К полезным силам относится давление газов в цилиндре при сгорании рабочей смеси. Под влиянием этих сил происходит движение поршня и вращение коленчатого вала двигателя.
К вредным силам относится большинство сил инерции, действующих на различные детали двигателя, и силы трения. При работе двигателя поршень меняет направление своего движения и движется неравномерно. Как известно, при движении какого-либо тела с ускорением (или замедлением) возникают силы инерции, направленные в сторону, противоположную ускорению (или замедлению). В колене вала и связанных с ним вращающихся деталях возникают центробежные силы.
Силы инерции тем больше, чем больше ускорение и вес движущихся деталей. Современные автомобильные и тракторные дизели развивают 2000 и даже 3000 оборотов в минуту. При этом поршень меняет направление своего движения 70—100 раз в секунду и движется с очень большими ускорениями. Вес деталей дизеля также сравнительно велик. Детали дизеля делаются более массивными и прочными, чем детали карбюраторного двигателя, так как давление газов в цилиндре дизеля значительно выше. Таким образом, величина массы и ускорения деталей дизеля достигает большого значения, вследствие чего в них возникают силы инерции и центробежные силы большой величины.
Особенно неблагоприятным является то, что указанные силы при работе двигателя изменяются по величине и направлению. Это вызывает вибрацию всего двигателя и отрицательно отражается на работе и износе его деталей.
Кроме того, при работе двигателя больших значений достигают силы трения.
Ниже перечислены силы (рис. 17), действующие при работе двигателя (кроме сил трения).
Рис. 17. Схема сил, действующих в двигателе
Сила Р давления газов на поршень. Эта сила направлена по оси цилиндра и тем больше, чем выше давление в камере сгорания и больше площадь поршня.
Давление газов передается равномерно во все стороны. С какой силой газы давят на поршень, с такой же силой газы давят и на головку цилиндра. Поэтому сила Р, действующая на поршень, уравновешивается равной и противоположной ей по направлению силой давления на головку цилиндров. Как указывалось, равнодействующая двух равных и противоположно направленных по одной прямой сил равна нулю. Поэтому сила Р на раму автомобиля или трактора не передается, а воспринимается шпильками, соединяющими головку цилиндров с блоком.
Оригинал найдёте на этом ресурсе autoinstruction
Сила Ри инерции поступательно движущихся деталей (поршень, поршневой палец, поршневые кольца, верхняя часть шатуна). Эта сила тем больше, чем большее число оборотов развивает двигатель и чем больше вес неравномерно движущихся деталей. Сила Ри направлена по оси цилиндра в сторону, обратную ускорению деталей, не уравновешивается другими силами и передается на раму автомобиля или трактора.
Центробежная сила Рц вращающихся деталей (колено вала и нижняя часть шатуна). Эта сила тем больше, чем быстроходнее двигатель, чем больше вес вращающихся деталей и радиус кривошипа. Сила Рц направлена по кривошипу, не уравновешивается другими силами и передается на раму автомобиля или трактора.
Таким образом, во время работы двигателя на поршень действуют давление газов Р и инерция поступательно движущихся деталей Ри, образующие суммарную силу P1. Величина и направление этих сил все время меняются. Давление газов зависит от количества и качества рабочей смеси, находящейся в цилиндре. Силы инерции определяются числом оборотов коленчатого вала и положением кривошипного механизма в данный момент.
При передаче от поршня к шатуну сила P1 раскладывается на две силы: силу Рш, направленную по шатуну, и силу Рн, направленную перпендикулярно к стенке цилиндра. Если перенести силу Рш по направлению ее действия, т. е. по шатуну, то она также может быть разложена на две силы: силу Рт, которая действует перпендикулярно к колену вала и вращает коленчатый вал, и силу Рр, направленную по радиусу к коренным подшипникам. Под влиянием силы Рт на коленчатом валу возникает крутящий момент, используемый для совершения полезной работы. Сила Рн через боковую поверхность поршня передается на стенки цилиндра и стремится опрокинуть двигатель. Под ее влиянием возникает так называемый реактивный момент двигателя, направленный в сторону, противоположную вращению коленчатого вала, и по величине равный крутящему моменту двигателя.
Давление газов в цилиндре и ускорение поршня при работе двигателя непрерывно изменяются, поэтому крутящий момент и силы инерции все время меняются по величине и направлению. Реактивный момент также непрерывно изменяется. Это обусловливает износ подшипников и стенок цилиндра, а также работу двигателя с вибрацией и сотрясениями.