1.5.4. Уравновешивание восьмицилиндрового V-образного двигателя

В восьмицилиндровых четырехтактных двигателях с углом между рядами цилиндров 90° применяют коленчатые валы с четырьмя кривошипами, расположенными в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (рис. 1.35). При уравновешивании условно рассматривают такие двигатели, как соединение четырех двухцилиндровых V-образных двигателей, последовательно установленных по оси коленчатого вала.

Неуравновешенные силы по парам цилиндров составляют:

первая пара  ,

,

;

вторая пара  ,

,

;

третья пара  ,

,

;

четвертая пара  ,

,

.

Рис. 1.35. Уравновешивание V-образного восьмицилиндрового двигателя

Силы инерции первого и второго порядков, центробежная сила и момент сил инерции второго порядка уравновешены, т. е.

,  ,  ,  .

Результирующий момент сил инерции первого порядка и центробежных сил составляет:

,

где  – горизонтальная составляющая результирующего момента;

– вертикальная составляющая результирующего момента.

Тогда

.

Плоскость, в которой действует суммарный момент и должны быть установлены противовесы, составляет с плоскостью первого колена угол 18^° 30'.

Моменты сил инерции первого порядка и центробежных сил обычно уравновешивают противовесами, установленными на щеках коленчатого вала. Продольный момент от сил инерции первого порядка может быть уравновешен установкой противовесов на концах коленчатого вала. Массу каждого противовеса, размещаемого на концах вала, определяют из уравнения:

,

где а – расстояние между соседними плоскостями, в которых располагаются оси цилиндров.

Из уравнения масса противовесов равна:

.

На практике часто устанавливают противовесы на щеках кривошипа и на концах коленчатого вала (двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЗИЛ-131 и др.).

Действительная уравновешенность двигателя отличается от рассмотренной теоретической уравновешенности, при которой предполагается, что коленчатый вал абсолютно жесткий, вращается с постоянной угловой скоростью, а детали в различных цилиндрах имеют одинаковые размеры и массу. В действительности размеры и масса деталей двигателя различны и силы инерции для отдельных цилиндров получаются неравными.

Для максимального уменьшения влияния вредных факторов на уравновешенность двигателя вращательно движущиеся части тщательно балансируют, а части, движущиеся возвратно-поступательно, подбирают с минимальными отклонениями по размерам и массе. Строго контролируют распределение масс шатуна. Коленчатые валы и маховики подвергают статической и динамической балансировке. Несоблюдение технических условий на сборку деталей двигателя может привести к возникновению значительных неуравновешенных сил инерции.

6. Равномерность хода и расчет маховика двигателя

1.6.1. Общие положения

В идеальном двигателе угловая скорость вращения коленчатого вала ? считается постоянной.

В реальном двигателе даже при установившемся режиме работы угловая скорость ω не остается постоянной, а колеблется в течение одного цикла. Это объясняется изменением величины крутящего момента двигателя М_к, от которого и зависит в первую очередь равномерность хода двигателя.

График изменения постоянного по индикаторной диаграмме крутящего момента одноцилиндрового четырехтактного двигателя по углу поворота коленчатого вала представлен на рис. 1.36. Площади, расположенные над осью абсцисс (F₂, F₅, F₇), представляют положительную работу, расположенные же под этой осью (F₁, F₃, F₄, F₆) – отрицательную.

Рис. 1.36. График крутящего момента одноцилиндрового четырехтактного двигателя

Разность между положительными и отрицательными площадями представляет работу крутящего момента за рабочий цикл двигателя:

F_изб = (F₂ + F₅ + F₇) – (F₁ + F₃ + F₄ + F₆).

Среднее значение крутящего момента, которое может быть найдено при помощи диаграммы (рис. 1.36):

,

,

где АВ – длина отрезка в единицах длины,

а₁ – масштаб моментов.

На рис. 1.36 работа среднего крутящего момента представлена в масштабе площадью прямоугольника, высота которого равна АВ.

Зная величину М_ср, неравномерность крутящего момента можно определить по коэффициенту К, который называется степенью неравномерности крутящего момента:

,

где М_max – максимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

В некоторых случаях для оценки равномерности изменения крутящего момента пользуются коэффициентом неравномерности крутящего момента

,

где М_min – минимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

С увеличением числа цилиндров коэффициенты К и K₁ уменьшаются. Примерная зависимость величины К от числа цилиндров i для четырехтактных бензиновых двигателей при полной нагрузке приведена в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Значения К от числа цилиндров

Число цилиндров
1	2	3	4	6	V6 90/120	8	V8 90/90	V12
7.74	5.52	3.62	3.35	2.25	2.88	1.36	1.36	1.16

Степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом неравномерности хода двигателя:

,

где ω_max, ω_min, ω_cp – величины наибольшей, наименьшей и средней угловой скорости вращения коленчатого вала в течение одного рабочего цикла двигателя при установившемся режиме его работы.

Для автомобильных и тракторных двигателей при номинальных оборотах значения  .

Для одноцилиндрового двигателя необходимая равномерность хода двигателя может быть обеспечена лишь при наличии маховика значительных размеров, что отрицательно отражается на приемистости двигателя. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что на работу двигателя автомобиля и трактора в целом равномерность работы оказывает большее влияние, чем уравновешенность. С увеличением равномерности крутящего момента условия работы двигателя и механизмов автомобиля и трактора заметно улучшаются.