х гг. XIX века сам строил более или менее рабочие экземпляры авто.

Через месяц после создания Ford Motor Company суд потребовал от Форда или присоединиться к ALAM, или отказаться от выпуска автомобилей. Активы «селденцев», действовавших с напором классического штатовского треста, оценивались тогда в десятки миллионов долларов, а Форд «весил» $35 тыс. Но в США уже набирало силу антитрестовское движение.

Последовало восемь лет судов, но Форд не отступал. Противостояние переросло в пиар-кампанию с пламенными прокламациями, в которой монополия грозила пользователям нелицензионных автомобилей судебным преследованием, а Форд обещал им защиту, упирая на то, что повозка Селдена никогда не существовала, а сам он построил авто первым в Детройте и третьим в США. И вообще «мы всегда побеждаем», резюмировал Генри. Диктатура Селдена была свергнута лишь в 1911 году (за год до истечения действия патента) и только хитростью юристов.

Суд предложил построить автомобиль в соответствии с патентом, что и было сделано. К чести изобретателя, машина работала, но ее конструкция сильно отличалась от того, что делали в Детройте. В отличие от авто Форда и прочих, у Селдена двигатель поворачивался вместе с передней осью, на которой был размещен. Суд Нью-Йорка отменил рабство, а экипаж Селдена отправился в музей Института Стивенса в США. Правда, некоторую силу патент Селдена сохранял до истечения столетнего срока, а уж шлейф славы одного из праотцов автомобиля тянется за американцем до сих пор.

На этом историю двигателей внутреннего сгорания можно считать законченной и перейдём к сгоранию внешнему- к паровым машинам.

«Сделай, что должно,А будет, что суждено».

Устройство гидроцилиндра — работа и принцип действия

Гидроцилиндр – это самый простой образец двигателя. Выходное (подвижное) звено, которым может быть шток, плунжер или же сам корпус цилиндра, осуществляет возвратно-поступательное движение.

Основные параметры, которыми характеризуют все гидроцилиндры – это внутренний диаметр, ход поршня, диаметр штока и номинальное давление рабочей жидкости.
Гидроцилиндры бывают нескольких видов: поршневые, телескопические, плунжерные, двустороннего и одностороннего действия. По типу закрепления гидроцилиндры делятся на модели с шарнирным креплением и жестким.

Гидроцилиндр одностороннего действия совершает усилие на подвижном звене, которое направлено только в одну сторону (рабочий ход цилиндра). В противоположном направлении подвижное звено просто перемещается обратно под действием силы тяжести или возвратного механизма, например, пружины. У этих цилиндров есть лишь одна рабочая плоскость.

У гидроцилиндров двустороннего действия возможностей несколько больше. У них две рабочих плоскости, то есть рабочие усилия на выходном звене они могут создавать в двух направлениях. Чтобы обеспечить возвратно-поступательное движение жидкость поочередно поступает под давлением в полости цилиндра. Когда одна из полостей наполняется жидкостью, другая соединяется со сливом. У гидроцилиндра две полости: штоковая полость, в которой располагается шток, и поршневая.

Теперь подробнее разберем устройство гидроцилиндра на примере цилиндра двустороннего действия.
Основные части, из которых состоит цилиндр – это корпус гидроцилиндра, состоящий из гильзы (19) и задней крышки, привинченной к гильзе, передней крышки (9), которая имеет отверстие под шток и навинчена на гильзу, шток (18) с проушиной (2), поршень (15).

На рисунке изображено строение гидроцилиндра. Он состоит из сферического подшипника (1), проушины штока (2), грязесъемника (3), уплотнительных колец (4, 5, 8 и 13), манжеты (6 и 14), манжетодержателя (7 и 12), передней крышки (9), контргайки (10), демпфера (11), поршня (15), гайки (16), шплинта (17), штока (18), гильзы цилиндра с задней крышкой (19), втулки (20) и гайки грязесъемника (21).

С помощью поршня с манжетами (14) и уплотнительного кольца (13) поршневая и штоковая полости герметично разделены, и усилие, создаваемое давлением в рабочей полости, передается на шток. Поршень крепится на внутреннем конце штока с помощью гайки (16), которая фиксируется шплинтом (17). Манжетодержатели (12) удерживают манжеты от перемещения вдоль оси поршня. Передняя крышка (9) крепится на резьбе гильзы цилиндра с помощью контргайки (10). В крышку (9) вставлена втулка (20), которая служит направляющей для штока. Чтобы избежать утечки рабочей жидкости из полости штока, в проточке крышки (9) установлены кольца (8), также для этой цели служат манжеты (6), уплотнительные кольца (4) и (5) во втулке. Во избежание осевого смещения при движении штока манжета сдерживается манжетодержателем (7). Со стороны внешнего торца крышки стоит грязесъемник (3), удерживающийся гайкой (21), которая ввернута во внутреннюю резьбу крышки. Если механизм, который приводится в движение цилиндром, лишен упоров, ограничивающих его ход, которые бы фиксировали его в крайних положениях, то возможны жесткие соударения поршня и крышки гидроцилиндра. Чтобы смягчить эти удары, посредством демпфирования или торможения поршня на подходе к крышке, применяют разные типы демпфирующих устройств. В конструкции цилиндра, которая представлена на рисунке выше, эту функцию выполняет демпфер (11), установленный рядом с поршнем (15) на шток. Демпфер (11) смягчает соударение поршня и передней крышки цилиндра по окончании полного хода. Щель в конце хода штока, находящаяся между конической поверхностью демпфера и кромкой крышки (9) , через которую поршнем рабочая жидкость из штоковой полости выжимается в отверстие «А», уменьшается. В процессе этого, благодаря дросселированию жидкости через щель, движение поршня затормаживается.

Даже если вы прекрасно знаете устройство гидроцилиндра, осуществить его ремонт в кустарных условиях или же собрать свой собственный цилиндр – довольно нелегкая задача. Для этого нужно специальное оборудование и навыки. Поэтому с такими вопросами лучше обратиться к опытным профессионалам. Мы специализируемся на ремонте гидроцилиндров, а также изготовлении гидроцилиндров по вашим заказам. Наша компания занимается всем спектром работ, связанных с гидроцилиндрами. Наши работники занимаются ремонтом штока гидроцилиндров, ремонтируют гидроцилиндры для спецтехники, такой как погрузчики, асфальтоукладчики, экскаваторы, бетононасосы, автокраны и краны манипуляторы. Также мы можем изготовить гидроцилиндр по предоставленным вами чертежам или образцам. Мы гарантируем высокое качество и короткие сроки работы.

структура, функции и настройка – BAR-TEK®

Как профессионалы автоспорта, мы постоянно говорим о поршнях. Это связано с тем, что поршни являются чрезвычайно важными компонентами для каждого двигателя. Особенно когда вы повышаете его производительность, мы полагаемся на качество этого закрытого полого цилиндра. Ведь этому относительно небольшому компоненту приходится многое выдерживать. Здесь вы узнаете, что такое поршни, как они работают и что делает их такими важными для тюнинга.

Для чего используются поршни?

Поршни являются частью камеры сгорания вашего двигателя и закрываются сверху поршневыми кольцами. Поршни предназначены для передачи давления на коленчатый вал и, таким образом, преобразования силы во вращательное движение.

В процессе сгорания топливовоздушная смесь сжимается за счет постоянного движения поршней вверх-вниз и воспламеняется свечами зажигания. Этот небольшой взрыв вызывает сильное давление и тепло, снова толкая поршни вниз. Здесь много тепла, поэтому нагрузка на компоненты чрезвычайно высока. Речь идет о максимальном давлении 180 бар и температуре горения 2 000 °C.Сами поршни достигают температуры 350 °C, которую компоненты должны постоянно выдерживать.

Поршни преобразуют энергию сгорания в механическое движение, а вертикальное движение — во вращательное. Это происходит потому, что поршни соединены с коленчатым валом через шатуны. Шатуны в большинстве положений расположены под углом, что означает, что не все давление может быть передано, а также возникает боковая сила, действующая на поршни. Представьте, как все тянет и давит на поршень.В процессе сгорания скорость поршней постоянно меняется, что приводит к дополнительной нагрузке.

Поршни также герметизируют двигатель от выхлопных газов. Эту задачу берут на себя поршневые кольца. Они уменьшают количество картерных газов, которые пытаются «проскальзывать» поршни. Они также обеспечивают достаточную смазку стенок цилиндров. Правильная установка поршневых колец очень важна для защиты двигателя от заклинивания поршня и предотвращения падения мощности. Поэтому мы также составили для вас подробную инструкцию по установке поршневых колец.

Как устроен поршень?

Конструкция поршня проста. Поршень представляет собой полый цилиндр с «крышкой». В его состав входят: головка поршня

  1. , головка поршня
  2. , поршневые кольца
  3. , поршневой палец
  4. и юбка поршня
  5. .

Головка поршня — это верхняя часть поршня. Он распределяет энергию, произведенную при сгорании, на другие участки поршня и далее на коленчатый вал.Балка поршня представляет собой нижнюю часть поршня и направляет компонент внутри цилиндра. Хотя балка должна быть чрезвычайно прочной, чтобы не повредиться под большой нагрузкой, она также должна гибко реагировать на деформацию цилиндра.

Наиболее важной частью поршня является кольцевая зона. Здесь установлены как минимум два кольца: вверху компрессионное и внизу маслосъемное. На этой странице вы увидите, как правильно монтировать кольца.

Поршни в двигателях внутреннего сгорания: различия

Поршни также должны быть оптимизированы для различных процессов сгорания в разных двигателях. В частности, поршни для дизельных двигателей отличаются от поршней для бензиновых двигателей. Однако между поршнями для двигателей без наддува и поршнями для двигателей с турбонаддувом также существует разница.

Поршни для дизельных двигателей

Дизельным поршням приходится сложнее: у них тепловая нагрузка намного выше, чем у бензиновых двигателей.По этой причине поршневые кольца и канавки поршневых колец усилены. Этого можно добиться, например, добавив латунные втулки в отверстие для штифта. В дизельных двигателях головка поршня также часто обрызгивается маслом. Также часто используется кольцевой масляный канал.

Поршни для бензиновых двигателей

Поршни для бензиновых двигателей могут работать на более высоких скоростях при значительно меньшей толщине стенок. Здесь вы также найдете углубления в головке, в которых размещаются клапаны в камере сгорания.Балка поршня обычно имеет покрытие для лучшего скольжения по цилиндру.

Тюнинг поршней – как повысить производительность с помощью поршней?

Поршни играют важную роль в настройке, поскольку они являются сердцем вашего двигателя. Для этой цели особенно часто оптимизируют поршневую балку: чем она шире, тем лучше она может выдерживать огромные усилия сдвига. В то же время высококачественные сплавы и высокопрочный материал гарантируют, что тюнинговые поршни также очень легкие и стабильные.Поршневые кольца также оптимизированы для повышения производительности: компрессионное кольцо изготовлено из азотированной стали, а маслосъемное кольцо выполнено в форме крюка и эластично. Эта комбинация не имеет себе равных, потому что она улучшает основные параметры настройки: контроль масла, натяжение кольца, трение, регулировку и уплотнение.

Уход и техническое обслуживание поршней – что необходимо соблюдать?

Используйте только топливо с правильным октановым числом. Таким образом, вы защищаете свои поршни и помогаете им надежно и долго выполнять свою работу.Также следует регулярно проверять свечи зажигания и при необходимости заменять их. То же самое относится и к вашему моторному маслу: используйте подходящее высококачественное масло. В общем, вы должны регулярно следить за уровнем масла и давлением масла и, при необходимости, также заменять масляный насос, масляный фильтр и т.д. найти правильные поршни для вашего двигателя и желаемой производительности. Так говорит даже известный немецкий телеведущий Дж. П. Кремер. Просто позвоните нам или напишите нам по электронной почте и получите консультацию от профессионалов.

Варианты конструкции поршня — High Power Media

Поршень является сердцевиной поршневого двигателя внутреннего сгорания – он всасывает свежий заряд, помогает вытеснять сгоревшие продукты сгорания и образует важную часть самой камеры сгорания, существенно влияя на поток и сгорание.

Структура поршня также была предметом большой работы различных поставщиков в последние годы, и это является результатом большой эволюции за предыдущие три десятилетия, хотя, за немногими исключениями, алюминий является материалом выбор для поршней гоночных двигателей.Первоначально поршни были в основном цилиндрическими с полной юбкой, охватывающей их на 360 °. Так называемые «горшечные» поршни по-прежнему производятся для некоторых классических применений, но «скользящие» поршни с гораздо меньшими юбками и ограниченным контактом с отверстием на основных упорных поверхностях поршня намного легче.

Более легкие поршни очень хороши для производительности двигателя, поскольку они позволяют двигателю работать на более высоких оборотах, поскольку силы инерции поддерживаются на минимально возможном уровне; для заданного хода кривошипа силы инерции увеличиваются пропорционально квадрату частоты вращения коленчатого вала.Подшипники будут иметь предельную нагрузку/давление, и это достигается при более низких оборотах двигателя с более тяжелым поршнем. Уменьшенные нагрузки на подшипники также означают меньшие потери на трение, а меньшая площадь юбки приводит к уменьшению трения в месте контакта поршня с отверстием.

Поршни

Slipper остаются нормой в гоночных двигателях, и их эволюция направлена ​​на все более маленькие юбки. Однако за последние пару лет стало известно о нескольких новых разработках.

Один из производителей поршней в США предлагает ряд поршней, целью которых является восстановление некоторой жесткости поршневого поршня при сохранении малой массы скользящего типа.Можно сказать, что разработанные ею поршни в принципе аналогичны поршневым поршням, но с рельефом юбки на большей части диаметра, а затем большая часть рельефа обработана для облегчения, оставляя ряд распорок.

Британский производитель поршней разработал другую новую концепцию, целью которой является разделение головки и юбки с точки зрения конструкции, и это было изучено в февральском выпуске журнала Race Engine Technology за 2014 год. В скользящем поршне юбка соединена с головкой, но новая концепция позволяет юбке изгибаться, не затрагивая головку, и наоборот.Обычно, когда днище поршня изгибается под нагрузкой сгорания, контакт юбки значительно ухудшается, и отчасти поэтому юбка поршня обрабатывается таким образом. Благодаря преднамеренному отсоединению днища поршня от юбки головка может изгибаться без деформации юбки, которую затем можно оптимизировать независимо.

Некоторое время назад я видел подобную концепцию, испытанную на высокоскоростном двигателе, но в ней отсутствовала структурная поддержка днища поршня, которая существует в этой новой концепции.В 78-м выпуске журнала Race Engine Technology появится тематическая статья о поршнях, в которой среди прочего будут обсуждаться новые структурные концепции.

Автор Уэйн Уорд

Что такое распорный поршень?

Трение плохое, важна прочность. Разработка юбки поршня для повышения мощности представляет собой тонкий баланс обоих факторов. Мы исследуем дизайн юбки как средство для идеального поршня для работы.

Все дело в трении. Это свидетельство быстро суммирует преимущества конструкции поршня с коробчатой ​​​​стойкой, разработанной Wiseco Pistons.

«У вас юбка меньшего размера, поэтому меньше скольжение по стенке цилиндра», — говорит Ник Д’Агостино, менеджер по продажам автомобилей в Wiseco. «Ты собираешься сделать больше силы».

Box Strutted — это адаптация конструкции «юбки-тапочки», которую инженеры привнесли в гоночные двигатели пару десятилетий назад. Цели заключались в том, чтобы облегчить поршень, уменьшить пятно контакта со стенкой цилиндра и обеспечить зазор между днищами юбок поршня и противовесами коленчатого вала при работе с поршневыми двигателями.

Хотя это может выглядеть как ковка коробок, это не так. На самом деле это круглая поковка с обрезанной нижней полосой.

В дополнение к сокращению расстояния от нижней части юбки до площадок для колец, новая стратегия предусматривала сужение пространства между бобышками запястья. Другими словами, переместите опоры штифтов внутрь и в сторону от стенки цилиндра. Из-за изменения положения бобышек поршень требует более короткого поршневого пальца; что, в свою очередь, помогает уменьшить возвратно-поступательную массу.Этот шаг также позволяет инженерам уменьшить площадь поверхности юбки, которая ранее была необходима для поддержки более широких мест выступа запястья.

У Wiseco было множество стилей ковки, подходящих для различных уличных и гоночных нужд.

«Это настоящая симфония элементов дизайна, — объясняет Д’Агостино. «Форма юбки и то, как она соотносится со стенкой цилиндра. Затем он возвращается к самой стойке и к тому, как она соотносится с башней для запястья.Чем больше растопырен угол стойки, тем шире юбка. На более высоких уровнях гонок, где будет больше обслуживания, вы увидите более прямую стойку и гораздо меньшее пятно контакта в области юбки».

Традиционные полнокруглые поршни обеспечивают стабильность и долговечность наряду с простотой по конкурентоспособной цене. Поршень с коробчатой ​​распоркой разработан для определенных гоночных приложений, особенно для безнаддувных двигателей, где мощность увеличивается за счет уменьшения трения, а меньшая масса может быть проверена на динамометрическом стенде.

«С точки зрения бюджета, идти по этой дороге дороже», — советует Д’Агостино. «Обычно это работа по индивидуальному заказу, но значительная часть стеллажей Wiseco изготавливается из ковки с распорками».

Головка поршня и зона контакта с кольцом поршня с коробчатой ​​распоркой ничем не отличаются от поршня традиционного круглого сечения. Но если перевернуть коробку с распоркой поршня вверх дном, то контрасты в дизайне станут совершенно очевидными.

Поршень слева представляет собой кованую поковку, а справа представляет собой поршень с распорками, изготовленный из заготовки.

«Традиционная конструкция распорки состоит из двух распорок, отходящих от опор со штифтами под углом к ​​юбке», — объясняет Д’Агостино. «Затем вы можете добавить распорки между башнями и распорки на внешней стороне башен, которые идут к нижней стороне кольцевых площадок, чтобы создать конструкцию с коробчатыми распорками».

В зависимости от длины и угла наклона опорных стоек инженеры по поршням могут добиться аналогичного эффекта более длинного пальца.Дополнительная устойчивость подвесных стоек становится особенно ценной по мере увеличения диаметра отверстия.

«Например, если у вас диаметр отверстия 4,185 или 4,155 дюйма и 2-дюймовый поршневой штифт, нам необходимо повысить стабильность оси штифта, — говорит Д’Агостино. «В идеале для структуры вам понадобится максимально длинная булавка. Причина, по которой вы отказываетесь от них, — это экономия веса — попытка получить максимально легкую поршневую сборку».

Обратите внимание, как распорки выступают из юбки (с левой стороны) к бобышке запястья.Подкосы (спереди) представляют собой внешнюю форму структурной поддержки.

Даже с дополнительным фрезерованием под короной и обработкой карманов вокруг стоек фактическая поршневая конструкция с коробчатой ​​распоркой может быть тяжелее, чем ее полнокруглый аналог.

«Но это все сила. Он определенно более жесткий из-за расположения распорок», — объясняет Д’Агостино, отмечая, что в сочетании с более коротким штифтом общий вес сравним, если не меньше, с полноразмерной версией.«Кроме того, благодаря дополнительной структуре вы можете фрезеровать его значительно больше, чем полнокруглую, и при этом сохранять структурную целостность вокруг коронки».

Поршни

с коробчатой ​​подвеской хорошо работают в определенных ситуациях с высокими нагрузками, но не так хорошо в других.

«Это может быть высокоскоростное приложение, где вы не хотите носить с собой 2,750-й штифт. Но вы могли носить булавку 2.250. Опять же, вы можете спроектировать поршень так, чтобы имитировать более длинный поршневой штифт и обеспечить большую целостность оси штифта», — говорит Д’Агостино. «Там, где вы не видите, что они используются очень часто, являются морские, уличные или в приложениях для увеличения мощности. В этот момент мы говорим о долговечности».

В конструкции штока с направляющим поршнем внутренняя часть бобышки поршневого пальца должна быть идеально плоской и более узкой, чем у обычного поршня (показано). Небольшой зазор между плечом шатуна и бобышкой шатуна помогает удерживать шатун в вертикальном положении, позволяя снять вес с коленчатого вала.

В дрэг-рейсинге и кольцевых гонках, где производители двигателей гонятся за каждой последней частицей веса и трения, конструкции с коробчатыми стойками хорошо вписываются в стратегию трансмиссии.И есть еще одно возможное преимущество в сжатии бобышек штифтов ближе друг к другу.

«Вы можете делать штоки с поршневыми направляющими», — говорит Д’Агостино. «Вы не можете сделать что-то подобное в традиционном полном раунде».

Шатуны направляются либо коленчатым валом, либо поршнем. Для большинства автомобильных двигателей шатуны сконструированы и имеют такие размеры, что направленные силы контролируются коленчатым валом на головке шатуна. Это одна из причин, по которой боковой зазор штока является важным параметром при сборке двигателя.

Другими факторами, связанными с боковым зазором штока, конечно же, являются трение и смазка. Если зазора недостаточно, шатуны не будут свободно вращаться на шейке шатуна, или поток масла через подшипники может быть ограничен. Если зазор слишком большой, лишнее масло начнет разлетаться по картеру, и шатуны могут начать стучать по коленчатому валу и галтелям. Такое движение также будет передавать нагрузку на маленький конец шатуна, что может привести к его заеданию на штифте.

Эти два поршня очень похожи, однако один имеет внешнее крепление, а другой — нет. Решение о включении внешней распорки на 100 % зависит от приложения.

Переходя к штоку с поршнем, инженеры могут проектировать более тонкие шатуны для снижения веса. Им не нужно изменять размер большого конца, чтобы обеспечить надлежащий боковой зазор. Вместо этого критический зазор находится между башнями поршневого пальца и сторонами маленького конца шатуна.

«Вообще говоря, вам нужен зазор от 0,005 до 0,010 дюйма от внешнего размера ширины штока до внутренней части отверстий под пальцы. Это довольно близкое расстояние, но это то, что направляет удилище».

Штоки

с поршневыми направляющими используются во многих областях, включая мотоциклы и промышленность, но только недавно стали реальным вариантом для автомобильных двигателей с высокими характеристиками в США, когда инженеры NASCAR адаптировали эту стратегию.

«Некоторые живут и клянутся этим», — говорит Д’Агостино. «Эта тенденция резко возросла, когда у Busch появились бывшие в употреблении двигатели, которые были разобраны гонщиками-спортсменами.Теперь наши телефоны звонят парням, которые используют SB2 в качестве двигателей для дрэг-рейсинга, и замечают, что у них штоки с поршневыми направляющими. Таким образом, коробчатая стойка — единственный способ, которым мы можем пойти, потому что нам нужно захватить узкое пространство в один дюйм или меньше».

Хотя поршень коробчатого типа или с распорками может казаться тоньше, чем полностью круглая поковка (справа), обычно он тяжелее. Преимущество в весе достигается за счет существенного уменьшения длины запястья. Шатуны

изготавливаются специально для применения с поршневыми направляющими, поэтому и производитель двигателя, и Wiseco должны знать это при заказе поршней.

«В некоторых случаях расстояние между поршнями 1,2 или 1,3 дюйма на обычном поршне, даже у некоторых коробчатых стоек, может быть широким, например, 1100 дюймов», — говорит Д’Агостино. «Итак, если у меня есть 1-дюймовый малый конец, это совершенно другое обсуждение. Возможно, мне придется перейти на заготовку или другую поковку коробчатых стоек. При разговоре о штоках с поршневыми направляющими необходимо учитывать множество факторов».

Для любого варианта инженерам еще предстоит спроектировать опоры для штифтов для правильного зацепления штифта запястья.

«Нам нужно захватить 50 или более процентов длины запястья между двумя сторонами», — отмечает Д’Агостино.

Коробчатые раскосы

доступны для различных применений и изготовлены из сплавов 4032 и 2618. Некоторые двигатели для бездорожья предпочтут сплав 4032 из-за преимуществ в весе, в то время как для других применений с высокими нагрузками требуется более прочный сплав 2618. Кроме того, для некоторых применений с экстремальной мощностью могут потребоваться маслораспылители для охлаждения поршня. Ведь меньше материала поршня для передачи тепла стенке цилиндра. Но именно поэтому вы едете быстрее!

Поршень — обзор | Темы ScienceDirect

11.5.1 Стук поршня

Существует три возможных типа шума поршня, а именно дребезжание поршня (т. е. верхняя кромка контактирует с отверстием цилиндра), тиканье поршневого пальца (т. е. удар о подшипник пальца) и стук поршня (т. е. , юбка касается отверстия). Первые два типа шума можно избежать или устранить путем правильного проектирования. Устранить стук поршня невозможно, так как он вызывается вторичными движениями поршня в пределах зазора между юбкой и отверстием, который по своей природе создается кривошипно-ползунковым механизмом.Стук поршня обычно является самой большой причиной механического шума, особенно в дизельном двигателе. Для поршня без зазора боковая тяга представляет собой низкочастотную силовую функцию, связанную с частотой вращения двигателя (см. главу 10). При наличии зазора в реальном двигателе ход боковой силы, действующей на гильзу, изменяется дополнительными резкими ударными силами при перемещении поршня в пределах зазора. Эти импульсные ударные силы представляют собой высокочастотные силовые функции, заставляющие гильзу цилиндра и блок двигателя вибрировать и излучать шум импульсного типа.Шум поршня также передается от поршня к шатуну и коленчатому валу и, наконец, к блоку цилиндров. Более того, стук поршня вызывает кавитационную эрозию гильзы в дизельных двигателях большой мощности с вызванной чрезмерной вибрацией гильзы (Yonezawa and Kanda, 1985). К сожалению, некоторые конструктивные параметры, которые могут уменьшить трение юбки поршня, отрицательно влияют на стук поршня.

При проектировании систем двигателя требуется хорошее понимание следующих тем: (1) характеристика ударов поршня; (2) подходы к моделированию; и (3) оптимизированное общее планирование узла поршня, чтобы сбалансировать компромисс между экономией топлива и шумом.Хотя масса юбки поршня, гибкость юбки и нагрузка от давления в цилиндре у дизельного двигателя и бензинового двигателя сильно различаются, они имеют много общих характеристик. Некоторые ссылки, упомянутые в этом разделе, относятся к бензиновому двигателю. Введение в возбуждение от ударов поршня, шум и связанные с ними конструктивные особенности предоставлены Россом и Унгаром (1965), Манро и Паркером (1975), Уитакером (1990), Слаком и Лайоном (1982), Де Лука и Гержес (1996). Chien (1995), Künzel и др. (2001) и Fabi et al. (2007 г.).

Стук поршня между юбкой и отверстием цилиндра вызван вторичными движениями (поперечными или поперечными и наклонными), вызываемыми переменным боковым усилием поршня в пределах зазора между юбкой и отверстием. Поршень не только перемещается в поперечном направлении, но и наклоняется вокруг поршневого пальца, что обычно приводит к ударам верхней (или нижней) части юбки о отверстие. В течение одного цикла двигателя происходит несколько ударов поршня из-за реверсирования боковой тяги (рис.11.2). Наиболее значительным из них обычно является щелчок сразу после ВМТ (угол поворота коленчатого вала 0°). Для этого удара поршень перемещается через ВМТ срабатывания, переходя от скользящего движения к противодействующей стороне поршня в позднем такте сжатия к ударному событию со стороны тяги сразу после ВМТ. Газовая нагрузка, действующая на поршень, может создавать момент вокруг поршневого пальца, вызывающий поворот поршня, что влияет на стук. Усилия должны быть направлены на уменьшение наиболее сильного удара поршня вблизи ВМТ воспламенения для снижения шума удара поршня.

11.2. Моделирование хлопкового движения холодного поршня без эффективной смазки.

На шум поршня влияют все факторы, связанные с этим механизмом, т. е.

Сила тяги со стороны поршня длина штока к радиусу кривошипа может уменьшить боковую тягу, тем самым уменьшая шум поршня (например, Oetting et al. , 1984).

Момент о поршневой палец : нижний момент инерции, правильное смещение поршневого пальца, смещение коленчатого вала, точка действия давления в цилиндре, моменты от силы давления в цилиндре, сила тяжести, смазка нормальные силы, сила бокового трения поршневого кольца и сила трения поршневого пальца могут уменьшить или изменить момент относительно поршневого пальца, чтобы уменьшить шум поршня. Сила трения между кольцом и дном его канавки находится в режиме граничной смазки (с коэффициентом трения, равным 0.1–0,2) и оказывает большое влияние на время ударов поршня. Когда кольцо всплывает, сопротивление стуку поршня со стороны кольца исчезает, что обычно усугубляет стук поршня. Манро и Паркер (1975) сообщили, что сила бокового трения кольца с коэффициентом трения между кольцом и канавкой, равным 0,1, может уменьшить вдвое скорость удара и уменьшить кинетическую энергию в 4 раза. расстояние перемещения поршня до удара о стенку : меньший зазор между юбкой и отверстием может снизить шум поршня.Например, более низкая температура гильзы уменьшает зазор из-за сжатия гильзы. Более высокая температура поршня может уменьшить зазор. Использование меньшего зазора между юбкой и отверстием может снизить интенсивность ударов поршня, но за счет увеличения вязкого трения при сдвиге. При расчете поршневого зазора существует компромисс между низким уровнем шума двигателя и высоким механическим КПД.

Демпфирующая сила, противодействующая вторичным движениям поршня : адекватная подача масла на юбку может значительно снизить стук поршня.Более низкое натяжение поршневых колец (особенно маслосъемного кольца) может увеличить толщину масляной пленки на гильзе цилиндра. Это позволило бы увеличить демпфирующий эффект масляной пленки, чтобы смягчить удары поршня, тем самым снизив скорость удара и шум. Толщина пленки смазочного масла и сила смазки, на которые также влияют длина юбки, вязкость смазки и волнистость или шероховатость поверхности, могут снизить скорость удара поршня и, следовательно, шум хлопков. Райан и др. (1994) показал, что существует оптимальная вязкость масла для минимизации шума поршня; либо более высокая, либо более низкая вязкость увеличивала интенсивность шлепка. Использование более длинной юбки в качестве лучшей направляющей и демпфирующей поверхности может уменьшить шум поршня. Увеличение площади соприкосновения поршня с изменением конструкции отверстия или юбки (например, овальность поршня) для улучшения демпфирования масляной пленки может снизить шум поршня.

Скорость удара поршня : все вышеперечисленные факторы в итоге влияют на боковую скорость удара поршня, которая отчасти характеризует силу удара.

Масса поршня : масса поршня вносит вклад в ударный импульс или кинетическую энергию. Большая масса поршня и более высокая скорость удара делают звук удара поршня громче.

Площадь контакта во время удара : площадь контакта влияет на переходный процесс упругого столкновения и силу удара. Если удар поршня происходит на большей площади контакта, энергия удара может быть лучше поглощена, чтобы уменьшить шум удара.Как вертикальная форма (профиль юбки), так и периферийная форма (овальность) влияют на площадь контакта и, следовательно, на шум поршня.

Жесткость и демпфирование контактирующих частей : жесткость и демпфирование влияют на силу удара во время процесса упругого удара или на коэффициент восстановления. Если более мягкая часть юбки поршня (например, нижняя часть юбки) соприкасается с отверстием, шум будет ниже из-за большей деформации.Упругое распределение жесткости юбки должно быть равномерным. Важно увеличить верхний зазор, чтобы избежать контакта между очень жестким верхним краем и каналом ствола. Верхняя площадка представляет собой сплошной диск из металла высокой жесткости. Его контакт со стенкой цилиндра вызывает резкий дребезжащий звук. Из соображений шума и задиров верхняя кромка не должна касаться стенки цилиндра.

Звукопоглощающие характеристики гильзы/блока цилиндров.

Среди конструктивных факторов смещение поршневого пальца относительно бокового расположения центра тяжести поршня является наиболее часто используемым методом для уменьшения шума ударов поршня. Как объяснялось выше в механизме удара поршня, это момент вокруг поршневого пальца, который управляет наклоном поршня. На момент влияет как боковое смещение штифта, так и вертикальное положение штифта относительно центра тяжести поршня. Сила газа в цилиндре в значительной степени влияет на опрокидывающий момент.Боковые силы (например, сила смазки) играют не менее важную роль в управлении опрокидывающим моментом. Следовательно, эффективность бокового смещения штифта зависит от вертикального положения штифта. При смещении пальца в сторону упора сила газа будет вращать поршень вокруг поршневого пальца в направлении противодействия осевой нагрузке. Это вращение гарантирует, что нижняя часть юбки перевернется, чтобы соприкоснуться с упорной стороной до того, как верхняя часть юбки пересечется, тем самым уменьшая усилие, которое в противном случае возникло бы при перевороте верхней стороны. Нижняя часть юбки обычно менее жесткая, чем верхняя часть, поэтому удар поршня может стать менее шумным. С другой стороны, смещение штифта в сторону, препятствующую тяге, вызывает сильный хлопающий шум, потому что обратный момент на поршне заставляет верхнюю жесткую часть юбки контактировать с отверстием вблизи ВМТ срабатывания. Однако смещение в сторону, препятствующую тяге, может привести к небольшому (часто незначительному) снижению трения юбки. Следует отметить, что большое смещение поршневого пальца может вызвать чрезмерный наклон поршня вокруг ВМТ и увеличить прорыв газов, расход масла и трение.Иногда между звуком удара поршня и наклоном поршня возникает компромисс. Оптимизированная конструкция профиля юбки может устранить этот компромисс, изменив момент смазки, действующий вокруг поршневого пальца. Как следует из вышеперечисленных факторов, борьба с люфтом поршня является сложной задачей, но существует множество возможностей для ее оптимизации.

Значимость шума ударов поршня зависит от применения двигателя. Например, стук поршня преобладает в судовых дизелях с относительно большими поршневыми зазорами, тогда как в небольших бензиновых двигателях он менее заметен.Звук удара поршня особенно заметен, когда двигатель холодный, а зазор поршня большой без эффективной смазки (например, при холодном пуске). Шум увеличивается с частотой вращения двигателя и пиковым давлением в цилиндре. Шум поршня наиболее заметен при холодном пуске и холостом ходу, а также при низкой скорости и высокой нагрузке, когда другие шумы относительно менее заметны. Кюнцель и др. (2001) обнаружил, что шум поршня был наиболее заметным (слышимым) при низких оборотах двигателя (т.г., 1000–2000 об/мин) от малых нагрузок до высоких нагрузок для дизельных двигателей легковых автомобилей. Другой важный сценарий заключается в том, что стук поршня заметно проявляется после холодного пуска, когда зазор между поршнем и отверстием максимальный, но металл холодный и без эффективной смазки. Например, Ричмонд и Паркер (1987) обнаружили, что при средней скорости и низкой нагрузке (например, 1600 об/мин, нагрузка на одну треть, ускорение до 30 миль в час после холодного пуска) шум поршня может стать наиболее навязчивым. Основная конструктивная мера по минимизации шума ударов поршня заключается в оптимизации вторичных движений поршня во всех режимах работы, чтобы при изменении рисунка контакта юбка-отверстие в конструкцию двигателя передавалось только минимальное количество энергии удара.Двумя наиболее часто используемыми методами контроля шума поршня являются уменьшение зазора между юбкой и отверстием и смещение поршневого пальца. Профиль юбки поршня также играет важную роль в снижении уровня шума.

Вибрация (или ускорение) гильзы цилиндра или блока цилиндров является хорошим индикатором шума поршня. Установлено, что вибрация гильзы очень хорошо коррелирует с кинетической энергией удара поршня. Камия и др. (2007 г.) использовали небольшие тонкопленочные датчики давления для непосредственного измерения давления масляной пленки в местах ударов поршня, чтобы попытаться понять силу возбуждения в месте ударов.Они обнаружили, что существует четкая корреляция между давлением масляной пленки в верхней части юбки (расположенной на стороне, препятствующей тяге) и ускорением гильзы цилиндра, измеренным вблизи верхней части гильзы. Это подтверждает, что когда происходит удар поршня, в гидродинамической смазке происходит большая реакция сжимающей пленки для создания давления масла. Это указывает на то, что скорость удара поршня по смазанной поверхности также может быть использована в качестве индикатора шума удара.

За последние 30 лет широко проводились измерения шума удара поршня и вибрации гильзы/блока (DeJong and Parsons, 1982; Furuhama and Hirukawa, 1983; Kaiser et al., 1988; Ричмонд и Паркер, 1987 г.; Вора и Гош, 1991; Камп и Сперманн, 1995 г.; Райан и др. , 1994; Накада и др. , 1997; Терагучи и др. , 2001). Результаты измерений способствуют лучшему пониманию параметрической зависимости удара поршня и помогают в разработке аналитической модели.

Анализ отказов отверстия под палец комбинированного поршня для авиационного двигателя

Комбинированный поршень может использоваться в авиационном поршневом двигателе на тяжелом топливе из-за его легкого веса, чтобы уменьшить возвратно-поступательную силу инерции и повысить мощность двигателя -весовой коэффициент. Однако отверстие под палец комбинированного поршня склонно деформироваться, что приводит к выходу поршня из строя. На основе конструкции поршня проанализировано напряжение поршня при термомеханической муфте, экспериментальным путем определено температурное поле поршня и обобщен закон деформации отверстия под поршневой палец при термомеханической муфте. Предложена конструктивная схема изменения положения резьбового соединения днища поршня с головкой поршня. При одинаковых условиях анализируется деформация отверстия под поршневой палец исходной схемы и новой схемы.Результаты показывают, что вместе с изменением соединительной резьбы между днищем поршня и головкой поршня деформация отверстия под поршневой палец уменьшается на 60  μ м и контролируется деформация отверстия под поршневой палец. Результаты испытаний показывают, что деформация отверстия пальца находится в допустимых пределах, что свидетельствует об эффективности усовершенствованной схемы.

1. Введение

Из-за единого военного стандарта в отношении топлива, экономии и доступности для гражданского использования авиационный поршневой двигатель с воспламенением от сжатия стал горячей темой исследований [1]. По сравнению с реактивными двигателями поршневые воздушные суда с воспламенением от сжатия имеют лучшую экономию топлива [2], низкий уровень шума [3], выбросы и простоту обслуживания. Беспилотному летательному аппарату (БПЛА) необходимо длительное время зависания; от двигателя требуется высокая экономия топлива, но реактивный двигатель не может удовлетворить это требование. Гражданские поршневые винтовые самолеты используются для обучения пилотов, спасения, частных полетов и т. д. Пилоты хотят использовать экономичное и доступное топливо [4, 5]; все это способствовало развитию авиационного дизеля.В настоящее время в авиации общего назначения в основном используются авиационные бензиновые двигатели, авиационные двигатели на тяжелом топливе с воспламенением от сжатия используются реже, и сообщений об их исследованиях очень мало [6, 7]. Чтобы уменьшить вес поршня, уменьшить силу инерции поршня во время возвратно-поступательного движения и улучшить соотношение мощности и веса, в некоторых авиационных поршневых двигателях с воспламенением от сжатия используется комбинированный поршень с головкой из высокопрочной стали и юбкой поршня из алюминиевого сплава. . Но проблема легкого веса не является главной темой этой статьи; комбинированный поршень состоит из двух частей.Неоднородные свойства материала и дефект конструкции приводят к усталости поршня. В настоящее время в автомобильных двигателях применяется в основном комбинированный поршень, который практически не нашел применения в авиационном поршневом двигателе. Ребхи и др. изучили ключевые узлы авиационного двигателя, такие как головка блока цилиндров; наблюдались и анализировались усталостные трещины; подтвердили, что зарождение трещины находилось в наиболее напряженной зоне; и провел большую исследовательскую работу по усталостной долговечности с точки зрения свойств материалов компонентов самолетов и двигателей [8].Эти исследования имеют большое значение для увеличения срока службы компонентов двигателя или надежности авиационных систем. Они сосредоточены на теории конечных элементов без изменения внутренней структуры компонентов, но методы исследования могут быть использованы в качестве эталона при анализе усталости комбинированного поршня [9–11]. Лю и др. исследовал взаимосвязь между ресурсом поршня и напряжением в различных термических, механических и термомеханических условиях сопряжения, но изучаемый авторами интегральный поршень не является комбинированным поршнем.Внутренняя структура комбинированного поршня отличается от цельного поршня, а напряжения и деформации обоих поршней различны при одинаковых условиях [12]. Иджаз и др. исследовал всестороннюю математическую модель роста трещин расслоения под усталостной нагрузкой, но она подходит для армированных стекловолокном пластиковых композитных ламинатов [13]. Ю и др. исследовал, что появление продольных скоплений включений избыточного размера в зоне зарождения трещины в основном ответственно за отказ поршневого пальца, и предлагается улучшить чистоту стали для предотвращения отказов поршневого пальца в будущем [14].Большинство ученых провели много исследований деформации юбок поршней и поршневых пальцев; эти исследования не имеют тесного отношения к комбинированному поршню [15, 16] или улучшению характеристик поршня путем добавления покрытия на днище поршня для предотвращения деформации поршня; эти усовершенствования никак не связаны с внутренней конструкцией поршня [17, 18], но сообщений об исследованиях отверстия под палец комбинированных поршней немного. Сертификация типа авиационного поршневого двигателя всегда ограничивалась надежностью поршня, что стало серьезным препятствием для развития мощности самолетов авиации общего назначения.На основе деформации отверстия комбинированного поршневого пальца разрабатываемого авиационного поршневого двигателя на тяжелом топливе в качестве объекта исследования проведен анализ внутренней структуры комбинированного поршня; также исследуется закономерность между деформацией отверстия поршневого пальца и положением внутренней резьбы в условиях давления в цилиндре, механической нагрузки, боковой силы и других многополевых взаимосвязей. Кроме того, предлагается новое решение для решения технической проблемы деформации комбинированного канала поршневого пальца.Предложенная конструктивная схема позволяет повысить надежность поршня двигателя и значительно сократить время получения двигателем сертификата летной годности. В настоящее время некоторые исследовательские институты разрабатывают авиационные дизельные двигатели, а некоторые компании исследуют комбинированный поршень для судовых 2-тактных дизельных двигателей и 4-тактных автомобильных дизельных двигателей, который может быть использован этими институтами в качестве эталона. Его можно даже вывести из аналогичного комбинированного проекта конструкции, чтобы предоставить идеи для проектирования конструкции с оптимизацией.

2. Внутренняя структура и описание неисправностей комбинированного поршня

Для поршня лучше использовать кованую сталь, поскольку этот тип двигателя использует в качестве топлива керосин или дизельное топливо, которое имеет большое давление взрыва в цилиндре и высокую температуру сгорания. . Однако к авиационному поршневому двигателю предъявляются жесткие требования по массе. Значит, нужно максимально уменьшить вес поршня, а также уменьшить силу инерции поршня при скоростном возвратно-поступательном движении.По этой причине поршень имеет комбинированную конструкцию, при которой головка поршня изготовлена ​​из кованой стали, а юбка поршня изготовлена ​​из алюминиевого сплава, соединенного резьбой. Конструкция поршня показана на рис. 1.


Во время ресурсных испытаний двигателя происходит значительная деформация отверстия под поршневой палец. Значение составляет 0,06 мм и больше, чем допускают производители. Зазор между отверстием пальца и пальцем приводит к сильному удару поршня при высокоскоростном возвратно-поступательном движении, что еще больше усугубляет деформацию поршня и отверстия пальца, вплоть до того, что двигатель перестает нормально работать, что сказывается на безопасности полета.

3. Анализ моделирования в условиях термомеханической муфты

Для анализа деформации отверстия комбинированного поршневого пальца проводится анализ моделирования. По граничным условиям обобщен закон деформации отверстия под поршневой палец и предложена схема модификации.

3.1. Параметры механических характеристик и построение сетки

Перед анализом численного моделирования необходимо определить материал днища и юбки поршня, чтобы обеспечить точные условия в анализе методом конечных элементов.Механические характеристики поршневых компонентов приведены в таблице 1.


0,31 юбки поршня 0,33

Название Уровень доходности (MPA) Прочность на растяжение (MPA) Модуль упругости (GPA) Проводимость (с (м · к)) коэффициент линейного теплового расширения (м / (м · к)) Poisson соотношение

поршневой корона ≥205 ≥520 206 16. 3
≥152 ≥251 71 163

После установки 3D-модели, введено программное обеспечение для анализа конечных элементов для проведения разделения сетки. Поскольку модуль квадратного тетраэдра имеет ту же точность расчета, что и модуль гексаэдра, матрица пропускной способности меньше, а время расчета короче.Кроме того, он может адаптивно разбивать структуру специального местоположения и автоматически реализовывать сетевое шифрование. Поэтому используются единицы квадратного тетраэдра, а результаты деления показаны на рисунке 2.


3.2. Применение граничных условий

Точность граничных условий напрямую связана с результатами численного моделирования, что напрямую влияет на анализ инженерных задач. Поэтому перед численным моделированием требуются точные граничные условия. Для граничных условий поршня основными факторами являются механические напряжения и температурное поле.

3.2.1. Кривая механической нагрузки поршня

Основными силами, действующими на поршень, являются давление газа, действующее на днище поршня, и боковая сила, действующая на юбку поршня. Другие силы относительно малы и мало влияют на общую деформацию отверстия под поршневой палец, которые не учитываются.

(1) Давление в цилиндре, действующее на головку поршня .С помощью программного обеспечения для моделирования получается кривая давления газа в головке поршня при максимальной скорости двигателя, и экспериментальное значение сравнивается со значением моделирования для проверки правильности кривой моделирования. На рисунке 3 показана кривая максимальной силы на поршне.


(2) Боковая сила, действующая на поршень . Боковая сила поршня создается как в такте сжатия, так и в такте рабочего хода. Когда поршень совершает работу, на основную упорную поверхность действует боковая сила. Пока поршень сжимается, на вторичную упорную поверхность действует боковая сила. Кривая боковой тяги каждого поршня за период показана на рисунке 4 с максимальной боковой силой 5182 Н и максимальной вторичной тягой -2489 Н.


3.2.2. Измерение температурного поля и численное моделирование

Температурное поле и коэффициент теплопередачи являются важными граничными условиями для термического анализа поршня [19, 20]. Третий тип граничных условий обычно принимается при расчете поршня, требующем задания температуры и коэффициента теплопередачи периферийной среды.Для его расчета обычно выбирают формулу Г. Эйхельберга [21]. Эксперимент можно проводить после расчета коэффициента теплоотдачи и температурного поля [22]. Затем измеряется фактическое температурное поле на поверхности поршня и коэффициент теплопередачи постоянно пересматривается до тех пор, пока измеренное значение не будет в основном соответствовать фактическому значению. где — мгновенное давление газа, МПа; – мгновенная температура газа, К; – средняя скорость поршня, м/с.

Метод пробки твердости обычно используется для измерения температурного поля поршня, который мало влияет на распределение температуры и прочность поршня, а также прост в эксплуатации. Из закаленного материала температурной пробки делают винты, которые ввинчиваются в измеряемую область. Затем двигатель работает 2 часа в условиях испытания на усталостную выносливость и после охлаждения останавливается. После этого пробка для определения твердости удаляется, и после полировки твердость измеряется микротвердомером.Измеряемой величиной является температура, найденная по кривым связи между твердостью и температурой. Установка экспериментальной точки измерения показана на рис. 5.


После проведения эксперимента вскоре после остановки двигателя следует удалить винты измерения жесткости. В то время поршень еще горячий и винты жесткости еще не приклеены. Пробка твердости вынимается профессиональным приспособлением, а ее торцевая поверхность полируется. Только один человек должен измерять показания, чтобы уменьшить погрешность измерения. Температура определяется в соответствии с измеренным значением твердости и временем охлаждения.

Данные нескольких важных точек параметров в эксперименте записываются, как показано в таблице 2.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Измеренное значение (° С) 391 153 162 132 141 181 178 394 530363 530 4 490


/мин, как показано в таблице 3.


9035 8 200

позиция
Должность Температура окружающей среды (K) Кондиционер конвективных теплопередачи (W / (M 2 · K)) позиция температура окружающей среды (K) Ковеоэффективность конвективного теплопередачи (w / m 2 · K))
Piston Crown 700

3

503

3

Верхняя часть полости поршня 360363 310
Поршень банк 450 98 Нижняя часть поршневой полости 360 290
юбки поршня 160 300 масляный канал 230 480
Штифт отверстие 210 270 Верхняя первая кольцевая канавка 430 700
Другие кольцевые канавки 250363 250 250 Нижняя первая кольцевая канавка 400 650 650

На основании моделирования с помощью вышеуказанных границ численное моделирование проводится на поршне в WorkbenchМы ввели температуру окружающей среды и коэффициент конвективной теплоотдачи в таблицу 3 последовательно в каждую грань, и результаты расчета поля температуры поршня получили, как показано на рисунке 6.


Результаты анализа поля температуры поршня показывают, что максимально температура днища поршня 530,6°С, дна камеры сгорания 498,4°С. Температура огненного берега 384,7°С; минимальная температура юбки поршня 116°С.Результат моделирования всего температурного поля недалек от фактического результата измерения, что подтверждает точность численного моделирования и обеспечивает надежную основу теоретического анализа для последующей оптимизации схемы. Между тем, из фиг.7 известно, что температура точки измерения 2 ниже первой кольцевой канавки ниже, чем температура точки 7 на стороне выпуска. Численные результаты составляют 148,2°С и 176,4°С. Это связано с тем, что в двигателе используется продувка поршня; холодный воздух, поступающий из впускного отверстия, оказывает определенное охлаждающее действие на поршень.Хотя температура точки измерения 3 в отверстии поршневого пальца близка к температуре точки измерения 6, которые составляют 164,3°C и 169,6°C соответственно, обе точки измерения находятся внутри поршня, и распределение температуры является равномерным. Среди них значение моделирования точки 3 близко к измеренному значению, а температура точки 6 на 12°C или около того ниже фактической температуры с некоторой ошибкой.


3.3. Simulation Analysis

Механическое напряжение добавляется в анализ отдельно, включая давление газа, боковую тягу и другие основные нагрузки.Вообще говоря, механическое напряжение и деформация являются основными факторами деформации канала поршневого пальца. Рассмотрены усилие и деформация отверстия под поршневой палец при простой механической нагрузке. Кроме того, добавляется термическое напряжение для имитации тепловой связи двигателя, а усилие и деформация отверстия под поршневой палец всесторонне наблюдаются при условии совместного действия поля термомеханических напряжений.

На рисунках 8 и 9 показаны нефограммы основных деформаций и напряжений поршня при механическом воздействии.Под действием простого механического напряжения максимальное напряжение поршня приходится на обе стороны отверстия под палец и максимальное напряжение составляет 208 МПа. Это в основном связано с тем, что угол перехода между обеими сторонами отверстия поршневого пальца и юбкой поршня недостаточно велик, что приводит к локальной концентрации напряжений. Максимальное напряжение, создаваемое на верхней поверхности отверстия поршневого пальца, составляет 105,2 МПа, а напряжение юбки поршня даже ниже предела растяжения материала. Это связано с тем, что давление газа передает усилие на поршневой палец через верхнюю поверхность отверстия поршневого пальца; отверстие поршневого пальца находится под большим давлением в течение всего рабочего цикла двигателя.Поэтому весь поршень при действии механических воздействий безопасен.



Максимальная деформация всего поршня 0,044 мм под действием простых механических воздействий и в основном в расточке поршневого пальца, что свидетельствует о деформации поршня под совместным действием давления газа, бокового удара, трения , и другие стрессы. Кроме того, величина деформации превышает максимально допустимую величину деформации отверстия под поршневой палец. Во многих полях напряжений ведущую роль в деформации отверстия под поршневой палец играет давление газа.

Термическое напряжение добавлено для анализа напряжения и деформации поршня и отверстия под палец под термомеханической муфтой, как показано на рисунках 10 и 11. Поршень полностью расчленен, а нефограмма деформации увеличена в 50 раз. ; установлено, что максимальная деформация поршня возникает на периферии днища поршня, достигая 0,23 мм. Это свидетельствует о том, что температурное поле оказывает существенное влияние на деформацию головки поршня.



Деформация отверстия под палец практически отсутствует, так как внутренняя резьба средней части головки поршня соединена с наружной резьбой головки поршня.Наконечник поршня расширяется по краю из-за термического напряжения.

Минимальное значение деформации составляет 0,065 м в среднем положении отверстия под поршневой палец, а при простом механическом воздействии оно увеличивается на 0,021 мм, что означает, что термическое напряжение мало влияет на деформацию отверстия под палец.

Максимальное напряжение поршня 359 МПа. В основном это происходит у днища поршня, что указывает на то, что температурное поле играет здесь основную роль в изменении напряжения; высокая температура влияет на механические свойства металлов.Максимальное напряжение в отверстии поршневого пальца составляет 168 МПа, что на 65 МПа больше по сравнению с простым механическим напряжением. Таким образом, основная деформация отверстия поршневого пальца в основном вызвана механическим напряжением.

4. Предложена и проанализирована схема оптимизации
4.1. Предложена схема оптимизации

Приведенное выше описание показывает, что высокая температура камеры сгорания является основной причиной деформации отверстия под поршневой палец. Кроме того, свойства материала днища поршня и юбки поршня различны, что приводит к деформации отверстия под поршневой палец вместе с камерой сгорания после теплового расширения.Изменения конструкции показаны на рисунках 12 и 13. Положение резьбы прямого соединения между днищем поршня и головкой поршня изменено, как показано в исходной и новой конструкции.



4.2. Сравнительный анализ моделирования
4.2.1. Сравнение деформации отверстия пальца

Локальная структура изменена без изменения общей конструкции на основе теоретического анализа и сравнения с существующей конструкцией поршня.Есть надежда, что деформация отверстия под палец может быть уменьшена до допустимого диапазона зазора узла двигателя. При одинаковой нагрузке сравнивают две схемы и устанавливают количество циклов . Результаты моделирования показаны на рисунке 14.


На рисунке 14 показано сравнение степени деформации отверстия под поршневой палец до и после изменения положения соединительной резьбы. Из анализа видно, что величина деформации отверстия под штифт изменяется при изменении положения соединения резьбы, что значительно меньше по сравнению с исходной конструкцией.Возьмите A и B с обеих сторон отверстия под палец в качестве эталона и образующую на отверстии для пальца в качестве объекта исследования для измерения значения его деформации. При исходном способе соединения величина деформации отверстия под штифт показана на рис. 14 слева. Если взять срез А и срез В в качестве стандарта, максимальная величина деформации составляет 0,06 мм. При изменении положения резьбового соединения деформация отверстия под палец показана на рис. 14 справа. Кроме того, принимая A и B за стандарт, максимальная деформация равна 0.01 мм и уменьшается на 83,3%, значительно снижается деформация отверстия под палец, повышается надежность работы двигателя. Если значение деформации превышает максимальный диапазон деформации, поршень будет отклоняться или даже стучать по цилиндру при возвратно-поступательном движении. Поэтому деформация отверстия под палец играет важную роль в нормальной работе поршня. Изменение положения соединительной резьбы хорошо влияет на сдерживание деформации отверстия под палец.

До и после изменения положения соединительной резьбы также сильно изменяется деформация поверхностей А и В по обеим сторонам отверстия под палец. Когда первоначальное соединение выполнено, деформация A и B показана красной линией на рисунке 14. Трение между пальцем и отверстием для пальца приводит к овальной форме на A и B отверстия для пальца. Когда принята новая схема конструкции, деформация A и B значительно улучшилась по сравнению с предыдущей. Как показано синей линией на рисунке 14, деформация A и B больше не имеет овальной формы, а имеет правильную круглую форму. Значение радиуса B примерно на 0,002 мм больше, чем A, что в основном связано с тем, что напряжение на поверхности главной силы отличается от поверхности тяги при возвратно-поступательном воздействии поршня.Однако разница приемлема из-за ее небольшого влияния на двигатель.

4.2.2. Общий анализ деформации

После анализа деформации отверстия под поршневой палец наблюдают и сравнивают деформацию всего поршня до и после изменения положения резьбы. При применении одних и тех же граничных условий напряжение и деформация узла поршня и отверстия поршневого пальца наблюдаются при совместном воздействии температурного поля и механического напряжения, как показано на рисунках 15 и 16.



Максимальное напряжение на днище поршня изменяется с 359,95 МПа до 472,74 МПа, увеличиваясь на 32,17% после улучшения. Зона максимального напряжения передается от дна камеры сгорания к точке, где гребень огня встречается с первой кольцевой канавкой. Это в основном связано с тем, что верхняя часть камеры сгорания теряет ограничения, и вся головка поршня движется вверх под действием термического напряжения и возвратно-поступательной силы инерции после изменения положения соединения, тогда в слабом соединении создается большее напряжение.Поскольку напряжение все еще меньше предела прочности материала поршня на растяжение, оно все еще находится в пределах безопасного диапазона.

Максимальное напряжение в отверстии поршневого пальца практически не меняется при 173,5 МПа, что немного меньше, чем 168 МПа до улучшения, что указывает на то, что на отверстие под палец в основном влияло давление газа.

Новая конструкция сильно влияет на общую деформацию поршня. Текущая максимальная деформация составляет 0,236 мм, что увеличивается только на 0,007 мм от 0.229 мм до улучшения. При этом положение, в котором происходит максимальная деформация, в принципе не меняется. Однако он играет важную роль в сдерживании деформации отверстия под поршневой палец.

5. Эксперимент

Поршневой узел изготовлен по модифицированной схеме. Перед испытанием измеряют размер поршневого пальца. Внешний диаметр поршневого пальца составляет 38,102 мм, а внутренний диаметр — 38,110 мм. Испытание на усталость с одним поршнем трудно моделировать граничные условия анализа поршня и не может отражать реальные условия работы поршня.Поэтому ресурсное испытание отверстия под поршневой палец проводится вместе с ресурсным испытанием двигателя. Поршень устанавливается на двигатель для испытаний на усталостную выносливость и испытывается в той же среде. Условия внешних испытаний показаны в таблице 4.



20 ° C 20 ° C
968 KPA 968 KPA
RPM двигателя (R / MIN) Требования к выносливости
Время работы двигателя (H) ≥150
давление масла (бар) 3-8 бар
Температура масла (° C) 50-110
Температура охлаждающей жидкости (°C) 80-120

Ресурсные испытания двигателя необходимо провести на стенде; гребные винты должны быть установлены на стенде, как показано на рисунке 17, и это отличается от других деталей, которые могут быть испытаны на усталость независимо друг от друга. Стенд может измерять крутящий момент и тягу, а также контролировать рабочие параметры двигателя. Согласно требованиям к ресурсным испытаниям двигателей, ресурсные испытания в течение 150 часов выполняются в соответствии с 14CFR33 Федерального авиационного управления (FAA) [23]: (1) 30-часовой пробег, состоящий из чередующихся периодов по 5 минут на номинальной взлетной мощности и 5 минут на максимально рекомендуемой крейсерской мощности. .5 часов при максимальной продолжительной мощности 75 % и максимальной продолжительной скорости 91 %(3) 20-часовой пробег, состоящий из чередующихся периодов по 1,5 часа при номинальной максимальной продолжительной мощности и 0,5 часа при максимальной продолжительной мощности 70 % и максимальной продолжительной скорости 89 %( 4) 20-часовая работа, состоящая из чередующихся периодов продолжительностью 1,5 часа при номинальной максимальной непрерывной мощности и 0,5 часа при максимальной продолжительной мощности 65 % и максимальной непрерывной скорости 87 %(5) 20-часовая работа, состоящая из чередующихся периодов продолжительностью 1,5 часа при номинальная максимальная непрерывная мощность и 0. 5 часов при максимальной продолжительной мощности 60 % и максимальной продолжительной скорости 84,5 %(6) 20-часовой пробег, состоящий из чередующихся периодов по 1,5 часа при номинальной максимальной продолжительной мощности и 0,5 часа при максимальной продолжительной мощности 50 % и максимальной продолжительной скорости 79,5 %( 7) 20-часовой пробег, состоящий из чередующихся периодов продолжительностью 2,5 часа при номинальной максимальной продолжительной мощности и 2,5 часа при максимальной рекомендованной крейсерской мощности регистрируются для обеспечения нормальной работы двигателя.Когда двигатель заканчивает работу, двигатель разбирают после охлаждения машины, чтобы проверить внутренний диаметр держателя поршневого пальца и внешний диаметр поршневого пальца.

После демонтажа ссадины или трещины внутри отверстия под палец и на поверхности поршневого пальца сначала проверяют снаружи. Затем внешний диаметр поршневого пальца измеряется наружным микрометром, и среднее значение составляет 38,098 мм, полученное после нескольких измерений. В-третьих, отверстие поршневого пальца измеряется внутренним микрометром в основном для внутреннего диаметра средней части отверстия поршневого пальца.Среднее значение составляет 38,121 мм после многократных измерений. Все значения деформации поршневого пальца и отверстия под палец находятся в пределах требований производителя к деформации.

6. Выводы

В данной статье исследуется усталость отверстия под палец комбинированного поршня. Анализируется состав комбинированного поршня и обсуждаются граничные условия анализа поршня. Надежность поршня повышается за счет изменения положения соединения внутренней резьбы поршня, а также решается проблема усталости поршня, вызванная деформацией отверстия под палец.Выводы следующие: (1) Различные свойства материалов комбинированного поршня влияют на деформацию отверстия под поршневой палец (2) Изменение положения соединения внутренней резьбы поршня может уменьшить деформацию отверстия под палец поршня (3) Надежность поршня напрямую влияет на работу двигателя. Необходимо провести эксперименты по надежности двигателя, чтобы убедиться, что поршень можно адекватно проверить в реальных условиях работы

Доступность данных

Данные моделирования и экспериментальные данные, использованные для подтверждения результатов этого исследования, включены в статью. .В рукопись записано отверстие под палец комбинированного поршневого моделирования, также в рукопись записаны и проанализированы данные стендовых испытаний, что доказывает эффективность усовершенствованной схемы. Рисунки и таблицы в рукописи подробно описывают данные, такие как Таблица 1, в которой показаны параметры механических характеристик компонентов поршня, Таблица 2, в которой показаны тестовые значения температурного поля поршня, и рисунки 6–16, в которых записаны данные моделирования. .

Конфликт интересов

Конфликт интересов в отношении публикации этой статьи отсутствует.

Благодарности

Исследование, приведшее к этим результатам, финансировалось в рамках проекта, поддерживаемого научными исследованиями Департамента образования провинции Хунань в рамках грантов 18C0776 и 16B029, Бюро науки и технологий Чанши в рамках гранта K1705041 и Фонда естественных наук провинции Хунань в рамках грант 2019JJ50684. Наконец, что не менее важно, авторы благодарны директору за разрешение опубликовать эту работу.

Проектирование и анализ конструкции гидравлического возбудителя поршня

[1] Цю Лицзюнь, Ян Цзя, Advanced Materials Research, V 322, стр.497-500. (2012).

[2] WANG Ji Wei, Zhang Wang A , Huang Yi hydraulic and pneumatic drive . Machinery Industry Press , 2012.6. С.8-56.

[3] Чжао Миншэн, Справочник инженера-механика, второе издание, Machinery Industry Press, 2001. 3. стр. 443-445.

[4] Pu Lianggui, Mechanicaldesign, пятое издание, Higher Education Press. 1995. 4. С.8-62.

[5] Чжан Деминг.Анализ примеров применения гидравлических уравновешивающих схем [ J ] . Гидравлические и пневматические уплотнения, 2007, ( 6 ).

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *