От кинематики тоски к критическим оборотам двигателя
    Доклад по теоретической механике
    ГМА им. адм. Макарова
    2006 Введение
    Кривошипно-шатунный механизм служит для преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Он состоит из неподвижного звена - остова двигателя; движущегося вдоль оси цилиндра поршня (или крейцкопфа со штоком и поршнем); вращающегося кривошипа (мотыля) коленчатого и шатуна, совершающего сложное движение в плоскости вращения вала. Кривошипно-шатунный механизм во время работы двигателя подвергается действию сил:
    - давления газов в цилиндре;
    - инерции поступательно-движущихся масс механизма;
    - массы шатунно-поршневой группы;
    - атмосферного давления на поршень со стороны картера или силы давления наддувочного воздуха в подпоршневой полости цилиндра;
    - трения в звеньях механизма;
    Последние три силы относительно невелики и их влиянием можно пренебречь. Сила давления газов в цилиндре действует как на поршень, так и на крышку. Сила, действующая на поршень, передается кривошипно-шатунному механизму, нагружая его звенья, а сила давления на крышку воспринимается элементами остова двигателя. Сила инерции поступательно-движущихся масс определяется как произведение поступательно-движущейся массы на ускорение поршня, взятое с обратным знаком (так как направление сил обратно направлению ускорений). Она остается свободной и может оказывать внешнее воздействие на фундамент и корпус судна, вызывая их вибрацию.
    Фундамент двигателя испытывает действие периодически меняющейся силы инерции поступательно движущихся масс, воспринимает переменный опрокидывающий момент и нагружается массой двигателя. Непостоянство моментов таких сил действующих на поршень, периодический характер их действия обусловливают появление в вале, как свободных так и вынужденных колебаний, происходящих с различными частотами. Оба вида колебаний вызывают скручивание отдельных участков валов, но, как правило, углы скручивания (амплитуды колебаний) относительно невелики и поэтому возникающие в валу напряжения кручения неопасны, пока не произойдет явление резонанса. Резонанс возникает при совпадении частоты или периода свободных колебаний вала с частотой или периодом вынужденных колебаний. При резонансах амплитудный размах крутильных колебаний может возрасти до бесконечности. Однако из-за наличия ряда сопротивлений (междучастичного трения, демпфирования гребного винта, внешнего трения) этого не происходит, но угол скручивания отдельных участков вала, а с ним и пропорциональные ему дополнительные напряжения кручения вала при некоторых значениях критических оборотов могут оказаться достаточно высокими и опасными для прочности вала.
    Для того, чтобы понять природу появления резонанса при работе двигателя, следует рассмотреть кривошипно-шатунный механизм, начиная с кинематики поршня и заканчивая вынужденными колебаниями корпуса. Кинематика
    Схема кривошипно-шатунного механизма
    
    AB - шатун
    OA - кривошип
    B - центр поршня
    ? = (?n)/30 - скорость вращения кривошипа
    ? = ?t - угол поворота кривошипа
    1, 2 - опоры фундамента двигателя
    Возьмем кривошипно-шатунный механизм (рис.1) и запишем уравнение движения поршня КШМ (точка В). ............