Кинематика и динамика кривошипно-шатунного механизма поршневых двигателей

УДК 621.43
ББК 31.365

Г57

Рецензенты:

Н.А. Иващенко — доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель
науки РФ, заведующий кафедрой «Поршневые двигатели» Московского
государственного технического университета имени Н.Э. Баумана;
В.М. Фомин — доктор технических наук, профессор кафедры
«Автомобильные и тракторные двигатели» Московского государственного
технического университета «МАМИ»

Гоц А.Н.

Г57
Кинематика и динамика кривошипношатунного механизма поршневых двигателей : учебное пособие / А.Н. Гоц. — 3е изд., испр. и доп.
— Москва : ФОРУМ : ИНФРАМ, 2020. — 384 с. — (Высшее образование:
Бакалавриат).

ISBN 9785911349516 (ФОРУМ)
ISBN 9785160101781 (ИНФРАМ)

В учебном пособии рассмотрены кинематика и динамика кривошипношатунного механизма, способы уравновешивания автомобильных и
тракторных двигателей различных конструктивных схем. Приведены примеры расчетов перемещения, скорости и ускорения поршня, угловых перемещений, скорости и ускорения шатуна, нагрузок, действующих на элементы кривошипношатунного механизма. Рассмотрены методы снижения
крутильных колебаний коленчатых валов, методики проектирования демпферов крутильных колебаний

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений дневной и заочной форм обучения, обучающихся по направлениям 13.03.03
«Энергетическое машиностроение».

УДК 621.43
ББК 31.365

ISBN 9785911349516 (ФОРУМ)
ISBN 9785160101781 (ИНФРАМ)

© Гоц А.Н., 2014
© Издательство «ФОРУМ», 2014

Предисловие

Учебное пособие посвящено основным понятиям о кинематике и
динамике кривошипношатунного механизма поршневых двигателей, которые изучаются в курсе «Динамика двигателей». Целями освоения дисциплины «Динамика двигателей» являются: формирование знаний в области динамики поршневых двигателей внутреннего
сгорания, ознакомление студентов со схемами преобразующих механизмов ДВС, кинематикой и динамикой кривошипношатунных механизмов, расчетам на крутильные колебания коленчатых валов, способами уравновешивания сил и моментов, от которых зависят не
только общий уровень вибраций, но и производительность, ресурс,
надежность и точность работы энергетической установки.
Одной из основных тенденций развития автомобильных и тракторных двигателей является повышение их мощности и экономичности. Как показывают данные статистического анализа, мощность силовых установок возрастает в зависимости от их назначения в среднем на 60...80 % за каждые 10 лет. Все большее внимание уделяется
снижению расходов, связанных с эксплуатацией двигателя и определяемых требованиями к экологичности, экономичности, надежности,
трудоемкости технического обслуживания и некоторым другим факторам. При этом большое значение имеет не только уменьшение массы силовой установки, но и уменьшение объема, занимаемого двигателем. Тем не менее, в последнее время с целью снижения вибрации,
особенно для быстроходных двигателей, уделяется большое внимание
уравновешенности их, хотя применение уравновешивающих устройств увеличивает массу их. Поэтому инженер, специализирующийся в области двигателестроения, должен уверенно ориентироваться в
теоретических основах и практических методах динамики поршневых
двигателей.
Задачи дисциплины — привитие навыков для определения сил,
действующих в кривошипношатунном механизме (КШМ), обеспечения методов балансировки двигателей, методов динамических расчетов, расчетов крутильных колебаний коленчатых валов и способов
обеспечения надежной работы двигателей в составе энергетических
установок.

Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
• способность и готовность использовать информационные технологии, в том числе современные средства компьютерной графики в области динамики двигателей;
• способность демонстрировать знание кинематики и динамики
двигателей внутреннего сгорания, способов балансировки двигателей;
• способность к обобщению, анализу, восприятию информации,
постановке цели и выбору путей ее достижения;
• способность и готовность анализировать научнотехническую
информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт в области балансировки двигателей и демпфирования крутильных
колебаний.
В результате освоения дисциплины студент должен:
иметь представление: о методах анализа динамических процессов
в поршневых двигателях, колебаний элементов двигателей, их влиянии на показатели двигателей, о способах балансировки;
знать:
• основные методы расчета и оценки нагрузок в основных нагруженных механизмах поршневых двигателей;
• методы балансировки двигателей;
• методы демпфирования колебаний в силовых цепях двигателей;
уметь:
• в профессиональной деятельности формулировать цель динамического анализа и применять кинематические и динамические расчеты для обеспечения высоких экологических и ресурсных показателей двигателей;
• выбрать способы балансировки двигателя, провести анализ возможности возникновения резонансных режимов;
иметь практические навыки:
• расчета противовесов для уравновешивания центробежных сил,
методов уравновешивания сил инерции первого и второго порядков;
• проведения гармонического анализа возмущающих моментов,
действующих на кривошипношатунный механизм, расчета
собственных частот колебаний крутильных систем, выявления
резонансных режимов работы;
• выбора наиболее оптимальной для данной конструкции поршневого двигателя демпферов крутильных колебаний колебаний.

4
Предисловие

Даны примеры, поясняющие использование изложенных методов расчета.
Для удобства в учебном пособии нумерация формул ведется отдельно для каждого раздела (первая цифра — номер раздела), а нумерация рисунков — сквозная по всему учебному пособию.
Приношу глубокую благодарность за многочисленные полезные
советы, замечания коллегам по работе и рецензентам. Автор с благодарностью примет замечания и предложения, которые могут появиться при практическом пользовании пособием.
Замечания автор просит направлять по адресу: 600000, Владимир,
ул. Горького, д. 87, кафедра «Тепловые двигатели и энергетические
установки», Email: hotz@mail.ru; gotz@vlsu.ru.

Предисловие
5

Ðàçäåë ïåðâûé
ÊÈÍÅÌÀÒÈÊÀ È ÄÈÍÀÌÈÊÀ
ÊÐÈÂÎØÈÏÍÎ-ØÀÒÓÍÍÎÃÎ ÌÅÕÀÍÈÇÌÀ
ÏÎÐØÍÅÂÛÕ ÄÂÈÃÀÒÅËÅÉ

Глава 1
КИНЕМАТИКА
КРИВОШИПНОШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

Цель обучения — научить обходиться без
учителя.
Элберт Хаббард1

В учении нет более удобного способа,
чем личные встречи с учителем.
Сюньцзы2

1.1. Общие сведения

Краткая история создания и развития поршневых двигателей. Машины, с помощью которых любой вид энергии преобразовывается в
механическую работу, называются двигателями. Двигатели, в которых тепло преобразуется в механическую работу, называются тепловыми. Если преобразование тепла в механическую работу получается
в результате сгорания топлива в самом двигателе, то они называются
двигателями внутреннего сгорания.
При работе поршневого двигателя внутреннего сгорания в его цилиндрах протекают сложные физикохимические процессы, связанные с преобразованием химической энергии топлива в механическую

1 Душенко К. Новая книга афоризмов. М.: ЭКСМО, 2010.
2 Золотая энциклопедия мудрости / под ред. Е. Атрощенко и др. М: РООСА,
2010.

работу и определяющие мощностные, а также экономические показатели. Описание этих процессов и закономерностей их протекания
представляет теорию двигателей внутреннего сгорания.
История развития автомобильных и тракторных двигателей началась в IX в. с создания первых стационарных газовых двигателей внутреннего сгорания. В 1860 г. в Париже был построен первый двигатель
внутреннего сгорания, который работал на светильном газе (газовый
двигатель Ленуара). В 1870—1892 гг. появились четырехтактные газовые двигатели Э. Лангена и Н. Отто, которые по компактности и экономичности превосходили существующие в то время паросиловые установки. Однако широкое применение двигатели внутреннего сгорания нашли в конце XIX в. после получения керосина и бензина из
нефти. Появление жидкого топлива позволило создать экономичные
двигатели с малой удельной массой, которые можно было использовать для привода транспортных машин. В 1881—1885 гг. И.С. Костович сконструировал и построил в России восьмицилиндровый двигатель мощностью 59 кВт с удельной массой 2,2 кг/кВт. Это двигатель
имел карбюратор, а воспламенение смеси осуществлялось от электрической искры. С 1885 г. стали появляться двигатели, работающие на
керосине и других тяжелых сортах жидкого топлива (двигатели Яковлева, Бромлея).
В 1885 г. немецкий инженер Готлиб Даймлер построил двигатель
мощностью 0,8 кВт с частотой вращения коленчатого вала 800 мин−1,
который предназначался для легких самодвижущихся экипажей
(позднее названных автомобилями). Первые такие экипажи были
созданы в 1882 г. в России инженером Н.И. Путиловым и в 1887 г.
в Германии Даймлером и Бенцем.
В 1897 г. инженером Р. Дизелем (Германия) был спроектирован и
построен первый двигатель с воспламенением от сжатия. Это был
компрессорный двигатель, работающий на керосине, впрыскиваемом
в цилиндр при помощи сжатого воздуха. Он развивал мощность около 15 кВт при частоте вращения коленчатого вала 172 мин−1. Расход
топлива составлял 336 г/(кВт⋅ч). В 1899 г. в СанктПетербурге на машиностроительном заводе Нобеля был построен двигатель с воспламенением от сжатия мощностью 19 кВт с удельным расходом топлива
300 г/(кВт⋅ч). Экспериментальные исследования на этом двигателе
поводил Г.Ф. Депп. О своих работах он доложил на Всемирной выставке 1900 г. в Париже, на которой Р. Дизелю была вручена золотая
медаль. Этот двигатель мог работать на керосине, сырой нефти и соляровом масле. Хотя компрессорные дизели имели хорошую эконоГлава 1. Кинематика кривошипношатунного механизма
7

мичность, широкое распространение их на транспорте ограничивалось изза больших габаритов и массы вследствие необходимости
иметь компрессор для получения сжатого воздуха.
Задачу создания бескомпрессорного дизеля успешно решил в
1904 г. русский инженер Г.В. Тринклер. Впрыск и распыливание топлива в цилиндре этого двигателя осуществлялось с помощью специального устройства, без применения компрессора. В 1908 г. Тринклеру был выдан русский патент на бескомпрессорный двигатель, работающий от сжатия по смешанному циклу подвода теплоты [1]. Этот
патент окончательно закрепил за Россией приоритет в создании современного дизельного двигателя. Двигатель конструкции Тринклера
принципиально отличался от двигателя Дизеля тем, что хотя топливо
здесь тоже самовоспламенялось в результате высокого сжатия заряда
воздуха в цилиндре, но оно распыливалось и вводилось в камеру сгорания не с помощью воздуха, сжимаемого в компрессоре, а с помощью воздуха, выходящего из особого устройства — поршенька, размещавшегося в головке (крышке) цилиндра и приводившегося в действие от кулачной шайбы, установленной на распределительном валу.
Сжатый в цилиндре воздух попадал в рабочую полость этого поршенька, где дожимался, и обеспечивал распыливание, а также подачу
в камеру сгорания топлива через воздушную форсунку, в которую топливо поступало самотеком. Важной особенностью двигателя Тринклера при этом явилось то, что надежно предотвращалось преждевременное воспламенение топлива в цилиндре благодаря тому, что подавалось оно в камеру сгорания в конце такта сжатия воздуха.
В двигателе Дизеля это происходило на большей части хода сжатия
[1]. На конференции Парижской академии наук в 1947 г. постановили, что существующий двигатель с воспламенением от сжатия работает по процессу «Тринклермотора». Но, принимая во внимание большие заслуги создателя «Дизельмотора» Рудольфа Дизеля во внедрению и распространению двигателя с воспламенением от сжатия,
тогда же было принято решение назвать созданный двигатель именем
Дизеля, а приоритет создания его рабочего процесса оставить за Россией и его создателем Тринклером. Аналогичный двигатель в 1910 г.
создал и установил на трактор известный русский изобретатель
Я.В. Мамин. В дальнейшем бензиновые двигатели и дизели были значительно усовершенствованы и получили широкое распространение
как транспортные силовые установки.
Массовое производство и применение двигателей внутреннего
сгорания в свою очередь потребовало тщательного изучения процес8
Раздел первый. Кинематика и динамика...

сов, протекающих в них, с целью улучшения мощностных, экологических и экономических показателей, получения более простых и
технологичных конструкций. Для этого необходимо было разработать
теорию рабочих процессов в поршневых двигателях. В 1906 г.
В.И. Гриневецкий разработал метод расчета цикла ДВС, который
впоследствии был развит и дополнен Н.Р. Брилингом, Е.К. Мазингом, Б.С. Стечкиным [2, 3].
Однако сложность протекающих в поршневых двигателях процессов требует их дальнейшего изучения, а теория двигателей — уточнения. В России был создан ряд новых высокоэкономичных, экономичных, облегченных и долговечных конструкций автомобильных
двигателей. Тем не менее, по многим показателям они значительно
уступают зарубежным двигателям.
Основные потребители ДВС — автомобили и тракторы — работают, как правило, в сложных, непрерывно изменяющихся эксплуатационных условиях, которые обусловливают требования, предъявляемые к поршневым двигателям (снижение выброса вредных веществ с
отработавшими газами, удельный расход топлива, быстроходность,
приспособляемость, запас крутящего момента и т. п.). Кроме того,
увеличение частоты вращения коленчатого вала ДВС привело к необходимости разработать динамическую теорию кривошипношатунного механизма (КШМ). Начало этих исследований заложены в работах
Ж. Понселе (1829 г.), И. Радингера (1870 г.), Г. Гюльднера (1907 г.),
Г. Дуббеля (1829 г.) и др. В нашей стране наибольшее развитие эти
вопросы нашли в трудах Ф.А. Брикса (1931 г.), Л.К. Мартенса
(1932 г.), А.В. Страхова (1935 г.), Е.Д. Львова (1936 г.), Л.В. Клименко
и С.И. Струковского (1937 г.), Л.И. Кириченко (1938 г.), И.Ш. Неймана (1940 г.) и др. Теорию обобщенного КШМ разработал Ф.Ф. Симаков (1954 г.) [4—6]. В 1962 г. П.А. Истомин защитил докторскую
диссертацию на тему «Обобщенный метод анализа кривошипношатунных механизмов двигателей». Им проведены важные исследования по динамике кривошипношатунных механизмов поршневых
двигателей, крутильным колебаниям судовых валопроводов с ДВС,
виброактивности судовых ДВС.
Формирование отечественной научной школы «Двигатели внутреннего сгорания» следует отнести к 1906—1907 гг. в ИМТУ (сейчас
МГТУ им. Н.Э. Баумана), где под руководством В.И. Гриневецкого
были созданы первые экспериментальные установки с двигателями
внутреннего сгорания и начато исследование рабочих процессов этих
машин. К работе были привлечены Е.М. Мазинг, Н.Р. Брилинг и др.

Глава 1. Кинематика кривошипношатунного механизма
9

Брилинг развернул научную и проектную работу в области легкого
транспортного двигателестроения (в том числе и авиационного). Среди учеников Брилинга могут быть названы академики В.Я. Климов,
А.А. Микулин, Б.С. Стечкин, Е.А. Чудаков, генеральные конструкторы авиационных двигателей А.Д. Швецов, В.А. Добрынин [4]. Силами преподавателей и научных сотрудников кафедры «Поршневые
двигатели» МГТУ им. Н.Э. Баумана изданы уникальные многотомные учебники по ДВС, выдержавшие несколько изданий. На кафедре
подготовлено свыше 3000 высококвалифицированных специалистов,
многие из которых стали главными конструкторами и руководителями двигателестроительных предприятий, руководителями кафедр
«Двигатели внутреннего сгорания».
Классификация автомобильных и тракторных двигателей. Применяемые на автомобилях и тракторах поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по следующим основным признакам.
1. По виду применяемого топлива: а) двигатели, работающие на
жидких топливах (бензине, керосине, лигроине, дизельном топливе);
б) двигатели, работающие на газообразных топливах (естественном,
сжатом, сжиженном, генераторном газе).
2. По способу осуществления рабочего цикла: а) двухтактные, в
которых полный рабочий цикл в одном цилиндре осуществляется за
два такта (хода поршня), т. е. за один оборот коленчатого вала; б) четырехтактные, в которых полный рабочий цикл в одном цилиндре
осуществляется за четыре такта, т. е. за два оборота коленчатого вала.
3. По способу смесеобразования: а) с внешним смесеобразованием (бензиновые с впрыскиванием бензина во впускной трубопровод и
газовые); б) с внутренним смесеобразованием (дизели и двигатели с
впрыскиванием легких топлив в цилиндры).
4. По способу воспламенения рабочей смеси: а) с принудительным зажиганием смеси (двигатели с впрыскиванием легких топлив и
газовые); б) с воспламенением топлива от сжатия (дизели).
5. По числу и расположению цилиндров: а) одноцилиндровые,
двухцилиндровые и т. д.; б) однорядные (вертикальные и горизонтальные); в) двухрядные (Vобразные и оппозитные).
6. По способу охлаждения цилиндров: а) с жидкостным охлаждением; б) с воздушным охлаждением.
Двигатель выбирается сообразно назначению (для автомобиля,
трактора и т. п.) и с учетом максимального удовлетворения предъявленных к нему требований по мощности, экономичности, экологическим показателям, габаритам, массе, надежности, применяемому то10
Раздел первый. Кинематика и динамика...