Уравновешивание двс: Уравновешивание двигателей внутреннего сгорания | ЖЕЛЕЗНЫЙ-КОНЬ.РФ

Уравновешивание двигателей

При работе поршневых двигателей в результате действия в них периодических неуравновешенных сил возникает вибрация.

К пе­риодическим неуравновешенным силам относятся силы инерции поступательно-движущихся частей и вращающихся масс двига­теля. Вибрации подвергаются сам двигатель, машинный фундамент и корпус судна. Вибрация ухудшает эксплуатацию, ослабляет прочность конструкций и приводит к их разрушению.

 

 

В результате ускорения движущихся частей возникают силы инерции прямолинейно-движущихся и вращающихся масс.

Рассмотрим силы инерции, возникающие в одноцилиндровом двигателе (рис. 225). Так как ускорение в данный момент направ­лено вниз, то сила инерции поступательно-движущихся масс Р_и направлена вверх. К прямолинейно-движущимся массам относятся массы поршня, ползуна, штока и 40% массы шатуна. Центробеж­ная сила J_ц вращающихся масс направлена от центра вала по кри­вошипу и может быть заменена составляющими: вертикальной

J_в и горизонтальной J_г силами.

К неуравновешенным вращающимся массам относятся массы шейки мотыля, эксцентричной части щек и 60% массы шатуна. Вдоль оси цилиндра будет действовать сила R = J_п + J_в. Эта сила стремится оторвать двигатель вместе с фундаментной рамой с места, а сила J_г—«сдвинуть» двигатель в горизонтальной плоскости. Так как обе силы знакопеременные, то это вызывает вибрацию фундамента и корпуса судна.

Для многоцилиндрового двигателя в каждом цилиндре дейст­вуют силы R и J_г: они стремятся вращать двигатель вокруг его центра тяжести. Полностью уравновешенным считается двигатель, у которого все силы инерции и моменты от сил инерции поступа­тельно-движущихся и вращающихся масс равны нулю.

Для уравновешивания двигателей применяют противовесы и соответствующее расположение кривошипов коленчатого вала. Уве­личение числа цилиндров двигателя и правильный выбор элемен­тов движения улучшают уравновешенность двигателя. В многоци­линдровом двигателе угол между кривошипами последовательно работающих цилиндров выбирается из условия равномерности вспышек и рабочих ходов, что выравнивает крутящий и опрокиды­вающие моменты. Противовесы размещают либо на щеках колен­чатого вала, либо в двух шестернях, установленных в остове двига­теля и вращающихся в разные стороны (динамический проти­вовес).

Расчет уравновешенности двигателей производится аналитиче­ским или графическим методом. В первом случае исходят из того, что центробежная сила инерции от неуравновешенных масс J_ц

=  т_цR?², где т_ц — эксцентрично вращающиеся массы, приведен­ные к радиусу кривошипа, кг; R — радиус кривошипа, м; ? — угло­вая скорость, 1 / сек.

Для уравновешивания центробежной силы инерции J_ц 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 т_п—масса поступательно-движущихся частей, кг;

а — ускорение, м/сек².

Подставив значение ускорения а из формулы (172), получаем

где — m_пR?²cos ? = P

и I —сила инерции первого порядка;

— m_пR?²cos 2? = P_{и 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 = m_пR / 2m. Для уравновешивания сил второго порядка используют динамические проти­вовесы, вращающиеся с удвоенной угловой скоростью. Такие про­тивовесы усложняют конструкцию двигателя, а поэтому их редко применяют в судовых двигателях.

Графический метод исследования неуравновешенности заклю­чается в построении многоугольников сил и моментов. Многоуголь­ники строят из произвольной точки О. В принятом масштабе от­кладывают векторы сил и моментов, соответствующие направле­нию сил в данный момент. Замыкающие стороны соответствующих многоугольников будут равны неуравновешенным силам или их моментам. В замкнутых многоугольниках силы и моменты будут уравновешены. Графический метод уравновешивания пятицилиндрового двухтактного двигателя приведен на рис. 227.

Исходные данные: число цилиндров — пять, отношение ?=R / L = 0,22, частота вращения 2,03 об/сек, радиус кривошипа R = 0,6 м; масса поступательно-движущихся частей т_п = 7500 кг; масса вра­щающихся частей т_ц=4500 кг; величина R?²=10; расстояние от оси i-го цилиндра к середине коленчатого вала h

i.

Для удобства расчет действующих сил инерции и моментов от этих сил сводим в табл. XIII. Как видно из рисунка, силы инерции вращающихся масс J_ц, силы инерции поступательно-движущихся масс первого порядка Р_пI и второго порядка Р_пII и полностью урав­новешены— многоугольники замкнуты. Моменты M_ц, М_иI, М_II— неуравновешены.

Исследование уравновешивания многоцилиндровых двигателей дает возможность сделать следующие выводы:

1. Зеркальное расположение кривошипов позволяет полностью уравновесить моменты первого и второго порядков при числе ци­линдров ?6.

2.  Моменты сил инерции первого и второго порядков полностью уравновесить при незеркальном расположении кривошипов нельзя.

3.  С увеличением числа цилиндров качество уравновешивания двигателя улучшается.

Уравновешивание двигателей — Тракторы и автомобили (Инженерия)

Цель лекции: Познакомиться с условиями и способами уравновешивания современных автотракторных двигателей.

7.1 Уравновешенность и уравновешивание поршневых двс

В кшм постоянно действуют непрерывно изменяющиеся силы и моменты, и если они не уравновешенны, то вызывают сотрясение и вибрацию двигателя, передаются раме трактора или автомобиля.

Различают внешнюю и внутреннюю неуравновешенность двс.

Внешняя неуравновешенность – это наличие периодичных сил инерции и моментов сил инерций, а также опрокидывающего момента – которые передаются на опору двигателя.

Внутренняя неуравновешенность – это возникновение в поперечных сечениях блока цилиндров и других деталях упругих сил и моментов, т. е. возникают внутренние сгибающие и скручивающие моменты. Расчёт внутренних сил и моментов применяют для оценки деформаций блока цилиндров, напряжений и вибраций.

Мы будем рассматривать только внешнюю неуравновешенность двигателя.

К неуравновешенным силам и моментам относятся:

а) силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс

и центробежные силы вращающихся масс ;

Рекомендуемые материалы

б) продольные моменты сил инерции  и , возникающие в многоцилиндровых двигателях от неуравновешенных сил  и ;

в) Крутящий момент  и равный ему, но противоположно направленный опрокидывающий момент .

Уравновешенность – это такое состояние двигателя, при котором он полностью уравновешен.

Двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы, силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению, или равны 0.

Условия уравновешенности двигателя с любым числом цилиндров принято записывать в виде:

а)   и  — результирующие силы инерции первого порядка и их моменты равны 0.

б)  и  — результирующие силы инерции второго порядка и их моменты равны 0.

в)  и  — результирующие центробежные силы инерции и их моменты равны 0.

Уравновешивание – это комплекс конструктивных, производственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на уменьшение или полное устранение неуравновешенных свободных сил инерции и моментов.

Уравновешивание может осуществляться!

а) Подбором определенного числа цилиндров, их расположением и выбором соответствующей схемы коленчатого вала;

б) Установкой дополнительных масс;

в) Установкой дополнительных механизмов.

При расчете сил и моментов сил инерции используют выражения:

;

;

;

;

;

.

L_ц – расстояние между осями цилиндров;

m_j, m_R – неуравновешенные массы поступательно движущихся и вращающихся частей КШМ одного цилиндра.

n – число цилиндров двигателя.

7.2 Уравновешивание одноцилиндрового двигателя.

в одноцилиндровом двигателе:

 эти силы неуравновешенны

неуравновешенных моментов нет

т. к. одиночные силы не создают момента.

7.2.1Силы инерции первого порядка P

_j1

P_j1 может быть уравновешенна установкой масс 2m_прj на продолжении щек к. в.

т. е.

т. е.  — перенос P_j1 из верхней плоскости в горизонтальную

Вывод: установкой двух противовесов на продолжении щек можно уравновесить P_j1. Однако при этом возникает горизонтальная составляющая центробежной силы этих дополнительных масс, вызывающая вибрацию двигателя в горизонтальной плоскости, которой не было до установки этих масс.

Чаще всего P_j1 уравновешивают не полностью, а частично (чаще на 50%), т. е.

        — частичное уравновешивание P_j1

Следовательно, максимальное воздействие от силы P_j1 на корпус двигателя при наличии такой дополнительной массы всегда будет на 50% меньше.

Частичное уравновешивание P_j1 происходит в результате частичного переноса действия силы инерции из вертикальной плоскости в горизонтальную.

Полностью сила P_j1 может быть уравновешенна только с помощью специального механизма.

В специальном механизме приводятся во вращение две дополнительные массы m’ с угловой скоростью .

 — при такой массе m’_пр горизонтальные составляющие их центробежных сил при любых углах φ взаимно уравновешиваются, а вертикальные составляющие дают равнодействующую , которая равна силе P_j1, но направлена в противоположную сторону.

7.2.2 Сила инерции второго порядка – P

_j2.

P_j2 может быть полностью уравновешенна только с помощью специального механизма, так же как и P_j1. Однако дополнительные массы должны иметь частоту вращения .

т. е.

Этот способ используется в двигателе А–41. Однако из-за сложности и громоздкости уравновешивающего механизма используется редко.

7.2.3 Центробежная сила К

_R.

К_R – полностью уравновешивается установкой на щеках к. в. 2 одинаковых противовесов.

Масса каждого из противовесов будет равна:

 — условие полного уравновешивания К_R и частичного (50%) P_j1.

7.3 Уравновешивание двух цилиндрового двигателя.

7.3.1 Одностороннее расположение кривошипов.

Порядок работы 1 – 2, промежуток между вспышками — 360⁰

; ;  — уравновешенны, так как действующие силы и плечи приложения этих сил равны.

Уравновешивание двухцилиндрового двигателя осуществляется таким же способом, что и одноцилиндрового.

7.3.2 Кривошипы расположены под углом 180

⁰

Порядок работы 1-1, чередование вспышек 180⁰ и 540⁰.

не уравновешенны.

Полностью уравновесить  — можно только путем установки специального механизма, (уравновешивающего механизма) как для одноцилиндрового двигателя.

Момент сил инерции первого порядка:

 — не уравновешен.

L_ц – расстояние между осями цилиндров.

 — с помощью противовесов, устанавливаемых на крайних щеках к. в. можно полностью или частично перенести из вертикальной плоскости в горизонтальную.

т.е.

 — условие полного переноса из вертикальной плоскости в горизонтальную.

Момент сил инерции второго порядка уравновешен

.

Момент центробежных сил.

 — действует во вращающейся плоскости колен. вала и м. б. полностью уравновешен противовесами m_прR – на плече ρ_R.

 — условие уравновешивание момента центробежных сил.

b – расстояние между противовесами.

7.4 Уравновешивание однорядного четырехцилиндрового двигателя (с кривошипами под углом 180

⁰).

Порядок работы 1-3-4-2 (или 1-2-4-3), чередование вспышек – 180⁰.

Модели двигателей:         СМД – 14, Д – 50, Д – 240, М – 21, М – 24, ВАЗ и др.

Из схемы расположения кривошипов и направления сил инерции в двигателе можно сделать выводы:

—  — силы инерции первого порядка уравновешенны;

—  — результирующая сил инерции второго порядка не уравновешенна

 — может быть уравновешенна с помощью дополнительного уравновешивающего механизма.

 — центробежные силы инерции К_R для всех цилиндров равны и попарно взаимно уравниваются.

,   ,    

моменты сил инерции первого, второго порядков и центробежных сил – уравновешенны.

Несмотря на конструктивное уравновешивание центробежных сил инерции, в некоторых четырехцилиндровых двигателях на коленчатом валу устанавливают противовесы для разгрузки коренных подшипников от действия этих сил.

7.5 Уравновешивание шестицилиндрового рядного

двигателя.

Порядок работы: 1-5-3-6-2-4; 1-4-2-6-3-5.

Чередование вспышек — 120⁰

Кривошипы расположены под углом 120⁰.

Используется на двигателях ЗИЛ – 164, ЗИЛ – 120, ГАЗ – 52, УРАЛ – 5М.

шести цилиндровый двигатель можно представить как два спаренных трехцилиндровых двигателя.

1)

Тогда:

 — силы первого порядка уравновешенны;

2)

 — силы второго порядка уравновешенны;

3)

 — центробежные силы инерции уравновешенны

.

шести цилиндровый рядный двигатель полностью уравновешен, однако некоторые двигатели имеют противовесы для разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил.

7.6 Уравновешивание двухцилиндрового

V — образного двигателя

(γ – угол развала 90⁰).

Анализ уравновешенности двухцилиндрового V – образного двигателя можно распространить и на многоцилиндровые V – образные двигатели, так как они состоят из определенного количества двухцилиндровых секций, работающих на один и тот же коленчатый вал.

чередование вспышек 270⁰ и 450⁰.

γ – угол развала 90⁰

1) Силы инерции первого порядка:

Для первого цилиндра: 

Для второго цилиндра:

Линии действия сил  и  пересекаются в точке О, они взаимно пенпердикулярны.

Равнодействующая этих сил:

 — равнодействующая сил построена по значению и всегда направлена по радиусу кривошипа.

Эта сила может быть уравновешенна увеличением масс противовесов, которые устанавливают для продолжения щек кривошипа.

Равнодействующая направлена по радиусу кривошипа, так как:

;     ;    

Добавочная масса для одного из двух противовесов определяется

, откуда

2) Силы инерции второго порядка.

для первого цилиндра

для второго цилиндра

т. е.  — т. е. абсолютные значения равны, но противоположны по направлению

Равнодействующая этих сил:

 — равнодействующая Р_j2 изменяется по гармоническому закону, не уравновешенна и передается на опоры двигателя.

Поскольку силы Р’_j2 и Р’’_j2 всегда равны по абсолютной величине и противоположны по знаку, их равнодействующая  действует всегда по горизонтали.

Причем при значениях φ:

φ=0…45⁰; 135⁰…225⁰; 315⁰…360⁰ – направлена влево

φ=45⁰…135⁰; 225⁰…315⁰ – направлена вправо

Направление  (из графика j₂=f(φ)).

Центробежная сила инерции — К_R

так как на одной кривошипной шейке расположено два шатуна, то

 — масса шатунной шейки и средней части щеки;

 — приведенная масса шатуна, отнесенная к оси кривошипа к его нижней головке

 — приведенная масса щеки к оси кривошипа

 — уравновешивается с помощью противовесов, установленных на продолжении кривошипа.

,   

Тогда общая масса противовеса будет: ( и )

Так как силы инерции  и  действуют в одной плоскости, то они не создают неуравновешивающего момента

;     ;       .

7.7 Уравновешивание V  -образного шести цилиндрового двигателя

с углом развала между цилиндрами 90⁰ и тремя спаренными кривошипами под углом 120⁰.

СМД – 60, 62, ЯМЗ – 236.

Порядок работы цилиндров: 1л-1п-2л-2п-3л-3п; 1-4-2-5-3-6

чередование вспышек: 90⁰ и 150⁰.

Коленчатый вал такого двигателя можно рассматривать как тройную секцию из двухцилиндровых V – образных двигателей, где для секций:

1) Равнодействующая сил инерции первого порядка для всего двигателя (проекция на вертикальную ось).

2) Сила инерции второго порядка для одной секции:

 — изменяется по закону косинуса двойного угла и всегда горизонтальна.

Вектор момента пенпердикулярен плоскости его действия и направлен в сторону, смотря из которой мы видим вращение против часовой стрелки.

И имеет направление:

Сумма равнодействующих сил инерции:

3)  — центробежные силы также действуют по радиусу кривошипа, как и результирующие силы инерции первого порядка , поэтому:

.

4) Суммарный момент от сил инерции первого порядка действует во вращающейся плоскости, и равен моменту, создаваемому силами  и  (первого и третьего кривошипа на плече 2L_ц).

По теореме косинусов ()

Учитывая, что

или

5) Момент от центробежных сил, также, как и , так как направление этих сил совпадает.

Определим плоскость действия этих моментов по отношению к плоскости первого кривошипа.

Из геометрического построения видно, что φ₁=30⁰ или аналитически по теореме синусов

        

Следовательно действие суммарного момента сил инерции первого порядка () и момента от центробежных сил () можно уравновесить одновременно, установкой противовесов массой () на концах вала в плоскости действия суммарного момента (), т. е. под углом  и плоскости первого кривошипа.

b – расстояние по оси коленчатого вала между противовесами.

1) Если направление сил определено, то момент по схеме складывается сразу.

2) Если силы возьмем в одном направлении, то знаки учтем по значениям функций.

6) Суммарный результирующий момент от сил инерции второго порядка находят как сумму моментов относительно средней точки.

 — действует момент в горизонтальной плоскости.

Найдем угол поворота кривошипа φ, при котором этот момент  будет иметь максимальное значение.

Для этого функцию  исследуем на max.

Возьмем производную

  

        

период изменения j₂=90⁰

7.8 Уравновешивание V – образного восьмицилиндрового двигателя

с углом развала цилиндров 90⁰.

ЯМЗ – 238, ЗИЛ – 130, ЗИЛ – 111, ЗИЛ — 375, ГАЗ – 66, КАМАЗ – 740

Кривошипы пространственного коленчатого вала расположены в двух взаимно пенпердикулярных плоскостях.

Промежуток между вспышками – 90⁰

угол развала γ=90⁰

порядок работы 1л-1п-4л-2л-2п-3л-3п-4п;     1-5-4-2-6-3-7-8

Равнодействующая силы инерции первого порядка.

 — силы инерции первого порядка взаимно уравновешенны.

Суммарный момент этих сил  ().

 — в вертикальной плоскости (1-4 кривошип)

 — в горизонтальной плоскости (2-3 кривошип)

действие моментов под углом 90⁰, поэтому:

;

3) Равнодействующие силы инерции второго порядка всегда направлена по горизонтали для каждой секции двигателя пенпердикулярна к оси коленчатого вала двигателя.

Сумма этих равнодействующих сил равна 0.

так как:

4) Равнодействующая центробежных сил равна 0.

5) Суммарный момент сил инерции второго порядка.

Возьмем момент относительно середины (точка А).

6) Суммарный момент центробежных сил действует в той же плоскости, что и равнодействующий момент сил инерции первого порядка :

т. е.

Очевидно, что сумма двух результирующих моментов будет равна

 — действует во вращающейся плоскости.

Уравновешивание этих моментов  осуществляется противовесами, путем установки двух противовесов на концах коленчатого вала, в плоскости действия моментов, (т. е. под углом α=18⁰26’) масса противовесов:

b – расстояние между противовесами m_пр по оси коленчатого вала.

ρ – расстояние от центра тяжести общего противовеса до оси коленчатого вала.

Угол вращающейся плоскости установки противовесов.

2-3 секции:

1-4 секции:

Вам также может быть полезна лекция «13 Теоретические основы решения задач на пэвм».

Различия в уравновешивании восьмицилиндровых двс.

1. ЯМЗ – 238 – под углом 18⁰26’ – на всех щеках

2. ЗИЛ – 130 – ПОД УГЛОМ 11⁰ на щеках крайних кривошипах, под углом 25⁰ – на щеках средних кривошипах.

3. КАМАЗ – 740 на первой и последней щеках кривошипов.

Основы балансировки двигателя

Дом, Библиотека, Автозапчасти, Аксессуары, Инструменты и оборудование, Книги, Автомобильный БЛОГ, Ссылки, Индекс

Ларри Карли, авторское право AA1Car.com

Вы, наверное, слышали, что балансировка двигателя — это хорошо, потому что она улучшает плавность работы двигателя и увеличивает срок его службы. Все двигатели сбалансированы на заводе, но некоторые из них сбалансированы с гораздо более жесткими допусками, чем другие, особенно двигатели с высокими оборотами. Балансировка имеет решающее значение для высокооборотистого двигателя, потому что силы, создаваемые любым дисбалансом, умножаются экспоненциально по мере увеличения оборотов двигателя.

Со временем эти силы могут сократить срок службы коренных и шатунных подшипников, а также самого коленчатого вала. Вибрации могут привести к усталости металла и, в конечном итоге, к поломке коленчатого вала.

Причины, по которым двигатели внутреннего сгорания (как бензиновые, так и дизельные) нуждаются в балансировке, заключаются в том, что они имеют ВРАЩАЮЩИЕСЯ и ВОЗВРАЩАЮЩИЕСЯ детали. Вращающиеся части вращаются вокруг и вокруг, часто с чрезвычайно высокими скоростями, в то время как возвратно-поступательные части движутся вверх и вниз также с высокими скоростями.

ВРАЩАЮЩИЕСЯ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ

Основными вращающимися частями двигателя являются коленчатый вал, маховик, гармонический балансир и шкив кривошипа. Распредвал(ы) также вращаются, но вращаются со скоростью ПОЛОВИНЫ скорости кривошипа, поэтому любой дисбаланс в распределительном валу оказывает гораздо меньшее влияние на вибрацию и износ. Кроме того, распределительный вал имеет относительно небольшой диаметр по сравнению с коленчатым валом и маховиком, поэтому опять же любой дисбаланс имеет гораздо меньшее влияние.

Дисбаланс создает наибольшую силу и вибрацию, когда дополнительная масса расположена дальше от оси вращения. Чем дальше груз, тем большую центростремительную силу он создает при вращении. Это то, что заставляет часть качаться при вращении, если она не сбалансирована. Из-за этого разбалансированный маховик относительно большого диаметра и тяжелый будет создавать большую вибрацию, чем шкив, гармонический балансир, кулачок или кривошип, которые имеют дисбаланс.

ЦЕНТРОБЕЖНАЯ И ЦЕНТРОБЕЖНАЯ СИЛА

Термины «центростремительная» и «центробежная» сила часто используются, когда речь идет о балансировке двигателя. В основном обе силы создаются за счет инерции и кинетической энергии вращающегося объекта. Привяжите камень к концу веревки и вращайте его, и вы почувствуете силу, натягивающую веревку.

Центробежная сила — это внешнее притяжение, которое вращающаяся масса оказывает на вращающийся объект. Сила идет прямо от оси вращения. Это сила, которая заставляет кривошип, маховик или гармонический балансир раскачиваться при вращении.

Центробежная сила равна массе вращающегося объекта (или тяжелой точки на кривошипе или маховике), умноженной на квадрат скорости вращения, деленному на радиус или расстояние от оси вращения.

Сила = масса x (квадрат скорости вращения, деленный на радиус вращения)

Коленчатый вал с дисбалансом всего в две унции-дюйма при 2000 об/мин будет испытывать вибрационную силу 14,2 фунта. При 4000 об/мин усилие возрастает до 56,8 фунта. Снова удвойте скорость до 8000 об/мин, и усилие экспоненциально возрастет до 227,2 фунта! Это большая сила, дергающая коленчатый вал вбок. Изгиб в конечном итоге вызывает усталость металла, растрескивание и выход из строя коленчатого вала.

Центростремительная сила , для сравнения, это сила, которая препятствует тому, чтобы вращающаяся масса улетела по своей собственной траектории. Это внутренняя сила, которая уравновешивает центробежную силу.

ЧАСТИ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Поршневые детали внутри двигателя, которые больше всего влияют на баланс, — это поршни и шатуны. Другие части также совершают возвратно-поступательное движение, например толкатели клапанов, толкатели, коромысла и клапаны, но любой дисбаланс в этих частях почти не влияет на вибрацию или долговечность. Почему? Потому что, как и распределительный вал, клапанный механизм совершает возвратно-поступательное движение с ПОЛОВИНОЙ скорости вращения коленчатого вала. Кроме того, отдельные части относительно малы и очень легки по сравнению с массой вращающегося кривошипа и маховика.

При балансировке двигателя поршни, поршневые пальцы, поршневые кольца и верхние части шатунов взвешиваются для расчета возвратно-поступательного веса. С другой стороны, вес больших концов шатунов и шатунных подшипников рассчитывается как часть вращающегося веса.

Большинство коленчатых валов имеют большие ПРОТИВОВЕСА как часть литья или поковки. Целью этих больших противовесов является компенсация вибраций, создаваемых возвратно-поступательным движением веса верхних штоков, поршневых пальцев, поршней и поршневых колец. Когда кривошип вращается, расположение противовесов таково, что они создают свои собственные центростремительные силы, чтобы компенсировать или уравновешивать силы, создаваемые поршнями, движущимися вверх и вниз. Если двигатель точно отбалансирован, один будет идеально компенсировать другой, а вибрация будет минимальной или отсутствовать вовсе.

КАК ДОСТИГАЕТСЯ БАЛАНСИРОВКА ДВИГАТЕЛЯ

Базовая процедура балансировки двигателя начинается с взвешивания всех компонентов, совершающих возвратно-поступательное движение (маленьких головок шатунов, поршней, поршневых пальцев и поршневых колец) на высокоточных цифровых граммовых весах. После того, как все веса отдельных компонентов записаны, идентифицируются самые легкие части. Затем аналогичные детали шлифуют или обрабатывают, чтобы они соответствовали весу самой легкой детали. Идея состоит в том, чтобы все поршни имели одинаковый вес, а все шатуны имели одинаковый вес выхлопа (все большие концы одинаковые, а все маленькие концы одинаковые).

Детали двигателей, выпускаемых серийно на заводе, имеют приблизительно одинаковый вес, но насколько точно набор поршней или шатунов действительно соответствует одному и тому же весу, зависит от производителя и области применения. Для низкооборотного двигателя точное согласование веса поршней и шатунов менее критично, чем согласование веса поршня и шатуна в высокооборотном двигателе или гоночном двигателе.

Для хорошего баланса поршни и шатуны обычно имеют одинаковый вес плюс-минус 2 грамма. Один грамм равен 1/28 унции или примерно равен весу долларовой банкноты. Чем ближе матч, тем лучше.

Следующий шаг зависит от типа двигателя (рядный, V-образный или оппозитный) и типа коленчатого вала. В прямом рядном четырех- или шестицилиндровом двигателе следующим шагом будет установка коленчатого вала на балансировочный станок и вращение его для выявления любого вращающегося дисбаланса. Датчики и оборудование в машине для балансировки двигателя точно определят место и величину дисбаланса, поэтому исправления могут быть внесены путем удаления металла с противовесов коленчатого вала или, в некоторых случаях, путем добавления грузов для компенсации дисбаланса.

Если кривошип имеет тяжелое место, вес обычно снимается путем просверливания отверстий в противовесе(ах) рядом с тяжелым местом. Или внешний диаметр противовеса(ов) может быть уменьшен на токарном станке по мере необходимости, чтобы удалить тяжелую точку.

Если кривошипу необходимо добавить вес в области для достижения баланса, это делается путем просверливания отверстия в противовесе (ах) рядом с легкой областью, а затем вставки заглушки из тяжелого металла, называемого металлом Мэллори. Мэллори — это 90-процентный вольфрамовый сплав, плотность которого в два раза больше плотности стали.

Другим фактором, который необходимо учитывать при балансировке двигателя, является то, как он сбалансирован. Многие двигатели имеют внутреннюю балансировку, что означает, что вся балансировка зависит от противовесов коленчатого вала. Следовательно, на балансировочном станке необходимо вращать только кривошип, чтобы определить любые дисбалансы, которые могут вызвать вибрации.

Другие двигатели имеют внешнюю балансировку, что означает, что баланс кривошипа также зависит от общего баланса кривошипа, маховика и гармонического балансира. Следовательно, кривошип с внешней балансировкой должен вращаться с маховиком (или гибкой пластиной, если двигатель соединен с автоматической коробкой передач) и гармоническим балансиром, прикрепленным к кривошипу. Любые необходимые исправления могут включать сверление отверстий или добавление Мэллори не только к противовесам кривошипа, но также к маховику и/или гармоническому балансиру. Это зависит от расположения тяжелого пятна и от того, как проще всего его исправить.

BOBWEIGHTS

Перед вращением кривошипа на балансировочном станке к шатунным шейкам коленчатого вала прикрепляют грузы, чтобы имитировать вращающуюся и возвратно-поступательную массу шатунов и поршней в двигателе V6 или V8. Бобышки изготавливаются путем укладки утяжеленных прокладок вместе, а затем зажимания бобышек на шатунных шейках.

Бобышки обычно не требуются при балансировке четырехцилиндрового кривошипа с плоской плоскостью, поскольку шатунные шейки расположены на 180 градусов друг от друга. Такое расположение создает возвратно-поступательные силы, которые естественным образом компенсируют и компенсируют друг друга. То же самое относится к двигателям типа «боксер», таким как Subaru или Porsche, где поршни расположены горизонтально друг к другу на противоположных сторонах коленчатого вала. Силы, создаваемые движением противоположных поршней, компенсируют и компенсируют друг друга (при условии, что все они имеют одинаковый вес).

Грузы

собраны таким образом, чтобы они составляли 100 % вращающегося веса (большие концы шатунов и подшипники шатунов) и 50 % возвратно-поступательного веса (маленькие концы шатунов, а также поршни, поршневые пальцы и поршневые кольца), а также дополнительную 4 грамма на масло.

Для двигателей с высокими оборотами (7000+ об/мин) некоторые эксперты рекомендуют увеличить величину возвратно-поступательного движения массы до 53 процентов или до 55 процентов, если двигатель увидит высокую сторону 9000 об/мин. Это называется «перебалансировкой» двигателя, чтобы компенсировать силы сгорания, которые сами по себе могут создавать дисбаланс.

Грузы, равные возвратно-поступательному весу верхних штоков и поршней, собираются и устанавливаются на шатунные шейки коленчатого вала.

Затем коленчатый вал вращается, а датчики на балансировочном станке обнаруживают вибрации. Программное обеспечение балансировщика рассчитывает, где находится дисбаланс и насколько он велик, чтобы можно было внести исправления. Второе вращение после внесения исправлений подтвердит балансировку кривошипа.

НАСКОЛЬКО ТОЧНЫМ ДОЛЖЕН БЫТЬ БАЛАНСИРОВКА?

На типичном бензиновом четырехцилиндровом, рядном шестицилиндровом двигателе V6 или V8 заводская балансировка должна составлять одну унцию-дюйм (28,35 грамма) или меньше. Многие двигатели последних моделей сбалансированы с еще более жесткими допусками: ½ унции дюйма (14 граммов) или даже унции ¼ дюйма (7 граммов).

Для низкооборотных дизельных двигателей балансировка коленчатого вала гораздо менее важна из-за более низких оборотов, при которых обычно работают эти двигатели. Дисбаланс будет иметь меньшее влияние на запуск и плавность работы двигателя. Тем не менее, для больших дизельных двигателей тяжелых грузовиков, рассчитанных на многие сотни тысяч миль, даже небольшой дисбаланс может со временем сказаться.

Одна унция на дюйм означает, что на один дюйм от центра кривошипа приходится одна унция дисбаланса.

Для двигателя с высокими оборотами чем меньше дисбаланс, тем лучше. Многие из этих двигателей сбалансированы до 2 граммов или меньше!

Заводские допуски балансировки обычно достигаются путем однократного вращения кривошипа, внесения всех необходимых исправлений, а затем повторного вращения кривошипа, чтобы убедиться, что исправления исправили дисбаланс. Но для достижения еще более точного уровня дисбаланса требуется несколько вращений, исправлений и перепроверок, пока кривошип не станет настолько хорошим, насколько это возможно. Все балансировочные машины имеют небольшую погрешность (около половины грамма), поэтому существует предел того, насколько близко к нулевому дисбалансу вы можете приблизиться.

ЗАМЕНА ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ИЗМЕНЯЕТ БАЛАНСИРОВКУ

Если вы перестраиваете двигатель и заменяете один или несколько поршней или шатунов новыми деталями или заменяете коленчатый вал другим заводским кривошипом или более длинным ходовым кривошипом, первоначальный баланс будет потерян, и все основные детали должны быть взвешены и отбалансирован для минимизации вибраций.

Некоторые комплекты шатунов для послепродажного обслуживания предварительно сбалансированы с соответствующими по весу шатунами и поршнями. Это делает сборку двигателя быстрее и проще, потому что вам не нужны услуги механического цеха для балансировки деталей.

ВИБРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ

Если у вас есть проблема с вибрацией двигателя, скорее всего, это не связано с внутренней балансировкой, а, скорее всего, является результатом сломанной или разрушенной опоры двигателя, опоры трансмиссии или коробки передач. Заметные вибрации на холостом ходу почти всегда говорят о плохой опоре двигателя.

---

Статьи по теме:

Опоры двигателя

Распространенные причины отказа двигателя

Советы по восстановлению двигателя

Click Here to See More Carley Automotive Technical Articles

---

Be sure to visit our other websites:

AA1Car Automotive Diagnostic & Repair Help

Auto Repair Yourself

Carley Automotive Software

OBD2HELP

Random-Misfire

ScanToolHelp

КОДЫ НЕИСПРАВНОСТЕЙ

Взвешивание при балансировке

Некоторые известные производители двигателей заявляют, что надлежащая балансировка может добавить двигателю 20 лошадиных сил.

Независимо от того, строите ли вы серийный двигатель, двигатель с высокими оборотами или тихоходный дизельный двигатель, вы не можете упускать из виду важность баланса. Каждый раз, когда поршни в поршневом двигателе внутреннего сгорания меняют направление, они создают силу. Эта сила создается возвратно-поступательным движением и вращением массы узла поршня и штока. Если эта сила не уравновешена равной и противоположной силой, она создаст вибрацию.

В низкооборотном двигателе небольшая вибрация может показаться едва заметной. Но на протяжении многих миль и миллионов циклов даже небольшая вибрация может сказаться на коленчатом валу и подшипниках.

В высокооборотном двигателе любой дисбаланс увеличивается экспоненциально по мере увеличения числа оборотов. Небольшой дисбаланс на 1000 об/мин становится огромным дисбалансом на 8000 об/мин. Дисбаланс всего в несколько унций может создать силу более 200 фунтов. на 8000 об/мин! Это сильная тряска и нагрузка на нижнюю часть двигателя.

Большинство гонщиков не особо заботятся о NVH (резкость шума и вибрации), но им нравится финишировать в гонках. Двигатель с сильным дисбалансом может буквально затрястись до смерти. Силы, создаваемые дисбалансом, могут вызывать усталостные трещины в коленчатых валах и коррозию подшипников. Так что если что-то сломается в результате разбалансировки сил внутри двигателя, гонка для нашего горе-конкурента окончена.

Владельцы легковых автомобилей и легких грузовиков действительно заботятся о NVH, и они также хотят, чтобы их двигатель прослужил как можно больше миль. Двигатель, который не сбалансирован должным образом, может создавать раздражающие вибрации и гармоники, которые ощущаются во всей трансмиссии и шасси. И даже несмотря на то, что двигатель, возможно, никогда не нагружается так сильно, силы, создаваемые дисбалансом, со временем сократят срок службы двигателя и других компонентов трансмиссии (включая опоры двигателя).

Для тихоходных дизельных двигателей баланс может показаться не таким уж важным. Но большинство дизелей — трудолюбивые двигатели, поэтому даже небольшой дисбаланс в течение длительного периода времени может сократить срок службы коленчатого вала и подшипников. Водители грузовиков, путешествующие по бездорожью, также ценят дизельный двигатель с плавным ходом и минимальным шумом и шумом.

Балансировка не только снижает NVH для более плавной работы двигателя, но и повышает надежность и долговечность двигателя за счет минимизации сил внутри двигателя, которые могут нанести ему вред.

 

Сведение к минимуму проблем с балансировкой

Основная идея балансировки двигателя состоит в том, чтобы максимально уравнять возвратно-поступательные силы и убедиться, что вся вращающаяся масса (коленчатый вал и нижняя половина шатунов) находится в равновесии, чтобы кривошип плавно вращается вокруг своей центральной оси.

Когда вращающийся объект, такой как коленчатый вал, маховик или шина, выходит из равновесия, он качается, потому что его центр масс не совпадает с осью вращения. Тяжелое пятно хочет сдвинуть объект с центра, когда он вращается.

Центростремительная сила, создаваемая дисбалансом, экспоненциально увеличивается со скоростью вращения (удвоение скорости увеличивает силу в четыре раза), вызывая сотрясение или вибрацию.

Для балансировки вращающегося объекта необходимо поместить его в балансировочный станок, чтобы можно было точно определить тяжелое место. В случае балансировочного стенда груз, равный дисбалансу, затем прикрепляется к ободу колеса напротив тяжелой точки, чтобы уравнять силы.

При использовании коленчатого вала или маховика значительно легче облегчить тяжелое место, чем добавить вес, поэтому балансировочный станок точно определяет тяжелое место, чтобы можно было просверлить отверстие или отверстия в компоненте для уменьшения дисбаланса. Обычно требуется несколько вращений и исправлений, прежде чем будет достигнут баланс.

Самая сложная часть — балансировка возвратно-поступательных сил внутри двигателя V6 или V8. В отличие от сил вращения, которые вращаются вокруг оси вращения, возвратно-поступательные силы движутся вперед и назад.

В одноцилиндровом двигателе нет ничего, что противостояло бы этим силам, кроме противовеса на коленчатом валу.

Если масса противовеса равна весу верхней половины штока, поршня, поршневого пальца и колец, силы будут уравновешены, и двигатель будет работать ровно.

В противном случае двигатель будет трястись.

 

Баланс между коленчатым валом и связанными с ним компонентами имеет решающее значение для обеспечения плавной и бесперебойной работы силовой установки.

Балансировка различных типов двигателей

В горизонтально расположенном четырехцилиндровом двигателе два поршня всегда движутся внутрь, когда два поршня выходят наружу.

Следовательно, силы, равные и противоположные, по существу уравновешиваются при условии, что веса каждого узла поршня и штока равны. Балансировка этих типов двигателей довольно проста, потому что все, что вам нужно сделать, это уравнять вес узлов поршня и штока.

В рядном четырехцилиндровом двигателе два поршня движутся вверх, а два поршня — вниз. Движения поршней компенсируют друг друга, но, поскольку они не расположены горизонтально, коленчатому валу нужны противовесы для компенсации возвратно-поступательных сил.

Все становится намного сложнее, когда мы начинаем говорить о двигателях V6 и V8, потому что один ряд поршней движется под углом к ​​другому ряду поршней.

Это создает силовые взаимодействия, которые необходимо компенсировать за счет тщательного размещения противовесов на коленчатом валу.

В 90-градусном двигателе V6 или V8 масса противовесов должна равняться 100% вращающейся массы (нижняя половина шатунов и шатунных подшипников) плюс 50% возвратно-поступательной массы (верхняя половина шатун, поршень, поршневой палец и кольца) умножить на два (поскольку каждая шатунная шейка имеет два шатуна и два поршня).

Также необходимо добавить несколько дополнительных граммов, чтобы компенсировать масло в подшипниках и прилипание к деталям. Общая масса, которую вы получите в итоге, — это то, чему должны быть равны противовесы, чтобы сбалансировать двигатель.

Например, если каждый поршень весит 680 граммов, поршневые пальцы весят 190 граммов, набор колец весит 60 граммов, а маленький конец штока весит 290 граммов, общий возвратно-поступательный вес каждого поршня и верхнего узла штока составляет 1220. грамм. Возьмите половину этого количества (610 грамм), затем умножьте на два, и мы получим 1220 грамм возвратно-поступательного веса, который необходимо компенсировать противовесами на коленчатом валу. К этому мы должны добавить вращающийся вес большой головки каждого шатуна и подшипника (650 грамм), также умноженный на два, потому что на шейку приходится два шатуна. В итоге мы получаем общий вес 2520 граммов, который противовесы должны компенсировать, чтобы сбалансировать двигатель. Это называется «бобовым грузом», по которому коленчатый вал уравновешивается с помощью привинченных грузов.

При балансировке 90-градусного коленчатого вала V6 или V8 грузики, составляющие 50 % совершающей возвратно-поступательное движение массы и 100 % вращающейся массы, собираются и прикрепляются к каждой шатунной шейке коленчатого вала для имитации шатунов и поршней. Затем кривошип уравновешивается грузами, обычно путем сверления противовесов для выравнивания сил.

Противовесы также можно фрезеровать, чтобы снять вес для получения более чистого и аэродинамического результата, но для этого необходимо снять кривошип с балансира и снять грузики, чтобы кривошип можно было фрезеровать, а затем осторожно установить грузики в то же положение, что и раньше. и повторите вращение кривошипа, чтобы увидеть, нужны ли дополнительные исправления.

В двигателях V6 с углом развала цилиндров 60 градусов угол между поршнями меньше, поэтому при расчете возвратно-поступательной массы для бобышек необходимо использовать другое значение. Это будет варьироваться в зависимости от приложения и может варьироваться от 35% до 40 или 45%. Значение также может варьироваться в зависимости от того, есть ли в двигателе уравновешивающие валы.

Уравновешивающие валы имеют смещенные грузы, которые помогают противостоять как динамическим вибрациям двигателя, так и вибрациям, вызванным неравномерным порядком зажигания. Уравновешивающие валы должны быть правильно синхронизированы с коленчатым валом, иначе силы не будут компенсировать друг друга, что приведет к нежелательным вибрациям.

В некоторых случаях может потребоваться увеличение веса коленчатого вала, чтобы компенсировать более тяжелые поршни/шатуны. Это можно сделать, просверлив отверстия в противовесах и установив вольфрамовые заглушки из тяжелого металла (Mallory).

Если противовесы недостаточно тяжелые для полной внутренней балансировки двигателя, можно добавить дополнительные грузы к маховику, гибкой пластине и/или гармоническому балансиру, чтобы компенсировать любой остаточный дисбаланс. Это называется внешней балансировкой двигателя. Внешняя балансировка двигателя требует установки маховика, гибкой пластины и/или гармонического балансира на коленчатый вал, когда он вращается на балансировочном станке.

Двигатели, внешне отбалансированные на заводе, включают более старые малоблочные двигатели Ford (302 и 351W) и Chevy 400. все отбалансировано с завода.

Внутренняя балансировка всегда предпочтительнее, поскольку она удерживает компенсирующий вес ближе к силам возвратно-поступательного движения, которые необходимо сбалансировать. Перемещение груза к любому концу коленчатого вала иногда может создавать дополнительные динамические силы, которые сами по себе вызывают вибрации. Кроме того, изменение положения индекса маховика или гармонического балансира на двигателе с внешней балансировкой (или замена любого компонента) нарушит баланс.

На большинстве шатунов V8 имеется только шесть противовесов для экономии средств и уменьшения веса. Противовесы расположены таким образом, что они смещают не только узлы поршня и штока на собственных шейках, но и соседние шейки. Некоторые гоночные шатуны доступны с восемью противовесами (по два на каждую пару поршней), что часто помогает еще лучше снизить вибрации на высоких оборотах, особенно на шатунах с длинным ходом.

Противовесы коленчатых валов обычно изготавливаются для определенного целевого веса. Другими словами, размер, расположение и масса противовесов предназначены для компенсации определенного веса поршня и штока (плюс-минус пару процентных пунктов). Со штатными кривошипами вес бобышки более или менее равен весу штатных поршней и шатунов. Для высокопроизводительных шатунов доступны различные грузы в зависимости от комбинации шток/поршень, которую вы хотите использовать. Если шатуны и поршни легче целевого веса коленчатого вала, противовесы придется просверливать или фрезеровать, чтобы сбалансировать двигатель. Аналогичным образом, если поршни / шатуны тяжелее целевого веса кривошипа, для достижения надлежащего баланса потребуются тяжелые металлы и / или внешняя балансировка.

Это важная информация, о которой следует помнить, если вы используете детали от разных поставщиков или заменяете один комплект поршней или шатунов более легким комплектом поршней или шатунов. Вы можете получить несоответствие, которое потребует много сверления или фрезерования для достижения надлежащего баланса.

Говоря о балансировке, большинство двигателей V6 и V8 с углом развала цилиндров 90 градусов имеют «нейтральную» балансировку, что означает, что они сбалансированы с использованием 100 процентов вращающегося веса и 50 процентов возвратно-поступательного веса поршней и штоков. Нейтральный баланс работает лучше всего в большинстве приложений, потому что все силы смещены и равны. Но в некоторых высокоскоростных приложениях, таких как NASCAR, где двигатель может работать на частоте от 8000 до 9500 об/мин или выше для большей части гонки этого может быть недостаточно. Побочные эффекты сгорания на таких скоростях могут создавать дополнительные силы, которые, возможно, придется компенсировать «разбалансировкой» двигателя.

Некоторые производители двигателей говорят, что они добились дополнительной мощности и плавности хода на высоких оборотах, слегка разбалансировав двигатель. Вместо того, чтобы использовать стандартный возвратно-поступательный вес 50% при расчете своего веса боба, они используют 51 или 52% или что-то еще для достижения определенного перевеса.

Это, очевидно, нарушит нормальный баланс двигателя при более низких оборотах, но может дать некоторые преимущества в производительности при высоких оборотах. Единственный способ узнать наверняка, дает ли перебалансировка какой-либо значительный выигрыш, — это проверить двигатель на динамометрическом стенде.

Насколько точно должен быть отбалансирован двигатель? Это зависит от применения, но чем ближе вы сможете приблизиться к нейтральному балансу, тем лучше, особенно для высокооборотных двигателей.

Несколько производителей коленчатых валов, с которыми мы беседовали для этой статьи, заявили, что рабочие коленчатые валы должны быть сбалансированы с точностью плюс-минус 2 грамма или меньше.

Многие электронные кривошипно-балансировочные станки имеют точность до 0,1 грамма (0,004 унции), поэтому балансировка может быть почти нулевой. Но чем ближе вы приближаетесь к нулю, тем больше вращений и исправлений требуется для достижения почти идеального баланса.

На самом деле двигатель не обязательно должен быть так близко, чтобы быть достаточно хорошим. Большинство стандартных уличных двигателей будут работать достаточно плавно, если они сбалансированы до 1 унции. (28 граммов), хотя многие двигатели последних моделей имеют гораздо более жесткие заводские характеристики (всего от 4 до 6 граммов). Для высокоскоростных приложений стремитесь к рекомендуемым 2 граммам или меньше.

Если вы покупаете вращающийся узел (кривошип, шатуны и поршни) у поставщика, покупка предварительно сбалансированного узла сэкономит вам время и усилия и обеспечит плавную работу двигателя.

Если вы покупаете кривошип у одного поставщика, а поршни и шатуны — у других поставщиков, узнайте точный вес деталей, чтобы определить целевой вес кривошипа ДО покупки кривошипа.

Это упростит процесс балансировки и сведет к минимуму количество операций сверления или фрезерования кривошипа для балансировки двигателя.

Поставщики высокопроизводительных поршней и шатунов в наши дни справляются с задачей точного согласования веса деталей. Тем не менее, вы все равно должны взвесить все детали и выровнять их по самым легким в наборе при расчете целевого веса для коленчатого вала.

 

Советы по балансировке

Если вы выполняете балансировку двигателя самостоятельно, одним из ключей к достижению надежной воспроизводимости является точная калибровка вашего оборудования.

Сюда входит не только балансировочный станок, но и весы, которые вы используете для взвешивания отдельных деталей. Вы также должны последовательно следовать одним и тем же процедурам.