4.3.Расчёт движущей, нормальной, радиальной и касательной сил.

4.3.1.Расчёт удельной движущей силы.

В КШМ цилиндрах работающего двигателя действуют силы, которые показаны на рисунке 3. Графики основных сил, действующих в КШМ четырёхтактного двигателя в период рабочего цикла, изображены на графиках и в приложении.

Давление газов в цилиндре, действуя на поршень, создаёт силу Р_г= р_гF_п , направленную по оси цилиндра. Давление р_г определяют по расчётной или действительной индикаторной диаграмме. Сила давления Р_г является основной составляющей движущей силы. Она одинаково действует на днища поршня и крышки цилиндра, уравновешиваясь в корпусе двигателя, не передаётся на судовой фундамент и поэтому не вызывает вибрации двигателя и корпуса судна. Вместе с тем сила давления газов создаёт периодически действующие нагрузки на детали остова и движения двигателя. Её величина непосредственно определяет напряжённое состояние поршня, крышки цилиндра, анкерных связей и других деталей.

Давление газов р_пп в подпоршневой полости цилиндра создаёт силу Р_пп= р_пп F_п. её обычно полагают постоянной по величине и направленной против силы давления газов в цилиндре. В связи с небольшой величиной сила Р_пп обычно не оказывает существенного влияния на напряжённо-деформированное состояние деталей двигателя. Как и сила давления газов в цилиндре, сила давления газов в подпоршневой полости замкнута в корпусе двигателя и не передается на судовой фундамент.

Кроме того, детали КШМ создают постоянную по величине и направлению силу тяжести.

Движущая сила является результатом совместного действия сил давления газов в цилиндре Р_г, инерции поступательно движущихся масс Р_и, давления газов в подпоршневой полости Р_пп, и тяжести неуравновешенных масс КШМ Р_т. Все эти силы считаются приложенными к точке О₂ (рис. 3) и положительными, когда они направлены от оси О₂ к оси О.

Движущая сила действует вдоль оси цилиндра. Её величина определяет напряжённо-деформированное состояние деталей головного соединения.

Размах колебаний силы Р_и возрастает при повышении частоты вращения вала или при увеличении массы поступательно движущихся частей. Это приводит к снижению максимальной движущей силы при неизменном среднем её значении, благоприятно влияет на наибольшие величины напряжений в деталях и условия работы узлов трения КШМ, однако вызывает повышение растягивающей нагрузки на шатунные болты четырёхтактного двигателя. Эти обстоятельства при выборе масс и материалов деталей при проектировании КШМ, а также следует учитывать при выборе режимов работы эксплуатируемого двигателя.

При вращении кривошипа и соответствующем отклонении оси шатуна от сои цилиндра, движущая сила раскладывается на две составляющие: нормальную, действующую перпендикулярно к оси цилиндра и силу, действующую по оси стержня шатуна и передаваемую шатуном через нижнюю головку на мотылёвую шейку вала.

У тронковых четырёхтактных двигателей вследствие изменения направления действия нормальной силы за один оборот коленчатого вала поршень обычно совершает шесть (у некоторых быстроходных двигателей – восемь) поперечных перекладок между противоположными сторонами цилиндровой втулки. Такие колебания поршня вызывают вибрацию и повышенный износ рабочей поверхности втулки, особенно высокий в её верхнем поясе трения, где нормальная сила трения имеет большую величину. Кроме того, такой характер действия нормальной силы отрицательно сказывается на ресурсе головного соединения, поршневых колец и их канавок в поршне.

С увеличением силы инерции поступательно движущихся масс растёт размах колебания силы N на тактах сжатия, газообмена и при движении поршня в районе НМТ. У крейцкопфных двигателей это не отражается на работе цилиндропоршневой группы, а у тронковых двигателей вызывает увеличение амплитуды поперечных колебаний втулки, как в её верхнем поясе, так и в нижнем. Повышенные величины силы N, особенно в период движения поршня в нижнем поясе втулки, нежелательны из-за увеличения переменного поперечного момента, который раскачивает втулку относительно опорного бурта, защемлённого между крышкой и блоком цилиндров. В результате такого действия силы N и соответствующего момента возможно появление трещин усталостного характера в галтели под буртом цилиндровой втулки, постепенное развитие которых приводит к обрыву бурта.

Сила N создаёт опрокидывающий момент, который воэбуждает боковые ( поперечные) колебания корпуса двигателя – раскачивание на судовом фундаменте, нагружая блок цилиндров, станину, фундаментную раму, анкерные связи, болты креплении фундаментной рамы к судовому фундаменту и судовой фундамент.

Сила Р_пп переносится по шатуну на мотылёвую шейку и является основной составляющей нагрузок на стержень и головку шатуна, мотылёвые и рамовые шейки и подшипники коленчатого вала. Характер её действия и величина определяют напряжённое состояние и деформации шеек и щёк кривошипа, условия трения на поверхностях шеек и вкладышей подшипников. Максимальная величина этой силы уменьшается при увеличении силы инерции поступательно движущихся масс, что может быть обусловлено как увеличением массы поступательно движущихся деталей, так и повышением частоты вращения коленчатого вала.

В центре мотылёвой шейки О₁ сила Р_m раскладывается на две составляющие: радиальную R и касательную T.

Радиальная сила действует на мотылёвую шейку и передаётся через рамовую шейку на вкладыши и постель подшипника. Она вызывает изгиб мотылёвой шейки, деформацию щёк и рамовых шеек. Её положительное направление соответствует направлению от оси О₁ к оси О.

Касательная (или тангенциальная) сила действует по касательной к окружности вращения точки О₁. её положительное направление совпадает с направлением вращения вала. Она вызывает изгиб щёк кривошипа и скручивание рамовых шеек вала.

Рис. 3 Схема КШМ двигателя и действующих сил.

Приведённая к площади поршня (удельная) движущая сила р_д является результатом совместного действия следующих удельных сил:

р_д=р_г+р_и+р_пп+р_т

где р_г – давление газов в цилиндре; р_и – сила инерции поступательно движущихся масс; р_пп – сила давления воздуха в подпоршневой полости или картере двигателя; р_т – сила тяжести движущихся масс КШМ.

Давление в подпоршневой полости р_пп , действуя на поршень снизу вверх, создаёт силу, направленную вверх и поэтому имеющую отрицательное значение. При расчёте силы можно полагать, что давление постоянно и равно атмосферному давлению р_пп=р_о у всех двигателей, за исключением тех случаев, когда подпоршневые полости используются для сжатия воздуха и р_пп=р_s.

Удельную силу тяжести определяют по уравнению:

р_т=(m_пд+m_вр)g,

где m_пд и m_вр – приведённые массы поступательно и вращательно движущихся частей КШМ соответственно.

В двигателе 6ЧН42/48 момент относительно оси вращения коленчатого вала от неуравновешенных вращающихся масс равен моменту, создаваемому противовесами, поэтому сила тяжести будет определяться только массами поступательно движущихся элементов.

М_п.д.= 235+67,5 = 302,5 кг.

m_п.д.=М_п.д./F_п=392,5 /0,14=2161 кг/м².

р_т=2161·9,81·10^-6=0,0506 МПа.

Результаты расчёта представлены в приложении 1.