Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — это базовый шарнирно-рычажный механизм, преобразующий равномерное вращательное движение коленчатого вала в возвратно-поступательное движение поршня (ползуна), или наоборот. Это один из самых распространённых механизмов в технике: он образует силовую часть поршневых двигателей внутреннего сгорания, паровых машин, поршневых компрессоров и насосов, а также механических прессов и ножниц. В обратной форме (вход — возвратно-поступательное движение, выход — вращение) КШМ работает в ДВС и паровых машинах; в прямой (вход — вращение, выход — поступательное движение) — в насосах, компрессорах и прессах с электроприводом.
В статье разобран состав механизма (кривошип, шатун, ползун), кинематика поршня (положение, скорость, ускорение как функции угла поворота кривошипа), мёртвые точки и ход поршня, силы и моменты в КШМ, способы уравновешивания, конструктивные исполнения (центральный, смещённый, V-образный, тронковый, крейцкопфный) и характерные области применения. Терминология приведена в соответствии с принятой в курсах теории механизмов и машин и в отраслевых справочниках.
Центральный кривошипно-шатунный механизм — четырёхзвенная плоская кинематическая цепь с одной степенью свободы. В её состав входят четыре звена и четыре кинематические пары.
В классическом центральном КШМ ось цилиндра пересекает ось коленчатого вала. В смещённом (дезаксиальном) КШМ ось цилиндра отстоит от оси коленчатого вала на эксцентриситет e; это меняет несимметрично распределение скоростей и ускорений поршня в верхней и нижней половинах хода, а также боковую силу, действующую на стенку цилиндра.
Наверх
При равномерном вращении коленчатого вала с угловой скоростью ω шатунная шейка движется по окружности радиуса R с центром на оси коленчатого вала. Один конец шатуна закреплён на этой шейке, второй — на поршневом пальце, который вынужден двигаться по прямой (вдоль оси цилиндра). Шатун геометрически связывает движение по окружности с движением по прямой: его длина L постоянна, поэтому за каждым положением шатунной шейки однозначно следует положение поршня вдоль оси.
Преобразование вращения в возвратно-поступательное движение происходит за счёт того, что один конец шатуна вынужден двигаться по окружности (вместе с шатунной шейкой), а другой — по прямой (вместе с поршнем). За один полный оборот коленчатого вала поршень проходит ход «вверх» и ход «вниз», то есть совершает один полный цикл возвратно-поступательного движения.
Обратное направление преобразования работает так же. В ДВС газовая сила, действующая на поршень в фазе расширения, передаётся через шатун на шатунную шейку. Проекция этой силы на касательную к окружности шатунной шейки создаёт крутящий момент, раскручивающий коленчатый вал. В остальных тактах (сжатие, выпуск, впуск) вал передаёт энергию обратно поршню за счёт инерции маховика и работы других цилиндров.
В двух положениях за оборот коленчатого вала кривошип и шатун располагаются на одной прямой с осью цилиндра. В этих положениях скорость поршня обращается в нуль, а направление его движения меняется на противоположное. Эти точки называются мёртвыми точками:
S = (L + R) − (L − R) = 2 R
Ход поршня и диаметр цилиндра D определяют рабочий объём цилиндра Vh = π D² S / 4. По соотношению S/D различают:
Положение, скорость и ускорение поршня — функции угла φ поворота кривошипа от ВМТ. Углы отсчитываются по направлению вращения коленчатого вала. Введём безразмерный параметр λ = R/L — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. В типовых ДВС λ принимает значения 0,25–0,30 (то есть L/R ≈ 3,3–4); в компрессорах и насосах диапазон шире.
x(φ) = R (1 − cos φ) + L − √(L² − R² sin² φ)
Для упрощения практических расчётов точную формулу раскладывают в ряд по малому параметру λ. Удержание первых двух слагаемых даёт удобное приближение:
x(φ) ≈ R [(1 − cos φ) + (λ / 4)(1 − cos 2φ)]
v(φ) ≈ R ω [sin φ + (λ / 2) sin 2φ]
a(φ) ≈ R ω² [cos φ + λ · cos 2φ]
Приведённые приближённые выражения — стандартные для инженерных расчётов кинематики ДВС, поршневых компрессоров и насосов. Они дают погрешность по перемещению порядка λ³ и в подавляющем большинстве практических задач достаточны. Для прецизионных задач (расчёт вибраций, динамических нагрузок, балансировки) применяют точные выражения или численные методы.
В работающем КШМ действуют две группы сил: газовые (от давления на поршень) и инерционные (от ускоренного движения масс). Их сумма передаётся через поршень и шатун на коленчатый вал, формируя крутящий момент и нагрузки на опоры.
Сила давления газов на поршень Pг = (p − p0) · Aп, где p — текущее давление в камере сгорания (или цилиндре), p0 — давление с обратной стороны поршня (атмосферное или картерное), Aп = π D² / 4 — площадь поршня. Зависит от фазы цикла; максимум — в начале расширения.
Pи = −mj · a(φ) ≈ −mj R ω² [cos φ + λ cos 2φ]
Суммарная сила P = Pг + Pи, действующая по оси поршня, раскладывается на:
Сила N меняет знак при переходе через ВМТ и НМТ — поршень «прижимается» к разным сторонам цилиндра. Это вызывает периодические шумы (стук поршня) и ускоренный износ юбки поршня и цилиндра на тех сторонах, где он работает в нагрузке.
Сила, передаваемая шатуном на шатунную шейку, раскладывается на радиальную и тангенциальную составляющие относительно оси коленчатого вала. Тангенциальная составляющая, умноженная на радиус R, даёт мгновенный крутящий момент M(φ). Кривая M(φ) — неравномерная и знакопеременная: положительная в фазах с активным давлением газов и инерционной отдачей, отрицательная в остальных. Маховик и работа нескольких цилиндров со смещёнными фазами сглаживают эту неравномерность до приемлемой для нагрузки.
В одноцилиндровом ДВС КШМ остаётся существенно неуравновешенным: возвратно-поступательные массы дают первую и вторую гармоники инерционных сил вдоль оси цилиндра, а вращающиеся массы (шатунная шейка с приведённой долей шатуна) — центробежную силу. Без балансировки одноцилиндровый двигатель сильно вибрирует.
Это четырёхзвенный шарнирно-рычажный механизм из кривошипа (части коленчатого вала), шатуна, поршня (ползуна) и неподвижного корпуса. Шатунная шейка коленчатого вала описывает окружность радиуса R; поршневой палец вынужден двигаться по прямой вдоль оси цилиндра; шатун постоянной длины L геометрически связывает эти два движения. За один оборот коленчатого вала поршень проходит ход «вверх» (к ВМТ) и ход «вниз» (к НМТ), совершая один полный цикл возвратно-поступательного движения. Преобразование работает в обоих направлениях: в ДВС — от поршня к валу, в компрессорах и насосах — от вала к поршню.
Это два положения за оборот коленчатого вала, в которых кривошип и шатун лежат на одной прямой с осью цилиндра, скорость поршня равна нулю, а направление его движения меняется на противоположное. Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — максимальное удаление поршня от оси коленчатого вала; нижняя (НМТ) — максимальное приближение. Расстояние между ВМТ и НМТ — ход поршня S = 2R, где R — радиус кривошипа.
Ход поршня S равен удвоенному радиусу кривошипа: S = 2R. Длина шатуна на ход не влияет, но определяет характер движения поршня между крайними положениями (степень асимметрии и долю второй гармоники в законе движения). Ход и диаметр цилиндра определяют рабочий объём Vh = π D² S / 4. По соотношению S/D двигатели делят на короткоходные (S/D < 1), квадратные (S/D ≈ 1) и длинноходные (S/D > 1).
Безразмерный параметр λ = R/L — отношение радиуса кривошипа к длине шатуна. Чем меньше λ (длинный шатун при коротком кривошипе), тем ближе движение поршня к синусоидальному и тем меньше вторая гармоника инерционных сил. В типовых ДВС λ принимает значения 0,25–0,30 (L/R ≈ 3,3–4); меньшие значения дают более плавную кинематику, но удлиняют двигатель; большие — компактны, но дают сильную вторую гармонику и проблемы с балансировкой.
В точках угла поворота кривошипа, несколько меньших 90° от ВМТ на стороне рабочего хода (и симметрично на возвратном ходу). Точное положение зависит от λ. Для бесконечно длинного шатуна (λ → 0) максимум смещается к 90° и движение становится строго синусоидальным. В мёртвых точках (φ = 0° и 180°) скорость поршня равна нулю.
Из-за вклада второй гармоники в инерционные силы и асимметрии движения поршня при конечной длине шатуна. В ВМТ ускорение a = R ω² (1 + λ); в НМТ a = R ω² (λ − 1) (по модулю меньше). Соответственно, инерционная нагрузка на поршневой палец, шатун и шатунную шейку в верхней мёртвой точке выше, что учитывают при расчёте прочности.
В тронковом поршень напрямую соединён с шатуном через поршневой палец, и юбка поршня воспринимает боковую силу от наклона шатуна. Это компактно, но ограничивает диаметр цилиндра и температурный режим (из-за работы пары поршень-цилиндр в условиях боковой нагрузки). В крейцкопфном поршень соединён со штоком, шток проходит через сальник в дне цилиндра и приводит крейцкопф (ползун в отдельной направляющей), к которому уже крепится шатун. Поршень полностью разгружен от боковой силы. Такая схема применяется в мощных судовых малооборотных дизелях, поршневых паровых машинах и компрессорах высокого давления.
Для компенсации неуравновешенных гармоник инерционных сил, которые многоцилиндровая компоновка не уравновешивает естественным образом. Чаще всего применяются для компенсации второй гармоники в рядных четырёхцилиндровых двигателях большого литража: два балансирных вала, вращающихся в противоположные стороны с удвоенной частотой коленчатого вала, создают результирующую силу, компенсирующую вторую гармонику инерционных сил поршневой группы. Это снижает вибрации и шум.
В двигателях внутреннего сгорания (бензиновые, дизельные, газовые — от мотоциклетных до судовых), в поршневых компрессорах всех типов и сред, в объёмных поршневых насосах высокого давления, в механических прессах и ножницах (эксцентриковые и кривошипные), в исторических и специализированных паровых машинах, в малогабаритных машинах общего машиностроения (швейные машины, дозаторы, ткацкие станки). Везде, где требуется надёжное преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное или наоборот, с известной кинематикой и предсказуемыми силами.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.