1.8. Зрівноваження шестициліндрових двигунів

На даний час із всіх можливих схем шестициліндрових двигунів найбільше розповсюдження отримали:

а) однорядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 120;

б) однорядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 60;

в) V-подібний двигун з кутом розвалу циліндрів =90 і трьома колінами, що розташовані під кутом 120;

г) V-подібний двигун з кутом розвалу циліндрів =60 і шести колінами, що розташовані під кутом 60.

Шестициліндровий однорядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 120. Однорядне розташування циліндрів з колінами, що розташовані під кутом 120 (рис.1.13), застосовується виключно для чотиритактних двигунів, для яких за умови порядку роботи 1-5-3-6-2-4 або 1-4-2-6-3-5 забезпечується рівномірне чергування спалахів через 120 кута повороту колінчастого валу. Обидва порядки роботи є рівноцінними.

Рис.1.13. Зрівноваження шестициліндрового рядного двигуна з колінами, що розташовані під кутом 120

Сили інерції першого і другого порядків, а також відцентрові сили інерції у даних двигунах зрівноважуються повністю і не створюють неврівноважених моментів:

; ; .

(1.38)

Розглянемо момент, що створюють сили інерції першого порядку

Аналогічним чином знаходимо моменти, що створюють сили інерції другого порядку та відцентрові сили інерції:

.

Даний шестициліндровий рядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 120 повністю зрівноважений. Проте, для зменшення сил, що діють на опорні підшипники, на колінчастих валах даного типу встановлюють противаги.

Шестициліндровий однорядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 60. Таке розташування циліндрів і колін застосовується у двотактних двигунах, що забезпечує рівномірне чергування спалахів через 60 кута повороту колінчастого валу за умови порядку роботи 1-5-3-6-2-4 (рис.1.14).

Рис.1.14. Зрівноваження шестициліндрового рядного двигуна з колінами, що розташовані під кутом 60

Всі сили інерції у даних двигунах взаємно зрівноважуються:

; ; .

(1.39)

Момент від сил інерції першого порядку визначають із рівняння моментів сил T_j1 відносно осі, що проходить через середину коліна і перпендикулярна до осі колінчастого валу,

.

(1.40)

Найбільше значення цього моменту і площина його дії визначаються із рівняння

,

звідки

tg_x=–0,577; _x1=150; _x2=330; .

У двигунах даного типу момент T_j1 зрівноважується методом додаткових валів з противагами. За умови положення поршня першого циліндра у в.м.т. площини противаг складають з вертикаллю кут 30 (рис.1.14). У випадку повороту колінчастого валу на кут =150 або =330 (коли T_j1= T_j1max) відцентрові сили противаг будуть діяти у двох площинах, що паралельні площині дії моменту T_j1, і яка проходить через осі додаткових валів. У цьому випадку створюється максимальний врівноважуючий момент

або ,

де m_x – маса кожної з противаг, що встановлюються на додаткових валах; – віддаль центру ваги цих противаг до осей додаткових валів.

Величину маси противаги знаходять з рівняння

.

Момент від дії сил інерції другого порядку

Відцентрові сили інерції незрівноважених обертових мас призводять до результуючого моменту T_с. Знайдемо моменти, що створюють відцентрові сили у горизонтальній та вертикальній площинах:

Тоді результуючий момент від дії незрівноважених відцентрових сил

.

Площина дії моменту Т_с обертається з кутовою швидкістю колінчастого валу  і складає з площиною першого коліна кут:

; 30.

Момент T_с можна повністю зрівноважити за допомогою противаг, що встановлені на продовженні щік першого і шостого колін валу під кутом 30 до площини цих колін. Площина дії зрівноважую чого моменту складає з площиною першого коліна кут 30 (рис.1.14).

Шестициліндровий V–подібний двигун з кутом розвалу 90 і колінами, що розташовані під кутом 120. Рівномірність чергування спалахів у цьому двигуні не забезпечується ні для дво-, ні для чотиритактного двигуна, внаслідок чого для досягнення заданої рівномірності ходу необхідно встановити маховик з більшим (на 60...70%), ніж у однорядного двигуна, моментом інерції.

Для чотиритактних двигунів звичайно застосовується порядок роботи 1-4-2-5-3-6, а для двотактних застосовується порядок роботи 1-2-3-4-5-6.

Розрахункова схема даного двигуна зображена на рис.1.15. Розглядаючи зрівноваженість такого двигуна, його зручно розділити умовно на три секції, кожна з яких буде представляти собою V-подібний двоциліндровий двигун. Згідно наведеного вище за умови кута розвалу =90 рівнодійна сил інерції першого порядку для кожної секції є сталою величиною ((R₁)_1;4=(R₁)_2;5=(R₁)_3;6=m_jR²), направленою завжди по радіусу коліна, внаслідок чого

.

(1.41)

Рис.1.15. Зрівноваження шестициліндрового V-подібного двигуна з кутом розвалу 90 і колінами, що розташовані під кутом 120

Рівнодійна сил інерції другого порядку для кожної секції направлена за будь-якого розташування колінчастого валу по горизонталі перпендикулярно його осі

.

Для двигуна у цілому

.

(1.42)

Із рис.1.14 рівнодійна відцентрових сил інерції

.

(1.43)

Величину і площину дії моменту від сил інерції першого порядку T_j1 можна визначити геометричним сумуванням векторів моментів подібно, як у разі визначення моменту T_с трициліндрового двигуна,

.

(1.44)

Момент T_j1 діє у площині, що обертається, і складає з площиною першого коліна кут 30.

У цій ж площині діє і момент, що створюють відцентрові сили інерції

.

(1.45)

Моменти T_j1 і T_с можна повністю або частково зрівноважити за допомогою противаг m_xz, що встановлюють на продовженнях всіх щік колінчастого валу або на продовженнях тільки двох крайніх щік у площині, яка складає з площиною першого коліна кут 30 (рис.1.15).

У цьому випадку масу кожної з противаг можна визначити із виразу

,

.

де _xz – віддаль від центру ваги противаги до осі колінчастого валу.

Момент сил інерції другого порядку (див. зрівноваження трициліндрового двигуна)

.

(1.46)

Найбільше значення моменту T_j2 і відповідно положення колінчастого валу, знаходять із рівняння

,

звідки tg2_x=0,578; _x=15 і _x=195.

Момент T_j2 діє у горизонтальній площині і зрівноважується за допомогою противаг, що встановлюють на двох додаткових валах, що обертаються в різні сторони з кутовою швидкістю 2. Противаги встановлюють так, щоб у разі _x=15 і _x=195 їх відцентрові сили діяли у горизонтальній площині і створювали максимальний момент

.

Крім моментів T_j1, T_j2, T_с в кожній секції двигуна в площині, що перпендикулярна до площини коліна, діє момент (рис.1.16). Цей момент виникає внаслідок того, що осі циліндрів кожної секції знаходяться у різних площинах. Геометрично сумуючи вектори моментів (T_j1)₁, (T_j1)₂ і (T_j1)₃ (рис.1.16) кожної секції отримуємо, що у даному двигуні ці моменти взаємно зрівноважені.

Рис.1.16. Розрахункова схема до визначення моменту T_j1

Шестициліндровий V-подібний двигун з кутом розвалу циліндрів =60 і шести колінами, що розташовані під кутом 60. У чотиритактному двигуні такого типу (рис.1.17) за умови порядку роботи 1-4-2-5-3-6 забезпечується рівномірне чергування спалахів через 120 кута повороту колінчастого валу і, як наслідок, найбільш можлива рівномірність ходу двигуна.

Рис.1.17. Зрівноваження шестициліндрового V-подібного двигуна з кутом розвалу 60 і колінами, що розташовані під кутом 60

Умовно розділимо двигун на три V-подібні двоциліндрові секції. Рівнодійна сила R₁ інерції першого порядку для кожної секції є сталою величиною. Для першої секції, наприклад,

(1.47)

Аналогічним чином знайдемо рівнодійні сил інерції першого порядку для другої і третьої секцій

.

Рис.1.18. Визначення рівнодійних сил (R₁)_1;4, (R₂)_1;4

Сили (R₁)_1;4, (R₁)_2;5, і (R₁)_3;6 діють у площинах, що обертаються з кутовою швидкістю , і створюють кут 30 з площинами першого, третього і п’ятого колін (рис.1.18, а). Таким чином, сили інерції першого порядку розташовані під кутом 120 один до одної і взаємно зрівноважуються

.

(1.48)

Як і у попередньому випадку, можна довести, що рівнодійні сили інерції другого порядку кожної секції сталі за величиною і рівні між собою

.

Відповідно, сили (R₂)_1;4, (R₂)_2;5, і (R₂)_3;6 діють у площинах, що обертаються з кутовою швидкістю 2 в сторону, що протилежна до обертання колінчастого валу. Ці площини розташовані під кутом 120 одна до одної (рис.1.18,б) і взаємно зрівноважуються

.

(1.49)

Рівнодійна відцентрових сил інерції, аналогічно з попереднім випадком, рівна нулю

.

(1.50)

Величину і площину дії моменту від сил інерції першого порядку T_j1 можна визначити геометричним складанням векторів моментів від сил (R₁)_1;4, (R₁)_2;5, і (R₁)_3;6 подібно, як у випадку трициліндрових двигунів

.

(1.51)

Момент T_j1 діє в площині, що співпадає з площиною першого і шостого колін (рис.1.17).

Аналогічним чином визначають величину площині дії моменту T_с від дії відцентрових сил інерції F_c. Моменти сил F_c діють в площинах першого і шостого, другого і третього, а також четвертого і п’ятого колін:

,

,

.

Оскільки

,

то момент від дії відцентрових сил інерції

,

.

(1.52)

Момент T_с діє в тій ж площині, що і момент T_j1. Моменти T_j1 і T_с можна зрівноважити повністю або частково шляхом встановлення противаг на продовженнях двох крайніх щік колінчастого валу.

Величину моменту T_j2, що діє у площині, яка обертається з кутовою швидкістю 2, знаходять аналогічним чином

.

(1.53)

Площина дії моменту T_j2, так як і вектори (R₂)_1;4, (R₂)_2;5, і (R₂)_3;6, обертається в сторону, протилежну до обертання колінчастого валу двигуна. Момент T_j2 можна повністю зрівноважити за допомогою противаг, що розташовані на додатковому валу, який обертається з кутовою швидкістю 2.

У деяких конструкціях шестициліндрових двигунів застосовують опозитне розташування циліндрів. У випадку розташування колін і циліндрів згідно схеми, зображеної на рис.1.19, ці двигуни є повністю зрівноваженими:

; ; ; ; ; .

Рис.1.19. Розрахункова схема шестициліндрового двигуна з протилежним розташуванням циліндрів

Рівномірне чергування спалахів забезпечується за порядку роботи двигуна 1-6-2-4-3-5.