Главная | Карта сайта | ДВС | Статьи

Уравновешивание двигателя

Понятие о крутильных колебаниях и критическом числе оборотов
Возникающие во время работы двигателей инерционные силы вызывают дополнительные так называемые динамические усилия. Чем быстроходнее двигатель, тем больше эти усилия, которые могут вызвать нежелательные колебания частей двигателя и фундамента.
Так как действие динамических усилий связано с наличием ускорений, то уничтожить эти усилия невозможно. Можно только путем рационального размещения движущихся масс частично, а иногда и полностью уравновесить действие динамических усилий.
Силы инерции неуравновешенных вращающихся масс (шейки мотыля, щек и 0,6 массы шатуна), т. е. центробежные силы, можно уравновесить с помощью противовесов, укрепляемых на щеках мотыля коленчатого вала. При этом вес противовесов подбирается так, чтобы создаваемая ими центробежная сила была равна центробежным силам неуравновешенных вращающихся масс.
Уравновешивание сил инерции возвратно-поступательно движущихся масс 1 у одноцилиндрового двигателя не может быть достигнуто (исключение составляет двигатель со сходящимися поршнями). У многоцилиндровых же двигателей полное или частичное уравновешивание достигается путем соответствующего взаимного расположения мотылей коленчатого вала. Так, например, для полного уравновешивания сил инерции и их моментов для четырехтактных двигателей необходимо иметь шесть или восемь цилиндров с углами между мотылями соответственно 120 и 90°.
Число цилиндров двигателя определяет не только степень уравновешенности, но и степень неравномерности двигателя. У многоцилиндровых двигателей чередование рабочих ходов чаще, чем у одноцилиндрового, и поэтому степень неравномерности меньше. Следовательно, чем больше цилиндров имеет двигатель, тем меньше относительный вес и размеры может иметь маховик (при одинаковой мощности и степени неравномерности). Следует подчеркнуть, что у двухтактного двигателя вес маховика на единицу мощности меньше, чем у четырехтактного (при одинаковом числе рабочих цилиндров), так как за одно и то же время у него в ? раза больше рабочих ходов. Многоцилиндровые двигатели более экономичны, чем одноцилиндровые; это объясняется тем, что расход мощности на некоторые вспомогательные механизмы (регулятор, привод газораспределения, топливоподкачивающий насос и др.) мало зависит от числа цилиндров; следовательно, доля затраченной мощности на привод этих механизмов у одноцилиндровых двигателей больше, чем у многоцилиндровых. Преимуществом многоцилиндровых двигателей является их большая компактность.
Однако увеличение числа цилиндров усложняет конструкцию. Поэтому там, где требуются простые, маломощные, нетребовательные в обслуживании двигатели, применяются одно- и двухцилиндровые двигатели.
Говоря о колебаниях, появляющихся в рабочем двигателе, следует иметь в виду, что коленчатый вал представляет собой упругую систему, способную вызвать колебания под воздействием возникающих сил.
Пусть один конец длинного стального вала зажат в тисках, а на другом конце укреплен груз с плечом; сообщив грузу толчок, вал на некоторый угол будет скручен; однако затем вследствие упругих сил материала вала и инерции массы груза оба они придут в колебательное движение. Указанные крутильные колебания, возникающие в момент прекращения действия внешних сил или момента, называются свободными или собственными колебаниями. Вследствие внутреннего трения свободные колебания постепенно прекратятся; но если продолжать сообщать грузу внешние толчки, то свободные колебания возбуждаются вновь и таким образом непрерывно возобновляются. Импульс сил,, вызывающих свободные колебания, создают так называемые вынужденные колебания. Если импульсы сил будут действовать в такт свободным колебаниям, т. е. вынужденные колебания совпадут со свободными, то крутильные колебания не только не прекратятся, но и резко усилятся, увеличивая свой размах.
В двигателе периодические изменения вращающихся моментов вызывают вынужденные крутильные колебания коленчатого вала, так как угол его закручивания не остается постоянным, а изменяется по времени. Совпадение частот и направлений свободных и вынужденных колебаний называется резонансом. При этом свободные и вынужденные колебания складываются, что вызывает в материале вала значительные напряжения, и могут вызвать поломку вала.
Число оборотов вала, при котором возникает явление резонанса, называется критическим. Оно сопровождается сильной вибрацией двигателя и стуками в соединениях подвижных частей, а иногда и поломкой вала.
Если число оборотов станет больше или меньше критического, то явления, сопровождающие резонанс, прекратятся, так как угловая скорость вращения отдельных мотылей постепенно выравнивается. Следовательно, простейшим методом устранения резонанса является изменение числа оборотов двигателя. Критическое число оборотов может быть установлено расчетом или на основании обследования установки с использованием специального прибора — торсиографа, при помощи которого можно получить график крутильных колебаний. При числе оборотов, близком к критическому, амплитуда колебаний резко увеличивается, что отображается на самопишущем приборе.
Если критические обороты лежат близко к нормальным, то последние следует снизить на 5—10% и не переходить за это число.
Для уменьшения амплитуды крутильных колебаний до величины, гарантирующей безопасность работы вала, применяется гаситель колебаний — демпфер. Принцип действия демпфера заключается в том, что присоединенная к валу например через муфту дополни-, тельная масса, вращаясь вместе с валом, воспринимает часть энергии возмущающих сил, что способствует затуханию колебаний.