Судовые двигатели внутреннего сгорания. Лекция 17

Лекция 17
Неуравновешенность поршневого ДВС
Внешняя и внутренняя неуравновешенность многоцилиндрового ДВС
Способы уравновешивания поршневых ДВС

Неуравновешенность поршневого
ДВС

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС
Единственными силами, создающими неуравновешенность и вызывающие вибрации двигателя являются силы инерции и их моменты.
К силам инерции относят:
силы инерции поступательно движущихся масс – ПДМ (поршневая группа, часть шатуна для тронкового и поршень с кольцами, шток, крейцкопф и часть шатуна для крейцкопфных двигателей);
центробежные силы от вращающихся масс (часть шатуна, мотылевая (шатунная) шейка, часть щеки (щек) коленчатого вала).

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС
Внешнее воздействие центробежной силы заключается в стремлении сместить двигатель с фундамента в плоскости, совпадающей в каждый момент времени с плоскостью кривошипа и проходящей через ось коленчатого вала.

Неуравновешенность ДВС

Неуравновешенность ДВС

Внешняя и внутренняя
неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Если векторные суммы всех приведенных компо-нентов окажутся равны нулю, то такой двигатель будет полностью внешне уравновешенным. В таком двигателе силы и момента сил инерции компенсируют друг друга и не передаются на фундамент двигателя и, следовательно, на корпус судна.
Если условие полной внешней уравновешенности частично или полностью не выполняется, то такой двигатель считается внешне неуравновешенным. Силы или моменты будут выходить за пределы осто-ва двигателя, т.е. циклически нагружать фундамент и конструкции корпуса судна, вызывая вибрации.

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Рассмотрим действие сил инерции вращающихся масс в двухцилиндровом двигателе. Центробежная сила первого цилиндра:

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Центробежная сила второго цилиндра:

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Действуя одновременно, центробежные силы пер- вого и второго цилиндра, равные по величине и противоположно направленные, дают векторную сумму, равную нулю:

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Аналогичные размышления проведем для сил инеции ПДМ первого порядка. Для первого цилиндра:

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Действующая сила инерции ПДМ второго порядка в разы меньше, чем сила инерции ПДМ первого порядка, для первого цилиндра:

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Несмотря на то, что отдельные конструкции двигателей позволяют исключить воздействие сил инерции и их моментов на фундамент, их действие внутри двигателя не прекращается и двигатель внутренне не может быть уравновешен от сил инерции никогда.
Силы инерции вращающихся масс, действуя в плоскости колена вала, и силы инерции поступательно движущихся масс первого и второго порядка, действующие в плоскости осей цилиндра, нагружают подшипники коленчатого вала и сам вал, а также передаются фундаментной раме. Моменты сил инерции стремятся изогнуть вал в плоскости своего действия.

Неуравновешенность
многоцилиндрового ДВС
Важно понимать, что силы и моменты инерции, хотя и нагружают детали дви-гателя, полезной работы не совершают. Поэтому работа сил и моментов инерции на стационарном режиме работы двига-теля всегда равна нулю.
Аналогом сил и моментов инерции в элек-трической среде могут являться реактивные токи, которые нагружают обмотки, но по-лезной работы не совершают.

Способы уравновешивания поршневых ДВС

Способы уравновешивания поршневых ДВС
В принципе, задача уравновешивания сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс и их моментов представляется различными задачами.
Все дальнейшие размышления справедливы только в случае равных сил инерции для отдельно взятых цилиндров двигателя. В обеспечение этого важного требования необходимо произвести выравнивание масс всех деталей движения для всех цилиндров.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Для этого необходимо: во-первых, подогнать по массе все поршнекомплекты двигателя (поршень, кольца, палец и стопора для тронкового двигателя или поршень, кольца, шток, башмак и шарнир крейцкопфа – для крейцкопфного); во-вторых проверить балансировку коленчатого вала (статическую и динамическую) и устранить дисбаланс; в-третьих устранить разновес шатунов. Нормы точности процедур приводятся в инструкции завода-изготовителя.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Масса шатуна должна быть разделена на поступа-тельно движущуюся и вращательную массу (обыч-но 3:1 по длине), устранение разновеса шатунов выполняется исходя из двух условий. А именно, равенство масс, как таковых, и равенство изме-ренного веса верхней головки шатуна при уста-новки шатуна на ножи в плоскости разъема НГШ.

Способы уравновешивания поршневых ДВС

Способы уравновешивания поршневых ДВС

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Уравновешивание сил инерции поступательно движущихся масс (ПДМ) не может быть до-стигнуто установкой противовесов на коленча-том валу. Для уравновешивания необходимо использовать две неуравновешенные враща-ющиеся в противоположных направлениях синхронно с коленчатым валом массы. В ре-зультате конструктивное решение уравнове-шивания выливается в создание специальных механизмов, которые называются механизмом уравновешивания.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Для того, чтобы уравнове-сить силы инерции пер-вого порядка, потребуется установка механизма уравновешивания, состо-ящего из двух валов, вра-щающихся в противопо-ложных направлениях, с неуравновешенными мас-сами, приводимых в дей-ствие передачей с пере-даточным отношением 1:1. Например, для шесте-ренного привода:

Способы уравновешивания поршневых ДВС

Способы уравновешивания поршневых ДВС

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Аналогичным образом можно уравновесить и силы инерции ПДМ второ-го порядка. Отличительной чертой такого механизма уравновешивания является то, что противовесы долж-ны вращаться с удвоенной частотой в соответствии с законом действия уравно-вешиваемой силы. Поэто-му передаточное отноше-ние привода должно сос-тавлять 1:2.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Принцип разложения центробежных сил противо-весов механизма уравновешивания сил инерции ПДМ второго порядка идентичен силам, рассмот-ренным в механизме уравновешивания сил инер-ции ПДМ первого порядка, и суммарная вертикальная составляющая центробежных сил противовесов должна быть равна силе инерции ПДМ второго порядка.
В случае необходимости уравновешивать силы инерции ПДМ первого и второго порядка одновременно, рассмотренные механизмы совмещаются в одну общую конструкцию.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Такой механизм типичный для одноцилиндровых двигателей (или других агрегатов, использующих кривошипно-шатунный механизм, например, поршневых компрессоров), называют механизмом Ланчестера или «Ланчестер-Балансир».

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Размещение и конструкции балансирных валов крайне разнообразны, при этом, для уравновешивания сил инерции ПДМ, проти-вовесы, схематически изображенные на рисунках, должны создавать суммарную приведенную равнодействующую силу, вектор которой должен располагаться в плоскости центра масс двигателя и оси цилиндров. В противном случае, возникнет момент сил, который будет стремиться опрокинуть двигатель.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Исходя из этого, а также для обеспечения техно-логичности и минимиза-ции пространства, зани-маемого механизмом, часто балансирный вал изготавливают с разне-сенной по всей длине вала массой противо-веса за счет удаления части материала вала на половине диаметра.

Способы уравновешивания поршневых ДВС
Для привода балансирных валов может быть использована цепная или зубчато- ременная передача (достаточно часто используемая в малоразмерных высоко-оборотных двигателях). При этом все выше оговоренные условия должны быть соблю-дены неукоснительно (позиционирование, размещение центра масс противовесов, направление и частота вращения балан-сирных валов и др.).

Способы уравновешивания поршневых ДВС