Dynamics of the slider-crank mechanism with clearance in the sliding bearingÜber die dynamik des schubkurbelgetriebes mit lagerspiel in der kreuzkopffuhrung

https://doi.org/10.1016/0094-114X(74)90008-1Get rights and content

Abstract

A method of predicting the detailed motion of the slider of a slider crank mechanism within slider-guide clearance is given. The effects of changing the geometry and the mass distribution are presented, and the analysis, which includes the effects of gas loads on the slider, is applied to the motion of a piston in a diesel engine.

Zusammenfassung

Wenn der Kreuzkopf eines Schub-Kurbeltriebes sich zwischen seinen Gleitbahnen bewegt, wird er sich an bestimmten Stellen quer bewegen und die Anlagebahn wechseln. Der Schlag welcher hierbei auftritt kann zu Geräusch und Vibration oder erhöhtem Verschleiß führen. Ein geläufiges Beispiel ist Kolven-Klappern bei Otto Motoren. Die Lagen solcher Querbewegungen sind von den Geometrischen — und Massenverhältnissen des Triebs und etwaigen äußeren Kräften abhängig.

Die Bewegungen des Kurbeltriebs in Bild 1. werden im Detail analysiert. Angenommen wird daß das Getriebe aus steifen Elementen besteht, durch reibungslose Lager ohne Lagerspiel verbunden; außer der Führung des Kreuzkopfes, welche ein bestimmtes konstantes Lagerspiel sowie Coulombsche Reibung, aufweist. Um den Kurbeltrieb von Ottomotoren einzuschließen, wird ein Gasdruck auf den Kreuzkopf (sprich Kolben) angenommen. Alle möglichen Relativbewegungen zwischen Kreuzkopf und Gleitbahn, in Bild 2 schematisch gezeigt, werden behandelt und die Bewegungs gleichungen aufgesetzt.

Die möglichen Bewegungen des Kreuzkopfes zwischen seinen Bahnen sind:

  • 1.

    (a) Flächenkontakt zwischen Kreuzkopf und Bahn.

  • 2.

    (b) Drehung des Kreuzkopfes um eine gleitende Kante.

  • 3.

    (c) Drehung des Kreuzkopfes um eine stationäre Kante.

  • 4.

    (d) Gleitender Kreuzkopf mit diagonal gegenüberliegenden Kanten in Berührung.

  • 5.

    (e) Kreuzkopf in freier Bewegung innerhalb des Lagerspiels.

Die Bewegungsgleichungen für jeden der obigen Fälle sind erstellt, und die Bedingungen für das Auftreten jedes Falles ermittelt worden. Diese Bedingungen können geometrische Grenzen sein, oder von der Berührungskraft zwischen Kreuzkopf und Gleitbahn abhängen.

An den Punkten, wo der Kreuzkopf wieder Kontakt mit der Gleitbahn aufnimmt ensteht ein Schlag. Es wird angenommen daß die Kräfte bei dem Aufschlag groß sind im Vergleich zu den anderen Kräften im Getriebe, und daß die Aufschlagszeit sehr gering ist. Es wird also angenommen daß wärend des Aufschlags die Lage des Getriebes gleich bleibt.

Der Energieverlust des Aufschlags wird ungefähr durch die Stoßzahl, bezogen auf die Relativgeschwindigkeit vor und nach dem Aufschlag, widergegeben. Ein Reibkraftimpuls wird angenommen entgegen der Bewegungsrichtung warend des Aufschlags.

Die Bewegungsgleichungen werden numerisch integriert abgehend von einer Anfangsstellung, um die Kreuzkopfbewegung wärend einer Umdrehung zu verfolgen. Bei den meisten Schubkurbelgetrieben wird sich der Kreuzkopf irgendwann mit voller Flächenauflage bewegen. Da in dieser Bewegungsart die Kreuzkopfbewegung rein kinematisch bedingt ist, ist diese Bewegungsart am besten dazu geeignet die Ausgangsbedingungen festzulegen. Ein Kutta-Merson-Integrationsverfahren ist benutzt worden um die Bewegungsgleichungen zu lösen, bei jedem Schritt wird nachgeprüft daß die richtigen Gleichungen benutzt werden. Abhängig von der Art der Kreuzkopfbewegung werden die richtigen Gleichungen gewählt, und die Lösung erarbeitet.

Typische Kolbenbahnen sind in den Bildern 8 bis il gezeigt, für verschiedene Abmessungen des Schubkurbelgetriebes.

Das Gleichungssystem ist auch benutzt worden um dir Kolbenbahnen für einen Dieselmotor zu errechnen. Ein typisches Beispiel fur einen viertakt Motor zeigt Bild 12.

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    It was found that the theoretical and experimental results agreed quite well. Wilson and Fawcett [300] derived the equations of motion for all different possible configurations of the slider motion inside the guide, resulting in a total of 40 equations. These authors also showed how the slider motion in a translational clearance joint depends on the geometry, speed and mass distribution.

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