Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме. Разложение суммарной движущей силы в кривошипно-шатунном механизме

Условия работы поршня тяжелые, так как он под­вергается воздействию как механических нагрузок от давления газов и сил инерции, так и термических из-за необходимости отвода тепла от нагретой газами головки в охлаждающую среду. Кроме того, поршневые кольца и направляющая часть (тронк) работают на износ при повышенных температурах. Наконец, поршень пере­дает усилия от расширения газов на шатун, а также должен обе­спечивать надежное уплотнение камеры сгорания от пропуска газов и одновременно предохранять камеру сгорания от попадания в нее излишков масла, смазывающего втулку рабочего цилиндра.

Наиболее тяжелые условия работы поршневой группы имеют место у многооборотных форсированных по наддуву дизелей, в особенности двухтактного типа (в связи с их повышенной теп­ловой нагрузкой). /4/

Так как поршень является неотъемлемой часть кривошипно-шатунного механизма, рассмотрим усилия, определяющие механические напряжения в наиболее ответственных деталях данного механизма.

На кривошипно-шатунный механизм действует четыре рода сил: давления газов Р_г, силы инерции Р_j, силы веса Р_g, и силы трения Р_тр (рисунок 4.1)

Рисунок 4.1 – Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

Сила от давления газов на поршень равна

Р_г = (р_г – р₀)∙F_п,

где р_г – давление газов в цилиндре (давление над поршнем), МПа;

       р₀ – давление под поршнем, т. е. давление в картере двигателя, МПа;

       F_п – площадь поршня (поперечного сечения цилиндра), м².

Эта сила приложена к поршневому пальцу в тронковых двигателях (или к поперечине крейцкопфа в крейцкопфных двигателях).

Силы инерции определяются переменной величиной или  переменным направлением вектора скорости. В связи с этим в кривошипно-шатунном механизме наблюдаются как силы инерции поступательно движущихся масс, определяемые переменной скоростью движения поршня, так и центробежные силы инерции вращающихся масс. Величина сил инерции от поступательно движущихся масс может быть определена как

Р_j = M_s ∙ j_s,

где M_s – масса поршня и поступательно движущейся части шатуна, кг;

      j_s – ускорение поступательно движущихся масс.

Механические напряжения, возникающие в днище головки поршня, определяются только воздействием сил от давления газов. Условия же работы головного соединения определяются уже не  только давлением газов, но и силами инерции поршня, его весом и силами трения между поршнем и втулкой цилиндра. Для оценки  механической напряженности головного, мотыльевого соединения и шатуна вводится понятие суммарной движущейся силы Р_Σ (рисунок 4.2), равной алгебраической сумме сил от давления газов Р_г, сил инерции поступательно движущихся масс Р_j, сил веса поступательно движущихся масс Р_g и сил трения Р_тр: /11/

Р_Σ = Р_г + Р_j + Р_g + Р_тр.

Рисунок 4.2 – Разложение суммарной движущей силы в кривошипно-шатунном механизме

Приложив силу Р_Σ в центре головного подшипника, можно найти нормальное усилие N, действующее на тронк поршня,  и усилие S направленное по шатуну (рисунок 4.2)

N = Р_Σ ∙ tgβ;

S = Р_Σ / cosβ.

Днище поршня. Механические напряжения в днище поршня достигают максимального значения при наи­большем давлении сгорания р_zБольшая часть головок судовых дизелей выполняется без каких-либо ребер, так как благодаря этому днище может свободно деформироваться при нагреве. Днище поршне подвержено температурным напряжениям возникающим от осевого, а также от радиального перепада температур. О температурном напряжении днища можно судить по рисунку 4.3.

Рисунок 4.3 – Поле температур поршня с охлаждением современного          форсированного СОД:

                     ▬▬ –  MCR I  (максимальная длительная мощность)

                                 - - - - – MCR II

                       ∙∙∙∙∙∙∙∙ – камера сгорания

                      -∙-∙-∙- – масляная полость поршня

Поршневой палец. Во время работы поршневой палец подвергается воздействию переменных по величине нагрузок, носящих большей частью ударный характер. В поршневом пальце появляются напряжения изгиба, среза и овализации, вызывающие его поломку.

Поршневое кольцо. Поршневые кольца работают на изгиб как при надевании на поршень, так и в рабочем состоянии. Также поршневое кольцо подвержено воздействию сил трения о поверхность цилиндра. /4/