99732

Уравновешенность и уравновешивание двигателей внутреннего сгорания

Лекция

Производство и промышленные технологии

Силовые факторы, вызывающие неуравновешенность поршневого двигателя. Одноцилиндровый двигатель. Многоцилиндровый двигатель. Принципы уравновешивания центробежных сил инерции и их моментов (уравновешивание коленчатых валов). Принципы уравновешивания пространственных коленчатых валов

Русский

2016-10-10

317.5 KB

0 чел.

Лекция №  5 «Уравновешенность и уравновешивание двигателей внутреннего сгорания, часть 1»

  1. Силовые факторы, вызывающие неуравновешенность поршневого двигателя

  1. Одноцилиндровый двигатель

  1. Многоцилиндровый двигатель

  1. Принципы уравновешивания центробежных сил инерции и их моментов (уравновешивание коленчатых валов)

  1. Принципы уравновешивания пространственных коленчатых валов

  1.     Принципы уравновешивания сил инерции масс, движущихся возвратно-поступательно

При работе ДВС в его конструкции возникают силы, вызывающие колебательные явления как в элементах самого двигателя («внутренняя» неуравновешенность), так и в системе автомобиль, (трактор) — двигатель («внешняя» неуравновешенность).

Внешнеуравновешенным называется такой двигатель, при установившемся режиме работы которого реакции на его опорах остаются постоянными по величине и направлению. Такой двигатель сам не совершает колебаний на опорах (подвесках), а также не передает колебательную энергию и не возбуждает колебаний в конструкции машины, на которую он установлен.

Комплекс мероприятий по улучшению уравновешенности называетсяуравновешиванием двигателя.

5.1. Силовые факторы, вызывающие

неуравновешенность поршневого двигателя

Силовыми факторами, определяющими неуравновешенность ДВС являются все силовые факторы, которые уравновешиваются реакциями опор и при этом изменяют свою величину и (или) направление.

5.1.1. Одноцилиндровый двигатель

Часть реакций опор, ответственная за уравновешенность одноцилиндрового двигателя (ОД), определяется совокупностью следующих силовых факторов(рис. 5.1):RARB,:.,Rn=f(PjI,PjII,Кr,Мопр).

В их число не входят:

газовая силаРг как не вызывающая реакций на опорах;

вес двигателяGи направлению.

Таким образом, силовыми факторами, вызывающими неуравновешенность одноцилиндрового двигателя, являются

5.1.2. Многоцилиндровый двигатель

Многоцилиндровый двигатель (МД) представляет собой совокупностьi (i — количество цилиндров) ОД, кривошипы которых повернуты друг относительно друга на угол δ, определяемый компоновочной схемой коленчатого вала, и вращаются синхронно, а рабочие процессы сдвинуты по фазе на угловой интервал в соответствии с принятым порядком работы двигателя.

На каждом из ОД действует комплекс силовых факторов, вызывающих его неуравновешенность (PjI,PjII,Кr,Мопр). Величина и направление их действия определяются положением кривошипа каждого ОД относительно его ВМТ.

Суммируясь по длине двигателя, одноименные силовые факторы могут ослаблять или усиливать неуравновешивающее действие друг друга. При этом могут возникнуть продольные моменты, уравновешивающиеся реакциями опор двигателя.

В качестве примера рассмотрим уравновешенность двухцилиндрового однорядного двигателя (i=2) с углом между кривошипами 180°—2Р (δ= 180°), схема которого приведена нарис. 5.2.

Здесь силы инерции первого порядка, действующие на первомPjI(1)=Ccosφ и втором условном ОД —PjI(2)=Ccos(φ - 180°) = -Ccosφ. Они ослабляют (в данном случае нейтрализуют) неуравновешивающее действие друг друга, так как ΣРiI= 0. Однако при этом возникает продольный момент ΣМjI =PjIa 0, который уравновешивается реакциями опор. Соответственно силы инерции второго порядка:

Отсюда следует, что силыPjII в данном случае усиливают не-уравновешивающее действие друг друга, но при этом не образуется неуравновешенный продольный момент, так как ΣMjII = 0. Аналогичный анализ центробежных сил инерции показывает, чтоKr(1)=Kr(2),Kr= 0 и ΣKr=Kra≠ 0.

Таким образом, силовыми факторами, вызывающими неуравновешенность МД, являются:

ΣРiI ΣPjII; ΣKr; ΣMjIMjII;ΣМr; ΣМопр.

Отдельные силовые факторы, перечисленные выше, не могут уравновешивать друг друга, так как имеют либо различные линии действия, либо различный закон изменения по времени. Поэтому для уравновешивания МД необходимо порознь добиваться выполнения следующих условий:

ΣРiI= 0; ΣPjII= 0; ΣKr= 0;

ΣMjI= 0; ΣMjII= 0;ΣМr= 0;

ΣМопр. = 0.

Выполнения первых шести из них возможно добиться двумя способами:

выбором рациональной компоновочной схемы ДВС (числаi и угла развала осей цилиндров γ, угла между кривошипами коленчатого вала δ);

использованием специальных уравновешивающих механизмов.

В настоящее время не существует механизмов, уравновешивающих ΣМопр, поэтому, когда речь идет о «полностью уравновешенном двигателе», имеется в виду его уравновешенность по суммарным силам инерции и их моментам.

5.2. Принципы уравновешивания

центробежных сил инерции и их моментов

(уравновешивание коленчатых валов)

Комплекс конструкторско-технологических мероприятий, направленных на выполнение условий ΣKr= 0 и ΣМr= 0, называется уравновешиванием валов.

Выполнение условия ΣKr= 0 называют статическим уравновешиванием, так как предпосылкой его выполнения является нахождение центра масс (ЦМ) вала на оси его вращения; при этом сумма статических моментов массmс относительно нее(рис. 5.3, а) должна быть равна нулю:

ΣKr=Kr(1) + ΣKr(2)=Мcт(1)ω2 =mrrω2+mr(-r)ω2= 0

Отсюда следует, что ΣKr = 0 приМcт= 0.

Контроль выполнения этого условия осуществляется в статике при медленном проворачивании вала на призмах с проверкой наличия «безразличного» равновесия во всех возможных его положениях. Выполнение ΣМr= 0 является условиемдинамического уравновешивания, так как проявляется только при вращении вала и оценивается по уровню вибрации его опор(рис. 5.3, б). Здесь ΣМr=Krа уравновешивается моментом, возникающим на опорах:Mоп =Rопb иRоп=Kra/b.

На практике выполнение условия ΣKr= 0 достигается установкой противовесов на продолжении щек коленчатого вала. Нарис. 5.4, а проиллюстрирован принцип подбора параметров противовесов для уравновешивания ΣKr на примере одноколейного вала.

Условие уравновешивания:Kr= 2Kпр, гдеKпр =Mст.прω2,Kr =mrrω2иMст.пр = 0,5mrr.

Системы противовесов на продолжении щек используются также для динамического уравновешивания коленчатого вала. Нарис. 5.4, б на примере плоского двухколенного вала продемонстрирован принцип уравновешивания ΣМr,. Противовесы на продолжении крайних щек создают пару силKпр=Mст.прω2=mпрρпрω2, которая на плечеb формирует моментMyр=Kпрb, уравновешивающий ΣМr =Krа=mrrω2а.

Отсюда следует, что динамическое уравновешивание будет иметь место приMст.пр=mrr(a/b).

При выборе количества и расположения противовесов для уравновешивания вала необходимо отдавать предпочтение тем вариантам, которые обеспечивают:

одновременное выполнение обоих условий уравновешивания (ΣKr = 0, ΣМr = 0);

минимальный суммарный статический момент всех противовесов.

Примеры неоптимальных с этих позиций систем размещения противовесов приведены нарис. 5.5.

Вариант уравновешивания одноколенного вала, представленный нарис. 5.5, а, не оптимален по сравнению с вариантомрис. 5.4, а, так как здесь приMст.пр=mrr и ΣKr = 0 появляется неуравновешенный продольный момент ΣМr =Krс. Также не рациональна схема уравновешивания плоского двухколенного вала, приведенная нарис. 5.5, б, так как в этом случае по сравнению с вариантомрис. 5.4,б для выполнения условий ΣKr = 0, ΣМr = 0 требуются противовесы с большим статическим моментомMст.пр=mrr (a/b)(Mст.пр>Mст.пр, так какb'<b).

В многоцилиндровых двигателях возможны конструкции коленчатых валов, для которых условия их полного уравновешивания выполняются автоматически без установки противовесов. Такие валы называютсясамоуравновешенными.

Этим свойством обладают, например, плоский четырехколенный вал(рис. 5.6, а), а также пространственный шестиколенный вал с углом между кривошипами 120°(рис. 5.6, б).

Для конструкций самоуравновешенных валов характерно:

четное число кривошипов (больше или равно четырем); плоскость, проходящая через геометрический центр вала перпендикулярно его продольной оси, является плоскостью зеркальной симметрии.

На практике противовесы используются и в конструкциях самоуравновешенных валов. В этом случае их назначение —разгрузкакоренных подшипников от действия центробежных сил инерции и конструкции вала от действия изгибающих моментов.

Принцип использования противовесов в самоуравновешенных валах рассмотрен нарис. 5.7 на примере плоского четырехколенного вала.

Из приведенной схемы следует, что силыКr действующие на кривошипах, нагружают опоры вала: 1-ю опору — силой 0,5 Кr;  3-ю опору — силойКr; 5-ю опору — силой 0,5 Кr.

Для их разгрузки может быть использована система противовесов, показанная нарис. 5.8.

Здесь при статическом моменте противовесовMст.пр= 0,5mrr, ΣKr = 0 и ΣМr = 0, а силы, нагружающие опоры с 1-й по 5-ю, равны нулю. Однако при этом момент от пары силКr действующих на 1-м и 2-м кривошипах,Мr(1-2), уравновешиваясь парой центробежных сил 1-го и 2-го противовесовМпр(1-2), нагружает конструкцию вала изгибающими напряжениями (все сказанное выше в равной мере справедливо и для 3-го, и 4-го кривошипов).

Для устранения данного недостатка в некоторых двигателях применяется система противовесов, приведеннаяна рис. 5.9.

В этом случаеKr, уравновешивается непосредственно на кривошипе, что позволяет при полностью уравновешенном вале (ΣKr = 0; ΣМr = 0) и полностью разгруженных опорах в значительной мере разгрузить его конструкцию от действия изгибающих моментов. Однако при этом суммарный статический момент противовесов увеличивается в 2 раза.

5.3. Принципы уравновешивания

пространственных коленчатых валов

Валы, кривошипы которых расположены в нескольких плоскостях, носят названиепространственных.

Рассмотрим принцип их уравновешивания на примере трехколенного вала с кривошипами, расположенными в трех плоскостях под углом δ = 120°.

Результирующая центробежных сил в данном случае определяется векторным суммированием силKr, действующих на отдельных кривошипах, и, как видно из рис.5.10, б, равна нулю:

Момент этих сил относительно точкиО: . Модули слагаемых моментов силKr, действующих в плоскостях 1-го и 3-го кривошипов, . Векторное суммирование этих моментов представлено на рис. 2.10,в. Отсюда следует, что модуль суммарного момента, определенный по теореме косинусов из заштрихованного треугольника,

Уголφ1, определяющий плоскость его действия относительно плоскости 1-го кривошипа, равен 30°. Уравновесить этот момент можно, создав в плоскости его действия  Для этого, как показано на рис.5.10, а, в плоскости действия ΣМr на продолжении крайних щек устанавливаются противовесы со статическим моментом  Возникающая при этом на плечеb пара сил  создает необходимый для уравновешивания моментMw.

Этот вариант размещения противовесов обеспечивает полную уравновешенность вала при минимальной суммарной материалоемкости противовесов (ΣMст.прmin). Однако при этом все коренные опоры нагружаются центробежными силами, а конструкция вала — изгибающими моментами.

Радикальный способ их разгрузки при сохранении полной уравновешенности вала — размещение противовесов на продолжении всех его щек, как это показано нарис. 5.11, но при этом максимально возрастает материалоемкость конструкции (ΣMст.прmax).

На практике часто используются комбинации этих двух схем, что позволяет частично разгрузить опоры и конструкцию вала при промежуточном значенииMст.пр.

5.4. Принципы уравновешивания сил инерции масс, движущихся

возвратно-поступательно

Идея конструкции механизма для уравновешивания сил инерции первогоPjI и второгоPjII порядков базируется на возможности представления их в виде геометрической суммы вращающихся в противоположных направлениях центробежных сил. Нарис. 5.12, а силаPjI представлена как результат сложения вектора с модулем (0,5С+), вращающегося с угловой скоростью + ω, и вектора (0,5С-), имеющего угловую частоту -ω. Здесь же приведен механизм уравновешивания силыPjI, состоящий из противовесов со статическим моментомMст.пр =mпр1ρпр1, которые размещены на двух валах, вращающихся с угловой частотой ±ω. Возникающие при этом центробежные силыКпр+ иКпр- вращаются синхронно с уравновешиваемыми ими силами 0,5С+ и 0,5С-. Условие уравновешиванияКпр =mпр1ρпр1ω2= 0,5C =0,5mjrω2 выполняется приMст.пр = 0,5mjr.

Нарис. 5.12, б показан аналогичный механизм уравновешивания силыPjII . ЗдесьPjII — геометрическая сумма сил 0,5λС+ и 0,5λС-, вращающихся соответственно с угловыми скоростями +2сω и - 2ω. Каждая из них уравновешивается центробежными силамии

, которые образуются при вращении с угловыми частотами ±2ω противовесов, имеющихMст.пр2 =mпр2ρпр2, на двух дополнительных валах. Условие уравновешиванияКпр2 =mпр2ρпр2(2ω)2= 0,5λC =0,5λmjrω2 выполняется приMст.пр2 =mпр2ρпр2=1/8λmjr.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

13708. Власть, лишенная авторитета, хуже, чем явное безвластие 15.83 KB
  Тема Власть лишенная авторитета хуже чем явное безвластие. В обществе где правит власть лишенная авторитета у народа правовое и демократическое государство существует только на бумаге. Как писал Оноре де Бальзак: Власть над которой глумятся близка к гибели. И в де...
13709. Демократия - это система,при которой у власти можно находиться лишь в результате конкурентной борьбы за мнение большинства 14.18 KB
  Демократия это системапри которой у власти можно находиться лишь в результате конкурентной борьбы за мнение большинстваКруглов.Демократия это форма правления которая существует с древнейших времен и означает власть народа то есть власть большинства.Поэтому поли
13710. Когда народ много знает, им трудно управлять 13.82 KB
  Когда народ много знает им трудно управлять Лао Цзы Высшая ценность в обществе постмодернизма быть свободным от политической системы быть индивидуальностью: свободно творить выражать свои мысли иметь отличное от всех мнение.Политическое сознание в годы советской в
13711. The 21st century has begun. What changes do you think this new century will bring? Use examples and details in your answer 2 KB
  The 21st century has begun. What changes do you think this new century will bring Use examples and details in your answer. Man through the ages has undergone many changes from the time when he depicted a herd of mammoths on the walls of his cave to these days when he can create beautiful pictures and even make coffee by use of computer technologies without leaving his favorite chair. The 20th century made huge steps in developing computer technologies and reached many goals that made o...
13712. Some people say that advertising encourages us to buy things we really do not need. Others say that advertisements tell us about new products that may improve our lives. Which viewpoint do you agree with? Use specific reasons and examples to support your 5.76 KB
  Some people say that advertising encourages us to buy things we really do not need. Others say that advertisements tell us about new products that may improve our lives. Which viewpoint do you agree with Use specific reasons and examples to support your answer. I think that everyone can divide all advertising products and services into useless ones and useful ones. It is like looking through an information desk when you pay attention to those messages that interest you. Take me for examp...
13713. Do you agree or disagree with the following statement? Advertising can tell you a lot about a country. Use specific reasons and examples to support your answer 1.84 KB
  Do you agree or disagree with the following statement Advertising can tell you a lot about a country. Use specific reasons and examples to support your answer. Every country has its own culture and traditions. There is no doubt that an advertising campaign conducted in Russia will not have the same affect here in the United States. Let us take for example advertisement of food and restaurants. A huge amount of fast food stands suggest their services for breakfast lunch di...
13714. A gift (such as a camera, a soccer ball, or an animal) can contribute to a child’s development. What gift would you give to help a child develop? Why? Use reasons and specific examples to support your choice 2.45 KB
  A gift such as a camera a soccer ball or an animal can contribute to a child’s development. What gift would you give to help a child develop Why Use reasons and specific examples to support your choice. People learn and develop throughout their entire lives. I think that in our modern world it is very essential to be familiar with computer technology. So if I had a chance to give a child a gift it would be a computer. I think that computers play an essential role in our lives and ...
13715. Would you prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building? Use specific reasons and details to support your choice 2.25 KB
  Would you prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building Use specific reasons and details to support your choice. If I was asked where I would I prefer to live in a traditional house or in a modern apartment building I think I would hesitate to answer. This question from my point of view is a controversial one. In the following paragraphs I will analyze both these options and present my view. From the one side living in a modern apartment building bri...
13716. If you could study a subject that you have never had the opportunity to study, what would you choose? Explain your choice, using specific reasons and details 1.8 KB
  If you could study a subject that you have never had the opportunity to study what would you choose Explain your choice using specific reasons and details. If I would have the opportunity to study a subject I do not know yet I would choose to study the outer space. I have a Bachelor degree in Management and I like to have the possibilities to work in this field. However I was always interested in the space exploration. I think it is a very interesting and challenging job to w...