Balans silnika - Engine balance

Równowaga silnika odnosi się do tego, w jaki sposób siły (wynikające ze spalania lub elementów wirujących/posuwisto-zwrotnych) są równoważone w silniku spalinowym lub parowym . Najczęściej używane terminy to saldo pierwotne i saldo wtórne . Niezrównoważone siły w silniku mogą prowadzić do wibracji.

Przyczyny braku równowagi

Chociaż niektóre elementy w silniku (takie jak korbowody) wykonują złożone ruchy, wszystkie ruchy można podzielić na elementy posuwisto-zwrotne i obrotowe, co pomaga w analizie niewyważenia.

Na przykładzie silnika rzędowego (gdzie tłoki są ustawione pionowo), główne ruchy posuwisto-zwrotne to:

  • Tłoki poruszające się w górę/w dół
  • Korbowody poruszające się w górę/w dół
  • Korbowody poruszające się w lewo/w prawo podczas obracania się wokół wału korbowego, jednak drgania boczne spowodowane tymi ruchami są znacznie mniejsze niż drgania góra-dół powodowane przez tłoki.

Podczas gdy główne ruchy obrotowe, które mogą powodować brak równowagi, to:

  • Wał korbowy
  • Wałki rozrządu
  • Korbowody (obracające się wokół końca tłoka zgodnie z wymaganiami zmieniającego się przesunięcia poziomego między tłokiem a wychyleniem korby)

Niewyważenie może być spowodowane statyczną masą poszczególnych elementów lub układem cylindrów silnika, jak opisano w kolejnych rozdziałach.

Masa statyczna

Jeśli ciężar — lub rozkład ciężaru — ruchomych części nie jest równomierny, ich ruch może powodować siły niewyważenia, prowadzące do wibracji. Na przykład, jeśli masy tłoków lub korbowodów są różne w różnych cylindrach, ruch posuwisto-zwrotny może powodować siły pionowe. Podobnie obrót wału korbowego o nierównomiernym ciężarze środnika lub koła zamachowego o nierównomiernym rozłożeniu ciężaru może powodować niewyważenie obrotowe .

Układ cylindra

Nawet przy idealnie zrównoważonym rozkładzie ciężaru mas statycznych, niektóre układy cylindrów powodują brak równowagi z powodu sił z każdego cylindra, które nie znoszą się nawzajem przez cały czas. Na przykład silnik rzędowy czterocylindrowy ma wibracje pionowe (przy dwukrotnej prędkości obrotowej silnika). Niewyważenia te są nieodłącznie związane z konstrukcją i nie można ich uniknąć, dlatego powstałymi drganiami należy zarządzać za pomocą wałków wyrównoważających lub innych technik redukcji NVH , aby zminimalizować drgania dostające się do kabiny.

Rodzaje nierównowagi

Odwrotna nierównowaga

Nierównowaga posuwisto-zwrotna powstaje, gdy ruch liniowy elementu (takiego jak tłok) nie jest niwelowany przez inny element poruszający się z równym pędem, poruszający się w przeciwnym kierunku w tej samej płaszczyźnie.

Rodzaje nierównowagi faz posuwisto-zwrotnych to:

  • Niedopasowanie w tłokach poruszających się w przeciwnych kierunkach, na przykład w silniku jednocylindrowym lub rzędowym trzycylindrowym.
  • Nierównomiernie rozmieszczona kolejność zapłonu , tak jak w silniku V6 bez przesuniętych czopów korbowych

Rodzaje niewyważenia płaszczyzny posuwisto-zwrotnej to:

  • Odległość przesunięcia między czopami korbowymi powodująca kołysanie się pary na wale korbowym od równych i przeciwnych sił spalania, np. w silniku typu boxer-twin, silniku rzędowym 120°, silniku V4 90°, silniku rzędowym 5, 60 ° Silnik V6 i silnik V8 typu crossplane 90°.

W silnikach bez nakładających się skoków mocy (takich jak silniki z czterema lub mniej cylindrami) pulsacje w dostarczaniu mocy wibrują silnik w ruchu obrotowym na osi X , podobnie do nierównowagi posuwisto-zwrotnej.

Nierównowaga obrotowa

Nierównowaga obrotowa jest spowodowana nierównomiernym rozkładem masy na obracających się zespołach

Rodzaje nierównowagi faz wirujących to:

  • Niezrównoważone masy mimośrodowe na obracającym się elemencie, takim jak niezrównoważone koło zamachowe

Rodzaje niewyważenia płaszczyzny obrotowej to:

  • Niezrównoważone masy wzdłuż osi obrotu zespołu wirującego powodujące powstanie pary kołysania, np. gdyby wał korbowy silnika typu boxer-twin nie zawierał przeciwwag, masa rzutów korby rozstawionych o 180° powodowałaby powstanie pary wzdłuż osi wał korbowy.
  • Ruch boczny w parach zespołów poruszających się w przeciwnych kierunkach, taki jak różnica wysokości środka masy w parze zespołów tłok-korbowód. W tym przypadku para kołysania jest spowodowana kołysaniem jednego korbowodu w lewo (podczas górnej połowy obrotu korby), a drugiego w prawo (podczas dolnej połowy), co skutkuje siłą w lewo na górze silnik i siłę po prawej stronie na dole silnika.

Nierównowaga skrętna

Tłumik harmonicznych do silnika Pontiac z 1937 r.

Drgania skrętne powstają, gdy moment obrotowy jest przykładany w przesuniętych odległościach wzdłuż wału.

Dzieje się to wzdłuż osi wału korbowego, ponieważ korbowody znajdują się zwykle w różnych odległościach od momentu oporowego (np. sprzęgło). Wibracje te nie są przenoszone na zewnątrz silnika, jednak zmęczenie spowodowane wibracjami może spowodować uszkodzenie wału korbowego.

Silniki promieniowe nie doświadczają nierównowagi skrętnej.

Saldo pierwotne

Równowaga pierwotna odnosi się do drgań, które występują przy podstawowej częstotliwości (pierwszej harmonicznej) silnika. Wibracje te występują zatem przy częstotliwości obrotu wału korbowego.

Saldo wtórne

Przyczyna braku równowagi

0: Blok silnika (czarny)
1: Tłok (niebieski)
2: Korbowód (zielony)
3: Wał korbowy (niebieski)

Tłok przemieszcza się dalej w górnej połowie obrotu wału korbowego niż w dolnej połowie, co powoduje powstawanie drgań niesinusoidalnych, zwanych drganiami wtórnymi .

Różnica w przebytej odległości wynika z ruchu korbowodu. Pod kątem 90 stopni za górnym martwym punktem (TDC) koniec wału korbowego korbowodu znajduje się dokładnie w połowie jego skoku; jednak kąt korbowodu (tj. ruch lewo-prawo, patrząc w dół wału korbowego) oznacza, że ​​koniec tłoka korbowodu musi być niższy niż połowa, aby korbowód zachował stałą długość . To samo dotyczy 270 stopni za GMP, dlatego koniec tłoka pokonuje większą odległość od 270 stopni do 90 za GMP niż w „dolnej połowie” cyklu obrotu wału korbowego (90 stopni do 270 stopni po GMP). W celu przebycia tej większej odległości w tym samym czasie, koniec tłoka korbowodu musi doświadczyć wyższych wartości przyspieszenia podczas górnej połowy swojego ruchu niż w dolnej połowie.

To nierównomierne przyspieszenie powoduje większą siłę bezwładności wytworzoną przez masę tłoka (w jego przyspieszaniu i hamowaniu) podczas górnej połowy obrotu wału korbowego niż podczas dolnej połowy. W przypadku silnika rzędowego 4 (z konwencjonalnym 180-stopniowym wałem korbowym) bezwładność w górę cylindrów 1 i 4 jest większa niż bezwładność w dół cylindrów 2 i 3. Dlatego pomimo równej liczby cylindrów poruszających się w przeciwnych kierunkach w dowolnym momencie (tworząc idealną równowagę pierwotną ), silnik ma jednak niesinusoidalne nierównowagi. Nazywa się to nierównowagą wtórną .

Matematycznie niesinusoidalny ruch mechanizmu korbowo-suwakowego można przedstawić jako połączenie dwóch ruchów sinusoidalnych:

  • element główny o częstotliwości obrotów korby (odpowiednik ruchu tłoka przy nieskończenie długim korbowodzie)
  • wtórnego składnika , który występuje w postaci podwójnej częstotliwości, a jest równoważna z efektem korbowodowego kąta nachylenia, obniża położenia końcowego z małą, gdy jest w pozycji pionowej

Chociaż tłoki nie poruszają się dokładnie w ten sposób, nadal jest to użyteczna reprezentacja do analizy ich ruchu. Ta analiza jest również źródłem terminów bilans pierwotny i bilans wtórny , które są obecnie używane również poza środowiskiem akademickim do opisu charakterystyk silnika.

Analiza matematyczna

Jeden cylinder

JedenCyl.jpg

Rozważmy jednocylindrowy silnik z tłokiem o masie , poruszającym się w górę iw dół wzdłuż osi. Tłok jest połączony z wałem korbowym za pomocą drążka o długości . Jeżeli wał korbowy ma promień , i dąży do kąta teta , , do osi -, to położenie tłoka , , określa wzór:

Pierwsza część to element wału korbowego wzdłuż osi. Druga to składowa korbowodu wyznaczona za pomocą twierdzenia Pitagorasa, którego przeciwprostokątna to długość, a długość osi to .

Jeśli wał korbowy obraca się z prędkością kątową o kąt w czasie , to

Prędkość liniową tłoka wzdłuż osi można obliczyć jako szybkość zmian jego położenia względem czasu, tj. co można zapisać

stosując zasadę łańcucha. Dla stałej prędkości kątowej staje się to

Druga pochodna da przyspieszenie tłoka. Podobnie można to przepisać jako

Rozważmy, że wał korbowy jest napędzany, powiedzmy przez pęd koła zamachowego. Przyspieszenie tłoka odpowiada sile przyłożonej do tłoka przez wał korbowy, zgodnie z drugim prawem Newtona . (Wał korbowy z kolei odczuwa bezwładność tłoka, a siła reakcji jest przekazywana przez łożyska do otoczenia i odczuwana jako wibracja).

Przed zróżnicowaniem pomaga dokonać substytucji.

Pozwolić

Zastąpienie daje:

Różniczkowanie względem θ:

Zasada łańcucha Nb:

Znowu różnicowanie:

Jest to dość nieporęczne i nie upraszcza się do niczego strasznie użytecznego. Ale można to skutecznie uprościć za pomocą przybliżeń. W prawdziwym silniku korbowód jest dłuższy niż promień wału korbowego.

Załóżmy więc . Więc

Biorąc pod uwagę, że :

staje się

Podobnie , więc jeśli zignorujemy mniejszy termin:

Przypomnijmy: a więc siła posuwisto-zwrotna odczuwana w osi w wyniku ruchu tłoka wynosi

Jest więc pierwszy składnik o wielkości , o częstotliwości równej prędkości obrotowej silnika, a drugi o wielkości , o częstotliwości dwukrotnie większej. Mniejszy, ale tego samego rzędu wielkości, co pierwsza składowa wielkości . (Znak minus oznacza, że ​​siła jest skierowana w dół, gdy prawa strona jest dodatnia, i na odwrót. Zatem gdy , a tłok znajduje się w górnym martwym punkcie, siła ciągnąca go jest skierowana w dół i jest wartością maksymalną.)

Widzimy, że efektem połączenia wału korbowego i korbowodu jest wytworzenie siły na oś, wokół której obraca się wałek rozrządu, która ma jeden element wibrujący z częstotliwością obrotu wału korbowego, a drugi o podobnym wielkość, która wibruje z podwójną częstotliwością.

Pierwszy składnik odpowiada saldzie pierwotnemu, a drugi składnik saldzie wtórnemu.

Dwie butle

W silniku rzędowym drugi cylinder jest dodawany równolegle do pierwszego. Załóżmy, że wał korbowy jest umieszczony w taki sposób, że tłoki są rozdzielone. Kiedy jeden tłok jest w TDC, drugi jest w BDC. Siły działające na oś obrotu wału korbowego łączą się:

Załóżmy, że masy tłoków są równe:

W ten sposób znika główny element wyważający – silnik jest wyważany zgodnie z siłami z jego głównych składowych – ale wtórne elementy wyważające łączą się i dwucylindrowy silnik podlega dwukrotnie większym wibracjom niż pojedynczy.

Cztery cylindry

Jeśli czterocylindrowy silnik rzędowy jest zbudowany z pary takich dwucylindrowych silników w układzie tyłem do siebie, to dzięki symetrii będzie doświadczał tej samej sygnatury wibracji, choć dwukrotnie większej.

Rozważając 4-cylindrowy silnik z punktu widzenia symetrii, nie jest jasne, dlaczego miałby on cierpieć na wibracje, ponieważ wydaje się, że tłoki znoszą się nawzajem i mogą się zrównoważyć. Analiza matematyczna pokazuje, gdzie powstaje przyczyna drgań.

Trzy cylindry

Rozważmy 3-cylindrowy silnik rzędowy, w którym każdy z tłoków jest oddzielony, tj. w , i . Aby uzyskać wgląd w to, jak kąty znoszą się wzajemnie, patrz np. Lista tożsamości trygonometrycznych .

Pięć cylindrów

Rozważmy 5-cylindrowy silnik rzędowy, w którym wszystkie cylindry są rozmieszczone równomiernie . Kąt to , , , i . Wyprowadzenie dla silnika 5-cylindrowego jest uproszczone przy użyciu tych samych metod, co w poprzednim przypadku.

To samo dotyczy dowolnej liczby nieparzystych cylindrów w silniku rzędowym, siły pierwotne i wtórne zawsze znoszą się, aby zapewnić zrównoważony silnik.

Konfiguracje krzyżowe

W przypadku powyższych analiz dwu- i czterocylindrowych, zakładają one konfigurację płaskiej płaszczyzny, w której pary cylindrów są rozdzielone. (W przypadku trzech i pięciu cylindrów są one rozłożone równomiernie, więc nie są „płaskie”). Wał korbowy można zaprojektować w taki sposób, aby sąsiednie cylindry były od siebie oddalone, i jest to jedna z dwóch konfiguracji występujących w silnikach V8, która wykorzystuje termin „poprzeczna płaszczyzna” opisujący wygląd wału korbowego, patrząc od strony końca. Rozważ jeden czterocylindrowy bank takiego silnika V8. Każdy cylinder będzie z dala od swoich sąsiadów i od następnego; tj. są one rozłożone w odstępach .

Dwie butle

Co więcej, rozważmy teraz dwa sąsiadujące ze sobą cylindry z rzędu czterech, oddalone od siebie. Następnie, jak poprzednio:

(Ostatni krok można zademonstrować, rozszerzając za pomocą wzoru podwójnego kąta dla cosinusa, zwracając uwagę, że )

Wynik pokazuje, że efekt wtórny – przy dwukrotnej prędkości obrotowej silnika – znika, pozostawiając tylko pierwotne wibracje przy prędkości obrotowej silnika. Jest to po prostu różnica faz między kątem wału korbowego a momentem siły drgań. Porównajmy to z silnikiem dwucylindrowym, którego tłoki są odsunięte, co skutkowało drganiami wtórnymi przy dwukrotnie większej prędkości obrotowej silnika.


Cztery cylindry

Opierając się na analizie dwucylindrowej, konfiguracja czterocylindrowa to:

Analiza dwucylindrowa pokazuje, że nie ma efektu wtórnego, że pary wyrazów znoszą się, więc można je zignorować.

Tak więc czterocylindrowy silnik o przekroju poprzecznym nie podlega wibracjom pierwotnym ani wtórnym. Wynika z tego, że silnik V8 zbudowany z dwóch rzędów czterech takich cylindrów i współdzielony wałem korbowym również nie będzie doświadczał wibracji w wyniku obrotu. Kontrastuje to z płaską płaszczyzną V8, zbudowaną z dwóch płaskich czterech bloków cylindrów, z których każdy wykazuje drgania wtórne, jak opisano powyżej.

Efekty i środki redukcyjne

Układ wałka wyważającego: projekt z 1922 r. przez Lanchester Motor Company

Drgania spowodowane przez niewyważenie wtórne są stosunkowo niewielkie przy niższych prędkościach obrotowych silnika, ale są proporcjonalne do kwadratu prędkości obrotowej silnika, potencjalnie powodując nadmierne drgania przy wysokich prędkościach obrotowych silnika. Aby zmniejszyć te wibracje, niektóre silniki wykorzystują wałki wyrównoważające. System wałków wyważających najczęściej składa się z dwóch wałów o identycznym ciężarze mimośrodowym na każdym wale. Wały obracają się z podwójną prędkością obrotową silnika i w przeciwnych kierunkach do siebie, wytwarzając w ten sposób siłę pionową, która ma na celu zniwelowanie siły spowodowanej przez wtórne niewyważenie silnika. Najczęstszym zastosowaniem wałków wyrównoważających są silniki V6 i rzędowe cztery silniki o dużej pojemności skokowej.

Wpływ układu cylindrów

W przypadku silników z więcej niż jednym cylindrem czynniki takie jak liczba tłoków w każdym rzędzie, kąt V i interwał zapłonu zwykle określają, czy występuje nierównowaga faz ruchu posuwisto-zwrotnego, czy nierównowaga skrętna.

Silniki proste

Silnik z dwoma prostymi osiami o różnych kątach wału korbowego

Silniki bliźniacze proste najczęściej wykorzystują następujące konfiguracje:

  • Wał korbowy 360 °: Ta konfiguracja tworzy najwyższy poziom pierwotnego i wtórnego niewyważenia, równoważny z silnikiem jednocylindrowym.; ale równomierna kolejność zapłonu zapewnia płynniejsze dostarczanie mocy (choć bez nakładających się skoków mocy silników z więcej niż czterema cylindrami).
  • Wał korbowy 180 °: Ta konfiguracja ma podstawowe wyważenie, ale nierówną kolejność zapłonu i parę kołysania; również wtórne nierównowagi są o połowę słabsze (i dwukrotnie częstsze) w porównaniu z silnikiem rzędowym 360°.
  • Wał korbowy 270°: ta konfiguracja minimalizuje wtórne niewyważenie; jednak występuje nierównowaga pierwotnej płaszczyzny wirującej, a kolejność odpalania jest nierówna. Dźwięk wydechu i dostarczanie mocy przypominają silnik V-twin 90°.

Silniki proste trzy najczęściej wykorzystują konstrukcję wału korbowego 120 ° i mają następujące cechy:

  • Odstępy pomiędzy wypalaniami są idealnie regularne (chociaż uderzenia nie nakładają się).
  • Równowaga pierwotnej i wtórnej płaszczyzny posuwisto-zwrotnej jest idealna.
  • Występują pierwotne i wtórne niewyważenia wirującej płaszczyzny.

Proste cztery silniki (zwane również silnikami rzędowymi cztery ) zwykle wykorzystują konstrukcję wału korbowego w górę-dół-dół-góra 180 ° i mają następujące cechy:

  • Odstępy pomiędzy wypalaniami są idealnie regularne (chociaż uderzenia nie nakładają się).
  • Występują pierwotne i wtórne nierównowagi płaszczyzny posuwisto-zwrotnej.
  • Wtórne siły posuwisto-zwrotne są duże, ponieważ wszystkie cztery tłoki są w fazie z dwukrotnie większą częstotliwością obrotową.
  • Przeciwwagi są stosowane w silnikach samochodów osobowych od połowy lat 30. XX wieku, jako konstrukcje z pełną lub półprzeciwwagą (znaną również jako półprzeciwwaga ).

Silniki proste pięć zwykle wykorzystują konstrukcję wału korbowego 72 ° i mają następujące cechy:

  • Idealnie regularny interwał zapłonu z nakładającymi się skokami mocy, co skutkuje bardziej płynną pracą na biegu jałowym niż silniki o mniejszej liczbie cylindrów.
  • Równowaga pierwotnej i wtórnej płaszczyzny posuwisto-zwrotnej jest idealna.
  • Występują pierwotne i wtórne niewyważenia wirującej płaszczyzny.

Sześciocylindrowe silniki zwykle wykorzystują konstrukcję wału korbowego 120 °, kolejność zapłonu 1-5-3-6-2-4 cylindrów i mają następujące cechy:

  • Idealnie regularny interwał strzelania z nakładającymi się uderzeniami mocy. Zastosowanie dwóch prostych kolektorów wydechowych typu trzy w jeden może zapewnić równomierne oczyszczanie, ponieważ silnik skutecznie zachowuje się pod tym względem jak dwa oddzielne silniki rzędowe.
  • Równowaga pierwotnej i wtórnej płaszczyzny posuwisto-zwrotnej jest idealna.
  • Równowaga pierwotna i wtórna płaszczyzny wirującej jest idealna.

V silniki

Silniki V-twin mają następujące cechy:

  • Przy kącie V wynoszącym 90 stopni i przesuniętych sworzniach korby, silnik V-twin może mieć idealną równowagę pierwotną.
  • Jeśli używany jest wspólny sworzeń korbowy (tak jak w silniku Ducati V-twin), wał korbowy 360° powoduje nierówne przerwy między zapłonami. Silniki te mają również podstawowe nierównowagi w płaszczyźnie posuwisto-zwrotnej i wirującej. Tam, gdzie korbowody znajdują się w różnych miejscach wzdłuż wału korbowego (co ma miejsce, chyba że stosuje się korbowody z widelcami i łopatkami ), to przesunięcie tworzy parę kołysania w silniku.

Silniki V4 występują w wielu różnych konfiguracjach pod względem kąta „V” i konfiguracji wału korbowego. Oto kilka przykładów:

  • W Lancii Fulwia silniki V4 V z kątem ostrym stykowe mają korbowych przesunięcia odpowiadających kątom V, więc odpalane przedział jest zgodny z prostym czwartego silnika.
  • Niektóre silniki V4 mają nieregularne odstępy zapłonu, a każdy projekt należy rozpatrywać osobno pod względem wszystkich elementów równoważących. Silnik Honda RC36 ma kąt 90° V i wał korbowy 180° z interwałami zapłonu 180–270°–180–90°, co skutkuje nierównymi interwałami zapłonu w zakresie 360 ​​stopni i 720 stopni obrotu wału korbowego. Z drugiej strony, silnik Honda VFR1200F ma kąt 76° V i wał korbowy 360° ze wspólnymi sworzniami korbowymi, które mają przesunięcie 28°, co daje interwał zapłonu 256-104°-256-104°. Ten silnik ma również nietypową orientację korbowodów przód-tył-tył-przód, ze znacznie większą odległością między cylindrami („rozstaw otworów”) na przednim rzędzie cylindrów niż z tyłu, co skutkuje zmniejszoną liczbą wahań (kosztem szerszej szerokości silnika).

Silniki V6 są powszechnie produkowane w następujących konfiguracjach:

  • Kąt 60° V: Taka konstrukcja zapewnia kompaktowy rozmiar silnika, a krótka długość wału korbowego zmniejsza drgania skrętne. Nierównowagi płaszczyzny obrotowej. Przesunięcie lewego i prawego przęsła cylindrów (ze względu na grubość korbowodu i ramienia korby) utrudnia zmniejszenie niewyważenia posuwisto-zwrotnego płaszczyzny za pomocą przeciwwag wału korbowego.
  • Kąt V 90 °: Ta konstrukcja historycznie wywodzi się z odcięcia dwóch cylindrów silnika V8 90 ° w celu zmniejszenia kosztów projektowania i budowy. Wczesnym przykładem jest silnik General Motors 90 ° V6 , który ma wał korbowy przesunięty o 18 °, co skutkuje nierównymi interwałami zapłonu. W nowszych przykładach, takich jak silnik Honda C , czopy korbowe są przesunięte pod kątem 30°, co zapewnia równomierne odstępy między zapłonami. Podobnie jak w przypadku silników V6 z kątem 60° V, silniki te mają pierwotne niewyważenie płaszczyzny posuwisto-zwrotnej i płaszczyzny obrotowej, przesunięte banki cylindrów i mniejsze niewyważenia wtórne.

Silniki płaskie

Silnik BMW R50/2 flat twin widziany z góry, pokazujący przesunięcie między lewym i prawym cylindrem

[Precyzja: „Płaski” silnik niekoniecznie musi być „bokserem”. Silnik „płaski” może być silnikiem V 180 stopni lub silnikiem „bokser”. Silnik V 180 stopni, taki jak zastosowany w Ferrari 512BB, ma przeciwstawne pary cylindrów, których korbowody wykorzystują ten sam skok korby. W przeciwieństwie do tego, w silniku „bokserowym”, takim jak stosowany w motocyklach BMW, każdy korbowód ma swój własny wyrzut korby, który jest ustawiony 180 stopni od wyrzutu korby przeciwległego cylindra.]

Płaskie silniki typu twin zazwyczaj wykorzystują wały korbowe 180° i oddzielne wyrzuty korby i mają następujące cechy:

  • Równowaga pierwotnej i wtórnej płaszczyzny posuwisto-zwrotnej jest idealna.
  • Występuje niewyważenie pierwotnej i wtórnej płaszczyzny wirującej.

Płaskie cztery silniki zazwyczaj wykorzystują konfigurację wału korbowego lewo-prawo-prawo-lewo i mają następujące cechy:

  • Pierwotne nierównowagi są spowodowane przesuniętymi parami przeciwstawnych tłoków (przesunięcie od przodu do tyłu). Intensywność tej pary kołysania jest mniejsza niż w przypadku silnika rzędowego, ponieważ pary korbowodów poruszające się w górę iw dół poruszają się na różnych wysokościach środka ciężkości.
  • Nierównowagi wtórne są minimalne.

Płaskie sześć silników zazwyczaj używa konfiguracji typu bokser i ma następujące cechy:

  • Równomiernie rozmieszczone interwały strzelania z nakładającymi się uderzeniami mocy. Prosty układ wydechowy trzy do jednego dla każdego zespołu cylindrów zapewnia równomierne oczyszczanie, ponieważ silnik skutecznie zachowuje się pod tym względem jak dwa oddzielne silniki rzędowe.
  • Pierwotne nierównowagi płaszczyzny ruchu posuwisto-zwrotnego i płaszczyzny obrotowej spowodowane odległością wzdłuż wału korbowego między przeciwległymi cylindrami. Płaski sześciocylindrowy silnik miałby idealną równowagę pierwotną, gdyby zastosowano korbowody widelca i łopaty.
  • Nierównowaga wtórna jest minimalna, ponieważ nie ma par cylindrów poruszających się w fazie, a nierównowaga jest w większości niwelowana przez przeciwny cylinder.
  • Nierównowaga skrętna jest mniejsza niż w przypadku sześciocylindrowych silników rzędowych, ze względu na krótszą długość płaskiego sześciocylindrowego silnika.

Lokomotywy parowe

Koło napędowe lokomotywy parowej przedstawiające ciężarek wyważający w kształcie półksiężyca

Ten rozdział stanowi wprowadzenie do wyważania dwóch parowozów połączonych kołami napędowymi i osiami montowanymi w lokomotywie kolejowej.

Skutki niezrównoważonych momentów bezwładności w lokomotywie przedstawiono pokrótce, opisując pomiary ruchów lokomotywy oraz ugięć w mostach stalowych. Pomiary te wskazują na potrzebę zastosowania różnych metod wyważania, a także innych cech konstrukcyjnych w celu zmniejszenia amplitud drgań i uszkodzeń samej lokomotywy, a także szyn i mostów. Przykładowa lokomotywa to prosta, niezłożona lokomotywa, z dwoma zewnętrznymi cylindrami i przekładnią zaworową, sprzężonymi kołami napędowymi i oddzielnym tendrem. Omówiono tylko podstawowe wyważanie, nie wspominając o skutkach różnych układów cylindrów, kątów korby itp., ponieważ metody wyważania lokomotyw trzy- i czterocylindrowych mogą być skomplikowane i różnorodne. Zabiegi matematyczne można znaleźć w „dalszej lekturze”. Na przykład „Badanie silników” Dalby'ego obejmuje leczenie niezrównoważonych sił i par za pomocą wielokątów. Zarówno Johnson, jak i Fry używają obliczeń algebraicznych.

Przy dużej prędkości lokomotywa ma tendencję do poruszania się w przód i w tył oraz do przodu lub kołysania się na boki. Będzie również miał tendencję do kołysania się i kołysania. W tym artykule przyjrzymy się tym ruchom, które wynikają z niezrównoważonych sił bezwładności i par w dwóch silnikach parowych i sprzężonych z nimi kołach (niektóre podobne ruchy mogą być spowodowane nieregularnością powierzchni toru i sztywnością toru). Pierwsze dwa ruchy są spowodowane ruchem posuwisto-zwrotnym mas, a ostatnie dwa skośnym działaniem korbowodów lub naciskiem tłoka na prowadnice.

Istnieją trzy stopnie, do których można dążyć do równoważenia. Najbardziej podstawowe to statyczne wyważenie elementów niecentrycznych na kole napędowym, czyli czopa korbowego i jego części doczepianych. Ponadto wyważenie części części posuwisto-zwrotnych można wykonać za pomocą dodatkowego ciężarka obrotowego. Ten ciężar jest połączony z ciężarem wymaganym dla części niecentrycznych na kole, a ten dodatkowy ciężar powoduje nadmierne wyważenie koła, co powoduje uderzenie młotka . Wreszcie, ponieważ powyższe obciążniki wyważające znajdują się w płaszczyźnie koła, a nie w płaszczyźnie początkowego niewyważenia, zespół koło/oś nie jest wyważany dynamicznie. Wyważanie dynamiczne w lokomotywach parowych znane jest jako wyważanie krzyżowe i jest wyważaniem dwupłaszczyznowym, przy czym druga płaszczyzna znajduje się w przeciwległym kole.

Tendencja do niestabilności będzie się różnić w zależności od konstrukcji danej klasy lokomotywy. Istotnymi czynnikami są jego waga i długość, sposób podparcia na sprężynach i korektorach oraz porównanie wartości niezrównoważonej masy ruchomej z masą nieresorowaną i całkowitą masą lokomotywy. Sposób, w jaki tendencja jest przymocowana do lokomotywy, może również modyfikować jej zachowanie. Sprężystość toru pod względem masy szyny, a także sztywność podłoża mogą wpływać na drgania lokomotywy.

Poza słabą jakością jazdy dla ludzi, trudna jazda pociąga za sobą koszty konserwacji w związku ze zużyciem i pęknięciami zarówno elementów lokomotywy, jak i toru.

Źródła braku równowagi

Klasa NZR K (K 88) pokazująca kierowców (bez przetargu)

Wszystkie koła napędowe mają niewyważenie, które jest spowodowane przez ich niecentryczne sworznie korby i dołączone elementy. Główne koła napędowe mają największe niewyważenie, ponieważ mają największy trzpień korbowy, a także obrotową część głównego pręta. Mają również mimośrodową korbę przekładni zaworowej i tylny koniec mimośrodowego pręta. Podobnie jak w przypadku połączonych kół napędowych, mają one również własną część ciężaru pręta bocznego. Część głównego pręta, której przypisano ruch obrotowy, była pierwotnie mierzona przez ważenie jej podpartej na każdym końcu. Potrzebna stała się bardziej dokładna metoda, która rozdziela części obrotowe i tłokowe w oparciu o położenie środka perkusji. Tę pozycję mierzono, kołysząc prętem jak wahadło. Niewyważenie pozostałych kół napędowych jest spowodowane ciężarem czopa korbowego i pręta bocznego. Masy bocznego pręta przypisane do każdego sworznia korbowego są mierzone przez zawieszenie pręta na tylu skalach, ile jest czopów korbowych lub przez obliczenia.

Ruch posuwisto-zwrotny tłok-wodzik-główny-pręt-zawór jest niezrównoważony i powoduje ruch do przodu i do tyłu. Ich 90-stopniowa separacja powoduje, że para się kołysze.

Mierzenie skutków niewyważenia

Cała lokomotywa ma tendencję do poruszania się pod wpływem niezrównoważonych sił bezwładności. Ruchy poziome niezrównoważonych lokomotyw zostały określone ilościowo przez M. Le Chatelier we Francji około 1850 roku, podwieszając je na linach z dachu budynku. Rozpędzono je do równoważnych prędkości drogowych do 40 mil na godzinę, a ruch poziomy śledzono za pomocą ołówka, zamontowanego na belce buforowej. Ślad był eliptycznym kształtem utworzonym przez połączone działanie ruchów do przodu i do tyłu oraz kołysania. Kształt mógł być zamknięty w kwadracie o wymiarach 58 cali dla jednej z niezrównoważonych lokomotyw i został zredukowany do punktu, w którym dodano obciążniki do przeciwstawnych mas obracających się i posuwisto-zwrotnych.

Wpływ pionowego niewyważenia lub zmiennego obciążenia koła na szynę został określony ilościowo przez profesora Robinsona w USA w 1895 roku. Zmierzył ugięcia mostu lub odkształcenia i przypisał 28% wzrost w stosunku do wartości statycznej niezrównoważonym kierowcom. .

Niewyważenie resztkowe w lokomotywach zostało ocenione na trzy sposoby w zakładzie testowym Pennsylvania Railroad. W szczególności, osiem lokomotyw zostało przetestowanych na Wystawie Zakupów w Luizjanie w 1904 roku. Trzy pomiary były następujące:

  1. Prędkość krytyczna. Zostało to zdefiniowane jako prędkość, z jaką niezrównoważone części posuwisto-zwrotne odwracały siłę pociągu lokomotywy. Przy wyższych prędkościach ruch ten był tłumiony przez dławienie przepływu oleju w rozgałęźnikach. Prędkość krytyczna wahała się od 95 obr./min dla mieszanki Baldwin w tandemie do ponad 310 obr./min dla mieszanki Cole Atlantic.
  2. ruch poziomy u pilota. Jako przykład, związek Baldwin Atlantic przesunął się o około 0,80 cala przy 65 mil na godzinę w porównaniu z 0,10 cala dla związku Cole Atlantic.
  3. Jakościowa ocena obciążenia kół podporowych rośliny. Pod kołami poprowadzono drut o średnicy 0,060 cala. Pomiar odkształconego drutu dał wskazanie pionowego obciążenia koła. Na przykład mieszanka Cole'a Atlantic wykazywała niewielkie odchylenia od grubości 0,020 cala dla wszystkich prędkości do 75 mil na godzinę. W przeciwieństwie do tego, mieszanka Baldwin Atlantic przy 75 mil na godzinę nie wykazała odkształcenia, co wskazywało na całkowite podniesienie koła, przy obrocie koła o 30 stopni z szybkim uderzeniem powrotnym, przy obrocie tylko o 20 stopni, do odkształcenia bez uderzenia młotkiem 0,020 cal.

Oceny jakościowe można przeprowadzić podczas podróży drogowej pod kątem właściwości jezdnych w kabinie. Mogą nie być wiarygodnym wskaźnikiem wymogu lepszej równowagi, ponieważ niepowiązane czynniki mogą powodować nierówną jazdę, takie jak zablokowane kliny, zabrudzone korektory i luzy między silnikiem a tenderem. Również położenie niewyważonej osi względem środka ciężkości lokomotywy może określać zakres ruchu w kabinie. AH Fetters opowiedział, że na 4-8-2 efekty 26 000 funtów dynamicznego wzmocnienia pod CG nie pojawiły się w kabinie, ale to samo wzmocnienie w każdej innej osi miałoby.

Wyważanie statyczne kół

Ciężarki wyważające są instalowane naprzeciw części powodujących niewyważenie. Jedyna dostępna płaszczyzna dla tych obciążników znajduje się w samym kole, co powoduje niewyważenie pary na zespole koło/oś. Koło jest wyważone tylko statycznie.

Wyważanie statyczne masy posuwisto-zwrotnej

Część ciężaru ruchu posuwisto-zwrotnego jest równoważona przez dodanie dodatkowego ciężarka obrotowego w kole, czyli nadal jest wyważana tylko statycznie. Przewaga powoduje tzw. uderzenie młotkiem lub dynamiczne wzmocnienie, oba terminy mają taką samą definicję, jak podano w poniższych odnośnikach. Uderzenie młotka zmienia się w zależności od średniej statycznej, na przemian dodając i odejmując od niej przy każdym obrocie koła. W Stanach Zjednoczonych jest znany jako dynamiczny augment, pionowa siła spowodowana przez projektanta próbą zrównoważenia części posuwisto-zwrotnych poprzez włączenie przeciwwagi w koła.

Termin uderzenie młotkiem nie opisuje tego, co ma miejsce bardzo dobrze, ponieważ siła zmienia się w sposób ciągły i tylko w skrajnych przypadkach, gdy koło na chwilę unosi się z szyny, następuje prawdziwy uderzenie, gdy wraca ono w dół.

Aż do około 1923 amerykańskie lokomotywy były wyważane tylko do warunków statycznych przy zmienności nacisku osi głównej wynoszącej aż 20 000 funtów powyżej i poniżej średniej na obrót niewyważonej pary. Trudna jazda i uszkodzenia doprowadziły do ​​zaleceń dotyczących dynamicznego wyważania, w tym określenia proporcji ciężaru poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym do wyważenia w stosunku do całkowitej wagi lokomotywy lub ze zderzakiem Franklina, lokomotywą i ciężarem przetargu.

Inne źródło zmiennego obciążenia koła/szyny, nacisk tłoka, jest czasami błędnie określane jako uderzenie młotkiem lub dynamiczne wspomaganie, chociaż nie występuje w standardowych definicjach tych terminów. Ma również inny kształt na obrót koła, jak opisano w dalszej części.

Jako alternatywę do dociążania kół napędowych, tendencja mogłaby być mocowana za pomocą ciasnego złącza, które zwiększałoby efektywną masę i rozstaw osi lokomotywy. Pruskie Koleje Państwowe zbudowały silniki dwucylindrowe bez równowagi posuwisto-zwrotnej, ale ze sztywnym sprzęgłem przetargowym. Równoważnym sprzęgiem dla późnoamerykańskich lokomotyw był zderzak promieniowy z tłumieniem tarcia.

Dynamiczne wyważanie zespołu koło/oś

Obciążenie czopów korbowych i prętów na kołach znajduje się w płaszczyźnie poza położeniem płaszczyzny koła dla statycznego obciążnika wyważającego. Wyważanie dwupłaszczyznowe lub dynamiczne jest konieczne, jeśli para niewyważona przy prędkości musi być wyważona. Druga używana płaszczyzna znajduje się w przeciwległym kole.

Dwupłaszczyznowe lub dynamiczne wyważanie zestawu kołowego lokomotywy nazywane jest wyważaniem krzyżowym. Wyważanie krzyżowe nie było zalecane przez Amerykańskie Stowarzyszenie Kolei aż do 1931 r. Do tego czasu w Ameryce wykonywano tylko wyważanie statyczne, chociaż budowniczowie uwzględniali wyważanie krzyżowe dla lokomotyw eksportowych, jeśli zostało to określone. Budowniczowie w Europie przyjęli równoważenie krzyżowe po tym, jak Le Chatelier opublikował swoją teorię w 1849 roku.

Określenie dopuszczalnego uderzenia młotkiem

Maksymalne obciążenia kół i osi są określone dla konkretnego projektu mostu, aby można było osiągnąć wymaganą trwałość zmęczeniową mostów stalowych. Obciążenie osi zwykle nie będzie sumą obciążeń dwóch kół, ponieważ linia działania wyważania krzyżowego będzie inna w każdym kole. Znając masę statyczną lokomotywy, oblicza się wielkość nadmiernego wyważenia, które można umieścić w każdym kole w celu częściowego wyważenia części posuwisto-zwrotnych. Odkształcenia mierzone w moście pod przejeżdżającą lokomotywą zawierają również składnik ciągu tłoka. Jest to pomijane w powyższych obliczeniach dla dopuszczalnego przeważenia w każdym kole. Być może trzeba to wziąć pod uwagę.

Reakcja koła na uderzenie młotkiem

Ponieważ siła obrotowa naprzemiennie zmniejsza obciążenie koła, a także zwiększa je z każdym obrotem, trwała siła pociągowa w miejscu styku spada raz na obrót koła i koła mogą się ślizgać. To, czy dojdzie do poślizgu, zależy od tego, jak uderzenie młotka wypadnie na wszystkich sprzężonych kołach jednocześnie.

Nadmierne uderzenie młotkiem przy dużych prędkościach poślizgu było przyczyną załamań szyn w nowych północnoamerykańskich 4-6-4 i 4-8-4, które były zgodne z zaleceniem AAR z 1934 r., Aby zrównoważyć 40% masy posuwisto-zwrotnej.

Niewyważone siły bezwładności w kole mogą powodować różne pionowe drgania w zależności od sztywności toru. Testy poślizgu przeprowadzone na nasmarowanych odcinkach toru wykazały, w jednym przypadku, niewielkie oznakowanie szyny przy prędkości poślizgu 165 mil na godzinę, ale na bardziej miękkim torze poważne uszkodzenie szyny przy prędkości 105 mil na godzinę.

Napór tłoka od kąta korbowodu

Powierzchnia ślizgowa poprzeczki silnika parowego zapewnia reakcję na siłę korbowodu działającą na czop korbowy i zmienia się od zera do maksimum dwukrotnie podczas każdego obrotu wału korbowego.

W przeciwieństwie do uderzenia młotkiem, które naprzemiennie dodaje i odejmuje przy każdym obrocie koła, nacisk tłoka tylko dodaje do średniej statycznej lub odejmuje od niej dwa razy na obrót, w zależności od kierunku ruchu i tego, czy lokomotywa porusza się bezwładnie, czy dryfuje.

W silniku parowym dwustronnego działania, takim jak stosowany w lokomotywie kolejowej, kierunek pionowego ciągu na drążku ślizgowym jest zawsze skierowany do góry podczas jazdy do przodu. Zmienia się od zera na końcu suwu do maksimum w połowie suwu, gdy kąt między korbowodem a korbą jest największy. Gdy czop korbowy napędza tłok, jak podczas wybiegu, nacisk tłoka jest skierowany w dół. Położenie maksymalnego docisku jest pokazane przez zwiększone zużycie w środku prowadnic.

Tendencją zmiennej siły na górnym suwaku jest podnoszenie maszyny ze sprężyn prowadzących w połowie skoku i zmniejszanie jej na końcach skoku. Powoduje to kołysanie, a ponieważ maksymalna siła podnoszenia nie jest jednoczesna dla dwóch cylindrów, będzie również miała tendencję do toczenia się na sprężynach.

Podobieństwa z wyważaniem innych maszyn

Dynamiczne wyważanie kół lokomotywy, wykorzystujące koła jako płaszczyzny wyważania niewyważenia istniejącego w innych płaszczyznach, jest podobne do dynamicznego wyważania innych wirników, takich jak zespoły sprężarek/turbin silników odrzutowych. Resztkowe niewyważenie w zmontowanym wirniku jest korygowane poprzez zamontowanie ciężarków wyważających w dwóch płaszczyznach, które są dostępne z silnikiem zamontowanym w samolocie. Jedna płaszczyzna znajduje się z przodu wentylatora, a druga na ostatnim stopniu turbiny.

Zobacz też

Bibliografia

Cytaty

Źródła

  • Swoboda, Bernard (1984), Mécanique des moteurs alternatifs , 331 stron, 1, rue du Bac 75007, PARYŻ, FRANCJA: Editions TECHNIP, ISBN 9782710804581CS1 maint: lokalizacja ( link )
  • Foale, Tony (2007), Some science of balance (PDF) , Tony Foale Designs: Benidoleig, Alicante, Hiszpania, zarchiwizowane (PDF) z oryginału dnia 2013-12-27 , pobrane 2013-11-04
  • Taylor, Charles Fayette (1985), Silnik spalinowy w teorii i praktyce , tom. 2: Spalanie, paliwa, materiały, projektowanie, Massachusetts: The MIT Press, ISBN 0-262-70027-1 |volume=ma dodatkowy tekst ( pomoc )
  • Daniel Kinnear Clark (1855), Maszyny kolejowe , wyd. 1, Blackie and Son
  • Johnson, Ralph (2002), Lokomotywa parowa , Simmons-Boardman
  • Fry, Lawford H. (1933), „Locomotive Counterbalancing”, Transakcje Amerykańskiego Stowarzyszenia Inżynierów Mechanicznych
  • Dalby, WB (1906), Wyważanie silników , Edward Arnold, Rozdział IV - Wyważanie lokomotyw
  • Bevan, Thomas (1945), Teoria maszyn , Longmans, Green i Co