АвтоГурман. Двигатель w8

Украшение версии W8 — два глушителя со сдвоенными хромированными патрубками и 17-дюймовые колеса

— ЧЬЯ это была идея — создать W-образный двигатель? Конечно, доктора Пиха!Когда инженер-двигателист из Вольфсбурга упоминает имя главы концерна VW Фердинанда Пиха, в его голосе звучит гордость и симпатия.— Вы не представляете, как приятно работать в компании, глава которой — талантливый автомобильный инженер. У нас регулярные встречи, интереснейшие обсуждения новых конструкций. А идею создания W-образных моторов доктор Пих выдвинул еще в середине 90-х годов…На самом деле работу над смещенно-рядными двигателями в Вольфсбурге начали еще в 70-х. Помните знаменитый мотор VR6 образца 1991 года — V-образную «шестерку» с очень малым углом развала блока, всего в 15°? «Шахматное» расположение цилиндров позволяло поместить «шестерку» объемом 2,8 л в Golf и Passat, которые тогда оба имели поперечное расположение силового агрегата. Под капотом нынешнего Пассата двигатели стоят уже продольно, как на Audi A4 или A6. Поэтому угол развала блока здесь уже большого значения не имеет — до недавнего времени самый мощный Passat обходился обычной V-образной «шестеркой» мощностью около 200 л.с. Но разместить в подкапотном пространстве без существенных переделок «восьмерку», как на Audi A6, не получилось бы из-за ограниченной длины моторного отсека. Да и мог ли кто-нибудь раньше предположить, что скромный трудяга Passat вообще нуждается в восьмицилиндровом моторе?Скромный трудяга. Кто — этот сверкающий хромом красавец? «Народный ваген» с четырехлитровым двигателем? Везет же тому народу…Надписи W8 и 4Motion на крышке багажника, великолепные 17-дюймовые колеса — вот и все внешние отличия от обычного Пассата. Впрочем, сквозь спицы колес легко заметить огромные передние тормозные диски с мощнейшими суппортами. Даже задние диски здесь вентилируемые.Кстати, под стеклянной поверхностью люка видна необычная сетка. Это… солнечные батареи! Когда Passat стоит на солнцепеке с выключенным двигателем, 28 фотоэлементов питают мотор вентилятора системы микроклимата, и из дефлекторов дует слабый ветерок забортного воздуха. Не панацея от жары, но все-таки легче. Правда, стоит такой люк ох как недешево…Двигатель запускается бесшумно. Вибраций никаких (балансирные валы!). Пятиступенчатый «автомат» Tiptronic с возможностью ручного последовательного переключения передач, увы, настроен точно так же, как на Audi A6. Спокойный, не слишком расторопный при переключениях, он настраивает на размеренное движение. Даже при 140 км/ч в салон извне проникает лишь легкий шелест ветра. Ни двигателя, ни шин не слышно. Очень комфортабельный автомобиль! И, конечно, очень быстрый. Но то, что под капотом четырехлитровая «восьмерка», а не обычный двигатель V6, особо не чувствуется. Может быть, это «автомат» демпфирует мощь W-образного сердца?Шестиступенчатая «механика» позволяет намного острее ощутить характер мотора. Вся его жизненная сила сконцентрирована в зоне средних оборотов. После 2500 об/мин — взрыв энергии! Из четырех хромированных патрубков системы выпуска в это время доносится великолепный звук — он будоражит кровь, но при этом негромок, как и положено солидному автомобилю.Правда, на «низах» фольксвагеновский мотор W8 тяговит, но не слишком — даже шестиступенчатая коробка заставляет довольно часто переключаться на пониженную передачу. Заглохнуть при старте, конечно, надо постараться — даже при длинноходных педалях сцепления и акселератора. А крутить двигатель до максимальных 6300 об/мин особого смысла нет — на средних оборотах его отдача выше. Все в полном соответствии с кривой крутящего момента, у которой есть ярко выраженный «горб» на 2700 об/мин!Подвеска великолепна. Она жестче, чем у обычных Пассатов, но до дискомфорта дело не доходит. Зато даже когда под колесами извилистая неровная дорожка с бугристым асфальтом, на высокой скорости у машины ни раскачки, ни пробоев. А в поворотах Passat на сверхнизкопрофильных шинах Michelin Pilot Primacy так цепко держится за дорогу, так весело слушается руля и столь четко прописывает траекторию, что сердце прибавляет обороты. Это уже настоящий driver’s car, черт возьми!Настройка управляемости фольксвагеновцам удалась. Такое ощущение, что чем круче поворот, тем лучше едет автомобиль! Правда, в отличие от дорогих версий Audi A6, Passat W8 оснащается обычным гидроусилителем, без переменного усилия в зависимости от скорости. И при низкоскоростных маневрах руль тяжеловат. На прямой немного не хватает «прозрачности» в малых углах… Но зато в виражах баранка достаточно легкая и весьма информативная. И очень понравилось, что и седан, и универсал Passat W8 Variant близки по характеру. Универсал чуть-чуть потяжелее на ходу, не столь легок в виражах. Но различия — на уровне нюансов!А что касается двигателя… Да, по нынешним меркам двигатель W8 не относится к самым высокофорсированным и явно уступает, к примеру, моторам BMW. Но для Пассата такая разгонная динамика, особенно с «механикой» — это ураган!И при этом восьмицилиндровый Passat стоит заметно дешевле, нежели Audi, BMW и Mercedes с восьмицилиндровыми моторами. Цены для рынка России пока не известны (российский дебют версии W8 пройдет на Московском автосалоне, а продажи начнутся ближе к зиме). Но в Европе Passat W8 стоит около $40000. За такие деньги в России предлагается переднеприводный Audi А6 с трехлитровым мотором V6. А ведь Passat W8 «в стандарте» имеет и полноприводную трансмиссию, и отличное оснащение…Конечно, есть еще и вопрос престижа. Станут ли покупать Volkswagen те, кто без проблем может выбрать любую из элитных марок? Не беспокойтесь, доктор Пих все рассчитал. Во-первых, Volkswagen имеет нейтральный имидж, не отягощенный никакими социальными предрассудками. Во-вторых, многие «технари» захотят купить автомобиль именно из-за уникального двигателя — машины с мотором W8 больше нет ни у кого! А в-третьих, эмблема с буквой W означает уже иной уровень, нежели десять лет назад. В Америке и Японии автомобили Volkswagen — среди престижного «импорта», и ровно половина всего 10000-го годового выпуска версий W8 должна быть продана именно за океаном. В Европе… «Наши клиенты в Европе — это дети беби-бумеров, первым автомобилем которых пятнадцать лет назад был подержанный Golf. С тех пор они выросли, добились успеха в обществе. И мы будем расти вместе с ними, предоставляя им возможность выбирать престижный и дорогой Volkswagen…»Passat W8 — это только начало. В ближайшие годы мы с вами увидим эту W-образную «восьмерку» и на большом седане Volkswagen D1, который будет конкурировать с Мерседесом S-класса и BMW седьмой серии, и на внедорожнике Kolodado, и даже на «суперспорт-каре»! Так что, замышляя в середине 90-х двигатель с расположением цилиндров в виде буквы W, доктор Пих заглядывал очень далеко…

— ЧЬЯ это была идея — создать W-образный двигатель? Конечно, доктора Пиха!Когда инженер-двигателист из Вольфсбурга упоминает имя главы концерна VW Фердинанда Пиха, в его голосе звучит гордость и симпатия.— Вы не представляете, как приятно работать в компании, глава которой — талантливый автомобильный инженер. У нас регулярные встречи, интереснейшие обсуждения новых конструкций. А идею создания W-образных моторов доктор Пих выдвинул еще в середине 90-х годов…На самом деле работу над смещенно-рядными двигателями в Вольфсбурге начали еще в 70-х. Помните знаменитый мотор VR6 образца 1991 года — V-образную «шестерку» с очень малым углом развала блока, всего в 15°? «Шахматное» расположение цилиндров позволяло поместить «шестерку» объемом 2,8 л в Golf и Passat, которые тогда оба имели поперечное расположение силового агрегата. Под капотом нынешнего Пассата двигатели стоят уже продольно, как на Audi A4 или A6. Поэтому угол развала блока здесь уже большого значения не имеет — до недавнего времени самый мощный Passat обходился обычной V-образной «шестеркой» мощностью около 200 л.с. Но разместить в подкапотном пространстве без существенных переделок «восьмерку», как на Audi A6, не получилось бы из-за ограниченной длины моторного отсека. Да и мог ли кто-нибудь раньше предположить, что скромный трудяга Passat вообще нуждается в восьмицилиндровом моторе?Скромный трудяга. Кто — этот сверкающий хромом красавец? «Народный ваген» с четырехлитровым двигателем? Везет же тому народу…Надписи W8 и 4Motion на крышке багажника, великолепные 17-дюймовые колеса — вот и все внешние отличия от обычного Пассата. Впрочем, сквозь спицы колес легко заметить огромные передние тормозные диски с мощнейшими суппортами. Даже задние диски здесь вентилируемые.Кстати, под стеклянной поверхностью люка видна необычная сетка. Это… солнечные батареи! Когда Passat стоит на солнцепеке с выключенным двигателем, 28 фотоэлементов питают мотор вентилятора системы микроклимата, и из дефлекторов дует слабый ветерок забортного воздуха. Не панацея от жары, но все-таки легче. Правда, стоит такой люк ох как недешево…Двигатель запускается бесшумно. Вибраций никаких (балансирные валы!). Пятиступенчатый «автомат» Tiptronic с возможностью ручного последовательного переключения передач, увы, настроен точно так же, как на Audi A6. Спокойный, не слишком расторопный при переключениях, он настраивает на размеренное движение. Даже при 140 км/ч в салон извне проникает лишь легкий шелест ветра. Ни двигателя, ни шин не слышно. Очень комфортабельный автомобиль! И, конечно, очень быстрый. Но то, что под капотом четырехлитровая «восьмерка», а не обычный двигатель V6, особо не чувствуется. Может быть, это «автомат» демпфирует мощь W-образного сердца?Шестиступенчатая «механика» позволяет намного острее ощутить характер мотора. Вся его жизненная сила сконцентрирована в зоне средних оборотов. После 2500 об/мин — взрыв энергии! Из четырех хромированных патрубков системы выпуска в это время доносится великолепный звук — он будоражит кровь, но при этом негромок, как и положено солидному автомобилю.Правда, на «низах» фольксвагеновский мотор W8 тяговит, но не слишком — даже шестиступенчатая коробка заставляет довольно часто переключаться на пониженную передачу. Заглохнуть при старте, конечно, надо постараться — даже при длинноходных педалях сцепления и акселератора. А крутить двигатель до максимальных 6300 об/мин особого смысла нет — на средних оборотах его отдача выше. Все в полном соответствии с кривой крутящего момента, у которой есть ярко выраженный «горб» на 2700 об/мин!Подвеска великолепна. Она жестче, чем у обычных Пассатов, но до дискомфорта дело не доходит. Зато даже когда под колесами извилистая неровная дорожка с бугристым асфальтом, на высокой скорости у машины ни раскачки, ни пробоев. А в поворотах Passat на сверхнизкопрофильных шинах Michelin Pilot Primacy так цепко держится за дорогу, так весело слушается руля и столь четко прописывает траекторию, что сердце прибавляет обороты. Это уже настоящий driver’s car, черт возьми!Настройка управляемости фольксвагеновцам удалась. Такое ощущение, что чем круче поворот, тем лучше едет автомобиль! Правда, в отличие от дорогих версий Audi A6, Passat W8 оснащается обычным гидроусилителем, без переменного усилия в зависимости от скорости. И при низкоскоростных маневрах руль тяжеловат. На прямой немного не хватает «прозрачности» в малых углах… Но зато в виражах баранка достаточно легкая и весьма информативная. И очень понравилось, что и седан, и универсал Passat W8 Variant близки по характеру. Универсал чуть-чуть потяжелее на ходу, не столь легок в виражах. Но различия — на уровне нюансов!А что касается двигателя… Да, по нынешним меркам двигатель W8 не относится к самым высокофорсированным и явно уступает, к примеру, моторам BMW. Но для Пассата такая разгонная динамика, особенно с «механикой» — это ураган!И при этом восьмицилиндровый Passat стоит заметно дешевле, нежели Audi, BMW и Mercedes с восьмицилиндровыми моторами. Цены для рынка России пока не известны (российский дебют версии W8 пройдет на Московском автосалоне, а продажи начнутся ближе к зиме). Но в Европе Passat W8 стоит около $40000. За такие деньги в России предлагается переднеприводный Audi А6 с трехлитровым мотором V6. А ведь Passat W8 «в стандарте» имеет и полноприводную трансмиссию, и отличное оснащение…Конечно, есть еще и вопрос престижа. Станут ли покупать Volkswagen те, кто без проблем может выбрать любую из элитных марок? Не беспокойтесь, доктор Пих все рассчитал. Во-первых, Volkswagen имеет нейтральный имидж, не отягощенный никакими социальными предрассудками. Во-вторых, многие «технари» захотят купить автомобиль именно из-за уникального двигателя — машины с мотором W8 больше нет ни у кого! А в-третьих, эмблема с буквой W означает уже иной уровень, нежели десять лет назад. В Америке и Японии автомобили Volkswagen — среди престижного «импорта», и ровно половина всего 10000-го годового выпуска версий W8 должна быть продана именно за океаном. В Европе… «Наши клиенты в Европе — это дети беби-бумеров, первым автомобилем которых пятнадцать лет назад был подержанный Golf. С тех пор они выросли, добились успеха в обществе. И мы будем расти вместе с ними, предоставляя им возможность выбирать престижный и дорогой Volkswagen…»Passat W8 — это только начало. В ближайшие годы мы с вами увидим эту W-образную «восьмерку» и на большом седане Volkswagen D1, который будет конкурировать с Мерседесом S-класса и BMW седьмой серии, и на внедорожнике Kolodado, и даже на «суперспорт-каре»! Так что, замышляя в середине 90-х двигатель с расположением цилиндров в виде буквы W, доктор Пих заглядывал очень далеко…

Леонид Голованов

УДК. 621.431.73.

К. т. н., проф. МГИУ  В.В. Гусаров, Ф.В. Автаев.

Реферат. Показаны углы расклинки кривошипов и смещения шатунных шеек коленчатых валов двигателей типа W8, обеспечивающие равномерное чередование рабочих ходов при различных углах развала цилиндров. Выполнена количественная  оценка возмущающего действия неуравновешенных сил инерции возвратно - поступательно движущихся масс и моментов для разных вариантов  такого двигателя и предложены способы их уравновешивания. По результатам анализа представлены регрессионные модели. Сделан вывод о достаточной уравновешенности таких двигателей при определённых схемах кривошипно-шатунного механизма и способах уравновешивания.

Четырёхрядные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) типа W8 позволяют обеспечить при том же числе цилиндров и рабочем объёме существенно лучшие весогабаритные параметры сравнительно с другими конструктивными схемами (R, V, B), обычно применяемыми в автомобилестроении [1].

Для конструктивной схемы W8 характерным является большое разнообразие вариантов кривошипно-шатунного  механизма (КШМ), определяемых возможностью реализовывать различные  углы развала блока цилиндров γ, осей цилиндров в блоке δ (рис. 1а), а также применять коленчатые валы с 2-мя разными схемами расклинки 4-х кривошипов: условно называемыми «плоской» (рис. 1б, в) или  «крестообразной» (рис. 1г, д). Особенностью конструкции коленчатых валов ДВС такого типа являются разрезные шатунные шейки, угол смещения которых ν  определяется из условия обеспечения равномерного чередования рабочих ходов. Также из этого условия определяются и углы расклинки кривошипов µ для 2-х возможных схем коленчатого вала (рис. 1б, г).

Условия, обеспечения   равномерного чередования рабочих ходов

Одним из главных источников неуравновешенности ДВС являются возмущения от действия непостоянного по углу поворота коленчатого вала   результирующего крутящего момента (РКМ). Его минимальное значение обеспечивается при равномерном чередовании рабочих ходов. Анализ показал, что для выполнения этого условия угол смещения соседних шатунных шеек ν должен определяться из условия:  ν =900-γ. Равномерное чередование рабочих ходов для плоской схемы коленчатого вала (рис. 1б, в)  обеспечивается при порядке работы: 1-5-2-6-4-8-3-7, для крестообразной (рис. 1г, д): 1-3-7-2-6-5-4-8. При этом угол расклинки кривошипов µ находится из условия: µ=d+2χ, где χ- угол, определяемый величиной дезаксажа КШМ: это угол между положением радиуса кривошипа параллельным оси цилиндра и положением верхней мёртвой точки (ВМТ). Особенностью таких  ДВС является большой дезаксаж, назначаемый из условий компоновки КШМ: если в большинстве конструкций автомобильных ДВС его величина не превосходит 3мм (и его обычно не учитывают при кинематическом анализе χ»00), то у двигателей типа W8 он по технологическим причинам обычно значительно больше, причём дезаксаж «внутренних» и «наружных» блоков цилиндров противоположен по направлению. Примером такого типа  ДВС является двигатель  «Фольксваген Пассат W8», у которого углы развалов рядов цилиндров: γ=720, δ=150, дезаксаж равен 12,5 мм, (в этом случае χ=3,40),  значение угла расклинки кривошипов µ=21,80,  угол смещения соседних шатунных шеек ν=180. Коленчатый вал этого ДВС выполнен по схеме, показанной на рис. 1б, в. Здесь при порядке работы 1-5-2-6-4-8-3-7 обеспечивается равномерное чередование рабочих ходов. [1].

Рис.1. Схемы кривошипно - шатунного механизма двигателей типа W8:

а) расположение цилиндров; б) схема плоского вала; в) 3D - модель плоского вала; г) схема крестообразного вала; д) 3D - модель крестообразного вала.

Необходимые для обеспечения равномерного чередования рабочих ходов параметры КШМ для иных задаваемых схем коленчатого вала,  углов развала цилиндров и дезаксажа можно найти аналогичным способом.

Оценки возмущения от действия сил инерции ВПДМ и их моментов

Уравновешенность ДВС типа W8 определяется также возмущениями от действия сил инерции возвратно - поступательно движущихся масс  (ВПДМ) и моментов этих сил. КШМ этих ДВС имеют повышенную сложность и многовариантность сравнительно с традиционными. Анализ уравновешенности таких схем в известной технической литературе отсутствует.  Специалисты ФБГОУ МГИУ разработали методики и программы анализа различных возмущений поршневых ДВС (включая и от действия РКМ), позволяющие выполнять их сравнительную количественную оценку, исследовать разные способы уравновешивания [2]. Ниже приведены результаты такого анализа для различных вариантов ДВС типа  W8: при варьировании углами развала цилиндров в диапазонах γ=900...600, δ=00...200 для 2х вышеуказанных схем коленчатого вала.

Задачами  анализа являлось определение возмущений от действия сил инерции ВПДМ 1-го и 2-го порядка и моментов этих сил для разных вариантов КШМ исследуемого ДВС и оптимальных способов уравновешивания.

Оценивали безразмерные значения исследуемых параметров.  Для получения безразмерных значений сил инерции ВПДМ приняли:

M∙r∙ω2=1,

где M - ВПДМ в одном цилиндре, r-радиус кривошипа, ω - угловая скорость вращения коленчатого вала.

Общий алгоритм анализа возмущений от действия сил инерции ВПДМ и моментов этих сил был следующий:

1. Программным способом находили дискретные безразмерные значения (помечено нижним индексом б.р. в символах параметров формул) проекций результирующих   сил инерции ВПДМ 1-го и 2-го порядков на вертикальную (Y): ∑Pб.р.jj1Y,∑Pб.р.jj2Y и горизонтальную (X): ∑Pб.р.jj1X, ∑Pб.р.jj2X оси координат для различных углов поворота коленчатого вала j за период (3600 для сил 1-го порядка, 1800 для 2-го порядка).   Расчётная схема показана на рис. 2а. Такие данные получили для разных вариантов схем КШМ ДВС типа  W8. 

Рис. 2. Расчётные схемы действия сил инерции ВПДМ (а)

 и моментов от этих сил  (б)

Аналогичным способом находили безразмерные значения проекций моментов от  сил инерции ВПДМ 1-го и 2-го порядков: ∑Мб.р.jj1X, ∑Мб.р.jj1Y, ∑Мб.р.jj2X, ∑Мб.р.jj2Y для различных схем КШМ. Заметим, что с учётом за резонансной зоны колебаний от исследуемых источников возмущений ДВС, моменты от сил инерции в этом случае находили относительно ЦМ силового агрегата (СА), установленного на подвесе, включающего как ДВС, так и другие агрегаты, например, коробку передач (КП) (рис. 2б) [3].

2. Выполняли количественную оценку неуравновешенности исследованных вариантов двигателя путём вычисления программным способом безразмерных максимальных за период импульсов возмущений от действия результирующих инерционных сил ВПДМ: Lб.р.Pj1, Lб.р.Pj2 и их моментов: Lб.р.Mj1, Lб.р.Mj2.
3. Для вариантов ДВС типа  W8, где не был самоуравновешен момент от сил инерции 1-го порядка (Lб.р.Mj1≠0), программным способом исследовали эффективность его частичного «естественного» уравновешивания за счёт установки специально рассчитанных дисбалансов ВМ (противовесов на коленчатом вале). Для этого находили оптимальное безразмерное значение модуля уравновешивающего центробежного момента Mб.р.ц.б.ур. от ВМ и угол плоскости его действия α.ц.б.ур (относительно плоскости кривошипа 1-го цилиндра), при которых в максимальной степени обеспечивается уравновешивание момента ∑Мб.р.j1.Оптимальные значения Mб.р.ц.б.ур и α.ц.б.ур соответствовали условию минимума импульса возмущения от совместного действия момента сил 1-го порядка и центробежного:   Lб.р.Mj1ур→ min. Подобным способом исследовали и возможности частичного уравновешивания силы инерции ВПДМ 1-го порядка: находили оптимальные значения ВМ для такого уравновешивания и значение импульса возмущения этой силы после частичного уравновешивания Lб.р.Pj1ур.
4. Результаты анализа представляли в виде таблиц значений импульсов возмущений от действия неуравновешенных сил и моментов для разных схем ДВС типа  W8, годографов неуравновешенных сил и моментов, а также в виде регрессионных моделей зависимости импульсов возмущений неуравновешенных параметров от углов γ и δ развала цилиндров.

Выражения для безразмерных результирующих проекций сил инерции 1-го и 2-го порядков на оси X и Y имеют вид:

где в нижнем индексе результирующих сил указан угол поворота коленчатого вала j относительно 1-го цилиндра и порядок результирующей силы инерции ВПДМ:  j1 – 1-го порядка, j2 – 2-го порядка;

(±γ/2±δ/2) – угол между вертикальной осью Y и цилиндра с номером i,

λ – безразмерный кинематический параметр ДВС,

θ1-i – интервал между рабочими ходами 1-го и i-го цилиндра (определяемый порядком работы ДВС).

Проекции безразмерных результирующих моментов от сил инерции ВПДМ на оси координат находили с учётом положения ЦМ СА:

где lб.р.i – безразмерное расстояние от оси цилиндра с номером i до ЦМ: lб.р.i = lцi/lц,

lцi – фактическое (размерное значение) расстояния от оси цилиндра с номером i до ЦМ,

lц – расстояние между осями соседних в блоке ДВС цилиндров (например, между цилиндрами с номерами 1 и 2) (рис. 2б).

Программой предусмотрена возможность варьирования положением ЦМ при анализе значений моментов.Таким образом, находили дискретные безразмерные значения  неуравновешенных сил и моментов в ДВС типа W8 с различными углами развала цилиндров и разными схемами коленчатых валов за период их действия с интервалом через 100 поворота коленчатого вала.

Безразмерные максимальные за период импульсы возмущений от неуравновешенных сил и моментов находили по формулам:

где  подкоренные параметры являются максимальными значениями проекций импульсов соответствующих сил и моментов за период. Они вычислялись программным способом по вышеприведённым данным проекций результирующих за период по углу поворота кривошипа (в радианах).

Результаты анализа возмущений от действия ВПДМ для плоской схемы коленчатого вала

При такой схеме коленчатого вала ДВС типа W8 для всех исследованных вариантов углов развала цилиндров g и d обеспечивается самоуравновешивание от результирующей сил инерции 1-го порядка ∑Pj1 . Неуравновешенны силы инерции 2-го порядка ∑Pj2 (Lб.р.Pj2≠0), момент от этих сил ∑Мj2 (Lб.р.Mj2≠0), а также момент от сил инерции 1-го порядка ∑Мj1 (Lб.р.Mj1≠0). Действие неуравновешенных силы и моментов можно оценить на примере данных годографов безразмерных векторов для варианта углов развала цилиндров  γ=720, δ=150, показанных на рис. 3.

Положение ЦМ СА в этом примере  приняли, находящимся в середине длины коленчатого вала (его положение для рассматриваемой схемы коленчатого вала влияет лишь на момент от сил инерции 2-го порядка). Весьма эффективным здесь является частичное уравновешивание момента от сил инерции 1-го порядка  с помощью противовесов коленчатого вала, создающих центробежный момент  Mб.р.ц.б.ур. (как показано в п. 4 вышеприведённого алгоритма анализа). За счёт этого существенно снижается  импульс возмущения: Lб.р.Mj1/Lб.р.Mj1 ур ≈6,4. Годографы этого момента до  и после уравновешивания показаны на рис. 3 (соответствуют эллипсу 2 и окружности 3 на рис. 3.).

Наибольшее возмущение для рассматриваемого варианта ДВС происходит от действия силы инерции 2-го порядка  ∑Pj2.  Для возможности прямого количественного сравнения возмущений от действия сил и моментов необходимо оценивать приведённые значения импульсов сил к моменту (или наоборот) из условий равенства энергий возмущений СА (на подвесе) от действия фактических и приведённых значений [4].

В частности  размерный импульс силы инерции ВПДМ LPj соответствует приведённому размерному импульсу от действия условного момента  Lпр.Mj от этой силы, определяемому из выражения:

Lпр.Mj =Lpj∙Kпр,

где Кпр =(Iса/Mса)1/2 – коэффициент приведения;

Iса - момент инерции СА относительно оси, проходящей через ЦМ перпендикулярно плоскости действия момента ∑Мj;

Mса - масса СА.

Рис. 3.  Годографы безразмерных векторов сил инерции ВПДМ и моментов этих сил в ДВС типа W8 c плоским коленчатым валом при углах развала цилиндров γ=720, δ=150; 1-сила инерции 2-го порядка без уравновешивания, 2-момент силы инерции 1-го порядка без уравновешивания, 3-момент силы инерции 1-го порядка после   уравновешивания противовесами коленчатого вала, 4-момент силы инерции 2-го порядка без уравновешивания

Примерное значение момента инерции СА можно найти из выражения:

Iса = Mса/12∙(l2+h3),

где l и h длина и высота СА (рис. 2б) [3].

Безразмерные импульсы  сравниваемых возмущений для рассматриваемого варианта: Lб.р.Pj2= 1,18 рад, Lб.р.Mj1ур=0,23 рад. Размерные значения этих импульсов определяются весогабаритными параметрами СА и скоростным режимом работы: LPj2 = Lб.р.Pj2∙M∙r∙ω Нс, LMj1ур = Lб.р.Mj1ур∙M∙r∙ω∙lц Нмс. Для данных СА «Фольксваген Пассат W8»с учётом коэффициента приведения импульс от действия неуравновешенной силы инерции 2-го порядка вызывает возмущение примерно в 24 раза большее чем от момента сил инерции 1-го порядка: LPj2/LMj1ур∙Kпр = 23,6. В этом случае целесообразно применить искусственное уравновешивание силы инерции 2-го порядка с помощью 2х балансирных валов по методу Ланчестера. Именно так  выполнено в  двигателе «Фольксваген Пассат W8». Здесь оси 2-х балансирных валов, вращающихся с удвоенной, сравнительно с коленчатым валом, угловой скоростью во взаимно  противоположном направлении  (±2ω), параллельны оси коленчатого вала, так что плоскость, включающая обе оси балансиров вертикальна (рис.4).

Рис. 4. Балансирные валы, для уравновешивания сил инерции ВПДМ 2-го порядка двигателя «Фольксваген Пассат W8»

За счёт таких балансирных валов, при соответствующих дисбалансах и расположениях их ВМ, уравновешивается не только сила инерции 2-го порядка (Lб.р.Pj2 =0), но и момент от этой силы (Lб.р.Mj2=0). Таким образом, в итоге после вышеуказанных уравновешиваний, в рассматриваемом варианте ДВС типа W8 c плоским коленчатым валом неуравновешенным от действия инерционных сил и моментов остаётся только небольшая часть момента от сил инерции 1-го порядка, соответствующая величине безразмерного импульса возмущения Lб.р.Mj1ур=0,23 рад.

Расчётные значения импульсов возмущения от действия инерционных сил и моментов для других углов развала цилиндров приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Безразмерные импульсы возмущения  (рад) от действия сил инерции ВПДМ 2-го порядка Lб.р.Pj2,моментов сил инерции 1-го порядка до и  после частичного уравновешивания: Lб.р.Mj1, Lб.р.Mj1ур  в ДВС типа W8 с плоским валом. Расположение данных показано в 1-ой ячейке  таблицы.

Как видно из приведённых данных возмущение от неуравновешенного момента ∑Мj1 возрастает с увеличением угла развала цилиндров в блоке δ, а эффективность его частичного уравновешивания возрастает при увеличении угла  развала блока цилиндров γ, так что при  γ=900 возможно полное уравновешивание. В целом характер  кривых годографов неуравновешенных сил и моментов для исследованных вариантов подобен показанным на рис. 3. Наибольшее возмущение (следовательно, наибольшая неуравновешенность) во всех вариантах определяется силой инерции 2-го порядка ∑Pj2 – эта сила у всех анализируемых вариантов действует только в горизонтальной плоскости – по линии 1 на рис. 3, её полное  уравновешивание для всех вариантов возможно и целесообразно (несмотря на некоторое усложнение их конструкции) с помощью 2-х балансирных валов как показано на рис. 4.

Значение безразмерного импульса возмущения от действия частично уравновешенного момента сил инерции 1-го порядка Lб.р.Mj1ур для различных углов развала цилиндров (задаваемых в градусах) описывается регрессионной моделью, полученной методами матричной алгебры по данным приведённым в табл. 1:

Lб.р.Mj1 = b1+b2δ+b3γ+ b4δγ+b5γ2  (рад),

где b1=5,012×10-2, b2=7,946×10-2, b3= -1,453×10-3, b4= -8,840×10-4, b5= 9,830×10-6

Результаты анализа возмущений от действия ВПДМ для крестообразной схемы коленчатого вала

Для всех исследованных вариантов углов развала цилиндров при такой схеме коленчатого вала обеспечивается полное самоуравновешивание сил инерции ВПДМ 2-го порядка ∑Pj2. Неуравновешенны силы инерции 1-го порядка  ∑Pj1 (Lб.р.Pj1 ≠0), момент от этих сил ∑Мj1 (Lб.р.Mj1≠0), а также момент от сил инерции 2-го порядка  ∑Мj2 (Lб.р.Mj2≠0).

Например, для варианта углов развала цилиндров, соответствующих ДВС «Фольксваген Пассат W8» (γ=720, δ=150) годографы результирующей силы инерции  1-го порядка и момента от неё имеют вид эллипсов,   годограф момента  ∑Мj2 – вертикальный отрезок. Наибольшая неуравновешенность для такого варианта   определяется действием инерционных сил и моментов ВПДМ 1-го порядка: безразмерные значения импульсов от указанных возмущений: Lб.р.Pj1 = 1,05 рад, Lб.р.Mj1=8,56 рад.

Здесь  весьма эффективно применение конструктивно простого способа  частичного уравновешивания с помощью только противовесов коленчатого вала (без применения балансирных валов), как для уравновешивания силы инерции ВПДМ 1-го порядка, так и момента от неё.

Программным способом найдены параметры дисбалансов и расположения ВМ для обеспечения максимально возможного (оптимального) такого способа частичного уравновешивания и оценены новые значение  указанных импульсов возмущений:  Lб.р.Pj1ур = 0,16 рад, Lб.р.Mj1ур=1,41 рад. Импульс возмущения от момента сил ВПДМ 2-го порядка в этом случае невелик:  Lб.р.Mj2=0,15 рад.

Общая неуравновешенность от всех указанных возмущений может быть оценена результирующим безразмерным импульсом возмущения от действия условного момента Lб.р.пр.Mj, определяющим такую же энергию, как все фактически действующие возмущения.

С учётом принятых для примера массогабаритных параметров ДВС значение безразмерного условного результирующего импульса возмущения, приведённого к моменту, можно найти по формуле:

Lб.р.пр.Mj =(4,72∙Lб.р.Pj1ур2+ Lб.р.SMj2)1/2,

где Lб.р.SMj – безразмерный импульс возмущения, определяемый  по данным суммарного момента, включающего моменты сил инерций 1-го, 2-го порядков и центробежный уравновешивающий. Для рассматриваемого варианта (γ=720, δ=150) Lб.р.пр.Mj=1,615 рад.  Как видно, это итоговое возмущение от действия неуравновешенных инерционных сил и моментов существенно больше, чем у вышерассмотренного  аналогичного варианта ДВС с плоским коленчатым и 2-мя балансирными  валами, где величина импульса возмущения от единственно неуравновешенного момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка  составляет Lб.р.Mj1ур =0,23 рад.

Расчётные значения  результирующего приведённого к моменту импульса возмущения Lб.р.пр.Mj от действия неуравновешенных инерционных сил и моментов ВПДМ для крестообразной схемы коленчатого вала при других углах развала цилиндров приведены в таблице 2. Здесь для каждого варианта оценивали возмущения от действия инерционных сил и момента ВПДМ 1-го порядка после их частичного (оптимального) уравновешивания противовесами коленчатого вала, а также учитывали действие неуравновешенного момента сил инерции 2-го порядка.

Таблица 2.

Значения безразмерных результирующих импульсов возмущения Lб.р.пр.Mj (рад) от действия неуравновешенных инерционных сил и моментов после их частичного уравновешивания в ДВС типа W8 с крестообразным коленчатым валом

Как видно из таблицы 2 полное  уравновешение от инерционных сил и моментов без применения балансирных валов обеспечивается в широко  распространённой схеме, соответствующей  ДВС типа V8 (γ=900, δ=00). Однако, при этом исключаются преимущества W-образных компоновок,   когда за счёт углов развала цилиндров в блоке (δ≠0) можно обеспечить уменьшение длины ДВС. В целом сравнивая уравновешенность вариантов   ДВС типа W8 с плоским (таблица 1) и крестообразным валом (таблица 2) видно, что 1-й вариант имеет весьма большую неуравновешенность от действия сил инерции ВПДМ 2-го порядка и поэтому здесь во всех случаях целесообразно устанавливать балансирные валы. Во 2-м варианте основным источником возмущений являются в равной мере инерционные силы и моменты ВПДМ 1-го порядка, которые, во-первых, могут быть эффективно и достаточно просто частично уравновешены, во-вторых, возмущения от их действия сильно зависят от углов развала цилиндров и могут быть дополнительно уменьшены за счёт выбора соответствующих углов. Для примера в таблице 2 выделены значения импульсов возмущений, для 2-х вариантов двигателя с крестообразным валом: 1-й при углах развала цилиндров соответствующих двигателю «Фольксваген Пассат W8» (γ=720, δ=150), 2-ой - при несколько иных углах  (γ=840, δ=150). Видно, что во втором варианте неуравновешенность существенно меньше (примерно в 3 раза).

Величины безразмерных результирующих импульсов возмущения Lб.р.пр.Mj от действия всех неуравновешенных сил и моментов при крестообразном коленчатом вале (в таблице 2 их значения выделены) для различных углов развала цилиндров описываются  регрессионной моделью:

Lб.р.пр.Mj = b1+b2δ+b3γ+ b4δγ+b5γ2 (рад),

где  b1= 9,106;b2= 6,061×10-2;  b3= -1,375×10-1;b4= -5,758×10-4; b5= 4,086×10-4

С использованием данных, представленных в таблицах 1 и 2,  выполнили сравнительную размерную количественную оценку общей уравновешенности вариантов ДВС типа W8, соответствующих по массогабаритным параметрам  цилиндропоршневой группы двигателю «Фольксваген Пассат W8» с плоским и крестообразным коленчатым валом. Результаты сравнения показаны в  таблице 3. Программным способом нашли значения импульсов возмущений от действий РКМ при полной нагрузке LMр (Нмс)  на разных частотах вращения. Заметим, что при равномерном чередовании рабочих ходов эти возмущения не зависят ни от углов развала, ни от схемы коленчатого вала. Для плоской схемы коленчатого вала приняли углы развала γ=720, δ=150,   для крестообразной γ=840, δ=150  (здесь угол γ несколько увеличили для снижения возмущений – см. табл.2). Для плоской схемы коленчатого вала приняли, что за счёт установки 2-х балансирных валов полностью уравновешены сила инерции ВПДМ 2-го порядка  и её момент, а момент от сил 1-го порядка уравновешен частично и является единственным источником возмущений. В таблице 3 показаны численные размерные (Нмс)  значения импульса этого возмущения LMj1пл. Приняли, что в рассматриваемом ДВС с крестообразной схемой коленчатого вала балансирные валы отсутствуют, но выполнено частичное уравновешивание силы инерции ВПДМ 1-го порядка и момента этой силы за счёт нащёчных противовесов. Существующий здесь момент от сил 2-го порядка невелик – для его  уравновешивания необходима установка 2-х балансирных валов, что в этом случае нецелесообразно.

Для наглядности анализа возмущения от инерционных сил и моментов просуммированы (с учётом приведения действия сил к моменту) и представлены общим  импульсом момента Lпр.Mjкр (безразмерное значение этого импульса соответствует величине Lб.р.пр.Mj).

Таблица 3.

Импульсы возмущений (Нмс) в ДВС типа W8 от действия реактивного крутящего момента при полной нагрузке LMр, момента сил инерции ВПДМ 1-го порядка LMj1пл при плоском коленчатом вале и углах развала цилиндров γ=720, δ=150, результирующего (приведённого к моменту)  от всех неуравновешенных инерционных сил и моментов ВПДМ Lпр.Mjкр при крестообразном  коленчатом вале и углах γ=840, δ=150 на разных скоростных режимах.

Приведённые в таблице 3 результаты свидетельствуют о высокой уравновешенности варианта с плоским коленчатым валом только при установке балансирных валов для уравновешивания сил инерции ВПДМ 2-го порядка: сравнительный анализ показывает, что в таком случае уравновешенность на большей части режимов работы будет даже лучше, чем у подобного по массогабаритным параметрам цилиндровой группы ДВС типа W12 [5].  В тоже время существует возможность реализации конструкции ДВС типа W8 с достаточно хорошей уравновешенностью  и без применения балансирных валов (схема с крестообразным коленчатым валом).

Выводы

1. Показаны схемы КШМ ДВС типа W8, обеспечивающие равномерное чередование рабочих ходов для конструкций с 4-х коленными валами.

2. Разработанные алгоритмы анализа и программа позволяют количественно оценивать уравновешенность различных вариантов ДВС типа W8, находить параметры уравновешивающих устройств для полного и частичного уравновешивания различных возмущений.

3. Показано, что при плоской схеме коленчатого вала во всех исследованных вариантах развала цилиндров такого двигателя существует значительное возмущение от действия сил инерции ВПДМ 2-го порядка, так что для  уравновешивания целесообразно устанавливать балансирные валы.

4. При крестообразной схеме коленчатого вала существуют варианты углов развала цилиндров, где достаточная уравновешенность обеспечивается без применения балансирных валов.

5. По результатам анализа разработаны регрессионные модели, позволяющие выполнять количественную оценку уравновешенности различных вариантов ДВС типа W8.

Список литературы

1. Volkswagen Group. Семейство двигателей  W. – программа самообучения 248 - Wolfsburg –с.6 - 20.[Электронный ресурс].URL: http://www.autodela.ru/assets/files/books/VW/248_W-dvig_W8_W12_Volkswagen.pdf (дата обращения: 03.10.2014).
2. Гусаров В.В., Ашишин А.А. Новый способ оценки внутренних возмущений поршневых автомобильных ДВС. // Машиностроение и инженерное образование. 2009. №1(18). С. 15-21.
3. Тольский В.Е. Колебания силового агрегата автомобиля. -М.: «Машиностроение», 1976. -266с.
4.  Гусаров В.В. Анализ возмущающего действия неравномерного крутящего момента двигателя. Журнал «Грузовик», 2002, №6, с. 27-30.
5. Гусаров В.В., Кирилочкин И.И., Туманян Д.А.Количественный анализ уравновешенности двигателей типа W12. Журнал «Автомобильная промышленность» 2014г. №10, с.11-13.