Что такое уравновешивание двигателя

Остов двигателя

Уравновешивание двигателей

Во время работы двигателя на детали кривошипно-шатунного механизма действуют различные силы, изменяющиеся по численному значению и направлению. Одни из них полезны и обеспечивают работу двигателя, другие вредны и вызывают износ деталей.

К полезным относится сила давления газов в цилиндре двигателя при рабочем ходе, к вредным — силы инерции движущихся деталей и силы трений, возникающие при движении трущихся пар.

При движении и вращении деталей кривошипно-шатунного механизма возникают инерционные силы поступательно движущихся масс и центробежные силы вращающихся масс. Эти силы передаются на остов двигателя и раму трактора или автомобиля. Периодическое изменение сил инерции вызывает вибрацию двигателя и машины в целом. Эти вибрации ослабляют резьбовые соединения деталей, дополнительно нагружают подшипники коленчатого вала и ускоряют их изнашивание.

Уравновешивание двигателя заключается в создании такой системы сил при установившемся режиме работы, в которой равнодействующие сил и моментов были бы постоянны по значению и направлению или равны нулю. Уравновешивание сил инерции достигается выбором определенного числа цилиндров, расположением колен вала и применением дополнительных движущихся масс — противовесов. Эти способы обычно применяют совместно. Колена вала четырехцилиндровых двигателей расположены под углом 180°. При этом силы инерции двух крайних поршней и шатунов, движущихся в одну сторону, почти полностью уравновешиваются силами инерции двух средних поршней и шатунов, движущихся в противоположную сторону. Противовесы, выполненные на щеках коленчатого вала, уравновешивают детали кривошипно-ша-тунного механизма каждого цилиндра. В двухцилиндровом двигателе сила инерции возвратно-поступательно движущихся масс может быть полностью уравновешена специальным уравновешивающим механизмом. Уравновешивающий механизм этого двигателя состоит из двух грузов 2, закрепленных на концах балансирного вала 3. Вал опирается на втулки, приводится во вращение от коленчатого вала и имеет с ним одинаковую частоту вращения. На маховике и шкиве привода вентилятора расположены противовесы 1 и 5. Силы инерции Ркц действующие по оси первого цилиндра. равны силе инерции Ри2, действующей по оси второго цилиндра, и их сумма равна нулю. Но как равные и противоположно направленные, они создают момент, действующий в плоскости осей цилиндров. Этот момент уравновешивается суммарным моментом, создаваемым грузами и противовесами

От вращения грузов возникают центробежные силы Рц, которые раскладываются на составляющие силы (горизонтальные и вертикальные). Горизонтальные силы действуют в противоположных направлениях и уравновешивают одна другую. Вертикальные силы складываются (сумма равна Вс) и уравновешивают по вертикали сумму инерционных сил Рк во всех четырех цилиндрах.

Механизм устанавливают на двигатель при положении поршня первого цилиндра в в.м.т. Шестерни должны быть установлены по меткам, нанесенным на их зубьях и впадинах. Боковой зазор в зацеплении шестерен с венцом регулируют прокладками.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Уравновешивание — двигатель

Уравновешивание двигателя практически осуществляется путем соответствующего выбора числа и расположения цилиндров, размещения колен коленчатого вала и установки противовесов. [1]

Практически уравновешивание двигателя осуществляют путем соответствующего выбора числа и расположения цилиндров, размещения колен вала, а также установки противовесов. [2]

Для уравновешивания двигателей , а начиная с i 4 — для разгрузки коренных подшипников от действия местных центробежных сил устанавливаются по коленчатому валу противовесы. У многооборотных двигателей, начиная с t 6, для борьбы с резонансом крутильных колебаний в коленчатом вале на последнем ( обычно на его носке) устанавливается демпфер. Помимо этого типа применяются фрикционные, инерционные и пружинные типы демпферов. [3]

Исследование уравновешивания двигателя можно производить аналитически, графически или графо-аналитически. [4]

При уравновешивании двигателей обычно рассматривают силы инерции только первых двух порядков. [5]

При этом задача уравновешивания двигателя упрощается правильным расположением цилиндров. [6]

Поэтому, решая задачу уравновешивания двигателя , стремятся достигнуть допустимой степени неуравновешенности для двигателей данного класса. [7]

В теоретических расчетах по уравновешиванию двигателя размер и массу деталей кривошипно-шатунного механизма принимают постоянными. При изготовлении деталей размер и масса их отклоняются от расчетных величин, в результате чего теоретически возможная уравновешенность данного двигателя нарушается. [8]

Правильное расположение цилиндров весьма облегчает уравновешивание двигателя . Но часто оно нарушается присоединением других цилиндров различного вспомогательного оборудования, например, насосов и компрессоров. Этому обстоятельству следует уделять особое внимание. [9]

Таким образом, решение вопроса уравновешивания двигателей сводится к уравновешиванию лишь наиболее значительных сил и их моментов. [10]

В качестве примера можно указать, что уравновешивание двигателей внутреннего сгорания в собранном виде и в горячем состоянии, принятое на Харьковском заводе Серп и молот, уменьшает уровень вибраций двигателя в 2 — 3 раза. [11]

Практическое осуществление этих решений входит в задачи уравновешивания двигателей . При этом следует иметь в виду, что выполнить полностью уравновешенный двигатель невозможно, хотя бы потому, что создаваемый двигателем крутящий момент ( величина которого непостоянна) вызывает сотрясения двигателя и должен надежно поглощаться его опорами. [12]

Для устранения опасных колебаний необходимо прежде всего добиваться лучшего уравновешивания двигателя . [13]

В книге рассмотрены теория двигателей внутреннего сгорания, системы питания, н-аддува, пуска, охлаждения и смазки, кинематика, динамика и уравновешивание двигателей . Уделено внимание рассмотрению рабочего процесса дизелей, особенностей работы двигателей как на установившихся, так и на неустановившихся режимах. Уделено внимание проблеме токсичности отработавших газов дизелей и карбюраторных двигателей. Впервые в книгу включены разделы, освещающие режимы нагрузки двигателей при работе на строительных и дорожных машинах. [14]

Читать еще:  Что такое прошивка двигателя приора

Если выразить s, — — и — — через гармонические составляющие, а эти составляющие представить в форме обратно-симметричных векторов, то можно исследовать уравновешивание двигателя , цилиндры которого образуют вращающуюся звезду точно так же, как и двигатели с неподвижными цилиндрами. [15]

Что такое уравновешивание двигателя

Уравновешивание двигателя

Многоцилиндровые четырехтактные карбюраторные двигатели, имеющие коленчатые валы зеркально симметричной формы, практически уравновешены от действия сил инерции и их моментов, т. е. двигатель воздействует на свои опоры с постоянными по величине и направлению усилиями и не нуждается в дополнительных уравновешивающих механизмах.

Двухтактные четырех- и шестицилиндровые двигатели ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 имеют несимметричные коленчатые валы, поэтому в них моменты сил инерции оказываются неуравновешенными.


Рис. 15. Уравновешивание центробежных сил и их моментов

Как видно из рис. 15, центробежные силы Рц, действующие на двигатель, взаимно уравновешиваются, так как на всех кривошипах они одинаковы по величине, а действуют попарно в противоположные стороны. Но силы эти приложены не в одной точке, а поэтому создается два момента центробежных сил: момент пары сил первого и четвертого кривошипов (М1-4) и момент пары сил второго и третьего кривошипов (М2-3). Эти моменты не уравновешены, так как не равны по величине и действуют в разных плоскостях. Моменты центробежных сил уравновешиваются противовесами, закрепленными на коленчатом валу, которые создают моменты (Мпр), равные моментам центробежных сил, но противоположно направленные. На двигатель действуют также и силы инерции поступательно-возвратно движущихся масс Pj (ПВДМ). Силы эти действуют, как показано на рис. 16, в вертикальной плоскости, проходящей через оси цилиндров. Силы инерции ПВДМ, как и центробежные силы, взаимно уравновешены.


Рис. 16. Уравновешивание сил инерции поступательно-возвратно движущихся масс и их моментов

Моменты сил инерции ПВДМ уравновешиваются при помощи специального уравновешивающего механизма. Он состоит из двух валов (в качестве одного из них используется распределительный вал), на концах которых закреплены противовесы. Число оборотов коленчатого и уравновешивающих валов одинаково; массы и расположение противовесов на уравновешивающих, валах подобраны так, что две пары противовесов уравновешивают моменты сил инерции во всех четырех цилиндрах. На рис. 16 показано взаимодействие центробежных сил, создаваемых противовесами обоих валов при вертикальном положении крайних кривошипов: вертикальные составляющие Рв в сумме создают уравновешивающий момент, а горизонтальные составляющие Рг взаимно уравновешиваются и никакого действия на двигатель не оказывают.

При повороте коленчатого вала на 90° аналогичным образом уравновешиваются моменты сил инерции ПВДМ, действующие на средние кривошипы.

автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему: Разработка методов исследований и способов уравновешивания поршневых двигателей

Автореферат диссертации по теме «Разработка методов исследований и способов уравновешивания поршневых двигателей»

На правах рукописи

Газиалиев Сергей Валерьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И СПОСОБОВ УРАВНОВЕШИВАНИЯ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Специальность 05.04.02 — Тепловые двигатели

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет» (ФГБОУ ВПО «МГИУ»)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Гусаров Владимир Васильевич

Тольскнн Владимир Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, Государственный научный центр РФ ФГУП «Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт» (ФГУП «НАМИ»), старший эксперт Экспертного Совета;

Краснокутский Андрей Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана», доцент кафедры «Поршневые двигатели» (Э2)

Ведущая организация Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский университет дружбы народов» (ФГАОУ ВО «РУДН»)

Защита состоится 25 нюня 2015 г. в 14-00

на заседании диссертационного совета Д 212.140.01, Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный машиностроительный университет» (ФГБОУ ВПО «МАМИ»), 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, ауд. Б-303

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МАМИ» и на сайте Шр:/Ау>уу.тат1,.гц/щ = 85 мм, 5= 85 мм, масса поршня Л/„= 0,601 кг, масса шатуна А/ш=1,02 кг. Для режима холостого хода в расчетах принято: п= 700 об/мин, Р,— 0,20 МПа. Весогабаритные параметры КЩМ для всех рассматриваемых ДВС задали одинаковыми.

Значения максимальных импульсов возмущений от РКМ £таш (Н-м-с) для заданных значений параметров КШМ автомобильных двигателей разного

Тип двигателя бензиновый дизельный

При сравнении возмущений РКМ по величинам энергий возмущений бензиновые двигатели на режиме XX уравновешены существенно (примерно в 7. ..10 раз) лучше аналогичных по конструкции дизельных ДВС.

Произвести количественное сравнение возмущений от РКМ в ДВС с различными типами КШМ и оценить весьма существенную возмущения действия РКМ на режимах XX оказалось возможным только с помощью нового количественного метода анализа и оценки уравновешенности.

Основным источником вибрации дизельных двигателей на холостом ходу является возмущение от действия реактивного крутящего (опрокидывающего) момента. Величина этого возмущения существенно больше, чем у аналогичных бензиновых ДВС. На других режимах работы эта разница не столь существенна. Уменьшить возмущающее действие опрокидывающего момента в дизельном двигателе на холостом ходу можно путем дросселирования воздушного потока на впуске (рис. 1).

Читать еще:  Ваз 21099 инжектор глохнет на холостом ходу на холодном двигателе

Рис. 1. Кривые результирующего крутящего момента дизельного ДВС с расчётными конструктивными параметрами на режиме холостого хода при разной степени

дросселирования: а -0%; 6-40%; в-85%.

Максимальные возмущающие импульсы составили ЬМтЮ1 =1,31 Н-м-с в случае отсутствия дросселирования впускного коллектора, в случае 40% дросселирования — ЬМтах= 1,04 Н-м-с, при 85% — ЬМты = 0,74 Н-м-с. В результате, в варианте «б» максимальный импульс уменьшается в 1,27 раза, а по энергии — в 1,62 раза по сравнению с исходным значением импульса дизельного ДВС на XX при отсутствии дросселирования. В варианте «в» максимальный импульс уменьшается в 1,77 раза, а по энергии — в 3,18 раза!

В результате можно в несколько раз улучшить уравновешенность дизельного двигателя на холостом ходу.

Следует отметить, что применение дроссельной заслонки для уменьшения возмущений РКМ эффективно на малых частотах вращения коленчатого вала, ориентировочно до 1000 об/мин.

В третьей главе предложена методика совершенствования уравновешивания ДВС типов Ш, Я2 за счёт применения одного балансирного вала и определения оптимальных координат его оси; предложены новые способы улучшения уравновешенности сил и моментов от ВПДМ поршневых двигателей различных компоновок без применения балансирных валов, одноцилиндрового двигателя путем оптимизации положения его центра масс, дизельного двигателя типа И4 на холостом ходу за счёт снижения возмущений от действия реактивного крутящего момента.

Двухцилиндровый ДВС можно полностью уравновесить от действия сил инерции ВПДМ 1-го порядка и эффективно (в несколько раз) частично уменьшить возмущения обусловленные действием реактивного крутящего момента с помощью противовесов, устанавливаемых на коленчатом вале и

только на одном балансирном вале (а не на 2-х, по методу Ланчестера, как это практиковалось ранее) (рис. 2).

Рис. 2. Схема уравновешивания сил инерции ВПДМ 1-го порядка и частично реактивного крутящего момента в ДВС типа Я2 с помощью одного балансирного вала (схема аналогична и для Ш).

Разработаны методы определения координат расположения оси этого балансирного вала, позволяющие в максимальной степени уменьшать возмущения от РКМ для каждого режима работы ДВС (как с учетом как амплитудных, так и фазовых значений уравновешивающего момента от действия противовесов расположенных на коленчатом и балансирном валах). Разработаны методики оптимизации уравновешивания для случая фиксированного положения этого балансирного вала, из условий минимизации возмущений РКМ для произвольно задаваемого набора режимов работы ДВС. При этом уравновешенность двигателя от РКМ улучшается, сравнительно с вариантом без балансирного вала, практически на всех режимах работы ДВС (рис. 3). м

250.00 200 00 150.00 100.00 50.00 0,00 •50.00 -100,00 -150.00 -200.00

Рис. 3. Кривые моментов ДВС типа Я2, передаваемые на опоры от реактивного крутящего момента ЕМР, балансирного вала /Ц-) в и результирующего Мг при оптимальном положении балансирного вала.

Максимальные импульсы возмущений на различных режимах работы двигателя от реактивного крутящего момента Т.Мр и суммарного результирующего момента M-z при оптимальном положении оси балансирного вала сведены в таблице 3.

Сравнение максимальных импульсов возмущения от действия реактивного крутящего момента ДВС типа R2 без балансирного вала и при оптимальном для каждого режима положении оси вала (в скобках): (S/D =

85/85 мм, массы поршня и шатуна — 0,51 и 0,62 кг соответственно), Н-м-с.

Р„ МПа 1,1 0,8 0,6 0,4 0,2

1000 4,24 (1,61) 3,42(1,32) 2,85(1,11) 2,32 (0,93) 1,79 (0,75)

2000 2,05 (0,63) 1,65 (0,45) 1,38 (0,36) 1,13 (0,28) 0,88 (0,20)

3000 1,33 (0,27) 1,08 (0,17) 0,90 (0,13) 0,74 (0,15) 0,58 (0,17)

4000 0,99 (0,22) 0,87 (0,26) 0,79 (0,29) 0,72 (0,32) 0,65 (0,35)

5000 1,02 (0,39) 0,93 (0,44) 0,87 (0,46) 0,81 (0,49) 0,76 (0,52)

Как видно из таблицы 3 при оптимальном смещении балансирного вала максимальный импульс от суммарного результирующего момента меньше максимального импульса от реактивного крутящего момента в 2. 7 раз в зависимости от режима работы ДВС, а по энергии возмущения — в 4. 49 раз (энергия прямо пропорциональна квадрату импульса).

В настоящий момент не существует достаточно простых механизмов, позволяющих менять положение балансирного вала в зависимости от режима работы двигателя. Поэтому в диссертации предлагается алгоритм определения оптимального положения оси балансирного вала, предусматривающий определение результирующего импульса для набора наиболее частых режимов — режимов малых и средних нагрузок при частоте оборотов до 3000 об/мин. Даже при фиксированном, оптимальном для группы режимов, положении балансирного вала, уравновешенность двигателя от действия реактивного крутящего момента улучшается сравнительно с вариантом без балансирного вала практически на всех режимах работы ДВС, хотя это улучшение и меньше, чем при варьировании смещения на каждом режиме.

Далее в третьей главе, с использованием нового критерия оценки возмущений ДВС разработаны методики частичного уравновешивания моментов от сил инерции ВПДМ 1-го порядка с помощью противовесов коленчатого вала для ДВС типа ЯЗ, Я5, УЯ5. Показано, что если исходное уравновешиваемое возмущение имеет годограф в виде отрезка прямой, энергию возмущения можно уменьшить в 2 раза, а если в виде эллипса, то энергию от действия возмущающих импульсов можно уменьшить более чем в 2 раза. Разработана программа для определения оптимальных значений величины и угла (плоскости действия) центробежного момента противовесов коленчатого вала, обеспечивающих максимальное уравновешивание для

Читать еще:  Датчик температуры двигатель онс

произвольных схем КШМ. Таким образом, в некоторых случаях достаточное уравновешивание двигателей от действия моментов сил инерции ВПДМ 1-го порядка можно обеспечить и без установки балансирных валов. Результаты такого уравновешивания сведены в таблице 4.

Параметры противовесов при уравновешивании ДВС при помощи

противовесов коленчатого вала и максимальный эффект от уравновешивания

Тип КШМ ДВС Дисбаланс противовесов, Угол установки, атах и Д,тт максимальное и минимальное значение первообразной сигнала ускорения датчика за период.

Возмущения от действия РКМ на каждом исследуемом режиме, оценивали по величине максимального размаха первообразной Da функции сигнала датчика ускорения остова силового агрегата (CA) адусл за период действия результирующего крутящего момента LMyc„, который пропорционален значению импульса возмущения от действия РКМ LMmax.

Заметим, что при таком анализе по существу оценивался «размах» изменений скорости колебаний CA за период действия РКМ:

На рисунке 7 в качестве примера показан фрагмент осциллограммы виброускорения и первообразной функции Da ( Va) на режиме №2.

о 50 100 150 200 250 300 350 400 .

Рис. 7. Осциллограмма виброускорений и первообразной ускорений Д, двигателя САТ-3114 на режиме №2 (перекрытие дросселя -85%); и — напряжение на выходе датчика, В; кр — текущее значение считываемого показания от начала данного цикла,/д = 10 кГц.

Для вычисления условного импульса момента РКМ Ьм_усл, в разработанной программе предусмотрели интегрирование значений сигнала ускорений, соответствует кривой Ва на рис. 7.

При сравнении результатов теоритического и экспериментального исследования оценивали эффект уравновешивания куР от степени перекрытия впускного коллектора кяр.

где индекс 1 означает полностью открытый дроссель (режим №1), индекс 1 -номер соответствующего режима.

^М уел 1,757 1,004

¿АЛпах, Н-м-с 1,319 0,738

Разница в определении степени уравновешивания к№ на режиме максимального перекрытия дросселя при теоретическом и экспериментальном анализе составила 2,02%.

Таким образом, доказана эффективность применения дроссельной заслонки для уменьшения возмущений от действия реактивного крутящего момента на режиме XX в дизельном двигателе. Полученные экспериментальные результаты аналогичны результатам теоритического анализа. Все это подтверждает эффективность применения дроссельной заслонки в дизельном ДВС и разработанной методики анализа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведен количественный анализ уравновешенности ДВС типа VR5, который показал, что у подобных ДВС неуравновешенны как силы инерции ВПДМ, так и моменты от них для всех возможных вариаций схем КШМ. Возмущения от действия неуравновешенного момента сил инерции ВПДМ намного больше, чем от этих сил. При увеличении угла развала возмущение от действия неуравновешенного момента сил инерции 1-го порядка (YMß) существенно возрастает. Момент от сил инерции 2-го порядка при изменении угла развала практически не изменяется. Весьма незначительно влияние положения ЦМ на неуравновешенность CA от действия моментов 1-го и 2-го порядков.

2. Показано, что импульс возмущения от действия РКМ достигает своих наибольших значений на режиме XX. Он является основным источником неуравновешенности двигателя на этом режиме. Произвести количественное сравнение возмущений от РКМ в ДВС с различными типами КШМ и оценить весьма существенную возмущения действия РКМ на режимах XX оказалось возможным с помощью нового количественного метода анализа и оценки уравновешенности.

3. Двухцилиндровый ДВС можно полностью уравновесить от действия сил инерции ВПДМ 1-го порядка и эффективно (в несколько раз) частично уменьшить возмущения обусловленные действием реактивного крутящего момента с помощью противовесов, устанавливаемых на коленчатом вале и только на одном балансирном вале. Разработаны методики определения оптимального положения координат оси балансирного вала, при которых обеспечивается наилучшее уменьшение неравномерности действия РКМ как для отдельного режима, так и для определённого поля режимов работы ДВС.

4. С использованием нового критерия оценки возмущений ДВС разработаны методики частичного уравновешивания моментов от сил инерции ВПДМ 1-го порядка с помощью противовесов коленчатого вала для ДВС типа R3, R5, VR5. Показано, что если исходное уравновешиваемое возмущение имеет годограф в виде отрезка прямой, энергию возмущения

можно уменьшить в 2 раза, а если в виде эллипса, то энергию от действия возмущающих импульсов можно уменьшить более чем в 2 раза.

5. Показано, что в одноцилиндровом двигателе положение ЦМ СА относительно центра КШМ ДВС существенно влияет на возмущения действия РКМ. Разработана методика и программа для определения оптимального положения ЦМ СА при котором существенно уменьшается импульс возмущающего действия реактивного крутящего момента. Корректировкой положения ЦМ, например, путем соответствующей установки навесного оборудования, можно значительно улучшить уравновешенность двигателя на средних и высоких оборотах.

6. Показано, что основным источником вибрации дизельных двигателей на холостом ходу является возмущение от действия реактивного крутящего (опрокидывающего) момента. Уменьшить возмущающее действие опрокидывающего момента в дизельном двигателе на холостом ходу можно путем дросселирования воздушного потока на впуске.

7. Экспериментально доказано, что при дросселировании на впуске улучшается уравновешенность дизельного двигателя, обусловленная возмущениями реактивного крутящего момента. Полученные экспериментальные результаты соответствуют результатам теоритического анализа. Применение дроссельной заслонки в дизельном двигателе является эффективной мерой уменьшения неравномерности действия РКМ. Оно является привлекательным как с практической, так и с экономической точки зрения.

Основные положения диссертации отражены в 8 печатных работах, в том числе 3 публикациях, рекомендуемых ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

В ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector