3. Порядок выполнения динамического расчёта

3.1. Исходные данные

Динамический расчёт автомобильного двигателя заключается в определении сил, действующих на детали кривошипно-шатунного механизма.

Исходными данными для динамического расчёта двигателя являются результаты теплового расчёта.

Дополнительно выбираются и рассчитываются следующие параметры:

— отношение радиуса кривошипа к длине шатуна . Для автотракторных двигателей значения  лежат в пределах 0,23-0,30. При выборе  для проектируемого двигателя необходимо указать, из каких соображений принято то или иное значение;

— конструктивная или относительная масса поршневой группы (масса, отнесённая к единице площади днища поршня) m'_п, кг/м²;

— конструктивная масса шатунной группы m'_ш, кг/м²;

— конструктивная масса колена вала m'_к, кг/м².

При выборе этих значений учитывается тип двигателя, материал поршня, диаметр цилиндра и быстроходность двигателя. Выбор конструктивных масс m'_п, m'_ш и m'_к осуществляется по данным справочной литературы [1, табл. 8.1];

— конструктивная масса шатунной группы, сосредоточенная на оси поршневого пальца m'_шп, кг/м²

;

— конструктивная масса шатунной группы, сосредоточенная на оси шатунной шейки m'_шк, кг/м²

;

— конструктивная масса возвратно-поступательно движущихся частей кривошипно-шатунного механизма m'_j, кг/м²

;

— конструктивная масса неуравновешенных вращающихся частей КШМ m'_R, кг/м²

.

3.2. Последовательность расчёта

После выбора всех дополнительных величин приступают к динамическому расчёту, результаты которого сводятся в табл. 3. По данным таблицы строятся соответствующие графики и диаграммы. Ниже приводятся пояснения к заполнению таблицы результатов динамического расчёта двигателя.

Таблица 3

Результаты динамического расчёта автомобильного двигателя

Такты	, 	s, мм	v, м/с	j, м/с2	pг-p0, МПа	pj, МПа	p, МПа	pТ, МПа	Мкрi, Нм	pк, МПа	pR, МПа	p, МПа	pшш, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
впуск	0
	15
	30
	…
	180
сжатие	195
	210
	…

Графа 1.Такты.

Для четырёхтактных двигателей в этой графе проставляются такты: впуск — в пределах от 0 до 180 поворота коленчатого вала (п.к.в.); сжатие — в пределах от 180 до 360 п.к.в.; расширение — в пределах от 360 до 540 п.к.в.; выпуск — в пределах от 540 до 720 п.к.в.

Графа 2.Угол поворота коленчатого вала , .

Углы задаются от 0 до 720 через 15.

Графа 3.Текущее перемещение поршня s, мм.

Перемещение поршня определяется по формуле

, (60)

где S — ход поршня, мм (из теплового расчёта).

Для построения в дальнейшем развёрнутой индикаторной диаграммы в координатах p— полученные величины перемещения поршня s в соответствующем масштабе откладываются от ВМТ в виде отрезков на горизонтальной линии, проведённой под свёрнутой индикаторной диаграммой, полученной в результате теплового расчёта. Концы этих отрезков обозначаются соответствующим значением  (0, 15, 30 и т.д.). Из концов отрезков проводятся тонкие вертикальные линии до пересечения с полным контуром диаграммы.

Графа 4.Скорость поршня v, м/с.

Скорость поршня вычисляется по формуле

, (61)

где  — угловая скорость коленчатого вала, с^-1, .

Графа 5.Ускорение поршня j, м/с².

Ускорение поршня определяется по формуле

. (62)

Графа 6. Избыточное давление газов в цилиндре p_г-p₀, МПа.

Значение избыточного давления определяется по свёрнутой индикаторной диаграмме величиной вертикального отрезка, заключённого между линией атмосферного давления p₀ и линией контура индикаторной диаграммы в точках, соответствующих углу . Для получения значения p_г-p₀ в МПа нужно линейную величину отрезка в миллиметрах умножить на масштаб давления М(p), выбранный в п. 2.11.

При заполнении графы 6 и в дальнейшем, во избежание ошибок, следует твёрдо придерживаться определённого правила знаков, указывающих направление действия сил и моментов:

— для сил, действующих вдоль оси цилиндра (газовой нагрузки p_г-p₀, удельной силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс p_j, суммарной нагрузки p), — сила положительна (+), если она направлена к оси коленчатого вала, и отрицательна (-), если направлена от оси вала;

— для тангенциальных сил и крутящих моментов — сила или момент положительны, если они действуют по направлению вращения кривошипа, и отрицательны, если действуют против вращения;

— для сил, действующих по оси кривошипа, — сила положительна, если она сжимает щеку кривошипа, и отрицательна, если растягивает её.

Графа 7. Удельная сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс КШМ p_j, МПа.

Сила инерции определяется на основании второго закона Ньютона:

. (63)

Знаки величин p_j и j всегда противоположны.

Графа 8. Суммарная удельная сила, действующая на поршень, p, МПа.

Величина p подсчитывается как алгебраическая сумма p_г-p₀ и p_j с их знаками (так как обе силы всегда направлены вдоль одной прямой — по оси цилиндра):

. (64)

Графа 9. Удельная тангенциальная сила, действующая на шатунную шейку, p_Т, МПа.

Удельная тангенциальная сила вычисляется по формуле

. (65)

Графа 10. Индикаторный крутящий момент одного цилиндра М_крi, Нм.

Индикаторный крутящий момент равен произведению полной тангенциальной силы на радиус кривошипа:

, (66)

где D — диаметр цилиндра, мм (из теплового расчёта).

Графа 11. Удельная радиальная сила, действующая на шатунную шейку, p_к, МПа.

Удельная радиальная сила определяется по формуле

. (67)

Графа 12. Удельная центробежная сила инерции вращающихся масс p_R, МПа.

Удельная центробежная сила инерции определяется на основании второго закона Ньютона как произведение массы (конструктивной) на нормальное ускорение:

. (68)

Графа 13. Суммарная удельная радиальная сила, приложенная к шатунной шейке, p_, МПа.

Величина p_ является алгебраической суммой удельной радиальной и удельной центробежной сил, так как обе силы действуют по радиусу кривошипа:

. (69)

Графа 14. Результирующая удельная сила, действующая на шатунную шейку, p_шш, МПа.

Результирующая удельная сила равна геометрической сумме тангенциальной и радиальной сил:

. (70)