1.6. Зрівноваження трициліндрових двигунів

Для трициліндрових двигунів застосовується схема з колінами під кутом 120 (рис.1.8) і застосовують як для чотиритактних, так і двотактних двигунів. У випадку такої схеми для чотиритактних двигунів забезпечується рівномірне чергування спалахів через 240 у разі порядку роботи 1-2-3, а для двотактних через 120 у разі порядку роботи 1-3-2.

Рис.1.8. Зрівноваження трициліндрового двигуна

Сили інерції першого і другого порядків, а також відцентрові сили інерції у даному двигуні взаємно зрівноважуються:

,

,

.

Момент від сил інерції F_j1 відносно будь-якої осі, яка перпендикулярна до осі колінчастого вала

.

Оскільки,

,

та

тоді отримаємо,

.

(1.23)

Досліджуючи вираз (1.23) отримаємо:

;

; _х=150 і 330;

.

Подібним чином знаходять вільний момент від сил інерції другого порядку

,

(1.24)

а його найбільше значення

.

Моменти T_j1 і T_j2 діють у площині, що проходить через осі циліндрів.

Повне зрівноваження моментів T_j1 і T_j2 можливо досягнути лише за допомогою противаг, що встановлюють на додаткових валах.

У даному випадку повне зрівноваження моменту T_j1 досягається за допомогою чотирьох противаг, що встановлюють на двох додаткових валах, які обертаються у протилежних напрямках з кутовою швидкістю . Противаги встановлюють так, що у разі повороту першого коліна на кут =150 (коли T_j1=T_j2max) їх відцентрові сили діяли у двох площинах, що паралельні площині дії моменту, і які проходять через осі додаткових валів, і створюють в даному випадку максимальний зрівноважувальний момент:

T_j1зр.max = T_j1max.

Величину моменту T_с і розташування площини його дії можна визначити геометричним складанням векторів моментів від сил F_с, що діють у площині колін. Після приведення сил отримують два моменти, що діють у площинах другого і третього колін (рис.1.8 і 1.9):

; .

Рівнодійний момент

.

Після підстановки у цей вираз значень моментів T_с2 і T_с3 та перетворень отримуємо

.

(1.25)

Рис.1.9. Розрахункова схема площини дії моменту T_с трициліндрового двигуна

Кут _с між векторами моментів T_с3 і T_с визначається з трикутника OAB (рис.1.9)

; _с = 30.

Момент T_с діє в площині С-С, що перпендикулярна до вектору T_с і складає з площиною першого коліна кут 30 (рис.1.9). Момент T_с можна повністю зрівноважити встановленням противаг на продовженнях щік у даній площині (рис.1.9).

Трициліндрові двигуни з противагами на додатковому валу в даний час встановлюються, наприклад, на автомобілях Skoda Fabia.

1.7. Зрівноваження чотирициліндрових двигунів

Найбільше розповсюдження серед рядних чотирициліндрових двигунів на даний час отримала схема з плоским валом (рис.1.10). За такою схемою виконують всі чотиритактні чотирициліндрові рядні двигуни, оскільки в даному випадку забезпечується добра зрівноваженість та рівномірність чергування спалахів в циліндрах через 180 за порядку роботи 1-2-4-3 або 1-3-4-2.

Також розповсюдження отримала схема чотирициліндрового двигуна з колінами, що розташовані під кутом 90, яка застосовується для двотактних двигунів. Дана схема також забезпечує рівномірність чергування спалахів в циліндрах через 90 пороту колінчастого валу у разі порядку роботи 1-3-4-2.

Крім однорядних чотирициліндрових двигунів значне розповсюдження отримали двигуни з колінами, що розташовані під кутом 180, і протилежним розташуванням циліндрів, а також V-подібні чотирициліндрові двигуни.

Чотирициліндровий рядний двигун з колінами, що розташовані під кутом 180. Сили інерції першого порядку в такому двигуні (рис.1.10) взаємно зрівноважуються

.

(1.26)

Рис.1.10. Зрівноваження чотирициліндрового рядного двигуна з колінами, що розташовані під кутом 180

Відцентрові сили мас, що обертаються, також взаємно зрівноважуються

.

(1.27)

Сили інерції другого порядку за будь-якого розташування колінчастого валу рівні між собою і мають однаковий напрям. Рівнодійна цих сил

.

(1.28)

Цю силу можна зрівноважити тільки за допомогою противаг на додаткових валах.

Моменти від сил інерції першого і другого порядків, а також від відцентрових сил інерції, як видно з рис.1.10, рівні нулю:

, , .

(1.29)

Чотирициліндрові рядні двигуни з колінами, що розташовані під кутом 180, встановлюються на більшості сучасних автомобілів. Противаги на продовження щік даних двигунів встановлюються для розвантаження опорних підшипників від дії місцевих відцентрових сил F_с. Масу кожної з противаг визначають із умови повного або часткового зрівноваження сили F_с кожного коліна валу.

Ч отирициліндровий двигун з протилежним розташуванням циліндрів та колінами, що розташовані під кутом 180. У двигунах зі схемою розташування циліндрів, що наведена на рис.1.11, у разі порядку роботи 1-4-2-3 або 1-3-2-4 чергування спалахів відбувається рівномірно.

Рис.1.11. Зрівноваження чотирициліндрового двигуна з протилежним розташуванням циліндрів та колінами, що розташовані під кутом 180

Сили інерції першого та другого порядків, а також відцентрових сил інерції в таких двигунах за будь-якого розташування колінчастого валу відповідно рівні, проте направлені у протилежні сторони, тобто взаємно зрівноважуються:

; ; .

(1.30)

Моменти сил інерції першого порядку і відцентрових сил інерції взаємно зрівноважуються:

, .

(1.31)

Сили інерції другого порядку створюють вільний момент T_j2, що діє у площині, яка проходить через осі циліндрів

.

(1.32)

Момент T_j2 можна зрівноважити методом додаткових валів з противагами.

Двигуни, у яких по одну сторону колінчастого валу розташовані 1 і 4, а по іншу сторону 2 і 3 циліндри, внаслідок неможливості забезпечення рівномірного чергування спалахів не застосовуються, проте ці двигуни є повністю зрівноваженими.

Чотирициліндровий V-подібний двигун з кутом розвалу циліндрів =90 і колінами, що розташовані під кутом 90. Схема двигуна наведена на рис.1.12. У випадку порядку роботи 1-2-4-3 забезпечується рівномірне чергування спалахів через 180 кута повороту колінчастого валу.

Сили інерції першого порядку та відцентрові силі інерції в такому двигуні (рис.1.12) взаємно зрівноважуються

; .

(1.33)

Сили інерції першого порядку для лівого ряду циліндрів

;

для правого ряду циліндрів

.

Згідно рис.1.12 маємо

.

Сили інерції другого порядку у всіх циліндрах рівні за величиною

;

.

Рис.1.12. Зрівноваження чотирициліндрового V-подібного двигуна з кутом розвалу циліндрів =90 і колінами, що розташовані під кутом 90

Таким чином сили інерції другого порядку приводяться до рівнодійної, що діє у вертикальній площині

.

(1.34)

Сили інерції першого порядку створюють моменти, що діють в площинах:

першого і другого циліндрів

,

третього і четвертого циліндрів

.

Геометричне сумування векторів моментів і (рис.1.12) показує, що рівнодійний момент від сил інерції першого порядку діє у горизонтальній площині, яка проходить через вісь колінчастого валу,

.

(1.35)

Цей момент можна повністю зрівноважити за допомогою противаг, що встановлюють на колінчастому та додатковому валах. Додатковий вал розташовують у вертикальні площині, що проходить через вісь колінчастого валу та приводиться в рух від колінчастого валу за допомогою шестерень і обертається з кутовою швидкістю , але в протилежну сторону. Осі додаткового і колінчастого валів мають бути паралельними.

Осі противаг m_x, що встановлюють на продовженнях щік колінчастого валу, утворюють кут 45 з площиною першого коліна.

Противаги m_x на додатковому валу встановлюють так, що у разі знаходження поршня першого циліндра у в.м.т. осі цих противаг, як і противаг колінчастого валу, знаходяться у горизонтальних площинах.

Масу противаг визначають із виразу

, звідки ,

де l – віддаль між противагами;  - віддаль від центру противаги до осі валу.

Момент від сил інерції другого порядку діє в горизонтальній площині

,

(1.36)

де b – віддаль між місцями прикладання сил до і .

Момент від дії відцентрових сил діє у площині, що обертається та складає з площиною першого коліна кут 45

.

(1.37)

Момент легко зрівноважити за допомогою противаг, що розташовують на продовженнях щік колінчастого валу.