Полная версия

Главная arrow Техника arrow Динамика двигателей: уравновешивание поршневых двигателей

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Сравнительный анализ уравновешенности 6-цилиндровых двигателей типа V6 различных конструктивных схем

Двигатель внутреннего сгорания типа V6 с углом развала 90°, 3-коленным валом, имеющим разрезные шатунные шейки, обладает лучшей уравновешенностью, чем подобный двигатель типа V6 с неразрезными шатунными шейками. В обоих двигателях остается неуравновешенным момент от сил инерции 2-го порядка , °Днако из-за неравномерного чередования рабочих ходов двигатель с неразрезными шатунными шейками имеет большее возмущение от реактивного крутящего момента. В то же время следует отметить некоторую усложненность конструкции двигателя с разрезными шатунными шейками из-за необходимости установки балансирного вала для уравновешивания момента сил инерции 1-го порядка ?МЛ (при неразрезных шатунных шейках уравновешивание этого момента обеспечивается нащечными противовесами).

Рассмотрим, в какой мере меняется уравновешенность при равномерном и неравномерном чередовании рабочих ходов. Сравнительные графики протекания кривых крутящего момента 6-цилиндровых двигателей одинаковой размерности для сравниваемых вариантов приведены на рис. 3.32. Расчетный анализ по специально разработанной программе выполнен для конструктивных и нагрузочных параметров типичных для дизельных ДВС грузовых автомобилей: S - D — 120 мм, е = 18, п - 2200 мин-1, Р; = 0,89 МПа [3]. Напомним, что при равномерном чередовании рабочих ходов интервалы между соседними вспышками соответствуют 120° поворота кривошипа, при неравномерном — поочередно 90° и 150° (период результирующего крутящего момента в этом случае 240°). Неуравновешенность ДВС от действия крутящего момента определяется максимальным за цикл импульсом возмущенияLmax (см. подпараграф 3.2.2). При равномерном чередовании вспышек (кривая МК1 = /(ср)) импульс возмущения имеет величину Lmax = 2,66 Н • м • с, при неравномерном (кривая МК2Ф)):1гаах = 4,81Нмс.

Расчетные кривые крутящих моментов М = f{j) ДВС типа V6 размерности S/D = 120/120 на режиме работы л = 2200 мин, /И, = 576 Н»м при равномерном

Рис. 3.32. Расчетные кривые крутящих моментов Мк = f{j) ДВС типа V6 размерности S/D = 120/120 на режиме работы л = 2200 мин-1, /И, = 576 Н»м при равномерном (/ИК1) и неравномерном (МК2) чередовании рабочих ходов. Импульс возмущений Lmax соответствует величинам выделенных площадей: темно-серым — при равномерном, светло-серым — при неравномерном чередовании рабочих ходов

Значения импульсов возмущения от действия неравномерного крутящего момента на других режимах работы для сравниваемых ДВС приведены в табл. 3.6 и 3.7. Общая оценка возмущения для поля 20 режимов, приведенных в этих таблицах, характеризуется параметром Е, эквивалентным энергии возмущения (см. формулу (3.1)). При равномерном чередовании рабочих ходовЕ = 192(Н-м-с)2, при неравномерном—Е = 596(Н-м-с)2. Для других размеров и параметров двигателей количественные результаты будут несколько иными, но в целом при неравномерном чередовании рабочих ходов неуравновешенность ДВС рассматриваемого типа возрастает существенно.

Ниже приведена таблица значений импульсов возмущений Lmax, Н • м • с, на разных нагрузочных (Рг) и скоростных (п) режимах работы 4-тактного ДВС типа V6 размерности S/D = 120/120 при равномерном чередовании рабочих ходов.

Таблица 3.6

п, мин-1

Среднее индикаторное давление Р(, МПа

1,39

0,89

0,7

0,52

0,41

2500

2,97

2,38

2,14

1,91

1,76

2200

3,31

2,66

2,36

2,07

2,01

1800

4,22

3,23

2,86

2,63

2,42

1400

5,59

4,32

3,85

3,38

3,10

Далее дана таблица значений импульсов возмущений Lmax, Н • м • с, на разных нагрузочных (Р() и скоростных (л) режимах работы 4-тактного ДВС типа V6 размерности S/D = 120/120 при неравномерном чередовании рабочих ходов.

Таблица 3.7

п, мин-1

Среднее индикаторное давление Р{, МПа

1,39

0,89

0,7

0,52

0,41

2500

5,30

4,43

4,21

3,92

3,75

2200

5,85

4,81

4,49

4,11

3,99

1800

7,16

5,64

5,22

4,72

4,50

1400

8,94

7,21

6,48

5,81

5,53

Рассмотрим возможность уравновешивания момента от сил инерции 1-го порядка ^М;1 в ДВС типа V6 с углом развала 90°,

3-коленным валом, имеющим разрезные шатунные шейки с помощью только нащечных противовесов без применения балансирного вала. Такая схема уравновешивания упрощает конструкцию ДВС. Как было показано в подпараграфе 3.6.3, годограф этого момента — эллипс (см. рис. 3.30, а) и полное уравновешивание возможно только при установке балансирного вала. Годограф уравновешивающего момента от центробежных сил инерции нащечных противовесов — окружность. Чем больше форма эллипса момента приближается

к окружности (чем меньше разность между большой и малой осями эллипса), тем более полно можно уравновесить его только нащечными противовесами.

Обозначим символом Мц б момент от нащечных противовесов, предназначенных для уравновешивания момента от сил инерции 1-го порядка ^М;1, а символом Мост — неуравновешенную часть, тогда в векторном виде: Мост = ^М;- -Мц б.

Найдено [3], что оптимальное безразмерное значение модуля уравновешивающего центробежного момента от нащечных противовесов Мц б опт, обеспечивающее минимальное значение неуравновешенной части Мост, составляет: Мцбопт =1,67, а плоскость расположения этого момента составляет 15° с плоскостью 1-го колена. Таким образом, схема расположения нащечных противовесов для оптимального частичного уравновешивания момента Mj соответствует расположению, показанному на рис. 3.31, б. Годографы указанных моментов приведены на рис. 3.33.

Об эффективности уравновешивания момента ^М;1 рассмотренным способом можно судить по следующим данным. Максимальный безразмерный импульс Lmax от действия момента при отсутствии уравновешивания Lmax = 4,9.

При частичном уравновешивании нащечными противовесами неуравновешенность определяется возмущением от действия остаточного момента Мост: Lmax = 1,27. Таким образом, уравновешивание момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка только за счет нащечных противовесов в этом случае достаточно эффективно.

Еще больший эффект уравновешивания момента ^ Мп с помощью только нащечных противовесов в ДВС рассматриваемой схемы можно получить при уменьшении угла развала цилиндров. Выше было показано, что конструкция коленчатого вала с разрезной схемой шатунных шеек позволяет обеспечить равномерное чередование рабочих ходов при разных углах развала цилиндров у за счет соответствующего подбора углов смещения шатунных шеек 8 (см. формулу (3.19). В работе [8] рассмотрена уравновешенность ДВС типа V6 с 3-коленным валом, имеющим разрезные шатунные шейки, обеспечивающие равномерное чередование рабочих ходов, при разных углах развала цилиндров. Пять исследованных вариантов характеризовались следующими значениями углов развала у и смещения шеек 5: 1) у = 100°, 5 = 20°; 2) у = 90°, 5 = 30°; 3) у = 80°, 5 = 40°; 4) у = 70°, 8 = 50°; 5) у = 60°, 8 = 60°. Во всех вариантах обеспечивается равномерное чередование рабочих ходов при порядке работы 1—А—2—5—3—6.

Годографы безразмерных моментов от сил инерции ВПДМ 1-го порядка уравновешивающего центробежного

Рис. 3.33. Годографы безразмерных моментов от сил инерции ВПДМ 1-го порядка уравновешивающего центробежного

от нащечных противовесов Мц б onjf остаточного Мост, в ДВС типа V6 с углом развала 90°, 3-коленным валом, имеющим разрезные шатунные шейки, обеспечивающие равномерное чередование

рабочих ходов

Для каждого варианта количественно оценили возмущение от действия неуравновешенных моментов от сил инерции 1-го и 2-го порядков (?М;1 и ), а также нашли оптимальные параметры нащечных противовесов коленчатого вала, которые в максимальной мере уравновешивают момент ^Мл. На рис. 3.34 представлены безразмерные годографы моментов

SMA, XMj2, оптимального уравновешивающего центробежного Мц б опт и остаточного Мост для указанных выше пяти вариантов ДВС V6.

В табл. 3.8 приведены безразмерные значения параметров возмущения Lmax от действия неуравновешенных моментов и оптимальные значения центробежного момента нащечных противовесов Мц б опт для уравновешивания момента разных вариантов двигателей.

Таблица 3.8

Вариант

Y

м *

^Ц.б.ОПТ

Т/

?‘?'max

Т"

-‘-'max

Г'"

-‘-'max

5

60

1,50

0

0,53

4,2

4

70

1,57

0,42

0,56

4,5

3

80

1,63

0,85

0,59

4,7

2

90

1,67

1,27

0,61

4,9

1

100

1,70

1,68

0,64

5,1

В табл. 3.8 принято следующее обозначение символов: L'max — безразмерное значение максимального импульса от действия Мост; L"ax—безразмерное значение максимального импульса от действия Y, Mj2; L"ax — безразмерное значение максимального импульса от действия (соответствует случаю отсутствия

уравновешивания с помощью нащечных противовесов); Мц б опт— оптимальное безразмерное значение центробежного момента нащечных противовесов для уравновешивания ^ Mj .

Сравнение величин L'max и L"ax свидетельствует о достаточно высокой эффективности уравновешивания с помощью

нащечных противовесов без применения балансирного вала.

Видно, что чем меньше угол развала у, тем эффективнее уравновешивающее действие нащечных противовесов. Однако с уменьшением углов развала конструкция коленчатого вала с разрезными шатунными шейками ослабляется вследствие меньшего перекрытия шеек при увеличении угла смещения шеек 5 (рис. 3.35).

Из соображений обеспечения достаточной прочности коленчатого вала практически возможно реализовать угол развала не менее у = 80°, при котором необходимый угол смещения шатунных шеек составит не более 5 = 40°. Впрочем, оптимальная величина развала у будет зависеть от конкретных особенностей проектируемого ДВС: диаметров шеек, хода поршня, материала коленчатого вала и др.

Годографы безразмерных моментов в ДВС типа V6 с разными углами развала от сил инерции первого ?/И (линия 3) и второго порядка ^/Wy (линия 2), центробежного, уравновешивающего М

Рис. 3.34. Годографы безразмерных моментов в ДВС типа V6 с разными углами развала от сил инерции первого ?/И;1 (линия 3) и второго порядка ^/Wy2 (линия 2), центробежного, уравновешивающего Мц б опт

(линия 4) и остаточного Мост (линия 1):

а —у = 100°, 8 = 20°; б — у = 90°, 8 = 30°, в — у = 80°, 8 = 40°, г —у = 70°, 8 = 50°, д — у = 60°, 8 = 60°

Схема определения зоны перекрытия шатунных шеек коленчатых валов с разрезными шатунными шейками

Рис. 3.35. Схема определения зоны перекрытия шатунных шеек коленчатых валов с разрезными шатунными шейками

Таким образом, в ДВС типа V6 с 3-коленными валами, имеющими разрезные шатунные шейки, обеспечивающие равномерное чередование рабочих ходов, в некоторых случаях можно выполнять уравновешивание момента сил инерции ВПДМ 1-го порядка с помощью только нащечных противовесов. Особенно это целесообразно при углах развала менее 90°. При этом будет обеспечена хорошая уравновешенность как от действия крутящего момента, так и от действия моментов сил инерции, и не потребуется установка балансирного вала.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>