Уравновешивание двигателя: Как лечат трясучку (Часть 2)

05 мая 2013

В прошлом номере мы узнали, как возникают вибрации в мотоциклетном двигателе и какими способами с ними борются. Теперь же познакомимся с особенностями этих процессов в многоцилиндровых двигателях.


Уравновешивание двигателя: Как лечат трясучку (Часть 2)

Выпуск:
Журнал «МОТО» – май 2012

Автор:
Алексей ЗВЕРЕВ (Zver 347), иллюстрации автора

Теги:
Вибрации / Уравновешивание / Двигатель / Балансировка / Балансирный вал /

Просмотры:
19406

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями:

Cреди мотоциклетных моторов нет одной универсальной схемы, оптимальной для всех типов техники. Благодаря этому мир двигателей велик и разнообразен. Во всем этом многообразии самыми загадочными являются оппозитные двигатели – их можно считать как рядными, так и V-образными с углом развала 180°. 

Одноцилиндровый двигатель не уравновешен по силам инерции обоих порядков. На современных «одностволках» часто применяется одновальный уравновешивающий механизм. Также стоит отметить, что в моторах Suzuki DR Big 750 и 800 использовался двухвальный механизм уравновешивания с цепным приводом, но такая схема не получила распространения.

Справедливо будет сказать, что по уравновешенности они ближе именно к рядным моторам, так как оси всех цилиндров у них также находятся в одной плоскости. Если посмотреть на рядные двигатели, то можно выделить всего пять схем, которые уравновешены качественно лучше, чем все остальные. 

Двухцилиндровый двигатель с углом между шатунными шейками 180° и оппозитный двигатель динамически уравновешены одинаково: полностью уравновешены по силам инерции первого порядка и моменту от сил инерции второго порядка. Остаются неуравновешенными момент от сил инерции первого порядка и силы инерции второго порядка. У оппозитного мотора благодаря отсутствию средней коренной шейки момент от сил инерции первого порядка примерно в три раза меньше, чем у «рядника». Уравновешиваются такие моторы одинаково: два одновальных механизма объединены общим балансирным валом с противовесами, развернутыми на 180°. Моменты от применения одновальных механизмов взаимно компенсируются. У Kawasaki ER-6/Versys балансирный вал расположен перед коленвалом, а на моторах BMW серии R балансирный вал проходит через вал привода ГРМ.

На первом месте находятся полностью уравновешенные рядная и оппозитная «шестерки». Второе место занимают уравновешенные по первичным вибрациям рядная и оппозитная «четверки» с «плоским» коленчатым валом (когда оси шатунных шеек лежат в одной плоскости). Третье место занимает рядная «четверка» с «крестообразным» коленчатым валом, полностью уравновешенная по вторичным вибрациям. 

В двухцилиндровом моторе с соосным расположением шатунных шеек моменты от сил инерции обоих порядков взаимно компенсируются, а вот силы инерции обоих порядков складываются. На современных двигателях для уравновешивания применяется двухвальный механизм. В качестве исключения можно привести мотор Kawasaki W800, который уравновешивается одновальным механизмом: видимо, силовой агрегат в стиле ретро все-таки должен трястись.

Уравновешенность всех остальных рядных двигателей можно описать следующей фразой – чем лучше мотор уравновешен по силам инерции какого-либо порядка, тем хуже он уравновешен по моменту от этих сил. Самое незавидное положение у пятицилиндрового двигателя, так как, не имея никаких преимуществ по уравновешенности, он сложнее, тяжелее и длиннее четырехцилиндрового. 

Псевдо-V-образный мотор с очередностью работы цилиндров 270°-450° частично неуравновешен по силам инерции первого порядка, а также по моментам от сил инерции обоих порядков. На схемах уравновешивания показаны положения максимумов сил и моментов. Во всех двигателях такой схемы, например, Yamaha TDM и Triumph Thunderbird 1600, есть два балансирных вала, которые вместе с противовесами на щеках коленвала образуют двухвальный уравновешивающий механизм для каждого цилиндра. Противовесы на балансирном вале также развернуты на 270°.

Видимо, именно по этой причине рядные «пятерки» так и не смогли найти себе место в мире мотоциклетных моторов. V-образный двигатель можно рассматривать как два рядных, расположенных под углом друг к другу и имеющих общий коленвал. 

Трехцилиндровый двигатель самоуравновешен по силам инерции обоих порядков, но при этом не уравновешен по моментам от этих сил. При уравновешивании устраняется момент от сил инерции первого порядка, который достигает максимума на 30° поворота коленчатого раньше, чем поршень первого или третьего цилиндра приходит в ВМТ, при этом величина сил инерции первого порядка составляет 86 % от амплитуды (cos30°=0,86). Исходя из этого, силы инерции первого порядка крайних цилиндров уравновешиваются не полностью, а балансирный вал, образующий вместе с противовесами на щеках крайних цилиндров два одновальных механизма, опережает коленчатый на 30° поворота этого же коленвала. А теперь самое интересное: с введением уравновешивающего механизма двигатель перестает быть уравновешенным по силам инерции первого порядка, так как крайние цилиндры уже не полностью уравновешивают силы инерции первого порядка среднего. Но не стоит забывать, что применение дополнительных противовесов на щеках среднего цилиндра позволяет ослабить его вибрации вдвое. В итоге двигатель за полное уравновешивание по моменту от сил инерции первого порядка расплачивается небольшой неуравновешенностью от поступательно движущихся масс деталей КШМ среднего цилиндра. Общая вибронагруженность снижается. На Triumph Speed Triple балансирный вал расположен перед двигателем, а на Rocket III – справа.

При этом силы и моменты инерции для каждого ряда суммируются. Выбор угла развала V-образного двигателя – сложная инженерная задача. При малом угле развала (45°–50°) мотор получается компактным, но плохо уравновешенным, а у двигателей с 90-градусным углом между цилиндрами всё наоборот. 

Рядная «четверка» с «плоским» валом уравновешена точно так же, как и четырехцилиндровый оппозит: силы инерции первого порядка, а также моменты от сил инерции обоих порядков полностью самоуравновешены. Остаются только силы инерции второго порядка. Для их устранения нужен механизм Ланчестера второго порядка. В качестве примера приведен мотор Yamaha FJR1300, в котором в качестве паразитной шестерни используется дополнительный зубчатый венец на корзине сцепления. Но с равным успехом может применяться и самостоятельная паразитная шестерня.

Если в двигателе более одного цилиндра, то, кроме сил инерции, возникают еще и моменты от этих сил. Рассмотрим возникновение моментов от сил инерции обоих порядков на примере поперечного двухцилиндрового двигателя с шатунными шейками через 180° (как на Kawasaki Versys). 

Начнем с сил инерции первого порядка. Для начала проанализируем уравновешенность при положении поршней в мертвых точках. Когда поршень левого цилиндра находится в ВМТ, а правого – в НМТ, момент от возникающей пары сил вызывает наклон мотоцикла на правый бок, это направление назовем положительным. 

Через половину оборота, когда левый поршень находится в НМТ, а правый – в ВМТ, момент сил инерции первого порядка наклоняет мотоцикл на левый бок, это направление будем считать отрицательным. 

Во всех промежуточных точках значение и направление момента определяется величиной и направлением векторов PI=CI*cos . Теперь самое сложное. Это значит, что при вращении левого цилиндра от –90° до ВМТ и 90° после нее момент будет положителен, а от 90° до 270° – отрицателен. 

В точках 90° и 270° поворота коленчатого вала (ПКВ) момент равен нулю, так как PI = 0, и в этих точках происходит изменение знака момента. Моменты от сил инерции второго порядка при такой схеме коленвала в любой момент времени взаимно компенсируют друг друга. А вот силы складываются.

Четырехцилиндровый двигатель с крестообразным коленвалом, установленный на новой Yamaha R1, неуравновешен только по моменту от сил инерции первого порядка. Так как из-за разного расстояния от центра коленвала вклад «внутренних» цилиндров меньше, чем «внешних», то этот момент достигает максимума примерно через 18° и 198° поворота коленчатого вала после прохождения четвертым цилиндром ВМТ. Для его устранения применяется один балансирный вал с противовесами, развернутыми на 180°, взаимодействующий с противовесами на щеках всех четырех цилиндров. В итоге мотор полностью уравновешен.
Шестицилиндровые двигатели, как рядные, так и оппозитные, полностью самоуравновешены по всем факторам. А когда изначальная конструкция совершенна, то в нее ничего добавлять не надо.
Часто на V-твинах сознательно отказываются от балансирных валов, чтобы сохранить «позитивные вибрации».
Двухцилиндровые двигатели с углом развала цилиндров от 45° до 52° широко распространены на круизерах. Изо всех V-образных двигателей они самоуравновешены хуже всех. Для борьбы с вибрацией мотоцикла применяются два способа: крепление мотора в раме через сайлент-блоки или – кардинальный – установка двух балансирных валов. Оба варианта применяют инженеры компании Harley-Davidson – иконы чопперостроения. В таких моторах, как Twin Cam 88B и Twin Cam 96B, индекс B означает наличие двух балансирных валов. Модификации этих же моторов без балансирных валов, установленные через сайлент-блоки, создают легендарную, лишь чуть демпфированную тряску большого железного мотоцикла.
V-твины с углом развала цилиндров 60° распространены на мотоциклах спортивного типа. Такой двигатель лучше самоуравновешен, чем 45-градусный, но ненамного. В двигатель Harley-Davidson V-Rod немецкие инженеры для уменьшения вибраций поставили один балансирный вал.
Для уравновешивания своих моторов компания Aprilia применяет механизм AVDC – Anti Vibration Double Countershaſt. Уникальность этой системы уравновешивания в том, что один из балансирных валов находится в головке заднего цилиндра и приводится шестеренчатой передачей от выпускного вала.
При угле развала 75° мотор хорошо самоуравновешен. При применении на круизере, например, Yamaha XVS1100, в балансирном вале нет необходимости. А на спортбайке KTM RC8 один балансирный вал располагается в развале блока цилиндров. В двигателе LС8 балансирный вал применяется также для привода механизмом ГРМ обоих цилиндров и помпы жидкостного охлаждения.
Двухцилиндровый двигатель с углом развала 90° полностью уравновешен по силам инерции первого порядка. Изо всех V-образных агрегатов этот мотор уравновешен лучше всех. Двигатель Moto Morini Corsa Corta с углом развала цилиндров 87° самоуравновешен практически так же, как и при прямом угле между цилиндрами.
V-образные «четверки» с углом развала менее 90° достаточно редки. Из распространенных можно вспомнить Yamaha V–Max и Yamaha Royal Star. Для уравновешивания такого мотора оптимальным является коленвал с расположением шатунных шеек через 180°, так как в этом случае можно применить общий балансирный вал для обоих блоков. Моменты от применения одного балансирного вала в обоих блоках будут возникать в противофазе и, соответственно, уравновешивать друг друга.
У V-образных «четверок» с прямым углом между блоками есть два варианта коленвала – с шатунными шейками на одной оси или через 180°. Несмотря на различия в конструкции коленвала, эти двигатели самоуравновешены одинаково: уравновешены по силам инерции первого порядка, но не уравновешены по силам инерции второго порядка. Для их уравновешивания применяется механизм Ланчестера, используемый обычно в рядных двигателях. В качестве примера можно привести двигатель спорт-турера Honda ST1300.

Мы разобрали классические случаи уравновешивания многоцилиндровых двигателей. А об экзотических конструкторских решениях поговорим в следующий раз. 

Первую часть читай здесь

Материалы по теме:

Оставить комментарий

Для добавления комментария требуется зарегистрироваться или авторизоваться на сайте .


↑ Наверх