В.А. Синицын

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 71

четырехтактный

Продольный момент MQ уравновешивается противовесами на концах коленчатого ва-

ла, а для уравновешивания момента MP требуется дополнительный вал с выносными проти-

вовесами, вращающийся против вращения коленчатого вала.

Векторные диаграммы сил K и Z такие же, что и для двигателя 4V 90 . Суммарные силы равны: K = 2K = 2 0.5 CII; Z = 2Z = −2 CII. Суммарные векторы симметричны относительно оси Х и эллиптический годограф результирующего вектора вытянут вдоль оси

ω

Рисунок 2.26 – Векторные диаграммы ДЭМ I двигателя 4V120°

72 2.3.3. Транспортный двигатель 4 V 180

2.3.3. Транспортный двигатель 4 V 180

Двухтактный двигатель оппозитной компоновки нецелесообразен, т.к. при любой рав-

номерной схеме вала неизбежны одновременные вспышки в цилиндрах левого и правого блоков. Поэтому рассматривается «четырехтактный» двигатель, у которого при несиммет-

ричной схеме вала двухцилиндровые блоки не уравновешены по следующим признакам:

MR 0; MI 0, PII 0. Рассматривая двигатель 4V180состоящим из двух отсеков

2V180 , приходим к выводу, что он самоуравновешен по силам инерции второго порядка

PII = 0, т.к. в каждом из отсеков векторы К = 0; Z = 0. Анализируем уравновешенность дви-

гателя по оставшимся признакам на динамически эквивалентной модели двигателя, рис. 2.27.

Из свойства отсека 2V180известно, что векторы F и Р численно равны: F = P = CI. Следо-

вательно, продольные моменты, развиваемые парами равных сил F1 – F2 и Р1 – Р2 с одинако-

вым плечом lo, будут также равны между собой. А так как направление действия этих момен-

тов противоположно (MF = - MP ), то они взаимно уравновешивают друг друга.

Таким образом, в четырехтактном четырехцилиндровом оппозитном двигателе с пло-

ской несимметричной схемой вала несамоуравновешен только продольный момент от цен-

тробежных сил MP = PR loЭтот момент легко уравновешивается противовесами на коленча-

том валу.

При симметричной схеме вала двигатель самоуравновешен по всем моментам ( MR =

Следовательно, результирующая неуравновешенная сила инерции первого порядка действует в горизонтальной плоскости вдоль оси Х, проходящей через центр тяжести двига-

теля, с амплитудой, изменяющейся от +4CI до – 4CI. Для уравновешивания этой силы необ-

ходим одновальный уравновешивающий механизм. Центробежные силы инерции уравнове-

шиваются противовесами на щеках коленчатого вала.

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 73

PR2 1800

ω

Рисунок 2.27 – Анализ уравновешенности 4-тактного двигателя 4V180°

Транспортные двигатели 6 V

Двигатели V- образной компоновки с трехцилиндровыми блоками цилиндров при лю-

бом значении угла между блоками БЛ и независимо от их тактности обладают рядом общих свойств, которые будут использованы в дальнейшем анализе. Схема расположения кривоши-

пов коленчатого вала для всех двигателей одна – равномерная продольно-несимметричная.

Порядок работы цилиндров в двухтактном двигателе однозначно определяется углами за-

клинки кривошипов и БЛ, в четырехтактных двигателях возможны различные варианты, из которых выбирается оптимальный по рассмотренным ранее признакам. Из анализа одноряд-

ного трехцилиндрового двигателя известно, что он самоуравновешен по следующим призна-

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 75

Таким образом, ДЭМ I двигателя представляет собой две жесткие векторные системы

Q и Р, в каждой из которых векторы не изменяют своего взаимного положения. Система векторов Q всегда повторяет схему расположения кривошипов и вращается вместе с ними.

Система векторов Р вращается с той же угловой скоростью , что и система Q, но в обратном направлении. Произведя геометрическое сложение векторов составляющих моментов сил Q

и Р: MQ1 = MQ3 = Q lO; MQ2 = 0;

MP1 = MP3 = P lO; MP2 = 0.

находим величину и плоскость действия результирующих неуравновешенных моментов:

Уравновешивание продольного момента MQ осуществляется выносными противове-

сами (с использованием дисбалансов) на коленчатом валу, которые устанавливаются в плос-

кости действия момента, т.е. при = 0 , повернуты по направлению вращения на 30 . Урав-

новешивающий механизм продольного момента МР состоит из дополнительного вала, вра-

щающегося с угловой скоростью против вращения коленчатого вала, на котором установ-

лены противовесы, повернутые по направлению вращения вала на 30 .

Динамически эквивалентная модель второго порядка двигателя 6V 120состоит из моделей трех плоских отсеков 2V 120 и представляет собой две жесткие системы векторов

К и Z, вращающиеся в противоположных направлениях с удвоенной угловой скоростью

(система К вращается по направлению вращения коленчатого вала). Рассмотрим подробнее,

как строится эта модель (рис. 2.29). Из динамических свойств отсека 2V120известно, что векторы К и Z симметричны относительно оси Х. Рассматриваем кривошип первого отсека в начальном положении: вектор К1 направляется по кривошипу, тогда вектор Z1 будет иметь противоположное направление. Второй и третий кривошипы развернуты относительно пер-

вого на углы 120и 240 . Удваивая эти углы, находим положение векторов К2 и К3 второго и третьего отсеков. Поставив мысленно кривошип второго отсека в начальное положение, при котором вектор Z2 направлен вертикально вниз, поворачиваем вектор Z2 против вращения векторной системы К на угол 2 120= 240и находим его истинное положение. Кривошип третьего отсека повернут от начального положения на 240 ; удваивая этот угол в обратном направлении, находим положение вектора Z3. Произведя геометрическое сложение векторов продольных моментов от сил К и Z:

30о

находим величину и плоскость действия результирующих неуравновешенных продольных моментов:

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 77

Каждый из этих моментов уравновешивается противовесами на дополнительном валу.

Полное уравновешивание двигателя 6V120приводит к значительному усложнению конст-

рукции, поэтому на практике моменты второго порядка часто остаются неуравновешенными.

Компоновка 6V120для двухтактного двигателя непригодна, т.к. неизбежны одновре-

менные вспышки в цилиндрах левого и правого блоков вследствие равенства углов кр = бл.

Z симметричны относительно оси Х. Следовательно, продольный момент от сил Р равен ну-

лю (Мр = 0), а векторные диаграммы сил Q, К и Z такие же, что и для двигателя 6V 120 .

Воспользовавшись результатами предыдущего анализа, находим неуравновешенные про-

дольные моменты:

Результаты анализа одинаково применимы к четырехтактным и двухтактным двигате-

лям, разница при одной и той же схеме коленчатого вала только в порядке работы цилинд-

ров:

2-тактный

В обоих двигателях выходной крутящий момент неравномерный.

2.3.6. Транспортный двигатель 6 V 180

В каждом из трех отсеков 2V 180действуют силы, следовательно F = CII; P = –CI; K

= 0; Z = 0, следовательно MK = 0; MZ = 0, т.е. двигатель 6V 180самоуравновешен по мо-

78 2.3.6. Транспортный двигатель 6 V 180

ментам второго порядка. Результирующие неуравновешенные моменты MQ и MP на осно-

вании рассмотренных ранее случаев равны:

Для уравновешивания продольного момента MQ используется коленчатый вал, а мо-

мента MP - дополнительный вал.

Обратная задача: самоуравновешенности двигателя 6 V 180

Задача формулируется следующим образом: определить условия и схему коленчатого вала, обеспечивающие полную динамическую самоуравновешенность двигателя 6V 180 , и

проверить его работоспособность по чередованию вспышек в цилиндрах обоих блоков. Под-

ход к решению задачи и основное направление поиска дают результаты предыдущего анали-

за уравновешенности двигателей 6V. Из всех рассмотренных примеров следует один оче-

видный вывод: традиционная схема коленчатого вала, когда число кривошипов равно числу цилиндров в блоке и каждый кривошип связан с двумя цилиндрами левого и правого блоков,

не может обеспечить полной самоуравновешенности двигателя. Значит, нужен другой вал,

его и следует искать. Альтернативным решением может быть схема вала с числом кривоши-

пов, равным общему числу цилиндров двигателя. В рассматриваемом случае это шестико-

ленный вал, у которого каждая шатунная шейка соединена с одним цилиндром левого или правого блоков. Для уменьшения длины и повышения жесткости вала он выполняется на дисковых роликовых опорах малой ширины, но большого диаметра. Определившись прин-

ципиально со схемой вала, далее необходимо выбрать конкретную схему расположения кри-

вошипов, обеспечивающую, с одной стороны, полную динамическую самоуравновешен-

ность, и, с другой, удовлетворяющую требованиям равномерного чередования вспышек по

МОДУЛЬ 3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ УРАВНОВЕШЕННОСТИ (ДВУХРЯДНЫЕ ДВИГАТЕЛИ) 79

двигателю и оптимального нагружения подшипников коленчатого вала. Приняв принципи-

альную схему 6-коленного вала, у которого нечетные кривошипы соединены с цилиндрами

левого блока, а четные – с цилиндрами правого блока (рис.2.30), назначаем равномерную заклинку кривошипов левого одноблочного двигателя: 3..: 1 – 3 - 2 с КР =120. Воспользо-

вавшись результатами анализа такого двигателя, строим совмещенную диаграмму сил PR и CI

Из диаграммы видно, что для уравновешивания этих моментов необходимо, чтобы со-

ответствующие векторы PR и CI правого двигателя развивали продольные моменты, равные по величине моментам левого двигателя, но противоположно направленные. Построив век-

правого двигателя должна быть зеркальной по отношению к диаграмме левого двигателя.

Переходя от векторной диаграммы к схеме расположения кривошипов, получаем схе-

диаграмме будет соответствовать условный трехколенный вал 1—3—2. Следовательно, дви-

гатель 6V180можно рассматривать как сочетание трех отсеков 2V180 . Известно, что в ка-

ждом из отсеков силы K = 0; Z = 0, следовательно, и продольные моменты MK = 0, MZ =

0, т.е. MII = 0.

Проверяем работоспособность двигателя по чередованию вспышек в первых цилинд-

рах левого и правого блоков. Угол между первыми кривошипами 180и бл = 180 , следова-

тельно, кривошип Iп придет в ВМТ своего цилиндра через 360после вспышки в первом левом цилиндре. Пропуск вспышки невозможен, т.к. через следующий оборот заканчивается рабочий цикл и остальные цилиндры правого блока не успевают сработать за два оборота коленчатого вала. Приняв одинаковые порядки работы цилиндров по блокам, получаем рав-

номерное чередование вспышек по двигателю через 120 .

Для двухтактного двигателя 6V180рассмотренная схема вала непригодна, т.к. неиз-

бежны одновременные вспышки в двух цилиндрах левого и правого блоков.