Силы, действующие в кшм

Сила Р. Действующая на поршень, может быть разложена на составляющие: Р_ш, направленную вдоль оси шатуна, и Р_н – перпендикулярно (нормально) оси цилиндра (рис. 1). Для большей общности в расчете используются также удельные силы.

Удельная нормальная сила выражается как

р_н=рtgβ, (1)

где β=arcsin(λsinφ) – угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра. Сила Р_н оказывает влияние на трение и износ поверхностей цилиндра и поршня. Сопутствующим фактором при этом является скорость движения поршня, которая изменяет величину и направление силы. Ранее отмечалось, что обычно силы трения и скорость поршня при динамическом расчете не учитывают, но они оказывают большое влияние на характер и величину износа. Сила Р_н считается положительной, если она направлена влево.

Сила, действующая вдоль оси шатуна, имеет вид

р_ш=, (2)

Рисунок 1. Силы, действующие в КШМ.

За цикл сила Р_ш, изменяя величину и направление, вызывает растяжение, сжатие и продольный изгиб шатуна. Она положительна, если сжимает шатун.

Силу Р_ш перенесем вдоль оси шатуна и приложим к оси шатунной шейки. В результате разложения получим составляющие, действующие по оси кривошипа Р_z и перпендикулярно его оси (касательную) Р_т.

Сила, действующая по оси кривошипа, имеет выражение

p_z=p, (3)

Сила P_z, изменяя величину и направление, вызывает сжатие и растяжение щек кривошипа. Она положительна, если сжимает щеки вала.

Удельная тангенциальная сила находится из соотношения

p_т=p, (4)

Сила Р_т, изменяя величину и направление, вызывает изгиб щек, кроме того, приложенная к шатунной шейке, она создает крутящий момент двигателя. Сила Р_т считается положительной, если создаваемый ею моментимеет направление, совпадающее с направлением вращения вала.

Удельная сила инерции вращающейся массы шатуна определяется формулой

p_c=, (5)

где m₂ – часть массы шатуна, приведенная к оси шатунной шейки. Сила р_с действует по радиусу кривошипа, имеет неизменное направление и значение.

Силы, действующие на шатунную шейку. Шатунная шейка нагружена силой р_ш и центробежной силой инерции р_с(рис.2). Эти силы определяют прочность и износ шатунных и коренных шеек, а также их подшипников. Анализируя картину их действия, условно принимают колено вала неподвижным, а цилиндр вращающимся в направлении, обратном угловой скорости вращения коленчатого вала, но при этом абсолютное значение скорости вращения сохраняется. Может использоваться графический или расчетный метод построения диаграммы. Ниже рассмотрен последний, поскольку он позволяет полностью выполнить расчет с помощью ЭВМ.

Рисунок 2. Силы, действующие на шатунную шейку

Исходя из значений p_z и р_с, определим их схему

p_zc= p_z + р_с, (6)

Результирующая сила, действующая на шатунную шейку, имеет вид

q_ш.ш.=, (7)

Векторная диаграмма сил, действующих на шатунную шейку

Векторная диаграмма позволяет судить о величине и направлении сил, действующих на шатунную шейку при разных значениях угла поворота кривошипа. Ее построение осуществляется следующим образом. По оси абцисс прямоугольной системы координат откладывают значения силы р_т, принимая за положительное направление от ноля вправо, по оси ординат – значение силы p_zc, принимая за положительное, - направление к оси коренной шейки.

Откладывая р_т и p_zc, соответствующие определенному значению угла поворота коленчатого вала, определяют их равнодействующую, конец которой обозначают точкой, помеченной номером или указанием угла поворота кривошипа, которому она соответствует. Выполнив такие построения для всех значений углов расчетного цикла, проводят через точки концов векторов кривую, которая является векторной диаграммой сил, действующих на шатунную шейку (рисунок 3).

Векторная диаграмма сил, действующих на шатунную шейку

Динамический расчет в объеме данной курсовой работы заканчивается анализом диаграммы предполагаемого износа шатунной шейки, которая, в свою очередь, строится при помощи векторной диаграммы сил.