Балансировочные валы в двигателях внутреннего сгорания
Balance shaft
Балансировочные валы: снижение вибрации двигателей внутреннего сгорания. Устройство, принцип работы, история изобретения (Ланчестер, 1907). Авто, мото.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Грузы, используемые для уравновешивания неуравновешенного движения двигателя.
Weights used to balance otherwise unbalanced engine movement
Балансировочные валы используются в поршневых двигателях для снижения вибрации за счет компенсации несбалансированных динамических сил. Контрбалансировочные валы имеют эксцентриковые грузы и вращаются в противоположных направлениях, создавая результирующую вертикальную силу. Балансировочный вал был изобретен и запатентован британским инженером Фредериком Ланчестером в 1907 году. Чаще всего он применяется в рядных четырехцилиндровых и V-образных шестицилиндровых двигателях, используемых в автомобилях и мотоциклах.
Balance shafts are used in piston engines to reduce vibration by cancelling out unbalanced dynamic forces. The counter balance shafts have eccentric weights and rotate in opposite direction to each other, which generates a net vertical force. The balance shaft was invented and patented by British engineer Frederick W. Lanchester in 1907. It is most commonly used in inline four and V6 engines used in automobiles and motorcycles.
Обзор
Принцип работы системы балансировочных валов заключается в том, что два вала, несущие идентичные эксцентрические грузы, вращаются в противоположных направлениях на удвоенной скорости вращения двигателя. Фазировка валов подобрана таким образом, чтобы центробежные силы, создаваемые грузами, компенсировали вертикальные силы второго порядка (на удвоенных оборотах двигателя), возникающие в двигателе. Горизонтальные силы, создаваемые балансировочными валами, равны по величине и противоположны по направлению, и поэтому взаимно уничтожаются. Балансировочные валы не снижают вибрации, испытываемые коленчатым валом.
The operating principle of a balance shaft system is that two shafts carrying identical eccentric weights rotate in opposite directions at twice the engine speed. The phasing of the shafts is such that the centrifugal forces produced by the weights cancel the vertical second order forces (at twice the engine RPM) produced by the engine. The horizontal forces produced by the balance shafts are equal and opposite, and so cancel each other. The balance shafts do not reduce the vibrations experienced by the crankshaft.
Двухцилиндровые двигатели
Многочисленные мотоциклетные двигатели, особенно двухцилиндровые рядные двигатели, используют системы балансирных валов, например, двигатели Yamaha TRX850 и Yamaha TDM850 имеют коленчатый вал с фазой 270° и балансирный вал. Альтернативным решением, применяемым в двухцилиндровом рядном двигателе BMW GS, является использование "фиктивного" шатуна, приводящего в движение шарнирный противовес.
Numerous motorcycle engines— particularly parallel twin engines— have employed balance shaft systems, for example the Yamaha TRX850 and Yamaha TDM850 engines have a 270° crankshaft with a balance shaft. An alternative approach, as used by the BMW GS parallel twin, is to use a 'dummy' connecting rod which moves a hinged counterweight.
Двигатели с четырьмя цилиндрами
Балансировочные валы часто используются в рядных четырехцилиндровых двигателях для снижения вибрации второго порядка (вертикальная сила, колеблющаяся с частотой, вдвое превышающей обороты двигателя), которая является неотъемлемой характеристикой конструкции типичного рядного четырехцилиндрового двигателя. Эта вибрация возникает из-за того, что движение шатунов в рядном четырехцилиндровом двигателе с равномерным зажиганием не является симметричным на протяжении всего оборота коленчатого вала; таким образом, в течение определенного периода вращения коленчатого вала опускающиеся и поднимающиеся поршни не всегда полностью компенсируют ускорение друг друга, что приводит к возникновению результирующей вертикальной силы дважды за каждый оборот (которая возрастает пропорционально квадрату оборотов). Величина вибрации также увеличивается с рабочим объемом двигателя, поэтому балансировочные валы часто применяются в рядных четырехцилиндровых двигателях с рабочим объемом и более. Как увеличение хода, так и увеличение диаметра цилиндра приводят к увеличению вторичной вибрации; больший ход увеличивает разницу в ускорении, а больший диаметр цилиндра увеличивает массу поршней. Конструкция балансировочных валов по системе Lanchester была усовершенствована в двигателе Mitsubishi Astron 80, рядном четырехцилиндровом автомобильном двигателе, представленном в 1975 году. Этот двигатель стал первым, в котором один балансировочный вал был расположен выше другого для компенсации крутящего момента второго порядка (то есть относительно оси коленчатого вала), возникающего из-за момента инерции, вызванного увеличением и уменьшением скорости вращения двигателя. В оппозитном четырехцилиндровом двигателе силы компенсируются движением поршней в противоположных направлениях. Следовательно, балансировочные валы не требуются в оппозитных четырехцилиндровых двигателях.
Balance shafts are often used in inline four engines, to reduce the second order vibration (a vertical force oscillating at twice the engine RPM) that is inherent in the design of a typical inline four engine. This vibration is generated because the movement of the connecting rods in an even firing inline four engine is not symmetrical throughout the crankshaft rotation; thus during a given period of crankshaft rotation, the descending and ascending pistons are not always completely opposed in their acceleration, giving rise to a net vertical force twice in each revolution (which increases quadratically with RPM). The amount of vibration also increases with engine displacement, resulting in balance shafts often being used in inline four engines with displacements of or more. Both an increased stroke or bore cause an increased secondary vibration; a larger stroke increases the difference in acceleration and a larger bore increases the mass of the pistons. The Lanchester design of balance shaft systems was refined with the Mitsubishi Astron 80, an inline four car engine introduced in 1975. This engine was the first to locate one balance shaft higher than the other, to counteract the second order rolling couple (i. e. about the crankshaft axis) due to the torque exerted by the inertia caused by increases and decreases in engine speed. In a flat four engine, the forces are cancelled out by the pistons moving in opposite directions. Therefore balance shafts are not needed in flat four engines.
Пятицилиндровые двигатели
Балансировочные валы также используются в рядных пятицилиндровых двигателях, таких как GM Vortec 3700.
Balance shafts are also used in straight five engines such as GM Vortec 3700.
Двигатели с шестицилиндровым двигателем
В рядных шестицилиндровых и оппозитных шестицилиндровых двигателях силы, вызывающие раскачивание, естественным образом компенсируются, поэтому балансировочные валы не требуются. Двигатели V6 по своей природе несбалансированы, независимо от угла развала блока цилиндров. Любой рядный двигатель с нечетным количеством цилиндров имеет первичный дисбаланс, вызывающий продольные колебания. Поскольку каждый ряд цилиндров в двигателе V6 содержит три цилиндра, каждый ряд испытывает эти колебания. На различных двигателях V6 используются балансировочные валы для уменьшения этих колебаний.
In a straight six engine and flat six engine, the rocking forces are naturally balanced out, therefore balance shafts are not required. V6 engines are inherently unbalanced, regardless of the V angle. Any inline engine with an odd number of cylinders has a primary imbalance, which causes an end to end rocking motion. As each cylinder bank in a V6 has three cylinders, each cylinder bank experiences this motion. Balance shaft(s) are used on various V6 engines to reduce this rocking motion.
Двигатели с восьми цилиндров
Примерами служат двигатели Mercedes-Benz OM629 и Volvo B8444S.
Examples are the Mercedes Benz OM629 and Volvo B8444S engine.