При работе двигателя возникает два вида сил: уравновешенные и неуравновешенные. К уравновешенным силам относятся силы давления газов и силы трения. К неуравновешенным силам относятся силы, которые передаются на опоры двигателя: вес двигателя, центробежные силы инерции вращающихся масс, силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс двигателя, касательные силы инерции вращающихся масс, возникающие при неравномерной угловой скорости вращения коленчатого вала.
Неуравновешенные силы инерции приводят к появлению вибраций, ухудшению комфортабельности, поломке деталей топливо- и маслопроводов, кронштейнов, выходу из строя генераторов, стартеров и др. Повышение номинальной частоты вращения коленчатого вала поршневых двигателей, ужесточение требований к комфортабельности автомобилей, их надежности определяет необходимость создания двигателей с улучшенными показателями по уравновешенности и равномерности хода. При движении поршня в результате возникающих ускорений деталей кривошипно-шатунного механизма и вращении коленчатого вала создаются силы инерции от возвратно-поступательно движущихся частей (ВПДЧ) и вращающихся масс. Кроме того, повышается уровень шума, ухудшается комфортабельность.
У одноцилиндровых двигателей при вращении коленчатого вала и движении поршня и шатуна возникают центробежные сшил и силы инерции первого и второго порядка. Силы инерции первого порядка (Рл) приблизительно пропорциональны массе ВПДЧ, радиусу кривошипа, квадрату угловой скорости коленчатого вала и косинусу его угла поворота. Массу ВПДЧ условно принимают равной массе поршня с кольцами и пальцем плюс масса верхней части шатуна (обычно примерно 30% от его полной массы). В зоне НМТ эта сила достигает максимума и направлена вниз (к коленчатому валу). В зоне ВМТ достигает наибольшей отрицательной величины и наоборот, как бы стремится оторвать поршень от коленчатого вала. При углах поворота 90 и 270 градусов эти силы равны нулю. Силы инерции второго порядка пропорциональны массе ВПДЧ, квадратам угловой скорости и радиуса кривошипа, косинусу удвоенного угла поворота коленчатого вала и обратно пропорциональны расстоянию между осями верхней и нижней головок шатуна (длине шатуна). Таким образом, по мере увеличения длины шатуна, силы инерции второго порядка стремятся к нулю. Но длина шатуна определяет высоту блока цилиндров. а следовательно, массу и габариты всего двигателя, поэтому длину шатуна стремятся делать минимальной, несмотря на увеличение сил инерции второго порядка. У большинства современных автомобильных двигателей отношение радиуса кривошипа к длине шатуна находится в пределах от 1: 3,0 до 1: 3,8.
Силы инерции вращающихся масс пропорциональны сумме масс неуравновешенных частей колена вала и нижней части шатуна (обычно примерно 70% его полной массы) умноженной на радиус кривошипа и квадрат угловой скорости вращения коленчатого вала. Центробежные силы практически при любых схемах коленчатых валов удастся уравновесить противовесами на коленчатом валу.
Для уравновешивания сил инерции первого порядка одноцилиндровых и двухцилиндровых четырехтактных двигателей с рядным расположением цилиндров и шатунными шейками на одной оси необходимо применение двух валов с противовесами, вращающимися в разные стороны с таким же числом оборотов, что и коленчатый вал.
Силы инерции второго порядка уравновешиваются двумя валами с противовесами, вращающимися в разные стороны в два раза быстрее коленчатого вала. Для двигателей дешевых транспортных средств это непозволительная роскошь. Поэтому на некоторых двигателях уравновешиваются только силы инерции первого порядка путем установки двух валов. Иногда для упрощения конструкции эти валы вращаются в одну сторону с той же скоростью (двигатели автомобиля ВАЗ-11113 «Ока»). Для уменьшения сил инерции первого порядка на одноцилиндровых двигателях увеличивается масса противовесов. За счет этого силы инерции первого порядка раскладываются в двух направлениях — в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что существенно уменьшает уровень вибраций.
Значительно лучше уравновешены двухцилиндровые двигатели с оппозитным расположением цилиндров, у которых сил инерции нет, центробежные силы уравновешиваются противовесами и остаются только неуравновешенными моменты от сил инерции первого и второго порядка.
В трех цилиндровых рядных двигателях с расположением кривошипов под углом 120 градусов силы инерции первого и второго порядков уравновешены. Неуравновешенными остаются только моменты от сил инерции первого и второго порядков.
У четырехцилиндровых рядных двигателей не уравновешены силы инерции второго порядка. Как правило, эти двигатели с рабочим объемом до 2,3 л не имеют уравновешивающих валов, т.к. абсолютные величины неуравновешенных сил инерции невелики. При большом рабочем объеме приходится устанавливать уравновешивающие валы.
Хорошей уравновешенности для четырехтактных четырехцилиндровых двигателей удастся добиться при оппозитном расположении цилиндров (автомобили Subaru, Porsche, Volkswagen с воздушным охлаждением). Правда, при этом остаются неуравновешенными моменты от сил инерции второго порядка.
У пяти цилиндровых рядных двигателей с расположением шатунных шеек коленчатого вала под углом 144 градуса положения коленчатого вала силы инерции первого и второго порядков уравновешены. Неуравновешенными остаются моменты от сил инерции первого и второго порядков.
Кроме уравновешенности важным требованием к двигателю является равномерное протекание пиковых значений крутящего момент а, т.е. в 2-х цилиндровом двигателе рабочий ход должен быть через 360 градусов, в 3-х цилиндровом — через 240 градусов, в 4-х цилиндровом — через 180 градусов и. т. д. В двухцилиндровых двигателях с рядным расположением цилиндров и коленчатым валом с шатунными шейками под углом 180 градусов неуравновешенными остаются только силы инерции второго порядка и момент от сил инерции первого порядка. Но в данном варианте вступает в действие другое наиболее важное требование: равномерное чередование сил от давления газов. Поэт ому двигатели с таким расположением шатунных шеек применяются только на двухтактных двигателях.
В шестицилиндровых двигателях с V-образным расположением цилиндров под углом 60 градусов и шестью кривошипами под углом 60 градусов при равномерном чередовании вспышек через 120 градусов равнодействующие силы инерции первого и второго порядков и центробежных сил равны нулю. Уравновешивание моментов сил инерции первого порядка осуществляется с помощью противовесов, устанавливаемых на продолжении двух крайних щек коленчатого вала. Для уравновешивания моментов от сил инерции второго порядка требуется установка двух валов с противовесами, вращающимися с удвоенной скоростью по отношению к коленчатому валу. При угле развала между цилиндрами 90 градусов и угле между шейками кривошипа 120 градусов углы между вспышками неравномерные (90 и 150 градусов). Остаются и моменты от сил инерции первого и второго порядков.(С)
Неуравновешенные силы инерции приводят к появлению вибраций, ухудшению комфортабельности, поломке деталей топливо- и маслопроводов, кронштейнов, выходу из строя генераторов, стартеров и др. Повышение номинальной частоты вращения коленчатого вала поршневых двигателей, ужесточение требований к комфортабельности автомобилей, их надежности определяет необходимость создания двигателей с улучшенными показателями по уравновешенности и равномерности хода. При движении поршня в результате возникающих ускорений деталей кривошипно-шатунного механизма и вращении коленчатого вала создаются силы инерции от возвратно-поступательно движущихся частей (ВПДЧ) и вращающихся масс. Кроме того, повышается уровень шума, ухудшается комфортабельность.
У одноцилиндровых двигателей при вращении коленчатого вала и движении поршня и шатуна возникают центробежные сшил и силы инерции первого и второго порядка. Силы инерции первого порядка (Рл) приблизительно пропорциональны массе ВПДЧ, радиусу кривошипа, квадрату угловой скорости коленчатого вала и косинусу его угла поворота. Массу ВПДЧ условно принимают равной массе поршня с кольцами и пальцем плюс масса верхней части шатуна (обычно примерно 30% от его полной массы). В зоне НМТ эта сила достигает максимума и направлена вниз (к коленчатому валу). В зоне ВМТ достигает наибольшей отрицательной величины и наоборот, как бы стремится оторвать поршень от коленчатого вала. При углах поворота 90 и 270 градусов эти силы равны нулю. Силы инерции второго порядка пропорциональны массе ВПДЧ, квадратам угловой скорости и радиуса кривошипа, косинусу удвоенного угла поворота коленчатого вала и обратно пропорциональны расстоянию между осями верхней и нижней головок шатуна (длине шатуна). Таким образом, по мере увеличения длины шатуна, силы инерции второго порядка стремятся к нулю. Но длина шатуна определяет высоту блока цилиндров. а следовательно, массу и габариты всего двигателя, поэтому длину шатуна стремятся делать минимальной, несмотря на увеличение сил инерции второго порядка. У большинства современных автомобильных двигателей отношение радиуса кривошипа к длине шатуна находится в пределах от 1: 3,0 до 1: 3,8. Силы инерции вращающихся масс пропорциональны сумме масс неуравновешенных частей колена вала и нижней части шатуна (обычно примерно 70% его полной массы) умноженной на радиус кривошипа и квадрат угловой скорости вращения коленчатого вала. Центробежные силы практически при любых схемах коленчатых валов удастся уравновесить противовесами на коленчатом валу.
Для уравновешивания сил инерции первого порядка одноцилиндровых и двухцилиндровых четырехтактных двигателей с рядным расположением цилиндров и шатунными шейками на одной оси необходимо применение двух валов с противовесами, вращающимися в разные стороны с таким же числом оборотов, что и коленчатый вал. Силы инерции второго порядка уравновешиваются двумя валами с противовесами, вращающимися в разные стороны в два раза быстрее коленчатого вала. Для двигателей дешевых транспортных средств это непозволительная роскошь. Поэтому на некоторых двигателях уравновешиваются только силы инерции первого порядка путем установки двух валов. Иногда для упрощения конструкции эти валы вращаются в одну сторону с той же скоростью (двигатели автомобиля ВАЗ-11113 «Ока»). Для уменьшения сил инерции первого порядка на одноцилиндровых двигателях увеличивается масса противовесов. За счет этого силы инерции первого порядка раскладываются в двух направлениях — в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что существенно уменьшает уровень вибраций. Значительно лучше уравновешены двухцилиндровые двигатели с оппозитным расположением цилиндров, у которых сил инерции нет, центробежные силы уравновешиваются противовесами и остаются только неуравновешенными моменты от сил инерции первого и второго порядка.
В трех цилиндровых рядных двигателях с расположением кривошипов под углом 120 градусов силы инерции первого и второго порядков уравновешены. Неуравновешенными остаются только моменты от сил инерции первого и второго порядков. У четырехцилиндровых рядных двигателей не уравновешены силы инерции второго порядка. Как правило, эти двигатели с рабочим объемом до 2,3 л не имеют уравновешивающих валов, т.к. абсолютные величины неуравновешенных сил инерции невелики. При большом рабочем объеме приходится устанавливать уравновешивающие валы. Хорошей уравновешенности для четырехтактных четырехцилиндровых двигателей удастся добиться при оппозитном расположении цилиндров (автомобили Subaru, Porsche, Volkswagen с воздушным охлаждением). Правда, при этом остаются неуравновешенными моменты от сил инерции второго порядка. У пяти цилиндровых рядных двигателей с расположением шатунных шеек коленчатого вала под углом 144 градуса положения коленчатого вала силы инерции первого и второго порядков уравновешены. Неуравновешенными остаются моменты от сил инерции первого и второго порядков. Кроме уравновешенности важным требованием к двигателю является равномерное протекание пиковых значений крутящего момент а, т.е. в 2-х цилиндровом двигателе рабочий ход должен быть через 360 градусов, в 3-х цилиндровом — через 240 градусов, в 4-х цилиндровом — через 180 градусов и. т. д. В двухцилиндровых двигателях с рядным расположением цилиндров и коленчатым валом с шатунными шейками под углом 180 градусов неуравновешенными остаются только силы инерции второго порядка и момент от сил инерции первого порядка. Но в данном варианте вступает в действие другое наиболее важное требование: равномерное чередование сил от давления газов. Поэт ому двигатели с таким расположением шатунных шеек применяются только на двухтактных двигателях. В шестицилиндровых двигателях с V-образным расположением цилиндров под углом 60 градусов и шестью кривошипами под углом 60 градусов при равномерном чередовании вспышек через 120 градусов равнодействующие силы инерции первого и второго порядков и центробежных сил равны нулю. Уравновешивание моментов сил инерции первого порядка осуществляется с помощью противовесов, устанавливаемых на продолжении двух крайних щек коленчатого вала. Для уравновешивания моментов от сил инерции второго порядка требуется установка двух валов с противовесами, вращающимися с удвоенной скоростью по отношению к коленчатому валу. При угле развала между цилиндрами 90 градусов и угле между шейками кривошипа 120 градусов углы между вспышками неравномерные (90 и 150 градусов). Остаются и моменты от сил инерции первого и второго порядков.(С)
