Меры по снижению колебаний коленчатого вала

Без демпфирования колебания коленчатого вала становились бы все больше, пока вал не разрушится. Однако на практике демпфирование всегда присутствует: это может быть демпфирование материала, трение или демпфирование за счет смазочной пленки. Тем не менее, в современных высоконагруженных кривошипно-шатунных механизмах этого обычно недостаточно, поэтому необходимо принимать дополнительные меры.

Чтобы избежать опасных состояний крутильных колебаний, можно:
- Влиять на работу возбудителя, изменяя порядок работы цилиндров.
- Смещать частоту собственных колебаний, изменяя массу и жесткость пружин.

Однако возможность и эффективность таких мер ограничены. Кажущейся простой мерой является увеличение момента инерции маховика. Это снижает собственную частоту, но одновременно смещает узлы колебаний в сторону маховика и увеличивает нагрузку на вал.

По этим причинам единственной возможностью остается снижение крутильных колебаний до безопасного уровня. Для этого существует два основных варианта:

- Демпфирование: Преобразование энергии колебаний в тепло. В случае стационарных вынужденных колебаний и скорости, пропорциональной демпфированию, устанавливается равновесие между моментами инерции масс, демпфированием, возвратной силой и возбуждением. Чем больше момент демпфирования, тем меньше амплитуда колебаний.

- Абсорбция: "Гашение" резонансов путем расстройки системы, то есть смещения собственных частот в другие диапазоны скоростей за счет противодействия массой. Путем добавления дополнительной массы (абсорбера) системе придается еще одна степень свободы. Исходная собственная частота разделяется на две частоты, которые находятся чуть выше и ниже исходной. Если система возбуждается на исходной собственной частоте, она остается невозбужденной, в то время как абсорбер колеблется. Такие абсорберы эффективны только для одной частоты. Маятник, настроенный на определенную частоту колебаний и соединенный с колебательной системой, входит в противофазу при возникновении этих колебаний и, таким образом, противодействует возбуждающему моменту. Резонансная скорость разделяется и смещается вверх или вниз. Центробежные абсорберы зависят от скорости.

Эффект вибрационных демпферов в двигателях легковых автомобилей основан как на демпфировании, так и на абсорбции. С учетом жесткости пружин, демпфирующего поведения и инерции массы они разработаны для постоянного снижения отклонений крутильных колебаний системы.

В двигателях легковых автомобилей используются резиновые вибрационные демпферы: кольцевая демпфирующая масса (вторичная часть) соединена с первичной L-образной ведущей диском через эластичную связь, выполненную из вулканизированного резинового слоя. Энергия колебаний преобразуется в тепло за счет демпфирования материала (гистерезиса) резины. Пик резонанса разделяется на два резонанса, амплитуды которых снижаются за счет демпфирования.

В зависимости от конструкции демпфирующая масса крепится радиально и/или осево к первичной части. Также используются двухступенчатые демпферы, в которых две демпфирующие массы настроены на две разные частоты (Рис. 6-63). Примером такого демпфера является двухмассовый резиновый вибрационный демпфер для пятицилиндрового дизельного двигателя (2,5 л), в котором обе массы гармонизированы для работы с крутильными колебаниями.

Рис. 6-63. Двухмассовый резиновый вибрационный демпфер (производства Palsis) с вулканизированными резиновыми полосами, клиновым ремнем на первичной стороне, первичной стороной с фланцем уплотнения вала из St24W, вторичной стороной из GGG 40, моментом инерции первичной стороны Θ = 0,008 кг·м², вторичной стороны 0,012 кг·м²/220 Гц и 0,006 кг·м²/360 Гц, резина AEM (Vamac) (источник: Palsis)

Снижение амплитуды крутильных колебаний (Рис. 6-64) не только механически разгружает коленчатый и распределительный валы, но и уменьшает шум двигателя, вызванный зазорами, и вибрацию навесного оборудования.

Рис. 6-64. Эффект вибрационного демпфера

Двигатели легковых автомобилей все чаще требуют использования вибрационных демпферов из-за увеличенных размеров двигателей (рабочего объема) и более высокой удельной работы (среднего эффективного давления), что приводит к более сильному возбуждению. Они также используются для снижения собственных частот из-за увеличения масс кривошипно-шатунного механизма. (Собственные частоты кривошипно-шатунных механизмов легковых автомобилей находятся в диапазоне от 300 до 700 Гц.)

В последнее время также начали использоваться вязкостные демпферы, подобные тем, что применяются в более крупных двигателях (Рис. 6-65).

Рис. 6-65. Вязкостный вибрационный демпфер с развязанным шкивом ремня (крутильно-эластичная резиновая муфта) для рядных шестицилиндровых дизельных двигателей (Palsis).