Кинематический и динамический расчет

Рис. 6.3. Зависимость хода поршня, скорости и ускорения от угла поворота коленчатого вала.

Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма заключается в определении суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и сил инерции. По этим силам рассчитывают основные детали на прочность и износ, а также определяют неравномерность крутящего момента и степень неравномерности хода двигателя. Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют силы давления газов в цилиндре, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, центробежные силы, давление на поршень со стороны картера (приблизительно равное атмосферному давлению) и силы тяжести (не учитывают).

Силы давления газов

Силы давления газов, действующие на площадь поршня, для упрощения динамического расчета заменяют одной силой, направленной по оси цилиндра и приложенной к оси поршневого пальца. Ее определяют для каждого момента времени (угла α) по действительной индикаторной диаграмме, снятой с двигателя, или по индикаторной диаграмме, построенной на основании теплового расчета (обычно для номинальной мощности и соответствующей ей частоты вращения коленчатого вала).

Сила давления (МН) газов на поршень:

,

где P – давление газов в цилиндре, МПа [из теплового расчета];

Р0 – атмосферное давление, P0 = 0,1013 МПа.

Результаты сведены в таблицу 6.2.

Приведение масс частей кривошипно-шатунного механизма

По характеру движения массы деталей кривошипно-шатунного механизма можно разделить на движущиеся возвратно-поступательно (поршневая группа и верхняя головка шатуна); совершающие вращательное движение (коленчатый вал и нижняя головка шатуна) и совершающие сложное плоскопараллельное движение (стержень шатуна). Для упрощения динамического расчета действительный кривошипно-шатунный механизм заменяется динамически эквивалентной системой сосредоточенных масс.

Рис. 6.4. К разноске масс шатунного механизма звездообразного двигателя.

Зададим расстояния c и d (см. рис. 6.4), также расстояние от центра тяжести шатуна до оси кривошипной головки - a:

c=d=0,13, м; a = 0,0436, м

Для дизельных звездообразных двигателей конструктивная масса шатуна:

m’ш=mш/Fп=250…400 кг/м2, примем m’ш=350 кг/м2.

Конструктивная масса поршня:

m’п=mп/Fп=150…300 кг/м2, примем m’п=310 кг/м2.

В массу поршневого комплекта входит масса поршня, поршневых колец, поршневого пальца.

Масса главного шатуна и поршня (вместе с массой колец и пальца):

= 350∙0,01227 = 4,295 кг

= 310∙0,01227 = 3,804 кг

Дополнительно задаем массу, радиус проушины и длину для прицепного шатуна:

, кг

, принимаем , м

, м

где β1 = 13º18’

Конструктивная масса коленчатого вала:

m’к.в.=mк.в./Fп=200…400 кг/м2, примем m’к.в.=300

Масса неуравновешенных частей одного колена:

mк= m’к∙ Fп=300∙0,01227=3,682 кг

Масса шатуна, сосредоточенного на оси поршневого пальца:

mшп=0,275 mш= 0,275∙4,295=1,181 кг.

Масса шатуна, сосредоточенная на оси кривошипа: