Зважуючи на балансуванні роботи - Журнал конструктора двигунів
Деякі відомі виробники двигунів висловлювали думку, що правильне балансування може додати двигуну 20 кінських сил.
Незалежно від того, чи ви будуєте двигун на складі, двигун з високими оборотами або повільно обертається дизельний двигун, ви не можете пропустити важливість балансу. Щоразу, коли поршні у поршневому двигуні внутрішнього згоряння змінюють напрямок, вони генерують силу. Ця сила створюється поршневою та обертовою масою поршнево-штокового вузла. Якщо цю силу не збалансувати рівною і протилежною силою, це створить вібрацію.
У двигуні з низьким числом оборотів трохи вібрації може здатися навряд чи помітним. Але протягом багатьох миль і мільйонів циклів навіть невелика вібрація може постраждати від колінчастого вала та підшипників.
У двигуні з високим числом оборотів будь-який дисбаланс збільшується в геометричній прогресії по мірі зростання частоти обертання. Невеликий дисбаланс при 1000 об/хв стає величезним дисбалансом при 8000 об/хв. Дисбаланс у лише кілька унцій може створити силу понад 200 фунтів. при 8000 об/хв! Це дуже тремтить і напружує нижню частину двигуна.
Більшість водіїв гоночних автомобілів не так цікавляться NVH (Шум жорсткості вібрацій), але вони люблять закінчувати гонки. Двигун із сильним дисбалансом може буквально розхитатися до смерті. Сили, що утворюються внаслідок дисбалансу, можуть спричинити втомні тріщини в колінчатих валах та розлад в підшипниках. Тож якщо щось зламається внаслідок незбалансованих сил у двигуні, гонка для нашого нещасного конкурента закінчена.
Власники легкових автомобілів та легких вантажівок піклуються про NVH, а також хочуть, щоб їх двигун прослужив якомога більше миль. Двигун, який не є збалансованим належним чином, може створювати набридливі вібрації та гармонічні відчуття, які відчуваються в трансмісії та шасі. І навіть незважаючи на те, що двигун ніколи не буде так сильно натискати, зумовлені дисбалансом сили з часом скоротять термін служби двигуна та інших компонентів трансмісії (включаючи кріплення двигуна).
З повільним поворотом дизельних двигунів баланс може здатися не таким важливим. Але більшість дизелів - це важкі двигуни, тому навіть невеликий дисбаланс протягом тривалого періоду часу може скоротити термін служби колінчастого вала та підшипників. Водії позашляхових вантажівок також цінують плавно працюючий дизельний двигун з мінімальним NVH.
Баланс не тільки зменшує NVH для плавно працюючого двигуна, але також покращує надійність та довговічність двигуна, мінімізуючи сили всередині двигуна, які можуть завдати йому шкоди.
Мінімізація проблем із балансом
Основна ідея балансування двигуна - максимально вирівняти зворотно-поступальні сили та переконатися, що вся обертова маса (колінчастий вал і нижня половина шатунів) знаходиться в рівновазі, щоб кривошип плавно обертався навколо центральної осі.
Коли обертовий предмет, такий як колінчастий вал, маховик або шина, виходить з рівноваги, він хитається, оскільки його центр мас не вирівнюється з віссю обертання. Важке місце хоче витягнути предмет з центру, коли він обертається.
Доцентрова сила, що генерується дисбалансом, помножується в геометричній прогресії зі швидкістю обертання (подвоєння швидкості вчетверо збільшує силу), створюючи струс або вібрацію.
Щоб збалансувати обертовий предмет, потрібно помістити його в спін-балансир, щоб важке місце можна було точно визначити. У випадку балансувальника шин на обод колеса, навпроти важкого місця, прикріплюється вага, рівний дисбалансу, для вирівнювання сил.
За допомогою колінчастого вала або маховика набагато легше полегшити важке місце, ніж додати вагу, тому балансир точно визначає важке місце, щоб у компоненті можна було просвердлити отвір або отвори для зменшення дисбалансу. Зазвичай потрібно кілька обертань і виправлень, перш ніж досягти рівноваги.
Дійсно хитра частина полягає у врівноваженні зворотно-поступальних сил всередині двигуна V6 або V8. На відміну від обертових сил, які обертаються навколо осі обертання, зворотно-поступальні сили рухаються вперед і назад.
У одноциліндровому двигуні ніщо не протидіє цим зусиллям, крім противаги на колінчастому валу.
Якщо маса противаги дорівнює вазі верхньої половини штока, поршня, зап'ястя і кільця, сили будуть збалансовані і двигун працюватиме безперебійно.
Якщо ні, двигун затремтить.
Баланс між колінчатим валом та супутніми компонентами має вирішальне значення для забезпечення безперебійної роботи двигуна.
Балансування різних типів двигунів
При чотирициліндровому двигуні, що знаходиться в горизонтальному положенні, два поршні завжди рухаються, коли два поршні висуваються.
Отже, зусилля, рівні та протилежні, по суті збалансовані за умови однакової ваги кожного поршнево-штокового вузла. Збалансувати ці типи двигунів досить просто, тому що все, що вам потрібно зробити, це вирівняти ваги поршневих і штокових вузлів.
У рядного чотирициліндрового двигуна два поршні рухаються вгору, а два поршня рухаються вниз. Рухи поршнів компенсують один одного, але оскільки вони не розташовані горизонтально, колінчастий вал потребує противаги для компенсації зворотно-поступальних сил.
Все значно ускладнюється, коли ми починаємо говорити про двигуни V6 та V8, тому що один банк поршнів рухається під кутом до іншого берега поршнів.
Це створює взаємодію сили, яку потрібно компенсувати ретельно розміщеними противагами на колінчастому валу.
У 90-градусному двигуні V6 або V8 маса противаг повинна дорівнювати 100% маси, що обертається (нижня половина шатунів і підшипників штока), плюс 50% поршневої маси (верхня половина штока, поршень, зап'ястний штифт і кільця) по два рази (оскільки кожна штанга має два шатуни і поршні).
Також потрібно додати кілька зайвих грамів, щоб компенсувати мастило в підшипниках і зчеплення з деталями. Загальна маса, яку ви отримаєте, - це те, що противаги повинні дорівнювати рівновазі двигуна.