Аналіз інерційних сил і моментів у рядних п’ятициліндрових автомобільних двигунах

Автор: Дутко Юрій Олегович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Автомобільний транспорт
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: В сучасній Європі впроваджують норми гранично допустимих рівнів шуму та вібраційного впливу – правила R51.01 і R51.02. Вібрація негативно впливає не тільки на здоров’я людини, але й на довговічність компонентів двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ). Зменшення віброактивності може бути досягнуто як шляхом удосконалення підвісної системи силового агрегату (СА), так і за рахунок зниження збурень, що виникають також у самому двигуні. У цій роботі проаналізовано питання та методи пониження збурень, які генерують ДВЗ за схемою R5. Вказані збурення зумовлені впливом неврівноважених сил і моментів. Неврівноваженими вважають сили та моменти, що спричинюють у точках опор двигуна реакції зі змінними модулем або напрямком. Насамперед це сили інерції зворотно-поступально рухомих мас (ЗПРМ), незрівноважених обертових мас (НОМ), моменти, що створили ці сили, а також варіативний обертовий момент. Останніми роками, у зв’язку з підвищенням вимог до зрівноваження, дедалі більше нових моделей ДВЗ обладнують балансувальними валами. У 2-, 4- і 5-циліндрових двигунах ці вали проектують із спеціальним зміщенням, що дозволяє зменшити збурення від сил інерції і від змінного обертового моменту. Об’єкт дослідження ? автомобільний поршневий двигун схеми R 5. Предмет дослідження ? вплив порядку роботи рядного п’ятициліндрового двигуна на параметри гармонік інерційних сил та моментів. Мета дослідження ? оцінка рівня збурень інерційних силових чинників, підбір оптимальних порядків роботи ДВЗ R5 та відповідних способів їх урівноваження. У першому розділі перелічені умови, припущення і попередній аналітичний опис сил інерції та моментів від них як джерела невріноваженості ДВЗ. Вказані змінні інерційні сили прикладені в центрах мас елементів кривошипно-шатунного механізму (КШМ). Ці сили інерції породжені рухом складників поршневої групи і верхньої частини шатуна, що рухаються зворотно – поступально, а також неврівноваженої маси коліна та нижньої частини шатуна, що перебувають в обертальному русі. Зворотно – поступальний рух з метою подальшого аналізу розкладають на гармоніки 1 – го та 2 – го порядку, в обертовому русі сили інерції сталі за модулем та змінні за напрямом. Дія сил першого та другого порядків та відцентрової сили викликає появу моментів. Додатковим джерелом неврівноваже¬ності ДВЗ є змінний реактивний обертовий момент як реакція опор на рушійний обертовий момент двигуна, повне врівноважування якого неможливе. У другому розділі надано класифікацію способів врівноважування інерцій-них чинників, серед яких найпростішим є природній, тобто раціональний вибір схеми КШМ та порядку його роботи (чергування спалахів по циліндрах), а також використання противаг колінчастого вала. Так врівноважуються сили інерції обертових мас та моменти від них. Сили інерції зворотно – поступально рухомих мас обох порядків та моменти від них урівноважуються тільки додатковими балансирними валами, застосування яких називають штучним врівноваженням. Розглянуто шляхи врівноважування відцентрових сил та їх моментів противагами, розрахунок основних параметрів противаг – дисбаланс (маса, помножена на радіус) та кут інсталяції. Для випадку сил та моментів обох порядків, які зрівноважуються дією балансирних валів, показано класичний механізм Ланчестера, частинні випадки якого застосовують при врівноважуванні найбільш вагомих складників інерційних чинників поступально рухомих мас. У третьому розділі наведено приклади сучасних методів аналізу для оціню¬вання віброактивності реактивного обертового моменту та неврівноваженості внаслідок впливу інерційних сил і їх моментів для всіляких варіантів схем КШМ у двигунах типу R5. Згідно правил комбінаторики існує 24 можливих варіанти порядків роботи п’ятициліндрового двигуна з рівномірним чергуванням спалахів. В усіх варіантах забезпечене самоврівноваження інерційних сил. З метою врівно¬важення моментів обох порядків для кожного з 24 варіантів засобами MathCad визначено амплітуди та фазові зсуви гармонік цих моментів. Мінімально можливе збурення від дії цих моментів забезпечують рівнозначно симетричні порядки спалахів 1?2?4?5?3 або 1?3?5?4?2. Незважаючи на суттєво різні значення безрозмірних амплітуд моментів 1-го та 2-го порядків, їх збурювальна дія майже однакова. Розглянуто приклади урівноваження ДВЗ типу R5 відомими автовиробниками використанням одного (для 1-го порядку, фірма Fiat) або двох балансирних валів (для 1-го або 2-го порядку, Scania), а також часткове погашення дії реактивного моменту. Ключові слова: поршневий двигун; (не)врівноважені сили інерції; щокові противаги; дисбаланс (противаг); реактивний момент; сила (імпульс) збурення; порядок роботи; ДВЗ R5; балансирні вали; віброактивність.