Суммарная сила, действующая на поршень и построение ее диаграммы.

При работе двигателя внутреннего сгорания в его шатунно-кривошипном механизме действуют силы и моменты, возникающие под действием давления газов иа поршень и от сил инерции масс движущихся деталей. Значения этих сил и моментов необходимо знать для расчета деталей шатуино-кривошипного механизма на прочность, для расчета шатуи-

иых н коренных подшипников упругих колебаний коленчатого вала, степени уравновешенности двигателя, а также размера и характера изнашивания трущихся деталей. Все этн вопросы изложены в специальной литературе. Рассмотрим лишь схему сил, действующих в шатуино-кривошипиом механизме двигателя, определим места приложения этих сил и направление их действия.

Упрощенная схема сил, действующих в шатуино-кривошипиом механизме, приведена иа рис. 74. К точке А, изображающей ось поршневого пальца, приложена сила Рх, направленная вдоль оси цилиндра. Эта сила является суммой двух сил: силы газов Р,- и силы инерции Р) поступательно движущихся масс (поршень, поршневые кольца, поршневой палец, верхняя часть шатуна):

Р^-РН-Р/.

Сила газов Р, меняется с изменением угла поворота коленчатого вала по закону, определяемому индикаторной диаграммой (см. рис. 28), а сила инерции, как известно из физики, равна произведению массы движущихся тел т на их ускорение а: Р, = —та и направлена в сторону, противоположную направлению ускорения поршня (это учтено знаком минус в формуле).

При построении диаграмм (рис. 75) принято, что силы положительны, если они направлены вниз (к коленчатому валу), и отрицательны, если оии действуют в противоположную сторону, т. е. вверх. В общем случае силу Рх можно разложить на две силы: N. приложенную к стенке цилиндра, и К, направленную вдоль шатуна. Сила N. которую называют нормальной, так как она перпендикулярна к оси цилиндра, воспринимается внутренними поверхностями цилиндровых втулок; она вызывает постепенное изнашивание этих поверхностей и создает «опрокидывающий»

Рие. 75. Диаграммы изменения давления га.юв Рг, силы инерции поступательно движущихся частей Р, и суммарной силы Р^, действующей по оси цилиндра, в зависимости от угла поворота коленчатого вала (четырехтактный двигатель)

Рис. 74. Схема сил, действующих в шатуино-кривошипном механизме поршневого двигателя внутреннего сгорания:

А — ось поршневого пальца; В — ось шатунной (мотылевой) шейки коленчатого вала; 0 — огь коренной шейкн вала

момент относительир точки 0. Силу К в соответствии с основными положениями механики можно перенести вдоль линии ее действия в точку Б, которая изображает ось кривошипной шейки коленчатого вала. В точке Б силу К можно разложить на две силы: касательную силу Т, перпендикулярную к радиусу кривошипа, и радиальную силу 1, направленную вдоль радиуса кривошипа; линия действия силы 1 всегда проходит через ось коленчатого вала (точку 0).

Касательная (или, как часто говорят, тангенциальная) сила Т создает вращающий момент иа кривошипе: М=ТЯ, т. е. именно эта сила Т вращает коленчатый вал дизеля.

В точке Б приложена также центробежная сила инерции ZBp вращающихся масс, в которые входит нижняя часть шатуна вместе с мотылевым подшипником, шатунная шейка коленчатого вала и две ее щеки:

ZBp - — mBPRu>2,

где mBp — масса вращающихся частей; R — радиус кривошипа; w — угловая скорость коленчатого вала.

Сила ZBP всегда направлена по радиусу кривошипа от центра вращения вала 0. При равномерном вращении коленчатого вала эта сила имеет постоянное значение, т. е. не меняет своего значения при изменении угла поворота вала.

Суммарная радиальная сила, действующая вдоль радиуса кривошипа: Z% =Z+ZBP. Этой силой нагружены подшипники коленчатого вала.

Следует заметить, что иа приведенной схеме (см. рис. 74) значения и направления действующих сил соответствуют данному положению (углу поворота) кривошипа. С изменением угла поворота кривошипа направления и значения этих сил меняются, как показано на диаграммах (рис. 76). При построении этих диаграмм условно принято. что каса-

Рис. 77. Диаграмма суммарного вращающего момента для 16-иилиндрового четырехтактного тепловозного личеля

тельная сила Т положительна, когда ее направление совпадает с направлением вращения вала, и, наоборот, отрицательна, когда она направлена против вращения коленчатого вала. Радиальные силы 1 и 1^ условно считают положительными, когда они растягивают колено вала (направлены от точки 0) и отрицательными, когда они сжимают колено.

Из приведенных диаграмм (см. рис. 75 и 76) видно, что сила от давления газов в цилиндре Рг, суммарная сила Рт, касательная Т и радиальная 2 силы имеют наибольшие значения при угле поворота коленчатого вала Ф = 360-^400° (в четырехтактном двигателе), т. е. в период горения топлива и начала процесса расширения газов. В это время силы инерции поступательно движущихся масс Р, отрицательны, т. е. направлены в сторону, противоположную действию силы от давления газов Рг. Отметим, что так как радиус кривошипа R — величина постоянная, то диаграмма касательных сил Т (см. рис. 76) является также и диаграммой вращающих моментов, но изображенной в другом масштабе (по вертикальной оси).

Тепловозные дизели это многоцилиндровые двигатели (6, 8, 10. 12, 16 и 20-цилиндровые), поэтому часто при расчетах интересует суммарный вращающий момент на колен чатом валу, который создается при работе всех цилиндров. Диаграмма суммарного вращающего момента дизеля (на муфте, связывающей коленчатый вал с агрегатами передачи мощности тепловоза) представлена на рис 77 Эта диаграмма получена путем суммирования диаграмм вращающих моментов по всем цилиндрам двигателя с учетом угловых смешений кривошипов вала для каждого цилиндра По суммарному вращающему моменту н соответственно мощности дизеля на сое-дительной муфте выполняется расчет агрегатов передачи тепловоча и его тяговой характеристики.

По дисциплине «силовые агрегаты»