Силы инерции движущихся масс кривошипно-шатунного механизма (КШМ) разделяются на силу инерции масс, движущихся возвратно-поступательно, и силу инерции неуравновешенных вращательно движущихся масс [рис. 1].
Рис. 1. Изменение силы давления газов Pr, силы инерции Pi и суммарной силы P в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Сила инерции масс, движущихся возвратно-поступательно, определяется по формуле
Pi=-m1jп
* где m1 – суммарная масса частей кривошипно-шатунного механизма, движущихся поступательно (кг); jп – ускорение поршня (м/с2).
m1=mп+(0,2...0,3)mIII
* где mп – масса поршня вместе с кольцами и пальцем; mIII – масса шатуна.
Для центрального кривошипно-шатунного механизма
Pi=-m1rω2(cosα+λcos2α)
Сила инерции Pi может быть представлена как сумма
Pi=PiI+PiII
* где PiI=-m1rω2cosα – сила инерции первого порядка; PiII=-m1rω2λcos2α – сила инерции второго порядка.
Графическое изображение силы инерции Pi показано на [рис. 1], откуда видно, что она изменяется так же, как и ускорение поршня (jп) [рис. 2].
Рис. 2. Графики перемещения Sп, скорости νп и ускорения jп поршня в зависимости от угла поворота коленчатого вала.
Сила Pi, действующая вдоль оси цилиндра, считается положительной, если она направлена к оси коленчатого вала, и отрицательной, если её направление – противоположное.
Из формулы видно, что силу инерции Pi можно уменьшить посредством увеличения длины шатуна либо снижения λ=r/l. Однако это всё ведёт к увеличению размеров двигателя, что нежелательно.
Сила инерции неуравновешенных вращающихся масс (коленчатого вала, кривошипа, а также нижней части шатуна) определяется по формуле
Pr=-mrω2r
* где mr=(0,7…0,8)mIII – масса неуравновешенных вращающихся частей.
Сила Pr для определения частоты вращения коленчатого вала постоянна и направлена от оси кривошипа по радиусу.
Знак «минус» в выражениях сил инерции показывает, что направления сил Pi и Pr обратны направлению ускорения.