Анализ уравновешенности 8-цилиндрового двигателя типа V8 с углом развала цилиндров 75° и крестообразным коленчатым валом со смещенными шатунными шейками

Двигатели внутреннего сгорания типа V8 иногда выполняют с углом развала цилиндров у = 75°. Например, дизельный двигатель с такой схемой КШМ установлен на автомобиле Mercedes-Benz Gelendwagen 400 GDI. Для обеспечения равномерного чередования рабочих ходов (что необходимо для уменьшения возмущений от действия неравномерного крутящего момента) 4-коленный вал этого ДВС выполняют со смещением шатунных шеек. Необходимый угол смещения 5 определяется из формулы (3.19): 5 = а - у = 90° - 75° = 15°.

Схема расположения шатунных шеек показана на рис. 3.37, а, конструкция коленчатого вала — на рис. 3.37, б. Равномерное чередование рабочих ходов обеспечивается при порядках работы 1—5—А—2—6—3—7—8 или 1—5—7—2—6—3—А—8.

Крестообразный 4-коленный вал с разрезными шатунными шейками ДВС типа V8 с углом развала цилиндров 75°

Рис. 3.37. Крестообразный 4-коленный вал с разрезными шатунными шейками ДВС типа V8 с углом развала цилиндров 75°:

а — схема КШМ; б — конструкция коленчатого вала

Анализ уравновешенности удобно выполнить, рассматривая этот двигатель условно состоящим из двух рядных 4-цилиндровых, причем цилиндры одного двигателя находятся в левом блоке (цилиндры с номерами 1, 2, 3, 4), другого — в правом (5, 6, 7, 8). Оба условных двигателя имеют крестообразные коленчатые валы с утлом расклинки кривошипов 90°. Угол поворота кривошипа (отсчитываемый от ВМТ 1-го цилиндра) условного правого двигателя отстает на 90° от левого.

Рассмотрим уравновешенность рядного 4-цилиндрового ДВС с крестообразным коленчатым валом, схема которого показана на рис. 3.38.

Силы инерции от ВПДМ 1-го и 2-го порядков в каждом цилиндре действуют по его оси, так что они параллельны и расположены в одной плоскости (см. рис. 3.38). Результирующие могут быть найдены алгебраическим суммированием сил в отдельных цилиндрах:

Центробежные силы от неуравновешенных частей КШМ каждого колена Рск. одинаковы по модулю, действуют по радиусу каждого кривошипа (см. рис. 3.38). Для крестообразной схемы коленчатого вала их сумма равна нулю:

Результирующие моменты от сил инерции могут быть определены относительно любой точки, поскольку суммы этих сил равны нулю. Наглядно оценим момент относительно

точки Л, расположенной посередине (см. рис. 3.38):

где b — расстояние между осями цилиндров. После тригонометрических преобразований получим:

Этот момент действует в плоскости осей цилиндров. Его годограф — отрезок (см. рис. 3.38, б).

Схема действия сил инерции и моментов в ДВС типа R4 с крестообразным коленчатым валом

Рис. 3.38. Схема действия сил инерции и моментов в ДВС типа R4 с крестообразным коленчатым валом:

а — действие сил; б — годограф момента ^ Mj; в — годограф момента ^ Мс

Момент от сил инерции ВПДМ 2-го порядка ^Mj2 относи' тельно точки Л равен нулю:

Модуль и направление действия вектора результирующего центробежного момента ?Мс определяется в рядном ДВС из формулы (3.20) момента (см. параграф 3.3):

где Мг — неуравновешенная масса вращающихся частей одного колена. Этот момент вращается (его годограф окружность), он действует в плоскости, отстоящей от плоскости 1-го колена на угол 18,45° (см. рис. 3.38, в).

Таким образом, в рядном 4-цилиндровом ДВС с крестообразным коленчатым валом из всех действующих инерционных сил и моментов неуравновешены только момент от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ^М;1 и центробежный момент ?МС. Следовательно, и в рассматриваемом ДВС типа V8 возмущение будет определяться действием этих моментов.

Результирующий момент от сил инерции ВПДМ 1-го порядка для ДВС типа V8 определяется как векторная сумма моментов двух условных 4-цилиндровых ДВС, расположенных в левом ?МЛл и правом блоках ХМ;1п :

Здесь векторы моментов в правом и левом блоках определяют по формуле (3.20). Учитывают, что угол поворота ф условного двигателя в правом блоке отстает на 90°, а угол между векторами моментов равен углу развала у = 75°. Годограф результирующего безразмерного момента ДВС типа V8 с углом

развала цилиндров 75°, найденный таким способом, показан на рис. 3.39 (эллипс 1).

Основные сведения об использовании информации годографа момента приведены в подпараграфе 3.6.3 и иллюстрированы на рис. 3.30. Максимальное значение безразмерного момента соответствует горизонтальному положению вектора при углах ср поворота кривошипа 26,4 и 206,4° и равно: Уах =3,548. Минимальное значение при вертикальном положении вектора и углах поворота 116,4 и 296,4°: 2МЛ . =2,722. Полное уравновешивание этого момента возможно с помощью двух пар противовесов, одна из которых установлена на коленчатом валу, другая — на балансирном. Способ определение параметров противовесов для случая, когда годограф уравновешиваемого момента является эллипсом, рассмотрен в подпараграфе 3.6.3.

Годографы результирующего безразмерного момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ?/И- (эллипс 1)

Рис. 3.39. Годографы результирующего безразмерного момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка ?/Иу- (эллипс 1),

уравновешивающего центробежного момента ^ц.б.опт (окружность 2), остаточного неуравновешенного /Иост (эллипс 3) в ДВС типа V8 с углом развала цилиндров 75°

Таким образом, центробежный момент пары противовесов, устанавливаемых на коленчатом валу должен быть равен

где М1г1 — дисбаланс каждого противовеса; с — расстояние между их радиус-векторами. Параметры пары противовесов балансирного вала определяются из условия:

где M2r2 — дисбаланс каждого противовеса; d — расстояние между их радиус-векторами. Углы радиус-векторов противовесов определяют из условия расположения их в вертикальной плоскости при повороте кривошипа на угол ф~26,4°. Этому условию соответствует расположение нащечных противовесов коленчатого вала таким образом, чтобы плоскость результирующего центробежного момента от них была наклонена к плоскости 1-го кривошипа под углом v = 11° (рис. 3.40).

ЗАО. Схема расположения плоскости действия результирующего центробежного момента от нащечных противовесов коленчатого вала для уравновешивания моментов j и ^/W ДВС типа V8 с углом развала цилиндро

Рис. ЗАО. Схема расположения плоскости действия результирующего центробежного момента от нащечных противовесов коленчатого вала для уравновешивания моментов j и ^/WC2 ДВС типа V8 с углом развала цилиндров 75°

Заметим, что практически на коленчатом валу устанавливают не два, а большее число нащечных противовесов, как это пояснено в параграфе 2.2.

В рассматриваемом ДВС на коленчатом валу установлено шесть нащечных (три пары) противовесов (см. рис. 3.37, б). Параметры отдельных пар противовесов коленчатого вала могут быть выбраны произвольно при выполнении условия, чтобы их суммарный центробежный момент удовлетворял приведенным выше требованиям по величине и углу действия.

Вектор результирующего центробежного момента ?MCv может быть найден как векторная сумма центробежных моментов двух условных 4-цилиндровых ДВС, расположенных в левом ?МСЛ и правом блоках ?МСПр:

где модули векторов моментов в правом и левом блоках определяются по формуле (3.13), а плоскости действия смещены на угол 18,45° относительно плоскостей своих первых колен. Таким образом, угол между векторами ^МС;] и ^МС|1р равен углу смещения шатунных шеек, § = 15°.

Выполнив суммирование этих векторов, найдем, что модуль результирующего вектора центробежного момента будет равен

где Y,Мъ — неуравновешенная масса вращающихся частей одного колена рассматриваемого ДВС типа V8 (включая всю шатунную шейку и два шатуна на ней).

Плоскость действия момента ^)МСу смещена на угол v = 11° относительно колена 1-го цилиндра (см. рис. 3.40). Годограф этого момента — окружность. Он может быть полностью уравновешен парой нащечных противовесов по схеме, показанной на рис. 3.36, а (различие заключается в иных углах установки противовесов: не 18,45, а 11°). Практически, как и в случае уравновешивания момента ?М;- , устанавливают не два, а шесть противовесов, причем эти противовесы включают массы, необходимые для уравновешивания обоих моментов.

Упомянутый выше ДВС типа V8 с углом развала цилиндров у = 75°, устанавливаемый на автомобиле Mercedes-Benz Gelendwagen 400 GDI, уравновешен именно таким способом: шестью нащечными противовесами на коленчатом валу и балансирным валом. В итоге этот двигатель полностью уравновешен от действия всех сил инерции и моментов от них, хотя, в отличие от подобного ДВС с углом развала 90° (см. подпараграф 3.7.1), здесь необходимо установить балансирный вал.

В заключение отметим возможность частичного уравновешивания момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка рассматриваемого ДВС без применения балансирного вала, а только за счет специально подобранных нащечных противовесов коленчатого вала. Обозначим центробежный момент от специальных нащечных противовесов, предназначенных для такого уравновешивания Мц б. Тогда после частичного уравновешивания ^Mj неуравновешенный момент будет характеризоваться величиной Мост:

Неуравновешенность остаточного момента Мост можно оценить по величине максимального импульса Lmax за период от действия этого момента (см. подпараграф 3.2.2). Найдены оптимальные параметры вектора Мцбопт, обеспечивающее минимальное значение возмущения от неуравновешенной части Мост: |мцбопт| = 3,135М-Я-Ь, плоскость действия должна отстоять от плоскости 1-го колена на угол v = 11° (см. рис. 3.40). Графическая иллюстрация частичного уравновешивания момента ?М;- , вектор которого — эллипс, с помощью центробежного момента Мцбопт, вектор которого — окружность, представлена на рис. 3.39. Как видно из рисунка, остаточный (неуравновешенный) момент весьма невелик. Об эффективности такого (частичного, без применения балансирного вала) уравновешивания можно судить и по сравнительным значениям величин безразмерных значений импульсов возмущений: от действия неуравновешенного момента ^Мj максимальный импульс Lmax = 9,00, от действия остаточного момента Мост (после уравновешивания) Lmax = 1,17. Таким образом, и без применения балансирного вала в рассматриваемом ДВС можно обеспечить эффективное уравновешивание момента от сил инерции ВПДМ 1-го порядка.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >