В.А. Синицын

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 81

Транспортные двигатели 8V

Степень самоуравновешенности (или остаточная неуравновешенность) двигателя 8V

зависит от применяемой схемы расположения кривошипов коленчатого вала и от угла меж-

ду блоками (рядами) цилиндров и не зависит от тактности. В рассматриваемых двигателях

принципиально возможны две равномерные схемы вала – продольно-симметричная (пло-

ский вал) только для 4-тактных двигателей и продольно-несимметричная (крестообразный вал) для 4 и 2 – тактных двигателей. На основании известных свойств 4-цилиндровых рядных двигателей, из которых состоит V - образный двигатель, делаются следующие выводы:

− 4-тактный двигатель 8V с плоским валом самоуравновешен по пяти признакам

Следовательно, все задачи уравновешенности будут относиться в первом случае к си-

лам инерции второго порядка, во втором – к продольным моментам от центробежных сил и сил инерции первого порядка.

Используя динамические свойства отсеков 2V, можно определить и наиболее рацио-

нальные углы бл. Так как отсек 2V180 самоуравновешен по силам инерции второго порядка

(К = 0; Z = 0), то 4-тактный двигатель 8V180с плоским валом был бы полностью самоурав-

новешен по всем шести признакам. Но в этом случае вследствие кр = бл = 180неизбежны одновременные вспышки в цилиндрах левого и правого блоков, и схема плоского вала для бл

= 180непригодна. Наиболее рациональной компоновкой 4-тактного 8-цилиндрового двига-

теля с плоским валом является схема 8V60 , т.к. в этом случае Z = 0 и уравновешивающий механизм значительно упрощается. При крестообразном вале тот или иной выигрыш в урав-

новешивании достигается при бл = 60 , 90 , 180 .

2.3.7. Четырехтактный двигатель 8V60° с равномерной продольно-симметричной

схемой вала

Двигатель несамоуравновешен только по силам К. Построив векторную диаграмму этих сил, находим результирующую неуравновешенную силу К = 4К, которая уравновеши-

вается с помощью противовесов, установленных на дополнительном валу в плоскости каж-

дого отсека (рис. 2.31). В начальном положении ( = 0 ) все 4 противовеса занимают крайнее нижнее положение. Вал с противовесами вращается в сторону вращения коленчатого вала с

82 2.3.7. Четырехтактный двигатель 8V60° с равномерной продольно-симметричной схемой вала

угловой скоростью 2 . Порядок работы цилиндров по двигателю неравномерный, одна из коренных шеек (в нашем примере вторая) всегда испытывает повышенные динамические нагрузки из-за последовательных вспышек в соседних цилиндрах левого и правого блоков.

ω

2 3

φP

Рисунок 2.31 – Анализ уравновешенности двигателя 8V60°

84 2.3.8. Двигатель 8V90 с крестообразным коленчатым валом

нии динамических свойств отсека 2V90 . Следовательно, надо выбрать такую схему вала,

которая обеспечивала бы самоуравновешенность 4-цилиндровых блоков по силам и момен-

там второго порядка.

Известно, что этому условию удовлетворяет нормальная крестообразная схема, рис.

того вала. Порядки работы цилиндров назначаем из условия отсутствия одновременных вспышек в цилиндрах левого и правого блоков. В 4-тактном двигателе это условие обеспечи-

вается только при разных порядках работы цилиндров в левом и правом блоках:

2.3.9. Двухтактный двигатель 8V90

Избежать одновременных вспышек можно только при условии кр ≠ бл, откуда следу-

ет, что необходимо изменить заклинку кривошипов. Одним из решений может быть приме-

нение 8-коленного вала, выполненного по равномерной продольно-симметричной схеме кр = 45 . Четные кривошипы вала связаны с цилиндрами правого блока, нечетные – с цилиндрами левого блока. Таким образом, каждый из одноблочных модулей имеет 4-коленный вал, вы-

полненный по нормальной крестообразной схеме (равноудаленные кривошипы 1 - 4 и 2 - 3

лежат в одной плоскости). Вал правого двигателя имеет зеркальную заклинку кривошипов и развернут на 45по направлению вращения относительно вала левого двигателя. Схема тако-

го вала и векторные диаграммы приведены на рис. 2.33. Каждый одноблочный двигатель, а

следовательно, и исходный двигатель 8V90 самоуравновешены по следующим признакам:

выносными противовесами на коленчатом вале и кулачковом вале механизма газораспреде-

ления. Учитывая небольшую величину моментов, их можно оставить неуравновешенными.

Порядок работы цилиндров равномерный с всп = 45 .

Другой вариант решения задачи связан с применением неравномерной продольно-

несимметричной схемы коленчатого вала, рис. 2.33.

Из анализа одноблочного 4-цилиндрового двигателя следует, что для двух равнознач-

ных схем вала (вторая схема показана пунктиром)

2.3.10. Транспортные двигатели 8V45

Угол бл = 45 наиболее часто применяется в тепловозных двигателях, к которым предъявляются жесткие габаритные ограничения по ширине. Ход анализа уравновешенности и качественные результаты анализа двигателя 8V45 такие же, как и для двигателя 8V60 (см.

рис. 2.31). Различие заключается только в порядках работы цилиндров и в абсолютном зна-

чении неуравновешенных сил и моментов.

4-тактный двигатель 8V45с плоским валом самоуравновешен по пяти признакам и неуравновешен по силам инерции второго порядка К и Z:

K CII cos 22.5 0.924 CII ; Z CII cos67.5 0.383CII ;

K 4K 3.7 CII ; Z 4Z 1.5CII .

Для уравновешивания этих сил требуется 2-вальный уравновешивающий механизм второго порядка. Порядок работы цилиндров неравномерный со вспышками через 45 - 135 :

Двигатели 8V45любой тактности с крестообразным валом самоуравновешены по че-

тырем признакам и неуравновешены по продольным моментам от центробежных сил и сил инерции первого порядка:

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 87

2.3.11. Транспортный двигатель 8V120

Известно, что 4-тактный двигатель 8V с плоским валом не уравновешен только по

Для уравновешивания этих сил необходим двухвальный уравновешивающий меха-

низм второго порядка с парой противовесов в каждом плоском отсеке. Неуравновешенные продольные моменты от сил инерции первого порядка и центробежных сил в двигателе

8V120с нормальной крестообразной схемой вала определяются из динамически эквива-

лентной модели первого порядка, рис. 2.34, которая строится на основании динамических

новешивается противовесами на коленчатом валу, для уравновешивания продольного момен-

та MР требуется дополнительный валик с выносными противовесами на концах, располо-

женный параллельно коленчатому валу и вращающийся в противоположном направлении с угловой скоростью .

Варианты возможного порядка работы цилиндров:

30

2.3.12. Транспортный двигатель 8─ ─180

В задаче требуется выбрать тактность двигателя, наиболее рациональную схему ко-

ленчатого вала и назначить порядки работы цилиндров по блокам, отсеку и по двигателю в целом из условия полной динамической самоуравновешенности двигателя.

При любой равномерной схеме вала в двухтактном двигателе 8─ ─180неизбежны одновременные вспышки в цилиндрах левого и правого блоков, поэтому рассмотрим реше-

ние задачи применительно к 4-тактному двигателю с равномерным расположением криво-

шипов по окружности.

Наиболее рациональным является 4-коленный вал, у которого каждая шатунная шейка связана с цилиндрами левого и правого блока, образуя плоские отсеки 2─ ─180 . Такой дви-

гатель при любой схеме расположения кривошипов по окружности будет самоуравновешен по силам инерции второго порядка и моментам от этих сил, т.к. в каждом плоском отсеке К =

0; Z = 0. Следовательно, выбор схемы расположения кривошипов можно подчинить условию самоуравновешенности двигателя по центробежным силам, силам инерции первого порядка и моментам от этих сил. Известно, что этому условию удовлетворяет равномерная продоль-

но-симметричная схема (плоский вал) см. рис. 2.35. Но при такой схеме вала неизбежны од-

новременные вспышки в цилиндрах левого и правого блоков, что недопустимо. Таким обра-

зом, остается проверить другой вариант вала – равномерную продольно-несимметричную схему (крестообразный вал).

Векторная диаграмма ДЭМ I и результаты анализа будут те же самые, что и для двига-

теля 8V120 , рис. 2.34, а именно: двигатель 8─ ─180с нормальным крестообразным валом несамоуравновешен только по продольным моментам от центробежных сил и сил инерции первого порядка, которые легко можно уравновесить известными способами.

Q4

18026/

Рисунок 2.34 – ДЭМ – I двигателей 8V1200, 8 ─ ─ 1800

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 89

Анализируя возможные порядки работы цилиндров, можно убедиться, что при одина-

ковых порядках работы цилиндров в левом и правом блоках неизбежны одновременные вспышки в двух цилиндрах. Изменив порядок работы цилиндров в одном из блоков, удается

онный 8-коленный вал, у которого четные кривошипы связаны с цилиндрами правого блока,

а нечетные – с цилиндрами левого блока. Приняв для левого одноблочного двигателя нор-

мальную крестообразную схему вала и используя результаты анализа уравновешенности та-

равными по величине и противоположными по направлению моментами правого двигателя необходимо, чтобы соответствующие кривошипы правого двигателя имели обратное направ-

ление по отношению к кривошипам левого двигателя. В результате получается 8-коленный вал с равномерной продольно-симметричной схемой (двойной зеркальный крест), обеспечи-

вающий полную динамическую самоуравновешенность двигателя 8 ─ ─180 .Недостатком такого двигателя является увеличение длины и относительное смещение блоков. Аналогично решается такая же задача и для двухтактного двигателя 8 ─ ─180 , только на основе нерав-

номерной продольно-несимметричной схемы вала, для этого используется схема на рис. 2.35.

Рисунок 2.35 – Синтез самоуравновешенного 4-тактного двигателя 8 ─ ─ 1800

Транспортные двигатели 10V

Основываясь на анализе однорядных 5-цилиндровых двигателей, можно утверждать,

что двигатель 10V любой тактности с равномерной лучевой схемой коленчатого вала при любом направлении кривошипов самоуравновешен по всем силам инерции РR = 0; РI = 0,

РII = 0. и неуравновешен по всем продольным моментам от сил инерции. Величина и на-

правление результирующих неуравновешенных моментов зависит от конкретной схемы за-

клинки кривошипов. Используя известные свойства плоский объектов 2V и рядных 5-

цилиндровых двигателей с различными схемами заклинки кривошипов, можно подбирать такие сочетания углов бл и схем вала, которые обеспечат наиболее благоприятные результа-

ты по уравновешенности.

2.3.13. Оптимизационная задача уравновешенности транспортного двигателя

10V

Постановка задачи: выбрать оптимальные по уравновешенности угол развала блоков и схему заклинки кривошипов транспортного двигателя 10V с учетом массогабаритных огра-

ничений. Так как к транспортным двигателям предъявляются наиболее жесткие требования

ограничения габаритов по высоте, то угол между блоками надо выбирать из бл = 90 , 120 , 180 . Если бл = 90 , то в каждом плоском отсеке 2V90вектор Р = 0, и следовательно, силы

Р в двигателе 10V90продольных моментов не создают. Продольный момент от сил Q легко уравновешивается без усложнения конструкции двигателя, значит схему заклинки кривоши-

пов выбираем из условия максимальной самоуравновешенности продольного момента вто-

рого порядка МII. Из рис. 2.36 видно, что минимальный результирующий момент МII со-

ответствует схеме вала 1-3-5-4-2-1 ( кр = 72 ). Завершаем задачу определением порядка рабо-

ты цилиндров: