ピストンの移動量、速度、加速度

科目：

はじめに
一次および二次ピストンの動き
ピストン速度
ピストン加速度
ピストンの移動、速度、加速の完全な概要

導入：
ピストンの上下（並進）運動は、クランクコネクティングロッド機構によって回転運動に変換されます。ピストンは直線的に上下に動きます。これをプライマリピストン運動といいます。しかし、コンロッドは上下だけでなく横にも動きます。コネクティングロッドの横方向の動きにより、ピストンの移動距離はわずかに長くなります。距離の増加に加えて、ピストンはこの時点で最高速度に達しています。この余分な距離は、二次ピストン運動と呼ばれます。

図はピストンの動きを示しています。上部の青いピストンは、TDC (上死点) の位置を示します。右中央の青いピストンは、プライマリピストンの移動距離（つまり、コンロッドが傾いていない距離）を示します。下部の赤色のピストンは、クランクシャフトの回転とコンロッドの傾きによって生じる余分な距離を示します。これが二次的なピストンの動きです。

クランクシャフトが 90 度回転すると、ピストンの移動速度が最大になります。二次的なピストンの動きにより、より長い移動距離が保証されます。一次運動の距離に二次運動の距離を加算することで、ピストンが移動する合計距離を求めることができます。

クランクジャーナルの長さとコネクティングロッドの長さの比によって、二次運動の大きさが決まります。二次ピストンの動きもピストン速度とピストン加速度に影響します。

一次および二次ピストンの動き:
このセクションでは、プライマリおよびセカンダリのピストンの動きを移動距離としてグラフに示します。一次ピストン運動と二次ピストン運動の合計がピストンの総運動量となります。ピストン全経路の構造を以下に説明します。

主要なピストンの動き:
TDC から TDC への方向の力と ODP から TDC への力が合わさって、クランクシャフトの 1 回転ごとに 1 回振動が発生します。このため、この力は主力とも呼ばれます。主な力が主な動きをします。

プライマリピストンの動きは、クランクシャフトの回転が 0° の場合は 0、180° の場合も 0 です。
プライマリピストンの動きのみに注目すると、クランクシャフトが 90°回転すると、ピストンはストロークの途中 (シリンダーの途中でもあります)、つまり 90 mm にあります。

二次ピストン運動:
コネクティングロッドの横方向の動きは、二次的なピストンの動きを提供します。クランクピンとコネクティングロッドの長さの比が大きいほど、二次力が大きくなり、したがって二次運動も大きくなります。

TDC では 0 次動作は XNUMX です。
クランクシャフトが 90°回転すると、二次運動が最大になります。
二次運動中にピストンが移動する距離を一次運動に加算します。これはピストンが移動した実際の経路です。

実際のピストンの動き:
実際のピストン運動は、一次ピストン運動と二次ピストン運動の合計によって形成されます。これはグラフでは「合計」と読み取れます。

クランクシャフトが 90 度回転する前に、ピストンはすでにシリンダー内でのストロークの途中にあります。グラフでは、ピストンが 110 度で 90 mm 移動したことがわかります。これは全ストロークの 61% に相当します。
クランクジャーナルの長さ、したがってクランクコネクティングロッド比 (ラムダと呼ばれることが多い) が、二次的なピストンの移動距離を決定し、したがってピストンの総移動距離を決定します。

二次的なピストンの動きにより、エンジンの振動が増幅されます。 4気筒以下のエンジンでは二次力が比較的大きく、バランスシャフトエンジンの振動を制限するために使用されます。

ピストン速度:
作業プロセス中、ピストンは ODP と TDC で移動方向を反転します。 ODP および TDC では、ピストン速度はゼロです。これは、ピストンがこれらのポイントで方向を変えるためです。ピストンが TDC から ODP に移動すると、ピストン速度が増加します。プライマリピストンの速度は、クランクシャフトの回転が 90 度付近で最大値に達します。これは、下降動作中のピストンの正の加速の結果です。ただし、コンロッドの角度が増加すると、セカンダリピストンの速度が影響します。セカンダリピストン速度はコネクティングロッドの傾きに関係しており、ピストンの合計速度にさらに寄与します。このセカンダリピストン速度により、プライマリピストン速度だけの場合よりも早く合計ピストン速度が最大値に到達します。これは通常、クランクシャフト角度が 90 度になる前に発生します。以下のグラフでは、ピストンの合計速度が約 75% ですでに最大値に達していることがわかります。

ピストン加速度:
ピストン速度については前の段落で説明しました。このグラフは、上死点および外径点でのピストン速度が 0 であり、下降および上昇の際に速度が増加および減少していることを示しています。ピストンの加速では、シリンダー内のピストンの加速と減速を調べます。

クランク角が 0 度のとき、ピストンはストロークの頂点にあり、下降を開始する準備ができています。この時点でピストンの加速度は最大になります。これは、ピストンの最高点での停止から下降開始までの移動方向の急激な変化によるものです。 TDC に向かうにつれて加速度は減少します。プライマリピストンの加速度は、クランクシャフトが 0 度回転すると 90 になります。前の段落では、ピストン速度が 90 度で再び減少することがわかります。クランクシャフトの 90 ～ 180 度の間で、ピストンは TDC に達するまでブレーキをかけます。グラフでは、ブレーキが負の加速度として表示されます。

セカンダリピストンの加速は、コネクティングロッドの傾斜によって再び生成されます。軸外コンロッドを備えたエンジンでは、ピストンが上死点にあるときにコンロッドはすでに小さな角度になっています。二次ピストンの加速の結果、ピストンの合計加速度は最初のクランクシャフト角度で増加します。

ピストンの移動、速度、加速度の全体概要:
前の段落では、各グラフの一次、二次、合計の動きと速度について説明しました。この概要では、合計が 1 つのグラフで表示されます。

ピストンが下方に移動すると、ピストンの重量が増加します (0 から 180°まで)。
ピストンは、前のストロークと現在のストロークの間で動作方向が逆転しました。動きの方向が突然変わるため、ピストンの加速度はクランクシャフトの 0 度から最大になります。
ピストン速度は徐々に増加し、クランクシャフトが 90°回転する前に最大速度に達します。
180°では、ピストン速度とピストン加速度は両方とも 0 です。
TDC まで移動すると、ピストンの加速度と速度のグラフが反転します。