Уравновешивание восьмицилиндрового V-образного двигателя

В восьмицилиндровых четырехтактных двигателях с углом между рядами цилиндров 90° применяют коленчатые валы с четырьмя кривошипами, расположенными в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях (рис. 1.35). При уравновешивании условно рассматривают такие двигатели, как соединение четырех двухцилиндровых V-образных двигателей, последовательно установленных по оси коленчатого вала.

Неуравновешенные силы по парам цилиндров составляют:

первая пара,

,

;

вторая пара,

,

;

третья пара,

,

;

четвертая пара,

,

.

Рис. 1.35. Уравновешивание V-образного восьмицилиндрового двигателя

Силы инерции первого и второго порядков, центробежная сила и момент сил инерции второго порядка уравновешены, т. е.

, , , .

Результирующий момент сил инерции первого порядка и центробежных сил составляет:

,

где – горизонтальная составляющая результирующего момента;

– вертикальная составляющая результирующего момента.

Тогда

.

Плоскость, в которой действует суммарный момент и должны быть установлены противовесы, составляет с плоскостью первого колена угол 18? 30'.

Моменты сил инерции первого порядка и центробежных сил обычно уравновешивают противовесами, установленными на щеках коленчатого вала. Продольный момент от сил инерции первого порядка может быть уравновешен установкой противовесов на концах коленчатого вала. Массу каждого противовеса, размещаемого на концах вала, определяют из уравнения:

,

где а –расстояние между соседними плоскостями, в которых располагаются оси цилиндров.

Из уравнения масса противовесов равна:

.

На практике часто устанавливают противовесы на щеках кривошипа и на концах коленчатого вала (двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, ЗИЛ-131 и др.).

Действительная уравновешенность двигателя отличается от рассмотренной теоретической уравновешенности, при которой предполагается, что коленчатый вал абсолютно жесткий, вращается с постоянной угловой скоростью, а детали в различных цилиндрах имеют одинаковые размеры и массу. В действительности размеры и масса деталей двигателя различны и силы инерции для отдельных цилиндров получаются неравными.

Для максимального уменьшения влияния вредных факторов на уравновешенность двигателя вращательно движущиеся части тщательно балансируют, а части, движущиеся возвратно-по-ступательно, подбирают с минимальными отклонениями по размерам и массе. Строго контролируют распределение масс шатуна. Коленчатые валы и маховики подвергают статической и динамической балансировке. Несоблюдение технических условий на сборку деталей двигателя может привести к возникновению значительных неуравновешенных сил инерции.

Равномерность хода и расчет маховика двигателя

Общие положения

В идеальном двигателе угловая скорость вращения коленчатого вала ? считается постоянной.

В реальном двигателе даже при установившемся режиме работы угловая скорость ? не остается постоянной, а колеблется в течение одного цикла. Это объясняется изменением величины крутящего момента двигателя М_к, от которого и зависит в первую очередь равномерность хода двигателя.

График изменения постоянного по индикаторной диаграмме крутящего момента одноцилиндрового четырехтактного двигателя по углу поворота коленчатого вала представлен на рис. 1.36. Площади, расположенные над осью абсцисс (F₂, F₅, F₇), представляют положительную работу, расположенные же под этой осью (F₁, F₃, F₄, F₆) – отрицательную.

Рис. 1.36. График крутящего момента одноцилиндрового четырехтактного двигателя

Разность между положительными и отрицательными площадями представляет работу крутящего момента за рабочий цикл двигателя:

F_изб = (F₂ + F₅ + F₇) – (F₁ + F₃ + F₄ + F₆).

Среднее значение крутящего момента, которое может быть найдено при помощи диаграммы (рис. 1.36):

,

,

где АВ – длина отрезка в единицах длины,

а₁ – масштаб моментов.

На рис. 1.36 работа среднего крутящего момента представлена в масштабе площадью прямоугольника, высота которого равна АВ.

Зная величину М_ср, неравномерность крутящего момента можно определить по коэффициенту К, который называется степенью неравномерности крутящего момента:

,

где М_max – максимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

В некоторых случаях для оценки равномерности изменения крутящего момента пользуются коэффициентом неравномерности крутящего момента

,

где М_min – минимальное значение крутящего момента за рабочий цикл двигателя.

С увеличением числа цилиндров коэффициенты К и K₁ уменьшаются. Примерная зависимость величины К от числа цилиндров i для четырехтактных бензиновых двигателей при полной нагрузке приведена в табл. 1.5.

Таблица 1.5

Значения К от числа цилиндров

Степень неравномерности вращения коленчатого вала двигателя можно оценить коэффициентом неравномерности хода двигателя:

,

где ?_max, ?_min, ?_cp – величины наибольшей, наименьшей и средней угловой скорости вращения коленчатого вала в течение одного рабочего цикла двигателя при установившемся режиме его работы.

Для автомобильных и тракторных двигателей при номинальных оборотах значения .

Для одноцилиндрового двигателя необходимая равномерность хода двигателя может быть обеспечена лишь при наличии маховика значительных размеров, что отрицательно отражается на приемистости двигателя. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что на работу двигателя автомобиля и трактора в целом равномерность работы оказывает большее влияние, чем уравновешенность. С увеличением равномерности крутящего момента условия работы двигателя и механизмов автомобиля и трактора заметно улучшаются.

Расчет маховика

В многоцилиндровых двигателях размеры маховика, полученные расчетом, исходя из необходимой для нормальных режимов работы двигателя величины ?, получаются недостаточными для обеспечения режимов совместной работы двигателя и трансмиссии.

Поэтому следует провести расчет маховика на режиме трогания автомобиля или трактора с места, а затем провести проверку маховика на неравномерность хода двигателя. Этот расчет проводят в предположении, что трогание осуществляется при неизменном, соответствующем холостому ходу двигателя положении дроссельной заслонки (или неизменной подаче топлива), т. е. за счет кинетической энергии движущихся масс двигателя, освобождающейся при уменьшении оборотов коленчатого вала. Предполагается также, что сцепление включается мгновенно.

В действительности при трогании с места водитель, чтобы предохранить двигатель от остановки, одновременно с плавным включением сцепления увеличивает подачу рабочей смеси в цилиндры двигателя. Вследствие этого число оборотов коленчатого вала не уменьшается, а остается примерно постоянным, но сделанные предположения позволяют получить для различных двигателей сравнимые результаты расчета.

Достаточность махового момента двигателя при расчете маховика на трогание с места определяется отношением:

? = ? ₂ / ? ₁,

где ? ₁ – угловая скорость коленчатого вала до включения сцепления, необходимая для трогания автомобиля с места без остановки двигателя;

? ₂ – минимальная устойчивая угловая скорость коленчатого вала, при которой сцепление включено и автомобиль движется на первой передаче.

Это отношение можно получить из анализа условий включения сцепления. Предположим, что автомобиль трогается на первой передаче.

Условная схема автомобиля для этого случая представлена на рис. 1.37. На схеме вал 1 соответствует коленчатому валу двигателя, 3 – сцеплению, с моментоминерции J_с, валы 4, 5 – первичному и промежуточному, а 6, 8 – вторичному валам коробки передач. На той же схеме масса 2 с моментом инерции J_m соответствует массам вращающихся частей двигателя, масса 7 с моментом инерции J_АВТ – массам поступательно движущихся и вращающихся частей автомобиля.

Рис. 1.37. К расчету маховика на режиме трогания автомобиля с места

Момент инерции движущихся масс автомобиля может быть определен по формуле:

,

где G_а – полный вес автомобиля,

r_к – радиус колеса автомобиля, с учетом деформации шины,

i – передаточное число трансмиссии.

При включении сцепления происходит его буксование, в течение которого обороты коленчатого вала ? уменьшаются, обороты же первичного вала коробки передач ?_n увеличиваются. В момент окончания буксования сцепления числа оборотов этих валов равны друг другу.

При трогании автомобиля с места момент трения сцепления М_сравен моменту сопротивлений М_п, приложенному к первичному валу коробки передач, и зависит от сопротивлений трения в механизмах передач и сопротивлений движению автомобиля.

Момент инерции движущихся масс двигателя равен:

,

где ? – коэффициент запаса сцепления ,

? – отношение угловой скорости вала двигателя перед включением сцепления к угловой скорости, соответствующей минимальному числу оборотов двигателя .

Момент инерции маховика составляет:

.

Размеры маховика определяют из уравнения

,

где М_m – масса маховика;

D_m – диаметр окружности, проходящей через центр тяжести половины поперечного сечения маховика.