Уравновешивание двигателя: Как лечат трясучку

На одних аппаратах эта тряска незаметна, на других же двигатель бьется в раме, словно живое сердце. Поговорим же про то, как лечат трясучку.

История

Впервые в мотоциклостроении уравновешивающий механизм был применен на модели Yamaha ТХ750, выпускавшейся с 1972 по 1974 годы. На этом мотоцикле стоял двухцилиндровый рядный четырехтактный двигатель с соосным расположением шатунных шеек, но с чередованием рабочих ходов через 360º. Журнал Cycle World писал: «Закройте глаза, и вы на «четверке».

Примененное в этом двигателе балансировочное устройство специалисты компании называли Omni Sphere Balanser, что можно перевести как «полнофазный балансир». На щеках коленчатого вала создается дисбаланс, равный сумме двух противовесов. Первый противовес, создающий силу, равную половине СI, вместе с первым балансирным валом, расположенным на расстоянии l1, создают одновальный уравновешивающий механизм.

Второй балансирный вал служит для уравновешивания колебаний моментов, создаваемых применением одновального механизма. Для этого его дисбаланс, а также второй противовес на щеках коленчатого вала, должны создавать силу во столько же раз меньшую половине вектора СI, во сколько раз расстояние до первого балансирного вала меньше, чем до второго.

Конструкции

Работающий двигатель внутреннего сгорания не вибрировать не может по определению. Ведь в нем сочетаются разные движения: возвратно-поступательное движение поршней и вращательное – коленчатого вала (первое во второе преобразует кривошипно-шатунный механизм). Два вида движений – два вида вибраций.

Шатун по роду службы участвует как в поступательном движении поршня с кольцами и пальцем, так и во вращении коленвала. Вкалывая на двух работах, он не может полностью посвятить себя ни одной из них. Поэтому во всем кривошипно-шатунном механизме шатун – единственная деталь, которая в расчетах представляется не единой, а как бы состоящей из двух масс. Масса, сосредоточенная около верхней головки шатуна, движется вместе с поршнем, поршневым пальцем и кольцами. Все вместе называется поступательно движущимися массами – ПДМ. А оставшаяся часть массы шатуна, сосредоточенная около нижней головки, вращается вместе с шатунной шейкой коленвала.

Рассмотрим вначале простейший вариант – одноцилиндровый двигатель. Дисбаланс, создаваемый шатунной шейкой и нижней головкой шатуна, приводит к появлению центробежных сил инерции. По сути, такие же силы создают тряску при вращении несбалансированного колеса. Уравновесить их несложно – достаточно расположить груз на противоположной его стороне. И противовесы на щеках коленвала выполняют ту же роль, что грузики при балансировке колеса. С вибрациями, создаваемыми поступательно движущимися массами (ПДМ), сложнее. Ведь поршень должен при подходе к верхней мертвой точке (ВМТ) довольно быстро остановиться, затем столь же быстро ускориться в противоположном направлении. При этом, в силу особенностей геометрии КШМ, максимальную скорость поршень развивает не в середине хода, а немного ближе к мертвым точкам. Постоянные ускорения и торможения ПДМ создают силы инерции первого порядка Р1, а особенности геометрии КШМ приводят к появлению сил инерции второго порядка Р2. Силы инерции первого порядка также называют первичными вибрациями, а второго порядка – вторичными. Частота первичных вибраций равна частоте вращения коленвала. Их амплитуда зависит от массы поступательно движущихся масс и частоты вращения коленвала.

Рис.1 Простейшая схема уравновешивания двигателя – с помощью противовесов на щеках коленвала. При этом создаются вибрации, перпендикулярные оси цилиндра.

Зависимость сил инерции, а следовательно, вибраций от массы ПДМ линейна. Это означает, что если при модернизации мотора массу ПДМ удалось снизить на 10 %, то и уровень вибраций снижается на те же 10 %. А вот зависимость сил инерции от оборотов двигателя – квадратичная. Это означает, что при увеличении частоты вращения коленвала в два раза силы инерции возрастают в четыре раза, а если частота вращения увеличивается в три раза, то силы инерции возрастают в девять раз! Сведение вибраций к минимуму особенно важно, если двигатель встроен в силовую структуру шасси. Частота вторичных вибраций вдвое превосходит частоту вращения коленвала. Их амплитуда меньше амплитуды первичных колебаний во столько же раз, во сколько радиус кривошипа, равный половине хода поршня, меньше длины шатуна. В среднем радиус кривошипа примерно в четыре раза меньше длины шатуна, и, следовательно, вторичные вибрации примерно в четыре раза меньше первичных. (Есть еще силы инерции третьего, четвертого и так далее порядков, но они настолько малы, что их обычно не учитывают). Для подавления первичных вибраций применяются уравновешивающие механизмы. Самый простой и компактный вариант – использовать только дополнительный противовес на щеках коленчатого вала, создающий реально действующую силу (см. рис. 1).

Рис.2 Схема уравновешивания сил инерции первого порядка с помощью одного балансирного вала.

Такой механизм не устраняет колебания, а переводит их в плоскость, перпендикулярную плоскости оси цилиндра. Это означает, что чем больше дополнительный противовес ослабляет силу Р1 в ВМТ и НМТ, тем больше возрастают вибрации перпендикулярно оси цилиндра при 90° и 270° поворота коленвала. Поэтому компенсировать более половины силы инерции первого порядка нецелесообразно. Полностью устранить воздействие силы Р1 можно введением балансирного вала, вращающегося со скоростью коленвала, но в обратную сторону (см. рис. 2). Каждая из уравновешивающих сил, возникающих из-за дисбаланса на балансирном валу и коленвале, равна половине Р1. В любой момент времени сумма проекций уравновешивающих сил на ось цилиндра равна силе инерции первого порядка для этого угла поворота коленчатого вала, но противоположна по знаку. При этом сумма проекций на ось, перпендикулярную оси цилиндра, равна нулю.

Рис.3 Применение двух балансирных валов позволяет полностью погасить силы инерции первого порядка.

Но при использовании одновального механизма возникают колебания от момента, создаваемого некомпенсированной силой инерции и вертикальной составляющей уравновешивающей силы на плече от оси цилиндра до оси балансирного вала. Для полного устранения первичных колебаний применяется двухвальный уравновешивающий механизм (см. рис. 3). В таком устройстве дополнительный противовес на коленвале, создающий силу, равную половине Р1, взаимодействует с противовесами на балансирных валах, каждый из которых создает силу, в четыре раза меньшую, чем Р1. Для уравновешивания вторичных колебаний чаще всего применяется механизм, запатентованный британским инженером Фредериком Ланчестером в далеком 1904 году. Он состоит из двух балансирных валов, вращающихся в разные стороны с частотой, вдвое превышающей частоту вращения коленвала (см. рис. 4).

Рис.4 Механизм Ланчестера, применяющийся для уравновешивания вторичных колебаний.

Впрочем, иногда используется и один балансирный вал, вращающийся в два раза быстрее коленвала. Его работа аналогична работе одновального механизма для уравновешивания сил первого порядка. Все это относится как к одноцилиндровым, так и к многоцилиндровым двигателям. Но в многоцилиндровых моторах все намного сложнее: ведь в них силы, возникающие при работе разных цилиндров, могут как складываться, так и компенсировать друг друга.

Новинка Gopro Hero 4 Black и Silver edition || Мотоботы – незаменимый элемент защитной экипировки