автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Совершенствование методов анализа возмущений поршневых двигателей внутреннего сгорания и способов улучшения их уравновешенности

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЕТИЕ Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

00500734/

Ашншин Алексей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ВОЗМУЩЕНИИ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ ИХ УРАВНОВЕШЕННОСТИ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 1 2 ЯН В 2012

Специальность 05.04.02. - Тепловые двигатели

Москва - 2011

005007347

Работа выполнена на кафедре автомобилей и двигателей Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет (ФГБОУ ВПО МГИУ)

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Гусаров Владимир Васильевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Тольский Владимир Евгеньевич кандидат технических наук, доцент Краснокутский Андрей Николаевич

Ведущее предприятие - AMO ЗИЛ

го/г ,и

Защита состоится «_»_в ' /часов на заседании диссертационного совета Д 217.014.01 при Государственном научном центре Российской Федерации - Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт» по адресу: 125438, Москва, Автомоторная ул., 2. Электронная почта: admm@naini.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу,

Автореферат разослан 2011г.

Телефон для справок: 8 (495) 456-40-40.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., ст. научный сотрудник http://www.nami.ru http://vak.ed.gov.ru

А.Г. Зубакин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При конструировании современных автомобилей всё больше внимания уделяется проблеме снижения уровня вибрации и шума. Одним из основных источников вибрации и шума, является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), в котором во время работы возникают неуравновешенные силы инерции возвратно-поступательно движущихся масс (ВПДМ), моменты от них и реактивный крутящий момент (РКМ). Эти возмущения носят переменный характер и вызывают на опорах силового агрегата (СА) соответствующие реакции и как следствие - его колебательные движения. Существуют различные способы снижения уровня вибрации СА.

Выбор схемы кривошипно-шатунного механизма (КШМ) во многом определяет вибрационные свойства двигателя. Оптимизация конструкции КШМ позволяет снизить уровень вибрации. В настоящее время предъявляются всё более жесткие требования к уравновешенности СА, используются более сложные схемы КШМ, например, со смещенными шатунными шейками, применяются дополнительные уравновешивающие устройства. Разработаны новые схемы размещения балансирных валов - со смещением, что позволяет дополнительно снижать возмущения от РКМ. Одновременно применяют способ гашения реакций от внутренних возмущений ДВС в его подвеске (опорах). Но такой способ эффективен только на малых частотах вращения коленчатого вала двигателя, на средних и высоких частотах свойства подвеса СА практически не влияют на параметры его вибрации, т.к. частота действия возмущений в этом случае существенно превышает собственную частоту колебаний СА на опорах. Поэтому важно, чтобы уже на стадии выбора схемы КШМ были предусмотрены варианты максимально возможного уравновешивания.

В настоящее время недостаточно исследовано влияние различных конструктивных и режимных факторов ДВС на его уравновешенность, особенно возмущений от РКМ. Отсутствуют единые критерии, пригодные как для оценки возмущений от инерционных сил и моментов, так и от РКМ. Отсутствует методика уравновешивания У-образных 6-ти цилиндровых ДВС без использования балансирных валов. Отсутствуют расчетные методики оптимизации схем размещения балансирных валов с учетом дополнительного уравновешивания РКМ. Поэтому решение таких задач является актуальным.

Цели работы: разработка метода количественной оценки возмущающего действия неуравновешенных силовых факторов ДВС для решения широкого круга задач по уравновешиванию СА.

Для достижения целей работы сформулированы следующие задачи:

1) предложить универсальные критерии, пригодные для оценки всех видов возмущений в двигателях;

2) оценить неуравновешенность поршневых двигателей разных схем КШМ от РКМ с помощью предложенных критериев;

3) разработать методику оптимизации некоторых схем КШМ с использованием предлагаемых критериев;

(

4) экспериментально доказать эффективность применения предлагаемых критериев при оценке виброактивности ДОС.

Объект исследований. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с различными схемами КШМ.

Предмет исследований. Периодические возмущения поршневых ДВС и способы их снижения в различных схемах КШМ.

Методы исследования. В работе использованы: методы моделирования рабочих процессов поршневых двигателей, методы аналитической механики, математический анализ, теория вероятностей, инженерный эксперимент, компьютерное моделирование.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) предложены универсальные критерии, позволяющие количественно оценивать и сравнивать между собой значения возмущений от различных по характеру действия и физической природе силовых факторов, вызывающих вибрацию СА;

2) разработан метод количественной оценки возмущений в двигателях с различными параметрами и схемами КШМ на основе использования разработанных критериев;

3) предложены новые способы оптимизации уравновешенности двигателей схем Я2 и У6 с помощью применения разработанных критериев;

4) установлены закономерности возмущающего действия РКМ для разных схем КШМ от режимов работы и различных конструктивных параметров двигателей;

5) предложен экспериментальный способ оценки возмущений от РКМ с использованием специальной электронной аппаратуры.

Практическая ценность. Разработанный метод оценки возмущений на базе предложенных критериев может эффективно применятся для оптимизации конструкции двигателя в части его уравновешенности на стадии проектирования.

Выполненные работы позволяют оценить влияние возмущений от РКМ на общую уравновешенность двигателя, а также оценить степень влияния различных конструктивных и режимных факторов двигателя на величины различных возмущений. Благодаря этому уже на стадии проектирования конструкции ДВС подбирается такая совокупность значений его параметров, которая обеспечивала бы наилучшую его уравновешенность.

Реализация работы. Разработанные критерии оценки возмущений и метод, реализованный в программе расчета, дополняют курсы дисциплин «Динамика ДВС», «Конструирование ДВС», что позволяет поднять на современный уровень профессиональные знания выпускников вузов по специальности «140501 - Двигатели внутреннего сгорания».

Основные положения, выносимые на защиту:

1) критерии оценки возмущений от различных по характеру действия и физической природе силовых факторов, вызывающих вибрацию СА;

2) методика количественной оценки возмущений от сил инерции ВПДМ, их моментов и РКМ в двигателях с различными параметрами и схемами КШМ;

3) методики уравновешивания двигателей R2 и V6 на основе применения разработанных критериев;

4) методика экспериментальной оценки возмущений от РКМ.

Апробация работы. Основные результаты и основные положения по

теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на: заседании кафедры автомобилей и двигателей ГОУ МГИУ; VII, VIII Международных научно-практических конференциях ЮНЕСКО «Молодые ученые - промышленности, науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения», МГИУ, 2008, 2009 гг.; Международной научно-технической конференции, посвященной 100-летию кафедры поршневых двигателей МГТУ им. Н.Э. Баумана «Двигатель-2007», Москва, 2007 г.; Конференциях «Проектирование колесных машин и двигателей внутреннего сгорания», МГИУ, 2009, 2010 гг.; Конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий», МГИУ, 2009 г; Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», ГНУ ГОСНИТИ, 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа содержит 139 страниц печатного текста, 17 таблиц, 92 рисунка, 109 наименований списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведён обзор некоторых методов оценки и критериев, используемых при анализе уравновешенности поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Исследованию возмущений в ДВС и решению задач по их снижению, разработке различных критериев и методов анализа виброактивности СА посвящены работы ученых: Бруевича Н.Г., Григорьева Е.А., Гусарова В.В., Доброгаева Р.П., Истомина П.А., Каца A.M., Кер Вильсона, Найденко O.K., Неймана И.Ш., Попыка К.Г., Сегаля В.Ф., Семёнова М.В., Симакова Ф.Ф., Тольского В.Е., Штейнвольфа Л.Й., Яманина А.И. и многих других учёных.

В результате проведенного анализа сделаны следующие выводы: существуют различные критерии и методы анализа уравновешенности многорядных ДВС, но отсутствует универсальный единый количественный критерий оценки различных по физической природе возмущений, что затрудняет решение вопросов обеспечения наилучшей уравновешенности при выборе схем проектируемых двигателей. В частности, существуют проблемы оценки

возмущающего действия РКМ. Дифференциальный учёт «вклада» каждого фактора возмущения в общую виброактивность СА затруднён.

В рамках анализа вибрационного состояния СА, в качестве факторов его вызывающих, достаточно учитывать только силы инерции ВПДМ, их моменты и РКМ.

Во второй главе предложены комплексные критерии оценки возмущений в поршневых ДВС, а также показаны особенности их вычислений в различных случаях.

Предлагается следующее допущение: СА представляется телом в свободном, взвешенном состоянии, без учета опор. Для анализа высокочастотных возмущений такое представление достаточно корректно.

Внутри тела (рис. 1 а) действует переменная по величине и направлению неуравновешенная периодическая сила Р(1) и момент М(1), представляемые в виде проекций на оси координат. Максимальные возмущения от действия этих факторов, вызывающих колебания СА, определяются величиной максимального импульса силы Ьртах и импульса силы момента Ьщтах за период, вычисляемые по времени / или по углу поворота коленчатого вала <р:

н I <° 1°>

Ъш., = ^«г = \Mydt; ЬРтахХ = ¡^¡<р; ЬМтасХ = [—ЗД; (1)

н н > к <°

V 'V V *гМ

= = \МгЖ; ЬРтахХ = I-£<1<р; ЬМпахХ =

I , I <8 1

'г Н Ъ П

где // и ¡2 - соответственно время начала и окончания максимального за период возмущающего действия проекций силы Р и момента М на соответствующие оси координат, с; и д>з — соответственно угол поворота коленчатого вала, при котором начинается и оканчивается максимальное за цикл воз-

возмущающих факторов; б) проекции изменения величины возмущающих факторов Р и Мпо времени / на соответствующие оси координат {Рх, Рг, Рг, Мх, Му, М2); ЦМ - центр масс

Для количественной оценки периодических возмущений с учетом массовых и габаритных характеристик СА предлагается в качестве комплексного критерия энергия возмущения е от действия максимального импульса силы Ьрпа* и импульса силы момента Ьм«шх за период. Уравнения энергии от проекций возмущающей переменной силы Р и момента Мимеют вид:

ерх ~

& _ Ртах У ■ - _ ^Шах У ■ 0\

еРУ ~ ~ , . > — „ » > ^ >

Т} Ртах X . Т} Мтах X .

2 Ма' емх ~ 21 '

Т} Ртах У . ]} А-Ьнах У .

2 Ма' еш 21 ' "елг

I} ^ Ртах г . г} Мтах 2

2 Ма' емг " 21аг '

где Мел - масса СА, кг; 1Сл - момент инерции СА относительно соответствующей оси, проходящей через центр масс СА, кг-м2; ЬРтах - максимальный импульс силы за период ее действия, Не; Ьмтах - максимальный импульс силы момента за период его действия, Н-м-с.

Суммарная энергия от рассматриваемых возмущений, проекций силы Р и момента М:

е = ерх + еРУ + ерг + еш + еш + еш (3)

Предлагаемый критерий возмущений е, соответствует энергии, сообщенной телу (СА) от максимальных за период импульсов ЬРтах, ¿Мшах.

Представленный критерий позволяет оценивать возмущения не только от гармонически меняющихся по величине и направлению инерционных сил и моментов, но и от действия не гармонически меняющегося РКМ, а также количественно сравнивать возмущения от разных по физической природе факторов, таких как инерционные силы (моменты) разных порядков и РКМ.

Используя предлагаемые критерии, решили задачу по определению оптимальной величины дополнительной массы нащечных противовесов одноцилиндрового двигателя при частичном уравновешивании силы инерции 1-го порядка. Выявлено, что оптимальный дисбаланс дополнительного противовеса должен быть в два раза меньше дисбаланса от ВПДМ. При установке оптимального дополнительного противовеса, возмущения от силы инерции 1-го порядка, оцениваемые величиной энергии возмущения еР1 „„, уменьшаются в два раза: е^/ 0„ = 0,5еР1, где еР1 - энергия возмущения СА от действия неуравновешенной силы инерции 1-го порядка.

Если возмущение имеет негармонический характер, то величину его импульса следует вычислять по величине первообразной функции йР силы Р:

0,= )р<&. (4)

о

Максимальный импульс возмущения от действия силы Р за период будет определяться из выражения:

^Ртах = ^Ртах ~ ЦРтп •

где Dpmax и Dpmin — максимальное и минимальное значения первообразной функции возмущающей силы за период ее действия.

Для случаев действия негармонического возмущающего момента, максимальный импульс силы момента следует вычислять аналогично:

^Мтса — D\tmax ~ > (6)

где Dxtmax и D^mm - максимальное и минимальное значения первообразной функции возмущающего момента за период его действия.

Вычисление возмущений с помощью предлагаемых критериев от неуравновешенных гармонических сил инерции и их моментов и от негармонического РКМ выполняли численным методом в специально разработанных программах.

При сравнительном анализе возмущений в определенном выбранном (исследуемом) поле изменения нагрузки и скоростных режимов подобных двигателей использовали параметр условной энергии возмущений Е для поля режимов без учета массово-габаритных показателей СА:

(7)

где Lmax j - импульс силы (силы момента), вычисленный для /-го режима работы, Н-м (Н-м-с); N-выбранное общее число учитываемых режимов.

Параметр условной энергии возмущений Е удобно использовать как сравнительную меру, например, при анализе и оптимизации заданной конструкции ДВС, т.к. с его помощью оценивается возмущающее действие сил инерции или РКМ, а также влияние некоторых конструктивных факторов двигателя без учета массы и размеров исследуемого двигателя.

Предлагаемый оценочный критерий позволяет осуществлять сравнительную количественную оценку различных возмущений ДВС между собой. Из равенства энергии возмущений СА от действия сил еР и моментов ем можно найти значения приведенных импульсов:

г _ г \Jca_ Т _г \МСА

Ртахпр Ртах И ^ > ^Mmct rip ~ иМтах J j • \°)

Таким образом можно напрямую количественно сравнивать возмущения от действия импульсов сил LPmax пр со значениями импульсов сил моментов LMm<u или приведенных импульсов сил моментов Ьшахгр- с импульсами сил LPmax.

В третьей главе произведен анализ характера возмущающего действия переменного крутящего момента (РКМ) в различных типах ДВС на основе использования предлагаемых критериев.

Возмущения от РКМ оценивали параметром LMmax для типичных автомобильных бензиновых двигателей с заданными конструктивными параметрами (ход поршня S=9Q мм, диаметр цилиндра D=90 мм, степень сжатия е=9, удельная масса поршневого комплекта ш'„=120 кг/м2, удельная масса шатунной группы /и'ш=150 кг/м2) на девяти разных скоростных режимах от и= 1500 мин"1 до и=6000 мин"1 с равными интервалами, и при девяти раз-

ных нагрузочных режимах от р,=0,12 МПа до р,—\,\1 МПа (на 81 режиме работы). Такой анализ возмущающего действия РКМ выполнен для наиболее распространенных компоновок КШМ: 112, ЯЗ. Я4, Я5, Я6, У6 (с неравномерным чередованием рабочих ходов), У8.

Оценили влияние числа и расположения цилиндров для сравниваемых конструкций двигателей, исключив влияние геометрических характеристик СА и его массы (1СА~1с1ет). Задавали одинаковые характеристики рабочих процессов, режимы работы и массы элементов КШМ. Порядок работы цилиндров выбирали таким образом, чтобы обеспечить равномерное чередование рабочих ходов (кроме двигателя \в).

Некоторые результаты проведенных расчетов представлены на графиках (рис. 2). Выявлено, что у всех типов исследуемых двигателей, сильные возмущения от РКМ имеют место на малых оборотах и высоких нагрузках. Влияние изменения скоростного режима на возмущения РКМ в различных компоновках КШМ различно.

Рис. 2. Возмущение от действия РКМ на разных скоростных и нагрузочных режимах у подобных бензиновых ДВС (5=90 мм, £>=90 мм, е=9, т'й=120 кг/м2, от'„,=150 кг/м2) отличающихся только схемой КШМ: а) 114; б) Уб с неравномерным чередованием рабочих ходов

Общая сравнительная оценка возмущающего действия РКМ для двигателей разных конструктивных схем (таблица 1) выполнена по значению условной энергии возмущений Е. Полученные результаты показывают, что при учёте всех режимов и заданных параметров самое большое возмущающее действие от РКМ имеют рядные двух- и четырёхцилиндровые двигатели.

Таблица 1

Значения условной энергии возмущений Е от действия РКМ для

подобных бензиновых двигателей (5=90 мм, £>=90 мм, е=9, т'„=120 кг/м2, от'„,=150 кг/м2) различных схем КШМ для поля типичных режимов работы _ («=1500-6000 мин'1, ¿>,=0,12 — 1,11 МПа) _

Тип ДВС К2 Ю Я4 Я5 Я6 У6 (неравном.) У8 (у=90°)

Е, (Н'М-с)2 2,31 1,21 1,82 0,48 0,30 0,8 0,10

Выполнен сравнительный анализ влияния некоторых конструктивных факторов КШМ в различных компоновках ДВС на величину возмущений от действия РКМ. Диапазон изменения каждого конструктивного фактора (Д 5,

т'п, т'ш, рабочий объем цилиндра У1щ) задавали с учетом конструкций современных автомобильных двигателей. Остальные параметры у всех исследуемых типов двигателей задавали одинаковыми.

В результате анализа различных схем подобных двигателей получен широкий спектр данных по влиянию различных факторов на возмущения от РКМ в исследуемых компоновках КШМ. Результаты исследования влияния массы поршневого комплекта в быстроходных и тихоходных двигателях показаны на рис. 3. Неуравновешенность от действия РКМ зависит от выбранного поля режимов работы ДВС. В тихоходных двигателях («<2500 мин"!) при увеличении массы поршневой группы происходит снижение возмущений от РКМ в большинстве анализируемых компоновок КШМ.

И = 1500 - 6000 мин"' а) Я = 1000 - 2500 мин"1 б)

т'.. кг/м! ■160В140В120В100И80 5 ЩЩ| я>'„ кг/м' "160 0140 В120 В100 В80

И2 | ЙЗ | Н4 I И5 | Н6 | У6 I У8 | " | Н I В Г Н4 I Я5 | Ё6 Г У6 Т У8 Рис. 3. Влияние изменения удельной массы поршня т'„ на возмущения от РКМ оцениваемых величиной параметра Ем, в бензиновых двигателях различных компоновок КШМ: а) быстроходных; б) тихоходных

В результате использования предложенных критериев можно создавать математические модели для ЬМта путем выполнения численного эксперимента по разработанной методике в специальных программах. В рамках исследования протекания РКМ в различных компоновках КШМ, для каждой схемы определены зависимости:

ЬМтсп=Яп, р,,т, Ц Б), где т - удельная масса возвратно-поступательно движущихся частей, кг/м2.

В результате получены регрессионные модели вида: Ьмтахсх= Ь{ + Ь2п + Ьз-р! + Ъ4т + ЬуИ + Ь^Б + Ъгг? + Ъа'р? + Ь9-т2 + Ью'О2 + + ЬцЯ2 + Ь/уп-р: + Ь/з'П'т + Ь,4п-0 + Ьц-п-Б + Ьщ-рст + Ь17-р,-0 + Ь^-р^ + + Ь/д-т-И + + Ьц-

где коэффициенты Ъ, определены для каждой исследуемой компоновки ДВС.

Полученные данные могут быть использованы на стадии проектирования и доводки конструкции поршневых двигателей для снижения их неуравновешенности. Для некоторых схем КШМ с учетом размеров ДВС и заданного поля режимов работы можно найти оптимальное значение масс КШМ, обеспечивающих наилучшую уравновешенность от действия РКМ.

В четвертой главе представлено решение задач по минимизации различных возмущений в некоторых схемах КШМ поршневых двигателей с использованием разработанной методики оценки возмущений.

Для двигателя R2 проведена оптимизация уравновешивающего механизма, включающего два балансирных вала. В анализе, рассмотрена схема уравновешивания сил инерции 1-го порядка ЕРц (рис. 4), где в качестве оптимизируемого параметра рассматривается величина смещения балансирных валов h. Особенностью данной схемы является уравновешивание ZPp с помощью трех масс, две из которых располагаются на двух балансирных валах, и одна на коленчатом валу. За счет смещения балансирных валов возникает дополнительный гармонический момент Мсбв (рис. 5), действующий в той же плоскости, что и переменный крутящий момент Мк и при некоторых условиях снижающий его возмущающее действие. В результате, на опоры СА передаются возмущения от действия суммарного момента

Рис. 4. Схема уравновешивания сил

инерции первого порядка IPjl и частичного уравновешивания РКМ

Мр для двигателя типа R2: ЕРсрезУ - проекция результирующей центробежной силы для уравновешивания ЕР^\ Мс ов- момент центробежных сил балансиров; результирующий момент действующий на опоры СА

Рис. 5. Моменты, действующие в рассматриваемом двигателе 112 с механизмом уравновешивания на режиме работы «=4000 мин"1, р,=1,0 МПа: М\ - средний индикаторный момент; Мс гж - центробежный момент от смещенных балансирных валов; М£ - суммарный момент передающийся на опоры СА (совместное действие Мк и Мс &) Расчет оптимальной величины смещения к выполнен для каждого задаваемого режима работы двигателя из условия минимизации максимального импульса возмущения 1Мтах от действия суммарного момента М^. Конструктивные параметры ДВС, задаваемые для расчета возмущений, соответствуют данным двигателя ВАЗ-НПЗ. При оптимальном смещении балансирных валов возмущения от РКМ существенно уменьшаются на многих режимах работы. Но так как автоматическое изменение смещения балансирных

валов к на разных режимах работы двигателя практически затруднительно реализовать, была найдена оптимальная величина смещения копт£, соответствующая минимуму значения параметра Ем (7) для поля режимов работы (и=1000 - 6000 мин"1,/?,=0,2 - 1,0 МПа) которая составила: /гота=26,5 мм.

Выполненный анализ показал возможность существенного снижения возмущений от РКМ при установке балансирных валов с определенным смещением. При оптимальном фиксированном смещении оси валов снижение возмущений от РКМ составило 20%.

Произведен анализ возможностей уравновешивания с учетом снижения возмущений РКМ в У-образных 6-ти цилиндровых ДВС с углом развала цилиндров 90° и тремя коленами, расположенными под углом 120°. Недостатком такой схемы КШМ является неравномерные интервалы чередования рабочих ходов, вследствие этого большее возмущающее действие РКМ и в связи с этим, худшая уравновешенность двигателя. Обеспечить равномерное чередование рабочих ходов в схеме У6 можно при использовании коленчатого вала со смещенными шатунными шейками (рис. 6). В таком случае уравновешивание момента от сил инерции 1-го порядка, возможно, только с помощью применения балансирного вала. При этом кривая крутящего момента более равномерна, соответственно меньше и возмущения от РКМ.

Рис. 6. КШМ двигателя У6: а) схема КШМ У-образного 6-ти цилиндрового ДВС с равномерным чередованием рабочих ходов; б) коленчатый вал со смещенными шатунными шейками У-образного 6-тицилиндрового ДВС

Разработана методика частичного уравновешивания суммарного момента от сил инерции 1-го порядка ЕМц ВПДМ в двигателях типа У6 без применения балансирного вала, естественным способом уравновешивания -дополнительными нащечными противовесами. В существующих методах анализа отсутствуют методики вычисления параметров таких противовесов.

Проведена оптимизация уравновешенности для двух вариантов двигателей У6: дизельного («=1000 - 2200 мин'1, е=16,5, 5^=140 мм, £>=130 мм, т'„=290 кг/м2, т'ш=300 кг/м2), и бензинового («=1000 - 3200 мин"1, е=10,5=84 мм, £1=89,9 мм, /«'„=140 кг/м2, т',„=160 кг/м2). Выполнили количественную оценку возмущающего действия РКМ для сравниваемых вариантов ДВС: 1 -с неравномерными интервалами рабочих ходов (3-х коленным валом и цельными шатунными шейками колен), 2-е равномерными интервалами рабочих ходов.

Установлено, что для двигателей \76 работающих на частотах до 3200 мин"1 и равными интервалами между рабочими ходами и 3-х коленным валом, эффективно применять способ естественного уравновешивания дополнительными противовесами коленчатого вала и при этом обойтись без установки балансирного вала. Суммарное возмущение от действия частично уравновешенного момента от сил инерции 1-го порядка будет меньше, чем возмущение от РКМ при неравномерном чередовании рабочих ходов.

Проанализирована уравновешенность ДВС схемы У6 с разрезными шатунными шейками, обеспечивающими равномерное чередование рабочих ходов при разных углах развала цилиндров у. Уравновешивание момента Шп во всех случаях рассматривали без применения балансирного вала, только естественным способом - с помощью нащечных противовесов. Оценка разных возмущений проведена для пяти вариантов схем КШМ, при этом задавались соответствующие значения угла смещения шатунной шейки колена вала двигателя Ь (рис. 7) обеспечивающие равномерное чередование рабочих ходов при определенном значении угла развала цилиндров у: 1) у=60°, <5=60°; 2) у=70°, ¿=50°; 3) у=80°, <5=40°; 4) у=90°, ¿=30°; 5) у=100°, ¿=20°.

ё | Рис. 7. Схема 3-х коленного

б) вала с разрезными шатун-

ными шейками двигателя (' У6;Д Я-оси цилиндров

V левого и правого ряда;

—\___<р — текущий угол поворота

\ Д кривошипа; у - угол развала \ цилиндров; д - угол смеще-

\ ) ния шатунной шейки;

уУ ц - угол установки дополнительного противовеса

Для рассматриваемых вариантов схем двигателей количественно оценены возмущения от действия неуравновешенных моментов от сил инерции 1-го и 2-го порядков и а также рассчитаны значения параметров

дополнительных нащечных противовесов коленчатого вала, которые в максимальной мере уменьшают возмущения от действия £М/,>.

Расчет параметров нащечных противовесов выполнен исходя из условия минимизации величины остаточного импульса возмущения Ьмтахра от совместного действия центробежного момента нащечных противовесов Мс „р и момента от сил инерции 1-го порядка ЕМ

Некоторые результаты выполненного анализа представлены в виде годографов безразмерных моментов от сил инерции (рис. 8).

Разработаны регрессионные МНК полиномиальные модели для рассматриваемых возмущений: безразмерный импульс силы суммарного момента от сил инерции 1-го порядка ЬМтахц бр = -5- 10'4-у + 0,695-у + 81,456; безразмерный импульс силы суммарного момента от сил инерции 2-го порядка ф= - 6-10"57 + 0,09197 + 10,745; безразмерный импульс

силы результирующего момента (от совместного действия ИМц ер и Мс пр бр) Ьтшре, ф= - 9-10"У + 1,34957 - 77,639.

Установлено, что при углах развала цилиндров порядка 80° возмущения, вызываемые действием частично уравновешенного суммарного момента от сил инерции 1-го порядка и неуравновешенного момента от сил инерции 2-го порядка, близки по величине и чем меньше угол развала у, тем эффективнее уравновешивающее действие нащечных противовесов.

»> б> в) Г";

—■—: : ..-*.__:__ч у ■ 'I ' \ I

* 'I V ' Л '! V 1'1—*

Рис. 8. Годографы безразмерных моментов от сил инерции первого ЕМр 6р и

второго порядка ЕМр бр, центробежного от дополнительного противовеса МспрВр и результирующего М^вр ДВС У6 со смещенными шатунными шейками и равномерным чередованием рабочих ходов при разных углах развала цилиндров: а) у=80°, ¿=40°; б) у=90°, ¿=30°; в) у=100°, ¿=20°

Выполненный анализ показывает возможность существенного снижения виброактивности двигателей типа У6 со смещенными шатунными шейками без применения балансирных валов, естественным способом - только с помощью нащечных противовесов.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований, проведенных в лаборатории двигателей кафедры автомобилей и двигателей ГОУ МГИУ.

Целью исследований являлось получение экспериментальных данных по возмущающему действию РКМ в поршневом двигателе схемы Я4 на разных режимах работы и сравнению их с результатами теоретического анализа для подтверждения корректности разработанных теоретических способов анализа и эффективности применения разработанных критериев оценки возмущений.

Задачи, решаемые при проведении экспериментальных исследований включали: разработку экспериментальной установки, позволяющей измерять возмущения двигателя; разработку методики проведения исследования; разработку методов и программ анализа экспериментальных данных. Основная задача экспериментальных исследований заключалась в определении и фиксировании значений виброускорений двигателя на тормозном стенде при различных скоростных и нагрузочных режимах, путем измерения ускорений остова двигателя в поперечной плоскости с помощью датчика (рис. 9). Переменное ускорение остова двигателя прямо пропорционально значениям разности крутящего и среднего индикаторного момента:

к

(9)

где йац - текущее значение ускорения, м/с2; (1{МК — М) - текущее значение разности крутящего и среднего индикаторного момента, Н'м; 1слх~ момент инерции двигателя вокруг оси X, кг; кц - расстояние от центра датчика до оси коленчатого вала двигателя, м.

Стенд для испытаний и замеров всех основных параметров работы двигателей оборудовали необходимым комплексом приборов и приспособлений. Испытуемый двигатель Са1егрШаг 3114 (дизельный 114, У/,=4,4 л, N,=76 кВт при плг=2400 мин"1, £=16, 5=127 мм, /)=105 мм, т'„=300 кг/м2, ш'„=400 кг/м2) связан карданным валом с установкой для испытания мощности с электромашинным динамометром БАК-И 670, Изменение нагрузки на двигатель достигается изменением тормозного момента Рт создаваемого электродвигателем моторного стенда.

Для замера возмущений от РКМ использовали датчик ускорений ММА7261С! и модуль аналого-цифровой преобразователь АЦП Е14—440. Датчик прикреплен к двигателю так, чтобы фиксировать значения его текущих ускорений в поперечной плоскости (рис. 9).

Измерение ускорений остова ДВС выполнили на 15-ти режимах работы исследуемого двигателя: на пяти заданных скоростных режимах (1000, 1350, 1700, 2050,2400 мин"1) задавали определенную нагрузку: 0% (холостой ход), 50% от максимально выбранной нагрузки, и 100% максимальной выбранной нагрузки. На каждом режиме измеряли все основные параметры испытуемого двигателя: крутящий момент, мощность, часовой и удельный эффективный расход топлива и др. Время измерения ускорений (запись данных с датчика в постоянную память с определенной частотой) на каждом режиме составило 10 - 15 с, что соответствует измерению ускорений колебаний от нескольких сот циклов (периодов) результирующего крутящего момента. На разных скоростных режимах задавались такие частоты записи данных, чтобы на периоде изменения РКМ Г фиксировать 300 значений ускорений.

В ходе обработки экспериментальных данных получены кривые изменения ускорений остова двигателя по времени на заданных режимах работы (рис. 10). Возмущения от действия РКМ оценивали величиной условного

¡1д - расстояние от оси коленчатого вала до центра корпуса датчика, мм; ац - ускорения остова работающего двигателя замеряемое датчиком в ме-

Рис. 9. Схема расположения датчика ускорений на двигателе для измерения возмуще-

ний от действия РКМ;

сте его расположения

импульса Ьууа,, т.е. по величине максимального размаха первообразной В функции ускорения остова ДВС за период действия Т результирующего крутящего момента:

уел ^так ^тЫ '

£> =

1°

\aydk,

(10) (И)

где Цэ - текущее значение массива считанных показаний датчика при заданной частоте /ц; ад — текущее значение ускорения измеренного датчиком на

заданном режиме измерения

60

я»

м/с1'

20 0 -20 -40 -60

_..... .....

11

........ '■■........... |....................... ........

: ..... |..... .Г.].....1: -1 ']....... 1— •• 1 .........|"т-..... Х..1...........$____1.......к... :::: 1;|

Г ' :|( ! Л 1 ||

А Д И / 1 1 А1 С 1 Л А А Л / )1 п ¡\ \ ц г И 14 : -Л г

/ 1Н :.» V | 1 / м / 11

} ■Ш ' и V 1 / 1

|/ I 1/ "" Щ

... 14. '1 •

и г* '?

.1 1 - - а л.

_______ г

------и !■■! И

2.3

и, В

1,9

1,1

2100 /с

0,9

Рис. 10, Фрагмент осциллограммы виброускорений ац двигателя САТ-3114 в плоскости перпендикулярной оси коленчатого вала на режиме: «=1000 мин"1 при Р-г= 15 кг; 17- напряжение датчика, В; к/д - текущее значение массива считанных показаний датчика при частоте/0= 10 кГц; Г- период результирующего крутящего момента - соответствует количеству считанных показаний датчика кМк= 300

При обработке результатов испытаний использованы исходные положения математической статистики, для каждого режима подсчитаны значения ЬМуа и соответствующие статистические показатели. Для учета угловой скорости вращения коленчатого вала, при которой были выполнены замеры ускорений, значения рассчитанных условных импульсов ЬМуа приведены ко времени их действия:

^мпР = А- ЬМусп. (12)

где А = 1000/«; п - частота вращения коленчатого вала, мин"1.

В результате экспериментальных исследований была получена характеристика возмущений РКМ в поле режимов (рис. 11 б). Для сравнения результатов экспериментальных исследований с теоретическими данными выполнен соответствующий теоретический анализ действия РКМ для параметров испытуемого двигателя. В результате анализа получены данные возмущений ЬМтах (рис. 11а) для поля режимов соответствующего данным экспе-

римента. Величина нагрузки определялась значением среднего индикаторного давления в цилиндре р:. Характер возмущений от РКМ в двигателе САТ-3114 типичен для двигателей таких компоновок (см. рис. 2 в).

Рис. 11. Диаграмма величин импульсов возмущений РКМ испытуемого двигателя САТ-3114 в исследуемом поле режимов: а) диаграмма импульсов полученная в результате теоретического анализа возмущений РКМ ЬМтах\ б) диаграмма приведенных импульсов полученная в результате обработки данных экспериментальных исследований возмущений от РКМ 1Мпр

Полученные диаграммы сравнили по относительному изменению возмущений на различных режимах (таблица 2). За основной приняли режим, соответствующий максимальному возмущению от РКМ. Экспериментальная характеристика возмущений подобна теоретически найденной, режимы работы соответствующие максимальным и минимальным возмущениям РКМ совпадают. Необходимо заметить, что 1Мтах = с-1Мпр, где с - некоторая постоянная величина (определяемая массово-габаритными характеристиками испытуемого ДВС). Общая ошибка по всем режимам составила 5,8%, и объясняется как некоторыми неточностями принятой модели для определения газовых сил в теоретическом расчете, так и неточностями считывания и обработки сигналов ускорений при экспериментальном исследовании.

Таблица 2

Относительное изменение возмущений от РКМ (%) в поле режимов двигателя САТ-3114 при теоретическом и экспериментальном исследовании

~ „ нагрузка, частота^».,,,. % вращения ..... к. вала, мин"1 100 50 0

теор. эксп. теор. эксп. теор. эксп.

1000 78,0 76,9 55,0 71,4 39,3 47,3

1350 35,7 42,1 24,2 35,2 28,7 35,6

1700 35,4 35,3 43,2 36,2 51,5 35,4

2050 60,1 63,8 67,7 70,6 75,8 75,2

2400 85,3 88,7 92,6 96,2 100,0 100,0

Предлагаемый критерий оценки возмущений, в основе которого определяется максимальный за цикл импульс силы (импульс силы момента) позволяет достоверно оценивать фактические возмущения работающего двигателя.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика количественной оценки возмущений поршневых ДВС. В качестве основных критериев оценки возмущений предложены параметры максимального импульса 1тах и энергии е. Такие критерии наиболее полно отражают суть возмущающего действия и позволяют решать широкий круг задач, направленных на улучшение уравновешенности поршневых ДВС различных схем КШМ.

2. Выявлен характер влияния некоторых конструктивных факторов поршневых ДВС (массы поршневого и шатунного комплекта, диаметра цилиндра и хода поршня, литража) различных схем КШМ на их уравновешенность от действия РКМ с помощью предлагаемых критериев. Разработаны регрессионные многофакторные модели зависимости возмущений РКМ от конструктивных параметров ДВС. С помощью таких моделей уже на стадии проектирования СА можно добиться его минимальной неуравновешенности.

3. С помощью предлагаемых критериев проведена сравнительная оценка возмущений РКМ в некоторых конструкциях ДВС и установлен характер их действия в поле режимов работы. Получен широкий спектр новых результатов, например влияние изменения массы поршневого комплекта двигателя на возмущения от переменного крутящего момента. Можно отметить, что в двигателях Я5 такое влияние отсутствует. В двигателях Я4 на малых скоростных режимах (1000 - 2000 мин"1) увеличение массы ВПДМ ведет к снижению возмущений от РКМ. Увеличение хода поршня 5 и диаметра цилиндра Д а также и литража всегда ведет к возрастанию возмущений от РКМ, но эта зависимость определяется схемой КШМ с учетом интервалов между рабочими ходами, поля рабочих режимов и рядом конструктивных параметров.

4. На основе предлагаемых критериев разработана программа и методика минимизации возмущений в ДВС типа Я2 с помощью особого расположения уравновешивающих валов. Найдена величина оптимального смещения оси балансирных валов, обеспечивающая минимальное значение энергии возмущений РКМ в поле типичных режимов работы ДВС. Разработана соответствующая математическая модель. При этом снижение возмущений от РКМ составляет 20%.

5. Разработана методика снижения возмущений от инерционных моментов для двигателей У6 (с равномерным чередованием рабочих ходов) с помощью предлагаемых критериев без использования балансирных валов, а только за счет нащечных противовесов коленчатого вала. При таком частичном уравновешивании момента от сил инерции 1-го порядка достигается снижение его возмущений так, что остаточное возмущение сопоставимо с возмущениями от РКМ.

6. Для двигателей У6 с разными углами развала цилиндров и равномерным чередованием рабочих ходов получены математические модели зависимости возмущений частично уравновешенного момента сил инерции 1-го порядка, неуравновешенного момента сил инерции 2-го порядка от угла

развала цилиндров. Такие модели позволяют находить наиболее уравновешенные схемы двигателей без применения балансирных валов.

7. Разработана методика экспериментального исследования возмущений в поршневых двигателях на основе применения предлагаемых критериев и проведены экспериментальные исследования возмущений от РКМ дизеля Caterpillar-3114 в заданном поле режимов. Результаты испытаний подтвердили возможности корректной оценки уравновешенности двигателя от различных возмущающих факторов с помощью разработанных критериев. Относительная погрешность измерений по всему полю режимов составила около 6%.

Основные положения диссертации отражены в 9 печатных работах. В том числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Ашишин A.A. Новый способ оценки внутренних возмущений поршневых автомобильных ДВС [Текст] / A.A. Ашишин, В.В. Гусаров // Машиностроение и инженерное образование, №1. -М:, 2009. - С. 15-21.

2. Ашишин A.A. Метод количественной оценки виброактивности автотракторных ДВС [http://www.gosniti.ru/forms/tl05.doc] / A.A. Ашишин, В.В. Гусаров, A.A. Мылов // Труды ГОСНИТИ. Том № 105.

3. Ашишин A.A. Влияние износа прецизионных пар топливной аппаратуры на работу дизельного двигателя [Текст] / A.A. Ашишин, A.A. Мылов // Грузовик, №3,2010.

4. Ашишин A.A. Разработка новых методов анализа виброактивности поршневых двигателей внутреннего сгорания [Текст] / A.A. Ашишин // Доклады на конференции посвященной 50-летию МГИУ. -М:, 2009 - С. 53-59.

5. Ашишин A.A. Анализ и расчет уравновешивания поршневых двигателей [Текст] / A.A. Ашишин, В.В. Гусаров, A.A. Мылов // Вестник РГАЗУ 2009.

6. Ашишин A.A. Уравновешивание ДВС конструктивной схемы V-6 [Текст] / АЛ. Ашишин, В.В. Гусаров, A.A. Мылов // Вестник РГАЗУ, 2009.

7. Ашишин A.A. Анализ уравновешенности 6-ти цилиндровых V-образных поршневых ДВС с углом развала цилиндров 90 градусов [Текст] / A.A. Ашишин // Сборник научных докладов VI научно-практической конференции, -М:, 2006. -С. 38-43.

8. Ашишин A.A. Новый способ анализа и расчёта уравновешивания поршневого двигателя типа R2 [Текст] / В.В. Гусаров, A.A. Ашишин, // Журнал «Известия МГИУ», -М:, 2006.

9. Ашишин A.A. Уравновешивание ДВС конструктивной схемы V-6 без использования балансирных валов [Текст] / В.В. Гусаров, A.A. Ашишин // Сборник докладов, посвященный конференции в МГТУ им. Баумана «Двига-тель-2007», -М:, 2007.

Ашишин Алексей Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ВОЗМУЩЕНИЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБОВ УЛУЧШЕНИЯ ИХ УРАВНОВЕШЕННОСТИ

Автореферат

Подписано в печать 20.12.11 Формат бумаги 60x84/16 Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100. Заказ № 303

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16 www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 620-39-90

Отпечатано в типографии издательства МГИУ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ АНАЛИЗА И КРИТЕРИЕВ ВОЗМУЩЕНИЙ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

1.1. Общие положения в вопросе уравновешенности поршневых двигателей.

1.2. Традиционный анализ уравновешенности двигателей от действия инерционных сил и моментов.

1.3. Анализ возмущений силового агрегата по величинам амплитуд его вибрации от действия инерционных сил и моментов.

1.4. Критерии уравновешенности Стечкина-Климова и A.M. Каца.

1.5. Оценка степени уравновешенности двигателя с помощью безразмерного коэффициента качества уравновешивания.

1.6. Анализ возмущений от действия переменного крутящего момента.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. КРИТЕРИИ И МЕТОД ОЦЕНКИ ВОЗМУЩЕНИЙ

ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

2.1. Критерии оценки возмущений.

2.2. Применение критерия оценки возмущений для уравновешивания силы инерции первого порядка в одноцилиндровом двигателе.

2.3. Особенности вычислений критериев в различных случаях.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ВОЗМУЩЕНИЙ ОТ ДЕЙСТВИЯ ПЕРЕМЕННОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЯХ РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНОВОК.

3.1. Оценка возмущающего действия переменного крутящего момента на разных режимах работы двигателя типа R4.

3.2. Анализ возмущающего действия переменного крутящего момента на разных режимах работы бензиновых двигателей различных конструктивных схем.

3.3. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях различных конструктивных схем.

3.4. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях типа

3.5. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях типа

3.6. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях типа

3.7. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях конструкции Я5.

3.8. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях конструкции 116.

3.9. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях конструкции У6 с неравномерным чередованием рабочих ходов.

3.10. Анализ влияния конструктивных факторов на возмущающее действие переменного крутящего момента в двигателях конструкции У8.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УРАВНОВЕШИВАНИЯ

ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ ВОЗМУЩЕНИЙ.

4.1. Уравновешивание двигателя схемы Я2.

4.2. Уравновешивание поршневых двигателей схемы У6 с углом развала цилиндров 90 градусов.

4.3. Уравновешивание двигателей схемы У6 при разных углах развала цилиндров без использования балансирных валов.

Выводы по четвертой главе.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ВОЗМУЩАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ ПЕРЕМЕННОГО КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА В ДИЗЕЛЕ.

5.1. Цель и задачи экспериментальных исследований.

5.2. Оборудование и технические средства для проведения испытаний.

5.3. Методика проведения испытаний.

5.4. Результаты экспериментов.

5.5. Сравнение результатов анализа возмущений двигателя Я4 от действия переменного крутящего момента, при теоретическом и экспериментальном исследовании.

Выводы по пятой главе.

Преимущества и недостатки двигателей с КШМ уже в основном изучены и известны. Основные недостатки заключаются в следующем: загрязнение атмосферы вредными выбросами, шумность, вибрация, относительно низкий ресурс деталей двигателя и др. Но наряду с недостатками у ДВС с КШМ есть непревзойденные достоинства: простота конструкции, относительно низкая стоимость производства, компактность и др.

Если исторически проследить развитие тепловых двигателей с момента их изобретения, то можно подчеркнуть тот факт, что поршневой двигатель с КШМ как был самым используемым типом тепловых двигателей, так и остался до сих пор. Изменялось только применяемое топливо, и в соответствии, устройство его подвода и освобождение энергии в рабочей камере.

В работе рассматриваются проблемы, связанные с оценкой уравновешенности поршневых ДВС и снижением уровня вибрации СА автотранспортного средства. При конструировании современных автомобилей, всё больше внимания уделяется проблеме снижения уровня вибрации и шума. Одним из основных источников вибрации и шума, является ДВС. Причиной этому в основном, служат возникающие в нём во время работы неуравновешенные силы инерции ВПДМ, их моменты и РКМ от сил инерции ВПДМ и давления газов. Эти возмущения носят переменный характер и вызывают на опорах СА соответствующие реакции и как следствие - его колебательные движения. Существуют различные способы и методы снижения уровня вибрации СА. Основными являются подавление вибрации и шума в самом двигателе (выбор конструкции, оптимизация параметров, установка уравновешивающих валов), и их гашение на путях распространения (установка между ДВС и рамой (кузовом автомобиля) виброизолирующих устройств). В последние десятилетия всё больше получает распространение первый метод, а именно использование дополнительных уравновешивающих устройств.

На стадии проектирования двигателя, изначально задача стоит в выборе схемы КШМ, т.к. это будет определять в дальнейшем вибрационные свойства двигателя. Далее производится оптимизация конструкции КШМ в определенных рамках с целью снижения уровня вибрации. Для этого производятся специальные расчеты, на основе применения критериев оценки возмущений. Для уравновешивания КШМ используются различные известные и запатентованные способы, например «метод Ланчестера», применение которого обеспечивает уравновешивание сил инерции ВПДМ одного цилиндра поршневого двигателя. Применение дополнительных уравновешивающих устройств изменяет конструкцию двигателя и удорожает его производство. Также для снижения вибрации от двигателя применяют способ гашения реакций от его возмущений в специальных опорах, обладающих заданными демпфирующими свойствами и расположенных определенным способом. Но в силу известных обстоятельств, возмущения от вышеперечисленных факторов вызывающие вибрацию СА могут быть эффективно погашены в опорах только на малых скоростях вращения коленчатого вала двигателя. Уже на средних и высоких скоростях, свойства подвеса СА практически не будут влиять на параметры вибрации, т.к. частота действия возмущений будет превышать собственную частоту колебаний С А на этих опорах в несколько раз. Поэтому важно, чтобы уже на стадии выбора схемы КШМ были продуманы варианты максимально возможного уравновешивания присущих ей возмущений естественным способом, а также, возможно и с помощью дополнительных уравновешивающих устройств.

Влияние некоторых процессов, вызывающих реакции на опорах СА, недостаточно исследовано, однозначно не установлены критерии оценки величин возмущений обосновывающих вклад различных возмущений в общую неуравновешенность двигателя и их зависимость от значений конструктивных параметров двигателей.

В связи с этим актуальным является решение проблемы оценки внутренних возмущений поршневых двигателей с помощью применения эффективных и универсальных критериев.

Степень уравновешенности двигателя определяет, в том числе и эксплуатационные свойства автомобиля, поэтому важно правильно подойти к её оценке, учитывающей реальный возмущающий вклад и максимально возможно оптимизировать конструкцию КШМ.

Цели работы заключаются в разработке метода количественной оценки возмущающего действия внутренних неуравновешенных силовых факторов ДВС для решения задач по уравновешиванию СА.

Для достижения целей работы сформулированы следующие задачи: 1) предложить универсальные критерии пригодные для оценки всех видов возмущений в двигателях; 2) оценить неуравновешенность поршневых двигателей разных схем КШМ от РКМ с помощью новых критериев; 3) разработать методику оптимизации разных схем КШМ с использованием предлагаемых критериев; 4) экспериментально доказать эффективность применения предлагаемых критериев при оценке виброактивности ДВС.

Решение поставленных задач должно основываться на едином подходе к оценке физического вклада возмущений вызывающих реакции на опорах подвеса СА в его общее вибрационное состояние.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1) предложены универсальные критерии, позволяющие количественно оценивать и сравнивать между собой значения возмущений от различных по характеру действия и физической природе, силовых факторов, вызывающих вибрацию СА; 2) разработан метод количественной оценки возмущений в двигателях с различными параметрами и схемами КШМ на основе использования разработанных критериев; 3) предложены новые способы оптимизации уравновешенности двигателей схем К2 и У6 с помощью применения разработанных критериев; 4) установлены закономерности возмущающего действия РКМ, для разных схем КШМ, от режимов работы и различных конструк9 тивных параметров двигателей; 5) предложен экспериментальный способ оценки возмущений от РКМ с использованием специальной электронной аппаратуры.

Выполненные работы позволяют оценить влияние возмущений от переменного крутящего момента на общую уравновешенность двигателя, а также оценить степень влияния тех или иных параметров двигателя на величины различного рода возмущений. Благодаря этому уже на стадии проектирования конструкции ДВС, подбирается такая совокупность значений параметров, которая обеспечивала бы оптимальную его уравновешенность.

Выводы по пятой главе

Проведена экспериментально-исследовательская работа в лаборатории кафедры автомобилей и двигателей ГОУ МГИУ на базе двигателя САТ-3114 по выявлению характера возмущений от РКМ.

Установлено, что возмущения от действия переменного крутящего момента, вызывающие угловые колебания четырехцилиндрового рядного двигателя в поле скоростных и нагрузочных режимов носит сложный характер и подобный ранее представленному (глава 3). Полученные результаты свидетельствуют о корректности применения предлагаемых оценочных параметров в качестве критериев возмущений.

Полученные экспериментальные данные по возмущающему действию РКМ могут иметь широкое практическое применение. Например, сигнал с датчика ускорений свидетельствует, в том числе и о характере протекания рабочих процессов в цилиндрах двигателя и может использоваться в качестве диагностического сигнала.

1. Автомобильный справочник BOSCH. Перевод с англ. Первое русское издание. -М.: «За рулём», 1999. 896с.

2. Алексеев С.П. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении / Алексеев С.П., Казаков A.M., Колотилов H.H. -М.: «Машиностроение», 1970. -208с.

3. Артамонов М.Д. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей / Артамонов М.Д., Панкратов Г.П. -М.: «Машиностроение», 1963.

4. Артоболевский И.И. Теория механизмов. -М. Наука. 1966. -776с.

5. Архангельский В.М. Автомобильные двигатели / Архангельский В.М., Вихерт М.М. и др. Под общ. ред. М.С. Ховаха -М.: «Машиностроение», 1967.

6. Архангельский В.М. Автомобильные двигатели / Архангельский В.М., Вихерт М.М., Воинов А.Н. и др. Под ред. М.С. Ховаха -М.: «Машиностроение», 1977. -591с.

7. Ашишин A.A. Разработка новых методов анализа виброактивности поршневых двигателей внутреннего сгорания // Доклады на конференции, посвященной 50-летию МГИУ, Москва, 2009. С. 53-59.

8. Ашишин A.A., Гусаров В.В., Мылов A.A. Анализ и расчет уравновешивания поршневых двигателей // Вестник РГАЗУ, 2009.

9. Ашишин A.A., Гусаров В.В., Мылов A.A. Уравновешивание ДВС конструктивной схемы V-6 // Вестник РГАЗУ, 2009.

10. Башкатов А.Ф. Исследование вибрации тракторных двигателей типа КДМ-100 // Дисс. . канд. техн. наук. Челябинск, 1958. 180 с.

11. Бершадский С.А. Снижение вибрации и шума поршневых компрессоров. -Л.: Судостроение, 1990. -272с.

12. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. Учебник для вузов. -М.: Высшая школа, 1980. -408с.

13. Болтинский В.Н. Теория, конструкция и расчет тракторных и автомобильных двигателей. -М.: Сельхозгиз, 1962.

14. Бородянский Л.Х. Уравновешивание сил инерции первого порядка малоразмерного ДВС // Журнал Автомобильная промышленность, 1994, №10, стр. 20-23.

15. Брох Е.Т. Применение измерительных систем фирмы Брюль и Къер для измерения механических колебаний и ударов. Дания, Себорг 1973. -308с.

16. Буравцев С.К. Исследование работы подшипников и уравновешенности V-образного автомобильного двигателя при изменении масс кривошипно-шатунного механизма// Дисс. . канд. техн. наук. Москва, 1968. 257 с.

17. Веселовский A.A. Динамика авиадвигателя. -М.: Отдел издательства НАРКОМВОЕНМОР, 1934. -175с.

18. Вихерт М.М. Конструкция и расчет автотракторных двигателей / Ви-херт М.М., Доброгаев Р.П. Под ред. проф. Ю.А. Степанова -М.: Машиностроение, 1964. -552с.

19. Волчек Л .Я. Методы измерений в двигателях внутреннего сгорания. -М.: Машгиз, 1955.

20. Вульфсон И.И. Колебания машин с механизмами циклового действия. -Л.: «Машиностроение», 1990. -310с.

21. Гернет М.М. Определение моментов инерции / Гернет М.М., Ратобыль-ский В.Ф. -М.: «Машиностроение», 1969. -249с.

22. Гладких П.А. Борьба с шумом и вибрацией в машиностроении. -М.:, «Машиностроение», 1966. -100с.

23. Горшков Ю.В. Методика и некоторые результаты исследований низкочастотного акустического излучения поршневых двигателей внутреннего сгорания на режиме установившихся вынужденных колебаний // Дисс. . канд. техн. наук. Москва. 1973. -137с.

24. Григорьев Е.А. Периодические и случайные возмущающие силы и колебания автомобильных и тракторных двигателей // Дисс. . докт. техн. наук. Волгоград, 1974. -403с.

25. Григорьев Е.А. Периодические и случайные возмущающие силы и колебания автомобильных и тракторных двигателей // Автореферат дисс. . докт. техн. наук. Москва, 1975. -50с.

26. Григорьев Е.А. Периодические и случайные силы, действующие в поршневом двигателе. -М.: «Машиностроение», 2002. -269с.

27. Григорьев Е.А. Статистическая динамика поршневых двигателей. -М.: «Машиностроение», 1978. -104с.

28. Гугин A.M. Быстроходные поршневые двигатели. Справочник. -JL: «Машиностроение», 1967.

29. Гусаров В.В. Анализ возмущающего действия неравномерного крутящего момента двигателя // Журнал Грузовик, 2002, №6, С. 27-30.

30. Ашишин A.A. Новый способ оценки внутренних возмущений поршневых автомобильных ДВС / Гусаров В.В. Ашишин A.A. // Журнал Машиностроение и инженерное образование, №1, 2009г., С. 15-21

31. Гусаров В.В. Уравновешивание рядных четырёхцилиндровых поршневых двигателей // Журнал Грузовик, №7, 2004г., С. 28-30.

32. Гусаров В.В. Уравновешивание поршневых двигателей. Учебное пособие. -М.: РИЦ ГОУ МГИУ, 2010. -134с.

33. Ашишин A.A. Анализ виброактивности от действия крутящего момента автомобильных ДВС / Гусаров В.В., Ашишин A.A. // Доклад на конференции Мосгортранс, 2006.

34. Ашишин A.A. Анализ уравновешенности 6-ти цилиндровых V-образных поршневых ДВС с углом развала цилиндров 90 градусов / Гусаров В.В., Ашишин A.A. // Доклад на конференции ЮНЕСКО, 2006.

35. Ашишин A.A. Анализ уравновешенности 6-ти цилиндровых V-образных поршневых ДВС с углом развала цилиндров 90 градусов / Гусаров В.В., Ашишин A.A. // Сборник научных докладов У1 научно-практической конференции. 2006. С. 38-43.

36. Ашишин A.A. Новый способ анализа и расчёта уравновешивания поршневого двигателя типа R2 / Гусаров В.В., Ашишин A.A. // Журнал Известия МГИУ, 2006.

37. Гусаров В.В. Уравновешивание ДВС конструктивной схемы V-6 без использования балансирных валов / Гусаров В.В., Ашишин A.A. // Доклад на конференции в МГТУ им. Баумана «Двигатель-2007». 2007.

38. Ден-Гартог Дж.П. Механические колебания. -М.: Физматгиз, 1960. -580с.

39. Дизели. Справочник. Изд. 3-е, перераб. и доп. Под общей редакцией Ваншейдта В.А., H.H. Иванченко, JI.K. Коллерова. -Д.: «Машиностроение», 1977. -480с.

40. Дизели. Справочник. Под общей редакцией Ваншейдта В.А., -JI.: «Машиностроение», 1964. -600с.

41. Долгов К.О. Улучшение уравновешенности, массогабаритных показателей и характеристик колебаний поршневого двигателя на основе совершенствования его компоновочной схемы // Дисс. . канд. техн. наук. Волгоград, 2007. -185с.

42. Дурыманов Б.А. Исследование уравновешенности семейства унифицированных многорядных поршневых двигателей транспортного типа // Автореферат дисс. . канд. техн. наук. Москва, 1975. -23с.

43. Дурыманов Б.А. Способы естественного уравновешивания двигателей / Дурыманов Б.А., Больжатова З.А. // Журнал Двигателестроение. 1987. №7. С. 14-16.

44. Дьяченко Н.Х. Быстроходные поршневые двигатели внутреннего сгорания. -Д.: Машгиз, 1962.

45. Дьяченко Н.Х. Конструирование и расчет двигателей внутреннего сгорания. -Д.: Машиностроение, 1979. -392с.

46. Зайдель А.Н. Элементарные оценки ошибок измерений. -М. Наука. 1968.

47. Зельдович Я.Б. Элементы прикладной математики / Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. -М. Наука. 1972.

48. Иванов А.И. Об определении критериев вибрационного состояния двигателей / Иванов А.И., Рогачев В.М., Скуридин A.A. // Журнал Двигателе-строение. 1989. №4. С. 30, 31.

49. Иориш Ю.И. Виброметрия. -М.: Машгиз, 1963.

50. Истомин П.А. Динамика двигателей внутреннего сгорания. -Д.: Судостроение, 1964. -288с.

51. Истомин П.А. Динамика судовых двигателей внутреннего сгорания. -Д.: Судостроение, 1966. -280с.

52. Истомин П.А. Кинематика и динамика поршневых двигателей внутреннего сгорания. -Д.: Судпромгиз, 1961. -304с.

53. Истомин П.А. Крутильные колебания в судовых ДВС. -Д.: Судостроение, 1968. -304с.

54. Истомин П.А. Динамические модели кривошипно-шатунных механизмов и их деталей / Истомин П.А., Минасян М.А. // Журнал Двигателестрое-ние, 1984. №9. С. 20-24.

55. Карпов Р.Г. Электроника в испытании тепловых двигателей. -М.: Машгиз. 1963.

56. Колесник Н.В. Устранение вибрации машин. -М.: Машгиз, 1960. -199с.

57. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей. Учебное пособие для вузов / Колчин А.И., Демидов В.П. -М.: Высшая школа, 2003. -496с.

58. Корчемный Л.В. Расчет колебаний силового агрегата автомобиля. Руководящие технические материалы РТМ 37.001.051-78 / Корчемный Л.В., Минкин Л.М., Тольский В.Е. -М.: Типография НАМИ, 1979. -80с.

59. Кошкин В.Е. Методы измерения и экспериментального исследования шума и вибрации автомобильных двигателей. -М.: НАМИ. 1961.

60. Крюков В.В. Способы уравновешивания поршневых двигателей // Дви-гателестроение, 1983. №3. С. 45-47.

61. Кригер A.M. Шасси автомобиля ЗИЛ-130. -М.: «Машиностроение», 1973. -400с.

62. Ленин И.М. Теория автомобильных и тракторных двигателей. -М.: «Машиностроение», 1969.

63. Ливенцев Ф.Л. Двигатели со сложными кинематическими схемами: Кинематика, динамика и уравновешивание. -Л.: «Машиностроение», 1973. -174с.

64. Луканин В.Н. Шум автотракторных двигателей внутреннего сгорания. -М.: «Машиностроение», 1971. -271с.

65. Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания в 3 томах, т.2, Динамика и конструирование. Учебник для вузов / Луканин В.Н., Алексеев, М.Г., Шатров М.Г. -М.: Высшая школа, 2005. -400с.

66. Лэмб Г. Динамическая теория звука. -М.: Издательство физико-математической литературы, 1960.-372с.

67. Магнус. К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем. -М.: Мир, 1982. -304с.

68. Масленников М.М. Авиационные поршневые двигатели / Масленников М.М., Рапипорт М.С. -М.: Оборонгиз, 1951. -848с.

69. Найденко O.K. Динамика корабельных энергетических установок с двигателями внутреннего сгорания. -Л.: BMA, 1974. -538с.

70. Нейман И.Ш. Динамика авиационных двигателей. -М.: Оборонгиз, 1940. -468с.

71. Нейман И.Ш. Динамка и расчет на прочность авиационных моторов. Справочник 1 часть Кинематика и динамика авиационных моторов. -М.: Госавиаавтоиздат, 1933. -222с.

72. Орлин A.C. Двигатели внутреннего сгорания. Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Орлин A.C., Круглов М.Г. -М.: «Машиностроение», 1984. -383с.

73. Орлин A.C. Двигатели внутреннего сгорания. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / Орлин A.C., Круглов М.Г. -М.: «Машиностроение», 1990. -283с.

74. ОСТ 24.060.12-72. Нормы и методы контроля шуми дизелей и газовых двигателей.

75. Павлов М.Е. Разработка метода анализа вибрационного состояния дизельных двигателей // Автореферат дисс. . канд. техн. наук. Москва, 2006. -18с.

76. Павлов М.Е. Разработка метода анализа вибрационного состояния дизельных двигателей // Дисс. . канд. техн. наук. Ярославль, 2006. -127с.

77. Попов А.Н. Статистическое исследование влияния реактивного момента на колебания тракторного двигателя // Дисс. . канд. техн. наук. Волгоград, 1971. -144с.

78. Попык К.Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей. -М.: «Машиностроение», 1965. -259с.

79. Попык К.Г. Динамика автомобильных и тракторных двигателей. -М.: «Высшая школа», 1970. -325с.

80. Попык К.Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей. -М.: «Высшая школа», 1973. -399с.

81. Пустыльник Е.И. Статистические методы анализа и обработки результатов. -М.: Наука. 1968.

82. Райков И.Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. -М.: «Высшая школа», 1975. -320с.

83. Райков И.Я. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания / Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. -М.: «Высшая школа», 1970.

84. Райков И.Я. Конструкция автомобильных и тракторных двигателей / Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. -М.: «Высшая школа», 1986. -352с.

85. Сегаль В.Ф. Динамические расчеты двигателей внутреннего сгорания. -Д., «Машиностроение», 1974. -247с

86. Семенов М.В. Уравновешивание механизмов авиационных моторов. -Л.: ЛКВВИА, 1947. -122с.

87. Скобцов Е.А. Методы снижения вибрации и шума дизелей / Скобцов Е.А., Изотов А.Д., Тузов Л.В. -Л.: Машгиз, 1962. -192с.

88. Сорокин-Новицкий В.И. Испытания автотракторных двигателей. -М.: Машгиз, 1955.

89. Стефановский Б.С. Испытания двигателей внутреннего сгорания. -М.: «Машиностроение», 1972. -367с.

90. Суконкин В.Н. Разработка методов оценки и снижения низкочастотной вибрации силовой установки многоприводного автомобиля // Дисс. . канд. техн. наук. Минск. 1988. -258с.

91. Тер-Мкртичьян Г.Г. Вопросы теории двигателей с управляемым движением поршней с плоскими преобразующими механизмами / Тер-Мкртичьян Г.Г., Кутенев В.Ф., Яманин А.И. -М.: НАМИ, 2004. -239с.

92. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле / Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. -М.: «Машиностроение», 1985. -473с.

93. Тольский В.Е. Виброакустика автомобиля. -М.: «Машиностроение», 1988. -104с.

94. Тольский В.Е. Колебания силового агрегата автомобиля. -М.: «Машиностроение», 1976. -266с.

95. Тузов Л.В. Динамическая модель кривошипно-шатунного механизма с учетом зазоров / Тузов Л.В., Скориков Ю.Т. // Журнал Двигателестроение, 1987. №3. С. 14-15.

96. Кер Вильсон У. Вибрационная техника: практическое руководство по уравновешиванию двигателей, механическим колебаниям и виброизоляции. -М.: Машгиз, 1963. -416с.

97. Фаворин М.В. Моменты инерции тел. Справочник. -М.: «Машиностроение», 1977. -511с.

98. Холмаков И.И. Динамика авиационных двигателей. -Л.: Оборонгиз, 1938.-148с.

99. Хронин Д.В. Колебания в двигателях летательных аппаратов. -М.: «Машиностроение», 1980. -296с.

100. Чернышов Г.Д. Двигатели ЯМЭ-236, ЯМЭ-238 / Чернышов Г.Д., Ершов Д.И., Крашенинников Д.Н. и др. -М.: «Машиностроение», 1968. -230с.

101. Чистяков В.К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания. -М.: «Машиностроение», 1989. -255с.

102. Шаанов А.И. Создание и исследование дизеля с воздушным охлаждением для трактора и самоходного шасси класса 0,6 ТС // Автореферат дисс. . канд. техн. наук. Москва, 1974. -26с.

103. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений. Изд-во технико-технической литературы, 1953.

104. Яковлев Л.Г. Приборы контроля работы силовых установок. -М.: «Машиностроение», 1969.

105. Яманин А.И. Параметрический синтез поршневых двигателей с нетрадиционными конструктивными схемами // Дисс. . докт. техн. наук. Ярославль, 1994. -484с.

106. Яманин А.И. Динамика поршневых двигателей. Учебное пособие для вузов / Яманин А.И., Жаров A.B. -М.: «Машиностроение», 2003. -464с.

107. Ховах М.С. Автомобильные двигатели / Ховах М.С., Маслов Г.С. Изд. 2-е пер. и доп. М.: «Машиностроение», 1971. -456с.

108. Попык К.Г. Автомобильные и тракторные двигатели. Часть II. Конструкция и расчет двигателей: учебник для вузов / Попык К.Г., Сидорин К.И., Костров A.B. Под ред. И.М. Ленина. Изд. 2-е, доп. и перераб. -М.: «Высшая школа», 1976. -280с.

109. О внедрении результатов научно-исследовательской работы

110. Главный конструктор по двигателям-начальник отдела УКЭР1. Ашишин1. УТВЕРЖДАЮ»

111. Заведующая кафедрой автомобилей и двигателей д.т.н., проф.1. Н.С. Вольская

112. Аспирант кафедры автомобилей и двигателей