4.1 Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

Для упрощения динамического расчета действительный КШМ заменяется эквивалентной системой сосредоточенных масс (рисунок 4.2), которая состоит из массы m_J, совершающей возвратно-поступательное движение и сосредоточенной в точке А, и массы m_R, совершающей вращательное движение и сосредоточенной в точке В.

Сосредоточенные массы m_J, кг, и m_R, кг, определяются по формулам:

m_J = m_П + m_ШП; m_R = m_К + m_ШК, (4.3)

где m_П – масса поршневой группы, кг;

m_ШП – часть массы шатунной группы, сосредоточенная в точке А (на оси поршневого пальца), кг; m_ШП = 0,275  m_Ш;

m_ШК – часть массы шатунной группы, сосредоточенная в точке В (на оси кривошипа), кг; m_ШК = 0,725  m_Ш;

m_К – часть массы кривошипа, сосредоточенная в точке В.

Рисунок 4.2 – Схемы системы сосредоточенных масс, динамически эквивалентной кривошипно-шатунному механизму

Полная масса шатунной группы m_Ш, кг, равна:

m_Ш = m_ШП + m_ШК. (4.4)

Часть массы кривошипа m_К, кг, определяется по формуле

m_К = m_ШШ + 2 m_Щ  /r, (4.5)

где m_ШШ – масса шатунной шейки с прилегающими частями щек, кг;

m_Щ – масса средней части щеки, заключенная в контуре abсd, центр тяжести которой расположен на расстоянии  от оси вращения вала.

Для приближенного определения значений m_П и m_Ш следует использовать конструктивные массы m_i' (массы, отнесенные к площади поршня), значения которых представлены в [1, таблица 4.1], то есть по формулам:

m_П = m_П'  F_П = 150  0,006289 ≈ 0,94 кг;

m_Ш = m_Ш'  F_П = 250  0,006289 ≈ 1,57 кг. (4.6)

По формуле (4.3) получаем:

m_J = 0,94 + 0,275  1,57 _≈ 1,376 кг.

4.2 Расчет сил инерции

Силы инерции, действующие в КШМ, в соответствии с характером движения приведенных масс (см. рисунок 4.1) подразделяются на силы инерции поступательно движущихся масс Р_J и центробежные силы инерции вращающихся масс K_R.

Значение силы Р_J , Н, определяется по формуле

Р_J = – m_J  j, (4.7)

где j – ускорение поршня, м/с². Причем:

j = r  (cos  + λcos 2). (4.8)

Значение силы K_R, Н, определяется по формуле

K_R = – m_R  r . (4.9)

Центробежная сила инерции К_R является результирующей двух сил:

– силы инерции вращающихся масс шатуна К_RШ, Н, равной:

К_RШ = = – 1,51 МПа; (4.10)

– силы инерции вращающихся масс кривошипа K_RK, Н, равной:

K_RK = – m_К  r . (4.11)

Силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс Р_J действуют по оси цилиндра и как силы давления газов, являются положительными, если направлены к оси коленчатого вала. Центробежная сила инерции K_R действует по радиусу кривошипа и направлена от оси коленчатого вала.

4.3 Расчет суммарных сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Суммарная сила Р, МПа, действующая в КШМ, определяется сложением удельных сил давления газов и возвратно-поступательно движущихся масс:

Р = Р_Г + Р_J. (4.12)

Суммарная сила Р, как и силы Р_Г и Р_J, направлена по оси цилиндра и приложена к оси поршневого пальца (см. рисунок 4.1). Воздействие от силы Р передается на стенки цилиндра перпендикулярно его оси и на шатун по направлению его оси.

4.4 Расчет сил, действующих на шатунную шейку коленчатого вала

Аналитически результирующая сила R_ШШ (рисунок 4.3), действующая на шатунную шейку V-образного двигателя (в случае, если учитывается действие сил со стороны только одного из двух расположенных рядом на шейке шатунов) равна:

R_ШШ = , (4.13)

где Р_К ­­– сила, действующая на шатунную шейку по кривошипу. Причем:

Р_К = К + К_RШ. (4.14)

Направление результирующей силы R_ШШ для различных положений коленчатого вала определяется углом  (tg  = Т / Р_К), заключенным между вектором R_ШШ и осью кривошипа.

4.5 Построение графиков сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме

Графики изменения сил, действующих в КШМ, в зависимости от угла  строятся в прямоугольной системе координат по данным динамического расчета на ЭВМ, полученным с помощью программы DWD4 (см. приложение А).

4.6 Построение диаграммы износа шатунной шейки

На основании полярной диаграммы нагрузки на шатунную шейку коленчатого вала на первом листе графической части построена диаграмма износа, которая дает наглядное представление о характере износа шейки по окружности и позволяет определить местоположение масляного отверстия.

Для упрощения расчета результирующих величин R_ШШ составлена таблица 4.1, в которую занесены значения сил R_ШШi, действующих по каждому лучу, и их сумма.

Таблица 4.1 – Результаты расчета износа шатунной шейки

, град	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
0	2.31	2.31	2.31	-	-	-	-	-	-	-	2.31	2.31
30	1.84	1.84	-	-	-	-	-	-	-	-	1.84	1.84
60	0.69	0.69	-	-	-	-	-	-	-	-	0.69	0.69
90	0.50	0.50	0.50	-	-	-	-	-	-	-	-	0.50
120	1.18	1.18	1.18	-	-	-	-	-	-	-	-	1.18
150	1.34	1.34	1.34	-	-	-	-	-	-	-	-	1.34
180	1.32	1.32	1.32	-	-	-	-	-	-	-	1.32	1.32
210	1.35	1.35	-	-	-	-	-	-	-	-	1.35	1.35
240	1.23	1.23	-	-	-	-	-	-	-	-	1.23	1.23
270	0.67	0.67	-	-	-	-	-	-	-	-	0.67	0.67
300	0.15	0.15	0.15	-	-	-	-	-	-	-	-	0.15
330	0.36	0.36	-	-	-	-	-	-	-	-	0.36	0.36
360	-	-	-	-	6.69	6.69	6.69	6.69	6.69	-	-	-
375	-	-	-	-	8.15	8.15	8.15	8.15	-	-	-	-
390	-	-	3.37	3.37	3.37	3.37	-	-	-	-	-	-
420	0.94	0.94	0.94	0.94	-	-	-	-	-	-	-	-
450	1.26	1.26	1.26	1.26	-	-	-	-	-	-	-	-
480	1.63	1.63	1.63	-	-	-	-	-	-	-	-	1.63
510	1.67	1.67	1.67	-	-	-	-	-	-	-	-	1.67
540	1.50	1.50	1.50	-	-	-	-	-	-	-	1.50	1.50
570	1.34	1.34	-	-	-	-	-	-	-	-	1.34	1.34
600	1.18	1.18	-	-	-	-	-	-	-	-	1.18	1.18
630	0.51	0.51	-	-	-	-	-	-	-	-	0.51	0.51
660	0.69	0.69	0.69	-	-	-	-	-	-	-	-	0.69
690	1.84	1.84	1.84	-	-	-	-	-	-	-	-	1.84
720	2.31	2.31	2.31	-	-	-	-	-	-	-	2.31	2.31
	27.81	27.81	22.01	5.57	18.21	18.21	14.84	14.84	6.69	-	16.61	25.61