2.2 Розрахунок сил, що діють у кшм

Схема сил, що діють у центральному КШМ, зображена на рисунку 2.2. Вихідною є сумарна сила Р, що діє на поршень. Вона є сумою сили тиску газів Р_г, що діє на днище поршня, і сил інерції Р_j мас деталей, що рухаються поступально:

(2.9)

Розглянемо докладніше дію сили тиску газів на поршень і сил інерції мас, що рухаються.

Сили тиску газів, що діють на днище поршня, заміняють однією силою, яка спрямована вздовж осі циліндра і прикладена до осі поршневого пальця, Р_г, Н:

(2.10)

де p_ц – значення тиску газів у циліндрі, МПа;

p₀ – атмосферний тиск, МПа.

Значення тиску газів у циліндрі р_ц визначають за індикаторною діаграмою, яку побудовано за результатами теплового розрахунку двигуна. При цьому:

для  = (0180) р_ц = р_а (р_а – тиск на впуску);

для  = (180360) р_ц = р_сі (р_сі – тиск за політропою стиску);

для  = (360540) р_ц = р_zі (р_zі – тиск за політропою розширення);

для  = (540720) р_ц = р_r (р_r – тиск відпрацьованих газів).

Величини р_сі і р_zі визначаються за тими же рівняннями політропних процесів, що й у тепловому розрахунку, але величина V_i, л, що входить у ці рівняння, перерозраховується по куту  за формулою (2.11):

(2.11)

Рисунок 2.2 – Схема сил і моментів, що діють у кривошипно-шатунному механізмі

Сила інерції деталей КШМ, що рухаються поступально, Р_j ,Н:

. (2.12)

Значення прискорень j у діапазоні кутів 360÷720º п.к.в. такі ж самі, як і для діапазону 0÷360º за результатами кінематичного розрахунку (оскільки прийнято =const).

Силу Р, Н (рисунок 2.2), що діє уздовж осі циліндра, можна розкласти на дві складові: бічну силу N, Н (формула (2.13)), що перпендикулярна до осі циліндра і силу S, Н (формула (2.14)), що спрямована уздовж осі шатуна:

(2.13)

, (2.14)

де  – кут відхилення осі шатуна від осі циліндра, º (формула (1.6)).

Cилу S переносять по лінії її дії в центр шатунної шийки кривошипа і розкладають також на дві складові (рисунок 2.2) – нормальну (кривошипну) силу K, Н, що спрямована по радіусу кривошипа (формула (2.15)), та тангенціальну силу, Т, Н, яка є дотичною до окружності радіуса кривошипа (формула (2.16)):

(2.15)

(2.16)

Крутний момент двигуна М_кр, Н·м, створюється силою Т:

(2.17)

Цей момент передається через колінчастий вал на маховик і трансмісію автомобіля.

Результати розрахунку оформлюють у вигляді таблиці, приклад якої наведено у таблиці 2.3. Обчислюють наступні величини:

Р_г – сила тиску газів, Н;

Р_j – сила інерції мас, які рухаються поступально, Н;

Р – сумарна сила, що діє на поршень, Н;

N – сила, що діє перпендикулярно до осі циліндра, Н;

S – сила, що діє уздовж осі шатуна, Н;

К – сила, що діє по радіусу кривошипа, Н;

Т – тангенціальна сила, яка спрямована перпендикулярно радіусу кривошипа, Н;

М_кр – крутний момент на кривошипі, Н·м.

За результатами динамічних розрахунків будують графіки (рисунки 2.3÷2.7). Сили Р_j, Р_г, Р, N, Т, К, S будують в однаковому для усіх величин масштабі. При побудові графіків масштаб підбирають таким чином, щоб графіки не перетиналися і були розташовані рівномірно по листу. Розрахунок для точки 360º п.к.в. треба виконати двічі (таблиця 2.3) – спочатку за рівнянням політропи стиску, а потім за рівнянням політропи розширення. Таким чином, крива газової сили (рисунок 2.3) буде мати ізохору. У дизельних двигунів для отримання ізобарної складової процесу згоряння приймають значення Р_г при 370º таким само, як і при 360º за процесом розширення.

Таблиця 2.3 – Результати динамічного розрахунку

,º	, º	Vi, л	pц, МПа	Pг,Н	Pj, Н	Р, Н	N, Н	S, Н	K, Н	Т, Н	Mкр, Н·м
0
10
…
…
360			(pc)
360			(pz)
…
…
720

Рисунок 2.3 – Залежності сили тиску газів, сили інерції і сумарної сили від кута повороту колінчастого вала (бензиновий ДВЗ)

Рисунок 2.4 – Залежності сили тиску газів, сили інерції і сумарної сили від кута повороту колінчастого вала (дизельний ДВЗ)

Рисунок 2.5 – Залежності бічної сили та сили, що діє уздовж осі шатуна, від кута повороту колінчастого вала (бензиновий ДВЗ).

Рисунок 2.6 – Залежності нормальної та тангенціальної сил від кута повороту колінчастого вала (бензиновий ДВЗ).