Полная версия

Главная arrow Техника arrow Динамика двигателей: уравновешивание поршневых двигателей

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Сравнительный анализ виброактивности ДВС типа R5 с различными вариантами схем КШМ. Уравновешивание

Общая количественная оценка виброактивности от действия неуравновешенных моментов сил инерции ВПДМ 1-го и 2-го порядков может быть выполнена по величине максимального импульса суммарного момента за период, учитывающего не только величины амплитуд суммируемых инерционных моментов, но и разный период их действия (360 и 180° соответственно). В параграфе 3.2.2 было показано, что импульс определяется выражением: Lmax = Dmax ~ Dmin• Для рассматриваемого случая Dmax и Dmin соответствуют максимальному и минимальному значениям первообразной результирующего момента ^MZj- от сил инерции ВПДМ за период = XМл +^jMj2). В табл. 3.5 даны безразмерные

значения импульсов Lmax, найденных по данным безразмерных моментов, приведенных в табл. 3.4. Учитывая сравнительный характер оценок, первообразные считали по углу поворота коленчатого вала ф, рад, а не по времени:

Ниже приведена таблица безразмерных значений импульсов возмущения Lmax, рад, от действия неуравновешенного результирующего момента сил инерции ВПДМ для различных вариантов схем КШМ ДВС типа R5 (в этих расчетах значение кинематического параметра принято X = 0,25).

Таблица 3.5

Номер

варианта

Порядок

работы

1шах

Номер

варианта

Порядок работы

Lmax

1

1 2 4 5 3

1,74

13

1—4 523

6,91

2

1—2—3—5—4

3,72

14

1—4 253

8,49

3

1 2 3 4 5

5,26

15

1—4 325

9,95

4

1 2 5 4 3

3,74

16

1—4 235

9,49

5

1 2 4 3 5

7,50

17

1—4 532

3,72

6

1—2—5—3—4

6,91

18

1—4 352

6,91

7

1—5—2—3—4

9,95

19

1 3 2 4 5

7,47

8

1—5—3—2—4

9,49

20

1—3—2—5—4

6,91

9

1 5 3 4 2

7,45

21

1 3 5 4 2

1,74

10

1 5 2 4 3

9,49

22

1 3 4 5 2

3,72

И

1 5 4 3 2

5,25

23

1 3 4 2 5

9,49

12

1 5 4 2 3

7,48

24

1—3—5—2—4

8,49

Из приведенных в табл. 3.5 данных видно, что наименьшей виброактивностью от действия неуравновешенных моментов и YjMj2 обладают схемы КШМ, соответствующие вариантам № 1 и № 21.

Во всех ДВС типа R5 уравновешивают центробежный момент ?МС. Это можно осуществить разными способами размещения нащечных противовесов: как минимум двумя противовесами, располагаемыми по краям коленчатого вала (рис. 3.19, а).

Схемы уравновешивания результирующего центробежного момента ?М ДВС типа R5

Рис. 3.19. Схемы уравновешивания результирующего центробежного момента ?Мс ДВС типа R5:

а — с помощью двух противовесов на коленчатом валу (для порядка работы 1—3—5—2—4); б — с помощью 10 нащечных противовесов коленчатого вала

Угол плоскости расположения радиусов противовесов определяется фазовым сдвигом момента от сил инерции 1-го порядка и для каждого варианта может быть найден по данным табл. 3.4. Параметры схемы с двумя противовесами определяются по формуле

где Мпр — масса каждого противовеса; гпр — расстояние от оси вращения до его центра масс; к — расстояние между противовесами (см. рис. 3.19, а), величина ^Мс определяется из выражения (3.16). По причинам, изложенным в параграфе 2.2, предпочтительно применять для уравновешивания момента YjMc не два, а большее число противовесов. Обычно для этих целей устанавливают 10 противовесов, как показано на рис. 3.19, б. В этом случае они независимо от выбранной схемы КШМ располагаются на продолжении радиусов кривошипов каждой щеки. При 10 противовесах (см. рис. 3.19, б) дисбаланс каждого из них определяется по формуле Мпртпр = Mr-R-0,5 для всех вариантов схем КШМ. Рекомендации по конструированию таких противовесов изложены в параграфе 2.2.

Уравновешивание моментов от сил инерции ВПДМ в ДВС типа R5 пока применяется редко, его стали использовать сравнительно недавно (с начала XXI в.). Ныне все серийные модели выполняют с порядками работы 1—2—4—5—3 или 1—3—5— А—2, обеспечивающими минимально возможное возмущение от действия этих моментов. Интересно, что, несмотря на существенно различающиеся значения безразмерных амплитуд неуравновешенных моментов 1-го и 2-го порядков в этих вариантах— от сил инерции 1-го порядка = -0,449,2-го порядка

;-а=-4,98 (см. табл.3.4) — их возмущающее действие почти одинаково. Это объясняется тем, что, во-первых, в окончательном выражении для момента от сил инерции 2-го порядка присутствует коэффициент X, равный приблизительно 0,25; во-вторых, длительность (период) этого момента в 2 раза меньше, чем момента Y^h. Для пояснения на рис. 3.20 показаны графики изменения этих моментов по углу поворота коленчатого вала t за период: jM;i=/(t), YMj =f(t), YjM-zj = fit) (здесь для момента YMj учтена величина X).

На графиках светло-серым цветом выделена площадь, соответствующая максимальному за период импульсу возмущения Lmax от действия момента Y Мп; темно-серым — от действия момента YMj; серыми пятнами выделена площадь, соответствующая действию результирующего момента Y^ij- Как видно, импульсы возмущения от действия моментов YjMj 1 и YMj2 почти одинаковы. Физическое действие этих моментов пояснено выше (см. рис. 3.18): моменты действуют в вертикальной плоскости, их годографы — горизонтальные отрезки.

Различные фирмы по-разному решают вопрос дополнительного уравновешивания рассмотренной схемы с помощью балансирных валов. Ведь в этом случае одинаково целесообразно уравновешивать либо YМд, либо в ДВС типа R5 легкового

автомобиля фирмы Fiat осуществлено уравновешивание момента от сил инерции 1-го порядка Y^h с помощью одного балансирного вала. Конструктивная схема установки балансирного вала в ДВС фирмы Fiat показана на рис. 3.21.

Общие положения по компоновке балансирных валов были рассмотрены в параграфе 2.5. На рис. 3.22 показана расчетная схема размещения балансирного вала в рассмотренном выше 5-цилиндровом двигателе для уравновешивания этого момента.

Графики протекания неуравновешенных моментов в ДВС типа R5 для варианта КШМ № 1 (см. табл. 3.4), имеющего порядок работы 1—2—4—5—3

Рис. 3.20. Графики протекания неуравновешенных моментов в ДВС типа R5 для варианта КШМ № 1 (см. табл. 3.4), имеющего порядок работы 1—2—4—5—3:

выделенные площади под кривыми соответствуют значениям импульсов Lmax, определяющим виброактивность

Конструктивная схема размещения одного балансирного вала в двигателе типа R5 фирмы Fiat

Рис. 3.21. Конструктивная схема размещения одного балансирного вала в двигателе типа R5 фирмы Fiat

Расчетная схема уравновешивания результирующего момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ^/W  помощью четырех противовесов

Рис. 3.22. Расчетная схема уравновешивания результирующего момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ^/Wy] с помощью четырех противовесов, попарно устанавливаемых на коленчатом валу и одном балансирном валу в ДВС типа R5 (для порядка работы 1—3—5—2—4)

Уравновешивание достигается взаимодействием двух

пар противовесов: парой противовесов, устанавливаемых на коленчатом валу на произвольном расстоянии w друг от друга с дисбалансом каждого Мпр1пр , и парой, установленной на балансирном валу с дисбалансом Мпр2пр2 и произвольном расстоянием с (рис. 3.22). Уравновешивание момента обеспечивается при выполнении условий

где величина амплитуды момента Мпр]пр1 определяется из формулы (3.14).

Примечание: для схемы КШМ с порядком работы 1—2—4— 5—3 амплитуда ^M;ia = 0,449М • R- а - со2.

Углы плоскостей расположения противовесов относительно первого колена определяются фазовым сдвигом в уравнении гармоники ?МЛ. При таком симметричном (одинаковые углы установки на балансирном и коленчатом валах) расположении противовесов создаваемый ими результирующий момент будет действовать только в вертикальной плоскости. Противовесы для уравновешивания момента , располагаемые на коленчатом валу, устанавливаются в той же плоскости, что и противовесы для уравновешивания центробежного момента. Поэтому эти противовесы можно конструктивно совместить. В этом случае можно применить 10 (а не два, как показано на рис. 3.22) нащёчных противовесов. Тогда их следует установить на коленчатом валу на продолжении радиуса каждой щеки (аналогично тому, как показано на рис. 3.19, б). В этом случае дисбаланс каждого противовеса определится из условия: Мпр1тпр1=0,5М.К независимо от уравновешиваемой схемы КШМ. Заметим, что это будут дополнительные противовесы к тем, которые были установлены для уравновешивания центробежного момента ^Мс.

Поскольку вектор момента можно переносить по линии действия и параллельно самому себе, ось балансирного вала можно располагать произвольно по высоте (выше или ниже) и длине (вперед или назад) относительно коленчатого вала. С учетом того, что и размер с между противовесами на балансирном валу может варьироваться в широких пределах (при выполнении условия ^М;1 = 2с-Мпр2пр ), компоновка балансирного вала может быть весьма разнообразной.

В ДВС типа R5 фирмы Scania с характеристиками действия неуравновешенных моментов, как и в ДВС фирмы Fiat (первый имеет порядок работы 1—2—4—5—3, второй — 1—3—5—4— 2, однако характеристики их неуравновешенности одинаковы, как это видно из табл. 3.4) осуществлено уравновешивание момента от сил инерции ВПДМ 2-го порядка ^ Mj2.

Расчетная схема размещения балансирных валов с противовесами для уравновешивания момента ^М;-2 в рассмотренном выше пятицилиндровом ДВС показана на рис. 3.23.

Расчетная схема уравновешивания результирующего момента от сил инерции ВПДМ 2-го порядка^ Mj с помощью четырех противовесов, попарно устанавливаемых на двух балансирных валах в ДВС типа R5

Рис. 3.23. Расчетная схема уравновешивания результирующего момента от сил инерции ВПДМ 2-го порядка^ Mj2 с помощью четырех противовесов, попарно устанавливаемых на двух балансирных валах в ДВС типа R5 (для порядка работы 1—3—

5—2—4)

Эти балансирные валы должны вращаться в противоположных направлениях с удвоенной относительно коленчатого вала угловой скоростью. На них устанавливают две пары противовесов, создающих центробежные моменты. Должно выполняться условие

где величина амплитуды момента а определяется из формулы (3.10); d — расстояние между противовесами на первом балансирном валу; Мпрз • гпрз — дисбаланс каждого противовеса на этом валу; р и Мпр4 • гпр4 — аналогичные параметры второго балансирного вала (см. рис. 3.23).

Примечание: для схемы КШМ с порядком работы 1—2—А— 5—3 амплитуда ? Mj2a = 4,98М • R ? со2X ? а.

Углы наклона плоскостей расположения противовесов на балансирных валах (относительно плоскости первого колена) определены фазовым сдвигом гармонического уравнения момента сил инерции 2-го порядка (см. табл. 3.4). Для рассмотренного примера при вертикальном положении первого колена (t = 0) плоскости расположения противовесов балансирных валов должны быть симметрично наклонены к вертикальной под углами 18°. Эти балансирные валы могут располагаться произвольно по длине и высоте в блок картере ДВС. В реальных конструкциях их иногда выполняют одинаковыми, симметрично (по длине и высоте) расположенными относительно оси коленчатого вала. Так выполнено, например, в ДВС типа R5 Scania ДС-9, где специальная рама с двумя балансирными валами крепится к нижней части блока (рис. 3.24).

Рама балансирных валов для уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 2-го порядка ДВС типа R5 Scania

Рис. 3.24. Рама балансирных валов для уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 2-го порядка ДВС типа R5 Scania

Сравним эффективность уменьшения виброактивности для схемы КШМ с порядком работы 1—2—4—5—3 (и аналогичной ей 1—3—5—4—2) в случае применения балансирных валов с использованием изложенной выше методики анализа импульсов возмущения Lmax.

В случае установки одного балансирного вала уравновешивается момент сил инерции первого порядка . Вид результирующей кривой неуравновешенного момента соответствует действию момента сил инерции только второго порядка (оставшегося неуравновешенным) — графику для кривой ^М;на рис. 3.20. Значение импульса возмущения Lmax от действия этого неуравновешенного момента составит Lmax = 1,25 рад. На рис. 3.20 его значение соответствует площади, выделенной темно-серым цветом. Заметим, что без применения балансирных валов величина этого импульса составляла 1,74 рад (см. табл. 3.5).

В случае установки двух балансирных валов уравновешивается момент сил инерции второго порядка . Кривая неуравновешенного момента будет соответствовать графику для кривой на рис. 3.20. Значение импульса возмущения

в этом случае составит Lmax = 0,90 рад (на рис. 3.20 его значение соответствует площади, выделенной светло-серым цветом). Таким образом, для ДВС типа R5 со схемой КШМ, соответствующей порядку работы 1—2—4—5—3, уравновешивание момента двумя балансирными валами более эффективно, чем уравновешивание ^M;i одним балансирным валом.

Хотя теоретически возможно полное уравновешивание моментов от сил инерции ВПДМ за счет установки трех балансирных валов (комбинация двух приведенных выше схем уравновешивания), такой способ практически не применяют из-за чрезмерного усложнения конструкции уравновешивающих устройств.

Существует еще один довольно простой и эффективный способ частичного уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ? Мл, не связанный с применением балансирных валов. Для этого необходимо установить дополнительные (к тем, что используются для уравновешивания центробежного момента ?МС) нащечные противовесы с дисбалансом Мпр дтПр д на плече е, которые образуют центробежный момент Мсд = МПрд-гпрд-е (рис. 3.25). Взаимодействуя с неуравновешенным моментом ?МЛ момент Мс д может при некоторых условиях существенно уменьшить его возмущающее действие.

Рассмотрим этот способ для ДВС типа R5 с КШМ, соответствующим порядку работы 1—2—А—5—3.

Для данного варианта =0,449M-R-a-co2-cos(t + 54)

(см. табл. 3.4). Этот момент действует в вертикальной плоскости, проходящей через ось коленчатого вала, его годограф — горизонтальный отрезок (см. рис. 3.25). Годограф центробежного момента Мс д от дополнительных противовесов — окружность. Результирующий момент может быть найден векторным суммированием: ?М = + МСД. В общем случае (при произвольном значении Мс д) годограф результирующего момента имеет вид эллипса, в некоторых случаях он может иметь вид горизонтального, или вертикального отрезков либо вид окружности (как на рис. 3.25).

Схема частичного уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ^М в ДВС типа R5 с помощью нащечных противовесов, создающих центробежный момент М

Рис. 3.25. Схема частичного уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ^Му1 в ДВС типа R5 с помощью нащечных противовесов, создающих центробежный момент Мс д:

а — схема КШМ и размещения противовесов; б — годограф момента ^ Mj ; в — годограф центробежного момента Мс д; г — годограф результирующего момента ^ Mjc

Возмущающее действие неуравновешенного момента ^М: оценивается, как было показано выше, либо импульсом возмущения Lmax, либо энергией возмущения от действия импульса, пропорциональной квадрату величины импульса (см. параграф 3.2.2).

Обозначим величину центробежного момента Мс д в виде доли «к» от амплитудного значения момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка : Мсд = Будем учитывать,

что для момента ^ MJC, годограф которого в общем виде имеет вид эллипса, энергия возмущения оценивается суммой квадратов импульсов возмущений Lmax от проекций вектора момента

^ Mjc на вертикальную ^ М;су (У) и горизонтальную ^ MJCX (X) оси эллипса: e = (Lmaxy)2 +(Imaxx)2, где Lmaxy — импульс возмущения от момента Emax х импульс возмущения

от момента Y, М;сх. Оптимальное значение момента Мс д от дополнительных противовесов соответствует условию: — = 0. Таким образом, найдено, что оптимальная величина соответствует значению к = 0,5, т. е. момент Мс должен быть равен половине величины амплитуды момента ^)M;ia. Для рассматриваемой схемы: Мпрдтпр д-е = 0,2245M-R-а. Дополнительные нащечные противовесы следует располагать так, чтобы момент от них действовал в той же плоскости что и центробежный момент ?МС, т. е. под утлом 540° к плоскости 1-го колена, как показано на рис. 3.25. Этот момент можно создать не двумя противовесами, а большим числом, например, 10 нащечными противовесами, устанавливаемыми на каждой щеке коленчатого вала, аналогично схеме на рис. 3.19, б. Тогда дисбаланс каждого должен иметь величину Мпр дтпр д = = 0Д1225М-Я.

В этом случае годограф результирующего момента ?MJC представляет собой окружность (см. рис. 3.25), а его возмущающее действие меньше, чем у момента , в 2 раза при оценке по величине энергии возмущения е. Если же оценивать улучшение уравновешенности момента за счет центробежного момента Мс д по величинам импульсов возмущения Lmax, то возмущение меньше в 1,41 раз.

Рассмотренный способ частичного уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка с помощью нащечных противовесов является универсальным, пригодным не только для всех вариантов ДВС типа R5, но и для двигателей с другим числом цилиндров (2, 3)

Если на коленчатом валу ДВС типа R5 «SCANIA», имеющего два балансирных вала для уравновешивания момента от сил инерции 2-го порядка ^)Mj2, Д°полнительно установить нащечные противовесы для частичного уравновешивания момента (который в этом ДВС не уравновешен), то безразмерный импульс возмущения от действия всех неуравновешенных инерционных моментов составит Lmax = 0,64 рад, что является лучшим результатом из всех рассмотренных вариантов. Заметим, что количественная оценка виброактивности от действия неуравновешенных моментов выполнена по безразмерным значениям параметра импульса возмущений Lmax и носит общий характер, не зависящий от размеров и режимов работы ДВС типа R5.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>