7.4.2. Двигун рядний чотирициліндровий

Чотирициліндрові рядні двигуни набули широкого вжитку на легко­вих автомобілях (АЗЛК, ВАЗ, ЗАЗ-1102, ГАЗ-24, БМВ, "Шкода", "Тойота" та інші). Всі вони мають плоский колінчастий вал із дзеркально-симетричним розташуванням кривошипів відносно його середини (рис. 7.4). Така схема колінчастого вала забезпечує достатню зрівнова­женість і рівномірне чергування спалахів у циліндрах. Порядок роботи циліндрів можна організувати за двома рівнозначними схемами: 1-2-4-3та 1-3-4-2. Кутові інтервали між спалахами в кожній з них од­накові і дорівнюють ϴ - 720° /4 = 180°.

Для оцінки зрівноваженості цього двигуна необхідно проаналізува­ти всі шість загальних умов (7.1).

Як видно з рис. 7.4, відцентрові сили інерції К_R та моменти від них М_R у цьому двигуні взаємно зрівноважуються. Дійсно, аналітичний ви­раз для рівнодіючої відцентрових сил інерції має вигляд:

Результат свідчить про те, що двигун зрівноважений відносно цих сил.

Рівнодіючий момент від відцентрових сил дорівнює (рис. 7.4):

Тобто і від моментів від відцентрових сил цей двигун зрівноваже­ний.

Рівнодіюча сил інерції першого порядку також дорівнює нулю (рис. 7.4):

І від сил інерції першого порядку двигун зрівноважений. Вираз для рівнодіючого вектора моментів від цих сил інерції має вигляд (рис. 7.4):

Отже, від моментів сил інерції першого порядку двигун також зрів­новажений.

Рівнодіюча для сил інерції другого порядку

Отже, ці сили не зрівноважені, бо їх рівнодіюча не дорівнює нулю. Повністю зрівноважити їх можна за допомогою механізму Ланчестера, необхідність застосування якого для кожного двигуна встановлюється за критеріями зрівноваженості (7.2). Звичайно в автомобільних чотири­циліндрових двигунах в умовах масового виробництва цей механізм у зв'язку із складністю його і громіздкістю не вживається. Але деякі япон­ські фірми ("Мазда", "Тойота") на вимогу замовника встановлюють цей механізм на автомобілях підвищеного комфорту. У вітчизняній практиці такий механізм вживався на тракторному двигуні АМ-40 Алтайського моторного заводу.

Проаналізуємо зрівноваженість моментів від цих сил (рис. 7.4):

Тобто моменти від сил інерції другого порядку зрівноважені.

Виконаний аналіз зрівноваженості двигунів двох схем дозволяє зробити узагальнюючі висновки для практики зрівноваження.

1. Відцентрові сили і моменти від них зрівноважені так, як і сили інерції першого порядку і моменти від них. Тому при подальшому аналізі досить проаналізувати зрівноваженість одних, щоб зробити висновок про зрівноваженість других.

2. У двигунах із дзеркально-симетричною схемою колінчастого вала відносно площини, яка проходить через його середину перпендикуляр­но до його осі, моменти від сил інерції взаємно зрівноважуються, тобто рівнодіючий момент дорівнює нулю.

7.4.3. Двигун У-подібний восьмициліндровий з кутом розвалу циліндрів γ = 90°

Це найбільш поширена схема для вітчизняних двигунів, що засто­совуються на вантажних автомобілях і тракторах (ГАЗ-53А і 66; ЗІЛ-130; ЯМЗ-238; СМД-80 та інші). Колінчастий вал у цих двигунів має чотири кривошипи, які розташовані під кутом 90° один до одного (рис. 7.5).

До кожної шатунної шийки прикріпляються два шатуни. Порядок роботи циліндрів такий: 1-5-4-2-6-3-7-8. Кутовий інтервал між спалахами в циліндрах рівномірний і складає ϴ - 720° / 8 = 90°.

При аналізі зрівноваженості доцільно восьмициліндровий двигун умовно розділити на чотири двоциліндрові, V - подібні секції.

Кожна секція складається з одного кривошипу, тому при аналізі припускаємо, що осі циліндрів розміщуються в одній площині ХОУ (рис. 7.6). Завдяки цьому моменти К_R , M_j| та М_j|| дорівнюють нулю, і загальні шість умов зрівноваженості (7.1) зводяться до трьох для сил інерції. Кутові інтервали між спалахами в циліндрах секції не однакові і дорівнюють 270 і 450°.

Незрівноважені відцентрові сили інерції K_R для секції, рівнодіюча яких R_R = 2K_R, можуть бути зрівноважені за допомогою двох противаг, встановлених на продовженні щік колінчастого вала.

Проаналізуємо зрівноваженість для секції сил інерції першого по­рядку мас, що рухаються зворотно-поступально. Аналітичні вирази сил інерції першого порядку мають вигляд:

де індекси л і п - позначають лівий і правий циліндри; φ - кут повороту кривошипа від осі лівого циліндра. Підсумувавши ці сили, отримаємо:

тобто рівнодіюча сила не рівняється нулю і має постійне значення. Кут між нею і віссю першого циліндра

звідки

тобто рівнодіюча завжди направлена вздовж радіуса кривошипа. Тому зрівноважити її можна, як і відцентрову силу, противагами, встановле­ними на продовженні щік колінчастого вала.

Рівнодіючу сил інерції другого порядку для секції запишемо так:

Вона діє в площині, яка проходить через вісь колінчастого вала і складає з віссю першого циліндра кути, рівні ψ_||=45° або 135°, бо

tg ψ_||= P^п _j|| / P^л _j|| ⁼ -1 (Рис. 7.6). Ця сила може бути зрівноважена лише способом Ланчестера.

Переходячи до оцінки зрівноваженості двигуна 8V, маємо на увазі, що відцентрові сили і сили інерції першого порядку направлені по радіу­су свого кривошипа. Враховуючи це і схему розміщення кривошипів ко­лінчастого вала, робимо висновок, що відцентрові сили і сили інерції першого порядку попарно однакові за значенням і протилежно направ­лені (рис. 7.7, а), тобто

Тому їх рівнодіючі дорівнюють нулю, і ці сили зрівноважені:

Результуючі моменти від відцентрових сил і сил інерції першого по­рядку не рівняються нулю, тобто двигун від цих моментів незрівноважений. Вони діють у різних площинах і мають на різних кривошипах різні значення, а саме:

Значення і площину дії цих моментів можна визначити шляхом гео метричного підсумовування векторів наведених вище моментів для кри вошипів:

Ці моменти діють в площині 1 - 1, що обертається з частотою ω і складає з площиною, в якій розміщений кривошип першого циліндра, кут ψ (рис. 7.7, б). Так, для моменту R_{M R}

Звідки ψ_R =18°26'. Аналогічно для моменту R_{M j |} : tgψ_{j |}= 1/3; ψ_{j |} = 18°26'. Зрівноважити їх можна за допомогою противаг, розміще­них на продовженні щік колінчастого вала, або за допомогою двох вино­сних противаг, встановлених на кінцях колінчастого вала. Як було пока­зано раніше, рівнодіюча сил інерції другого порядку для двоциліндрової V - подібної секції не становить нуль і при будь-якому куті повороту колі­нчастого вала діє в горизонтальній площині, тобто перпендикулярно до повздовжньої площини симетрії двигуна і осі колінчастого вала. Для всього двигуна ці сили інерції однакові за значенням, але попарно про­тилежні за знаком, тому вони взаємно попарно зрівноважуються, тобто

Отже, двигун зрівноважений відносно цих сил.

Момент перших двох сил за значенням завжди дорівнює моменту наступних двох сил. Обидва ці моменти протилежні за знаком, тому су­марний момент сил інерції другого порядку становить нуль, тобто

Таким чином, у цьому двигуні незрівноважені тільки моменти від відцентрових сил і сил інерції першого порядку, які зрівноважуються противагами, що розміщуються на колінчастому валі.