ДЕЙСТВИЕ НЕУРАВНОВЕШЕННЫХ СИЛ И МОМЕНТОВ В ПОРШНЕВОМ ДВИГАТЕЛЕ

При работе ДВС в его кривошипно-шатунном механизме (КШМ) возникают переменные силы инерции. Эти силы приложены в центрах масс элементов КШМ. Они являются основным источником неуравновешенности ДВС.

Обычно в расчетах по уравновешиванию учитывают силы инерции следующих элементов:

  • • поршневого комплекта, совершающего прямолинейное возвратно-поступательное движение (ВПД). За центр его масс принимают точку пересечения оси цилиндра и оси поршневого пальца;
  • • неуравновешенные вращающиеся массы (НВМ). Центром их масс условно считают точку, расположенную посередине оси шатунной шейки;
  • • тело шатуна условно представляют в виде двух сосредоточенных масс: верхняя часть (примерно 25 % от всей массы шатуна) считается сосредоточенной в центре масс поршневого комплекта, другая часть — сосредоточенной в центре вращающихся масс.

Расчетная схема КШМ представлена на рис. 1.1.

Здесь показаны основные принятые обозначения параметров КШМ: ф — текущий угол поворота; R — радиус кривошипа; I — длина шатуна; (3 — угол качания шатуна; М — масса элементов КШМ, совершающая ВПД; Мп — масса поршневого комплекта;

— масса верхней части шатуна, М = Мп + М2; Мг — НВМ, приведенные к оси шатунной шейки; Мк — неуравновешенная масса одного колена вала, приведенная к оси шатунной шейки; М2 — масса нижней части шатуна, Мг = Мк + М2.

Силу инерции Р- ВПДМ для удобства последующего анализа представляют в виде алгебраической суммы двух сил: силы инерции первого порядка Pj - M-R-ы2 -соБф и силы инерции второго порядка Р; = М ? R • со2 • А. • соБ2ф, так что

где X — безразмерный кинематический параметр: X = R/l.

Расчетная схема КШМ одноцилиндрового ДВС

Рис. 1.1. Расчетная схема КШМ одноцилиндрового ДВС

Как видно из представленных выражений, обе силы имеют вид гармоник, причем амплитуда силы инерции 1-го порядка примерно в 4 раза больше, чем у силы 2-го порядка (обычно значение X ~ 0,25), а ее период в 2 раза больше. Обе силы действуют по оси цилиндра ДВС. Их сравнительное действие проиллюстрировано на графиках рис. 1.2.

Сравнительные графики изменения сил инерции 1-го и 2-го порядков по углу поворота кривошипа в одноцилиндровом ДВС

Рис. 1.2. Сравнительные графики изменения сил инерции 1-го и 2-го порядков по углу поворота кривошипа в одноцилиндровом ДВС

Силы инерции Pj и Pj гармонически меняют свою величину и направление за период, центробежная сила Рс меняет за период только направление. Ее значение определяется по формуле

Эти силы довольно значительны по своей величине. Например, для типичных параметров ДВС легкового автомобиля: М = 0,6 кг, R = 0,04 м, при частоте вращения п = 5000 мин-1 величина амплитуды силы Р;] =6573Н.

Указанные инерционные силы определяют появление на опорах ДВС переменных по величине и направлению реакций, являющихся источником вибраций ДВС. Силы, вызывающие реакции на опорах ДВС переменные по величине или направлению, называют внешне неуравновешенными. Внутренне неуравновешенными называют такие переменные силы в ДВС, которые не вызывают переменных реакций на опорах, хотя и могут вызывать переменные напряжения в деталях остова ДВС. В задачах уравновешивания ДВС обычно ограничиваются анализом только внешне неуравновешенных сил и моментов.

Действие сил Pj, Pj , Рс вызывает появление моментов:

Mji=Pji'a; Mj2=Pj2-b; Mc = Pc-d, где a, b, d — расстояния

от линии действия соответствующей силы до центра масс силового агрегата (СА), включающего как ДВС, так и коробку передач, ведь на опорах (подвеске) их обычно устанавливают совместно.

В многоцилиндровом ДВС указанные силы и моменты, действуя в каждом цилиндре, образуют сложную пространственную систему сил и моментов. Для удобства анализа обычно суммируют «родственные» силы и моменты, и тогда для оценки уравновешенности ДВС необходимо найти следующие суммарные силы и моменты:

В многоцилиндровых однорядных ДВС результирующие инерционные силы и моменты от ВПДМ (№ 1, 2, 4, 5) представляют собой простые гармонические функции вида

Здесь А, В, С, D — амплитуды — некоторые постоянные для данного скоростного режима рассматриваемого ДВС; углы 81? §2, 53, 54 соответствуют углу поворота кривошипа между положением ВМТ в первом цилиндре и максимальным значением соответствующей силы или момента. Линия действия результирующих сил инерции от ВПДМ параллельна осям цилиндров, а моменты от них действуют в вертикальной плоскости параллельной оси коленчатого вала. Годографы этих сил и моментов — отрезки. Физическая картина действия неуравновешенных сил и моментов в рядных ДВС показана на рис. 1.3.

Заметим, что практически в том или ином рядном ДВС присутствуют только некоторые из указанных неуравновешенных сил и моментов (большую их часть обычно уравновешивают). В многорядных (например, V-образных) ДВС характер их действия несколько сложнее: в течение периода своего действия они могут менять как величину, так и линию (для момента — плоскость) действия. Годографы неуравновешенных инерционных сил и моментов здесь в общем случае — эллипсы. Величина инерционных сил и моментов практически не зависит от нагрузочного режима работы ДВС, но сильно (в квадрате от угловой скорости) — от скоростного режима.

Действие неуравновешенных сил и моментов в рядных

Рис. 1.3. Действие неуравновешенных сил и моментов в рядных

ДВС

Кроме действия инерционных сил и моментов дополнительным источником неуравновешенности ДВС является переменный реактивный крутящий момент

где Мк — результирующий крутящий момент (функция Мк = /(ср) может быть найдена при динамическом анализе ДВС).

Реактивный крутящий момент действует в плоскости перпендикулярной оси коленчатого вала, его период 0 для 4-тактных многоцилиндровых ДВС с равномерным чередованием вспышек

где i — число цилиндров.

Заметим, что существуют способы для уравновешивания любой инерционной силы или момента от нее, а вот полное уравновешивание реактивного крутящего момента в автомобильных ДВС практически невозможно. Любой поршневой ДВС всегда будет обладать некоторой неуравновешенностью уже по причине действия переменного реактивного крутящего момента.

Возмущающее действие реактивного крутящего момента зависит от числа цилиндров (как правило, с их увеличением оно уменьшается), чередования рабочих ходов (обычно реализуют равномерное чередование, так как при этом обеспечивается наименьшее возмущение), нагрузочного и скоростного режима работы и может быть существенно уменьшено в рядных 2- и 4-цилиндровых ДВС за счет особой установки балансирных валов, используемых для уравновешивания сил инерции ВПДМ.

Мероприятия, позволяющие исключить передачу переменных сил и моментов от них на опоры ДВС или уменьшить их возмущающее действие, называют уравновешиванием двигателя.

Количественную оценку неуравновешенных инерционных сил и моментов недостаточно выполнять только по величине соответствующей результирующей амплитуды (см. формулы (1.1), (1.2)).

Более корректная количественная оценка неуравновешенности от действия различных факторов может быть выполнена по величине максимального импульса U от возмущающей силы Р за период, так как энергия возмущения будет определяться импульсом силы. Как известно:

где t1 и t2 — границы интервала времени действия наибольшего за период импульса. Поскольку ф = t-со, то иначе:

В качестве примера покажем сравнительную оценку неуравновешенности одноцилиндрового ДВС от сил инерции 1-го и 2-го порядков.

Сила инерции 1-го порядка: сила инерции 2-го порядка:

Наибольший импульс возмущения от действия неуравновешенной силы инерции 1-го порядка за период составит

Если принять значение параметра X = 0,25 (типично для ДВС) и иметь в виду, что нижняя и верхняя границы интеграла импульса действия силы инерции 2-го порядка будут соответственно 45° и 135°, то аналогичный импульс возмущения от действия неуравновешенной силы инерции 2-го порядка составит

т. е. будет в 8 раз меньше. Если же учесть, что тело, которому сообщается импульс, приобретает энергию, пропорциональную квадрату величины импульса, то для рассмотренного одноцилиндрового ДВС можно сделать следующие выводы:

  • 1) амплитуда возмущающей силы инерции первого порядка в 4 раза больше, чем второго;
  • 2) импульс возмущения от силы инерции первого порядка в 8 раз больше, чем от второго;
  • 3) энергия возмущения ДВС от действия силы инерции первого порядка в 64 раза больше, чем от второго (за период действия).

Из этого следует, что инерционные силы и моменты 1-го порядка вызывают, как правило, существенно большую виброактивность, чем 2-го, и их следует уравновешивать в первую очередь.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >