Силы, действующие на коленчатый вал

Коленчатый вал воспринимает силы действия газов и силы инерции движущихся частей кривошипно-шатунного механизма. Они передаются на коленчатый вал через

поршень и шатун. Можно выделить следующие силы:

Р_г- сила давления газов на поршень,

Р_и- силы инерции движущихся частей,

Р_в- сила тяжести,

Р_пп- сила давления газов в подпоршневой полости.

Сила действия газов на поршень изменяется по углу поворота вала.Закон изменения давления газов в цилиндре двигателя в зависимости от угла поворота коленчатого вала обычно задается расчетной индикаторной диаграммой, которую по данным расчета рабочего цикла, или действительной диаграммой, снятой экспериментально с работающего дизеля.Сила давления газов на поршень изменяется периодически через 720 град. ПКВ у четырехтактных двигателей. Эта сила действует на поршень (+Р_г) и на крышку цилиндра (- Р_г); направление ее действия в сторону оси коленчатого вала считается положительным. Сила действия газов Р_г, отнесенная к единице площади поршня, т. е. приведенная к размерности давления газов Р_г, будет соответствовать этому давлению по углу ПКВ, т. е. индикаторная диаграмма при этом отражает характер ее изменения.

У дизелей с вертикальным расположением цилиндров силы тяжести, действуя по осям цилиндров, помогают движению при ходе поршня вниз (рабочий ход) и противодействуют при обратном ходе. Соответственно, работа сил тяжести Р_в за рабочий цикл дизеля равна нулю. Значение силы Р_в и ее направление не зависят от угла ПКВ, они постоянны, на диаграммах эта зависимость Р_в= f () изображается прямой линией, проходящей ниже оси абсцисс, с постоянной ординатой в масштабе чертежа, равной значению:

P_В = (m _В + m _П ) ^. g ^. 10 ^–6 = (1723+1277) ^. 9.81^. 10 ^{– 6} = 0,0294 МПа

Давление газов в подпоршневой полости, действуя на поршень снизу вверх, создает силу, направленную вверх и поэтому имеющую отрицательное значение. Для четырехтактных дизелей давление в подпоршневой полости постоянно и равно атмосферному Р_пп=0,103 МПа.

Все силы, действующие в КШМ дают равнодействующую - движущую силу Р_дв, которая действует вдоль оси цилиндра. Ее величина определяет напряженно-деформированное состояние подшипников.

Рисунок 3.6 – Схема сил, действующих в КШМ двигателя

Движущая сила меняется за цикл двигателя соответственно изменению сил Р_г и Р_и. При некотором повороте кривошипа на угол  сила Р_дв раскладывается на составляющие: нормальную N, направленную перпендикулярно оси цилиндра, и силу Р_ш, направленную вдоль шатуна.

При переносе силы Р_ш по направлению ее действия в центр кривошипной шейки(точка О₁) она раскладывается на две составляющие силы: касательную Т, направленную касательно в точке О₁ к траектории вращения центра мотылевой шейки, и радиальную R, направленную по мотылю к оси вращения коленчатого вала.

3.5.2.2 Расчет сил инерции, действующих в кривошипно-шатунном механизме

При работе дизеля в КШМ возникают и действуют силы инерции поступательно движущихся и вращающихся масс. Силы инерции возникают в связи с наличием ускорений деталей КШМ, в свою очередь эти ускорения вызываются переменной скоростью движения поршня.

Р исунок 3.7 – Силы, действующие в КШМ

Направление сил инерции противоположено направлению ускорений, вследствие чего в начале каждого хода поршня они противодействуют движению, а в конце хода помогают. Работа сил инерции за цикл равна нулю.

Сила инерции ПДМ определяется уравнением:

Первое слагаемое уравнения называют силами инерции первого порядка, второе слагаемое - силами инерции второго порядка:

;

Это уравнение является рабочим в графоаналитических расчетах динамики ДВС. Согласно ему силы инерции в мертвых положениях кривошипа составляют:

в ВМТ при  = 0 ;

в НМТ при  = 180

Вращение кривошипа и движение шатуна обуславливают действие в КШМ сил инерции неуравновешенных вращающихся масс. Она приложена к мотылевой шейке и вращаясь с каленчатым валом передается на фундаментную раму двигателя. Удельную силу инерции неуравновешенных вращающихся масс КШМ без противовесов определяют по уравнению:

Р _ВР = - m_ВР^. r ^. ^{2 .} 10^-6 = -1723 ^. 0,24^. 39,27^{2 .} 10^-6 = -0,638 МПа,

Значения движущей силы, силы инерции, силы давления газов, а также сил тяжести движущихся деталей и давления в подпоршневой полости при различных углах поворота коленчатого вала за рабочий цикл представлен на рисунке 3.7 и в таблице 3.6.