Кривошипно-ползунковый механизм: принцип работы, конструкция, обработка на станках с ЧПУ и области применения.

Практически все окружающие нас машины работают от источника энергии. Тип движения, создаваемого этим источником, может быть не самым полезным в своем первоначальном виде. Например, двигатель постоянного тока создает вращательное движение. Но компрессору необходимо линейное возвратно-поступательное движение. Следовательно, должен существовать механизм, преобразующий вращательное движение в линейное и наоборот. Кривошипно-ползунковый механизм — это именно такой механизм!  

Что такое кривошипно-ползунковый механизм?

Кривошипно-шатунный механизм используется в различных машинах, окружающих нас. Он преобразует линейное возвратно-поступательное движение во вращательное и наоборот. Он состоит из нескольких инженерных компонентов, таких как кривошип, шатун и ползунок. Движение передается от кривошипа к ползунку или наоборот через шатун. К распространенным примерам кривошипно-шатунных механизмов относятся двигатели внутреннего сгорания, поршневые насосы и воздушные компрессоры.

Такие термины, как кривошипно-шатунный механизм, кривошипно-шатунная цепь, механизм «скотч-ярмо» и кривошипно-шатунный механизм, часто путают друг с другом. Однако между ними есть некоторые тонкие различия. В таблицах ниже приведено сравнение этих терминов.

Шатунно-шатунный механизм против цепи шатуна

Механизм типа «скотч-ярмо» против механизма типа «ползунок-кривошип».

Из каких частей состоит кривошипно-ползунковый механизм?

Основные части кривошипно-шатунного механизма — это кривошип, шатун, ползунок и рама. К вспомогательным компонентам относятся подшипники, втулки, штифты, уплотнения и направляющие. Полный комплект этих компонентов, установленных в точно заданных местах, приводит в движение кривошипно-шатунный механизм.

Основные части кривошипно-ползункового механизма

Кривошип

Кривошип — это вращающийся элемент в кривошипно-шатунном механизме. Он имеет шатунный палец, смещенный относительно центра коленчатого вала. Таким образом, при его вращении возникает угловое движение в присоединенном к нему шатуне, и наоборот. Это движение лежит в основе преобразования вращательного движения в линейное возвратно-поступательное движение.

Шатун

В кривошипно-шатунном механизме шатун соединяет кривошип с ползуном. Он передает движение от кривошипа к ползуну. Верно и обратное. Таким образом, эта передача движения также служит преобразованием вращательного движения в линейное и обратно.

Слайдер

Ползунок перемещается вперед и назад внутри рамы. Либо он перемещается и передает движение на шатун, либо перемещается под действием движения, передаваемого через шатун.

РАМА

Это жесткая конструкция, поддерживающая компоненты кривошипно-шатунного механизма. Она имеет фиксированные точки крепления для шарниров и линейную траекторию движения ползуна.

Прочие вспомогательные части

Штифты и соединения

Шарниры и соединения соединяют коленчатый вал, шатун и ползун. Они образуют оси вращения, вокруг которых вращаются детали. Движение передается от одной детали к другой через эти соединения.

Подшипников

Подшипники помогают уменьшить трение между относительно вращающимися поверхностями. Обычно они устанавливаются между штифтами и их корпусами. В некоторых точках действуют только радиальные нагрузки, в таких случаях используются шариковые подшипники с глубоким пазом. С другой стороны, в таких местах, как шатунные или скользящие соединения, действуют также осевые нагрузки. В этом случае могут использоваться роликовые или игольчатые подшипники.

Компоненты направляющей

Направляющие элементы, такие как направляющие рельсы, направляющие дорожки, цилиндры, втулки или обработанные поверхности, помогают направлять движущиеся части во время движения.

Компоненты уплотнения

Уплотнения обеспечивают герметичность деталей. С одной стороны, они защищают от пыли и химических веществ. С другой стороны, уплотнения предотвращают утечку смазочных материалов из закрытых зон, таких как цилиндры или поршни в автомобильном двигателе.

Как работает кривошипно-ползунковый механизм?

Как уже описывалось ранее, основная функция кривошипно-шатунного механизма заключается в преобразовании вращательного движения в линейное возвратно-поступательное движение и наоборот. Ниже приведено пошаговое объяснение принципа работы этого механизма.

Кривошип начинает вращаться

Внешний источник, например, электродвигатель, приводит в движение коленчатый вал. Он начинает вращаться вокруг своей оси. Это вращение запускает движение в шатунном шарнире. Ключевые элементы, определяющие эффективность работы коленчатого вала, включают геометрию кривошипа, расположение шатунного пальца и отверстие для подшипника.

Шатун передает движение.

Шатун смещен относительно центра вращения коленчатого вала. Шатун крепится к коленчатому валу в месте соединения с шатуном. При перемещении шатуна перемещается и шатун. Таким образом, шатун испытывает угловые перемещения. На этом этапе важны отверстия для шатунного пальца, отверстия для него и сопрягаемые поверхности. Важно соблюдать необходимые допуски. В противном случае чрезмерный зазор в соединении может привести к неравномерной нагрузке и преждевременному износу.

Ползунок перемещается вдоль направляющей.

Во время движения шатуна передача движения происходит через шарнир ползуна. Поскольку ползунок соединен с шатуном, он должен двигаться вместе с ним. Однако ползунок ограничен направляющей. Поэтому он может перемещаться только по фиксированной линейной траектории. В данном случае необходимо поддерживать расчетный зазор между сопрягаемыми поверхностями, чтобы предотвратить нежелательные боковые и вращательные смещения.

Ползунок достигает центрального положения

Когда кривошип совершает полный оборот, ползунок достигает своей крайней точки внутри рамы. Он на мгновение останавливается, после чего его направление меняется на противоположное. Это движение аналогично циклу толкания и тяги. Задействованные компоненты испытывают циклические нагрузки. Поэтому критически важные детали должны выдерживать усталость. Выравнивание соединений также имеет важное значение.

Кривошип продолжает вращаться, и ползунок возвращается в исходное положение.

Кривошип продолжает вращаться. Но из-за смещения шатунного пальца относительно центра кривошипа движение ползунка принимает обратное направление. Это смещение определяет длину хода. Обычно длина хода вдвое больше этого расстояния.

Какие основные типы кривошипно-ползунковых механизмов существуют?

К основным категориям относятся два типа: линейный кривошипно-ползунковый механизм и смещенный кривошипно-ползунковый механизм. Главное различие заключается в положении ползуна. Из-за этого различия возникают и различия в движении. В зависимости от области применения может использоваться соответствующий тип кривошипно-ползункового механизма.

Встроенный кривошипно-шатунный механизм

Как следует из названия, в кривошипно-шатунном механизме центральная линия ползунка проходит через ось коленчатого вала. Таким образом, ползунок перемещается вперед и назад вдоль одной и той же центральной линии. Такая симметричная конструкция обеспечивает предсказуемое возвратно-поступательное движение. Прямой и обратный ходы имеют одинаковую скорость и направление движения.

Смещенный кривошипно-ползунковый механизм

В кривошипно-шатунном механизме со смещением центральная линия ползуна смещена относительно оси коленчатого вала. Из-за этого смещения возникает разница в движении при прямом и обратном ходе. Эту разницу можно использовать в своих интересах. Например, в упаковочной промышленности прямое движение может быть равномерным, в то время как при обратном ходе требуется быстрое втягивание. В кривошипно-шатунном механизме со смещением величина боковых сил может быть высокой. Поэтому необходимы тщательная центровка и правильная подгонка.

Какие факторы качества деталей влияют на работу кривошипно-шатунного механизма?

Обеспечение качества каждой детали кривошипно-шатунного механизма имеет решающее значение. Даже незначительные неисправности могут серьезно затруднить работу этого механизма. Некоторые неисправности могут даже привести к необратимым повреждениям. Поэтому качество критически важных деталей необходимо проверять.

Посадка пальца и отверстия

Зазор между штифтом и отверстием определяет правильную посадку. Если зазор чрезмерен, это вызовет вибрацию, ослабление крепления или ударную нагрузку. Если зазор недостаточен, движение штифта будет ограничено. Поэтому для правильной посадки необходим оптимальный зазор.

Положение и выравнивание отверстий

Точность расположения отверстий имеет решающее значение для правильной центровки. Если расположение отверстий неправильное, то угол шатуна может стать некорректным. Это, в свою очередь, может привести к чрезмерным боковым нагрузкам и преждевременному износу.

Посадка ползунка и направляющей

Правильная посадка ползунка и направляющей обеспечивает плавность хода. Неправильная посадка приведет к возникновению нежелательных боковых напряжений. Помимо нарушения плавности хода, они могут повредить движущиеся части.

Выравнивание вала и подшипника

Неправильное соосность вала и подшипника нарушает распределение нагрузки. Неравномерные нагрузки могут повредить подшипник. В некоторых случаях может быть нарушена даже круглая форма посадочного места подшипника. Прежде всего, такое несоосность может поставить под угрозу саму функцию кривошипно-шатунного механизма.

Качество поверхности и кромок

Заусенцы на обработанных кромках, по-видимому, изменяют размеры. Например, отверстие может казаться короче по диаметру, чем есть на самом деле. Это изменяет зазор между поверхностями. Другие неровности поверхности также препятствуют работе кривошипно-шатунного механизма.

Как обработка на станках с ЧПУ обеспечивает надежную работу кривошипно-шатунного механизма?

Детали, изготовленные на станках с ЧПУ, известны своей превосходной точностью и аккуратностью. Поскольку вмешательство человека минимально, вероятность человеческих ошибок сведена к минимуму. Каждая деталь изготавливается на основе одной и той же CAD-модели с использованием одного и того же технологического процесса. Поэтому можно ожидать стабильного качества.

Посадка контрольного пальца и отверстия

Обработка на станках с ЧПУ позволяет изготавливать штифты и отверстия с очень высокой точностью. Точность размеров, достигаемая с помощью этих технологий, превосходит показатели других производственных процессов. Такие параметры, как диаметр, округлость и допуск, имеют решающее значение для соответствия конструкции. Правильный зазор и соосность обеспечивают плавное вращение и предотвращают чрезмерный люфт.

Совместите отверстия и валы.

Отверстия и валы, созданные с помощью станков с ЧПУ, обеспечивают точность размеров, правильное позиционирование, соосность и перпендикулярность. Поскольку погрешности позиционирования уменьшаются, можно ожидать эффективной работы кривошипно-шатунного механизма.

Геометрия направляющих и ползуна станка

Ползунок и направляющая должны сохранять прямолинейность и параллельность. Зазор между ползунком и направляющей должен быть оптимальным и постоянным. Фрезерование на станках с ЧПУ позволяет создавать ползуны и направляющие с очень высокой точностью. Таким образом, можно предотвратить нежелательные боковые перемещения.

Отделка контактных поверхностей и кромок

Контролируемая шероховатость и чистые кромки имеют первостепенное значение для оптимизации фрикционных характеристик движущихся частей. Чрезмерное трение может привести к износу. Очень низкое трение может вызвать проскальзывание. Поэтому контактная поверхность должна быть надлежащим образом подготовлена. В этом смысле могут быть использованы процессы удаления заусенцев, шлифовки, хонингования или полировки.

Правильное включение и выключение функций смазки оборудования.

Для обеспечения циркуляции смазки создаются такие элементы, как каналы, отверстия, канавки и углубления. Однако их необходимо правильно спроектировать и изготовить. Обработка на станках с ЧПУ позволяет получать эти элементы с превосходной точностью размеров. Таким образом, поток смазки остается стабильным во время работы.

Где используются кривошипно-ползунковые механизмы?

Кривошипно-ползунковые механизмы используются в самых разных областях. От автомобилестроения до промышленного оборудования, от строительства до металлообработки — этот механизм широко применяется. Давайте кратко рассмотрим области его применения.

Автомобильное и двигателестроительное производство

Наиболее ярким примером кривошипно-шатунного механизма в автомобильных двигателях является двигатель внутреннего сгорания. Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное движение кривошипом. Это приводит в движение динамо-машину для выработки электрического тока.

Промышленная автоматизация и упаковка

В довольно многих системах промышленной автоматизации используется кривошипно-ползунковый механизм. В качестве примера можно привести упаковку продукции. Возвратно-поступательные рычаги могут разрезать упаковку, подавать пакеты и прессовать связки.

Сельскохозяйственная и строительная техника

Если вы когда-либо наблюдали за процессом забивки фундамента на строительной площадке, то знаете, что для этого используется возвратно-поступательный трамбовочный инструмент. Инструмент движется вперед, чтобы пробить грунт. Затем он отступает. Затем он снова пробивает грунт. Этот повторяющийся цикл продолжается.

Металлообрабатывающая и прессовая промышленность

Для формовки, пробивки, штамповки и вырубки металлических листов требуется возвратно-поступательное линейное движение. Для этой операции двигатель приводит в движение ползунок вперед и назад.

Как компания Tuofa поддерживает проекты по изготовлению шатунов на заказ?

Компания Tuofa предлагает всевозможные варианты индивидуальной настройки деталей кривошипно-шатунного механизма. Мы можем изготовить детали с низким минимальным объемом заказа. Для этого требуется лишь CAD-файл. Наша команда инженеров предоставляет обратную связь в режиме реального времени по вопросам DFM (проектирование для производства).

Детали для шатуна с одним ползунком, изготовленные на заказ.

Отдельные детали могут быть изготовлены с помощью станков с ЧПУ. Например, если требуется замена только направляющих, мы можем их поставить. То же самое относится и к другим деталям. Детали могут быть изготовлены по проекту заказчика.

В кривошипно-шатунном механизме отдельные компоненты могут нуждаться в замене по различным причинам, например:

• повреждение существующей детали
• улучшения дизайна
• функциональное тестирование
• необходимость в небольшой партии запасных частей

Компания Tuofa изготавливает запасные части по индивидуальным заказам в соответствии с чертежами заказчика, уделяя особое внимание критическим размерам и допускам. С точки зрения производства и стоимости, мы также можем проанализировать чертежи и предложить корректировки конструкции, которые могут улучшить обрабатываемость и снизить производственные затраты без ущерба для функциональности детали.

Также доступны услуги по созданию прототипов. Клиенты могут начать с небольшого количества образцов деталей для проверки соответствия, сборки и общей функциональности, прежде чем переходить к мелкосерийному производству.

Комплекты компонентов для скользящего шатуна, изготовленные на заказ.

Можно изготовить комплекты всех компонентов кривошипно-шатунного механизма. Такой подход имеет преимущество. Можно проверить совместимость компонентов. При необходимости размеры могут быть изменены в соответствии с запросом заказчика.

Когда несколько изготовленных на заказ компонентов в кривошипно-шатунном механизме должны работать вместе как единое целое, заказ их изготовления у одного и того же поставщика помогает лучше контролировать критически важные интерфейсы и условия сопряжения. Это включает в себя:

• Соответствие пальца и отверстия
• Выравнивание отверстий шатуна
• Зазор между ползунком и направляющей
• Посадка вала на подшипник
• Выравнивание отверстий подшипников
• Сопрягаемые размеры
• Допуски на обработку поверхности

Как правило, заказчики предоставляют 3D-модели или чертежи отдельных деталей, а также сборочные чертежи или другую документацию, определяющую необходимые взаимосвязи между сопрягаемыми компонентами.

Благодаря опыту в области прецизионной обработки и сборки, компания Tuofa может управлять как изготовлением деталей, так и окончательной сборкой в ​​рамках одного проекта. Это позволяет решать потенциальные проблемы с подгонкой, допусками или сборкой в ​​одном месте, сокращая необходимость координации с отдельным поставщиком сборочных услуг или выполнения сборки собственными силами. Это также помогает упростить коммуникацию, сократить общий рабочий процесс проекта и уменьшить время и усилия, необходимые для превращения механизма из отдельных деталей в готовую сборку.

Проверка соответствия размеров и критически важных с точки зрения движения элементов.

Компания Tuofa располагает хорошо развитым отделом контроля качества. Наши лаборатории оснащены современными инструментами и оборудованием для проверки таких качественных характеристик, как размеры, шероховатость поверхности и твердость. Мы оцениваем не только качество каждого отдельного компонента, но и соответствие и взаимодействие сопрягаемых деталей при необходимости сборки. Это помогает гарантировать, что собранный узел функционирует должным образом и готов к использованию.

Практические советы по проектированию кривошипно-ползунковых механизмов

Проект, выполненный в САПР, может показаться работоспособным. Однако необходимо учитывать технологичность изготовления. Такие элементы, как малый внутренний радиус или глубокие пазы, довольно сложно изготовить. Более того, они могут быть и вовсе ненужными. Поэтому перед началом работы следует проконсультироваться с обрабатывающим заводом по поводу проекта.

Используйте общие опорные точки для определения признаков сопряжения.

Это обеспечивает выравнивание и уменьшает погрешности позиционирования. В станках с ЧПУ можно использовать такие ориентиры, как осевая линия коленчатого вала и поверхность направляющей ползуна.

Избегайте сложных, глубоких и узких участков.

Для обработки глубоких элементов требуются инструменты большей длины. Вероятность деформации инструмента и, как следствие, погрешностей размеров высока. Аналогично, для обработки узких элементов необходимо тщательное позиционирование небольших инструментов. Если глубокие и узкие элементы не нужны, их следует избегать.

Используйте практичные внутренние радиусы скругления углов.

При проектировании следует учитывать технологичность изготовления деталей. Малые внутренние радиусы скругления углов часто очень сложны в изготовлении. Они не только увеличивают сроки выполнения заказа, но и приводят к более высокому проценту брака. Все это может значительно повысить стоимость детали.

Заключение

Кривошипно-ползунковый механизм используется во многих распространенных машинах. Преобразование вращательного движения в линейное возвратно-поступательное и наоборот имеет большое значение в двигателях, насосах, компрессорах, упаковочном оборудовании и прессах. Для достижения высокой эффективности работы детали, используемые в кривошипно-ползунковом механизме, должны быть очень точными. Обработка на станках с ЧПУ — распространенный производственный процесс для изготовления таких деталей.

FAQ

Как спроектировать кривошипно-ползунковый механизм?

Сначала необходимо определить цель. Затем определяется положение источника питания. Далее, выходные параметры, такие как длина хода, скорость хода и сила, регулируются путем изменения геометрии и выравнивания деталей.

Почему заклинивает кривошипно-ползунковый механизм?

Основными причинами являются чрезмерное трение, несоосность, неравномерные напряжения и малый зазор.

Почему кривошипно-ползунковый механизм издает шум?

Чрезмерный шум может быть вызван нежелательным трением деталей друг о друга.

Какие файлы необходимы для изготовления деталей кривошипа на заказ?

Для изготовления необходимы файлы CAD и CAM.