Силы и моменты, действующие в поршневых и комбинированных двигателях


Силы и моменты в одноцилиндровом двигателе
Величины сил и моментов, действующих в поршневом двигателе внутреннего сгорания, определяются силами от давления газов в цилиндрах, силами инерции поступательно и вращательно движущихся частей, силами трения и силами полезного сопротивления на коленчатом валу, а также силами тяжести кривошипно-шатунного механизма и массой М двигателя (рис. 31).
Сила Рг от давления газов, являющаяся внутренней, уравновешивается в самом двигателе и на опоры не передается.
Сила инерции Р} приложена к центру возвратно-поступательно движущихся масс и направлена вдоль оси цилиндра. Эта сила через подшипники коленчатого вала действует на корпус двигателя, вызывая его вибрацию на опорах в направлении оси цилиндра.
Центробежная сила С от вращающихся масс направлена по кривошипу в средней его плоскости. Воздействуя через опоры коленчатого вала на корпус двигателя, она вызывает колебания двигателя на опорах в направлении кривошипа.
Эффективный момент Ме, передаваемый через вал потребителю мощности, вызывает равный по величине, но противоположна.
За время совершения полного рабочего цикла сила давления газов, сила инерции Pj9 эффективный Ме и реактивный Мр моменты изменяются как по величине, так и по направлению. Центробежная сила С от вращающихся масс изменяется только по направлению. В результате действия сил и моментов нагружаются детали, корпус и опоры двигателя.
Задачей динамического расчета двигателя является определение сил и моментов, действующих в двигателе, которые необходимы для расчета деталей на прочность, износостойкость и расчета подшипников.
При расчете все массы для удобства относят к единице площади поршня.
Смещение выполняется в направлении вращения кривошипа, что уменьшает углы р в соответствующие моменты рабочего цикла, обеспечивая более равномерный износ цилиндра ложный по направлению реактивный момент Мр. Этот момент действует на корпус двигателя в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала, передается на опоры двигателя и вызывает колебания корпуса в этой плоскости. Силами трения и силами тяжести обычно пренебрегают ввиду их относительно малой величины. Динамический расчет ведется для ряда последовательных положений кривошипно-шатунного механизма. Силы и моменты определяются для режимов работы двигателя, выбранных в качестве расчетных (см. гл. 2).
При определении сил и моментов обычно целесообразно находить их удельные величины, т.е. отнесенные к единице площади поршня. Удельные силы (моменты) удобно использовать не только при расчетах данного двигателя, но и для сравнительной оценки его нагруженности по отношению к другим существующим двигателям. Величина полной силы (момента) получается умножением значения удельной силы на площадь поршня.
Общая масса всех движущихся элементов кривошипно-шатунного механизма (рис. 32) распределяется между массой, движущейся возвратно-поступательно в направлении оси цилиндра Мад, и массой Мвр, приведенной к оси шатунной шейки коленчатого вала, между которыми предполагается абсолютно жесткая связь. Направление действующих сил, показанное на рис. 32, принято за положительное.
Если вертикальная ось, проходящая через ось коленчатого вала, смещена относительно вертикальной оси, проходящей через ось верхней головки шатуна, на некоторую величину а, то такой механизм называется дезаксиальным. Дизаксиал можно получить смещением оси коленчатого вала или центра верхней головки шатуна относительно оси цилиндра (рис. 33). При значении отношения z = a/R < 0,1 (R-радиус кривошипа) кинематические соотношения в первом приближении можно принимать одинаковыми для аксиального и дезаксиального кривошипно-шатунных механизмов.
Массу Мш шатуна условно делят на две части. Одну из них М, считают сосредоточенной на оси поршневого пальца и относят к поступательно движущимся частям, другую М2- на оси шатунной шейки коленчатого вала и относят к вращающимся частям. При этом Мх + М2 = Мш.
Массу Мг можно определить взвешиванием шатуна на весах по схеме, изображенной на рис. 34. Шатун головками опирается на призмы, одна из которых помещается на площадке весов. Расстояние между призмами выбирается равным расстоянию L между осями головок шатуна. Ось шатуна при этом должна быть горизонтальной. Уравновешивая весы, находят массу призмы и части шатуна Мх. Зная массу шатуна и его длину L, расстояние между центром масс шатуна и осью поршневой головки определяют по формуле L2 = ЬМХ/МШ.
Тогда расстояние между центром масс шатуна и осью кривошипной головки Lx = L — L2.
Для предварительных расчетов расстояние от оси кривошипной головки до центра масс шатуна можно принять равным в автомобилях и тракторных двигателях Ь2 = = (ОД8 4-0,32) L; в судовых, тепловозных и стационарных двигателях L2 = (0,3 0,4) L.
Центр масс шатуна вновь проектируемого двигателя определяют условным делением шатуна на элементы, массы и положение центров масс которых определяют по чертежу.
Ориентировочные значения масс поршней т^ шатунов тш и поступательно движущихся частей тпд, отнесенные к площади поршня, указаны в табл. 1.
Для определения сил инерции, возникающих в результате возвратно-поступательного движения массы необходимо знать ускорение ее движения.
Зависимость хода поршня S от угла поворота кривошипа для аксиального кривошипно-шатунного механизма имеет вид
S. = AR, где /?-радиус кривошипа, равный половине хода поршня; А = (1 — cos а) + (1 — cos р)Д; X = R/L- отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; а-угол поворота кривошипа, отсчитываемый в направлении вращения кривошипа от его положения, при котором поршень находится в верхней мертвой точке (в. м. т.); Р-угол отклонения оси шатуна от оси цилиндра (значения А в зависимости от а и X приведены в табл. 7).
Задаваясь значениями ос, например, через каждые 10-15° в промежутке от 0 до 180° угла поворота кривошипа, по формуле (90) определяют величину хода поршня 5 от в. м.т.
Считая постоянной угловую скорость коленчатого вала со, получим ускорение возвратно-поступательно движущихся масс двукратным дифференцированием выражения хода поршня (90):
j = R(o2E,
где Е = cos (ос + p)/cosp + A,cos2oc/cos3 р (значения величины Е приведены в табл. 8).
Масса Мпд поступательно движущихся частей складывается из массы комплекта поршня (поршень, палец, кольца и пр.), массы Мj части шатуна и массы Мц^ комплекта штока и крейцкопфа Мкр при наличии последних, т.е. Мп„ = Мп +
+ мх + мшт + м
Масса, расположенная на оси шатунной шейки коленчатого вала Мвр, состоит из массы Мк неуравновешенной части кривошипа и массы М2 части шатуна, отнесенной к оси кривошипной шейки коленчатого вала: Мвр = А*к + Мг.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12