В.А. Синицын
.pdfМОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 91
Недостатком двигателя 10V90является крайне неравномерное чередование вспышек по двигателю и неблагоприятные условия нагружения некоторых коренных подшипников (в
нашем случае 1 и 4-й подшипники).
При бл = 180в каждом плоском отсеке силы К = 0 и Z = 0, следовательно, двигатель
10V180самоуравновешен по моментам второго порядка и выбор схемы заклинки кривоши-
пов можно подчинить условию максимальной самоуравновешенности по моментам от цен-
тробежных сил MQ 0 и от сил инерции первого порядка РI. Из рис.2.36 находим, что это-
му условию удовлетворяет схема вала 1 – 4 – 3 – 2 – 5 – 1 ( кр = 72 ). В этом случае остаточ-
ные моменты MR и MI очень малы и их можно оставить неуравновешенными. Порядок работы цилиндров более равномерный, но условия нагружения подшипников коленчатого вала неодинаковы:
2-тактный
|
72 |
|
|
|
|
|
|
1Л |
4Л |
|
3Л |
2Л |
5Л |
|
1Л |
36 |
2П 36 |
5П |
1П |
|
4П |
|
3П |
4-тактный |
|
|
|
|
|
|
|
1Л |
3Л |
|
5Л |
4Л |
|
2Л |
1Л |
|
2П |
1П |
3П |
|
5П |
|
4П |
2.3.14. Транспортный двигатель 10V120 |
|
|
|
|
|||
Анализ выполняется только по оставшимся неуравновешенным признакам, т.е. по |
|||||||
продольным моментам от всех действующих в плоских отсеках 2V120 |
сил. Выбираем схему |
вала, обеспечивающую минимальный неуравновешенный момент от сил инерции второго порядка, который можно оставить неуравновешенным. Построив динамически эквивалент-
ную модель двигателя, геометрическим |
сложением |
векторов составляющих моментов |
||
MQ |
MQ |
2Q lo ; MQ |
MQ |
Q lo ; |
1 |
5 |
2 |
4 |
|
M P |
M P |
2P lo ; M P |
M P |
P lo . |
1 |
5 |
2 |
4 |
|
определяем величину и плоскость действия результирующих неуравновешенных моментов
(рис. 2.36):
MQ 5Q lo ; Q 18 ; M P 5P lo ; M P 2.5CI lo ; P 18 .
Эти моменты уравновешиваются рассмотренными ранее способами.
92
|
Q1 |
|
|
|
|
Л |
ω |
|
П |
|
|
|
|
|
|
||
Q3 |
P5 |
P4 |
Q2 |
∑MQ |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M |
180 |
|
|
|
|
Q5 |
MQ2 |
|
P3 |
P2 |
|
||
|
MQ4 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
180 |
Q5 |
P1 |
|
Q4 |
|
MQ1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
180 |
|
|
|
|
|
∑MP |
|
|
MP4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
MP3 |
|
|
|
180 |
|
MP2 |
|
|
|
MP1 |
|
|
|
|
Рисунок 2.36 – Анализ уравновешенности двигателя 10 V 120° |
|
МОДУЛЬ 4. КРИТЕРИИ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ И МЕХАНИЗМЫ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ДВС 93
МОДУЛЬ 4. КРИТЕРИИ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ И МЕХАНИЗМЫ УРАВНОВЕШИВАНИЯ
ДВС
Возможны ситуации, когда сравниваемые варианты конструкции обладают одинако-
вым числом неуравновешенных факторов. В таком случае становится необходимой количе-
ственная оценка неуравновешенности. Для этой цели используют так называемые критерии неуравновешенности. К наиболее часто используемым относят критерии, предложенные Б.С.
Стечкиным и В.Я. Климовым, а также А.М. Кацем.
Критерием неуравновешенности двигателя по Б.С. Стечкину – В.Я. Климову является амплитуда виброперемещений двигателя как твердого тела под действием неуравновешен-
ных сил и моментов в предположении, что он установлен на податливых опорах.
Под действием неуравновешенной инерционной силы Pjk k-го порядка (практическое значение имеют только 1-я и 2-я гармонические составляющие силы Pjk ) двигатель массой mдв колеблется вдоль оси Oy согласно уравнению
.
Подставляя в уравнение его решение в виде y = A sinkωt (здесь А - искомая амплитуда), най-
дем
Двигатель считается удовлетворительно уравновешенным при А ≤ 0,01 мм и плохо уравновешенным, если А > 0,1 мм.
Если на двигатель действует неуравновешенный момент Мjk , то колебания двигателя будут описываться уравнением
,
где Iдв – момент инерции двигателя относительно оси Ох; - угол поворота двигателя отно-
сительно оси Ох.
Удобнее пользоваться не угловыми, а линейными размерами, а потому после анало-
гичного решения
находят
.
94
Неудобством при использовании критерия Б.С. Стечкина – В.Я. Климова является возможность учета только одного неуравновешенного фактора, тогда как двигатель может быть неуравновешен сразу по нескольким факторам, причем последние могут достигать сво-
их амплитудных значений в разные моменты времени.
Критерий А. М. Каца представляют в виде совокупности двух безразмерных коэффи-
циентов (в отличие от критерия Б.С. Стечкина – В.Я. Климова здесь имеется возможность проанализировать неуравновешенность при наличии нескольких неуравновешенных факто-
ров)
.
Здесь D – диаметр цилиндра; Lдв, Ндв – длина и высота двигателя соответственно. Дви-
гатель считается удовлетворительно уравновешенным при ≤ 0,001; ≤ 0,001. Для оценки относительной неуравновешенности авторами работы [10,11] (ОАО «Барнаултрансмаш»)
предложены следующие критерии неуравновешенности.
Величины главных векторов центробежных сил и сил инерции первого и второго по-
рядков определяются как
PR AR P ; PI K A P ;
AR mR r 2 .
В этом выражении центробежная сила инерции одного колена; Аη – амплитудное зна-
чение сил инерции поступательно движущихся масс η – го порядка:
A |
m r |
2, A |
m r 2. |
I |
s |
2 |
s |
Параметры Кη и Рη, характеризующие относительную неуравновешенность кривошип-
ной схемы, определяются следующим образом:
P |
(n z sin |
n )2 (n z cos |
n )2. |
|
n 1 |
n 1 |
|
Здесь z – число кривошипов коленчатого вала, φп – угол заклинки n-го кривошипа относительно первого кривошипа,
K |
i |
|
1 n Ci2 |
cos |
m( 1) . |
|
|
|
|
|
|||
4 |
|
2 n 1 |
||||
|
|
|
|
МОДУЛЬ 4. КРИТЕРИИ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ И МЕХАНИЗМЫ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ДВС 95
Данные зависимости дают возможность установить условия естественного уравновешивания многорядных двигателей, значения оптимальных углов между рядами цилиндров и между кривошипами коленчатых валов.
В данном разделе учебного пособия рассмотрены некоторые уравновешивающие ме-
ханизмы, наиболее распространенные в двигателестроении.
Противовесы
Рисунок 4.1 – Уравновешивание 1-цилиндрового ДВС
В 1-цилиндровых ДВС, как правило, огра-
ничиваются уравновеши-
ванием сил инерции ПДМ
(см. рис. 4.1). В некото-
рых случаях установкой дополнительных проти-
вовесов на щеках колен-
чатого вала частично (до
50%) уравновешивают силы инерции ПДМ пер-
вого порядка.
Полное уравнове-
шивание 2-цилиндровых ДВС также затруднитель-
но, как и 1-цидиндровых.
Как правило, в таких дви-
гателях уравновешивают силы инерции ПДМ про-
тивовесами на щеках ко-
ленчатого вала. Иногда
(см. рис. 4.2) установкой дополнительного вала с противовесами уравно-
вешивается момент от центробежных сил.
Рисунок 4.2 – Уравновешивание 2-цилиндрового ДВС
96
Как указывалось ранее, 4-цилиндровые 4-тактные рядные двигатели не уравновешены по силам инерции второго порядка. В большинстве двигателей из-за усложнения конструк-
ции двигателя эти силы оставляют неуравновешенными. Однако известны механизмы урав-
новешивания сил инерции второго порядка (механизмы Ланчестера), устанавливаемые, на-
пример, на дизелях Алтайского моторного завода (рис. 4.3 и 4.4).
Рисунок 4.3 – Механизм уравновешивания 4-цилиндрового рядного ДВС
Рисунок 4.4 – Механизм уравновешивания 4-цилиндрового рядного ДВС
МОДУЛЬ 4. КРИТЕРИИ НЕУРАВНОВЕШЕННОСТИ И МЕХАНИЗМЫ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ДВС 97
В V-образных 8-цилиндровых ДВС с крестообразной схемой коленчатого вала (см.
рис. 4.5 и 4.6) неуравновешенным является момент от центробежных сил. Для его уравнове-
шивания используют 3 основных метода:
1. Установкой противовесов на продолжении щек коленчатого вала полностью устра-
няется действия центробежных сил инерции на каждом колене вала и, как следствие, момен-
та от этих сил.
2.Увеличением массы противовесов на первой и последней щеках коленчатого вала создается момент, равный моменту от центробежных сил инерции (рис. 4.5).
3.Момент, равный моменту от центробежных сил, создается парой масс – выносным противовесом перед первой коренной опорой и дисбалансом в маховике (рис. 4.6).
Рисунок 4.5 – Уравновешивание V-образного 8-цилиндрового ДВС
Рисунок 4.6 – Уравновешивание V-образного 8-цилиндрового ДВС
98
Чтобы снизить вибрацию двигателя при его работе, необходимо уравновесить момен-
ты, создаваемые силами инерции. Для этого предусмотрены противовесы, закрепленные на коленчатом валу болтами или выполненные при изготовлении вала (рис. 4.7). Моментам сил инерции противостоят также противовесы на уравновешивающем вале и в шестерне его при-
вода. Уравновешивающий вал приводится от коленчатого вала и вращается в противополож-
ном ему направлении. Уравновешивающий вал используется также для привода масляного насоса.
Противовесы изготовляются из сплава вольфрама, высокая плотность которого позво-
ляет уменьшить их размеры.
Рисунок 4.7 – Уравновешивание двигателя V 10 TDI VW:
1 – гаситель крутильных колебаний; 2 – силиконовая жидкость; 3 – задающий диск частоты вращения коленчатого вала; 4 – противовес коленчатого вала; 5 – коленчатый вал; 6 – проти-
вовес уравновешивающего вала; 7 – уравновешивающий вал; 8 – противовес уравновеши-
вающего вала; 9 – шестерня привода масляного насоса
99
ЛИТЕРАТУРА
1. Автомобильные двигатели: Рабочие циклы. Показатели и характеристики. Методы повышения эффективности энергопреобразования / В.Р.Бурячко, А.В.Гук.-СПб: НПИКЦ,
2005. - 292 с., ил. 11.
2. Баландин С.С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания.-
М.:Машиностроение, 1973. – 173 с.
3.Батурин С.А., Синицын В.А. Уравновешивание ДВС в примерах и задачах. Учебное пособие/Алт. политехн. ин-т им. И.И.Ползунова.-Барнаул:Б.И.,1990. - 88 с.
4.Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания.-Л.:Судостроение,1977. -
392 с.
5. Вихерт М.М. Конструирование и расчет автотракторных двигателей.-
М.:Машиностроение,1964. - 615 с.
6. Гугин А.М. Быстроходные поршневые двигатели.-Л.:Машиностроение,1967. - 260
с.
7.Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова.-М.:Машиностроение, 1985. - 456с.
8.Дизели А-01М, А-41, Д-440 и их модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.-Запчасть-экспорт.:Москва,1975.- 135 с.
9.Дизели: Справочник. – 2-е изд. – Л.:Машиностроение, 1977. – 480 с.
10.Дурыманов Б.А., Больжатова З.А. Естественное уравновешивание и способы гашения крутильных колебаний в многорядных двигателях // Двигателестроение, 1985.-№ 2.- С.
17-19.
11.Дурыманов Б.А., Больжатова З.А. Способы естественного уравновешивания двигателей // Двигателестроение, 1987.-№7.С. 14-16.
12.Дьяченко Н.Х. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания.-
Л.:Машиностроение,1979. - 391 с.
13. Истомин П.А. Динамика судовых двигателей внутреннего сгорания.-
Л.:Судостроение, 1966.-280 с.
14. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчет автомобильных и тракторных двигателей.-
М.:Высшая школа,1980. - 400 с.
15. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания / Н.Х.Дьяченко, БА.Харитонов, С.А.Батурин, В.М.Петров. Под ред. Н.Х.Дьяченко.-Л.:Машиностроение,1979.
– 392 с.
100
16.Крюков В.В. Способы уравновешивания поршневых двигателей // Двигателестроение, 1983.№ 3. С. 45-46.
17.Кузьмин А.Г., Синицын В.А. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма двигателей внутреннего сгорания. Методические указания к практическим занятиям по дисциплине “Динамика ДВС”/АлтГТУ.-Барнаул:Б.и.,1996. - 41с.
18.Попык К.Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей.-
М.:Машиностроение,1970. - 326 с.
19.Ханин Н.С.Двигатели ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206.-М.:Машгиз,1964.-262 с.
20.Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания.-М.:Машиностроение,1989. - 255 с.
21.Яманин А.И., Жаров А.В. Динамика поршневых двигателей: Учебное пособие.-М.: Машиностроение, 2003. 464 с., ил.
22.Янчеленко В.А., Скуридин А.А. Снижение вибрации дизелей, вызываемой неравномерностью крутящего момента // Двигателестроение.- 1981.№ 7. С. 19-22