Полная версия

Главная arrow Техника arrow Динамика двигателей: уравновешивание поршневых двигателей

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Определение параметров нащечных противовесов коленчатого вала для уравновешивания центробежных сил и моментов

Центробежные инерционные силы и моменты от НВМ постоянны по величине и переменны по направлению. Их годографы являются окружностями. Для многоцилиндровых ДВС в некоторых случаях их результирующие равны нулю, так как взаи- моуравновешиваются действием соседних колен вала. Уравновешивание осуществляют с помощью нащечных противовесов.

Эти противовесы могут быть выполнены как заодно со щекой коленчатого вала, так и в виде отдельных элементов, прикрепляемых к специальным местам коленчатого вала.

Для уравновешивания необходимо расположить нащечные противовесы так, чтобы результирующие всех центробежных сил и моментов от них были равны нулю: с=0,^Мс=0.

Например, в 2-цилиндровом ДВС с показанной на рис. 2.1 схемой расклинки кривошипов центробежные силы от НВМ взаимоуравновешены Х?с =0)? а для уравновешивания центробежного момента достаточно двух противовесов с массами Мпр1 и Мпр , располагаемых на радиусах гпр1 и гпр2 (расстояния от оси вращения до центра соответствующих масс).

Схема уравновешивания момента от центробежных сил

Рис. 2.1. Схема уравновешивания момента от центробежных сил

в ДВС типа R2

С учетом обозначений рис. 2.1 дисбаланс (статический момент) противовесов должен удовлетворять условиям: Мгфпр1 =М„р2пр2 = Mr-R-a/b. Чем больше размер Ь, тем меньше необходимая для уравновешивания величина дисбаланса противовесов. Поэтому для уменьшения металлоемкости коленчатого вала нащечные противовесы в этом случае целесообразно располагать на крайних щеках, как показано на рис. 2.1 (практически из условий обеспечения внутренней уравновешенности их чаще располагают на всех четырех щеках).

Рассмотрим уравновешивание центробежных сил и моментов для общего случая при произвольном расположении кривошипов. На рис. 2.2, а показана схема, состоящая из трех произвольно расположенных НВМ кривошипов, характеризуемых величинами дисбаланса М(т(, углами расположения ср( (углы между вертикальной плоскостью и плоскостями кривошипов, на схеме это углы между радиус-векторами дисбалансов и осью ординат У) и расстояниями а( до центра масс СА (точка А).

Схемы произвольно расположенных кривошипов (а) и противовесов для уравновешивания центробежных сил и моментов (б)

Рис. 2.2. Схемы произвольно расположенных кривошипов (а) и противовесов для уравновешивания центробежных сил и моментов (б)

Для уравновешивания всех центробежных сил и моментов необходимо подобрать параметры дисбалансов противовесов МПР;. • гпр , углы их установки фпр. и места расположения по длине коленчатого вала, так, чтобы выполнить условия: ?РС= О,

^ Мс = 0 (в некоторых случаях эти условия представляют в виде равенств нулю проекций сил и моментов на осиХи = О,

YPcy=0,lMcx=0,?JMcy=0).

Один из возможных способов состоит в том, что сначала находят параметры одного противовеса, обеспечивающего выполнение условия ^Рс = О (на рис.2.2, б это параметры Мпр , гпр1, Фпр), а затем — параметры пары противовесов, обеспечивающие выполнение условия ^)МС =0 (на рис. 2.2, б это параметры Мпр2, гпр2, 5пр, К). Эти три противовеса в принципе могут уравновесить все центробежные силы и моменты при любом числе и расположении кривошипов. Параметры одного противовеса, уравновешивающего центробежные силы всех НВМ кривошипов, могут быть найдены из условий '?РСХ=0,су = О- Из этого следует:

откуда может быть найден дисбаланс противовеса и угол его установки

Место установки этого противовеса по длине коленчатого вала (характеризуемое размером апр — расстоянием от радиус- вектора противовеса до центра масс — точки А) может быть задано произвольно, например, из конструктивных соображений.

Параметры пары противовесов для уравновешивания центробежных моментов могут быть найдены из условий: ^ Мсх = О, ?Мсу = 0 (с учетом вычисленных параметров противовеса Мпр , г„Р1, Фпр)- Из этого следует:

Из этих уравнений могут быть найдены необходимые для уравновешивания центробежного момента параметры пары противовесов — дисбаланс Мпр • гпр2 и расстояние между ними (плечо)К:

Здесь величиной К можно задаваться произвольно при условии выполнения приведенного выше равенства.

Угол плоскости установки пары противовесов 8пр (рис. 2.2, б) с учетом приведенных выше уравнений может быть найден по формуле

Рассмотренный способ уравновешивания с помощью трех противовесов является не единственным. Такую задачу можно выполнить и иными способами. Наиболее простое решение состоит в том, чтобы установить против каждого кривошипа (на продолжении его радиуса) два нащечных противовеса с таким же дисбалансом как у НВМ данного кривошипа (2Мпр. • гпр. = Mt -Rj). Хотя такое решение связано с увеличением металлоемкости, оно иногда применяется. Например, для уравновешивания ДВС типа R3 в некоторых случаях устанавливают шесть нащечных противовесов (по два на каждый кривошип), так что НВМ каждого колена уравновешены парой нащечных противовесов (рис. 2.3, а).

Схемы размещения шести (а) и двух (б) нащечных противовесов коленчатого вала для уравновешивания моментов от центробежных сил в двигателе типа R3

Рис. 2.3. Схемы размещения шести (а) и двух (б) нащечных противовесов коленчатого вала для уравновешивания моментов от центробежных сил в двигателе типа R3

В данном случае уравновешивания центробежного момента можно было достигнуть установкой всего двух противовесов, как показано на рис. 2.3, б, дисбаланс и угол установки которых определяются по указанным выше формулам (2.3), (2.4), однако тогда оставались бы не уравновешены внутренние моменты, изгибающие шейки вала.

Заметим, что в этом ДВС результирующая центробежных сил ? Рс не требует уравновешивания, так как она равна нулю. Как уже указывалось выше (см. главу 1), мероприятия, направленные на уменьшение действия переменных сил и моментов, действующих только внутри остова двигателя (не передающихся на опоры), называют внутренним уравновешиванием. Например, для этих целей устанавливают нащечные противовесы в двигателе типа R4, где действие центробежных сил и моментов от НВМ кривошипов не передается на опоры (эти силы и моменты взаимоуравновешиваются и без дополнительных противовесов). Этот двигатель «внешнеуравновешен» от действия центробежных сил и моментов естественным способом. Однако при этом на шейки вала действуют внутренние изгибные моменты. Чтобы уменьшить их действие, устанавливают нащечные противовесы, как показано на рис. 2.4.

Схема размещения нащечных противовесов коленчатого вала в двигателе типа R4, предназначенных для разгрузки подшипников от действия центробежных моментов

Рис. 2.4. Схема размещения нащечных противовесов коленчатого вала в двигателе типа R4, предназначенных для разгрузки подшипников от действия центробежных моментов

Из этих же соображений для уравновешивания моментов от центробежных сил на щеках коленчатого вала часто устанавливают не два противовеса, что теоретически возможно для целей внешнего уравновешивания при любой схеме ДВС, а большее, обычно четное число. Покажем это еще и на примере распространенного ДВС типа V8 с углом развала цилиндров 90° и крестообразным коленчатым валом (рис. 2.5). Здесь для внешнего уравновешивания моментов от действия сил инерции масс совершающих ВПД и НВМ достаточно разместить два противовеса, как показано на рис. 2.5, а. На практике же часто в таких двигателях устанавливают шесть противовесов, как показано на рис. 2.5, б, хотя встречаются и другие варианты с иным числом и углами установки.

Схемы размещения нащечных противовесов на крестообразном коленчатом валу ДВС типа V8 для вариантов с двумя (а) и шестью противовесами (б)

Рис. 2.5. Схемы размещения нащечных противовесов на крестообразном коленчатом валу ДВС типа V8 для вариантов с двумя (а) и шестью противовесами (б)

При большем числе противовесов не только уменьшаются моменты, изгибающие подшипники вала (т. е. решаются вопросы внутреннего уравновешивания), но и увеличивается собственная частота крутильных колебаний коленчатого вала, что позволяет исключить резонанс от этих колебаний. Параметры противовесов (дисбалансы, углы установки) находят из условия равенства нулю всех центробежных моментов: = О, ^ Мсу = 0, откуда определяются только два параметра, необходимые для уравновешивания: модуль (см. формулу (2.3)) и направление действия (см. формулу (2.4)) результирующего момента от всех противовесов. Если число противовесов, предназначенных для уравновешивания момента, больше двух, то общее число параметров, характеризующих положение всех противовесов, больше. В таком случае некоторые параметры можно варьировать произвольно (выбирать число противовесов, дисбаланс отдельных противовесов, расстояния между ними, углы их установки) при соблюдении двух указанных выше параметров для результирующего момента. Поэтому для каждого типа ДВС можно осуществить множество различных вариантов размещения нащечных противовесов для уравновешивания моментов от центробежных сил.

Заметим, что в некоторых конструкциях ДВС (R4, R6) применяется симметричная схема расположения кривошипов коленчатого вала. В таком случае результирующая центробежных сил и главный момент от них равны нулю и без применения противовесов, т. е. обеспечено «самоуравновешивание». Таким образом, установка противовесов здесь требуется только для целей внутреннего уравновешивания (разгрузки коренных подшипников).

После определения величин дисбалансов противовесов необходимо решить конструкторскую задачу определения формы и размеров каждого нащечного противовеса.

Для простых форм нащечных противовесов существуют формулы, связывающие основные размеры и дисбаланс.

Например, если противовес выполнен в виде части кругового сектора (рис. 2.6, а), то между величиной его дисбаланса и основными размерами существует следующее соотношение:

где р — плотность материала противовеса; b — толщина противовеса; R1hR2 — радиусы (см. рис. 2.6, а). Для противовеса, выполненного в виде кругового сегмента, (рис. 2.6, б) дисбаланс определяется по формуле

где |/ — угол сегмента; R — его радиус.

Основные размеры нащечных противовесов, выполненных в виде кругового сектора (а) или сегмента (б)

Рис. 2.6. Основные размеры нащечных противовесов, выполненных в виде кругового сектора (а) или сегмента (б)

Из формул (2.5), (2.6) по заданному дисбалансу Дпр можно найти один из конструктивных размеров противовеса (либо толщину, либо угол, либо радиус), задав остальные, или варьировать несколькими размерами, решая задачу итерационным способом.

Использование компьютерных технологий существенно повышает эффективность проектирования конструкции противовеса. Так, в программе AutoCAD имеется возможность после проектирования нащечного противовеса (создания чертежа фрагмента противовеса в данной программе), используя специальные опции из меню программы, сразу найти числовые значения его объема, массы и дисбаланса (статического момента) относительно оси коленчатого вала. Причем такой анализ можно выполнить для противовеса любой формы и даже при разной толщине по поверхности. Таким образом, после предварительного проектирования противовеса можно сразу оценить его дисбаланс и затем оперативно выполнять корректировку его размеров и формы для обеспечения требуемого дисбаланса, сравнивая при этом металлоемкость разных вариантов. С точки зрения снижения металлоемкости целесообразно выполнять противовесы с наибольшим (по компоновочным условиям) наружным радиусом и переменной толщиной (утолщение вблизи наружного радиуса). По этим соображениям траектория крайней точки противовеса (при вращении коленчатого вала) обычно расположена всего в нескольких миллиметрах от внутренней стенки картера ДВС. Конечно, при проектировании необходимо выполнять и другие требования к конструкции (достаточную прочность, технологичность).

На рис. 2.7 показаны нащечные противовесы коленчатых валов автомобильных ДВС BMW и Ford-Fokus 2.

Конструкции нащечных противовесов коленчатых валов ДВС BMW (слева) и Ford-Fokus 2, представленные в разных видах (а) и (б) в рабочих окнах программы AutoCAD

Рис. 2.7. Конструкции нащечных противовесов коленчатых валов ДВС BMW (слева) и Ford-Fokus 2, представленные в разных видах (а) и (б) в рабочих окнах программы AutoCAD

Изображения представлены в рабочих окнах программы AutoCAD. Показанная на рисунке точка начала осей координат расположена на оси коленчатого вала, относительно нее определяется дисбаланс.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>