Уравновешивание двигателей способы уравновешивания

Устройство автомобилей

Уравновешивание поршневых двигателей

Работа четырехцилиндрового однорядного двигателя

Во время работы поршневого двигателя внутреннего сгорания подвижные детали, перемещаясь, вызывают появление сил и моментов сил инерции, изменяющихся в течение рабочего цикла и по модулю, и по направлению. Это вызывает неравномерность работы двигателя, выражающуюся в его вибрации, передающейся на опоры и далее на автомобиль в целом.

Действия, направленные на устранение причин вибраций, т. е. неуравновешенности двигателя во время его работы, называются уравновешиванием двигателей .
Уравновешивание двигателя сводится к созданию такой системы, в которой равнодействующие силы и их моменты постоянны по величине или равны нулю. Двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению.

У всех поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) возникает реактивный момент, противоположный крутящему моменту, который называется опрокидывающим. Опрокидывающий момент передается на подмоторную раму, и, поскольку его величина изменяется во времени, вызывает вибрацию автомобиля. Значение опрокидывающего момента является функцией угла поворота коленчатого вала, также, как и значение крутящего момента, т. е. эти величины являются переменными.
По этой причине абсолютной уравновешенности поршневого ДВС достигнуть невозможно. Однако в зависимости от того, в какой степени устраняются причины, вызывающие неуравновешенность двигателя, различают двигатели полностью уравновешенные, частично уравновешенные, и неуравновешенные.

Теоретически любые свободные силы инерции и их моменты могут быть уравновешены. Однако на практике это сопровождается значительным усложнением и удорожанием конструкции. А так как уравновешивание осуществляется не только с учетом технической, но и экономической целесообразности, то не все поршневые двигатели уравновешиваются полностью.

Способы уравновешивания двигателя

В поршневых двигателях внутреннего сгорания уравновешивают центробежные силы инерции вращающихся масс, силы инерции первого и второго порядка, а также моменты, вызываемые этими силами.

Силы инерции 1-го порядка вызываются изменением направления движения деталей поршневой группы во время работы двигателя. Эти силы достигают пиковых значений в моменты прохождения поршнем мертвых точек (при перекладке поршня).
Следствием возникновения сил 1-го порядка является поперечная вибрация двигателя, частота которой равна частоте вращения коленчатого вала. Обычно эти силы частично уравновешиваются балансирами, устанавливаемыми на коленчатом валу. Полное уравновешивание сил инерционных сил 1-го порядка с помощью балансиров невозможно, поскольку сами балансиры совершают вращательное движение, а уравновешиваемые детали поршневой группы — линейное.

Силы инерции 2-го порядка вызываются изменением по величине (по модулю) линейной скорости движения поршня в процессе перемещения его между мертвыми точками. Эти силы достигают максимального значения в середине хода поршня и вызывают поперечную вибрацию двигателя, частота которой в два раза превышает частоту вращение коленчатого вала.
Силы инерции 2-го порядка уравновесить очень сложно, и, поскольку их величина значительно меньше сил инерции 1-го порядка, чаще всего силы 2-го порядка оставляют неуравновешенными, чтобы не усложнять конструкцию двигателя.

Силы инерции первого и второго порядков и их моменты уравновешиваются подбором оптимального числа цилиндров, их расположения и выбором соответствующей схемы коленчатого вала. Если этого не достаточно, то силы инерции уравновешивают противовесами, расположенными на дополнительных валах, имеющих механическую связь с коленчатым валом. Это приводит к значительному усложнению конструкции двигателя, поэтому на практике используется редко.
В рядных двигателях уравновесить силы инерции первого и второго порядков установкой противовесов невозможно. Однако при соответствующем выборе массы противовеса можно частично перенести действие силы инерции первого порядка из одной плоскости в другую, тем самым уменьшив неуравновешенность в этой плоскости.

Центробежные силы инерции вращающихся масс можно уравновесить в двигателе с любым числом цилиндров установкой противовесов на коленчатом валу. В большинстве многоцилиндровых двигателей результирующие силы инерции уравновешиваются не установкой противовесов, а путем подбора соответствующего числа и расположения кривошипов коленчатого вала. Однако даже на уравновешенные валы устанавливают противовесы для уменьшения и более равномерного распределения нагрузки на коренные шейки и подшипники, а также для уменьшения моментов, изгибающих коленчатый вал.
Если нельзя уравновесить опрокидывающий момент, то можно уменьшить его неравномерность (амплитуду) путем снижения неравномерности крутящего момента. Это достигается увеличением числа цилиндров двигателя при равных интервалах между вспышками (тактами рабочего хода) в них.

Предусмотренная конструкторами двигателя уравновешенность может быть сведена к нулю, если не будут выполняться следующие требования к производству деталей двигателя, сборке и регулировке его узлов:

• равенство масс поршневых групп;
• равенство масс и одинаковое расположение центров тяжести шатунов;
• статическая и динамическая сбалансированность коленчатого вала.

При эксплуатации двигателя необходимо, чтобы идентичные рабочие процессы во всех его цилиндрах протекали одинаково. А это зависит от состава смеси, углов опережения зажигания или впрыска топлива, наполнения цилиндров, теплового режима, равномерности распределения смеси по цилиндрам и т. д.

Балансировка коленчатого вала

Коленчатый вал, как и маховик, являясь массивной подвижной частью кривошипно-шатунного механизма, должен вращаться равномерно, без биений. Для этого выполняют его балансировку, подбор и крепление уравновешивающих грузов для обеспечения его полной динамической уравновешенности.

Кроме динамической уравновешенности существует и статическая балансировка, при которой деталь уравновешивают противовесом в произвольно выбранной плоскости, исходя из условия, что деталь будет находиться в равновесии, если ее центр тяжести лежит на оси вращения.
При статической балансировке вал устанавливают на узкие точечные опоры, и путем добавления грузов на его маховик или противовесы добиваются устойчивого равновесия в любом положении.

Динамическая балансировка обеспечивает большую точность, чем статическая. Поэтому коленчатые валы, к которым предъявляются повышенные требования относительно уравновешенности, балансируют динамически.

Динамическую балансировку выполняют на специальных балансировочных станках или стендах, оборудованных устройствами для определения нужного положения уравновешивающего груза, массу которого определяют последовательными пробами, ориентируясь по показаниям приборов.
Во время балансировки вал, закрепленный на стойках станины балансировочного стенда, приводится во вращение с помощью специального привода. При этом центробежные силы приведенных масс оказывают динамическое воздействие, вызывая колебания рамы станка на упругой опоре. Амплитуда колебаний зависит от степени неуравновешенности вала и частоты его вращения на стенде.
Балансировку коленчатого вала проводят или на резонансном режиме, или при угловых скоростях, значительно превышающих резонансные.

Источник

10 Уравновешивание двигателей

Цель лекции: Познакомиться с условиями и способами уравновешивания современных автотракторных двигателей.

7.1 Уравновешенность и уравновешивание поршневых двс

В кшм постоянно действуют непрерывно изменяющиеся силы и моменты, и если они не уравновешенны, то вызывают сотрясение и вибрацию двигателя, передаются раме трактора или автомобиля.

Различают внешнюю и внутреннюю неуравновешенность двс.

Внешняя неуравновешенность – это наличие периодичных сил инерции и моментов сил инерций, а также опрокидывающего момента – которые передаются на опору двигателя.

Внутренняя неуравновешенность – это возникновение в поперечных сечениях блока цилиндров и других деталях упругих сил и моментов, т. е. возникают внутренние сгибающие и скручивающие моменты. Расчёт внутренних сил и моментов применяют для оценки деформаций блока цилиндров, напряжений и вибраций.

Мы будем рассматривать только внешнюю неуравновешенность двигателя.

К неуравновешенным силам и моментам относятся:

а) силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

и центробежные силы вращающихся масс ;

Рекомендуемые файлы

б) продольные моменты сил инерции и , возникающие в многоцилиндровых двигателях от неуравновешенных сил и ;

в) Крутящий момент и равный ему, но противоположно направленный опрокидывающий момент .

Уравновешенность – это такое состояние двигателя, при котором он полностью уравновешен.

Двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы, силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению, или равны 0.

Условия уравновешенности двигателя с любым числом цилиндров принято записывать в виде:

а) и — результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны 0.

б) и — результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны 0.

в) и — результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны 0.

Уравновешивание – это комплекс конструктивных, производственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на уменьшение или полное устранение неуравновешенных свободных сил инерции и моментов.

Уравновешивание может осуществляться!

а) Подбором определенного числа цилиндров, их расположением и выбором соответствующей схемы коленчатого вала;

б) Установкой дополнительных масс;

в) Установкой дополнительных механизмов.

При расчете сил и моментов сил инерции используют выражения:

;

;

;

;

;

.

L_ц – расстояние между осями цилиндров;

m_j, m_R – неуравновешенные массы поступательно движущихся и вращающихся частей КШМ одного цилиндра.

n – число цилиндров двигателя.

7.2 Уравновешивание одноцилиндрового двигателя.

в одноцилиндровом двигателе:

эти силы неуравновешенны

неуравновешенных моментов нет

т. к. одиночные силы не создают момента.

7.2.1Силы инерции первого порядка P_j1

P_j1 может быть уравновешенна установкой масс 2m_прj на продолжении щек к. в.

т. е.

т. е. — перенос P_j1 из верхней плоскости в горизонтальную

Вывод: установкой двух противовесов на продолжении щек можно уравновесить P_j1. Однако при этом возникает горизонтальная составляющая центробежной силы этих дополнительных масс, вызывающая вибрацию двигателя в горизонтальной плоскости, которой не было до установки этих масс.

Чаще всего P_j1 уравновешивают не полностью, а частично (чаще на 50%), т. е.

— частичное уравновешивание P_j1

Следовательно, максимальное воздействие от силы P_j1 на корпус двигателя при наличии такой дополнительной массы всегда будет на 50% меньше.

Частичное уравновешивание P_j1 происходит в результате частичного переноса действия силы инерции из вертикальной плоскости в горизонтальную.

Полностью сила P_j1 может быть уравновешенна только с помощью специального механизма.

В специальном механизме приводятся во вращение две дополнительные массы m’ с угловой скоростью .

— при такой массе m’_пр горизонтальные составляющие их центробежных сил при любых углах φ взаимно уравновешиваются, а вертикальные составляющие дают равнодействующую , которая равна силе P_j1, но направлена в противоположную сторону.

7.2.2 Сила инерции второго порядка – P_j2.

P_j2 может быть полностью уравновешенна только с помощью специального механизма, так же как и P_j1. Однако дополнительные массы должны иметь частоту вращения .

т. е.

Этот способ используется в двигателе А–41. Однако из-за сложности и громоздкости уравновешивающего механизма используется редко.

7.2.3 Центробежная сила К_R.

К_R – полностью уравновешивается установкой на щеках к. в. 2 одинаковых противовесов.

Масса каждого из противовесов будет равна:

— условие полного уравновешивания К_R и частичного (50%) P_j1.

7.3 Уравновешивание двух цилиндрового двигателя.

7.3.1 Одностороннее расположение кривошипов.

Порядок работы 1 – 2, промежуток между вспышками — 360 0

; ; — уравновешенны, так как действующие силы и плечи приложения этих сил равны.

Уравновешивание двухцилиндрового двигателя осуществляется таким же способом, что и одноцилиндрового.

7.3.2 Кривошипы расположены под углом 180 0

Порядок работы 1-1, чередование вспышек 180 0 и 540 0 .

не уравновешенны.

Полностью уравновесить — можно только путем установки специального механизма, (уравновешивающего механизма) как для одноцилиндрового двигателя.

Момент сил инерции первого порядка:

— не уравновешен.

L_ц – расстояние между осями цилиндров.

— с помощью противовесов, устанавливаемых на крайних щеках к. в. можно полностью или частично перенести из вертикальной плоскости в горизонтальную.

т.е.

— условие полного переноса из вертикальной плоскости в горизонтальную.

Момент сил инерции второго порядка уравновешен

.

Момент центробежных сил.

— действует во вращающейся плоскости колен. вала и м. б. полностью уравновешен противовесами m_прR – на плече ρ_R.

— условие уравновешивание момента центробежных сил.

b – расстояние между противовесами.

7.4 Уравновешивание однорядного четырехцилиндрового двигателя (с кривошипами под углом 180 0 ).

Порядок работы 1-3-4-2 (или 1-2-4-3), чередование вспышек – 180 0 .

Модели двигателей: СМД – 14, Д – 50, Д – 240, М – 21, М – 24, ВАЗ и др.

Из схемы расположения кривошипов и направления сил инерции в двигателе можно сделать выводы:

— — силы инерции первого порядка уравновешенны;

— — результирующая сил инерции второго порядка не уравновешенна

— может быть уравновешенна с помощью дополнительного уравновешивающего механизма.

— центробежные силы инерции К_R для всех цилиндров равны и попарно взаимно уравниваются.

, ,

моменты сил инерции первого, второго порядков и центробежных сил – уравновешенны.

Несмотря на конструктивное уравновешивание центробежных сил инерции, в некоторых четырехцилиндровых двигателях на коленчатом валу устанавливают противовесы для разгрузки коренных подшипников от действия этих сил.

7.5 Уравновешивание шестицилиндрового рядного
двигателя.

Порядок работы: 1-5-3-6-2-4; 1-4-2-6-3-5.

Чередование вспышек — 120 0

Кривошипы расположены под углом 120 0 .

Используется на двигателях ЗИЛ – 164, ЗИЛ – 120, ГАЗ – 52, УРАЛ – 5М.

шести цилиндровый двигатель можно представить как два спаренных трехцилиндровых двигателя.

1)

Тогда:

— силы первого порядка уравновешенны;

2)

— силы второго порядка уравновешенны;

— центробежные силы инерции уравновешенны

.

шести цилиндровый рядный двигатель полностью уравновешен, однако некоторые двигатели имеют противовесы для разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил.

7.6 Уравновешивание двухцилиндрового
V — образного двигателя

(γ – угол развала 90 0 ).

Анализ уравновешенности двухцилиндрового V – образного двигателя можно распространить и на многоцилиндровые V – образные двигатели, так как они состоят из определенного количества двухцилиндровых секций, работающих на один и тот же коленчатый вал.

чередование вспышек 270 0 и 450 0 .

γ – угол развала 90 0

1) Силы инерции первого порядка:

Для первого цилиндра:

Для второго цилиндра:

Линии действия сил и пересекаются в точке О, они взаимно пенпердикулярны.

Равнодействующая этих сил:

— равнодействующая сил построена по значению и всегда направлена по радиусу кривошипа.

Эта сила может быть уравновешенна увеличением масс противовесов, которые устанавливают для продолжения щек кривошипа.

Равнодействующая направлена по радиусу кривошипа, так как:

; ;

Добавочная масса для одного из двух противовесов определяется

, откуда

2) Силы инерции второго порядка.

для первого цилиндра

для второго цилиндра

т. е. — т. е. абсолютные значения равны, но противоположны по направлению

Равнодействующая этих сил:

— равнодействующая Р_j2 изменяется по гармоническому закону, не уравновешенна и передается на опоры двигателя.

Поскольку силы Р’_j2 и Р’’_j2 всегда равны по абсолютной величине и противоположны по знаку, их равнодействующая действует всегда по горизонтали.

Причем при значениях φ:

φ=0…45 0 ; 135 0 …225 0 ; 315 0 …360 0 – направлена влево

φ=45 0 …135 0 ; 225 0 …315 0 – направлена вправо

Направление (из графика j₂=f(φ)).

Центробежная сила инерции — К_R

так как на одной кривошипной шейке расположено два шатуна, то

— масса шатунной шейки и средней части щеки;

— приведенная масса шатуна, отнесенная к оси кривошипа к его нижней головке

— приведенная масса щеки к оси кривошипа

— уравновешивается с помощью противовесов, установленных на продолжении кривошипа.

,

Тогда общая масса противовеса будет: ( и )

Так как силы инерции и действуют в одной плоскости, то они не создают неуравновешивающего момента

; ; .

7.7 Уравновешивание V -образного шести цилиндрового двигателя

с углом развала между цилиндрами 90 0 и тремя спаренными кривошипами под углом 120 0 .

СМД – 60, 62, ЯМЗ – 236.

Порядок работы цилиндров: 1л-1п-2л-2п-3л-3п; 1-4-2-5-3-6

чередование вспышек: 90 0 и 150 0 .

Коленчатый вал такого двигателя можно рассматривать как тройную секцию из двухцилиндровых V – образных двигателей, где для секций:

1) Равнодействующая сил инерции первого порядка для всего двигателя (проекция на вертикальную ось).

2) Сила инерции второго порядка для одной секции:

— изменяется по закону косинуса двойного угла и всегда горизонтальна.

Вектор момента пенпердикулярен плоскости его действия и направлен в сторону, смотря из которой мы видим вращение против часовой стрелки.

И имеет направление:

Сумма равнодействующих сил инерции:

3) — центробежные силы также действуют по радиусу кривошипа, как и результирующие силы инерции первого порядка , поэтому:

.

4) Суммарный момент от сил инерции первого порядка действует во вращающейся плоскости, и равен моменту, создаваемому силами и (первого и третьего кривошипа на плече 2L_ц).

По теореме косинусов ()

Учитывая, что

5) Момент от центробежных сил, также, как и , так как направление этих сил совпадает.

Определим плоскость действия этих моментов по отношению к плоскости первого кривошипа.

Из геометрического построения видно, что φ₁=30 0 или аналитически по теореме синусов

Следовательно действие суммарного момента сил инерции первого порядка () и момента от центробежных сил () можно уравновесить одновременно, установкой противовесов массой () на концах вала в плоскости действия суммарного момента (), т. е. под углом и плоскости первого кривошипа.

b – расстояние по оси коленчатого вала между противовесами.

1) Если направление сил определено, то момент по схеме складывается сразу.

2) Если силы возьмем в одном направлении, то знаки учтем по значениям функций.

6) Суммарный результирующий момент от сил инерции второго порядка находят как сумму моментов относительно средней точки.

— действует момент в горизонтальной плоскости.

Найдем угол поворота кривошипа φ, при котором этот момент будет иметь максимальное значение.

Для этого функцию исследуем на max.

период изменения j₂=90 0

7.8 Уравновешивание V – образного восьмицилиндрового двигателя

с углом развала цилиндров 90 0 .

ЯМЗ – 238, ЗИЛ – 130, ЗИЛ – 111, ЗИЛ — 375, ГАЗ – 66, КАМАЗ – 740

Кривошипы пространственного коленчатого вала расположены в двух взаимно пенпердикулярных плоскостях.

Промежуток между вспышками – 90 0

угол развала γ=90 0

порядок работы 1л-1п-4л-2л-2п-3л-3п-4п; 1-5-4-2-6-3-7-8

Равнодействующая силы инерции первого порядка.

— силы инерции первого порядка взаимно уравновешенны.

Суммарный момент этих сил ().

— в вертикальной плоскости (1-4 кривошип)

— в горизонтальной плоскости (2-3 кривошип)

действие моментов под углом 90 0 , поэтому:

;

3) Равнодействующие силы инерции второго порядка всегда направлена по горизонтали для каждой секции двигателя пенпердикулярна к оси коленчатого вала двигателя.

Сумма этих равнодействующих сил равна 0.

4) Равнодействующая центробежных сил равна 0.

5) Суммарный момент сил инерции второго порядка.

Возьмем момент относительно середины (точка А).

6) Суммарный момент центробежных сил действует в той же плоскости, что и равнодействующий момент сил инерции первого порядка :

т. е.

Очевидно, что сумма двух результирующих моментов будет равна

— действует во вращающейся плоскости.

Уравновешивание этих моментов осуществляется противовесами, путем установки двух противовесов на концах коленчатого вала, в плоскости действия моментов, (т. е. под углом α=18 0 26’) масса противовесов:

b – расстояние между противовесами m_пр по оси коленчатого вала.

ρ – расстояние от центра тяжести общего противовеса до оси коленчатого вала.

Угол вращающейся плоскости установки противовесов.

Различия в уравновешивании восьмицилиндровых двс.

1. ЯМЗ – 238 – под углом 18 0 26’ – на всех щеках

2. ЗИЛ – 130 – ПОД УГЛОМ 11 0 на щеках крайних кривошипах, под углом 25 0 – на щеках средних кривошипах.

3. КАМАЗ – 740 на первой и последней щеках кривошипов.

Источник