Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме и их влияние на износ деталей. Понятие об уравновешенности ДВС.

Силы и моменты , действующие в кривошипно-шатунном механизме

Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют :

1.силы давления газов в цилиндре,  

2. силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс,                 

Расположение кривошипов вала зависит от числа и расположения цилиндров двигателя с учетом обеспечения равномерности чередования рабочих тактов. Кривошипы вала располагают под определенным углом, который для четырехтактных двигателей определяется отношением  а  = (720°)  \  Z,

где Z — число цилиндров двигателя.  Например  для  6-цилиндрового 4-х тактного ДВС угол заклинки мотылей  (кривошипов) будет    720 \  6 = 120 град

Движущая сила  Р  - суммарная сила ,действующая на поршень--сила от давления газов и сила инерции поступательно-движущихся частей.Сила трения поршень-втулка цилиндров не принимают во внимание ,т.к. она учитывается механическим К.П.Д.

                      Р = Рг + Ри        

СИЛЫ ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВ ---  Рг                     

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца.

Рг = Pz   x  F  =  Рz  x пD² /4           где F- площадь    поршня .   По законам механики ее можно сосредоточить в центре поршневого пальца.  При повороте коленчатого вала на некоторый угол сила Рг разлагается на две составляющие: силу F, действующую по шатуну, и силу N, направленную перпендику­лярно стенке цилиндра (нормальная сила). Перенеся силу F по линии ее действия к центру шатунной шейки и затем разложив ее на две состав­ляющие, получим касательную си­лу Т, действующую по окружности вращения шатунной шейки, и ради­альную силу R, направленную по кривошипу к центру вала. Действуя на плечо г (радиус кри­вошипа), сила Т создает вращение коленчатого вала, равный

  Вращающему  моменту      Мвр. =  Т  х  r,    где r - радиус кривошипа                       

Нормальная сила N прижимает поршень к стенке ци­линдра, увеличивая трение поршня и износ цилиндра двигателя; кроме того, сила N, действуя на плечо а, создает

  опрокидывающий момент, равный   Мопр.= N  х а  ,   где  а- расстояние от оси поршневого пальца до оси коленвала

стремящийся опрокинуть двигатель в сторону, обратную вращению ко­ленчатого вала. Сила R, действующая по кривошипу, создает давление на коренные подшипники вала. Опрокидывающий момент влияет на износ боковых поверхностей поршня и стенок втулки цилиндра,изнашивая их бочкообразно.

В некоторых двигателях для уменьшения действия нормальной си­лы N ось коленчатого вала смещают на величину m (у дви­гателей ГАЗ — до 3 мм); такой кривошипно-шатунный механизм назы­вается дезаксиальным. При этом давления на стенку цилиндров несколь­ко выравниваются: на левую стенку давление уменьшается, а на правую, менее нагруженную, увеличивается.

Указанные силы при работе периодически меняются по величине и направлению и наибольшего значения достигают при рабочем ходе.

Силы инерции

в двигателе действуют силы инерции, возникающие от нерав­номерности движения частей шатунно-поршневой группы, а также цент­робежные силы.

              Ри = - м_п х а                        (   5)                                                                                                                              где а- ускорение поршня,  м_{п –}  масса  поступательно движущихся частей КШМ. 

 М_п  = м _пор  + ( 0.3 – 0.4 ) м _{шат  ,}                                        ( 6 )                                                                               т.е. сумма масс поршня и 30-40 % массы шатуна    

                                                                        

ПОНЯТИЯ ОБ  УРАВНОВЕШЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Один из недостатков ДВС –их способность вызывать вибрацию корпуса судна. Причиной являются силы инерции поступательно-движущихся частей ДВС

Устанавливаемый на судно дизель по возможности должен быть динамически уравновешенным от действия сил инерции и их моментов. 

Дизель будет полностью уравновешенным от действия сил инерции и их моментов при условии, когда равны нулю:

1. равнодействующие сил инерции I и II порядков поступательно движущихся частей

R_I = ∑ⁿ_i=1 P_иIi = 0; R_II = ∑ⁿ_i=1 P_иIIi = 0

2. равнодействующие вертикальных и горизонтальных составляющих центробежных сил инерции

R_цв = ∑ⁿ_i=1 P_цвi = 0; R_цг = ∑ⁿ_i=1 P_цгi = 0

3. результирующие моменты от действия всех этих сил

М_I = ∑ⁿ_i=1 P_иIil_x = 0; М_II = ∑ⁿ_i=1 P_иIIil_x = 0;

М_цв = ∑ⁿ_i=1 P_цвil_x = 0; М_цг = ∑ⁿ_i=1 P_цгil = 0

где i - число цилиндров, l_x - плечо действия силы, расстояние от оси цилиндра до плоскости симметрии, проходящей через центр тяжести дизеля.

Другими словами,двигатель уравновешен, когда сумма всех сил и моментов в любой момент времени равны нулю. это может быть только при установившимся режиме- на постоянных оборотах при наличии дополнительных кунструктивных устройств.

При уравновешивании дизеля в первую очередь следует принимать меры к уравновешиванию сил инерции первого порядка от поступательно движущихся масс КШМ и моментов от этих сил как имеющих наибольшие абсолютные значения, определяемые большими массами деталей движения, во вторую - центробежных сил инерции от вращающихся масс деталей и моментов от них, в третью - сил инерции второго порядка поступательно движущихся деталей и моментов от них.

На практике для уравновешивания сил инерции и их моментов устанавливают противовесы на щеках коленчатого вала, массу которых определяют рассчетным путем. Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс уравновешивают по меньшей мере двумя противовесами. Иногда устанавливают противовесы при полной уравновешенности вращающихся масс с целью уменьшения внутренних сил, изгибающих вал, и снижения нагрузки в рамовых подшипниках.

На некоторых двс для уравновешенности примеяют дополнительный вал с баллансирами( массами. ). –см. фото.

Считается полностью уравновешенным 4-х тактный ДВС с числом цилиндров 6 и более, 2-х тактный – 4 и более