Рис. 32. Схема механизма уравновешивания сил инер- ции первого порядка возвратно-поступательно дви- жущихся масс:

1, 2, T, 4— шестерни; 5 — валики; 6 — противовесы

Рис. 33. Схема уравновешива- ния снл инерции неуравнове- шенных вращающихся масс в одноцилиндровом двигателе.

Когда поршень находится в в. м. т., все четыре противовеса долж- ны быть направлены вниз так, чтобы их оси симметрии были верти- кальны. Расстояние г_а от оси вращения противовеса до его центра тяжести равно половине радиуса г кривошипа коленчатого вала. Мас- са т_ар обоих противовесов на каждом валике равна массе возвратно-

поступательно движущихся деталей. При работе двигателя противове- сы каждого валика создают центробежную силу (Н):

(54)

Горизонтальные составляющие центробежных сил инерции про- тивовесов при любом угле а всегда равны друг другу, но противопо- ложны по направлению и, следовательно, взаимно уравновешиваются, а вертикальные составляющие этих сил дают равнодействующую г» п /"по ш² г cos а 9 ,, „

R—2 —?— = m_np аг т cos а, которая в любой момент времени равна

силе инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс, но направлена в противоположную сторону. Поэтому равнодей- ствующая вертикальных составляющих центробежных сил, возника- ющих при установке противовесов на дополнительных валиках, урав- новешивает силу инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс.

Посредством аналогичного механизма можно уравновесить силу инерции второго порядка. Для этого нужно противовесы на вспомога- тельных валиках приводить во вращение с удвоенной угловой скоро- стью. Однако в этом случае механизм становится весьма сложным, поэтому сила Р_аi в большинстве автотракторных двигателей не урав- новешивается.

Сила инерции неуравновешенных вращающихся масс полностью уравновешивается постановкой противовесов, которые в автотрактор- ных двигателях могут быть укреплены на щеках коленчатого вала (рис. 33) или на маховике и шкиве привода вентилятора. Противове- сы подбирают так, чтобы развиваемая ими центробежная сила инер- ции была равна силе инерции неуравновешенных вращающихся масс и направлена в противоположную сторону.

Уравновешивание двухцилиндрового двигателя. Если у однорядно- го двухцилиндрового двигателя коленчатый вал выполнен с расположе- нием колен под углом 180° (Д-21А1 и П-23М), как показано на рисун- ке 34, то равнодействующая сила инерции первого порядка равна нулю, а значит, силы инерции первого порядка уравновешены:

2Р_И1 = Р\ -f Pi,¹! = m_n со² г cos a -f т_па)² г cos (180 -fa) =

= m„ a»² r cos а — — т_а со² г cos а = 0. (55)

Силы инерции первого порядка, как равные, парал- лельные и противоположно направленные, создают мо- мент Май действующий в плоскости осей цилиндров:

М_и1 = Р_н1 а — т_а o)²r cos aа,

(56)

где а — расстояние между осями цилиндров, м.

Момент М_И1 (двигатель Д-21А1) уравновешивается суммой моментов вертикаль- ных составляющих центро- бежных снл: а) двух проти- вовесов, находящихся на специальном валике, кото-

Рис. 34. Схема направления сил инерции в двух- цилиндровом двигателе с расположением колен коленчатого вала под углом 180°.

4 А. М. Гуревич, Е. М. Сорокин

рый приводится во враще- ние от коленчатого вала с одинаковой угловой скоро- стью; б) противовесов, рас- положенных на маховике и шкиве привода вентилятора.

Равнодействующая сил инерции второго порядка равиа их сумме и остается неуравновешенной:

2 Р«г ⁼ + Ри2

= 2/Пц (в⁸ A cos 2а. (57)

Однако она незначи- тельна, так как у современ- ных автотракторных двига- телей к составляет 0,22-=- 4-0,28.

Сила инерции неуравновешенных вращающихся масс кривошипа первого цилиндра равна, но противоположно направлена силе инерции неуравновешенных вращающихся масс кривошипа второго цилиндра, поэтому их сумма

2 Р_ц = 0. (58)

Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс, как равные, параллельные и противоположно направленные, создают момент

М_а = Р_цс = /Иц о² га. (59)

Момент Мц уравновешен противовесами на щеках коленчатого вала или на маховике и шкиве привода вентилятора.

Если у V-образного двухцилиндрового двигателя шатуны установ- лены на одну шейку, а цилиндры расположены под углом 90° (рис. 35,а), то силы инерции первого порядка для первого и второго цилиндров

P'hi = m_a coV cos а и Р" = т_п coV cos (90 — а) = т_п а>² г sin а. (60)

Переносим силы инерции первого порядка в центр вращения ко- ленчатого вала. Равнодействующая сила инерции первого порядка (рис. 35,6) определяется как геометрическая сумма сил Р\_х и то есть

X P„i = /" ² + ² = » ^{0)2 r cos} + s»ⁿ «)² =

= У(т_а и² rf (sin® а + cos² а) = т_ш а)² г. (61)

и1

cos а.

Угол <р между направлениями сил ЕР_и1 и Р¹_и1 равен углу а, так как

т_п <в^йг cos а

COS ф :

2 P_ei т_паРг

Следовательно, равнодействующая сил инерции второго порядка постоянна по значению и всегда направлена по радиусу от центра вра- щения.

\6m„aiVACo$2a.-

Протиеееес

\

^цТп= Рц.+mVr а

Рис. 35. Схема направления сил инерции в

V-образном двухцилиндровом двигателе, ци- линдры которого расположены под углом 90°

Силы инерции второго порядка для первого и второго цилиндров Ри2 = т_п ш² rX cos 2а и РЦ <= т_а со² rk cos 2 (90 — а) = —т_п со² r% cos 2а.

(62)

Равнодействующая сил инерции второго порядка (рис. 35, в) опре- деляется таким же образом, как для сил инерции первого порядка:

£ Р_иг= 1/"(РУ² + (Р$² - 1/^Г2 т„ оft I cos 2а.

Угол ф! между направлениями сил ZP„₂ и РЦ, составляет 45°, так

= cos 45°.

как

т„ <в² rk cos 2а !

cos <fi =

V~2 т_п о)² rX cos 2а К 2

Следовательно, равнодействующая сил инерции второго порядка переменна по значению и направлению и расположена в горизонтальной плоскости.

Сила инерции неуравновешенных вращающихся масс полностью уравновешивается противовесами, установленными на щеках коленча- того вала. Равнодействующая сил инерции первого порядка также может быть полностью уравновешена путем увеличения массы противовесов (рис. 35,а), устанавливаемых для уравновешивания сил инерции не- уравновешенных вращающихся масс.

Из рассмотренных двухцилиндровых четырехтактных двигателей лучше других уравновешен V-образный.

Уравновешивание четырехцилиндрового двигателя. Коленчатые ва- лы отечественных автотракторных однорядных четырехцилиндровых четырехтактных двигателей выполнены с расположением колен под уг- лом 180° (рис. 36). Такой коленчатый вал может быть представлен в виде симметричного соединения двух коленчатых валов двухцилиндро- вых двигателей, уравновешивание которых рассмотрено выше.

(63)

В этом случае равнодействующая сил инерции первого порядка равна нулю. Равнодействующая сил инерции второго порядка равна их сумме и остается свободной:

Б Р_и2 = 4 т„ (в² r\ cos 2а.

Равнодействующая сил инерции неуравновешенньх вращающих масс равна нулю.

Моменты, возникающие от сил инерции первого порядка Мj,, и Al'j (на рисунке не показаны), и сил инерции неуравновешенных вра- щающихся масс М}, и Мц¹ взаимно уравновешиваются, так как они равны и направлены в противоположные стороны.

Моменты от центробежных сил инерции неуравновешенных враща- ющихся масс значительно нагружают коренные подшипники, особенно средний, и увеличивают прогиб коленчатого вала. Для их разгрузки у некоторых двигателей (Д-160 и Д-24) на щеках коленчатого ва- ла имеются противовесы, уравновешивающие эти силы инерции каждо- го цилиндра.

*

Рнс. 36. Схема направления сил инерции в четырех- цилиндровом двигателе с расположением колен ко- ленчатого вала под углом 180°.

4*

5!

Рис. 38. Схема направления сил ииерцнн в шестицилиндровом двига- теле с расположением колеи коленчатого вала под углом 120°.

Такого же типа уравновешивающий механизм установлен на дизе- ле Д-160.

Уравновешивание шестицилиядрового двигателя. Коленчатые валы автотракторных однорядных шестицилиндровых четырехтактных дви- гателей (ГАЗ-52 и А-01М) выполнены с расположением колен под уг- лом 120° (рис. 38). Это наиболее распространенная форма коленчатого вала для шестицилиндровых четырехтактных двигателй. При таком расположении колен

2Р_н1 = 0; БР_и2 = 0; БР_Ц = 0; 2М_И1 = 0; БЛ4_Н, = 0; = 0.

Для разгрузки коренных подшипников коленчатого вала от дейст- вия моментов сил инерции неуравновешенных вращающихся масс у дви- гателей ГАЗ-52 и А-01М коленчатые валы снабжены противовесами.

Уравновешивание V-образного восьмицилиндрового двигателя. Ко- ленчатые валы отечественных автотракторных восьмицилиндровых че- тырехтактных двигателей (ГАЭ-53, ЗИЛ-130 и ЯМЗ-238НБ) выполнены с расположением колен в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Эти двигатели можно представить себе состоящими из четырех V-об- разных двухцилиндровых двигателей, поэтому у них ЕР_И1=0; БР_И2=0; 2.Рц=0 и БМц2=0. Суммарный момент, возникающий от действия сил инерции неуравновешенных вращающихся масс и сил инерции первого порядка, может быть уравновешен противовесами, установленными на щеках коленчатого вала, или двумя противовесами на концах коленча- того вала, расположенными в плоскости действия момента. В систему уравновешивания дизеля ЯМЭ-238НБ входят противовесы, укрепленные на щеках вала, и выносные противовесы, размещенные на переднем кон- це коленчатого вала и на маховике.

Действительная уравновешенность двигателя. Выводы об уравно- вешенности двигателей, сделанные выше, справедливы, если точно сов- падают между собой по массе движущиеся детали, радиусы кривоши- пов, длины шатунов, углы расположения кривошипов.

В действительности из-за отклонений в пределах допусков разме- ров деталей и различной плотности их металла силы инерции движу- щихся деталей для отдельных цилиндров получаются неодинаковыми и уравновешенность двигателя нарушается.

Для того чтобы действительная уравновешенность как можно мень- ше отличалась от теоретической, необходимо учесть следующее.

1. При изготовлении и ремонте двигателей комплекты поршней и шатунов нужно подбирать с минимальным отклонением по массе. Так. например, в двигателе А-41 разница в массе собранных комплектов пор- шней и шатунов не должна превышать 30 г, а в двигателе ГАЭ-53—8 г.

2. Коленчатые валы и маховики при изготовлении следует подвер- гать динамической балансировке. Если окажется, что неуравновешен- ность (дисбаланс) превышает допустимую величину, то ее уменьшают, снимая в определенных местах этих деталей часть металла. При ремон- те следят, чтобы балансировка не была нарушена.