Кривошипно-ползунный механизм¶

Кривошипно-ползунный механизм — это механизм, преобразующий вращательное движение кривошипа (ведущего звена) в возвратно-поступательное движение ползуна (ведомого звена) или, реже, наоборот. Относится к классу плоских шарнирно-рычажных механизмов и является одним из наиболее распространённых в технике. Основные элементы: кривошип (вращающееся звено), шатун (соединительное звено), ползун (звено, совершающее прямолинейное движение) и направляющая (стойка, задающая траекторию ползуну).

¶История

Первые известные применения кривошипно-ползунного механизма восходят к античности. В Древнем Риме подобные механизмы использовались в водяных пилах и лесопилках, однако широкое распространение они получили лишь в эпоху промышленной революции. В XVIII веке английский инженер Джеймс Уатт применил кривошипно-ползунную схему в паровой машине, преобразуя возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика. Это позволило создать компактные и эффективные паровые двигатели, ставшие основой для развития железнодорожного транспорта, судоходства и заводского оборудования. В XIX веке механизм стал стандартным элементом двигателей внутреннего сгорания, компрессоров, насосов и станков.

¶Устройство и принцип действия

Кривошипно-ползунный механизм состоит из четырёх основных звеньев:

1. Кривошип — звено, совершающее полный оборот вокруг неподвижной оси. Обычно имеет форму диска или коленчатого вала.
2. Шатун — подвижное звено, соединяющее кривошип с ползуном. Передаёт усилие и преобразует траекторию движения.
3. Ползун — звено, движущееся поступательно вдоль направляющей. В двигателях внутреннего сгорания ползуном является поршень.
4. Стойка (направляющая) — неподвижное звено, обеспечивающее прямолинейное движение ползуна. В реальных механизмах это цилиндр или направляющие рельсы.

При вращении кривошипа на угол φ шатун передаёт усилие ползуну, заставляя его перемещаться на расстояние S от крайнего левого до крайнего правого положения. Ход ползуна равен удвоенной длине кривошипа (S = 2r, где r — радиус кривошипа). Закон движения ползуна не является равномерным: скорость и ускорение изменяются по синусоидальному закону, что приводит к возникновению инерционных нагрузок.

¶Классификация

Кривошипно-ползунные механизмы классифицируют по нескольким признакам:

¶По типу кинематической схемы

• Центральные — ось направляющей ползуна проходит через ось вращения кривошипа. Наиболее распространённый тип, обеспечивающий симметричный ход.
• Дезаксиальные (смещённые) — ось направляющей смещена относительно оси кривошипа. Используются для изменения закона движения ползуна (например, для увеличения скорости обратного хода в металлорежущих станках).

¶По числу кривошипов

• Однокривошипные — один кривошип приводит один ползун. Применяются в двигателях малой и средней мощности.
• Многокривошипные — несколько кривошипов на одном валу приводят несколько ползунов. Используются в многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания (например, V-образных и рядных).

¶По типу соединения

• С постоянной длиной шатуна — классическая схема.
• С регулируемой длиной шатуна — позволяет изменять ход ползуна без замены звеньев (например, в прессах).

¶Применение

Кривошипно-ползунный механизм широко используется в различных отраслях техники:

¶Двигатели внутреннего сгорания

В поршневых двигателях (бензиновых, дизельных, газовых) механизм преобразует возвратно-поступательное движение поршня, вызванное сгоранием топлива, во вращательное движение коленчатого вала. Это основной тип привода в автомобилях, мотоциклах, судах, тепловозах и малой авиации.

¶Компрессоры и насосы

В компрессорах вращение электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, который сжимает газ. В поршневых насосах аналогичным образом перекачивают жидкости.

¶Металлорежущие станки

В поперечно-строгальных и долбёжных станках кривошипно-ползунный механизм обеспечивает возвратно-поступательное движение резца. Дезаксиальные схемы позволяют получить быстрый обратный ход, сокращая время холостого прохода.

¶Прессы и штампы

В кривошипных прессах механизм преобразует вращение маховика в поступательное движение ползуна с большим усилием. Используются для штамповки, гибки, вырубки листового металла.

¶Железнодорожный транспорт

На паровозах и тепловозах с паровой машиной кривошипно-ползунный механизм (обычно с крейцкопфом) передаёт усилие от поршня на колёса. В современных тепловозах с дизельным двигателем механизм применяется в силовой установке.

¶Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Простота конструкции и низкая стоимость изготовления.
• Высокая надёжность и долговечность при правильной смазке.
• Возможность передачи больших усилий (до сотен тонн в прессах).
• Широкий диапазон регулировки хода и скорости.

Недостатки:

• Неравномерность движения ползуна (ускорения и замедления в крайних точках).
• Наличие инерционных нагрузок, требующих балансировки.
• Ограниченная скорость из-за механических напряжений в шатуне и кривошипе.
• Необходимость в смазке и охлаждении трущихся поверхностей.

¶Интересные факты

• В паровых машинах XIX века кривошипно-ползунный механизм часто дополнялся крейцкопфом — промежуточным звеном, скользящим по направляющим, для уменьшения износа цилиндра.
• В многоцилиндровых двигателях внутреннего сгорания углы между кривошипами на коленчатом валу выбирают так, чтобы минимизировать вибрации (например, 180° для двухцилиндровых оппозитных двигателей).
• В кривошипных прессах ход ползуна может достигать 2 метров, а усилие — 50 000 тонн (например, в гидравлических прессах с кривошипным приводом).
• Механизм является основой для более сложных систем, таких как кривошипно-шатунный механизм с дополнительными рычагами (например, в двигателях с переменной степенью сжатия).

¶Источники

• Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. — М.: Наука, 1988.
• Фролов К. В., Попов С. А. Теория механизмов и машин. — М.: Высшая школа, 1998.
• Левитский Н. И. Теория механизмов и машин. — М.: Машиностроение, 1990.
• Справочник по машиностроению. Том 2. — М.: Машиностроение, 2004.