Что такое шпг в автомобиле
Что такое поршневая группа: общая теория и поршни СТК
Поршневая группа двигателя включает в себя: поршень, поршневые кольца и поршневой палец.
Поршень, является наиболее важным элементом любого двигателя внутреннего сгорания.
Именно на эту деталь, выпадает основная нагрузка по преобразованию энергии расширяющихся газов в энергию вращения коленчатого вала. Свойства, которыми должен обладать поршень, трудно совместимы и технически тяжело реализуются.
Требования, которым должна соответствовать эта деталь:
Очертания поршня за более сто пятидесятилетнюю историю двигателя внутреннего сгорания мало изменились.
Устройство поршня
В конструкции поршня можно выделить несколько зон, каждая из которых, имеет свое функциональное назначение.
Если углубления на днище увеличивают объем камеры сгорания, то для уменьшения объема применяют вытеснители. Вытеснителем называют объем металла, который находится выше плоскости днища.
«Жаровым поясом» (огневым) называют расстояние от днища до канавки первого поршневого кольца. Чем ближе располагаются поршневые кольца к днищу, тем более высокой тепловой нагрузке они подвергаются, тем больше сокращается их ресурс.
Если конструкция изделия не будет предусматривать эффективный отвод тепла от днища, то это приведёт к его прогоранию.
По расчетам, через компрессионные кольца, передается до 60-70% выделенного тепла. Однако это требует плотного прилегания поршневых колец к цилиндру и к поверхностям канавок.
Головку поршня образуют днище и уплотняющая часть.
Расстояние от оси поршневого пальца до днища, называют компрессионной высотой поршня.
«Юбкой», называют нижнюю часть поршня. На этом участке находятся бобышки с отверстиями – место, куда устанавливается поршневой палец. Внешняя поверхность юбки, исполняет роль опорной и направляющей поверхности.
Юбка обеспечивает соосность положения детали к оси цилиндра блока. Кроме того, боковая поверхность юбки участвует в передаче к цилиндру возникающих поперечных усилий.
На поверхность юбки (или на все изделие) могут наноситься защитные покрытия улучающие прирабатываемость и снижающих трение.
Покрытие слоем олова позволяет сгладить неточности профиля и предотвратить наволакивание алюминия на поверхности цилиндра. Могут применяться покрытия созданные на основе графита и дисульфида молибдена.
Другой способ, снижающий потери на трение – нанесение на юбке канавок специального профиля. Глубина канавок составляет 0,01-0,015 мм. При движении, канавки не только удерживают масло, но и создают гидродинамическую силу, которая препятствует контакту со стенками цилиндра.
Одним из факторов, определяющих геометрию поршня, является необходимость снижения сил трения.
Для этого требуется обеспечение определенной толщины масляного слоя в зазоре между поршнем и стенками цилиндра. Причем маленький зазор повлечет за собой увеличение сил трения и как следствие повышение нагрева деталей и их ускоренный износ а возможно и заклинивание.
Слишком большой зазор, увеличит шумность двигателя, приведет к росту динамических нагрузок на сопрягаемые детали и будет способствовать их ускоренному износу. Поэтому величина зазора подбирается в соответствии с рекомендациями для конкретного типа двигателя.
В истории применения конструкций поршней для двигателей ВАЗ, просматриваются этапы влияния нескольких европейских конструкторских школ.
На первых моделях двигателей ВАЗ применяется «итальянская» конструкция. Поршни отличаются большой компрессионной высотой, широкой опорной поверхностью юбки. Поверхность изделия покрыта слоем олова.
В разработке последующих конструкций принимают участие немецкие компании. У поршней уменьшается компрессионная высота. На юбке применяется микропрофиль – специальный профиль канавок, для удержания смазки в зоне трения. Поршни моделей ВАЗ 21126 и ВАЗ 11194 получают Т-образный профиль и рассчитаны на установку «тонких» поршневых колец. Так внешне сравнивая модели от 2101 до 21126, можно получить представление об общих тенденциях совершенствования конструкции, основанных на новых научных разработках.
Когда речь заходит об отечественных машинах (ВАЗ, Приора и пр.) приходиться всерьёз рассматривать компанию СТК и её продукцию. Самара Трейдинг Компани (сокращённо – «СТК») не случайно стала одним из самых популярных производителей поршневых групп. Всё дело исключительно в производстве, ведь оно уникально в своём роде.
Самым сложным и, в то же время, важным технологическим процессом при изготовлении поршневых систем является литьё. Однородность и прочность материалов, жаростойкость и твёрдость – всё это играет важнейшую роль. Стоит какому-то коэффициенту отклонится на 1% и поршень застрянет в цилиндре, шатун может легко искривиться и даже заклинить, нарушив целостность и исправность всего силового агрегата.
Полуавтоматические устройства и специальные высокотехнологические станки позволяют компании СТК осуществлять литьё поршней на высочайшем уровне. Данной технологии нет равных, на протяжении долгих десятилетий и благодаря кропотливой работе инженеров фабрика создаёт самые качественные поршневые кольца и поршни. Несмотря на автоматизацию всех процессов, процедура изготовления каждого поршня контролируется людьми. Каждый продукт проходит целую линейку тестов.
Стоит лишь посетить любую станцию техобслуживания и задать вопрос автомеханику «Какой поршень идеально подойдёт отечественному автомобилю?», и вы услышите ответ: «СТК». Всё дело в том, что каждый механик желает выполнить работу так, чтобы клиент не возвращался к нему и не приходилось нарушать гарантийные обязательства.
Несмотря на лидирование компании СТК существуют и другие неплохие аналоги, например, Кострома-мотордеталь. В сравнении с китайскими и европейскими поршнями, Кострома хорошо показала себя в отечественных машинах, однако сама конструкция этого поршня не способна уберечь водителя от самой зловещей неисправности – столкновения поршня и клапанов.
Безвытковые Поршни СТК, содержащие специальные проточки, не влияют пагубно на клапана головки блока цилиндров. Поэтому в случае гидравлического удара, даже при срыве цепи газораспределительного механизма, когда поршни «летят» вверх, а клапана – вниз, исход их столкновения невозможен, если в двигатель установлены поршни СТК. Всё благодаря специальным канавкам, проточенным в головке каждого поршня – новшеству инженеров самарской компании.
Если ваш автомобиль уже давно б/у, его компрессия вас вовсе не радует и вы отлично понимаете, что настало время менять поршневую, помните: оптимальными для двигателя будут поршневые группы Самара Трейдинг Компани (СТК).
Более подробно про поршни СТК можно прочесть здесь и здесь.
Динамические законы ШПГ на примере двигателей семейства М30. Часть 1
Внимание.: Данная статья содержит мнение автора за год до продолжения цикла статей, где вопрос R/S был изучен более глубоко. Оставлена статья в качестве отражения хода мыслей автора.
__________________________________________________________________
Ранее мы рассмотрели законы преобразования сил в двигателе достаточно подробно. Но очевидно, что у многих от формул возникает пелена перед глазами, а в голове образуется туман. Особенно, когда речь идет о формулах, которые не умещаются в одну строку и содержат много скобок.
Сегодня я постараюсь наглядно отобразить, сколько же это в попугаях на примерах геометрических характеристик моторов BMW семейства М30.
Для начала вспомним, к чему же мы пришли:
Простыми преобразованиями сил давления газов и инерции мы получили теоретическое значение мгновенного крутящего момента, т.е. значения крутящего момента при определенных параметрах в определенный момент времени. Без ускорения коленчатого вала (т.е. двигатель вращается с постоянной частотой) это будет выглядеть так:
Мкр = r * [((Р — Рк) * п * D^2 / 4 — (mп + mшп) * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — (mшк + mшш + 2*mщк) * r * w^2]
Это выражение очень пугает своей длиной и дотошностью. Совершим для наглядности следующее преобразование, которое не позволит потерять суть:
Мкр = r * [(Рг * п * D^2 / 4 — mвп * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — mв * r * w^2],
где
Рг = Р — Рк, т.е. результирующее давление газов,
mвп = mп + mшп, т.е. суммарная возвратно-поступательная масса,
mв = mшк + mшш + 2*mщк, т.е. суммарная вращательная масса.
Сделаем очевидный вывод, что крутящий момент прямо пропорционален радиусу кривошипа и запишем только выражение для вращающей силы:
Fв = (Рг * п * D^2 / 4 — mвп * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >)*sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)) — mв * r * w^2
Теперь разобьем вращающую силу отдельно на составляющие и рассмотрим их детально:
Fв = (Fг + Fивп)* k + Fив,
где
Fг = Рг * п * D^2 / 4, т.е. сила давления газов на поршень
Fивп = — mвп * w^2 * r * < cosф + cos2ф * r / l >, т.е. сила инерции возвратно-поступательных масс
Fив = — mв * r * w^2, т.е. сила инерции вращающихся масс
k = sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф)), т.е. коэффициент передачи сил от поршня к коленчатому валу
Вроде, так должно восприниматься проще=)
Итак, теперь препарируем каждое составляющее:
1. Коэффициент передачи сил от поршня к коленчатому валу:
k = sin (ф + arcsin (r/l * sinф)) / cos (arcsin (r/l * sinф))
По сути этот коэффициент можно определить так: это то значение силы, которое передастся коленчатому валу, если на поршень будет действовать постоянная единичная сила.
Посмотрим сравнение зависимости этого коэффициента от угла поворота коленчатого вала для моторов М30В34 и М30В25:
Ход (М30В25) = 71,6 мм,
Ход (М30В34) = 86 мм
Длина шатуна (М30В25) = Длина шатуна (М30В34) = 135 мм
Теперь посмотрим сравнение зависимости этого коэффициента от угла поворота коленчатого вала для моторов М30В34 и S38B36:
Ход (М30В34) = Ход (S38B36) = 86 мм
Длина шатуна (М30В34) = 135 мм
Длина шатуна (S38B36) = 144 мм
Что можно отметить? Если увеличение радиуса кривошипа хоть немного смещает по градусам раньше пик значения коэффициента и немного увеличивает само пиковое значение, то изменение длины шатуна практически не сказывается на изменении эпюры.
2. Сила инерции вращающихся масс.
Что можно сказать сразу из выражения?
Чем меньше масса вращающихся масс, тем меньше по модулю эта сила.
Чем меньше радиус кривошипа, тем меньше по модулю эта сила.
Чем меньше частота вращения коленчатого вала, тем меньше по модулю эта сила. Причем тут зависимость квадратичная.
Данная сила не зависит ни от длины шатуна, ни от угла поворота коленчатого вала.
Скучная, казалось бы, сила. Ни эпюр не построить, ни оценить изменения этой силы от каких-либо иных параметров. Да, так оно и есть. В готовом ДВС эта сила меняется только с частотой коленчатого вала, причем по обычной параболе.
Но давайте задумаемся над её смыслом. Как говорилось в статье про динамику, это паразитная сила. И нам бы её минимизировать. Ан не все так просто. К сожалению, уменьшить её не в ущерб силовой установке нельзя. Уменьшим массу коленчатого вала или шатуна — снизим прочность. Уменьшим радиус кривошипа — уменьшим крутящий момент. Уменьшим скорость вращения коленчатого вала — снизим мощность.
Дык, сколько же это в попугаях?
К сожалению или к счастью, я не распилил ни одного коленчатого вала и не взвешивал массы щек и шеек. Но давайте проведем оценку:
Коленчатый вал М30В34 имеет массу 29,5 кг. Пусть неуравновешена треть массы коленчатого вала, т.е. 10 кг. Делим на 6 цилиндров и получаем примерно 1,7 кг.
Шатун М30В34 имеет массу 0,75 кг. Пусть вращающаяся масса шатуна составляет треть, т.е. 0,5 кг.
Итого получаем:
Радиус кривошипа М30В34 составляет 86 см, т.е.
Fив (1000 об/мин) = — 2,2 кг * 0,086 м * (2*п рад/об * 1000 об/мин / 60 с/мин)^2 = — 0,1892 * (0,1 * 1000)^2 = — 1,8 кН.
А если же речь идет о 3000 об/мин:
Fив (3000 об/мин) = — 2,2 кг * 0,086 м * (2*п рад/об * 3000 об/мин / 60 с/мин)^2 = — 0,1892 * (0,1 * 3000)^2 = — 17 кН.
Если же 17 кило Ньютон Вас не впечатлили, то:
Fив (6000 об/мин) = — 2,2 кг * 0,086 м * (2*п рад/об * 6000 об/мин / 60 с/мин)^2 = — 0,1892 * (0,1 * 6000)^2 = — 68 кН.
Ну, аминь… Что еще тут можно сказать?
3. Сила инерции возвратно-поступательных масс.
Ну, эта сила в разы интереснее, не так ли? Налицо и зависимость от массы поршня и верхней части шатуна, и зависимость от радиуса кривошипа, и от оборотов двигателя, и от угла поворота коленчатого вала, и даже от длины шатуна. А это веский повод порисовать эпюрки=)
Но давайте вспомним, что означает данное выражение? Это произведение массы поршня и части массы шатуна на ускорение движения поршня (мы на них смотрели здесь), только со знаком минус. А это значит, что эпюра будет напоминать обратную эпюре ускорения с точности до массы.
Для наглядности представим массу единичной (т.е. 1 кг, что, кстати, близко у реальности) и посмотрим на графики:
М30В25 и М30В34 при 3000 об/мин:
Ход (М30В25) = 71,6 мм,
Ход (М30В34) = 86 мм
Длина шатуна (М30В25) = Длина шатуна (М30В34) = 135 мм
М30В25 и М30В34 при 6000 об/мин:
Ход (М30В25) = 71,6 мм,
Ход (М30В34) = 86 мм
Длина шатуна (М30В25) = Длина шатуна (М30В34) = 135 мм
М30В34 и S38B36 при 3000 об/мин:
Ход (М30В34) = Ход (S38B36) = 86 мм
Длина шатуна (М30В34) = 135 мм
Длина шатуна (S38B36) = 144 мм
М30В34 и S38B36 при 6000 об/мин:
Ход (М30В34) = Ход (S38B36) = 86 мм
Длина шатуна (М30В34) = 135 мм
Длина шатуна (S38B36) = 144 мм
Как мы видим, имеется серьезная зависимость от частоты вращения коленчатого вала. Имеется выраженная зависимость от радиуса кривошипа. От длины шатуна зависимость несущественная.
Ну, и нельзя не отметить, что и здесь речь идет о кило Ньютонах. Напомню, что обозначенная для рассмотрения возвратно-поступательная масса в 1 кг очень близка к истинной, ибо масса одного только поршня в среднем составляет 0,5…0,75 кг.
Прошу обратить внимание на интересную особенность этой силы: примерно до 70…80 градусов оборота коленчатого вала эта сила работает, казалось бы, во вред. На самом деле, это запасение энергии, которая после 70…80 градусов оборота коленчатого вала учавствует в выполнение полезной работы (на эпюре видно, что значение силы сменило знак с минуса на плюс и продолжает расти). Этот эффект подобен качелям: сначала вес качелей сопротивляется нам, но когда мы их отпускаем, качели начинают радовать=)
Когда направление поршня меняет направление движения (т.е. после 180 градусов), а значит и вектор силы тяги, данная сила снова паразитирует, сопротивляясь вращению. Но после 280…290 градусов опять же приносит пользу.
Оценка влияния R/S на работу мотора
Рассмотрим движение поршня внутри цилиндра. Заметим, что он совершает поступательное движение (точнее, возвратно-поступательное), поэтому кинематика поршня целиком описывается движением его любой, наперёд выбранной точки. Движение же коленвала является чисто вращательным, и его положение описывается углом поворота. При этом у шатуна имеется более сложный характер плоско-параллельного движения, что проще всего описать вращением относительно движущегося центра тяжести (ЦТ).
I.1. Движение поршня
Для начала изобразим некоторое (промежуточное) положение поршня между верхней мёртвой точкой (ВМТ) и нижней мёртвой точкой (НМТ):
Введём следующие обозначения:
R — длина шатуна;
S — ход поршня (размах колевала);
s = S/2 — половина хода поршня (длина «колена»);
r = R/s = 2R/S — удвоенное отношение R/S;
α — угол поворота коленвала, отсчитываемый от вертикали (α = 0° — поршень в ВМТ, α = 180° — поршень в НМТ);
ω = α̇ = const — угловая скорость коленвала (частота вращения);
φ — угол наклона шатуна.
Положение поршня характеризуется перемещением y, пройденным его точкой A от ВМТ (y_A = 0 — поршень в ВМТ, y_A = S — поршень в НМТ), которое меняется с изменение угла α поворота коленвала. Найдём связь между положением поршня и углом поворота коленвала.
Сначала заметим, что горизонтальные проекции шатуна и «колена» равны (см. рис. 1):
Теперь напишем связь вертикальных проекций (см. рис. 1):
Осталось подставить (1) в (2) и выразить y_A через α, принимая во внимание основное тригонометрическое тождество:
Если в правой части (3) вынести s за скобки, то получится
Для нахождения скорости v движения поршня достаточно продифференцировать (4) по времени:
В свою очередь, чтобы найти ускорение w поршня нужно продифференцировать по времени скорость (5) (рассматриваем случай постоянных оборотов двигателя, т.е. ω̇ ≡ 0):
Ещё одним важным параметром, характеризующим вибрационную нагруженность двигателя, является биение (рывок), которое обозначается a и представляет собой скорость изменения ускорения:
Если внимательно посмотреть на выражения (4), (5), (6) и (7), то можно заметить, что:
1) перемещение y, скорость v, ускорение w и биение a поршня линейно зависят от длины s «колена»;
2) скорость v пропорциональна частоте вращения коленвала ω в первой степени;
3) ускорение w пропорционально частоте вращения коленвала ω во второй степени;
4) биение a пропорционально частоте вращения коленвала ω в третьей степени.
На следующем рисунке показаны графики удельного ускорения w/(s∙ω²) и удельного биения a/(s∙ω³) поршня (по сути это графики выражений, стоящих в фигурных скобках) для моторов с R/S = 1.763 (сплошные линии, это двигатели ВАЗ 21126/21127/21129) и R/S = 1.524 (пунктирные линии, это двигатель ВАЗ 21179):
Как видно, с падением R/S растут и ускорение, и биение поршня: разница удельных ускорений при положении поршня в ВМТ (α = 0°) составляет почти 3.5%.
Интересен тот факт, что у моторов 21126/21127/21129, обладающих более высоким R/S по сравнению с мотором 21179, при угле поворота коленвала от 150 до 210° биение практически равно нулю, а ускорение, соответственно, постоянно. При переходе от удельных величин к абсолютным ситуация с двигателем 21179 усугубляется тем, что он имеет «колено» на 11% больше, чем у двигателей 21126/21127/21129, т.е. графики, показанные на рис. 2, в абсолютных величинах будут различаться ещё больше.
I.2. Движение шатуна
I.2.1 Движение центра тяжести шатуна
В самом начале было отмечено, что кинематику шатуна удобно описывать перемещением его ЦТ C с одновременным вращением вокруг ЦТ. Положение точки C целиком определяется положением точек A и B (см. рис. 1). Положение y_A(α) точки A уже найдено выше, осталось найти положения x_B(α) и y_B(α) точки B:
Координаты точки C описываются уравнениями (см. рис. 1)
После подстановки (4) и (8) в (9), учитывая x_A ≡ 0, получаем
Компоненты скорости точки C находятся дифференцированием (10):
Теперь дифференцированием (11) находим ускорение ЦТ шатуна:
Если внимательно посмотреть на выражения (12), то можно заметить, что:
1) боковое ускорение ЦТ шатуна Wx_C не зависит от R/S;
2) все компоненты ускорения ЦТ шатуна линейно зависят от длины s «колена»;
3) все компоненты ускорения ЦТ шатуна пропорциональны частоте вращения коленвала ω во второй степени.
На следующем рисунке показаны графики удельного ускорения ЦТ шатуна Wx_C/(s∙ω²), Wy_C/(s∙ω²) и |W_C|/(s∙ω²) при c = 0.4 для моторов с R/S = 1.763 (сплошные линии, это двигатели ВАЗ 21126/21127/21129) и R/S = 1.524 (пунктирные линии, это двигатель ВАЗ 21179):
Разница удельных вертикальных ускорений при положении поршня в ВМТ (α = 0°) составляет около 1.5%, а при положении поршня в НМТ (α = 180°) — чуть менее 2%.
Здесь необходимо отметить, что уменьшение величины c до 0.2 (т.е. смещение ЦТ шатуна ближе к коленвалу) приводит к почти полному исчезновению разницы в удельных ускорениях при различных R/S. Но всё же стоит помнить, что абсолютные величины ускорений шатуна зависят от длины «колена».
I.2.2 Вращение шатуна вокруг центра тяжести
Для определения угловой скорости вращения шатуна необходимо найти компоненты скоростей точек A и B, перпендикулярные линии шатуна AB.
Угловая скорость шатуна Ω определяется через разность поперечных проекций скоростей точек A и B (см. рис. 4), отнесённую к длине шатуна:
Угловое ускорение ϵ шатуна определяется с помощью дифференцирования (14):
Если внимательно посмотреть на выражения (14) и (15), то можно заметить, что:
1) угловая скорость Ω и угловое ускорение ϵ шатуна хотя и зависят от R/S, но НЕ зависят от длины s «колена»;
2) угловая скорость шатуна Ω пропорциональна частоте вращения коленвала ω в первой степени;
3) угловое ускорение шатуна ϵ пропорциональны частоте вращения коленвала ω во второй степени.
На следующем рисунке показаны графики удельной угловой скорости Ω/ω и удельного углового ускорения шатуна ϵ/ω² для моторов с R/S = 1.763 (сплошные линии, это двигатели ВАЗ 21126/21127/21129) и R/S = 1.524 (пунктирные линии, это двигатель ВАЗ 21179):
Как видно, с падением R/S растут и угловая скорость, и угловое ускорение шатуна: разница удельных угловых ускорений при α = 90° составляет почти 17.5%.
II. УСИЛИЯ В МЕХАНИЗМЕ ШПГ
II.1. Инерционные силы
Инерционные силы имеют наибольшее влияние в последовательности тактов выпуск-впуск, т.к. на данных тактах камера сгорания (КС) открыта, и воздушного подпора за счёт сжатия газа или горения смеси не создаётся.
За инерционную нагрузку на шатун и коленвал отвечает ускорение поршня. Согласно второму закону Ньютона сила инерции поршня Fп равна произведению его массы mп на ускорение w (6):
Поскольку ускорение зависит от частоты вращения коленвала во второй степени, сила инерции поршня растёт пропорционально квадрату оборотов двигателя. Эта сила растягивает шатун, когда поршень находится у ВМТ, и, наоборот, сжимает шатун, когда поршень находится у НМТ:
Найдём силу Fш, действующую вдоль шатуна, исходя из равенства вертикальных проекций (см. рис. 6):
Равенство горизонтальных проекций даёт величину боковой силы Fб, действующей на стенки цилиндра, когда поршень тянется/толкается шатуном (см. рис. 6):
Из выражений (17) и (18) видно, что силы Fш и Fб линейно зависят от массы поршня mп (точнее, суммарной массы поршня с пальцем и кольцами), поэтому снижение этой массы приводит к снижению нагрузки на шатун и стенки цилиндра.
На следующем рисунке показаны графики удельных сил Fш/(mп∙s∙ω²) и Fб/(mп∙s∙ω²) для моторов с R/S = 1.763 (сплошные линии, это двигатели ВАЗ 21126/21127/21129) и R/S = 1.524 (пунктирные линии, это двигатель ВАЗ 21179):
Как и ранее, видно, что с падением R/S растут обе силы: разница удельных сил растяжения шатуна при положении поршня в ВМТ (α = 0°) составляет почти 3.5%, а максимальных удельных боковых сил — более 19%.
Также при переходе от удельных величин к абсолютным ситуация с двигателем 21179 усугубляется тем, что он имеет колено на 11% больше, чем у двигателей 21126/21127/21129, т.е. графики, показанные на рис. 4, в абсолютных величинах будут различаться ещё больше. Для сохранения ресурса мотора 21179 на уровне 21126 требуется снижение его максимальных рабочих оборотов как минимум на 5.5% (т.е. до 5100 вместо 5500 об/мин).
II.2. Крутящий момент двигателя
Здесь уже рассматриваются такты сжатия и горения.
Как отмечалось ранее, с точки зрения термодинамики процесс расширения газа на рабочем цикле является политропным:
p = p0/(V/V0)ⁿ, (19)
где
1 
Заметим, что в данном случае, как и в предыдущем, возникает боковая сила Pб, которая является горизонтальной проекцией силы, действующей вдоль шатуна:
На следующем рисунке показаны графики удельного крутящего момента T/p0 и удельной боковой силы 10Pб/p0 для моторов с R/S = 1.763 (сплошные линии, это двигатели ВАЗ 21126/21127/21129), R/S = 1.524 (пунктирные линии, это двигатель ВАЗ 21179) и R/S = 1.601 (штрих-пунктирные линии, это двигатель ВАЗ 21126 с укороченным шатуном 121 мм и поршнем с увеличенной компрессионной высотой):
Здесь видно, что основной вклад в крутящий момент делает колено s: у мотора 21179 максимальный удельный крутящий момент на 13% больше, чем у мотора 21126.
При этом уменьшение R/S за счёт установки коротких шатунов без изменения коленвала приводит лишь к незначительному (около 1%) увеличению удельного крутящего момента при α от 0 до 60° и чуть большему падению удельного крутящего момента при α от 60 до 180°, причём среднее значение удельного крутящего момента даже уменьшается на 1%. Следует обратить внимание, что в такой конфигурации максимальная удельная боковая сила возрастает на 9%.
Рассмотрим два самых распространённых случая, в которых блок цилиндров остаётся неизменным, а происходит замена шатунов или коленвала.
III.1. Увеличение объёма за счёт увеличения хода поршня
В этом случае увеличение колена s приводит к сокращению длины шатуна R (т.к. резервы по сокращению компрессионной высоты поршня обычно отсутствуют). Без изменения высоты блока цилиндров суммарная длина колена и шатуна остаётся практически неизменной:
Таким образом, увеличение колена без (существенного) изменения высоты блока приводит к падению R/S. Как было показано выше, в таком случае нагрузки на шатуны и цилиндры растут как за счёт падения R/S, так и за счёт увеличения колена s. Поэтому в данном случае для сохранения ресурса мотора требуется либо усиление шатунов и цилиндров, либо сокращение максимальных оборотов двигателя, в противном случае его ресурс резко упадёт. Плюсами данной конфигурации является очень существенное увеличение крутящего момента двигателя (как за счёт увеличения объёма, так и за счёт увеличения колена).
III.2. Снижение R/S за счёт укорочения шатуна
В этом случае колено s остаётся неизменным, а меняются шатуны и поршни. Изменение длины шатуна компенсируется изменением компрессионной высоты поршня (последняя уменьшается в случае удлинения шатуна и увеличивается в случае укорочения шатуна). В отличие от предыдущего случая, здесь нагрузки на шатуны и цилиндры растут только за счёт уменьшения R/S, что не так сильно сказывается на ресурсе двигателя. Стоит отметить что боковая сила на рабочем такте растёт. Однако укорочение шатуна потенциально может привести к снижению инерционных сил за счёт общего уменьшения массы подвижных частей ШПГ. Из плюсов можно отметить потенциально бОльшую площадь юбки поршня, что снижает пиковое давление на стенки цилиндра.