Суммарные силы и моменты, действующие в КШМ

При динамическом анализе КШМ силы Р_ги P_j, имеющие общую точку приложения к системе и единую линию действия, заменяют суммарной силой, являющейся их алгебраической суммой: P_Σ = P_г+P_j (рис. 17).

Для анализа действия силы P_Σ на элементы КШМ ее раскладывают на две составляющие: S и N. Сила S действует вдоль оси шатуна и вызывает повторно-переменное сжатие — растяжение его элементов, а сила N перпендикулярна оси цилиндра и прижимает поршень к его зеркалу. Действие силы S на сопряжение шатун — кривошип можно оценить, перенеся ее вдоль оси шатуна в точку их шарнирного сочленения (S'), где она раскладывается на нормальную силу К, направленную по оси кривошипа, и тангенциальную силу Т.

Силы К и Т передаются на коренные опоры двигателя. Для анализа характера нагружения коренных опор двигателя сила К переносится по линии ее действия в центр коренной опоры (К'); сюда же добавляются равные по модулю силе Т и имеющие параллельные с ней линии действия силы Т' и Т" (см. рис. 17, а). Пара сил Т и Т' на плече r создает крутящий момент М_кр, который далее передается на нагрузку, где совершает полезную работу. Сумма сил К' и Т" дает силу S", проекциями которой на ось цилиндра и ортогональное ей направление являются силы N' и P'_Σ. Очевидно, что N= —N' и P_Σ = P'_Σ. Силы N и N' на плече h создают опрокидывающий момент М_опр = Nh, который далее передается на опоры двигателя и уравновешивается их реакциями. Момент М_опри вызываемые им реакции опор изменяются по времени и могут быть причиной неуравновешенности двигателя.

Рис. 17. Силы в КШМ:

а — расчетная схема; б — зависимость сил в КШМ от угла поворота коленчатого вала

Соотношения между силовыми факторами, нагружающими элементы КШМ, с учетом его геометрии и характера действия сил:

, , , , . (7.11)

Соотношение между крутящим и опрокидывающим моментами:

(7.12)

Крутящий момент передается через трансмиссию ведущим колесам, а опрокидывающий момент через неподвижные части кривошипного механизма воспринимается опорами двигателя и уравновешивается реактивным моментом.

Направления всех сил и моментов, показанные на рис. 17, принимаются за положительные.

Определив силы N, К и Т для выбранного ряда значений угла поворота коленчатого вала φ, строят по точкам кривые (см. рис. 17), выражающие зависимость этих сил от угла φ. Кривая тангенциальных сил (см. рис. 17, б) одновременно является кривой крутящего момента одного цилиндра, отличающейся лишь масштабом, т.к. М_кр.ц = TR .

Кривую суммарного крутящего момента многоцилиндрового двигателя М_кр=М_кр(φ) строят путем графического суммирования кривых крутящих моментов М_кр.ц для отдельных цилиндров, при этом кривые для отдельных цилиндров должны быть сдвинуты одна относительно другой на угловой интервал θ, соответствующий интервалу между рабочими ходами в отдельных цилиндрах. Для четырехтактных двигателей с равными интервалами между рабочими ходами θ = 720°/i, где i - число цилиндров двигателя.

Построение участка кривой суммарного крутящего момента М_кр, соответствующего углу θ, для четырехцилиндрового двигателя показано на рис. 18. Среднее значение суммарного крутящего момента двигателя

где F₁ и F₂ - отрицательная и положительная площади диаграммы.

Момент М_кр представляет собой средний индикаторный момент двигателя; он изменяется пропорционально работе газов за цикл, т.к. работа сил инерции за каждый оборот коленчатого вала двигателя равна нулю.

Рис. 18. Построение суммарного крутящего момента для четырехцилиндрового двигателя