Зрівноваження восьмициліндрових двигунів

На даний час найбільше розповсюдження отримали наступні схеми восьмициліндрових двигунів: однорядний двигун; V-подібний двигун з колінами, що розташовані у двох взаємно перпендикулярних площинах; V-подібний двигун з колінами, що розташовані у одній площині; з протилежним розташуванням циліндрів.

Восьмициліндровий однорядний двигун. Найбільше розповсюдження отримали двигуни з колінчастим валом, у яких чотири крайні і чотири середніх коліна розташовані у двох взаємно перпендикулярних площинах.

На рис.1.20 зображена схема такого двигуна, в якому зрівноважені сили інерції першого і другого порядків, відцентрових сил інерції, а також моменти від дії цих сил.

Рис.1.20. Розрахункова схема восьмициліндрового однорядного двигуна

Сили інерції першого порядку

.

Аналогічно

; ; ; ; .

Наведена схема застосовується тільки у чотиритактних двигунах, у яких вона забезпечує рівномірне чергування спалахів через 90° кута повороту колінчастого валу за порядку роботи 1-6-2-5-8-3-7-4. Хоча всі сили інерції у даному двигуні повністю зрівноважені, для зменшення дії відцентрових сил інерції на колінчастих валах встановлюють противаги.

На даний момент на автомобілях і тракторах восьмициліндрові однорядні двигуни майже не застосовуються. Замість цих двигунів на автомобілях і тракторах встановлюють V-подібні шести- і восьмициліндрові двигуни, які відрізняються від однорядних кращими габаритними і ваговими показниками.

Восьмициліндровий V-подібний двигун з колінами, що розташовані у двох взаємно перпендикулярних площинах. Схема двигуна зображена на рис.1.21. У разі кута розвалу циліндрів g= 90° і порядку роботи 1-5-4-8-6-3-7-2 для чотиритактних двигунів забезпечується рівномірне чергування спалахів через 90° кута повороту колінчастого валу двигуна. Для двотактних двигунів дана схема не застосовується.

Рис.1.21. Зрівноваження восьмициліндрового V-подібного двигуна з колінами, що розташовані у двох взаємно перпендикулярних площинах

У випадку дослідження зрівноваженості двигун зручно розглядати як з’єднання чотирьох двоциліндрових V-подібних двигунів, що мають загальний колінчастий вал.

Рівнодійна сил інерції першого порядку для кожної секції завжди напрямлена по радіусу коліна:

; а ; .

Внаслідок цього рівнодійна сил інерції першого порядку

.

Рівнодійна сил інерції другого порядку для кожної секції за будь-якого розташування колінчастого валу напрямлена горизонтально,

.

Сили інерції другого порядку взаємно зрівноважуються

,

і, відповідно,

.

Із рис. 1.21 слідує, що відцентрові сили завжди будуть зрівноважені, оскільки

; і .

Моменти від сил інерції першого порядку, що діють у площинах першого-четвертого і другого-третього колін, які обертаються,

; .

Величину і площину дії результуючого вільного моменту T_j1 знаходять геометричним сумуванням векторів моментів T_j1I,IV і T_j1II,III

.

(1.54)

Момент T_j1 діє у площині, що обертається і складає з площиною першого коліна кут 18°26¢ (рис.1.22), та може бути зрівноважений за допомогою противаг масою m_x, які встановлюються на продовженнях щік колінчастого валу (рис.1.21).

Рис.1.22. Визначення величини і площини дії моментів T_j1 T_c восьмициліндрового V-подібного двигуна

Аналогічним чином визначають моменти відцентрових сил:

; ,

.

(1.55)

Момент T_c подібно до моменту T_j1, можна зрівноважити за допомогою противаг m_c, що розташовують на продовженнях щік колінчастого валу.

Таким чином, у площинах першого-четвертого і другого-третього колін будуть діяти моменти:

; ,

Визначення величини сумарного вільного моменту (T_j1+ T_c) і площини його дії наведено на рис1.22,

.

(1.56)

Площина дії сумарного моменту так, як і моментів T_j1 і T_c, обертається з кутовою швидкістю w і складає з площиною першого і четвертого колін кут 18°26¢.

Якщо r – відстань центра ваги противаг m_x і m_c від осі колінчастого валу, то маса загальної противаги на кожній щоці

.

(1.57)

Моменти T_j1 і T_c можна зрівноважити також встановленням противаг на продовженнях тільки крайніх щік колінчастого валу, або на продовженнях щік першого і четвертого колін. Кут встановлення противаг a=18°26¢ визначають за допомогою виразу

.

У випадку встановлення противаг на продовженнях кожної щоки колінчастого валу розвантажуються опорні шийки від дії місцевих відцентрових сил інерції, внаслідок чого зменшується спрацювання шийок. Проте, у цьому випадку зрівноваження колінчастий вал буде найбільш важким, а картер двигуна – найбільш довгим. У випадку зрівноваження даного двигуна без противаг, колінчастий вал має найменшу вагу, але опорні шийки залишаються не розвантаженими.

Із рис.1.21 слідує, що момент від сил інерції другого порядку

.

(1.58)

У випадку кута розвалу 60° спалахи в циліндрах будуть відбуватись поперемінно через 60° і 120°.

Восьмициліндровий V-подібний двигун з колінами, що розташовані в одній площині. Схема цього двигуна зображена на рис.1.23. У випадку порядку роботи 1л-4п-2л-3п-4л-1п-3л-2п у двигуні відбувається рівномірне чергування спалахів через 90° кута повороту колінчастого валу.

Рис.1.23. Зрівноваження восьмициліндрового V-подібного двигуна з колінами, що розташовані в одній площині

Цей двигун зручно розглядати як з’єднання двох однорядних чотирициліндрових двигунів, що мають загальний колінчастий вал і розташовані під кутом 90° один до одного.

На основі зрівноваження чотирициліндрових двигунів маємо:

; ; ; ; .

(1.59)

Рівнодійна сил інерції другого порядку для лівого і правого рядів циліндрів будуть діяти у площинах, що проходять через осі циліндрів цих рядів.

Якщо кут розвалу між циліндрами рівний 90°, то рівнодійна сил інерції другого порядку всього двигуна

,

(1.60)

або

.

Оскільки,

; .

Сила R₂ діє завжди у площині, що проходить через вісь колінчастого валу і перпендикулярної до поздовжньої площини симетрії двигуна, тобто у горизонтальній площині.

Силу R₂ можна зрівноважити за допомогою противаг, які встановлюють на двох додаткових валах, що значно ускладнює конструкцію двигуна. У зв’язку з цим V-подібні восьмициліндрові двигуни з плоским валом на даний час розповсюдження не отримали.

Восьмициліндровий двигун з протилежним розташуванням циліндрів. Із різноманітних схем восьмициліндрових двигунів з протилежним розташуванням циліндрів найчастіше застосовується схема з плоским валом і колінами під кутом 90°.

Восьмициліндровий двигун з плоским валом (рис.1.24, а) можна розглядати, як з’єднання двох однорядних чотирициліндрових двигунів із загальним плоским колінчастим валом. Згідно висновкам, що наведені під час розгляду зрівноваженості чотирициліндрових двигунів сили інерції другого порядку незрівноважені

.

(1.61)

Оскільки для секцій 1,2,3,4 і 5,6,7,8 ці сили рівні за величиною, але протилежні за напрямом, то даний двигун є повністю зрівноваженим:

; ; ; ; ; .

У разі порядку роботи двигуна 1-6-2-8-4-7-3-5 чергування спалахів у чотиритактному двигуні (рис.1.24, а) відбуваються через 180° повороту колінчастого валу двигуна, що є недоліком даної схеми. У восьмициліндрових чотиритактних двигунах кутові інтервали між спалахами повинні бути 90°, оскільки у разі такого чергування покращується рівномірність ходу двигуна.

Чергування спалахів через 90° повороту колінчастого валу двигуна забезпечується у разі розташування циліндрів і колін згідно схеми, що наведена на рис.1.24,б; і порядком роботи двигуна 1-6-4-2-8-3-5-7. Недоліком цього двигуна є незрівноважений момент T_j1. Цей момент легко визначити, розглядаючи даний двигун як з’єднання двох однорядних двигунів (1,2,3,4 і 5,6,7,8) із загальним хрестоподібним колінчастим валом. Згідно висновків, що наведені під час розгляду зрівноваженості чотирициліндрових двигунів, незрівноважені моменти від сил інерції першого порядку для кожної секції рівні за величиною і напрямком

.

Рис.1.24. Схеми восьмициліндрового двигуна з протилежним розташуванням циліндрів: а) з плоским валом; б) з хрестоподібним валом

Ці моменти діють у площині, що проходить через осі циліндрів (рис.1.24,б). Сумарний незрівноважений момент, що діє в тій ж площині і проходить через осі циліндрів,

.

(1.62)

Момент від дії відцентрових сил інерції рівний

.

(1.63)

Цей момент зрівноважується за допомогою противаг, що розташовують на продовженнях щік колінчастого валу.