Сили, що діють на деталі механізмів ДВЗ

Газові сили від тиску газів Р_г у циліндрі двигуна сприймаються поршнем і передаються шатуну через поршневий палець. До цих сил додаються сили інерції P_j, що виникають від прискореного руху мас, пов'язаних з поршнем. Сумарна сила Р_с прикладена до поршневого пальця по осі циліндра. Через нахил осі шатуна до осі циліндра β виникає бокова складова сила N = P_с·tgβ, що притискає поршень до дзеркала циліндра. Через стрижень шатуна передається сила P_c/cosβ, яка є складовою навантаження на шатунну шийку колінчастого валу. Друга складова навантаження на шатунну шийку – сила інерції від мас m_r, що обертаються разом з шатунною шийкою. Цими масами є частина маси шатуна та маса шатунного підшипника. Для визначення сумарного навантаження від дії цих сил потрібно знайти їх векторну суму. Напрямок дії сили інерції мас, що обертаються разом з шатунною шийкою, – по осі кривошипа (під кутом α до осі циліндра). Навантаження на щоки колінчастого валу (KB) складається з означеної векторної суми сил плюс сили інерції від маси самої шатунної шийки. На корінні підшипники навантаження збільшується за рахунок сил інерції від обертання мас щік KB.

Рисунок 7.1. Схема сил, які діють у кривошипно-шатунному механізмі поршневого двигуна

Сила тиску газів на поршень з боку камеризгорання (її визначають за індикаторною діаграмою)

P _г = р _г F_п

где р_г — тиск газів в циліндрі, МПа; F_п — площа поршня, м².

Сила тиску газів з боку картера (цей тиск зазвичай дорівнює атмосферному р₀)

Р₀ = р₀F_п

Сила інерції зворотно-поступально рухомих частин дорівнює добутку маси цих частин на їх прискорення в даний момент часу:

P_j = — mj = — mrω² (cosφ + cos2φ)

де m = m_пк + 0,275m_ш; m_пк — маса поршня та інших деталей, що рухаються поступально;

m_ш — маса верхньої головки шатуна, зазвичай приймаємо 0,2...0,3 від маси всього шатуна;

r —радіус кривошипа;

ω и φ — відповідно частота обертанняікут повороту колінчастого валу.

Сумарна сила, діюча на поршень,

P_{с =} P_г - P_{0 +}P_j

Сила Р_с, прикладена до осі поршневого пальця і спрямована по осі циліндра, може бути розкладена на силу N, що діє перпендикулярно осі циліндра, і силу Р_ш діючу по осі шатуна

Сила N притискає поршень до стінки циліндра, що викликає знос поверхонь. Вона змінюється за значенням і напрямком, по черзі притискаючи поршень то до однієї, то до іншої сторони циліндра.

Силу Рш перенесену на вісь шатунної шийки, можна розкласти на дотичну силу Т_s, що діє перпендикулярно кривошипа колінчастого валу, і радіальну силу Z, спрямовану на осі кривошипа:

Т_s=Р_с [sin(φ + β)/cos β]; Z_s=Р_с [sin(φ + β)/cos β],

де β — кут відхилення шатуна від вісі циліндра.

Обертаючий момент на валу двигуна, необхідний для здійснення корисної роботи

M_вр = Тr.

Робота дотичних сил витрачається на подолання сил опору і зміни частоти обертання колінчастого вала. В період робочого ходу відбувається корисна робота і збільшується частота обертання колінчастого валу. Надлишкова енергія акумулюється усіма обертовими частинами, головним чином маховиком і двигуном, і повертається в систему, коли її не вистачає при протіканні інших тактів двигуна. Чим більше момент інерції маховика і число циліндрів, тим рівномірніше обертається вал двигуна.

Сила N на плечі L створює реактивний (перекидаючий) момент, який прагне перекинути двигун. Він дорівнює обертальному моменту за значенням, але протилежним за напрямом. Перекидаючий момент сприймається опорами і викликає коливання всього двигуна.

Обертові частини (шатуна шийка колінчастого валу і частина шатуна, віднесена до осі шатунної шийки колінчастого валу) створюють відцентрову силу Р_s = — mrω². Ця сила, спрямована від центру обертання по осі кривошипа, разом з радіальною силою Z_s навантажує підшипники колінчастого вала. Відцентрова сила Р_s зазвичай врівноважується відцентровою силою противаг Рs.п, установлених на колінчастому валу з протилежного боку шатунної шийки, або за рахунок зміни форми колінчастого вала.

Всі сили і моменти, що виникають при роботі поршневих ДВЗ, безперервно змінюючись за значенням і напрямом, передаються на опори двигуна і раму енергетичног засобу. При цьому виникають вібрації, які знижують ефективну потужність і паливну економічність (внаслідок витрат енергії на збудження вібрації і додаткових механічних втрат), послаблюються кріплення агрегатів і деталей (що прискорює в результаті зношування деталей), порушуються регулювання, знижується надійність контрольно-вимірювальних приладів.

Тому зменшення впливу змінних сил і моментів, діючих на двигун, відноситься до числа основних вимог, що пред'являються в ДВС.