Во время работы поршневого двигателя внутреннего сгорания подвижные детали, перемещаясь, вызывают появление сил и моментов сил инерции, изменяющихся в течение рабочего цикла и по модулю, и по направлению. Это вызывает неравномерность работы двигателя, выражающуюся в его вибрации, передающейся на опоры и далее на автомобиль в целом.
Действия, направленные на устранение причин вибраций, т. е. неуравновешенности двигателя во время его работы, называются уравновешиванием двигателей .
Уравновешивание двигателя сводится к созданию такой системы, в которой равнодействующие силы и их моменты постоянны по величине или равны нулю. Двигатель считается полностью уравновешенным, если при установившемся режиме работы силы и моменты, действующие на его опоры, постоянны по величине и направлению.
У всех поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) возникает реактивный момент, противоположный крутящему моменту, который называется опрокидывающим. Опрокидывающий момент передается на подмоторную раму, и, поскольку его величина изменяется во времени, вызывает вибрацию автомобиля. Значение опрокидывающего момента является функцией угла поворота коленчатого вала, также, как и значение крутящего момента, т. е. эти величины являются переменными.
По этой причине абсолютной уравновешенности поршневого ДВС достигнуть невозможно. Однако в зависимости от того, в какой степени устраняются причины, вызывающие неуравновешенность двигателя, различают двигатели полностью уравновешенные, частично уравновешенные, и неуравновешенные.
Теоретически любые свободные силы инерции и их моменты могут быть уравновешены. Однако на практике это сопровождается значительным усложнением и удорожанием конструкции. А так как уравновешивание осуществляется не только с учетом технической, но и экономической целесообразности, то не все поршневые двигатели уравновешиваются полностью.
Способы уравновешивания двигателя
В поршневых двигателях внутреннего сгорания уравновешивают центробежные силы инерции вращающихся масс, силы инерции первого и второго порядка, а также моменты, вызываемые этими силами.
Силы инерции 1-го порядка вызываются изменением направления движения деталей поршневой группы во время работы двигателя. Эти силы достигают пиковых значений в моменты прохождения поршнем мертвых точек (при перекладке поршня).
Следствием возникновения сил 1-го порядка является поперечная вибрация двигателя, частота которой равна частоте вращения коленчатого вала. Обычно эти силы частично уравновешиваются балансирами, устанавливаемыми на коленчатом валу. Полное уравновешивание сил инерционных сил 1-го порядка с помощью балансиров невозможно, поскольку сами балансиры совершают вращательное движение, а уравновешиваемые детали поршневой группы — линейное.
Силы инерции 2-го порядка вызываются изменением по величине (по модулю) линейной скорости движения поршня в процессе перемещения его между мертвыми точками. Эти силы достигают максимального значения в середине хода поршня и вызывают поперечную вибрацию двигателя, частота которой в два раза превышает частоту вращение коленчатого вала.
Силы инерции 2-го порядка уравновесить очень сложно, и, поскольку их величина значительно меньше сил инерции 1-го порядка, чаще всего силы 2-го порядка оставляют неуравновешенными, чтобы не усложнять конструкцию двигателя.
Силы инерции первого и второго порядков и их моменты уравновешиваются подбором оптимального числа цилиндров, их расположения и выбором соответствующей схемы коленчатого вала. Если этого не достаточно, то силы инерции уравновешивают противовесами, расположенными на дополнительных валах, имеющих механическую связь с коленчатым валом. Это приводит к значительному усложнению конструкции двигателя, поэтому на практике используется редко.
В рядных двигателях уравновесить силы инерции первого и второго порядков установкой противовесов невозможно. Однако при соответствующем выборе массы противовеса можно частично перенести действие силы инерции первого порядка из одной плоскости в другую, тем самым уменьшив неуравновешенность в этой плоскости.
Центробежные силы инерции вращающихся масс можно уравновесить в двигателе с любым числом цилиндров установкой противовесов на коленчатом валу. В большинстве многоцилиндровых двигателей результирующие силы инерции уравновешиваются не установкой противовесов, а путем подбора соответствующего числа и расположения кривошипов коленчатого вала. Однако даже на уравновешенные валы устанавливают противовесы для уменьшения и более равномерного распределения нагрузки на коренные шейки и подшипники, а также для уменьшения моментов, изгибающих коленчатый вал.
Если нельзя уравновесить опрокидывающий момент, то можно уменьшить его неравномерность (амплитуду) путем снижения неравномерности крутящего момента. Это достигается увеличением числа цилиндров двигателя при равных интервалах между вспышками (тактами рабочего хода) в них.
Предусмотренная конструкторами двигателя уравновешенность может быть сведена к нулю, если не будут выполняться следующие требования к производству деталей двигателя, сборке и регулировке его узлов:
- равенство масс поршневых групп;
- равенство масс и одинаковое расположение центров тяжести шатунов;
- статическая и динамическая сбалансированность коленчатого вала.
Читайте также: Двигатель ока балансировочные валы
При эксплуатации двигателя необходимо, чтобы идентичные рабочие процессы во всех его цилиндрах протекали одинаково. А это зависит от состава смеси, углов опережения зажигания или впрыска топлива, наполнения цилиндров, теплового режима, равномерности распределения смеси по цилиндрам и т. д.
Балансировка коленчатого вала
Коленчатый вал, как и маховик, являясь массивной подвижной частью кривошипно-шатунного механизма, должен вращаться равномерно, без биений. Для этого выполняют его балансировку, подбор и крепление уравновешивающих грузов для обеспечения его полной динамической уравновешенности.
Кроме динамической уравновешенности существует и статическая балансировка, при которой деталь уравновешивают противовесом в произвольно выбранной плоскости, исходя из условия, что деталь будет находиться в равновесии, если ее центр тяжести лежит на оси вращения.
При статической балансировке вал устанавливают на узкие точечные опоры, и путем добавления грузов на его маховик или противовесы добиваются устойчивого равновесия в любом положении.
Динамическая балансировка обеспечивает большую точность, чем статическая. Поэтому коленчатые валы, к которым предъявляются повышенные требования относительно уравновешенности, балансируют динамически.
Динамическую балансировку выполняют на специальных балансировочных станках или стендах, оборудованных устройствами для определения нужного положения уравновешивающего груза, массу которого определяют последовательными пробами, ориентируясь по показаниям приборов.
Во время балансировки вал, закрепленный на стойках станины балансировочного стенда, приводится во вращение с помощью специального привода. При этом центробежные силы приведенных масс оказывают динамическое воздействие, вызывая колебания рамы станка на упругой опоре. Амплитуда колебаний зависит от степени неуравновешенности вала и частоты его вращения на стенде.
Балансировку коленчатого вала проводят или на резонансном режиме, или при угловых скоростях, значительно превышающих резонансные.
Видео:Как проводится дефектовка коленчатых валовСкачать
Уравновешивание двигателя
Уравновешенность — это состояние двигателя, которое при установившемся режиме работы характеризуется постоянными по значению и направлению силами и моментами, действующими на опоры.
Для уравновешивания сил инерции и моментов этих сил в многоцилиндровых двигателях необходимо, чтобы равнодействующие всех сил инерции, действующих на плоскостях, проходящих через ось вала, а также сумма моментов этих сил относительно выбранной оси равнялись нулю.
Условие полной конструктивной уравновешенности двигателей выражается системой уравнений:
При разработке двигателей важно правильно выбрать соответствующее число и расположение цилиндров, схему расположения кривошипов, место установки простейших противовесов и сложных уравновешивающих механизмов. С целью достижения уравновешенности двигателя выполняют соответствующие требования при производстве двигателей, их сборке, регулировке, ремонте и эксплуатации. При этом соблюдают допуски на массы и размеры поршней, шатунов, коленчатого вала и других деталей; проводят статическую и динамическую балансировки коленчатого вала; регулируют рабочий цикл во всех цилиндрах, стремясь обеспечить одинаковое их наполнение, одинаковые степени сжатия, моменты зажигания или впрыскивания топлива и т. д.
Уравновешивание — это комплекс конструктивных, производственных и эксплуатационных мероприятий, направленных на уменьшение или полное устранение неуравновешенных свободных сил инерции и моментов. Например, устанавливая противовесы, можно уравновесить центробежную силу Рс и ее момент. Силы инерции первого и второго Рд порядков в одно-, двух- и четырехцилиндровых двигателях можно уравновесить с помощью специальных громоздких уравновешивающих механизмов, которые применяют крайне редко. Для шести- и более цилиндровых двигателей такие устройства не требуются.
К числу дополнительных мероприятий по уравновешиванию двигателей относится установка на переднем конце коленчатого вала гасителя колебаний, поскольку эта часть вала совершает наибольшие по амплитуде отклонения — крутильные колебания. Гасители поглощают энергию колебаний, подводимую к валу двигателя извне, благодаря трению между элементами гасителя и тем самым уменьшают амплитуду колебаний.
Широко применяют гасители колебаний жидкостного трения. Равномерно вращающийся при работе двигателя маховик помещают в герметичный корпус, заполненный кремнийорганической жидкостью (силиконом). При колебаниях стенки маховика вовлекают в движение слои силикона, работа сил трения жидкости поглощает энергию колебаний.
Для уменьшения крутильных колебаний можно также создавать инерционные реактивные моменты в определенном сечении вала. Для этого в соответствующем месте следует установить гасители колебаний маятникового или упругомассового типа.
Видео:Коленвал! Балансировка, Ковка и Литье!Скачать
Коленчатый вал.
Форма коленчатого вала зависит от тактности двигателя, числа, расположения (рядности) и порядка работы цилиндров. Формы валов, количество опор и наиболее распространенные порядки работы цилиндров четырехтактных двигателей указаны в таблице 1.
Таблица 1. Формы коленчатых валов и порядок работы цилиндров четырехтактных двигателей с рядным и V-образным расположением цилиндров
Наиболее распространенные порядки работы цилиндров
Видео:Уравновешивание коленвала альфа. Как уравновесить коленвал на мопеде альфаСкачать
Мифы и реальность о балансировке коленчатого вала
Мифы и реальность о балансировке коленчатого вала
К сожалению, вопросы балансировки коленчатого вала (маховика, корзины сцепления, демпфера) в доступной литературе практически не раскрыты, а если что и можно найти, то это ГОСТы и научная литература. Однако осмысление и понимание того, что там написано, требует определенной подготовки и наличия самого балансировочного станка. Это, естественно, отбивает у автомехаников все желание разобраться с этими вопросами с точки зрения ремонта ДВС. В этой короткой статье мы попытаемся раскрыть вопросы балансировки с позиции автомеханика, не вдаваясь в сложные математические расчеты и больше акцентируя внимание на практическом опыте.
Читайте также: Подшипник вала насоса wilo 6309 2z c3 арт 121084396
Итак, наиболее частый вопрос возникающий при ремонте двигателя: нужно ли проводить балансировку после шлифовки коленчатого вала?
Для этого мы покажем все этапы балансировки коленчатого вала, которые выполняются в нашей фирме при ремонте коленчатого вала. В качестве примера возьмем коленчатый вал двигателя МВ 603.973. Это рядный 6 цилиндровый дизельный двигатель. Допустимый дисбаланс завода изготовителя на данный вал 100 гмм. Много это или мало? Что будет если дисбаланс будет меньше или больше данной цифры? Эти вопросы мы не будем рассматривать в этой статье, а опишем их позже. Но можно с уверенностью говорить, что завод изготовитель берет эти цифры не с потолка, а проводит достаточное количество экспериментов для того, чтобы найти компромисс между допустимым значением дисбаланса для нормальной эксплуатации двигателя и себестоимостью производства для обеспечения данного допуска. Просто для сравнения, допустимый дисбаланс завода изготовителя на коленчатый вал двигателя ЗМЗ 406 360 гмм. Чтобы легче представить и понять эти цифры, вспомним простую формулу из курса физики. Для вращательного движения сила инерции равна:
m – неуравновешенная масса, кг;
r – радиус ее вращения, м;
w – угловая скорость вращения, рад/с;
n – частота вращения, об/мин.
Итак, подставляем цифры в формулу и принимаем частоту вращения от 1000 до 10 000 об/мин, получаем следующее:
F1000 = 0.1х 0,001х( 3,14х1000/30)2= 1,1 Н
F2000 = 0.1х 0,001х( 3,14х2000/30)2= 4,4 Н
F3000 = 0.1х 0,001х( 3,14х3000/30)2= 9,9 Н
F4000 = 0.1х 0,001х( 3,14х4000/30)2= 17,55 Н
F5000 = 0.1х 0,001х( 3,14х5000/30)2= 27,4 Н
F6000 = 0.1х 0,001х( 3,14х6000/30)2= 39,5 Н
F7000 = 0.1х 0,001х( 3,14х7000/30)2= 53,8 Н
F8000 = 0.1х 0,001х( 3,14х8000/30)2= 70,2 Н
F9000 = 0.1х 0,001х( 3,14х9000/30)2= 88,9 Н
F10000 = 0.1х 0,001х( 3,14х10000/30)2= 109,7 Н
Все конечно понимают, что этот мотор никогда не выйдет на частоту вращения 10 000 об/мин, но этот простенький расчет сделан для того, что бы «почувствовать» цифры и понять как важна балансировка при увеличении частоты вращения. Какие можно сделать предварительные выводы? Во первых, вы «почувствовали», что такое дисбаланс 100 гмм, ну и, во вторых, убедились, что это действительно достаточно жесткий допуск для данного двигателя, и нет никакой необходимости делать этот допуск жестче.
Теперь давайте покончим с цифрами и наконец-то вернемся к этому валу. Данный вал был предварительно отшлифован и после попал к нам на балансировку. И вот какие результаты мы получили при измерении дисбаланса.
Что обозначают эти цифры? На данном рисунке мы видим, что дисбаланс на левой плоскости равен 378 гмм, и дисбаланс на правой плоскости равен 301 гмм. То есть условно можно принять, что общий дисбаланс на вал получается 679 гмм, что почти в 7 раз превышает допуск, заложенный заводом изготовителем.
Вот фото этого вала на станке:
Сейчас конечно Вы начнете во всем обвинять «криворукого» шлифовщика или плохой станок. Но давайте вернемся опять к простеньким расчетам и попробуем понять, почему так получается. Для простоты расчета примем вес вала 20 кг (этот вес очень близок к истине для 6 цилиндрового коленчатого вала). Вал имеет остаточный дисбаланс допустим 0 гмм ( что является полной утопией).
И так теперь шлифовщик этот вал прошлифовал в ремонтный размер. Но при установке вала он сместил ось вращения от оси инерции всего на 0,01 мм (чтобы проще понять — у шлифовщика не совпала старая и новая ось вращения всего на 0,01 мм), и мы получили сразу же дисбаланс в 200 гмм. А если учесть, что у заводского вала всегда присутствует дисбаланс, то картина будет еще хуже. Поэтому те цифры, что мы получили, не являются из ряда вон выходящими, а являются нормой после шлифовки вала.
А если учесть, что не всегда завод изготовитель выдерживает свои же допуска, то обвинения в адрес шлифовщика или станка просто отпадают. Только не надо теперь стоять над шлифовщиком и требовать, что бы он выставлял вал с микронной точностью, все равно это не принесет желаемого результата. Единственным правильным выходом из данной ситуации является обязательная балансировка коленчатого вала после его шлифовки. Традиционно балансировку коленчатого вала выполняют высверливанием противовеса (иногда правда приходится утяжелять противовесы, но это достаточно редкий случай).
Читайте также: Карданные валы для мульчеров
Вот, что мы получили после балансировки вала
Остаточный дисбаланс по левой плоскости 7 гмм и 4 гмм по правой плоскости. То есть общий дисбаланс на вал 11 гмм. Такая точность делалась специально, чтобы показать возможности данного станка и, как вы поняли теперь, необходимости выполнять такие требования при балансировке после шлифовки вала нет. Требований завода изготовителя вполне достаточно. Итак, с валом мы закончили, и, естественно, возникает вопрос, а нужно ли балансировать передний демпфер (шкив), маховик, корзину сцепления. Обратимся опять к ремонтной литературе. Что рекомендует тот же ЗМЗ, например, на допустимый дисбаланс этих деталей? На шкив передний с демпфером 100 гмм, на маховик 150 гмм, на корзину сцепления 100 гмм. Но есть очень важное примечание.
Все эти детали балансируются отдельно от вала ( то есть на оправках), и коленчатый вал в сборе на современных моторостроительных заводах в серию не балансируется. То есть Вы понимаете, что при установке вышеперечисленных деталей на коленчатый вал остаточный дисбаланс естественно изменится, так как совпадение осей вращения практически невозможно. Ниже представлены фото балансировки данных деталей.
Опять же, как показала практика, эти детали вносят ощутимый вклад в дисбаланс коленчатого вала, и, как показал наш опыт, дисбаланс каждой из этой детали существенно перекрывает допуски на остаточный дисбаланс. Так, цифра 150-300 гмм является «нормой» для переднего шкива (демпфера), для маховика 200-500 гмм, и 200-700 гмм для корзины сцепления. И это относится не только к российскому автопрому. Как показал наш опыт, примерно эти же цифры получаются и у зарубежного автопрома.
И есть обязательно еще один очень важный момент: после балансировки деталей по отдельности надо провести балансировку в сборе, но она должна делаться на последнем этапе. Предварительная балансировка по отдельности является также обязательной. Это надо для того, чтобы в случае, если выйдет из строя маховик или сцепление, Вам не пришлось снимать колено для повторной перебалансировки.
Итак, вот, что мы получаем окончательно при балансировке в сборе.
Итоговый дисбаланс коленчатого вала в сборе 37 гмм.
При этом следует учесть, что вес вала в сборе был около 43 кг.
Но, выполнив балансировку коленчатого вала в сборе, не стоит забывать о развесовке поршней и шатунов. Причем развесовку шатунов надо делать не просто по весу, а развесовку по центру масс, так как разница в весе этих деталей также вносит свой вклад в дисбаланс двигателя и строго регламентируется заводом изготовителем.
И вот, что хотелось бы отметить в заключении: очень многие автомеханики, прочитав эту статью, скажут, что это все ерунда. Что они собрали не один десяток моторов, и что все они без балансировки прекрасно работают, и они будут правы- действительно работают. Но давайте вспомним, сколько приходилось видеть моторов, которые работали …. при поломанных направляющих, со стертыми кулачками распредвала, с фрезерованными по плоскости ГБЦ выше нормы в 2-3 раза, с изношенными цилиндрами в 0,3 мм, с неправильно установленными поршнями- этот список можно продолжать до бесконечности.
У каждого, наверно, найдется парочка своих примеров, когда двигатель работал вопреки всем законам. Зачем хонинговать цилиндры, ведь раньше только точили и все работало? или: Зачем пользоваться хон-брусками, когда можно обычной шкуркой нанести сетку? Зачем «ловить» эти сотки, ведь это и так работает? Так почему, следуя одним требованиям завода изготовителя, пренебрегают другими? Только не надо думать, что, выполнив балансировку коленчатого вала в сборе и развесовку поршней и шатунов, Вы получите «чудо», что у Вас штатный мотор от Ваза по характеристикам станет, как мотор от болида Формулы 1. Этого у Вас не произойдет то же. Ведь балансировка — это один из кирпичиков, который вместе с выполнением остальных требований по ремонту дает Вам уверенность в том, что отремонтированный Вами двигатель отработает как минимум ресурс нового двигателя. И чем больше мотористов будут следовать требованиям автопроизводителей при ремонте двигателя, тем меньше будет автолюбителей, которые считают, что двигатель после капитального ремонта больше 50-70 тыс. км не работает.
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
💥 Видео
Балансировка коленвала в домашних условияхСкачать
Балансировка коленчатого валаСкачать
Балансировка коленвала - ...УЙНЯ? DEN TUN и ВАГНЕР ОШИБАЛИСЬ ? Что НЕ ПОКАЗЫВАЛИ, о чем НЕ ГОВОРИЛИ！Скачать
Как балансируют коленвалыСкачать
Балансировка коленчатого вала.Скачать
Коленчатый вал МТЗ и его ужасный маховикСкачать
Балансировка Коленвала от ВиктораСкачать
Балансировка КоленвалаСкачать
Балансировка коленвала ВАЗ для автоспортаСкачать
Балансировка коленвала для начинающихСкачать
Балансировка коленчатого вала КАМАЗ. Балансировка коленчатого вала V-образного двигателяСкачать
Балансировка маховика и шкива на коленвала.Скачать
ИЖ Планета Проверка балансировки коленчастого валаСкачать
Перепрессовка и балансировка коленвала снегоходаСкачать
балансировка коленвала змз 402. Всё 402е именно такие, хороших не встречал.Скачать
балансировка коленвала V8Скачать
Обзор и балансировка коленчатого вала ЮМЗСкачать
