Архив WinRAR_1 / 2 - Двигатели / 46 - силы в КШМ

Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Задачей динамического расчета двигателя является определение сил и моментов, действующих в двигателе, которые необходимы для расчета деталей на прочность, износостойкость и расчета подшипников.

Рассмотрим силы, действующие в аксиальном кривошипно-шатунном механизме поршневого ДВС. Для дезаксиальных кривошипно-шатунных механизмов при небольших значениях дезаксиала (z = a/R < 0.1) соотношения примерно такие же, как и для аксиальных.

При расчете все массы для удобства относят к единице площади поршня. В этом случае их обычно называют удельными, они имеют размерность давления. Удельные силы и моменты позволяют более полно характеризовать нагруженность данного двигателя и другие его свойства. Значения полных сил и масс определяют умножением удельных сил на площадь поршня.

Общая масса движущихся элементов кривошипно-шатунного механизма распределяется между массой, движущейся возвратно-поступательно в направлении оси цилиндра m_j, и массой m_R, приведенной к оси шатунной шейки коленчатого вала, между которыми предполагается абсолютно жесткая связь.

Приведенная масса поcтупательно-движущихся масс m_j складывается из массы поршневого комплекта и массы части шатуна, отнесенной к поступательно движущимся частям. Массу шатуна условно делят на две части. Одну из них m_шп считают сосредоточенной на оси поршневого пальца и относят к поступательно движущимся частям, другую m_шк – на оси шатунной шейки коленчатого вала и относят к вращающимся частям. Для автомобильных и тракторных двигателей обычно принимают m_шп = (0.18 …0.32)m_ш, где m_ш – масса шатуна.

Приведенная масса поcтупательно движущихся масс m_j для современных автотракторных двигателей лежит в пределах 100…500 кг/м² для карбюраторных двигателей и 300…550 кг/м² для дизелей.

На поршень действуют газовые силы, значение которых можно определить по результатам теплового расчета, и силы инерции. Сила инерции вычисляется в соответствии с выражением

p_j = - m_j j.

В соответствии с рассмотренными ранее кинематическими зависимостями силы инерции поступательно движущихся масс для аксиального кривошипно-шатунного механизма определяются по формуле

p_j = -m_jR²(cos + cos2).

Cилу инерции можно представить как сумму двух составляющих сил: силы p_j1 инерции первого порядка и силы p_j2 инерции второго порядка в соответствии с зависимостями

p_j1 = -m_jR²cos; p_j2 = -m_jR²cos2.

Обозначая K_j = m_jR², получим

p_j1 = -K_jcos; p_j2 = -K_jcos2.

В расчетах силы давления газов, действующей на поршень, разрежением при впуске и избыточным давлением при выпуске в четырехтактном двигателе без наддува можно пренебречь вследствие их малости. Для двигателей одностороннего действия, каковыми являются практически все автотракторные двигатели, суммарная газовая сила определяется как

p_г = p_ц – p_o,

где p_ц – давление в цилиндре в соответствии с тепловым расчетом для текущего значения угла поворота кривошипа;

p_o – давление под поршнем (давление в картере двигателя).

Тогда суммарная сила составит

p = p_г + p_j.

Типовой график изменения газовой силы, силы инерции и суммарной силы, действующей на поршень, по углу поворота кривошипа четырехтактного ДВС представлен на рис.19.1.

Р ис.19.1. Сила давления газов, сила инерции и суммарная силы, действующие на поршень

Суммарную силу, действующую вдоль оси цилиндра, раскладываем на две составляющие – нормальную к оси цилиндра N и силу, действующую вдоль шатуна S, как это показано на рис.19.2.

Тогда силы N и S определятся как

N = p  tg ;

S = p / cos .

Р ис.19.2. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Силу S, приложенную в центре шатунной шейки коленчатого вала, можно разложить на две составляющие – радиальную K и тангенциальную T, определяемые из выражений

K = p  cos ( + ) / cos ;

T = p  sin ( + ) / cos .

В расчетах силы давления газов, действующей на поршень, разрежением при впуске и избыточным давлением при выпуске в четырехтактном двигателе без наддува можно пренебречь вследствие их малости. Типовой график изменения перечисленных сил по углу поворота кривошипа четырехтактного ДВС представлен на рис.19.3.

Сила T – единственная сила, создающая крутящий момент, определяемый из выражения

M_кр = T • F_п • R,

где F_п – площадь поршня;

R – радиус кривошипа.

Этот крутящий момент передает энергию потребителю и совершает полезную работу. Остальные силы нагружают детали двигателя и полезной работы не производят.

Крутящий момент равен по величине и противоположен по направлению опрокидывающему моменту

m_кр = m_оп = N • F_п • h.

Опрокидывающий момент неуравновешен и вызывает вибрацию двигателя на опорах. Этот момент учитывают при проектировании подвески двигателя и подмоторной рамы.

Рис.19.3. Изменение сил в КШМ по углу поворота кривошипа

Для количественной оценки неравномерности крутящего момента двигателя вводят коэффициент неравномерности крутящего момента

 = (M_max – M_min)/M_ср.

Этот коэффициент составляет ~12 для одноцилиндровых двигателей, ~6,8 - для 4-цилиндровых, ~2.2 - для 6-цилиндровых, ~1.4 - для 8-цилиндровых и всего 0.28 - для 12-цилиндровых при равномерном чередовании рабочих ходов перечисленных двигателей.