Уравновешивание двигателя

Уравновешенность — это состояние двигателя, которое при установившемся режиме работы характеризуется постоянными по значению и направлению силами и моментами, действующими на опоры.

Для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил в многоцилиндровых двигателях необходимо, чтобы равнодействующие всех сил инерции, действующих на плоскостях, проходящих через ось вала, а также сумма моментов этих сил относительно выбранной оси равнялись нулю.

Условие полной конструктивной уравновешенности двигателей выражается системой уравнений:

∑Р_j1=0; ∑М_j1=0;

∑Р_j2=0; ∑М_j2=0;

∑Р_с=0; ∑М_с=0;

При разработке двигателей важно правильно выбрать соответствующее число и расположение цилиндров, схему расположения кривошипов, место установки простейших противовесов и сложных уравновешивающих механизмов. С целью достижения уравновешенности двигателя выполняют соответствующие требования при производстве двигателей, их сборке, регулировке, ремонте и эксплуатации. При этом соблюдают допуски на массы и размеры поршней, шатунов, коленчатого вала и других деталей; проводят статическую и динамическую балансировки коленчатого вала; регулируют рабочий цикл во всех цилиндрах, стремясь обеспечить одинаковое их наполнение, одинаковые степени сжатия, моменты зажигания или впрыскивания топлива и т. д.

Уравновешивание — это комплекс конструктивных, производственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на уменьшение или полное устранение неуравновешенных свободных сил инерции и моментов. Например, устанавливая противовесы, можно уравновесить центробежную силу Рс и ее момент. Силы инерции первого и второго Рд порядков в одно-, двух- и четырехцилиндровых двигателях можно уравновесить с помощью специальных громоздких уравновешивающих механизмов, которые применяют крайне редко. Для шести- и более цилиндровых двигателей такие устройства не требуются.

К числу дополнительных мероприятий по уравновешиванию двигателей относится установка на переднем конце коленчатого вала гасителя колебаний, поскольку эта часть вала совершает наибольшие по амплитуде отклонения — крутильные колебания. Гасители поглощают энергию колебаний, подводимую к валу двигателя извне, благодаря трению между элементами гасителя и тем самым уменьшают амплитуду колебаний.

Широко применяют гасители колебаний жидкостного трения. Равномерно вращающийся при работе двигателя маховик помещают в герметичный корпус, заполненный кремнийорганической жидкостью (силиконом). При колебаниях стенки маховика вовлекают в движение слои силикона, работа сил трения жидкости поглощает энергию колебаний.

Для уменьшения крутильных колебаний можно также создавать инерционные реактивные моменты в определенном сечении вала. Для этого в соответствующем месте следует установить гасители колебаний маятникового или упругомассового типа.

Коленчатый вал.

Форма коленчатого вала зависит от тактности двигателя, числа, расположения (рядности) и порядка работы цилиндров. Формы валов, количество опор и наиболее распространенные порядки работы цилиндров четырехтактных двигателей указаны в таблице 1.

Таблица 1. Формы коленчатых валов и порядок работы цилиндров четырехтактных двигателей с рядным и V-образным расположением цилиндров

Число цилиндров	Формы коленчатых валов	Количество опор	Наиболее распространенные порядки работы цилиндров
4		2, 3, 4 и 5	1-3-4-2 1-2-4-3
6		3, 4 и 7	1-5-3-6-2-4 1-4-2-6-3-5
V6		4	1-4-2-5-3-6
V8		5	1-5-4-2-6-3-7-8

.

Коленчатые валы штампуют из стали или отливают из магниевого чугуна (ЗМЗ-66). Коренные шейки имеют больший диаметр, чем шатунные; для подвода смазки от коренных шеек к шатунным просверливают наклонные каналы. Коренные и шатунные шейки коленчатого вала выполняют полыми; полости шатунных шеек представляют собой грязеуловители, которые при ремонте можно очищать, отвертывая пробки. Эти пробки для предотвращения самоотвертывания раскернивают.

Для уравновешивания центробежных сил и ослабления вибрации двигателя применяют противовесы, которые выполняют как одно целое с валом или крепят к щекам вала винтами (ЯМЗ). Двигатели ЯМЗ имеют, кроме того, выносные противовесы на носке коленчатого вала и на маховике. Коренные и шатунные шейки коленчатого вала закалены нагревом токами высокой частоты.

В коренных подшипниках коленчатых валов применяют тонкостенные вкладыши той же конструкции, что и в шатунных. Вкладыши коренных подшипников двигателей Заволжского моторного завода изготовляют из триметаллической ленты: стальная лента, металлокерамический подслой (60% меди и 40% никеля) и антифрикционный сплав СОС-6-6.

Осевые нагрузки коленчатого вала в большинстве двигателей воспринимаются упорной стальной шайбой 10 (рис. 5) и стальными, залитыми с одной стороны баббитом шайбами 8 и 3, расположенными по обе стороны переднего коренного подшипника. Передняя шайба 9 стороной, залитой баббитом, обращена к упорной шайбе 10. Задняя шайба 8 стороной, залитой баббитом, обращена к торцу щеки коленчатого вала. В двигателях ЗИЛ упорные шайбы имеют медноникелевый подслой, покрытый сплавом СОС-6-6. В двигателях ЯМЗ осевые нагрузки воспринимаются бронзовыми полукольцами, расположенными в заднем подшипнике. Осевой зазор коленчатого вала в двигателях ЗМЗ составляет 0,075—0,175 мм, в двигателях ЯМЗ — 0,121—0,265 мм. Коленчатый вал балансируют динамически в сборе с маховиком и сцеплением путем удаления излишнего металла со щек и противовесов вала или обода маховика или при помощи балансировочных грузиков, устанавливаемых на фланце ведомого диска сцепления.

Рисунок 5. Передний конец коленчатого вала и привод распределительного вала (ЗМЗ-66): 1 — шкив коленчатого вала; 2 — датчик ограничителя оборотов; 3 — эксцентрик привода топливного насоса; 4 — балансир; 5 — упорный фланец; 6 — шестерня распределительного вала; 7 — штифт; 8 и 9 — стальные шайбы; 10 — упорная шайба; 11 — шестерня коленчатого вала

.

Крутильные колебания коленчатого вала. Если носок вала закрепить неподвижно, а к маховику приложить силу, коленчатый вал будет скручен на некоторый угол. Если прекратить действие скручивающей силы, то вал под влиянием сил упругости и сил инерции маховика будет раскручиваться и начнет колебаться с частотой, зависящей от его длины, поперечного сечения и материала. Такие колебания называют свободными, упругими колебаниями кручения, а их частоту — собственной частотой. При работе двигателя переменные силы S (см. рис. 1) в течение цикла создают второй вид колебаний вала — вынужденные колебания, частота которых зависит от числа оборотов вала, числа цилиндров и тактности двигателя.

Рис 6. Гаситель крутильных колебаний коленчатого вала двигателя

При некотором (критическом) числе оборотов частота свободных колебаний кручения и частота вынужденных колебаний вала совпадают или становятся кратными, наступает явление резонанса. При резонансе колебаний в материале вала возникают высокие внутренние напряжения, амплитуда колебаний вала при этом возрастает до пределов, при которых возможно его разрушение.

Для ослабления крутильных колебаний применяют особые гасители — демпферы; принцип их действия основан на приложении к валу противодействующих сил, вызывающих затухание колебаний. Гасители устанавливают на ступице шкива привода вентилятора, т. е. там, где амплитуда колебаний достигает наибольшей величины и где гаситель лучше охлаждается.

Гаситель (рис. 6) состоит из двух маховичков — большого 3 и малого 2, привулканизованных слоями резины к фланцам 1 и 4, укрепленным на шкиве 5. Крутильные колебания коленчатого вала вызывают колебательное движение маховичков 2 и 3 относительно переднего конца вала, поэтому в слоях резины возникает внутреннее (молекулярное) трение, уменьшающее амплитуду колебаний вала. Описанный гаситель крутильных колебаний устанавливают в двигателях ЯМЗ-М206А.