Siły działające na mechanizm korbowy silnika

Podczas pracy silnika na mechanizm korbowy silnika działa wiele sił, z których najważniejsze to:

• siła ciśnienia gazów spalinowych,
• siły bezwładności,
• siły tarcia.

Ciśnienie spalin działa na denko tłoka od strony głowicy, od strony skrzyni korbowej w większości silników działa ciśnienie zbliżone do ciśnienia atmosferycznego.

Ogólnie ciśnienie możemy zdefiniować jako siłę działająca na daną powierzchnię:

gdzie:

• p – ciśnienie w paskalach [Pa]
• F – siła w niutonach [N]
• S – powierzchnia w metrach kwadratowych [m²]

Z powyższego wzoru łatwo możemy wyznaczyć wartość siły, jako iloczyn ciśnienia i powierzchni:

Korzystając z tej zależności możemy wyznaczyć siłę ciśnienia gazów (tzw. siłę gazową) działającą na denko tłoka. Powierzchnia tłoka jest kołem, którego pole powierzchni wynosi

Zapis matematyczny musimy zastąpić zapisem „technicznym”, w którym nie wykorzystuje się pojęcia promienia tylko średnicy. Zapewne z geometrii pamiętacie, że promień koła jest połową średnicy, a więc:

Ostatecznie więc możemy zapisać wzór na siłę gazową Fg działającą na tłok:

gdzie:

• średnica tłoka [m]
• ciśnienie gazów działających na tłok [kPa]

Ciśnienie gazów w cylindrze zmienia się i jest najwyższe na początku suwu pracy. Taką wartość ciśnienia przyjmuje się do obliczeń wartości siły gazowej Fg.

Siły bezwładności występują podczas ruchu mas mechanizmu tłokowo-korbowego, a ich wartości zależą od masy elementów układu i przyspieszenia.

Wszystkie masy występujące w mechanizmie korbowym możemy pogrupować na:

• masy skupione w środku sworznia tłokowego m_t (punkt A) – wykonujące ruchy posuwisto zwrotne (tłok wraz ze sworzniem i pierścieniami).
• masy skupione w środku czopu korbowego wału m_w (punkt B) – wykonujące ruch obrotowy (wał korbowy)
• masy korbowodu – wykonujące ruch złożony (z ruchu posuwisto-zwrotnego i obrotowego). Z tego względu masy korbowodu zastępuje się układem dwóch mas zastępczych i przyjmuje się, że część masy skupiona jest w środku sworznia tłokowego m_kp i wykonuje ruch posuwisto zwrotny, a część masy skupiona jest w środku czopu korbowego wału m_ko i wykonuje ruch obrotowy.

Całkowita masa wykonująca ruch postępowy składa się z mas tłoka i części masy korbowodu:

m_p = m_t + m_kp

Całkowita masa wykonująca ruch obrotowy składa się z masy wału korbowego i części masy korbowodu:

m_o = m_w + m_ko

Siły bezwładności mas wykonujących ruch postępowo-zwrotny stanowią iloczyn tych mas i przyspieszenia tłoka:

Wyznaczenie chwilowej wartości siły bezwładności to spore wyzwanie, ale jak nie trudno zauważyć, będzie ona zależała od kąta obrotu wału korbowego (α) i największe wartości będzie osiągała w skrajnych położeniach tłoka, czyli wówczas gdy zmieni się zwrot ruchu tłoka.

Siła odśrodkowe (bezwładności w ruchu obrotowym) stanowią iloczyn mas wykonujących ruch obrotowy i przyspieszenia odśrodkowego rω² :

Siła odśrodkowa jest stała przy niezmiennej prędkości obrotowej silnika.

Siły tarcia są znacznie ograniczone poprzez smarowanie i w porównaniu z pozostałymi osiągają niewielkie wartości i z tego względu w tej analizie zostały pominięte.

Warto wiedzieć, że w praktyce mamy do czynienia z siłami wypadkowymi, a więc wszystkimi siłami równocześnie działającymi w mechanizmie.

Konstrukcja silnika ze względu na trwałość i wytrzymałość musi uwzględniać wartości tych sił. Mają one również istotny wpływ na wyrównoważenie silnika, ale to temat na nowy wpis…