У кривошипно-шатунного механізму двигуна внутрішнього згоряння діють сили від тиску газів Рг, сили інерції Pj, відцентрові Рс і сили тертя і корисного опору.
Зміна тиску газів на днище поршня представляється у вигляді індикаторної діаграми або, де S - хід поршня, м; V - об'єм циліндра (Vh + Vc). м 3.
Для зручності виконання подальших розрахунків індикаторну діаграму перебудовують в координати, де - кут повороту кривошипа (розгорнута індикаторна діаграма). Під час перешикування графіка тиск відраховують від атмосферної лінії, т. Е. Від рг = (pа-pо), де р0 - тиск навколишнього середовища; ра - абсолютний тиск.
? Індикаторні діаграми для карбюраторного двигуна і дизеля показані на рис. 3.
Індикаторна діаграма в розгорнутому вигляді показана на рис. 4. Для перешикування індикаторної діаграми з координат p-V в координати р - під нею креслять півколо радіусом R, маючи на увазі, що 2R = S, потім півколо ділять на дуги, що охоплюють кути 15 або 30 °, і точки на півкола з'єднують з центром. Потім зміщують центр на величину
Мал. 3. Індикаторні діаграми:
а - карбюраторного двигуна: б-дизеля
(Поправка Брикса), що враховує кінцеву довжину шатуна (зміщення в сторону н. М. Т.) З нового центру будують промені паралельно радіусів, проведеним до точок на окружності. З отриманих нових точок на окружності проводять перпендикуляри до діаметру і продовжують їх до перетину з лініями індикаторної діаграми. Точки перетину перпендикулярів з лініями індикаторної діаграми дають значення рг. відповідні даному куту повороту кривошипа. Значення рг беруть від лінії р0 і відкладають на розгортці. Отримані точки з'єднують плавною кривою.
Крім сил від тиску газів на поршень в кривошипно-шатунного механізму діють сили інерції зворотно-поступально рухомих мас. Сумарна сила, віднесена до осі пальця
Для зручності складання сил тиску газів Рг і сил інерції Pj зворотно-поступально рухомих мас беруть їх в однаковому масштабі, тоді PS можна? отримати графічним підсумовуванням (рис. 4.).
?
Сили інерції зворотно-поступально рухомих мас підраховують, наближено відносячи їх до одиниці площі поршня (м 2 або см 2):
де і - відповідно сили інерції першого і другого порядків; m1 - маса, зосереджена на осі верхньої головки шатуна.
Сили інерції, спрямовані так само, як і сили від тиску газів, вважають позитивними, якщо ж вони спрямовані в протилежну сторону - негативними.
Сили інерції обертових мас К 'діють у напрямку радіусу кривошипа і визначають їх в припущенні, що - частота обертання- кривошипа - незмінна. При розрахунках приймають частоту обертання, що відповідає роботі двигуна з номінальною частотою обертання колінчастого вала,
де m2 - маса, зосереджена на осі нижньої головки шатуна.
При визначенні сил інерції, що діють в кривошипно-шатунного механізму, складні форми маси деталей двигунів замінюють умовними масами, зосередженими в точці, яка відповідає центром, тяжкості деталі, або в точці, що лежить на осі, що проходить через центр ваги деталі або системи деталей (рис . 5, а -н).
Маса m1, зосереджена на осі верхньої головки шатуна, являє собою суму мас:
.
де пір - маса поршня, кг (кгс × з 2 / м); тк - маса поршневих кілець; тп - маса поршневого пальця; в.г.ш .- маса шатуна, віднесена до верхньої голівці; зазвичай приймають в.г.ш = (0,25¸0,3) тш.
Маса нижньої головки шатуна, зосереджена на осі кривошипа,
.
Для визначення сил, діючих на опорні підшипники, необхідно, віднести масу кривошипної шийки, масу щік і масу нижньої головки шатуна на вісь кривошипної шийки. Так як центр ваги щік не збігається з віссю шийки кривошипа, то необхідно перерахувати дійсну масу тдщ на еквівалентну тещ:
де r - відстань центра ваги дійсної маси щоки до осі обертання колінчастого вала; R - радіус кривошипа.
Для наближених. розрахунків можна скористатися даними питомих мас поршнів і шатунів, наведених в табл. 1. Сумарна маса, віднесена до осі кривошипа,
.
де - маса кривошипної шийки; - маса щік.
Якщо частини щік, що примикають до кривошипної шийці, мають складну форму, то їх маси визначають методом розчленовування складної форми на прості елементи, що дозволяють з достатньою точністю визначити загальну масу як суму мас окремих елементів даної деталі.
Мал. 5. Схема мас шатунно-кривошипного механізму:
а - визначення маси щоки; б, в - розподіл маси шатуна між верхньою і нижньою головками
Раніше було розглянуто випадок, коли рухомі маси призводять до двох точках - верхньої і нижньої головок шатуна. Іноді цю систему розглядають складається з трьох мас, дві з яких зосереджені у верхній і нижній головках шатуна, а третя-в центрі ваги шатуна. Так як ця маса в подальших розрахунках деталей на міцність істотного впливу не робить, то при розрахунках на міцність деталей автомобільних і тракторних двигунів користуються схемою, що складається з двох мас.
? Для попереднього визначення мас деталей кривошипно-шатунного механізму можна скористатися даними табл. 1. У таблиці маси поршнів і .шатунов автомобільних і тракторних двигунів віднесені до площі поршня. -
де - кут відхилення шатуна від осі циліндра.
Сила S може бути перенесена в нижню головку шатуна на вісь кривошипної шийки і розкладена на дві складові: К - силу, що діє вздовж кривошипа (щоки колінчастого вала), і T - дотичну силу, прикладену до точки на колі з радіусом, рівним R.
Мал. 6. Сили, що діють в шатунно-кривошипному механізмі
Сили До і Т залежать від кутів повороту кривошипа і відхилення шатуна від осі циліндра:
Сили N, S, К, Т для зручності користування в подальших розрахунках відносять до одиниці площі поршня м 2 (див 2). Це дозволяє деякі операції по додаванню сил виробляти графічним методом. На рис. 7 сили N, S, К, Т показані в залежності від.
? Зі схеми сил, що діють в кривошипно-шатунного механізму, видно, що кривошипна шийка навантажується силами
; ;
де - відцентрова сила.
Мал. 7. Графіки сил, що діють в шатунно-
Сумарна сила, навантажує кривошипно-шатунних шийку,
так як сила Т зрушена по відношенню сили До на кут 90 °, тому
.
Твір ТR = Мкр. Характер зміни Мкр відповідає характеру зміни тангенциальной сили Т.
? Для визначення середнього значення крутного моменту двигуна на діаграмі T = f (α) (рис. 7) знаходять середнє значення тангенціальної сили (Н):
де μ - масштабний коефіцієнт; - площа над віссю діаграми (горизонтальної); - площа під віссю діаграми; L - довжина діаграми.
Для визначення крутного моменту багатоциліндрового двигуна підсумовують крутний момент окремих циліндрів, для чого на графік зміни одного циліндра накладають такі ж графіки для інших циліндрів, враховуючи при цьому зсув по фазі робочих ходів всіх циліндрів двигуна. Потім графічно підсумовують і, визначивши і знаходять (Н м)
На рис. 8 показаний характер зміни чотирициліндрового чотиритактного двигуна.
Мал. 8. Графік сумарного моменту чотирициліндрового чотиритактного
Характер зміни крутного моменту одно-, двох-, чотирьох-, шести- і восьмициліндрових двигунів показаний на рис. 9.
Зрушення по фазі (град) робочих ходів відповідно у чотири- і двотактних двигунів
.
де i - число циліндрів двигуна.