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 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.

уравновешивание поршневого двигателя

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.
уравновешивание двигателя 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.

***

Специальность "Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта"