Определение сил и моментов, действующих в кривошипно-шатунном механизме (КШМ) двигателя, необходимо для расчета деталей на прочность, определения основных размеров подшипников, оценки уравновешенности, а также для сравнения его нагруженности с аналогичными серийно-вьшускаемыми двигателями.
Схема сил, действующих на детали КШМ двигателя приведена на рис.5. За время совершения полного рабочего цикла силы изменяются по величине и направлению в зависимости от угла поворота кривошипа коленчатого вала.
В данном проекте значения действующих сил определяются для ряда последовательных положений поршня в течение рабочего процесса при заданной угловой скорости коленчатого вала и номинальной мощности дизеля.
Расчет сил, действующих в кривошипно-шатунном механизме, ведется с использованием программы, разработанной студентом для построения индикаторной диаграммы. С этой целью в блок-схему программы (рис. 4.) вставляются дополнительные блоки с уравнениями сил, действующих в КШМ.
Рекомендуется следующий порядок расчета сил.
Задаются геометрическими размерами шатуна и радиуса кривошипно-шатунного механизма. Радиус кривошипа (R) коленчатого вала определяется по величине хода поршня (S).
Длину шатуна L определяют, выбирая отношение 
в пределах 0,2 0,3. Меньшие значения относятся к двигателям средней быстроходности = 0,2 - 0,25, а большие значения = 0,25 - 0,3 - к быстроходным.
В двухтактных двигателях с противоположно-движущимися поршнями (ПДП) величина может быть уменьшена до 0,18.
Исходными данными и уравнениями при расчете сил являются силы воздействия избыточного давления газа на поршень:
, Н (58)
где FП - площадь поршня, м2;
Рц, Р0 - давление рабочего тела в цилиндре и барометрическое давление, Па.
Силы инерции поступательно-движущихся масс поршня и шатуна вдоль оси цилиндра определяются по формуле:
, Н (59)
где mпд - масса поступательно-движущихся частей, кг;
а - ускорение поршня, м/с2;
w - угловая скорость вращения коленчатого вала, рад/с.
В соответствии с условиями работы и характеристикой дизеля студент выбирает материал поршня и по табл. 6 удельную величину массы поступательно-движущихся частей КШМ.
Таблица 6.
|
Тип двигателя |
Поршень |
mуд, кг/м2 |
|
Из легких сплавов |
1000 1200 | |
|
Средней быстроходности |
Составной |
1700 |
|
Чугунный |
1600 2000 | |
|
Из легких сплавов |
700 900 | |
|
Быстроходный |
Составной |
1000 1200 |
|
Чугунный |
1300 1500 |
Соответственно масса поступательно-движущихся частей КШМ будет:
, кг
Суммарная сила, действующая на палец вдоль оси цилиндра, рассчитывается по формуле:
, Н (60)
Нормальная составляющая от разложения силы РS направлена перпендикулярно к оси цилиндра и определяется по формуле:
Н (61)
Аналогичным образом находятся силы:
, Н (62)
, Н (63)
и сила, действующая по кривошипу:
, Н (64)
Для расчета сил по формулам (58 - 64) угол определяется приблизительно: