Во время работы двигателя возникающие в нем силы делят на уравновешенные и неуравновешенные.
Уравновешенные силы при суммировании не дают свободного момента, а равнодействующая их равна 0. К уравновешенным силам относятся силы от давления газов и силы трения.
К неуравновешенным относятся все силы, которые передаются на опоры: масса двигателя (вес), силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс, силы инерции вращающихся масс, реакции газов и жидкостей.
Двигатель считается уравновешенным, если при установившемся режиме работы силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению.
У всех автотракторных двигателей возникает реактивный момент, противоположный крутящему моменту двигателя. Этот момент не уравновешивается; он всегда передается на подмоторную раму или фундамент. При установившемся режиме ![[image]](/800/600/http/injzashita.com/images/os_tik_avtrdv/os_tik_avtrdv-108.jpg "os_tik_avtrdv-108.jpg")
Неуравновешенные силы, переменные по величине, приводят к вибрациям, которые не ограничиваются только двигателем, но и распространяются на раму и другие элементы машины.
Для устранения вибраций двигатель как основной источник неуравновешенных сил должен быть уравновешен. Уравновешивание двигателя сводится к созданию такой системы, в которой равнодействующие сил и их моменты постоянны по величине, направлению или равны 0.
Уравновешивание двигателей осуществляется: выбором соответствующего числа цилиндров и расположением их, такой формой коленчатого вала,
![[image]](/800/600/http/injzashita.com/images/os_tik_avtrdv/os_tik_avtrdv-109.jpg "os_tik_avtrdv-109.jpg")
Рис. 15. Уравновешивание одноцилиндрового двигателя с помощью противовесов, размещенных на коленчатом валу
которая позволила бы переменные силы инерции и моменты этих сил взаимно уравновесить вводом дополнительных масс, которые создают новые силы в любой момент времени, равные и противоположно направленные уравновешиваемым силам (противовесы).
В современных двигателях для более полного его уравновешивания используют несколько способов одновременно. В целях получения в конструктивном отношении более простых двигателей и, следовательно, более дешевых вопросы уравновешивания решаются не только по соображениям технической, но и экономической целесообразности.
Условия уравновешенности двигателя определяются следующими равенствами: ![[image]](/800/600/http/injzashita.com/images/os_tik_avtrdv/os_tik_avtrdv-110.jpg "os_tik_avtrdv-110.jpg")
Силы инерции первого порядка и моменты этих сил уравновешивают преимущественно за счет числа цилиндров и формы коленчатого вала. Для одноцилиндровых двигателей уравновесить силы инерции первого порядка можно помещением на двух специальных валах масс (противовесов), вращающихся в
противоположные стороны с такой же частотой, как и коленчатый вал. Силы инерции второго порядка также можно уравновесить установкой двух дополнительных валов с массами, противодействующими силам инерции второго порядка. Эти валы также должны вращаться в противоположные стороны с частотой, в два раза большей частоты коленчатого вала. Такая система уравновешивания приводит к значительному усложнению двигателя и поэтому встречается сравнительно редко. У одноцилиндровых мотоциклетных двигателей силы инерции первого порядка частично уравновешивают массой противовесов, помещенных на коленчатом валу, которые, несколько уменьшая действие силы инерции первого порядка в вертикальной плоскости, одновременно дают составляющую в горизонтальной плоскости, которая остается неуравновешенной (рис. 15).
Для выяснения неуравновешенности кривошипного механизма его подвергают статической и динамической балансировке.
В таблице приложения V приведены некоторые часто встречающиеся схемы кривошипных механизмов и данные по их уравновешенности.
injzashita.com
Равномерность работы двигателя зависит, кроме прочих причин, от его уравновешенности. Любой поршневой двигатель подвергается действию реактивных сил. Когда поршень в одноцилиндровом двигателе движется вверх, корпус двигателя стремится сдвинуться вниз, и наоборот. При этом та часть автомобиля, на которую установлен двигатель, будет постоянно подвергаться вертикальным колебаниям. Это явление можно устранить, установив на коленчатый вал противовесы. Вертикальные колебания прекратятся, но возникнут поперечные, вызванные самими противовесами. Если в двухцилиндровом рядном двигателе поршни будут двигаться в противоположных направлениях, они будут взаимно компенсировать вертикальные перемещения, но возникнут колебания двигателя вперед-назад. Все автомобильные двигатели устанавливаются на упругих опорах, но в случае большого дисбаланса вибрации могут передаваться на кузов автомобиля. Кроме неравномерности работы двигателя, вызванной перемещением поршней, существует неравномерность, вызванная движением шатунов, которые совершают сложное движение: вверх-вниз и из стороны в сторону.
Общий дисбаланс двигателя в значительной степени зависит от его компоновки. Так, например, четырехцилиндровый рядный двигатель, в отличие от V-образных четырехцилиндровых (двигатель автомобилей Lancia, МеМЗ-968), достаточно хорошо уравновешен. Не случайно они устанавливаются на многих небольших легковых автомобилях. Хотя при увеличении объема такого двигателя вибрации могут стать ощутимыми. Еще лучше уравновешен четырехцилиндровый двигатель с оппозитными (противолежащими) цилиндрами. Такие двигатели успешно применялись на автомобилях VW Beetle, а в настоящее время устанавливаются на большинство автомобилей Subaru. Шестицилиндровые двигатели с оппозитными цилиндрами (Porsche 911 и некоторые Subaru) обладают отличной уравновешенностью при работе. Кроме того, такие двигатели дают возможность понизить центр масс автомобиля, а при переднем расположении — применить пологий капот, улучшающий аэродинамику автомобиля. К недостаткам таких двигателей следует отнести сложность их производства и обслуживания. В рядном шестицилиндровом двигателе можно добиться практически абсолютной уравновешенности сил инерции. V-образные шестицилиндровые двигатели более компактны по длине, что особенно важно при их поперечной установке на автомобиле. Уравновешенность V-образных двигателей зависит от угла между осями цилиндров. Так, для V-образного шестицилиндрового двигателя наилучшим углом будет угол 60° или 120° (или 180° у двигателя с оппозитными цилиндрами). Такие же углы «идеально» подходят для почти полностью уравновешенного двигателя V12, хотя большие углы увеличивают ширину двигателя. Достаточно хорошо уравновешен двигатель V8, если угол между осями цилиндров составляет 90° и применяется соответствующая конструкция коленчатого вала.
Рис: Балансирные валы двигателя GM Vortec 2004 г. располагаются рядом с коленчатым валом в блоке цилиндров и имеют возможность вращаться в разные стороны благодаря шестеренчатому цепному приводу. Для снижения шума используются гидравлический натяжитель и успокоители цепи
Дисбаланс двигателей может быть почти полностью компенсирован применением балансирных валов, которые имеют противовесы и приводятся во вращение от коленчатого вала двигателя. Для получения хороших результатов балансирные валы должны устанавливаться в определенном месте двигателя, что существенно усложняет его конструкцию.
Рис: Компактные балансирные валы четырехцилиндрового двигателя BMW Valvetronic располагаются в поддоне картера
В последнее время для уменьшения вибраций рядных четырехцилиндровых двигателей большого объема стали широко применять балансирные валы, устанавливаемые рядом в поддоне картера двигателя (двигатели Ford Coswort DOHC, двигатели BMW). Довольно часто производители автомобилей увеличивают мощность двигателя за счет добавления еще одного цилиндра. Такой способ дает возможность сборки двигателей на одной технологической линии, что удешевляет производство. Таким образом были созданы пятицилиндровые двигатели Volvo, Volkswagen и Fiat. Для таких двигателей часто применяются балансирные валы. Двигатели с тремя цилиндрами также уравновешены пло хо, и, поскольку они устанавливаются на недорогие автомобили, конструкторы часто отказываются от применения балансирных валов, позволяя двигателю работать неравномерно, но для монтажа двигателя применяют специальные вибропоглощающие опоры, которые дают возможность свести к минимуму передачу на кузов вибраций. На дорогих автомобилях применяются еще более совершенные опоры двигателя. Так, на Range Rover с дизелем TD6 применяются гидравлические опоры с электронным управлением. Компьютер, управляющий работой этих опор, сводит практически к нулю все вибрации, передающиеся на кузов автомобиля.
Двигатели V10, которые успешно применяются на гоночных автомобилях Формулы–1, между рядами цилиндров имеют угол 72°. Такой двигатель недостаточно уравновешен, но работает довольно равномерно из-за большого числа цилиндров.
wiki.zr.ru
Уравновешенность— это состояние двигателя, которое при установившемся режиме работы характеризуется постоянными по значению и направлению силами и моментами, действующими на опоры.
Для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил в многоцилиндровых двигателях необходимо, чтобы равнодействующие всех сил инерции, действующих на плоскостях, проходящих через ось вала, а также сумма моментов этих сил относительно выбранной оси равнялись нулю.
При разработке двигателей важно правильно выбрать соответствующее число и расположение цилиндров, схему расположения кривошипов, место установки простейших противовесов и сложных уравновешивающих механизмов. С целью достижения уравновешенности двигателя выполняют соответствующие требования при производстве двигателей, их сборке, регулировке, ремонте и эксплуатации. При этом соблюдают допуски на массы и размеры поршней, шатунов, коленчатого вала и других деталей; проводят статическую и динамическую балансировки коленчатого вала; регулируют рабочий цикл во всех цилиндрах, стремясь обеспечить одинаковое их наполнение, одинаковые степени сжатия, моменты зажигания или впрыскивания топлива и т. д.
Уравновешивание — это комплекс конструктивных, производственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на уменьшение или полное устранение неуравновешенных свободных сил инерции и моментов. Например, устанавливая противовесы, можно уравновесить центробежную силу Рс и ее момент. Силы инерции первого и второго Рд порядков в одно-, двух- и четырехцилиндровых двигателях можно уравновесить с помощью специальных громоздких уравновешивающих механизмов, которые применяют крайне редко. Для шести- и более цилиндровых двигателей такие устройства не требуются.
К числу дополнительных мероприятий по уравновешиванию двигателей относится установка на переднем конце коленчатого вала гасителя колебаний, поскольку эта часть вала совершает наибольшие по амплитуде отклонения — крутильные колебания. Гасители поглощают энергию колебаний, подводимую к валу двигателя извне, благодаря трению между элементами гасителя и тем самым уменьшают амплитуду колебаний.
Широко применяют гасители колебаний жидкостного трения. Равномерно вращающийся при работе двигателя маховик помещают в герметичный корпус, заполненный кремнийорганической жидкостью (силиконом). При колебаниях стенки маховика вовлекают в движение слои силикона, работа сил трения жидкости поглощает энергию колебаний.
Для уменьшения крутильных колебаний можно также создавать инерционные реактивные моменты в определенном сечении вала. Для этого в соответствующем месте следует установить гасители колебаний маятникового или упругомассового типа.
Так впуска. За первый такт, поршень перемещается от верхней мертвой точки ВМТ к нижней НМТ. Впускной клапан 1 открыт, выпускной 2 закрыт. За счет создаваемого разрежения в цилиндре, вовнутрь устремляется порция воздуха.
studfiles.net
Различают внешнюю и внутреннюю неуравновешенности поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Внешняя неуравновешенность — это наличие периодических сил инерции и моментов сил инерции, -а также опрокидывающего момента, которые передаются на опоры двигателя и далее — на раму трактора, комбайна, автомобиля или на фундамент (для стационарного двигателя).
Внутренняя неуравновешенность — это возникновение под действием воспринимаемых двигателем нагрузок в поперечных сечениях блока цилиндров перерезывающих сил, а также моментов упругих сил, которые называют внутренними изгибающими моментами и внутренними скручивающими моментами.
При работе поршневых ДВС возникают силы давления газов, силы инерции поступательно движущихся масс, центробежные силы инерции вращающихся масс, моменты от этих сил, а также крутящий и опрокидывающий моменты. В двигателях уравновешивается только сила давления газов, действующая на головку цилиндров и через коренные подшипники на остов двигателя. Остальные силы и моменты, непрерывно изменяясь по значению и направлению, передаются на опоры двигателя, далее— на подмоторную раму и всей машине. В результате детали, сборочные единицы и агрегаты совершают колебательные движения. При этом возникают вибрации, снижающие эффективную мощность и топливную экономичность (примерно до 5%), вследствие затраты энергии на возбуждение вибрации и дополнительные механические потери; ослабляются крепления агрегатов и деталей, что вызывает нарушение соосности валов двигателя и потребителя и ускоряет износ деталей; нарушаются регулировки и затрудняются наблюдения за показаниями контрольно-измерительных приборов и снижается их надежность; повышается утомляемость обслуживающего персонала. Поэтому уменьшение влияния переменных сил и моментов, действующих на двигатель, относится к числу основных требований, предъявляемых к двигателям внутреннего' сгорания.
Уравновешенность — это такое состояние двигателя, при котором на установившемся режиме работы на его опоры передаются постоянные по значению и направлению силы и моменты.
Создание конструктивно предусмотренной уравновешенности двигателя достигается выполнением соответствующих требований при производстве деталей, их сборке и регулировке, а также при ремонте и эксплуатации двигателей. При этом обращают внимание на:
1.соблюдение допусков на массы и размеры поршней, шатунов, коленчатого вала и других деталей;
2. проведение статической и динамической балансировки коленчатого вала;
3.достижение идентичности протекания рабочего процесса во всех цилиндрах за счет одинакового их наполнения, одинаковых степеней сжатия во всех цилиндрах, одинаковой регулировки зажигания или впрыскивания топлива по цилиндрам, идентичного теплового режима и т. д.
Эти -мероприятия относятся к условиям как производства, так и ремонта двигателей. Таким образом, уравновешивание — это комплекс конструктивных, производственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на уменьшение или полное устранение неуравновешенных свободных сил инерции и моментов.
Расчет динамического уравновешивания многоцилиндрового двигателя заключается в определении значений и направления действующих неуравновешенных сил и моментов сил инерции, которые необходимо в дальнейшем уравновесить с помощью наиболее простых конструктивных мероприятий.
studfiles.net
| Возникающие во время работы двигателей инерционные силы вызывают дополнительные так называемые динамические усилия. Чем быстроходнее двигатель, тем больше эти усилия, которые могут вызвать нежелательные колебания частей двигателя и фундамента. Так как действие динамических усилий связано с наличием ускорений, то уничтожить эти усилия невозможно. Можно только путем рационального размещения движущихся масс частично, а иногда и полностью уравновесить действие динамических усилий. Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс (шейки мотыля, щек и 0,6 массы шатуна), т. е. центробежные силы, можно уравновесить с помощью противовесов, укрепляемых на щеках мотыля коленчатого вала. При этом вес противовесов подбирается так, чтобы создаваемая ими центробежная сила была равна центробежным силам неуравновешенных вращающихся масс. Уравновешивание сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс у одноцилиндрового двигателя не может быть достигнуто (исключение составляет двигатель со сходящимися поршнями). У многоцилиндровых же двигателей полное или частичное уравновешивание достигается путем соответствующего взаимного расположения мотылей коленчатого вала. Так, например, для полного уравновешивания сил инерции и их моментов для четырехтактных двигателей необходимо иметь шесть или восемь цилиндров с углами между мотылями соответственно 120 и 90°. Число цилиндров двигателя определяет не только степень уравновешенности, но и степень неравномерности двигателя. У многоцилиндровых двигателей чередование рабочих ходов чаще, чем у одноцилиндрового, и поэтому степень неравномерности меньше. Следовательно, чем больше цилиндров имеет двигатель, тем меньше относительный вес и размеры может иметь маховик (при одинаковой мощности и степени неравномерности). Следует подчеркнуть, что у двухтактного двигателя вес маховика на единицу мощности меньше, чем у четырехтактного (при одинаковом числе рабочих цилиндров), так как за одно и то же время у него в 2 раза больше рабочих ходов. Многоцилиндровые двигатели более экономичны, чем одноцилиндровые; это объясняется тем, что расход мощности на некоторые вспомогательные механизмы (регулятор, привод газораспределения, топливоподкачивающий насос и др.) мало зависит от числа цилиндров; следовательно, доля затраченной мощности на привод этих механизмов у одноцилиндровых двигателей больше, чем у многоцилиндровых. Преимуществом многоцилиндровых двигателей является их большая компактность. Однако увеличение числа цилиндров усложняет конструкцию. Поэтому там, где требуются простые, маломощные, нетребовательные в обслуживании двигатели, применяются одно- и двухцилиндровые двигатели. Говоря о колебаниях, появляющихся в рабочем двигателе, следует иметь в виду, что коленчатый вал представляет собой упругую систему, способную вызвать колебания под воздействием возникающих сил. Пусть один конец длинного стального вала зажат в тисках, а на другом конце укреплен груз с плечом; сообщив грузу толчок, вал на некоторый угол будет скручен; однако затем вследствие упругих сил материала вала и инерции массы груза оба они придут в колебательное движение. Указанные крутильные колебания, возникающие в момент прекращения действия внешних сил или момента, называются свободными или собственными колебаниями. Вследствие внутреннего трения свободные колебания постепенно прекратятся; но если продолжать сообщать грузу внешние толчки, то свободные колебания возбуждаются вновь и таким образом непрерывно возобновляются. Импульс сил, вызывающих свободные колебания, создают так называемые вынужденные колебания. Если импульсы сил будут действовать в такт свободным колебаниям, т. е. вынужденные колебания совпадут со свободными, то крутильные колебания не только, не прекратятся, но и резко усилятся, увеличивая свой размах. В двигателе периодические изменения вращающихся моментов вызывают вынужденные крутильные колебания коленчатого вала, так как угол его закручивания не остается постоянным, а изменяется по времени. Совпадение частот и направлений свободных и вынужденных колебаний называется резонансом. При этом свободные и вынужденные колебания складываются, что вызывает в материале вала значительные напряжения, и могут вызвать поломку вала. Число оборотов вала, при котором возникает явление резонанса, называется критическим. Оно сопровождается сильной вибрацией двигателя и стуками в соединениях подвижных частей, а иногда и поломкой вала. Если число оборотов станет больше или меньше критического, то явления, сопровождающие резонанс, прекратятся, так как угловая скорость вращения отдельных мотылей постепенно выравнивается. Следовательно, простейшим методом устранения резонанса является изменение числа оборотов двигателя. Критическое число оборотов может быть установлено расчетом или на основании обследования установки с использованием специального прибора — торсиографа, при помощи которого можно получить график крутильных колебаний. При числе оборотов, близком к критическому, амплитуда колебаний резко увеличивается, что отображается на самопишущем приборе. Если критические обороты лежат близко к нормальным, то последние следует снизить на 5—10% и не переходить за это число. Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний до величины, гарантирующей безопасность работы вала, применяется гаситель колебаний — демпфер. Принцип действия демпфера заключается в том, что присоединенная к валу например через муфту дополнительная масса, вращаясь вместе с валом, воспринимает часть энергии возмущающих сил, что способствует затуханию колебаний. |
vdvizhke.ru
Оптимальным решением при проектировании силовой установки является выбор для судна полностью уравновешенного двигателя. Уравновесить двигатель можно 3-мя путями:
Первый путь позволяет добиться полной уравновешенности самым простым путем. В 4-тактных ДВС этого можно достичь, применив 6-ти или 8-цилиндровую компоновку двигателя. Однако возможности этого пути в “ходовом” диапазоне чисел цилиндров и их тактности ограничены. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен при анализе уравновешенности кривошипных систем.
2-й и 3-й пути используются в случаях, когда невозможно применение двигателя с оптимальным с точки зрения уравновешенности числом цилиндров и углом заклинки криво-шипов (к примеру, для установки на судно требуется 2-тактный малооборотный дизель с числом цилиндров i = 6, неуравновешенный по моментам от сил инерции).
Индивидуальное уравновешение центробежных сил цилиндров возможно с помощью 2-х противовесов, расположенных противоположно колену кривошипа (рис. №). Массы противовесов Мпр и расстояние их центров тяжести от оси вала р должны удовлетворять равенству: 2Мпр р = MR R, где MR — масса вращающихся частей кривошипа, R — его радиус. В таком случае, неуравновешенные центробежные силы в данном цилиндре и соответственно моменты от этих сил равны 0.
Рис. 2 Уравновешивание центробежных сил цилиндраСилы инерции первого порядка не могут быть уравновешены внутри 1 цилиндра с помощью противовесов на кривошипе. Если установить противовесы, уравновешивающие силу инерции Рj1 в ВМТ, то при повороте колена на 90° сила инерции Рj1 становится равной 0, а центробежная сила противовесов не изменяется по величине, будет действовать в горизонтальной плоскости и стремиться сдвинуть двигатель в сторону.
Как видно, при такой установке противовесов неуравновешенные силы цилиндров Pj1 и соответственно их моменты переводятся из вертикальной в горизонтальную плоскость. Аналогичные результаты будут получены при использовании такого пути для уравновешивания сил инерции II порядка и их моментов.
Вывод о невозможности уравновесить силы и моменты от сил инерции поступательно движущихся масс с помощью противовесов на кривошипе внутри одного цилиндра справедлив и для многоцилиндрового двигателя.
Сила инерции I порядка может быть уравновешена в 1 цилиндре с помощью 2-х валов, вращающихся в противоположные стороны с угловой скоростью, равной скорости коленчатого вала (рис. 3). На валах укреплены противовесы, развивающие поступательно движущихся масс 1 порядка совместно центробежную силу Pjпрц — РjIмах.
Рис. 3 Уравновешивание сил инерцииТогда горизонтальные составляющие центробежных сил противовесов будут поглощать друг друга, а вертикальные — уравновешивать текущие значения Рj1. При равенстве 0 силы инерции 1 порядка, момент этой силы относительно центра тяжести двигателя также будет равен нулю.
Силу инерции II порядка и момент от этой силы можно уравновесить аналогичным образом; однако частота вращения вспомогательных валов с противовесами должны быть в 2 раза больше частоты вращения коленчатого вала.
В многоцилиндровом двигателе нет необходимости уравновешивать каждый цилиндр порознь. Можно уравновесить лишь результирующие неуравновешенные силы и моменты от всех цилиндров. Пути уравновешивания результирующих сил в многоцилиндровом двигателе аналогичны одноцилиндровому двигателю.
Для уравновешивания результирующих моментов следует применять противовесы, разнесенные по длине двигателя и установленные на коленчатом валу (при уравновешивании ΣMjц) или на 2-х вспомогательных валах (при уравновешивании ΣМjI или ΣМjII).
В судовых ДВС довольно часто применяются противовесы для уравновешивания центробежных сил и моментов от этих сил. Уравновешивание сил I и II порядка и моментов от этих сил с помощью вспомогательных валов применяется на новых моделях малооборотных двигателей.
В главных ДВС иногда применяют противовесы на коленчатом валу, назначение которых — частично переводить амплитуды сил и моментов от сил инерции поступательно движущихся масс из вертикальной в горизонтальную плоскость. При этом уменьшаются максимальные амплитуды неуравновешенных сил и моментов в вертикальной плоскости, хотя и создаются дополнительные неуравновешенные силы и моменты в горизонтальной плоскости.
В случае применения на судне неуравновешенного по силам или моментам двигателя, его необходимо правильно расположить. При неуравновешенных силах инерции для предупреждения вибраций двигатель следует устанавливать как можно ближе к узлу колебаний (рис. 1), при неуравновешенных моментах инерции — как можно дальше от узлов.
Для ослабления вибраций главные двигатели устанавливаются на усиленные фундаменты. Частоты вращения, на которых наблюдается повышенная вибрация корпуса, стараются проходить, возможно, быстрее при увеличении или уменьшении оборотов. Вспомогательные двигатели (и некоторые главные сравнительно небольшой мощности) устанавливаются на фундаменты, на амортизаторы (резиновые, пружинные или резинометаллические).
Смотрите также:а) Общие положения уравновешенностиб) Действие неуравновешенного двигателя на фундамент и корпус судна
Сентябрь, 09, 2016 338 0
Поделитесь с друзьями:
sea-man.org
| История Впервые в мотоциклостроении уравновешивающий механизм был применен на модели Yamaha ТХ750, выпускавшейся с 1972 по 1974 годы. На этом мотоцикле стоял двухцилиндровый рядный четырехтактный двигатель с соосным расположением шатунных шеек, но с чередованием рабочих ходов через 360º. Журнал Cycle World писал: «Закройте глаза, и вы на «четверке». Примененное в этом двигателе балансировочное устройство специалисты компании называли Omni Sphere Balanser, что можно перевести как «полнофазный балансир». На щеках коленчатого вала создается дисбаланс, равный сумме двух противовесов. Первый противовес, создающий силу, равную половине СI, вместе с первым балансирным валом, расположенным на расстоянии l1, создают одновальный уравновешивающий механизм.  Omni Sphere Balanser Второй балансирный вал служит для уравновешивания колебаний моментов, создаваемых применением одновального механизма. Для этого его дисбаланс, а также второй противовес на щеках коленчатого вала, должны создавать силу во столько же раз меньшую половине вектора СI, во сколько раз расстояние до первого балансирного вала меньше, чем до второго. Конструкции Работающий двигатель внутреннего сгорания не вибрировать не может по определению. Ведь в нем сочетаются разные движения: возвратно-поступательное движение поршней и вращательное – коленчатого вала (первое во второе преобразует кривошипно-шатунный механизм). Два вида движений – два вида вибраций. Шатун по роду службы участвует как в поступательном движении поршня с кольцами и пальцем, так и во вращении коленвала. Вкалывая на двух работах, он не может полностью посвятить себя ни одной из них. Поэтому во всем кривошипно-шатунном механизме шатун – единственная деталь, которая в расчетах представляется не единой, а как бы состоящей из двух масс. Масса, сосредоточенная около верхней головки шатуна, движется вместе с поршнем, поршневым пальцем и кольцами. Все вместе называется поступательно движущимися массами – ПДМ. А оставшаяся часть массы шатуна, сосредоточенная около нижней головки, вращается вместе с шатунной шейкой коленвала. Рассмотрим вначале простейший вариант – одноцилиндровый двигатель. Дисбаланс, создаваемый шатунной шейкой и нижней головкой шатуна, приводит к появлению центробежных сил инерции. По сути, такие же силы создают тряску при вращении несбалансированного колеса. Уравновесить их несложно – достаточно расположить груз на противоположной его стороне. И противовесы на щеках коленвала выполняют ту же роль, что грузики при балансировке колеса. С вибрациями, создаваемыми поступательно движущимися массами (ПДМ), сложнее. Ведь поршень должен при подходе к верхней мертвой точке (ВМТ) довольно быстро остановиться, затем столь же быстро ускориться в противоположном направлении. При этом, в силу особенностей геометрии КШМ, максимальную скорость поршень развивает не в середине хода, а немного ближе к мертвым точкам. Постоянные ускорения и торможения ПДМ создают силы инерции первого порядка Р1, а особенности геометрии КШМ приводят к появлению сил инерции второго порядка Р2. Силы инерции первого порядка также называют первичными вибрациями, а второго порядка – вторичными. Частота первичных вибраций равна частоте вращения коленвала. Их амплитуда зависит от массы поступательно движущихся масс и частоты вращения коленвала.  Рис.1 Простейшая схема уравновешивания двигателя – с помощью противовесов на щеках коленчатого вала. При этом создаются вибрации, перпендикулярные оси цилиндра. Зависимость сил инерции, а следовательно, вибраций от массы ПДМ линейна. Это означает, что если при модернизации мотора массу ПДМ удалось снизить на 10 %, то и уровень вибраций снижается на те же 10 %. А вот зависимость сил инерции от оборотов двигателя – квадратичная. Это означает, что при увеличении частоты вращения коленвала в два раза силы инерции возрастают в четыре раза, а если частота вращения увеличивается в три раза, то силы инерции возрастают в девять раз!Сведение вибраций к минимуму особенно важно, если двигатель встроен в силовую структуру шасси. Частота вторичных вибраций вдвое превосходит частоту вращения коленвала. Их амплитуда меньше амплитуды первичных колебаний во столько же раз, во сколько радиус кривошипа, равный половине хода поршня, меньше длины шатуна. В среднем радиус кривошипа примерно в четыре раза меньше длины шатуна, и, следовательно, вторичные вибрации примерно в четыре раза меньше первичных. (Есть еще силы инерции третьего, четвертого и так далее порядков, но они настолько малы, что их обычно не учитывают). Для подавления первичных вибраций применяются уравновешивающие механизмы. Самый простой и компактный вариант – использовать только дополнительный противовес на щеках коленчатого вала, создающий реально действующую силу (см. рис. 1).  Рис.2 Схема уравновешивания сил инерции первого порядка с помощью одного балансирного вала. Такой механизм не устраняет колебания, а переводит их в плоскость, перпендикулярную плоскости оси цилиндра. Это означает, что чем больше дополнительный противовес ослабляет силу Р1 в ВМТ и НМТ, тем больше возрастают вибрации перпендикулярно оси цилиндра при 90° и 270° поворота коленвала.Поэтому компенсировать более половины силы инерции первого порядка нецелесообразно. Полностью устранить воздействие силы Р1 можно введением балансирного вала, вращающегося со скоростью коленвала, но в обратную сторону (см. рис. 2). Каждая из уравновешивающих сил, возникающих из-за дисбаланса на балансирном валу и коленвале, равна половине Р1. В любой момент времени сумма проекций уравновешивающих сил на ось цилиндра равна силе инерции первого порядка для этого угла поворота коленчатого вала, но противоположна по знаку. При этом сумма проекций на ось, перпендикулярную оси цилиндра, равна нулю.  Рис.3 Применение двух балансирных валов позволяет полностью погасить силы инерции первого порядка. Но при использовании одновального механизма возникают колебания от момента, создаваемого некомпенсированной силой инерции и вертикальной составляющей уравновешивающей силы на плече от оси цилиндра до оси балансирного вала. Для полного устранения первичных колебаний применяется двухвальный уравновешивающий механизм (см. рис. 3).В таком устройстве дополнительный противовес на коленвале, создающий силу, равную половине Р1, взаимодействует с противовесами на балансирных валах, каждый из которых создает силу, в четыре раза меньшую, чем Р1. Для уравновешивания вторичных колебаний чаще всего применяется механизм, запатентованный британским инженером Фредериком Ланчестером в далеком 1904 году. Он состоит из двух балансирных валов, вращающихся в разные стороны с частотой, вдвое превышающей частоту вращения коленвала (см. рис. 4).  Рис.4 Механизм Ланчестера, применяющийся для уравновешивания вторичных колебаний. Впрочем, иногда используется и один балансирный вал, вращающийся в два раза быстрее коленвала. Его работа аналогична работе одновального механизма для уравновешивания сил первого порядка. Все это относится как к одноцилиндровым, так и к многоцилиндровым двигателям. Но в многоцилиндровых моторах все намного сложнее: ведь в них силы, возникающие при работе разных цилиндров, могут как складываться, так и компенсировать друг друга. Как это происходит – рассмотрим в следующем номере.Материал взят из журнала "МОТО". |
www.autoscience.ru
