Механизм, лежащий в основе двигателя внутреннего сгорания, паровой машины, лобзика и швейной машинки одновременно — превращает вращение в возвратно-поступательное движение, и точно так же способен работать в обратную сторону.
Полный ход ползуна (расстояние между крайними положениями) равен удвоенному радиусу кривошипа: S = 2 × r. Это единственная действительно простая величина в кинематике этого механизма — дальше начинается интересное.
Интуитивно кажется, что раз кривошип вращается равномерно, ползун должен двигаться по закону синуса. На практике это верно лишь приближённо — и приближение тем точнее, чем длиннее шатун относительно радиуса кривошипа. При коротком шатуне (заметное отношение радиуса кривошипа к длине шатуна) движение ползуна становится ощутимо несимметричным: скорость и ускорение на разных участках хода отличаются от идеальной синусоиды. Именно поэтому реальные двигатели проектируют с определённым, не произвольным соотношением длины шатуна к радиусу кривошипа — это соотношение напрямую влияет на плавность работы, боковые нагрузки на ползун и вибрацию всего механизма.
В двух положениях за один оборот (верхняя и нижняя мёртвые точки) кривошип и шатун оказываются на одной прямой линии — в этот момент сила вдоль шатуна проходит точно через ось вращения кривошипа, и её плечо относительно оси (глава 01) становится равным нулю. Момент, создаваемый этой силой, в мёртвой точке временно равен нулю — механизм в этот конкретный момент не способен сам себя провернуть дальше исключительно за счёт силы от ползуна. Именно поэтому одноцилиндровые поршневые механизмы (старые паровые машины, одноцилиндровые двигатели) снабжаются маховиком — массивным диском, накапливающим вращательную кинетическую энергию в остальной части оборота и "проносящим" вал через мёртвые точки за счёт собственной инерции. Многоцилиндровые двигатели решают ту же проблему иначе — цилиндры сдвинуты по фазе так, чтобы мёртвая точка одного цилиндра приходилась на рабочий ход другого, и суммарный крутящий момент никогда не падает до нуля одновременно во всех цилиндрах сразу.
Кривошипно-шатунный механизм полностью обратим по направлению потока энергии:
Кинематика (геометрические соотношения углов и перемещений) в обоих случаях абсолютно одинакова — разница только в том, откуда поступает энергия и куда она передаётся дальше.
Там, где действительно нужно строго синусоидальное движение ползуна (без искажений от угла шатуна, описанных выше), применяют кулисный механизм (Scotch yoke) — палец кривошипа входит в прорезь ползуна вместо шарнирного шатуна, что математически даёт точную синусоиду перемещения. Плата за это — более высокая боковая нагрузка на направляющие ползуна и повышенный износ прорези по сравнению с классическим шарнирным соединением шатуна.
Следующая глава — кулачковые механизмы: ещё один способ преобразовать вращение в возвратно-поступательное движение, но с гораздо большей свободой задать именно тот закон движения, который нужен, а не только приближённую синусоиду.
Книга бесплатна для чтения. Автор — Тариел Бежанидзе, компьютерный мастер в Батуми · tariel.ge · все бесплатные книги. Копировать текст целиком на другие сайты — только со ссылкой на источник.