Кинематика и динамика автомобильных поршневых двигателей

КИНЕМАТИКА 
И ДИНАМИКА 
АВТОМОБИЛЬНЫХ 
ПОРШНЕВЫХ 
ДВИГАТЕЛЕЙ

П.Р. ВАЛЬЕХО МАЛЬДОНАДО
Н.Д. ЧАЙНОВ

Допущено Федеральным УМО по укрупненной группе специальностей 
и направлений подготовки 23.00.00 «Техника и технологии наземного транспорта» 
в качестве учебного пособия для обучающихся по направлению  подготовки 
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин 
и комплексов» (уровень образования «бакалавриат»)

Москва
ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 621.432(075.8)
ББК 31.365я73
 
В16

Р е ц е н з е н т ы:
И.В. Станкевич, доктор технических наук, доцент кафедры прикладной 
математики Московского государственного технического университета имени Н.Э. Баумана (национального исследовательского университета);
А.Н. Краснокутский, кандидат технических наук, доцент кафедры поршневых двигателей Московского государственного технического университета 
имени Н.Э. Баумана (национального исследовательского университета)

ISBN 978-5-16-014528-0 (print)
ISBN 978-5-16-107031-4 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 
доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Вальехо Мальдонадо П.Р., 
Чайнов Н.Д., 2020

Вальехо Мальдонадо П.Р.
В16 
 
Кинематика и динамика автомобильных поршневых двигателей : учебное 
пособие / П.Р. Вальехо Мальдонадо, Н.Д. Чайнов. — Москва : ИНФРА-М, 
2020. — 283 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/989072.
ISBN 978-5-16-014528-0 (print)
ISBN 978-5-16-107031-4 (online)
Изложены основы кинематики и динамики транспортных поршневых 
двигателей внутреннего сгорания, выполненных с использованием различных компоновочных схем. Наряду с традиционным рядным, V-образным, 
в том числе оппозитным, расположением цилиндров рассмотрены схемы 
с «шахматным» расположением цилиндров в блоке при смещенных шатунных шейках коленчатого вала двигателя. Подробно рассмотрена кинематика дезаксиального кривошипно-шатунного механизма. Детально 
изложены вопросы динамики с приведением расчетных зависимостей сил, 
момен тов, выбора рацио нального порядка работы цилиндров применительно к рассмотренным кинематическим схемам. Значительное внимание 
уделено неравномерности скорости вращения коленчатого вала и уравновешиванию двигателя. Рассмотрены также нагрузки на коренные и шатунные подшипники коленчатого вала, знание которых необходимо при определении несущей способности подшипниковых узлов.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических 
машин и комплексов» и родственным направлениям.
УДК 621.432(075.8)
ББК 31.365я73

Предисловие

Кинематика и динамика поршневых двигателей являются 
одним из основных разделов науки о двигателях внутреннего 
сгорания. В этих предметах изучаются законы движения звеньев 
кривошипно-шатунного механизма и других механизмов двигателя (например, механизма газораспределения), определяются 
силы и момен ты в сопряжениях деталей двигателя при его работе, что необходимо при расчетах деталей двигателя на прочность. Рассматриваются также вопросы уравновешивания двигателя применительно к различным компоновочным схемам двигателей.
Развитие двигателестроения осуществляется в направлении 
улучшения основных технико-экономических показателей двигателей практически всех типов и назначений. Это происходит 
в условиях непрерывного форсирования двигателей по удельной 
мощности, при ужесточении требований по экологическим характеристикам с одновременным повышением срока службы. 
В этих условиях вопросы динамики приобретают особое значение.
Наряду с необходимостью повышения экономичности всех 
типов двигателей снижение шума и вибраций является важнейшим 
требованием к конструкции современного поршневого двигателя. 
Обеспечение необходимых виброакустических характеристик 
тесно связано с детальным кинематическим и динамическим анализом двигателя.
В предлагаемой работе с приведением численных примеров 
подробно рассмотрены кинематический и динамический расчеты 
поршневых двигателей, включая уравновешивание.
Пособие может быть в равной мере полезным студентам магистратуры, а также бакалавриата, занимающимся углубленным изучением динамики поршневых двигателей.
В результате изучения дисциплины «Динамика поршневых двигателей внутреннего сгорания» будущий бакалавр должен:
знать
 
• кинематику и динамику кривошипно-шатунного механизма;
 
• методы уравновешивания поршневых двигателей;
уметь
 
• осуществлять кинематический и динамический расчеты двигателей;

владеть
 
• навыками анализа результатов расчета кинематики и динамики 
двигателей;
 
• способами уравновешивания двигателей различных компоновочных схем.
Авторы выражают благодарность доценту К.С. Руновскому 
за помощь при подготовке учебного пособия.

Глава 1. 
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

К динамике поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) 
обычно относят следующие вопросы:
1) кинематика кривошипно-шатунного механизма;
2) динамика кривошипно-шатунного механизма;
3) уравновешивание двигателей;
4) равномерность хода двигателя;
5) крутильные колебания системы коленчатого вала.
Для преобразования возвратно-поступательного движения 
поршня во вращательное движение коленчатого вала используется кривошипно-шатунный механизм (КШМ), который состоит 
из кривошипа 1 (рис. 1.1), шатуна 2, ползуна 3 и его направляющей 4, проходящей через ось шарнира ползуна и определяющей 
траекторию его движения.

x

x
ϕ

4
3

Lш

2

1
R
a

Рис. 1.1. Кривошипно-шатунный механизм:
1 — кривошип; 2 — шатун; 3 — ползун; 4 — направляющая ползуна

Буквой R на рисунке обозначен радиус кривошипа, т.е. расстояние между осями его шарниров; Lш — длина шатуна — расстояние между его шарнирами; а — смещение направляющей ползуна относительно оси кривошипа. Если а = 0, то КШМ называют 
центральным, или аксиальным, в противном случае — дезаксиальным.
Кривошип поршневого ДВС представляет собой одно колено 
коленчатого вала и в простейшем случае включает в себя шатунную 
шейку 2 (рис. 1.2), две коренные шейки 3 и две щеки 1 (щека — элемент коленчатого вала, соединяющий две соседние шейки). Радиус 
кривошипа — расстояние между осями коренной и шатунной шеек.

1

3
3

2

Рис. 1.2. Кривошип:
1 — щека; 2 — шатунная шейка; 3 — коренные шейки

Функцию ползуна в тронковых (бескрейцкопфных) двигателях 
выполняет юбка поршня, функцию направляющей — цилиндр 
двигателя. Если ось цилиндра пересекает ось вращения кривошипа и ось поршневого пальца, связывающего поршень с шатуном, 
то КШМ получается центральным.
Положения КШМ, при которых совпадают по направлению продольные оси кривошипа и шатуна, называются мертвыми точками. 
Никакой силой, приложенной к поршню, нельзя вывести КШМ 
из этого положения.
Чтобы поршень, достигая крайних мертвых точек, без задержки 
менял направление своего движения, в поршневых двигателях применяют специальное устройство, называемое маховиком.
Положение поршня, при котором он максимально удален от оси 
коленчатого вала, называется верхней мертвой точкой (ВМТ), а положение поршня, при котором он минимально удален от оси коленчатого вала, — нижней мертвой точкой (НМТ).
Расстояние вдоль оси цилиндра между верхней и нижней 
мертвыми точками называется ходом (S) поршня. В центральном 
КШМ S = 2R (рис. 1.3).

ВМТ

НМТ
НМТ

R

R

S

S

ВМТ

 
а 
б
Рис. 1.3. Положение центрального кривошипно-шатунного механизма:
а — в верхней мертвой точке; б — в нижней мертвой точке

Объем, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ 
до НМТ, составляет рабочий объем цилиндра:

 

2

4
h
D
V
S
π
=
, 

где D — диаметр цилиндра (рис. 1.4).

9

8
7
6
5

4
3
21
17 13

14

R

12

D

11

Vc
Vh

S

Va

10

ВМТ

НМТ

15
16

1

R
Lш

 
а 
б

Рис. 1.4. Схема одноцилиндрового четырехтактного ДВС:
а — продольный разрез (показан при положении КШМ в ВМТ); б — поперечный 
разрез; 1 — коленчатый вал; 2 — цилиндр; 3 — шатун; 4 — поршень; 
5 — поршневые кольца; 6 — камера сгорания; 7 — впускной клапан; 
8 — впускной коллектор; 9 — свеча зажигания (двигатель с воспламенением 
от искры) или топливная форсунка (двигатель с воспламенением от сжатия — 
дизель); 10 — выпускной клапан; 11 — выпускной коллектор; 12 — поршневой 
палец; 13 — картер; 14 — маховик; 15 — поддон; 16 — коренные подшипники; 
17 — шатунный подшипник

Сумма рабочих объемов всех цилиндров есть рабочий объем 
двигателя:

 

2

4
h
D
iV
i
S
π
=
, 

где i — число цилиндров двигателя.
Рабочий объем двигателя, выраженный в литрах, называется литражом двигателя.
Объем над поршнем при его положении в ВМТ представляет 
объем камеры сгорания Vс. Объем над поршнем при его положении 
в НМТ есть полный объем цилиндра Va.

Очевидно,

 
с
а
h
V
V
V
=
+
. 

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания 
называется степенью сжатия двигателя:

 

с

a
V
V
ε =
. 

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается объем 
надпоршневого пространства при перемещении поршня от НМТ 
к ВМТ.
Воздух или горючую смесь, которые поступают в цилиндр в процессе наполнения, называют свежим зарядом; продукты сгорания, 
которые остаются в цилиндре после выпуска, — остаточными 
газами. Смесь свежего заряда с остаточными газами образует рабочую смесь.
Газы, участвующие в рабочих процессах, происходящих в цилиндрах двигателя, являются рабочим телом.
Совокупность рабочих процессов (наполнения, сжатия, сгорания, расширения и выпуска), периодически повторяющихся 
в каждом цилиндре и обусловливающих преобразование выделяемой при сгорании теплоты в механическую работу, называется 
рабочим циклом ДВС. Если рабочий цикл совершается за четыре 
хода (такта) поршня, то двигатель называется четырехтактным, 
если за два хода — двухтактным.
Рабочий цикл ДВС изображается в виде индикаторной (Р—V) 
диаграммы, представляющей собой график изменения абсолютного 
давления в цилиндре в зависимости от объема надпоршневого пространства в нем при работе двигателя. Площадь F диаграммы представляет собой работу газов за цикл (рис. 1.5).
Индикаторная диаграмма дает представление о величине и характере изменения газовых сил в цилиндре двигателя, которые 
являются частью суммарных сил, действующих на детали КШМ, 
по это му учитываются при динамическом исследовании двигателя. 
Второй частью суммарных сил являются силы инерции, возникающие при движении деталей двигателя с ускорением. С целью 
определения этих ускорений выполняется кинематический анализ 
КШМ.
При кинематическом исследовании предполагается, что угловая 
скорость вращения коленчатого вала постоянна (ω = соnst) и, сле

довательно, угол его поворота пропорцио нален времени. В действительности из-за неравномерности крутящего момента двигателя 
угловая скорость вала переменна, но изменяется она в весьма незначительных пределах. При рассмотрении специальных вопросов 
динамики, в частности крутильных колебаний системы коленчатого вала, изменения угловой скорости учитываются.

P
Vа

z

c′

a
b′

ω

ϕ

F

V

r
F1

Vc

ВМТ
НМТ

Vh

Рис. 1.5. Индикаторная диаграмма четырехтактного бензинового двигателя:
r–a — впуск свежего заряда; a–с′ — сжатие; с′—z–b′ — сгорание и расширение 
(рабочий ход); b′–r — выпуск отработавших газов; F — полезная работа; 
F1 — работа (обычно отрицательная) насосных ходов поршня; ϕ — угол поворота 
кривошипа, отсчитываемый от ВМТ начала впуска

При постоянном значении угловой скорости справедливо равенство

 
 
 
/ t
ω = ϕ
, 

где ϕ — угол поворота вала (рад) за время t, с.
При частоте вращения вала n (мин–1), т.е. n/60 с–1, вал за 
1 с пово рачивается на угол 2π · n/60 радиан, по это му угловая скорость вала, рад/с,

 
 
 
/ 30
n
ω = π
. 

Как указывалось, КШМ могут быть центральные и дезаксиальные. Последние получаются в результате смещения оси ци

линдра или оси поршневого пальца относительно их центрального 
положения (рис. 1.6).

Кривошипно-шатунные механизмы

Центральные
Дезаксиальные

Со смещением оси 
цилиндра

Со смещением 
поршневого пальца

Рис. 1.6. Классификация КШМ однорядных двигателей

В автомобильных и тракторных двигателях применяют 
в основном центральный КШМ, т.е. механизм, у которого оси цилиндров пересекают ось коленчатого вала и оси поршневых пальцев 
(рис. 1.7, а), а также смещенный, или дезаксиальный, КШМ, у которого оси цилиндров смещены относительно оси коленчатого вала 
на величину a (рис. 1.7, б).
Смещение выполняется обычно в направлении поворота кривошипа (ПКВ) в начальный период прямого хода поршня (от ВМТ 
к НМТ). Такое смещение считается положительным.
Положительный дезаксаж позволяет улучшить условия работы 
поршня в цилиндре. Благодаря ему максимальный угол качания шатуна βmax при рабочем ходе становится меньше, чем его наибольшее 
отклонение при такте сжатия. Это уменьшает давление поршня 
на стенку цилиндра в процессе рабочего хода и способствует равномерному износу поверхности в верхней зоне цилиндра. Кроме того, 
такой дезаксаж приводит к снижению скорости поршня вблизи 
ВМТ, из-за чего улучшается процесс сгорания, который приближается к условиям сгорания при постоянном объеме.
Кривошипно-шатунные механизмы многорядных двигателей 
различают также по способу шарнирного соединения нескольких 
шатунов с одной и той же шатунной шейкой коленчатого вала 
(рис. 1.8).
Примеры размещения двух шатунов V-образного двигателя 
на одном кривошипе коленчатого вала представлены на рис. 1.9.