Тема 20 Зрівноваженість двигунів

Сили інерції

Двигун називають урівноваженим, якщо при сталому режимі роботи на його опори діють постійні за значенням і напрямком сили й моменти.

Крім розглянутих сил, на деталі кривошипно-шатунного механізму діють відцентрові сили: сила С_ш від маси шатуна, віднесеної до вращальних частин, сила від маси коліна колінчастого вала і сила С_пр від мас противаг.

Сила С_ш діє на шатунну й корінну шийки вала, а сили С_к і С_пр – тільки на корінні шийки. Відцентрова сила, що діє в площині руху шатуна, спрямована від центру обертання по радіусу кривошипа

С_ш = -м_шкw².

Сумарна сила, що діє на шатунну шийку,

Відцентрова сила від обертання маси коліна вала m_к спрямована так само, як сила С_ш:

С_к = -м_кw².

Позначаючи С_ш + С_к = К_{с ,} одержимо

К_с = -м_вw²,

де м_в = m_шк + м_к.

Установка противаг на щоках колінчастого вала – найбільш розповсюджений спосіб зрівноваження відцентрових сил і їхніх моментів. Відцентрова сила від противаги, прикладена до центру мас противаги

С_пр = -m_прr_прw²,

де m_пр – відносна маса противаги;

r_пр – відстань від центру мас противаги до осі колінчастого вала.

Сумарна неврівноважена відцентрова сила

C = n• С_пр – C_ш – С_к,

де n – число противаг.

Звичайно масу противаг вибирають з умови С = 0.

Сили інерції першого і другого порядків можна зрівноважити за допомогою противаг, розташованих на додаткових валах за методом Ланчестера (малюнок 20.1). Вали 1 обертаються з частотою, що рівна частоті обертання колінчастого вала. Ще дві противаги розташовані на двох додаткових валах 2, що обертаються з подвоєною частотою.

Малюнок 20.1 – Механізм Ланчестера

 

Особливістю зрівноваження багатоциліндрових двигунів є те, що в них можуть бути не тільки неврівноважені відцентрові сили й сили інерції мас, що рухаються поступально, але і їхні моменти.

Для зрівноваження сил інерції і їхніх моментів у багатоциліндровому двигуні необхідно й досить, щоб рівнодіючі всіх сил інерції, що діють у площинах, які проходять через вісь вала, а також сума моментів цих сил щодо обраної осі дорівнювали нулю. Тоді

де L₀ – відстань між осями циліндрів.

При проектуванні двигуна прагнуть шляхом вибору схем розташування кривошипів колінчастого вала і циліндрів створити таку конструкцію, при якій сумарні сили інерції і моменти були б рівні нулю. Якщо це не вдається, то прибігають до зрівноваженості за допомогою додаткових пристроїв. При постійній швидкості обертання колінчастого вала теоретично можливо усі вільні сили і моменти зрівноважити тим чи іншим способом. Виключення складає реактивний момент.

Для забезпечення повного зрівноваження двигуна потрібно істотне ускладнення конструкції, що з урахуванням високих порядків гармонійних складових сил інерції практично нездійсненно, тому двигун залишається частково неврівноваженим.

Для однорядних двигунів урівноваженими вважаються 6-, 8-, 10- і 12-циліндрові двигуни з дзеркальним (щодо середньої корінної шийки) розташуванням кривошипів колінчастого вала. На малюнку 20.2 як приклад показані сили, що діють у 6-циліндровому однорядному двигуні. У 4-циліндрових рядних двигунів неврівноваженими є вертикальні сили інерції другого порядку p_j2 (див. малюнок 20.3).

Кут між рядами циліндрів V-образних двигунів вибирають з урахуванням рівномірності чергування спалахів у циліндрах, урівноваженості й компонування двигуна. Умови, що визначають конфігурацію колінчастого вала й порядок роботи циліндрів такі ж, як і в однорядному двигуні.

 

Малюнок 20.2 – Зрівноваженість 6-циліндрового рядного двигуна

Малюнок 20.3 – Зрівноваженість 4-циліндрового рядного двигуна

 

Маховики і їхній розрахунок

Основне призначення маховика – забезпечити необхідну рівномірність обертання вала двигуна. Маховик акумулює надлишкову енергію в періоди часу, коли M_д > M_п і віддає накопичену кінетичну енергію, коли M_д < Мп. Звичайно на маховику кріпиться зубцюватий вінець, із яким при пуску входить у зачеплення шестірня пускового пристрою. При великих окружних швидкостях маховики відливають, штампують із маловуглеродистих сталей. Маховики швидкохідних двигунів піддають балансуванню разом з валом і іншими обертовими деталями, установленими на валу маховику.

Для створення достатнього моменту інерції при мінімальній масі маховик виконують у виді обода, зв'язаного з маточиною тонким диском, у формі одного диска. Для знімання потужності в сучасних автотракторних двигунах одна з поверхонь маховика у формі диска використовується як ведуча поверхня тертя.

Розміри маховика встановлюють за необхідною величиною моменту інерції маховика, яку визначають за припустимим ступенем нерівномірності обертання вала двигуна

d = (w_max - w_min)/w_ср,

де w_max і w_min – відповідно максимальне й мінімальне значення кутової швидкості вала двигуна протягом робочого циклу;

w_ср – середнє значення кутової швидкості;

w_ср = (w_max + w_min)/2.

Вплив числа циліндрів і тактності двигуна на величину моменту інерції маховика представлено в приведеній нижче таблиці у відсотках від величини моменту інерції маховика чотиритактного одноциліндрового двигуна.

 

Число циліндрів
Чотиритактний двигун
Двотактний двигун					-	-

 

Орієнтовані значення d для транспортних двигунів складає 0,05...0,011 для транспортних установок з механічною трансмісією – 0,013...0,005

Для транспортних двигунів момент інерції маховика перевіряють на трогання з місця й розгін екіпажа до визначеної швидкості при допущенні, що трогання з місця відбувається за рахунок кінетичної енергії маховика, що звільняється при зменшенні частоти його обертання після включення зчеплення від початкової величини до кінцевої, при якій робота двигуна досить стійка.