Уравновешенность и уравновешивание поршневых ДВС. Влияние на уравновешенность конструктивного фактора

Силы, возникающие при работе автомобильных и тракторных двигателей, можно разделить на два вида: уравновешенные и неуравновешенные.

Различают внешнюю и внутреннюю неуравновешенности поршневых двигателей внутреннего сгорания. Внешняя неуравновешенность характеризуется наличием периодических сил инерции, а так же опрокидывающего момента, которые передаются на опоры двигателя и далее на раму трактора. Внутренняя неуравновешенность характеризуется возникновением под действием воспринимаемых двигателем нагрузок в поперечных сечениях блока цилиндров перерезывающих сил, а так же моментов упругих сил, которые называют внутренними изгибающими моментами и внутренними скручивающими моментами.

Уравновешенность - это такое состояние двигателя, при котором на установившемся режиме работы на его опоры передаются постоянные по значению и направлению силы и моменты. Для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил в многоцилиндровых двигателях необходимо, чтобы равнодействующие в плоскостях, проходящих через ось вала, а так же сумма этих сил относительно выбранной оси равнялась нулю. При разработке конструкций двигателей стремятся к тому, чтобы уменьшить влияние свободных сил моментов. Для этих целей применяют следующие конструктивные мероприятия: выбор соответствующего числа и расположения цилиндров и схемы расположения кривошипов, установку простейших противовесов и сложных уравновешивающих механизмов. Обеспечение конструктивно предусмотренной уравновешенности двигателя достигается выполнением соответствующих требований при производстве деталей, их сборке и регулировке, а так же при ремонте и эксплуатации двигателей. При этом обращают внимание на: 1) Соблюдение допусков на масса и размеры всего 2) проведение статической и динамической балансировки коленчатого вала 3) достижение идентичности протекания рабочего процесса во всех цилиндрах.

Двигатель называется уравновешенным, если при установившемся режиме

работы силы и моменты, действующие на опоры, постоянны по величине и

направлению.

Полностью поршневой двигатель уравновешенным быть не может вследствие неравномерности крутящего момента, вызывающего периодическое изменение нагрузки на опоры. Поэтому решение вопроса уравновешения двигателя сводится к уравновешиванию лишь наиболее значительных сил и их моментов. Математически условия полной уравновешенности многоцилиндровых двигателей можно записать в следующем виде:1) результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны

нулю; Σ F jI = 0 и Σ T jI = 0; (3.48)

2) результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны

нулю; Σ F jII = 0 и Σ T jII = 0; (3.49)

3) результирующие центробежные силы инерции вращающихся масс и их

моменты равны нулю; Σ F R = 0 и Σ T R = 0. (3.50)

Практически уравновешивание сил инерции первого и второго порядка

достигается путем выбора определенного числа цилиндров, их расположением и выбором соответствующей схемы коленчатого вала, а также установкой противовесов. Так, например, в шести и восьми цилиндровых рядных двигателях полностью уравновешены силы F jI и F jII и моменты от них. Центробежные силы инерции вращающихся масс практически полностью уравновешиваются за счет установки противовесов на коленчатом валу. Расчет динамического уравновешивания многоцилиндрового двигателя заключается в определении значений и направления действующих неуравновешенных сил и моментов сил инерции, которые необходимо в дальнейшем уравновесить с помощью наиболее простых конструктивных мероприятий.

центробежная сила инерции от неуравновешенных масс Jц = тцRω2, где тц — эксцентрично вращающиеся массы, приведен­ные к радиусу кривошипа, кг; R — радиус кривошипа, м; ω — угло­вая скорость, 1 / сек.

Для уравновешивания центробежной силы инерции Jц закреп­ляют на продолжении щек кривошипа два равных противовеса (рис. 226) с массой

где r — расстояние от центра тяжести противовеса до оси вала.

Для прямолинейно-движущихся масс неуравновешенные силы инерции

где тп—масса поступательно-движущихся частей, кг;

а — ускорение, м/сек2.

Подставив значение ускорения а из формулы (172), получаем

где — mпRω2cos φ = Pи I —сила инерции первого порядка;

— mпRω2cos 2φ = Pи II — сила инерции второго порядка.

Силы инерции первого и второго порядков изменяются, как и ускорения, по закону косинусоиды, причем сила инерции первого порядка достигает наибольшей абсолютной величины два раза за один оборот коленчатого вала, а второго порядка — четыре раза. Силу инерции первого порядка, действующую по оси цилиндра, уравновешивают с помощью противовеса массой т, центр тяжести которого отстоит от оси вала на расстоянии r = mпR / 2m.Для уравновешивания сил второго порядка используют динамические проти­вовесы, вращающиеся с удвоенной угловой скоростью.