Силы, действующие на детали кривошипно-шатунного механизма.

Силы, действующие в двигателе внутреннего сгорания, можно разделить на движущие силы, силы инерции и силы сопротивления. Движущие силы — это силы давления газов в цилиндре. Силы инерции образуют возвратно-поступательно движущиеся и вращающиеся части двигателя. Силы сопротивления делят на силы сопротивления потребителя энергии двигателя и силы трения в KШM (поршня и поршневых колец о стенку цилиндра, в подшипниках и т. п.), на преодоление которых затрачивается дополнительная работа.

Главными силами считают силы давления газов, силы инерции в двигателе и силы сопротивления потребителя энергии, совершающие полезную работу. Все силы, действующие в двигателе, изменяются во времени.

Силовые схемы двигателей с жидкостным охлаждением: а — с несущим блоком цилиндров, б — с несущей рубашкой; в — с несущими силовыми шпильками

Схема сил, действующих на кривошипно-шатунный механизм, показана на рисунке 4.4. Направление сил к центру кривошипа принято за положительное.

Рисунок 4.4. Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Сила давления газов на поршень со стороны камеры сгорания (ее определяют по индикаторной диаграмме)

P_г = р_гF_п

где р_г — давление газов в цилиндре, МПа; F_п — площадь поршня, м².

Сила давления газов со стороны картера (это давление обычно равно атмосферному р₀)

Р₀ = р₀F_п

Сила инерции возвратно-поступательно движущихся частей равна произведению массы этих частей на их ускорение в данный момент времени:

P_j = — mj = — mrω² (cosφ + cos2φ)

где m = m_пк + 0,275m_ш; m_пк — масса поршня и других деталей, движущихся поступательно; m_ш — масса верхней головки шатуна, обычно принимаемая равной 0,2...0,3 массы всего шатуна; r —радиус кривошипа; ω и φ — соответственно частота вращения и угол поворота коленчатого вала.

Суммарная сила, действующая на поршень,

P_{l =} P_г - P_{0 +}P_j

Сила P_l, приложенная к оси поршневого пальца и направленная по оси цилиндра, может быть разложена на силу N, действующую перпендикулярно оси цилиндра, и силу Р_t действующую по оси шатуна.

Сила N прижимает поршень к стенке цилиндра, что вызывает износ их поверхностей. Она изменяется по значению и направлению, поочередно прижимая поршень то к одной, то к другой стороне цилиндра.

Силу Р_t перенесенную на ось шатунной шейки, можно разложить на касательную силу Т, действующую перпендикулярно кривошипу коленчатого вала, и радиальную силу Z, направленную по оси кривошипа:

Т=Р_l [sin(φ + β)/cos β]; Z=Р_l [sin(φ + β)/cos β],

где β — угол отклонения шатуна от оси цилиндра.

Вращающий момент на валу двигателя, необходимый для совершения полезной работы,

M_вр = Тr.

Работа касательных сил затрачивается на преодоление сил сопротивления и изменение частоты вращения коленчатого вала. В период рабочего хода совершается полезная работа и увеличивается частота вращения коленчатого вала. Избыточная энергия аккумулируется всеми вращающимися частями, главным образом маховиком и потребителем энергии, и возвращается в систему, когда ее не хватает при совершении других тактов двигателя. Чем больше момент инерции маховика и число цилиндров, тем равномернее вращается вал двигателя.

Сила N на плече L создает реактивный (опрокидывающий) момент, который стремится опрокинуть двигатель. Он равен вращающему моменту по значению, но противоположен по направлению. Опрокидывающий момент воспринимается опорами и вызывает колебания всего двигателя.

Вращающиеся части (шатунная шейка коленчатого вала и часть шатуна, отнесенная к оси шатунной шейки коленчатого вала) создают центробежную силу Р_с = — mrω². Эта сила, направленная от центра вращения по оси кривошипа, вместе с радиальной силой Z нагружает подшипники коленчатого вала. Центробежная сила Р_с обычно уравновешивается центробежной силой противовесов Р_с.п, устанавливаемых на коленчатом валу с противоположной стороны шатунной шейки, или за счет изменения формы коленчатого вала.

Все силы и моменты, возникающие при работе поршневых ДВС, непрерывно изменяясь по значению и направлению, передаются на опоры двигателя и раму автомобиля. При этом возникают вибрации, снижающие эффективную мощность и топливную экономичность (вследствие затрат энергии на возбуждение вибрации и дополнительных механических потерь), ослабляются крепления агрегатов и деталей (что ускоряет в итоге износ деталей), нарушаются регулировки, снижается надежность контрольно-измерительных приборов.

Поэтому уменьшение влияния переменных сил и моментов, действующих на двигатель, относится к числу основных требований, предъявляемых в ДВС.