2.2. Подвижные детали

Поршневая группа (рис. 16) включает в себя поршень, поршневые кольца, поршневой палец с фиксирующими деталями. Поршень воспринимает усилие расширяющихся газов при рабочем ходе и передает его через шатун на кривошип коленчатого вала; осуществляет подготовительные такты; уплотняет надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и от излишнего проникновения в нее смазочного материала.

Шатунно-поршневые группы различных двигателей приведены на рис. 16.

Поршни. Форма и конструкция поршня, включая днише поршня и отверстие под поршневой палец, в значительной степени определяются формой камеры сгорания.

Рис. 16.
Шатунно-поршневые группы различных двигателей:
а — дизеля ЯМ3; б — двигателя автомобиля ГАЗ-53А; в — двигателя автомобиля ГАЗ-53-12 (поршни в сборе с шатуном устанавливаются соответственно в первый, второй, третий и четвертый цилиндры правого блока и в пятый, шестой, седьмой и восьмой цилиндры левого блока);
1 — стопорное кольцо; 2 — поршневой палец; 3 — маслосъемные кольца; 4 — компрессионные кольца; 5 — камера сгорания в днище поршня; 6 — днище поршня; 7 — головка поршня; 8 — юбка; 9 поршень; 10 — распылитель масла (форсунка); 11 — шатун; 12 — вкладыши; 13 — замковая шайба; 14 — длинный болт; 15 — короткий болт; 16 — крышка шатуна; 17 — втулка в головке шатуна, 18 — номер на шатуне; 19 — метка на крышке шатуна; 20 — шатунный болт

Поршень состоит из головки поршня и направляющей части — юбки поршня. С внутренней стороны имеются приливы — бобышки с гладкими отверстиями под поршневой палец. Для фиксации пальца в отверстиях проточены канавки под стопорные кольца. В зоне выхода отверстий на внешних стенках юбки выполняются местные углубления, где стенки юбки не соприкасаются со стенками цилиндров. Таким образом получаются так называемые холодильники. Для снижения температуры нагрева направляющей поршня в карбюраторных двигателях головку поршня отделяют две поперечные симметричные прорези (двигатели ЗИЛ-508.10 и 3M3-53.11), которые препятствуют отводу теплоты от днища.

Нагрев, а следовательно, и тепловое расширение поршня по высоте неравномерны. Поэтому поршни выполняют в виде конуса овального сечения. Головка поршня имеет диаметр меньше, чем направляющая. В быстроходных двигателях, особенно при применении коротких шатунов, скорость изменения боковой силы довольно значительна. Это приводит к удару поршня о цилиндр. Чтобы избежать стуков, при перекладке поршневые пальцы смещают на 1,4—1,6 мм в сторону действия максимальной боковой силы, что приводит к более плавной перекладке и снижению уровня шума.

Головка поршня состоит из днища и образующих ее стенок, в которых имеются канавки под поршневые кольца. В нижней канавке находятся дренажные отверстия для отвода масла диаметром 2,5—3 мм. Днище головки является одной из стенок камеры сгорания и воспринимает давление газов, омывается открытым пламенем и горячими газами. Для увеличения прочности днища и повышения общей жесткости головки ее стенки выполняются с массивными ребрами. Днища поршней изготовляют плоскими, выпуклыми, вогнутыми и фигурными. Форма выбирается с учетом типа двигателя, камеры сгорания, процесса смесеобразования и технологии изготовления поршней.

Поршневые кольца (рис. 17) — элементы уплотнения поршневой группы, обеспечивающие герметичность рабочей полости цилиндра и отвод теплоты от головки поршня. По назначению кольца подразделяются на компрессионные — препятствующие прорыву газов в картер и отводу теплоты в стенки цилиндра, и маслосъемные обеспечивающие равномерное распределение масла по поверхности цилиндра и препятствующие проникновению масла в камеру сгорания.

Рис. 17.
Различные компрессионные кольца и их положение в рабочем состоянии:
I — прямоугольного сечения; II — с конической наружной поверхностью; III — с фаской на внутренней стороне; IV — с выточкой на внутренней стороне

Изготовляются кольца из специального легированного чугуна или стали. Разрез кольца, называемый замком, может быть прямым, косым или ступенчатым. По форме и конструкции поршневые кольца дизелей делятся на трапециевидные, с конической поверхностью, с конической поверхностью и подрезом, маслосъемные, пружинящие с расширителем; поршневые кольца карбюраторных двигателей — на бочкообразные, с конической поверхностью со скосом, с подрезом; маслосъемные — с дренажными отверстиями и узкой перемычкой, составные представляют собой два стальных диска (осевой и радиальный расширители). На рис. 18 показано составное маслосъемное поршневое кольпо и его установка в головке поршня.

Рис. 18.
Составное маслосъемное поршневое кольцо (а) и его установка в головке поршня двигателя автомобиля ЗИЛ-130 (б):
1 — дискообразное кольцо; 2 — осевой расширитель; 3 — радиальный расширитель; 4 — замок кольца; 5 — компрессионные кольца; 6 — поршень; 7 — отверстие в канавке маслосъемного кольца

Для повышения износостойкости первого компрессионного кольца, работающего в условиях высоких температур и граничного трения, его поверхность покрывают пористым хромом.

На рис. 19 приведена работа компрессионных поршневых колец, а на рис. 20 — маслосъемных поршневых колец.

Рис. 19.
Работа компрессионных поршневых колец:
1 — поршень; 2 — компрессионное поршневое кольцо; 3 — цилиндр

Рис. 20.
Работа маслосъемных поршневых колец (сплошными стрелками показано направление движения поршня, штриховыми — масла):
1 — прорезь в поршневом кольце; 2 — поршневое кольпо; 3 — цилиндр; 4 — отверстие в поршне; 5 — отверстие в канавке поршневого кольца; 6 — поршень

Устанавливая на поршень поршневые кольца, необходимо следить за тем, чтобы замки соседних колец были смещены один относительно другого на некоторый угол (90 —180°).

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение шатуна с поршнем. Поршневые пальцы изготовляют из малоуглеродистых сталей. Рабочую поверхность тщательно обрабатывают и шлифуют. Для уменьшения массы палец выполняют пустотелым.

Шатун (см. рис. 16) шарнирно соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала. Он воспринимает от поршня и передает коленчатому валу усилие давления газов при рабочем ходе, обеспечивает перемещение поршней при совершении вспомогательных тактов. Шатун работает в условиях значительных нагрузок, действующих по его продольной оси.

Шатун состоит из верхней головки, в которой имеется гладкое отверстие под подшипник поршневого пальца; стержня двутаврового сечения и нижней головки с разъемным отверстием для крепления с шатунной шейкой коленчатого вала. Крышка нижней головки крепится с помощью шатунных болтов.

Шатун изготовляют методом горячей штамповки из высококачественной стали.

Для смазывания подшипника поршневого пальца (бронзовая втулка) в верхней головке шатуна имеются отверстие или прорези. В двигателях марки «ЯМЗ» подшипник смазывается под давлением, для чего в стержне шатуна имеется масляный канал. Плоскость разъема нижней головки шатуна может располагаться под различными углами к продольной оси шатуна. Наибольшее распространение получили шатуны с разъемом, перпендикулярным к оси стержня. В двигателях марки «ЯМЗ», имеющим больший, чем диаметр цилиндра, размер нижней головки шатуна, выполнен косой разъем нижней головки, так как при прямом разъеме монтаж шатуна через цилиндр при сборке двигателя становится невозможным.

Для подвода масла к стенкам цилиндра на нижней головке шатуна имеется отверстие.

С целью уменьшения трения и изнашивания в нижние головки шатунов устанавливают подшипники скольжения, состоящие из двух взаимозаменяемых вкладышей (верхнего и нижнего).

Вкладыши изготовляются из стальной профилированной ленты толщиной 1,3—1,6 мм для карбюраторных двигателей и 2—3,6 мм для дизелей.

На ленту наносят антифрикционный сплав толщиной 0,25—0,4 мм — высокооловянистый алюминиевый сплав (для карбюраторных двигателей). На дизелях марки «КамАЗ» применяют трехслойные вкладыши, залитые свинцовистой бронзой. Шатунные вкладыши устанавливаются в нижнюю головку шатуна с натягом 0,03—0,04 мм. От осевого смещения и провертывания вкладыши удерживаются в своих гнездах усиками, входящими в пазы, которые при сборке шатуна и крышки должны располагаться на одной стороне шатуна.

Коленчатый вал (рис. 21) воспринимает действия расширяющихся газов при рабочем ходе поршней, передаваемые шатунами, и преобразует их в крутящий момент. Кроме того, коленчатый вал обеспечивает движение поршней во время вспомогательных тактов и пуска двигателя.

Рис. 21.
Коленчатые валы:
а — двигателя автомобиля ЗИЛ-130; б — дизеля ЯМЗ-236; в — дизеля КамАЗ-740; 1 — передний конец вала; 2 — грязеуловительная полость; 3 — шатунная шейка; 4— противовесы; 5— маслоотражатель; 6 — фланец для крепления маховика; 7 — коренная шейка; 8— щека; 9 — гайка; 10 и 15 — съемные противовесы; 11 — распределительное зубчатое колесо; 12 — установочный штифт; 13 — зубчатое колесо привода масляного насоса; 14 — винт; 16 — шпонка; А — величина перекрытия шеек

Коленчатые валы изготовляются штамповкой из среднеуглеродистых легированных сталей и литьем из модифицированного магнием чугуна.

Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, соединенных щеками, к которым крепятся противовесы (могут быть отлитыми как одно целое с валом) переднего конца коленчатого вала, на котором имеются посадочный поясок крепления газораспределительного зубчатого колеса и шкива. На заднем конце коленчатого вала имеется маслоотражательный гребень, маслосгонная резьба и фланец (может отсутствовать) для крепления маховика. В торце имеется гладкое отверстие под подшипник для опоры ведущего вала коробки передач. В коренных шейках для масляных каналов выполнены отверстия под углом к пустотелым шатунным шейкам, где масло дополнительно очищается под действием центробежных сил.

Форма коленчатого вала определяется числом и расположением цилиндров, порядком работы и тактностью двигателя.

В большинстве случаев применяют полноопорные коленчатые валы, т. е, каждая шатунная шейка расположена между коренными.

Для повышения износостойкости поверхностный слой коренных и ша-гунных шеек подвергают закалке на глубину 3—4 мм с нагревом ТВЧ. После термической обработки шейки валов тщательно шлифуют и полируют

Для повышения жесткости и надежности коленчатых валов применяют перекрытие шеек (см. рис. 21, размер А).

На рис. 22 показаны уплотнения концов коленчатого вала.

Рис. 22.
Уплотнение коленчатого вала:
а — уплотнение переднего конца вала; б — уплотнение заднего конца вала; 1 — самоподжимная уплотнительная манжета; 2 — пылеотражатель; 3 — шкив привода водяного насоса, вентилятора и генератора; 4 — ступица; 5 — храповик; 6 — коленчатый вал; 7 — крышка блока распределительных зубчатых колес; 8 — передняя неподвижная шайба; 9 и 14 — штифты; 10 — блок цилиндров; 11 — задняя неподвижная шайба; 12 — вкладыш; 13 — крышка коренного подшипника; 15 — упорная вращающаяся шайба; 16 — шпонка; 17 — распределительное зубчатое колесо; 18 — маслоотражатель; 19 — маслоотражательный гребень; 20 — болт крепления маховика; 21 — маслосгонная резьба; 22 — шарикоподшипник вала сцепления; 23 — фланец; 24 — уплотнительная манжета; 25 — держатель уплотнительной манжеты; 26 — маховик

Коренные подшипники. Для коренных подшипников применяются подшипники скольжения, выполненные в виде вкладышей, основой которых является стальная лента толщиной 1,9—2,8 мм для карбюраторных двигателей и 3—6 мм для дизелей. В качестве антифрикционного материала вкладышей используют высокооловянистый алюминиевый сплав для карбюраторных двигателей и трехслойные с рабочим слоем из свинцовой бронзы.

Маховик служит для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала, накопления энергии во время рабочего хода поршня, необходимой для вращения вала в течение подготовительных тактов, и вывода деталей кшм ИЗ МВТ и НВТ.

В многоцилиндровых двигателях маховик является, в основном, накопителем кинетической энергии, необходимой для пуска двигателя и обеспечения плавного трогания автомобиля с места.

Маховики отливают из чугуна в виде диска с массивным ободом и проводят его динамическую балансировку в сборе с коленчатым валом.

На ободе маховика имеется посадочный поясок для напрессовки зубчатого венца для электрического пуска стартером. На цилиндрической поверхности маховика находятся метки или маркировочные штифты и надписи, определяющие момент прохождения ВМТ поршнем первого цилиндра. На торцевую рабочую поверхность опирается фрикционный диск сцепления. Для крепления его кожуха имеются резьбовые отверстия. Маховик центрируют по наружной поверхности фланца с помощью выточки, а положения его относительно коленчатого вала фиксируют установочным штифтом или несимметричным расположением отверстий крепления маховика.

Электродвигатели

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

Вращающийся электродвигатель
Само коммутируемый			Внешне коммутируемый
С механической коммутацией (коллекторный)		С электронной коммутацией 1 (вентильный 2, 3 )	Асинхронный электродвигатель	Синхронный электродвигатель
Переменного тока	Постоянного тока	Переменного тока 4	Переменного тока
Универсальный Репульсионный	КДПТ с обмоткой возбуждения Включение обмотки Независимое Последовательное возбуждения Параллельное Комбинированное КДПТ с постоянными магнитами	БДПТ (Бесколлекторный двигатель + ЭП |+ ДПР) ВРД (Реактивный двигатель с ротором с явновыраженными полюсами и сосредоточенной обмоткой статора + ЭП |+ ДПР)	Трехфазный (многофазный) АДКР АДФР Двухфазный (конденсаторный) Однофазный с пусковой обмоткой с экранированными полюсами с асимметричным магнитопроводом	СДОВ (с контактными кольцами и щетками) —> СДПМ 5 —> СДПМВ СДПМП Гибридный СРД Гистерезисный Индукторный Гибридный СРД-ПМ Реактивно-гистерезисный Шаговый 5
Простая электроника	Выпрямители, транзисторы	Более сложная электроника	Сложная электроника (ЧП)

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП — электрический преобразователь
• ДПР — датчик положения ротора
• ВРД — вентильный реактивный двигатель
• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

Cинхронный электродвигатель

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Параметр	АДКР	СДПМП	СДПМВ	СРД-ПМ	СДОВ
Постоянство мощности во всем диапазоне скоростей
Эффективность (КПД) во всем рабочем диапазоне	СРД-ПМ — синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами (синхронный гибридный двигатель) СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения В соответствии с выше приведенными показателями гибридный синхронный электродвигатель, а именно синхронный реактивный электродвигатель со встроенными постоянными магнитами, является наиболее подходящим для применения в качестве тягового электродвигателя в автомобилестроении (выбор проводился для концепта автомобилей BMW i3 & BMW i8). Использование реактивного момента обеспечивает высокую мощность в верхнем диапазоне скоростей. Более того такой двигатель обеспечивает очень высокую эффективность (КПД) в широком рабочем диапазоне [7]. Области применения электродвигателей Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии [6]. Оцените статью Вам также может понравиться Общие проблемы безнаддувных двигателей Есть ли проблемы с двигателями без наддува? Поперечный и продольный двигатель Тот, кто любит водить машину и имеет машину в гараже Как понять, что заправился плохим топливом и что делать Горючее в баке автомобиля должно соответствовать предусмотренному Как определить наличие присадок в масле двигателя? Присадки для двигателя помогают «оживить» устаревший Как определить, что стучит в двигателе Стук в двигателе обычно является признаком проблем Как в двигателе определить подсос воздуха Если во время работы двигателя возникают странные моменты Что делать, если вода попала в двигатель, и чем это может грозить? Система работающего двигателя достаточно защищена от Сломался термостат: чем это опасно для двигателя, и как определить причину неисправности? Работу двигателя обеспечивают сразу несколько важнейших Правообладателям Политика конфиденциальности Контакты