Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма выполняется с целью определения суммарных сил и моментов, возникающих от давления газов и от сил инерции. Результаты динамического расчета используются при расчете деталей двигателя на прочность и износ.
В течение каждого рабочего цикла силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме, непрерывно изменяются по величине и направлению. Поэтому для характера изменения сил по углу поворота коленчатого вала их величины определяют для ряда различных положений вала через каждые 30 град ПКВ. В отдельных случаях через 10 град ПКВ.
Последовательность выполнения расчета следующая:
1. Строим индикаторную диаграмму в координатах 
.
2. Перестраиваем индикаторную диаграмму, выполненную по результатам теплового расчета, в координаты 
.
3. Определяем силу давления газов на днище поршня для положений коленчатого вала, отстоящих друг от друга на 30° ПКВ в пределах (0…720)° ПКВ.
За начало отсчета принимаем такое положение кривошипа, когда поршень находится в начале такта впуска.
Сила давления газов на днище поршня определяется по формуле
,
где 
.
Результаты расчета заносятся в табл. 2.
Таблица 2
| 
| 
| 
| 
| 
|
| 
| 
|
| 0.112 0.102 0.092 0.084 0.079 0.08 0.084 0.092 0.114 0.175 0.364 1.25 5.028 7.124 3,205 1,065 0,552 0.392 0.306 0.188 0.158 0.138 0.126 0.121 0.118 0.112 | 124.64 20.77 -83.1 -170.35 -216.05 -207.74 -166.19 -78.94 149.57 776.94 2742.14 11949.08 51186.6 72957.52 32249.2 10021.27 4690.72 3028.82 2139.7 914.05 598.28 394.7 274.21 220.2 186.96 124.64 | 1.275 1.004 0.363 -0.275 -0.638 -0.729 -0.725 -0.729 -0.638 -0.275 0.363 1.004 1.275 1.249 1.004 0.363 -0.275 -0.638 -0.729 -0.725 -0.729 -0.638 -0.275 0.362 1.004 1.275 | + + - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + | -25327 -19934 -7201 -7201 -19934 -25327 -24815 -19934 -7201 -7201 -19934 -25327 | - - - + + + + + + + - - - - - - + + + + + + + - - - | -25202 -19913 -7284 -4459 -7985 -6981 -19747 -25202 | - - - + + + + + + + - - + + + + + + + + + + + - - - |
4. Определяем силу инерции от возвратно-поступательно движущихся масс
Масса поступательно движущихся частей КШМ определяется из выражения
,
где 
- доля массы шатуна, отнесенная к возвратно-поступательно движущимся массам.
. Принимаем 
.
Приближенные значения 
и 
определяем с помощью таблицы 
:
, 
, 
,
.
Тогда принимаем m
,
.
Угловая скорость 
.
При известной величине хода поршня S радиус кривошипа
.
5. Находим суммарную силу, действующую в кривошипно-шатунном механизме. Определение этой силы ведем путем алгебраического сложения сил давления газов и сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс
Результаты определения 
, а также 
и 
заносятся в табл.1.
6. Определяем нормальную силу К, направленную по радиусу кривошипа (см. рис. 1)
Рис. 1.
7. Определяем тангенциальную силу Т, направленную по касательной к окружности радиуса кривошипа (см. рис. 1)
Результаты определения К и Т заносим в табл. 3.
Таблица 3
| 
| 
| 
| 
| 
| 
|
| 1.000 0.797 0.288 -0.286 -0.712 -0.935 -1.000 -0.935 -0.712 -0.286 0.288 0.797 1.000 0.981 0.797 0.288 -0.286 -0.712 -0.935 -1.000 -0.935 -0.712 -0.286 0.288 0.797 1.000 | -25202 -15863 -2095 -1514 -8867 -13343 -14235 -13463 -9128 -1785 -1282 -6361 -2904 -11179 -15539 -15316 -14097 -9302 -1641 -2008 -15731 -25202 | - - - - - - - - - - - - + + + + - - - - - - - - - - | 0.000 0.620 0.989 1.000 0.743 0.380 0.000 -0.380 -0.743 -1.000 -0.989 -0.620 0.000 0,199 0.620 0.989 1.000 0.743 0.380 0.000 -0.380 -0.743 -1.000 -0.989 -0.620 0.000 | -12351 -7201 -5466 -9525 -6240 -5723 -9708 -5737 | + - - + + + + - - - + + + + + + + + + + - - - + + + |
3.1 Построение индикаторной диаграммы
Индикаторная диаграмма строится в координатах 
. Построение индикаторной диаграммы двигателя внутреннего сгорания производится на основании теплового расчета.
В начале построения на оси абсцисс откладывают отрезок 
, соответствующий рабочему объему цилиндра, а по величине равный ходу поршня в масштабе 
, который в зависимости от величины хода поршня проектируемого двигателя может быть принят 1:1, 1.5:1 или 2:1.
Принимаем 1:1.
Отрезок 
, соответствующий объему камеры сгорания, определяется из соотношения
.
Отрезок
.
При построении диаграммы выбираем масштаб давления 
.
Затем по данным теплового расчета на диаграмме откладывают в выбранном масштабе величины давлений в характерных точках 
.
По наиболее распространенному графическому методу Брауэра политропы сжатия и расширения строим следующим образом.
Из начала координат проводим луч 
под углом 
к оси координат. Далее из начала координат проводим лучи 
и 
под углами 
и 
к оси ординат. Эти углы определяют из соотношений
, 
,
, 
.
Политропу сжатия строим с помощью лучей и 
. Из точки 
проводим горизонталь до пересечения с осью ординат; из точки пересечения - линию под углом 
к вертикали до пересечения с лучом 
, а из этой точки - вторую горизонтальную линию, параллельную оси абсцисс. Затем из точки 
проводим вертикальную линию до пересечения с лучом 
. Из этой точки пересечения под углом 
к вертикали проводим линию до пересечения с осью абсцисс, а из этой точки - вторую вертикальную линию, параллельную оси ординат, до пересечения со второй горизонтальной линией. Точка пересечения этих линий будет промежуточной точкой 
политропы сжатия. Точку 
находим аналогично, принимая точку 
за начало построения.
Политропу расширения строим с помощью лучей и 
, начиная от точки 
, аналогично построению политропы сжатия. Критерием правильности построения политропы расширения является приход ее в ранее нанесенную точку 
.
После построения политропы сжатия и расширения производим скругление индикаторной диаграммы с учетом предварения открытия выпускного клапана, опережения зажигания и скорости нарастания давления, а также наносим линии впуска и выпуска. Для этой цели под осью абсцисс проводим на длине хода поршня 
как на диаметре полуокружность радиусом 
. Из геометрического центра 
в сторону н.м.т. откладываем отрезок
,
где 
- длина шатуна.
При скруглении индикаторной диаграммы из центра 
проводят луч 
под углом 
, соответствующим предварению открытия выпускного клапана. Полученную точку 
, соответствующую началу открытия выпускного клапана, сносим на политропу расширения (точка 
).
Далее из того же центра проводят луч 
под углом 
, соответствующим углу опережения начала впрыска топлива (
ПКВ до в.м.т.), а точку 
сносим на политропу сжатия, получая точку 
. На линии в.м.т. находим точку 
из соотношения 
. Соединяем точки и 
плавной кривой. Из точки проводим плавную кривую до середины отрезка 
. Из середины отрезка проводим кривую с плавным переходом в кривую политропы расширения.
Затем проводим плавную кривую 
изменения линии расширения в связи с предварительным открытием выпускного клапана.
В результате указанных построений получаем действительную индикаторную диаграмму.
3.2 Развертка индикаторной диаграммы в координатах 
Развертку индикаторной диаграммы в координаты 
выполняем справа от индикаторной диаграммы. Ось абсцисс развернутой диаграммы располагаем по горизонтали на уровне линии 
индикаторной диаграммы. Длина графика (720° ПКВ) делится на 24 равных участка, которые соответствуют определенному углу поворота коленчатого вала. Каждую точку на линии абсцисс нумеруем (0, 30, 60° ПКВ). По наиболее распространенному способу Ф.А. Брикса дальнейшее перестроение индикаторной диаграммы ведем в следующей последовательности.
Полученную полуокружность делим вспомогательными лучами из центра на 6 равных частей, а затем из центра Брикса (точка ) проводим линии, параллельные вспомогательным лучам, до пересечения с полуокружностью.
Вновь полученные точки на полуокружности соответствует определенным углам 
ПКВ. Из этих точек проводим вертикали до пересечения с соответствующими линиями индикаторной диаграммы. Развертку индикаторной диаграммы начинаем, принимая за начало координат положение поршня в в.м.т. в начале такта впуска. Далее для каждого значения угла на индикаторной диаграмме определяем величину давления в надпоршневой полости и заносим в табл. 1. Модуль газовой силы также заносим в табл. 1. По данным этой таблицы строим зависимость 
.
Полученные точки на графике соединяем плавной кривой.
3.3 Построение диаграмм сил 
График силы инерции 
строим в том же масштабе и на той же координатной сетке, где выстроен график газовой силы 
. На основании полученных графиков 
и на той же координатной сетке и в том же масштабе строим график суммарной силы 
.
Определение модуля силы для различных значений угла 
выполняем путем суммирования в каждой точке ординат графиков 
и 
с учетом их знаков или модулей сил и из табл. 1.
Координатную сетку для графика сил 
и 
размещаем под координатной сеткой сил , , . График сил и 
строим в том же масштабе, что и предыдущий график.
Принимаем масштабные коэффициенты
.
3.4 Построение диаграммы суммарного крутящего момента
Для построения кривой суммарного крутящего момента 
многоцилиндрового двигателя необходимо графически просуммировать кривые крутящих моментов от каждого цилиндра, сдвигая влево одну кривую относительно другой на угол 
поворота кривошипа между вспышками.
Для двигателя с равными интервалами между вспышками суммарный крутящий момент будет периодически повторяться.
Для четырехтактного двигателя через
.
Поскольку
,
а 
,
то кривая 
, будет отличаться от кривой 
лишь масштабом.
Масштаб крутящего момента
;
где 
- масштаб силы, Н/мм.
Результаты расчета М1, М2, М3, М4, М5, М6, Мå заносим в табл.4
Таблица 4
| град ПКВ | М1,Нм | М2,Нм | М3,Нм | М4,Нм | М5,Нм | М6,Нм | М7,Нм | М8,Нм | Мå,Нм |
| 320,19 | 0,00 | -377,50 | 0,00 | 614,28 | 0,00 | -347,08 | 209,89 | ||
| -747,216 | 559,84 | -330,70 | 266,68 | 462,10 | 705,79 | -346,26 | 417,52 | 987,76 | |
| -435,666 | 327,74 | -576,29 | 299,63 | 168,70 | 381,68 | -587,31 | 740,98 | 319,46 | |
| 320,1852 | 0,00 | -377,50 | 0,00 | 614,28 | 0,00 | -347,08 | 0,00 | 209,89 |
Средний крутящий момент 
определяется по площади, лежащей под кривой графика суммарного 
:
;
где 
и 
- соответственно положительная и отрицательная площади под кривой суммарного 
., мм2;
- длина интервала между вспышками по диаграмме крутящего момента, мм.
Эффективный крутящий момент двигателя
Значение 
см. в разделе 2.7. Значение эффективного крутящего момента, полученное по данной формуле, должно совпадать с величиной 
, вычисленной ранее.
Относительная погрешность вычислений 
не должна превышать 
.
4. Расчет и построение внешней скоростной характеристики двигателя
Для расчета и построения внешней скоростной характеристики двигателя воспользуемся следующими эмпирическими зависимостями:
где 
, 
- эффективная мощность (кВт) и удельный эффективный расход топлива (г/(кВт∙ч)) при заданной частоте вращения коленчатого вала 
(об/мин) в искомой точке скоростной характеристики двигателя;
, 
- максимальная эффективная мощность двигателя (кВт) и максимальный удельный эффективный расход топлива (г/(кВт∙ч)) при частоте вращения коленчатого вала 
(об/мин);
- постоянные коэффициенты (табл. 4).
Значения коэффициентов 
для расчета характеристики двигателя.
Таблица 5
| Тип двигателя | 
| 
| 
| 
| 
|
| Дизельный с неразделенной камерой сгорания | 0.5 | 1.5 | 1.55 | 1.55 |
Значения 
и берутся из ранее произведенных расчетов:
,
,
где 
, 
- заданные номинальная эффективная мощность двигателя (кВт) и соответствующая ей частота ращения коленчатого вала (об/мин).
Текущие значения эффективного крутящего момента 
(Н∙м) и часового расхода топлива 
(кг/ч), необходимые для построения соответствующих графиков, рассчитываются по формулам:
,
.
Данные для построения внешней скоростной характеристики двигателя представлены в табл. 6.
Для построения внешней скоростной характеристики двигателя принимаем масштабы построения 
, 
, 
, 
.
Таблица 6.
| 
| 
| 
| 
|
| 39.1 | 415.2 | 10.1 | ||
| 44.9 | 429.1 | 251.2 | 11.3 | |
| 75.6 | 481.7 | 224.9 | 17.0 | |
| 105.9 | 505.8 | 211.8 | 22.4 | |
| 131.2 | 501.6 | 211.9 | 27.8 | |
| 477.7 | 221.4 | 32.1 |