1.5. Зрівноваження двоциліндрових двигунів

На даний час двоциліндрові двигуни виконують за чотирма схемами з порядком роботи 1-2.

Двоциліндровий рядний двигун з колінами, що направлені в одну сторону. Двигуни, що виконані за схемою зображеною на рис.1.3, виготовляють тільки чотиритактними. Ця схема забезпечує рівні проміжки між спалахами 360 повороту колінчастого валу.

До недоліків схеми слідує віднести підвищене навантаження на опорні підшипники, оскільки сили інерції мас, що рухаються зворотно-поступально, і неврівноважених обертових мас збільшуються вдвічі.

Рис.1.3. Схема двоциліндрового двигуна з колінами, що направлені в одну сторону

Якщо прийняти, що маси поршнів в обох циліндрах однакові, то за умови рівних колін та однакового розташування колін валу для кожного циліндра сили інерції будуть однаковими , , . Рівнодійні цих сил прикладені до середини колінчастого валу і відповідно рівні:

(1.5)

Сумарні моменти від дії цих сил рівні нулю.

Зрівноваження двоциліндрових двигунів даного типу можна досягнути тими ж методами, що і зрівноваження одноциліндрового двигуна.

Двоциліндровий рядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 180. У випадку такого розташування колін (рис.1.4), що застосовується як для дво-, так і для чотиритактних двигунів, досягається краща , ніж у попередньому випадку зрівноваженість.

Для двотактних двигунів в цьому випадку забезпечується однакові кутові інтервали між спалахами через 180 кута повороту колінчастого валу. У випадку застосування такої схеми для чотиритактних двигунів спалахи здійснюються через проміжки, що відповідають повороту колінчастого валу на 180 і на 540.

Рис.1.4. Схема двоциліндрового двигуна з колінами, що розташовані під кутом 180

У даному двигуні сили інерції першого порядку за будь-якого положення колінчастого валу дають рівнодійну, рівну нулю

.

(1.6)

Сили інерції другого порядку обох циліндрів завжди направлені в одну сторону і тому не зрівноважуються, а створюють вільну силу

.

(1.7)

Ця сила діє вздовж осі, що паралельна осям циліндрів та проходить через середину колінчастого валу, і може бути зрівноважена тільки за допомогою противаг, що встановлюють на додаткових валах, які обертаються з кутовою швидкістю 2.

Рівнодійна сил інерції відцентрових мас рівна нулю

.

(1.8)

Сили інерції першого порядку створюють вільний момент T_j1, що діє в площині, що проходить через осі циліндрів

.

(1.9)

Встановлюючи противаги на продовженнях щік колінчастого валу, дію моменту можна повністю або частково перенести із площини, що проходить через осі циліндрів, в площину, яка перпендикулярна до цих осей, тобто з вертикальної площини в горизонтальну.

У разі переносу дія моменту з вертикальної площини в горизонтальну масу кожної з противаг m_прj, що розташовані на продовженнях крайніх щік на віддалі _j від осі колінчастого валу, визначається із рівняння

, або ,

звідки

,

(1.10)

де – зрівноважуючий момент, що діє в площині обертання колін; – складова моменту , що діє у вертикальній площині.

У горизонтальній площині в цьому випадку діє вільний момент

.

Момент від сил інерції другого порядку рівний нулю .

Момент від сил інерції відцентрових мас діє в площині колінчастого валу, що обертається,

.

(1.11)

Цей момент можна повністю зрівноважити за допомогою противаг масою m_пр.с, що встановлюються на продовженнях щік колінчастого валу.

Масу m_пр.с розташовують на віддалі _с від осі колінчастого валу і знаходять так, як і масу m_прj

, звідки ,

(1.12)

Двоциліндровий двигун з протилежним розташуванням циліндрів і колінами, що розташовані під кутом 180. Чотиритактні двигуни такого типу встановлюються головним чином на малолітражних автомобілях і мотоциклах.

Наведена на рис.1.5 схема двигуна забезпечує однакові кутові інтервали між спалахами через 360 кута повороту колінчастого валу.

Рис.1.5. Зрівноваження двоциліндрового двигуна з протилежним розташуванням циліндрів і колінами, що розташовані під кутом 180

Для кожного з циліндрів сили інерції першого і другого порядків, а також відцентрові сили інерції за будь-якого розташування колінчастого валу відповідно рівні одна одній, але напрямлені у протилежні сторони, тому:

,

(1.13)

Моменти, що виникають від дії цих сил:

(1.14)

Повне зрівноваження моментів і можливе лише за допомогою противаг, що встановлюються на додаткових валах. Момент зрівноважується повністю встановленням противаг масою m_пр.с на продовженнях щік колінчастого валу.

Двигунам з протилежним розташуванням циліндрів властива краща зрівноваженість, ніж двигунам, схема яких зображена на рис.1.4, оскільки рівнодійна сил інерції другого порядку викликає в останніх більше вібрацій, ніж неврівноважені моменти у двоциліндрових двигунах з протилежним розташуванням циліндрів.

Двоциліндровий V-подібний двигун з загальним коліном. У загальному випадку, коли кут між осями циліндрів рівний  (рис.1.6), сили інерції першого порядку зводяться до рівнодійної

.

(1.15)

Оскільки

і ,

то після перетворень отримаємо

.

(1.16)

Кут  між напрямком сили R₁ і віссю лівого циліндра визначається із співвідношення між елементами трикутника ОАВ:

або ,

звідки

.

Рівнодійна сил інерції другого порядку

;

(1.17)

де

, .

Рис.1.6. Зрівноваження двоциліндрового V-подібного двигуна

Після підстановки і перетворення отримаємо

(1.18)

Кут між напрямком сили R₁ і віссю лівого циліндра можна знайти після визначення із співвідношень між елементами трикутника ОDE (рис.1.6) кута :

або ,

звідки

.

Таким чином, рівнодійна сил R₁ та R₂ інерції першого та другого порядків є силами, змінними за величиною та напрямком. Зрівноважити ці сили за допомогою противаг, що встановлюються на продовженнях щік колінчастого валу, неможливо.

Рівнодійна відцентрових сил інерції

,

(1.19)

де – маса незрівноважених частин колінчастого валу m_к і відповідно частин лівого m_хк.л і правого m_хк.п хитнів, що приведені до колінчатого валу. Цю силу можна повністю зрівноважити шляхом встановлення противаг на продовженнях щік колінчастого валу.

Всі сили інерції лівого і правого циліндрів діють в одній площині і перетинаються в одній точці, тому моменти від сил інерції першого і другого порядків T_j1 і T_j2, а також від сил інерції відцентрових T_с сил рівні нулю.

Звичайно у двоциліндрових V-подібних двигунах кут між осями циліндрів або кут розвалу циліндрів =90 (рис.1.7). У цьому випадку кутові інтервали між спалахами для чотиритактних двигунів рівні 270 і 450, а для двотактних двигунів – 90 і 270.

Рис.1.7. Зрівноваження двоциліндрового V-подібного двигуна з кутом розвалу циліндрів =90

Сили інерції першого порядку

, і

,

.

(1.20)

Кут  між напрямом сили R₁ і віссю лівого циліндра визначається наступним чином

,

звідки , тобто =.

Таким чином, у двоциліндровому V-подібному двигуні сила R₁ постійна за величиною і завжди направлена по радіусу коліна тільки у разі кута розвалу циліндрів =90 і, відповідно, тільки у цьому двигуні вона може бути повністю зрівноважена за допомогою двох противаг, що встановлюють на продовженнях щік колінчастого валу.

Масу противаг визначають з рівняння

,

звідки

,

(1.21)

де m_x – маса кожної з противаг; _x – віддаль від центру ваги до осі колінчастого валу.

Отримані залежності справедливі за умови, що осі правого і лівого циліндрів знаходяться в одній площині.

Сили інерції другого порядку (рис.1.7)

, .

Рівнодійна цих сил

.

(1.22)

Сили F_j2л і F_j2п завжди рівні за величиною і протилежні за знаком, тому їх рівнодійна R₂ направлена по горизонталі, причому у разі = 0...45, 135...225 і 315...360 вона направлена вліво, а у разі = 45...135, 225...315 – вправо.

Силу R₂ можна зрівноважити тільки за допомогою противаг, що встановлюють на двох додаткових валах, які обертаються в різні сторони з кутовою швидкістю 2.

Силу інерції відцентрових мас F_с легко зрівноважити за допомогою противаг, що розташовані на продовженнях щік колінчастого валу.

Моменти T_j1, T_j2 і T_с рівні нулю.