Что такое дисбаланс двигателя

Содержание
  1. ПРИЧИНЫ ВИБРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
  2. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ
  3. ПОДУШКИ ДВИГАТЕЛЯ
  4. КОМПРЕССИЯ
  5. ПРОПУСКИ ЗАЖИГАНИЯ
  6. ДВУХМАССОВЫЙ МАХОВИК
  7. СТУК И НЕРАВНОМЕРНАЯ РАБОТА НА ХОЛОДНУЮ
  8. ДВС ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ
  9. ДИСБАЛАНС ПОСЛЕ РЕМОНТА
  10. Баланс двигателя — Engine balance
  11. Содержание
  12. Причины дисбаланса
  13. Статическая масса
  14. Расположение цилиндров
  15. Виды дисбаланса
  16. Возвратно-поступательный дисбаланс
  17. Вращающийся дисбаланс
  18. Торсионный дисбаланс
  19. Первичный баланс
  20. Вторичный баланс
  21. Причина дисбаланса
  22. Эффекты и меры по снижению
  23. Влияние расположения цилиндров
  24. Прямые двигатели
  25. V двигатели
  26. Плоские двигатели
  27. Паровозы
  28. Источники дисбаланса
  29. Измерение эффектов дисбаланса
  30. Статическая балансировка колес
  31. Статическая балансировка возвратно-поступательного груза
  32. Динамическая балансировка узла колесо / ось
  33. Определение допустимого удара молотком
  34. Реакция колеса на удар молотка
  35. Тяга поршня от угловатости шатуна
  36. Сходства с балансировкой другой техники
  37. Смотрите также
  38. Ссылки

ПРИЧИНЫ ВИБРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ

ВОЗМОЖНЫЕ ПРИЧИНЫ

  • Неравномерная компрессия в цилиндрах. Из-за снижения компрессии не происходит эффективное сгорание топливовоздушной смеси, вследствие чего поршень в проблемном цилиндре не получает должного ускорения. Причина вибрации на холостых оборотах в таком случае в уменьшении инерционного движения поршня на такте рабочего хода.
  • Пропуски зажигания в 1 либо сразу нескольких цилиндрах. Как и в случае с потерей компрессии, по причине плохого сгорания ТПВС поршень не получает должного ускорения, что приводит к неравномерному вращению коленчатого вала.
  • Неисправность двухмассового маховика. В исправном состоянии демпфер крутильных колебаний позволяет снизить нагрузку на коленчатый вал и элементы трансмиссии. В случае выхода из строя наблюдаются вибрации двигателя, сопровождающиеся характерным громыханием.
  • Износ подушек двигателя. Мотор в подкапотном пространстве удерживается на нескольких сайлентблоках. В случае трещин, надрывов резиновых демпферов вибрации будут передаваться на кузов и четко ощущаться в салоне.
  • Износ привода уравновешивающих валов и самих балансиров. Износ подшипников, растяжение цепи, неправильная регулировка натяжителя приводят к повышению шумности и вибрациям.

ПОДУШКИ ДВИГАТЕЛЯ

Замену подушек двигателя рекомендуем производить только с использованием оригинальных запчастей либо достойных аналогов. Покупая дешевые подушки от непроверенных производителей, вы рискуете нарваться на слишком жесткие демпфирующие вставки. В итоге после замены вибрация не только не пропадет, но и может усилиться.

КОМПРЕССИЯ

Проверять компрессию следует на холодном двигателе. Узнать, какая компрессия должна быть в двигателе, можно из руководства по ремонту и эксплуатации вашего автомобиля. Вслед за проверкой можно определить, что именно стало причиной потери компрессии: проблема с ЦПГ либо деталями ГРМ. Для этого залейте в проблемный цилиндр 25-30 мг моторного масла, после чего повторите замеры. Если компрессия выровняется, причина в износе ЦПГ. Отсутствие изменений свидетельствует о проблемах с ГРМ. Более точную диагностику причины вибраций на холостых можно осуществить пневмотестером.

ПРОПУСКИ ЗАЖИГАНИЯ

Самодиагностика современных ЭБУ двигателя позволяет определить номер цилиндра, что значительно облегчает поиск причины вибраций на холостом ходу. Множественные пропуски свидетельствуют о периодических проблемах сразу в нескольких цилиндрах. Из термина отнюдь не следует, что причина перебоев в работе именно в системе зажигания, так как ЭБУ определяет пропуски зажигания по неравномерности вращения коленчатого вала. Какие элементы чаще всего становятся причиной пропусков зажигания и повышенной вибрации?

  • Топливные форсунки (ТПВС переобогащенная или слишком бедная).
  • Свечи зажигания. К перебоям в подаче искры приводит масляный нагар на свечах, эрозия электродов, нарушение керамической изоляции, неправильный воздушный зазор.
  • Высоковольтные провода.
  • Катушка зажигания/модули зажигания.
  • Блок управления двигателем.

Не стоит забывать о проблеме подсоса воздуха и многих других причинах, из-за которых двигатель троит, а на кузов передается вибрация. В любом случае мы рекомендуем переходить к поиску неисправностей только после считывания кодов ошибок.

ДВУХМАССОВЫЙ МАХОВИК

Симптомы выхода из строя демпфирующего маховика:

  • скрип, скрежет при запуске и остановке силового агрегата;
  • громыхающий звук при работе двигателя на холостом ходу;
  • передающаяся на кузов и в салон вибрация (при некритичном износе только на холодную).

Причиной такого поведения становится люфт элементов пружинно-демпферной системы, которая призвана гасить крутильные колебания. На автомобилях с МКПП для проверки маховика достаточно выжать сцепление. Если двигатель стал работать ровнее и вибрации уменьшились, значит, причина нестабильной работы на холостом ходу именно в двухмассовом маховике. Владельцем автомобилей с роботизированной КПП остается полагаться на косвенные признаки и дефектовку после разборки.

СТУК И НЕРАВНОМЕРНАЯ РАБОТА НА ХОЛОДНУЮ

Ускоренный износ цилиндров, поршней – настоящая проблема многих владельцев автомобилей Volkswagen, Skoda с бензиновыми двигателя. В последнее время участились случаи задиров в цилиндрах на автомобилях Hyundai. Из-за тенденции облегчения элементов ЦПГ, уменьшения толщины поршневых колец, жарового пояса и длины юбки, перекладка поршней сопряжена с большими нагрузками. Локальные перегревы, связанные с эксплуатацией авто в условиях пробок (нарушение обдува, долгие простои на оборотах холостого хода), неправильный прогрев двигателя зимой, приводят к износу ЦПГ.

ДВС ЦИКЛА ДИЗЕЛЯ

Передающаяся на кузов вибрация – одна из особенностей работы дизельного двигателя, которая определяется характером воспламенения и сгорания дизтоплива. Но важно отличать штатный уровень вибраций от явных симптомов неисправности.

Проверку топливной системы рекомендуем начать с компьютерной диагностики, точнее, со считывания в реальном времени коррекции впрыска. Положительная коррекция будет свидетельствовать о переливе топлива, соответственно, отрицательная – об уменьшении ЭБУ времени впрыска. Этот показатель отнюдь не говорит о том, что неисправна форсунка. Но отлично показывает, как именно с помощью регулировки количества впрыскиваемого топлива ЭБУ пытается поддержать стабильную работу двигателя на холостом ходу.

ДИСБАЛАНС ПОСЛЕ РЕМОНТА

Если вибрация на холостых оборотах появилась после капитального ремонта двигателя, причина может скрываться в халатном отношении к подбору деталей. К негативным факторам можно отнести:

  • установку поршней, шатунов, которые значительно отличаются по весу;
  • несоответствие зазоров в цилиндропоршневой группе, вследствие чего перекладка поршней происходит с ударом;
  • неотбалансированный коленчатый вал;
  • критичная выработка седел, плохая притирка фаски клапанов, неправильная регулировка теплового зазора. Указанные факторы могут стать причиной потери компрессии и появления вибраций.

Многие двигатели начинают вибрировать на холостых оборотах после удаления балансирных валов. Владельцы избавляются от механизма уравновешивающих валов, чтобы не тратиться на их ремонт. Удаление балансиров не только провоцирует вибрации, но и повышает нагрузку на коленчатый вал, что снижает его ресурс.

Спасибо за посещение данной статьи. Пожалуйста, ставьте пальцы вверх статье, это поможет ее распространить и подписывайтесь на канал , читайте мои старые статьи и ждите новые.

Источник

Баланс двигателя — Engine balance

Баланс двигателя относится к тому, как силы (возникающие в результате сгорания или вращающихся / возвратно-поступательных компонентов) уравновешиваются внутри двигателя внутреннего сгорания или парового двигателя . Наиболее часто используемые термины — это первичный баланс и вторичный баланс . Неуравновешенные силы в двигателе могут привести к вибрации.

Содержание

Причины дисбаланса

Хотя некоторые компоненты двигателя (например, шатуны) имеют сложные движения, все движения можно разделить на возвратно-поступательные и вращающиеся компоненты, что помогает в анализе дисбалансов.

На примере рядного двигателя (с вертикальными поршнями) основными возвратно-поступательными движениями являются:

  • Поршни движутся вверх / вниз
  • Шатуны движутся вверх / вниз
  • Шатуны перемещаются влево / вправо при вращении вокруг коленчатого вала, однако боковые колебания, вызываемые этими перемещениями, намного меньше, чем колебания вверх-вниз, вызываемые поршнями.

Основные вращательные движения, которые могут вызвать дисбаланс:

  • Коленчатый вал
  • Распредвалы
  • Шатуны (вращающиеся вокруг конца поршня в зависимости от горизонтального смещения поршня и хода кривошипа)

Дисбаланс может быть вызван статической массой отдельных компонентов или расположением цилиндров двигателя, как подробно описано в следующих разделах.

Статическая масса

Если вес — или распределение веса — движущихся частей неоднородно, их движение может вызвать дисбаланс сил, что приведет к вибрации. Например, если вес поршней или шатунов разных цилиндров разный, возвратно-поступательное движение может вызвать вертикальные силы. Точно так же вращение коленчатого вала с неравномерным весом перемычек или маховика с неравномерным распределением веса может вызвать вращательный дисбаланс .

Расположение цилиндров

Даже при идеально сбалансированном распределении статических масс некоторые конструкции цилиндров вызывают дисбаланс из-за того, что силы каждого цилиндра не компенсируют друг друга все время. Например, рядный четырехцилиндровый двигатель имеет вертикальную вибрацию (на удвоенной скорости вращения двигателя). Эти дисбалансы присущи конструкции и не следует избегать, поэтому в результате вибрации необходимо управлять с помощью баланса валов или другой NVH методы -уменьшения , чтобы минимизировать вибрацию , которая входит в кабину.

Виды дисбаланса

Возвратно-поступательный дисбаланс

Возвратно-поступательный дисбаланс возникает, когда линейное движение компонента (например, поршня) не компенсируется другим компонентом, движущимся с равным импульсом, движущимся в противоположном направлении в той же плоскости.

Типы возвратно-поступательного фазового дисбаланса :

  • Несовпадение поршней встречного движения, например, в одноцилиндровом двигателе или рядном трехцилиндровом двигателе.
  • Неравномерный порядок зажигания , например, в двигателе V6 без смещенных шатунов.

Типы дисбаланса плоскостей возвратно-поступательного движения :

  • Расстояние смещения между шатунными шейками, вызывающее качающуюся пару на коленчатом валу от равных и противоположных сил сгорания, например, в оппозитном двухцилиндровом двигателе, рядном трехцилиндровом двигателе 120 °, двигателе V4 90 °, рядном пятидвигательном двигателе, 60 ° двигатель V6 и двигатель V8 с углом поворота 90 °.

В двигателях без перекрывающихся тактов мощности (например, в двигателях с четырьмя или меньшим числом цилиндров) пульсации в подаче мощности вызывают колебания двигателя вперед и назад вращательно по оси X, подобно возвратно-поступательному дисбалансу.

Вращающийся дисбаланс

Поворотный дисбаланс вызван неравномерным распределением массы на вращающихся узлах.

Читайте также:  Сколько нужно залить масла в двигатель 406

Типы дисбаланса вращающихся фаз :

  • Несбалансированные эксцентриковые массы на вращающемся компоненте, например неуравновешенном маховике

Типы дисбаланса вращающейся плоскости :

  • Неуравновешенные массы вдоль оси вращения вращающегося узла, вызывающие качающуюся пару, например, если бы коленчатый вал двухтактного оппозитного двигателя не имел противовесов, масса ходов кривошипа, расположенных на 180 ° друг от друга, могла бы вызвать пару вдоль оси коленчатый вал.
  • Боковое движение в парах узлов, движущихся в противоположных направлениях, например разность высот центра масс в паре узлов поршень / шатун. В этом случае качающаяся пара возникает из-за того, что один шатун поворачивается влево (во время верхней половины вращения кривошипа), в то время как другой качается вправо (во время нижней половины), в результате чего сила слева в верхней части двигателя. и сила справа внизу двигателя.

Торсионный дисбаланс

Крутильные колебания возникают при приложении крутящего момента на смещенных расстояниях вдоль вала.

Это происходит вдоль оси коленчатого вала, поскольку шатуны обычно расположены на разных расстояниях от момента сопротивления (например, муфты). Эта вибрация не передается за пределы двигателя, однако усталость от вибрации может вызвать выход из строя коленчатого вала.

Радиальные двигатели не испытывают крутильного дисбаланса.

Первичный баланс

Первичный баланс двигателя относится к вибрациям, которые возникают на основной частоте (первой гармонике) частоты вращения двигателя. Следовательно, эта вибрация возникает с частотой, равной частоте вращения коленчатого вала («об / мин» двигателя). Первичный вертикальный дисбаланс может присутствовать в двигателе с нечетным числом цилиндров (без противовесов), поскольку инерция каждого поршня, движущегося вверх, не компенсируется движением другого поршня вниз.

В четырехтактном двигателе каждый цилиндр имеет рабочий ход один раз за каждые два оборота коленчатого вала, что может вызывать вибрации (из-за сил сгорания и сжатия) на половине частоты вращения коленчатого вала. Эти колебания иногда называют колебаниями «половинного порядка». В качестве альтернативы, иногда все несинусоидальные колебания называют вторичными колебаниями, а все остальные колебания (независимо от частоты) называют первичными колебаниями .

Вторичный баланс

Причина дисбаланса

Поршень движется дальше во время верхней половины своего движения, чем во время нижней половины своего движения, что приводит к несинусоидальным колебаниям, называемым вторичной вибрацией .

Разница в пройденном расстоянии происходит из-за вращения шатуна. На 90 градусах после верхней мертвой точки (ВМТ) конец шатуна коленчатого вала находится точно в середине своего хода, однако угол шатуна (то есть движение влево-вправо, если смотреть вниз на коленчатый вал) означает, что поршень конец шатуна должен быть ниже средней точки, чтобы шатун имел фиксированную длину. То же самое относится и к 270 градусам после ВМТ, поэтому конец поршня перемещается на большее расстояние от 270 градусов до 90 после ВМТ, чем в «нижней половине» цикла вращения коленчатого вала (от 90 градусов до 270 градусов после ВМТ). Чтобы пройти это большее расстояние за то же время, поршневой конец шатуна должен испытывать более высокие скорости ускорения в верхней половине своего движения, чем в нижней половине.

Это неравномерное ускорение приводит к более высокой силе инерции, создаваемой массой поршня (в его ускорении и замедлении) во время верхней половины вращения коленчатого вала, чем во время нижней половины. В случае четырехрядного двигателя (с традиционным коленчатым валом с поворотом на 180 градусов), инерция вверх цилиндров 1 и 4 больше, чем инерция вниз цилиндров 2 и 3. Следовательно, несмотря на равное количество цилиндров, движущихся в противоположных направлениях. направления в любой момент времени (создавая идеальный первичный баланс ), двигатель, тем не менее, имеет несинусоидальный дисбаланс. Это называется вторичным дисбалансом .

Математически несинусоидальное движение кривошипно-скользящего механизма можно представить как комбинацию двух синусоидальных движений:

  • основной компонент с частотой , равной частотой вращения коленчатого вала (эквивалентен движением поршня с бесконечно длинным шатуном)
  • вторичный компонент , который происходит на удвоенной частоте и эквивалентен эффекту шатуна угла наклона , что снижает малые конечное положение от того, когда она находится в вертикальном положении

Поршни не двигаются точно таким образом, это все еще полезное представление для анализа их движения. Этот анализ также является источником терминов первичный баланс и вторичный баланс , которые теперь также используются за пределами академических кругов для описания характеристик двигателя.

Эффекты и меры по снижению

Вибрация, вызванная этим вторичным дисбалансом, относительно мала на более низких оборотах двигателя, но она пропорциональна квадрату скорости двигателя, потенциально вызывая чрезмерную вибрацию на высоких оборотах. Чтобы уменьшить эти вибрации, в некоторых двигателях используются балансирные валы. Система уравновешивающих валов обычно состоит из двух валов с одинаковым эксцентриковым весом на каждом валу. Валы вращаются с удвоенной частотой вращения двигателя и в противоположных направлениях друг к другу, создавая таким образом вертикальную силу, которая предназначена для компенсации силы, вызванной вторичным дисбалансом двигателя. Наиболее распространенное использование балансирных валов — это двигатели V6 и рядные четырехцилиндровые двигатели большого объема.

В двигателе, в котором пары поршней движутся синхронно друг с другом (например, в двигателях V8 с рядным четырехцилиндровым двигателем, рядным шестицилиндровым двигателем и с горизонтальным расположением под углом 90 °), вторичные силы дисбаланса в два раза больше и в два раза чаще, чем в двигателях, где поршни не совпадают по фазе друг с другом (например, в трехрядных и кросс-плоских двигателях V8).

Влияние расположения цилиндров

Для двигателей с более чем одним цилиндром такие факторы, как количество поршней в каждом ряду, угол V и интервал зажигания, обычно определяют наличие дисбаланса фаз возвратно-поступательного движения или крутильного дисбаланса.

Прямые двигатели

Прямо-сдвоенные двигатели чаще всего используют следующие конфигурации:

  • Коленчатый вал на 360 ° — эта конфигурация создает самые высокие уровни вторичного дисбаланса, однако дисбалансы в первичной плоскости сводятся к минимуму, а равномерный порядок зажигания обеспечивает более плавную подачу мощности (хотя и без перекрытия рабочих ходов двигателей с более чем четырьмя цилиндрами)
  • Коленчатый вал 180 ° — эта конфигурация приводит к дисбалансу в первичной плоскости и неравномерному порядку зажигания, однако вторичный дисбаланс вдвое слабее (и с удвоенной частотой) по сравнению с прямым двухцилиндровым двигателем на 360 °.
  • Коленчатый вал 270 ° — эта конфигурация сводит к минимуму вторичный дисбаланс, однако присутствует дисбаланс первичной плоскости вращения и порядок зажигания неравномерный. Звук выхлопа и мощность напоминают V-образный двигатель под углом 90 °.

В двигателях с прямой тройкой чаще всего используется коленчатый вал 120 °, и они обладают следующими характеристиками:

  • Равномерно распределенный интервал между стрельбой (хотя рабочие ходы не перекрываются).
  • Несбалансированность первичной возвратно-поступательной плоскости и плоскости вращения. Их можно уменьшить за счет использования противовесов на коленчатом валу.
  • Вторичные силы дисбаланса меньше, чем в рядном четырехцилиндровом двигателе, поскольку никакие два цилиндра не движутся синхронно друг с другом. Это означает, что шатуны могут быть короче, что позволяет создать более компактный двигатель. Простой выпускной коллектор «три в один» обеспечивает равномерную продувку , что также обеспечивает компактный размер двигателя.

Прямолинейные двигатели (также называемые «рядными четырехъядерными двигателями») обычно используют конструкцию коленчатого вала «вверх-вниз-вниз-вверх» 180 ° и обладают следующими характеристиками:

  • Равномерно распределенный интервал между стрельбой (хотя рабочие ходы не перекрываются).
  • Имеются первичные дисбалансы в плоскости возвратно-поступательного движения и плоскости вращения.
  • Вторичные силы дисбаланса велики из-за того, что два поршня всегда движутся синхронно.
  • Вращательные колебания могут присутствовать на низких скоростях (например, на холостом ходу), поскольку дисбаланс по высоте из-за поворота центра тяжести шатунов влево и вправо усиливается из-за того, что два шатуна движутся вместе.
  • Противовесы использовались в двигателях легковых автомобилей с середины 1930-х годов либо в виде полного противовеса, либо в виде полувеса (также известного как полувес ).

В двигателях с прямой пяткой обычно используется коленчатый вал 72 °, и они обладают следующими характеристиками:

  • Равномерно распределенный интервал зажигания с перекрытием рабочих ходов обеспечивает более плавный холостой ход, чем у двигателей с меньшим количеством цилиндров.
  • Первичная плоскость возвратно-поступательного движения и плоскость вращения неуравновешены. В случае рядных трехцилиндровых двигателей эти дисбалансы можно уменьшить за счет использования противовесов на коленчатом валу.
  • Вторичные силы дисбаланса меньше, чем в рядном шестицилиндровом двигателе, поскольку никакие два цилиндра не движутся синхронно друг с другом.

Рядные шестицилиндровые двигатели обычно используют коленчатый вал 120 °, порядок включения цилиндров 1-5-3-6-2-4 и обладают следующими характеристиками:

  • Равномерно распределенный интервал стрельбы с перекрытием мощных ходов. Два простых выхлопных коллектора типа «три в один» обеспечивают равномерную продувку, поскольку в этом отношении двигатель фактически ведет себя как два отдельных трехцилиндровых двигателя.
  • Первичный баланс идеален.
  • Вторичный дисбаланс выше из-за того, что два поршня всегда движутся синхронно.
  • Торсионный дисбаланс может быть выше из-за большей длины двигателя (по сравнению с рядным четырехцилиндровым двигателем), поэтому на некоторых рядных шестицилиндровых двигателях используется демпфер крутильных колебаний .

V двигатели

V-образные двигатели обладают следующими характеристиками:

  • V-образный двухцилиндровый двигатель с V-образным углом 90 градусов и смещением шатунов кривошипа может иметь идеальный первичный баланс.
  • Если используется общий шатун (например, в V-образном двухцилиндровом двигателе Ducati), коленчатый вал на 360 ° приводит к неравномерному интервалу зажигания. Эти двигатели также имеют дисбаланс в первичной плоскости возвратно-поступательного движения и плоскости вращения. Там, где шатуны находятся в разных местах вдоль коленчатого вала (что имеет место, если только шатуны вилки и лезвия ), это смещение создает в двигателе качающуюся пару.
Читайте также:  Двигатель троит в чем дома

Двигатели V4 бывают самых разных конфигураций с точки зрения V-образного угла и конфигураций коленчатого вала. Вот несколько примеров:

  • Двигатели Lancia Fulvia V4 с узким V-образным углом имеют смещение кривошипа, соответствующее углу V-образного сечения, поэтому интервал включения соответствует таковому у четырехцилиндрового двигателя.
  • Некоторые двигатели V4 имеют неравномерный интервал зажигания, и каждую конструкцию следует рассматривать отдельно с точки зрения всех элементов балансировки. Двигатель Honda RC36 имеет V-образный угол 90 градусов и коленчатый вал 180 ° с интервалами зажигания 180 ° -270 ° -180 ° -90 °, что приводит к неравномерным интервалам зажигания в пределах 360 градусов и в пределах 720 градусов вращения коленчатого вала. С другой стороны, двигатель Honda VFR1200F имеет V-образный угол 76 градусов и коленчатый вал 360 ° с общими пальцами кривошипа, которые имеют смещение 28 °, что обеспечивает интервал зажигания 256 ° -104 ° -256 ° -104 °. Этот двигатель также имеет обычную ориентацию шатуна спереди-сзади-сзади-спереди, с гораздо более широким расстоянием между цилиндрами (« расстояние между отверстиями ») на переднем ряду цилиндров, чем на заднем, что приводит к уменьшению количества качающихся пар (за счет большей ширины двигателя).

Двигатели V6 обычно производятся в следующих конфигурациях:

  • Угол V 60 градусов — такая конструкция обеспечивает компактный размер двигателя, а короткая длина коленчатого вала снижает крутильные колебания. Вторичный баланс лучше, чем у рядного шестицилиндрового двигателя, потому что здесь нет поршневой пары, которая движется вместе. Однако такая конструкция приводит к дисбалансу основной плоскости возвратно-поступательного движения и плоскости вращения. Смещение левого и правого рядов цилиндров (из-за толщины шатуна и шейки кривошипа) затрудняет уменьшение дисбаланса плоскости возвратно-поступательного движения с помощью противовесов коленчатого вала.
  • Угол V-образного сечения 90 градусов — эта конструкция исторически возникла из-за отсечения двух цилиндров от двигателя V8 под углом 90 градусов, чтобы снизить затраты на проектирование и строительство. Ранний пример — двигатель General Motors 90 ° V6 , у которого коленчатый вал смещен на 18 °, что приводит к неравномерному интервалу между запусками. В более новых примерах, таких как двигатель Honda C , шатуны кривошипа смещены на 30 °, что обеспечивает равномерный интервал зажигания. Как и двигатели V6 с углами V 60 градусов, эти двигатели имеют дисбаланс в первичной плоскости возвратно-поступательного движения и плоскости вращения, смещенный ряд цилиндров и меньшие вторичные дисбалансы.

Плоские двигатели

[Точность: «плоский» двигатель не обязательно является «оппозитным» двигателем. «Плоский» двигатель может быть либо V-образным, либо «оппозитным» двигателем. Двигатель с V-образным вырезом на 180 градусов, который используется в Ferrari 512BB, имеет противоположные пары цилиндров, чьи шатуны используют одинаковый ход кривошипа. В противоположность этому, в «оппозитном» двигателе, применяемом в мотоциклах BMW, каждый шатун имеет свой собственный ход кривошипа, который расположен на 180 градусов относительно хода кривошипа противоположного цилиндра.]

Плоско-сдвоенные двигатели обычно используют коленчатый вал на 360 °, отдельные ходы кривошипа и обладают следующими характеристиками:

  • Первичная плоскость возвратно-поступательного движения и плоскость вращения неуравновешены из-за расстояния вдоль коленчатого вала между поршнями. Это расстояние и, следовательно, величина дисбаланса зависят от толщины подшипников шатуна, шейки кривошипа и главного подшипника (последний, только если он расположен между ходами кривошипа). Первичный дисбаланс можно было устранить, если использовать общий шатун с вилкой и лопастями.
  • Вторичные дисбалансы минимальны.

Плоские четырехцилиндровые двигатели обычно используют конфигурацию коленчатого вала лево-право-право-лево и обладают следующими характеристиками:

  • Первичные дисбалансы вызваны смещением качающихся пар противоположных поршней (смещение спереди назад). Интенсивность этой качающейся пары меньше, чем у рядного четырехцилиндрового двигателя, поскольку пары шатунов, качаясь вверх и вниз, перемещаются с разной высотой центра тяжести.
  • Вторичные дисбалансы минимальны.

Плоские шестицилиндровые двигатели обычно имеют оппозитную конфигурацию и обладают следующими характеристиками:

  • Равномерно распределенный интервал стрельбы с перекрытием мощных ходов. Простая выхлопная система «три в один» для каждого ряда цилиндров обеспечивает равномерную продувку, так как в этом отношении двигатель фактически ведет себя как два отдельных трехрядных двигателя.
  • Первичная плоскость возвратно-поступательного движения и плоскость вращения неуравновешены из-за расстояния вдоль коленчатого вала между противоположными цилиндрами. Плоский шестицилиндровый двигатель имел бы идеальный первичный баланс, если бы использовались шатуны типа вилка и лезвие.
  • Вторичные дисбалансы минимальны, потому что нет пар цилиндров, движущихся синхронно, и дисбаланс в основном компенсируется противоположным цилиндром.
  • Торсионный дисбаланс ниже, чем у рядных шестицилиндровых двигателей, из-за меньшей длины шестицилиндрового двигателя.

Паровозы

Этот раздел представляет собой введение в балансировку двух паровых машин, соединенных ведущими колесами и осями, собранных в железнодорожном локомотиве.

Эффекты неуравновешенной инерции в локомотиве кратко показаны путем описания измерений движений локомотива, а также прогибов стальных мостов. Эти измерения показывают необходимость использования различных методов балансировки, а также других конструктивных особенностей для уменьшения амплитуды вибрации и повреждения самого локомотива, а также рельсов и мостов. В качестве примера показан локомотив простого, несоставного типа с двумя внешними цилиндрами и клапанным механизмом, сцепленными ведущими колесами и отдельным тендером. Охватывается только базовая балансировка без упоминания влияния различного расположения цилиндров, углов поворота коленчатого вала и т.д., поскольку методы балансировки для локомотивов с 3 и 4 цилиндрами могут быть сложными и разнообразными. Математические методы лечения можно найти в разделе «Дополнительная литература». Например, «Уравновешивание двигателей» Долби описывает обработку неуравновешенных сил и пар с помощью многоугольников. Джонсон и Фрай оба используют алгебраические вычисления.

На скорости локомотив будет иметь тенденцию раскачиваться вперед-назад и носом или раскачиваться из стороны в сторону. Он также будет иметь тенденцию к подаче и качанию. В этой статье рассматриваются эти движения, которые возникают из-за неуравновешенных сил инерции и пар в двух паровых двигателях и их соединенных колесах (некоторые похожие движения могут быть вызваны неровностями беговой поверхности и жесткости гусеницы). Первые два движения вызываются возвратно-поступательными массами, а последние два — наклонным действием шатунов или толчком поршня на направляющие штанги.

Есть 3 степени, до которых может быть достигнута балансировка. Самая основная — это статическая балансировка смещенных от центра элементов на ведущем колесе, то есть шатунной шейки и связанных с ней частей. Кроме того, уравновешивание части частей, совершающих возвратно-поступательное движение, может быть выполнено с помощью дополнительного вращающегося груза. Этот вес сочетается с весом, который требуется для смещенных от центра частей колеса, и этот дополнительный вес вызывает перебалансировку колеса, что приводит к удару молотка . Наконец, поскольку вышеуказанные балансировочные грузы находятся в плоскости колеса, а не в плоскости возникающего дисбаланса, узел колесо / ось не сбалансирован динамически. Динамическая балансировка на паровозах известна как перекрестная балансировка и представляет собой балансировку в двух плоскостях, когда вторая плоскость находится в противоположном колесе.

Склонность к нестабильности будет зависеть от конструкции локомотива конкретного класса. Соответствующие факторы включают в себя его вес и длину, то, как он поддерживается на пружинах и компенсаторах, и то, как значение неуравновешенной движущейся массы сравнивается с неподрессоренной массой и общей массой локомотива. Способ крепления тендера к локомотиву также может изменить его поведение. Устойчивость пути с точки зрения веса рельса, а также жесткость дорожного полотна могут влиять на вибрационные характеристики локомотива.

Неровная езда не только снижает качество езды для человека, но и влечет за собой расходы на техническое обслуживание из-за износа и поломок как компонентов локомотива, так и гусениц.

Источники дисбаланса

Все ведущие колеса имеют дисбаланс, который вызван смещением оси кривошипа и прикрепленных к ним компонентов. Основные ведущие колеса имеют наибольший дисбаланс, так как у них самая большая шатунная шейка, а также вращающаяся часть основной тяги. У них также есть эксцентриковый кривошип клапанной шестерни и задний конец эксцентрикового штока. Как и у соединенных ведущих колес, они также имеют свою долю веса боковой штанги. Часть основного стержня, для которой задано вращательное движение, первоначально измерялась путем взвешивания его, поддерживаемого на каждом конце. Возникла необходимость в более точном методе разделения вращающейся и возвратно-поступательной частей в зависимости от положения центра удара. Это положение измерялось поворотом стержня как маятника. Неуравновешенность остальных ведущих колес вызвана весом шатунной шейки и боковой штанги. Вес боковой штанги, присвоенный каждой шатунной шейке, измеряется путем подвешивания штока на столько весов, сколько есть шатунов, или путем расчета.

Возвратно-поступательное движение поршня / крейцкопфа / главного штока / клапана неуравновешено и вызывает продольные колебания. Их разделение на 90 градусов вызывает покачивание пары.

Измерение эффектов дисбаланса

Весь локомотив имеет тенденцию двигаться под действием неуравновешенных сил инерции. Горизонтальные движения неуравновешенных локомотивов были количественно определены М. Ле Шателье во Франции около 1850 г., подвешивая их на тросах к крыше здания. Они разгонялись до эквивалентной дорожной скорости до 40 миль в час, а горизонтальное движение отслеживалось карандашом, установленным на буферной балке. След представлял собой эллиптическую форму, образованную совместным действием продольных движений и качательных движений. Форма могла быть заключена в квадрат 5/8 дюйма для одного из неуравновешенных локомотивов и была уменьшена до такой степени, что добавлялись веса для противодействия вращающимся и возвратно-поступательным массам.

Читайте также:  Как форсировать двигатель мотоцикл днепр

Эффект вертикального дисбаланса или переменной нагрузки колеса на рельс был количественно определен профессором Робинсоном в США в 1895 году. Он измерил прогибы или деформации моста и объяснил, что увеличение на 28% по сравнению со статическим значением связано с неуравновешенными водителями. .

Остаточный дисбаланс в локомотивах оценивался тремя способами на испытательном заводе Пенсильванской железной дороги. В частности, 8 локомотивов были испытаны на выставке закупок в Луизиане в 1904 году. Тремя измерениями были:

  1. критическая скорость. Это было определено как скорость, с которой неуравновешенные возвратно-поступательные части изменяли тягу локомотива. На более высоких скоростях это движение гасилось за счет дросселирования потока масла в дросселях. Критическая скорость варьировалась от 95 об / мин для тандемного соединения Baldwin до более 310 об / мин для соединения Cole Atlantic.
  2. горизонтальное движение у пилота. В качестве примера, соединение Атлантики Болдуина переместилось примерно на 0,80 дюйма со скоростью 65 миль в час по сравнению с 0,10 дюйма в Атлантике соединения Коула.
  3. качественная оценка нагрузки на опорные колеса завода. Проволока диаметром 0,060 дюйма была пропущена под колесами. Измерение деформированной проволоки показало вертикальную нагрузку на колесо. Например, соединение Коула Атлантик показало небольшое отклонение от толщины 0,020 дюйма для всех скоростей до 75 миль в час. В отличие от этого, соединение Baldwin Atlantic на скорости 75 миль в час не показало деформации, что указывало на полный подъем колеса при повороте колеса на 30 градусов с быстрым обратным ударом при повороте всего на 20 градусов до деформации без удара молота 0,020 дюйма.

Качественная оценка может проводиться в поездке с точки зрения ездовых качеств в кабине. Они могут быть ненадежным индикатором потребности в лучшем балансе, поскольку несвязанные факторы могут вызвать грубую езду, например, заклинивание клиньев, засорение выравнивателей и провисание между двигателем и тендером. Также положение несбалансированной оси относительно центра тяжести локомотива может определять степень движения в кабине. А. Х. Феттерс рассказал, что на 4-8-2 эффект динамического увеличения на 26000 фунтов под ЦГ не проявлялся в кабине, но такое же увеличение на любой другой оси было бы.

Статическая балансировка колес

Противовесы устанавливаются напротив частей, вызывающих дисбаланс. Единственная доступная плоскость для этих грузов находится в самом колесе, что приводит к дисбалансу пары в узле колесо / ось. Колесо сбалансировано только статически.

Статическая балансировка возвратно-поступательного груза

Часть возвратно-поступательного груза уравновешивается добавлением дополнительного вращающегося груза в колесо, т.е. балансируется только статически. Превышение баланса вызывает то, что известно как удар молота или динамическое усиление, оба термина имеют то же определение, что и в следующих ссылках. Удар молота варьируется относительно среднего статического значения, попеременно прибавляя и убавляя его с каждым оборотом колеса. В Соединенных Штатах это известно как динамическое увеличение, вертикальная сила, вызванная попыткой конструктора сбалансировать возвратно-поступательные части путем включения противовеса в колеса.

Термин «удар молотком» не очень хорошо описывает происходящее, поскольку сила постоянно меняется, и только в крайних случаях, когда колесо на мгновение отрывается от рельса, может быть истинный удар, когда оно возвращается обратно.

Примерно до 1923 года американские локомотивы были сбалансированы для статических условий только с отклонением нагрузки на главную ось на 20 000 фунтов выше и ниже среднего значения на оборот от неуравновешенной пары. Грубая езда и повреждения привели к рекомендациям по динамической балансировке, включая определение пропорции балансируемого возвратно-поступательного веса как пропорции от общего веса локомотива или с буфером Франклина, локомотив плюс вес тендера.

Другой источник изменения нагрузки на колесо / рельс, усилие поршня, иногда неправильно называют ударом молотка или динамическим усилением, хотя он не фигурирует в стандартных определениях этих терминов. Он также имеет другую форму на оборот колеса, как описано ниже.

В качестве альтернативы добавлению веса к ведущим колесам тендер может быть прикреплен с помощью плотной муфты, которая увеличит полезную массу и колесную базу локомотива. Государственные железные дороги Пруссии построили двухцилиндровые двигатели без возвратно-поступательного движения, но с жесткой тендерной муфтой. Эквивалентной муфтой для поздних американских локомотивов был радиальный буфер с демпфированием трения.

Динамическая балансировка узла колесо / ось

Вес шатунов и шатунов на колесах находится в плоскости за пределами плоскости колеса для статического балансира. Двухплоскостная или динамическая балансировка необходима, если необходимо уравновесить несбалансированную пару на скорости. Второй используемый самолет находится в противоположном колесе.

Двухплоскостная или динамическая балансировка колесной пары локомотива известна как поперечная балансировка. Американская железнодорожная ассоциация не рекомендовала перекрестную балансировку до 1931 года. До этого времени в Америке выполнялась только статическая балансировка, хотя строители включали перекрестную балансировку для экспортных локомотивов, когда это было указано. Строители в Европе приняли кросс-балансировку после того, как Ле Шателье опубликовал свою теорию в 1849 году.

Определение допустимого удара молотком

Максимальные нагрузки на колесо и ось указаны для конкретной конструкции моста, поэтому может быть достигнута требуемая усталостная долговечность стальных мостов. Нагрузка на ось обычно не является суммой двух нагрузок на колеса, потому что линия действия поперечной балансировки будет различной для каждого колеса. Зная статический вес локомотива, рассчитывается величина репрессии, которая может быть помещена в каждое колесо для частичного уравновешивания совершающих возвратно-поступательное движение частей. Деформации, измеренные в мосту под проезжающим локомотивом, также содержат компонент от поршневой тяги. В приведенных выше расчетах это не учитывается для допустимого перевеса каждого колеса. Возможно, это необходимо принять во внимание.

Реакция колеса на удар молотка

Поскольку вращающая сила попеременно снижает нагрузку на колесо, а также увеличивает ее на каждом обороте, устойчивое тяговое усилие в пятне контакта снижается один раз за оборот колеса, и колеса могут проскальзывать. Произойдет ли проскальзывание, зависит от того, как удары молотка сравниваются по всем сцепленным колесам одновременно.

Чрезмерный удар молота из-за высоких скоростей скольжения был причиной перекручивания рельсов у новых североамериканских 4-6-4 и 4-8-4, которые следовали рекомендациям AAR 1934 года по уравновешиванию 40% возвратно-поступательного веса.

Несбалансированные силы инерции в колесе могут вызывать различные вертикальные колебания в зависимости от жесткости гусеницы. Испытания на скольжение, проведенные на смазанных участках пути, показали, в одном случае, небольшую маркировку рельса при скорости скольжения 165 миль в час, но на более мягком пути серьезное повреждение рельса на скорости 105 миль в час.

Тяга поршня от угловатости шатуна

Поверхность скольжения крейцкопфа парового двигателя обеспечивает реакцию на усилие шатуна, действующее на шейку кривошипа, и изменяется от нуля до максимального значения дважды за каждый оборот коленчатого вала.

В отличие от удара молота, который попеременно добавляет и вычитает для каждого оборота колеса, тяга поршня только добавляет к статическому среднему или вычитает из него, дважды за оборот, в зависимости от направления движения и от того, движется ли локомотив накатом или дрейфует.

В паровом двигателе двойного действия, который используется в железнодорожном локомотиве, направление вертикальной тяги на ползуне всегда вверх при движении вперед. Он изменяется от нуля в конце хода до максимума на половине хода, когда угол между шатуном и кривошипом наибольший. Когда шатунный штифт приводит в движение поршень, как и при движении накатом, упор поршня направлен вниз. Положение максимальной тяги показано повышенным износом в средней части ползунов.

Тенденция переменного усилия к верхнему суппорту состоит в том, чтобы приподнять машину над ее ведущими пружинами на половине хода и ослабить ее в конце хода. Это вызывает раскачку и, поскольку максимальная поднимающая сила не является одновременной для двух цилиндров, она также будет иметь тенденцию к качению на пружинах.

Сходства с балансировкой другой техники

Динамическая балансировка колес локомотива с использованием колес в качестве балансировочных плоскостей для дисбаланса, существующего в других плоскостях, аналогична динамической балансировке других роторов, таких как узлы компрессора / турбины реактивного двигателя. Остаточный дисбаланс в собранном несущем винте исправляется установкой противовесов в 2-х плоскостях, доступных с двигателем, установленным на самолете. Одна плоскость находится в передней части вентилятора, а другая — на последней ступени турбины.

Смотрите также

Ссылки

  • Свобода, Бернар (1984), Mécanique des moteurs alternatifs , 331 страница, 1, rue du Bac 75007, ПАРИЖ, ФРАНЦИЯ: Издания TECHNIP, ISBN9782710804581 CS1 maint: location ( ссылка )
  • Фоул, Тони (2007), Some science of balance (PDF) , Tony Foale Designs: Benidoleig, Alicante, Spain, заархивировано (PDF) из оригинала 27 декабря 2013 г. , получено 4 ноября 2013 г.
  • Тейлор, Чарльз Файетт (1985), Двигатель внутреннего сгорания в теории и практике , Vol. 2. Сжигание, топливо, материалы, конструкция, Массачусетс: MIT Press, ISBN0-262-70027-1
  • Дэниел Киннер Кларк (1855), Железнодорожное оборудование , 1-е изд., Блэки и сын
  • Джонсон, Ральф (2002), Паровоз , Симмонс-Бордман
  • Фрай, Лоуфорд Х. (1933), «Уравновешивание локомотива», Сделки Американского общества инженеров-механиков
  • Dalby, WB (1906), Балансировка двигателей , Эдвард Арнольд, Глава IV — Балансировка локомотивов
  • Беван, Томас (1945), Теория машин , Лонгманс, Грин и Ко.

Источник