страница - 10
тики двигателя, а предназначение двигателя определяет моменты задания открытия или аакрытиякпапанов. Например, ниэкооборотные двухцилиндровые длинноходные двигатели, используемые в "кастомах" и "круиэерах", должны обладать большим запасом "тяги на низах в виде крутящего момента. Их фазы газораспределения будут сильно отличаться от фаз высокооборотных многоцилиндровых короткоходных двигателей, применяемых на спортивных мотоциклах, мощность которых должна быть высокой при больших частотах врашения(см.рис. 1.15б-в].Этосвяэаностем, чтоо>аэы газораспределения влияют на то, при каких частотах вращения достигаются максимальные крутящий момент и мощность. По мере роста частоты вращения на процессы, происходящие в двигателе, отвод итсн меньше времени, поэтому высокооборотным двигателям требуются большие по сравнению с низкооборотными перекрытие, опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов, чтобы
впустить большее количество смеси за меньший период времени. Однако при большом перекрытии клапанов получаются невысокие характеристики при низких частотах врашения, поскольку у поступающей свежей смеси есть время, чтобы покинуть цилиндр по кратчайшему расстоянию прямо через выпускной канал. В низкооборотном двигателе на происходящие в двигателе процессы отводится большее количество времени, а необходимая величина перекрытия углов опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов - меньше, благодаря этому достигается эффективное наполнение и продувка при низких частотах врашения двигателя. Однакоэто означает, что времени для подачи достаточного количества смеси недостаточно для получения удовлетворительных характеристик при высоких частотах вращения. Существует "золотая середина* между крайностями: спортивным мотоциклом и "кастомом" или "круизером", и можно получить хорошее распределение
мощности во всем диапазоне частот вращения, хотя в этом случае ни "тяга на низах", ни высокая максимальная мощность не будет характерна.
В действительности это означает, что каждый двигатель с постоянными фазами газораспределения - своего рода компромисс. Каждая частичка дополнительной мощности, полученной при высоких частотах вращения за счет более широких фаз газораспределения, приводит к потере крутящего момента и мощности при низких частотах вращения, и наоборот. Что подводит к следующему решению вопроса: почему бы не сделать о>азы газораспределения изменяемыми для получения хороших реэультатоввовсемдиапазоне частот врашения?
Изменяемые фазы газораспределения
Термин "изменяемые фазы газораспределения" означает, что для любой заданной частоты вращения двигателя можно оптимизировать величины перекрытия, опережения открытия, запаздывания закрытия и продолжительности открытия клапанов. В начале 80-х годов XX века компания Honda разработала систему для 16-кпапаннОго двигателя, в которой было применено дуплексное коромысло для использования при низких частотах вращения только двух из четырех клапанов в каждом цилиндре. При заданной частоте вращения оно блокировалось с дополнительным коромыслом для использования всех четырех клапанов. Система получипа дальнейшее развитие за счет применения трех кулачков распредвала на одно дуплексное коромысло; центральный кулачок такого распредвала обладал большими подъемом и продолжительностью открытия клапана, чем два внешних. Это позволяло использовать при низких частотах вращения двигателя все четыре клапана за счет меньшего подъема и продолжительности открытия, затем при заданной частоте вращения для привада коромысел использовался третий кулачок, а величина подъема и продолжительность открытия возрастала. Самая последняя разработка компании Honda система - Hyper V-TEC, представленная на предназначенной для японского рынка модели СВ400 Super Four в 1999 году и использованная на модели VFRB00 2002 года (см. рис, 1.15г). Она возвращается к схеме, когда при низких частотах вращения работают два клапана.апривысоких-четыре.но отказывается от сложной конструкции с коромыслами, которые добавляют возвратно-поступательно движущихся масс.
В цилиндре привод пары клапанов [впускной и выпускной] осуществляется традиционными "чашеобразными" толкателями, которые работают постоянно. Привод другой перы клапанов осуществляется "чашеобразными" толкателями, которые также работают все время, но в каждом толкателе присутствует палеи с отверстием, установленный между толкателем и стержнем клапана. При низких скоростях
Клапан открыт (при частоте врашения выше 7000об/мин)
Рис. 1.15г Принцип действия изменяемой системы привода клапанов Hyper-VTEC компании Honda
вращения отверстие располагается напротив стержня клапана, тогда контакт с толкателем отсутствует, и клапан остается закрытым. При заданной скорости открывается масляная магистраль, и под давлением масла палеи располагается так, что отверстие уже не совпадает со стержнем клапанэ.Вэтомспучае толкатель через палеи и открывает клапан. Компания Suzuki для моделей GSF 400 Bandit и RF40D, предназначенных для японского рынка, разработала свою систему изменяемых фаз газораспределения. В этой системе используется электрический привод в виде сервомотора, установленного на клапанной крышке двигателя. При заданной частоте вращения двигателя сервомотор приводит в действие дополните льные клапана при помощи реечно-шестеренчатого механизма.
16 Конструкция двигателя
вибрация и значение уравновешенности
За исключением роторного, у всех мотоциклетных двигателей есть ряд врашающихся детапейиряддеталей.которые перемещаются вверх-вниз или движутся возвратно-поступательно.
Вибрация
Причиной вибрации двигателя является движение коленчатого вала, шатунов и поршней. Если начать рассмотрение с маховиков в отдепьности.они могут вращаться совершенно легко на своих подшипниках и не вызывать никаких вибраций. Как только к маховику добавляется определенное количество вре-шающихся узлов, а именно: палеи кривошипа, подшипник нижней головки шатуна и нижняя часть шатуна.появляется проблема вибрации, вызванная рэзбалзнсировкой вращающихся или центробежных сил.
Но когда доходит до деталей двигающихся возвратно-поступательно, как-то: верхняя половина шатуна и поршень, задача становится менее однозначной. Объяснение не менее сложно. Как только поршень достигает вершины своего хода (BMTJ, он должен резко замедлиться, потом остановиться, и затем быстро ускориться в обратном направлении. Он достигает максимальной скорости приблизительно в середине хода вниз, затем он должен замедлиться, остановиться в HMT, и затем снова ускориться, и так далее. Каждый раз, когда поршень оказывается • в ВМТ или НМТ, резкое замедление вызывает импульс вибрации по всему двигателю. Силы, которые вызывают вибрацию, называют возвратно-поступательными или инерционными, они максимальны в ВМТ и НМТ и равны нулю в середине хода поршня, когда скорость его движения максимальна.
Уравновешивание
Устранить вредное влияние вращающих или центробежных сил достаточно просто: надо
удалить часть материала с маховика рядом с папьием кривошипа или прибавить такое же количество материала напротив него, и конструкция снова сбалансирована Для компенсации возвратно-поступательных сил или сил инерции можно продолжать увеличивать массу маховиков с противоположной пальцу кривошипа стороны так, чтобы был сбалансирован общий вес узлов, перемещающихся возвратно-поступательно. Это называется показателем 100%-ной уравновешенности. Создав неуравновешенные силы второго порядка, мы полностью исключаем неуравновешенность в ВМТ и НМТ хода поршня, и. таким образом, решаем задачу вибрации - или все-таки нет? К сожалению, нет. Проблема заключается в том, что эта схема не работает между ВМТ и НМТ, потому что добавленная (уравновешивающая) масса на маховиках создает постоянную крутящую силу, в то время как возвратно-поступательно движущаяся сипа изменяется от максимума до нуля и наоборот. В результате появляется горизонтальная вибрация.
Сложность состоитвтом, что поршеньишатун не находится в одном и том же положении относительно маховиков, и неуравновешенные силы постоянно изменяются по мере поворота коленчатого вала. Даже несмотря на постоянство суммарной массы составляющих коленчатого вала, часть этой массы постоянно изменяет свое положение, и, соответственно, появпяютсяизменяющиеснкрутяшиесилы.Не существует абсолютного решения этой задачи: единственный путь, открытый перед конструктором двигателей - компромисс. Необходимо добиться снижения показателя уравновешенности возврэтнс-поступатепьно движущихся масс (8ПДМ) так, чтобы неуравновешенность крутящих сил тоже снизилась, но с приемлемой степенью неуравновешенности ВПДМ, Окончательный показатель уравнове-
шенности устанавливается на основе максимальной расчетной частоты вращения проектируемого двигателя, типа рамы и множества других соображений, он меняется от одного двигателя к другому, но обычно составляет около 60-70 %. Силы, которые мы до сих пор рассматривали, называются неуравновешенными силами первого порядка. Есть еше силы второго порядка, с которыми также приходится иметь дело. На этом этапа все становится еше сложнее. Пока мы предполагали, что величина воэратно-поступатепьно движущейся силы одинакова - в ВМТ и в НМТ. Ксожалению, дела обстоят иначе, и связано это с угловым положением шатуна. Фактически максимальная скорость поршня достигается немного ближе к ВМТ, а не в середине хода поршня. Это означает, что при заданной частоте вращения двигателя меньше времени отводится на то, чтобы поршень замедлился от максимальной значения скорости, остановился, поменял направление и затем ускорился до макси-мальногой значения за ВМТ, а затем все повторилось у НМТ. Поскольку возвратно-поступательно движущая сипа [или инерция) связана как с массой, так и с ускорением и замедлением, то сипа, действующая в ВМТ, больше, чем в НМТ.
Задача уравновешивания двигателя становится очень сложной с математической точки зрения и не рассматривается в этой книге. Достаточно сказать, что существующие методы представляют собой компромисс по сравнению с идеальной ситуацией, Исходя из того, что основы уравновешивания осмыслены, становится понятно, почему проектировщики двигэтелейиспробовалимножестворазличных схем двигателя и коленчатого вала [взаимное расположение одного поршня относительно другого в многоцилиндровых двигателях); для того, чтобы исследовать и устранить или. по крайней мере, минимизировать присущие им проблемы.
Если мы рассмотрим несколько двигателей,то станет ясно, что задача усложняется с увеличением размеров двигателя. На мо-педном двигателе неуравновешенные силы могутбыть достаточно велики, но так какмасса
поршня и шатуна мала, вибраиия ощущается только в виде слабой дрожи на руле-проблемз, столь серьезно обозначенная в теории, на практике оказывается незначительной. Однако на больших машинах вибраиия становится на-
Рис. 1.166 Типичнаяурввновещиваюшая система двухцилиндрового двигателя
Зубчатая передача с передаточным отношением 1:1
Демпфер крутильных колебаний ■ /— для сглаживания
передаваемого момента
Рис. 1.16в Принцип действия уравновешивающего механизма
А Поршень неходится в верхней мертвой точке (ВМТ), а вес противовесов коленвапа в совокупности с весом уравновешиваюшего вала компенсирует действие масс поршня и чести шатуна.
Б При движении поршня вниз (к средней точке своего хода) масса противовесов создает лишнюю неуравновешенную силу, направленную вправо от оси цилиндра. Массы уравновешиваюшего вала врашаюшегося в противоположном направлении, устраняют эту силу соответствуюшей силой, действующей в противоположном направлении.
В В нижней мертвой точке (НМТ) ударное воздействие масс движущегося вниз поршня компенсируется суммарными (направленными вверх) силами от масс противовесов коленчатого и уравновешивеющего валов,
Г Поршень снова приходит в среднюю точку его хода, и создаваемые массами коленчатого вала неуравновешенные силы уравновешиваются сипами, создаваемыми массами уравновешиваюшего вала.
стопькоощутимой.чтовопределенный момент она начинает ограничивать максимальную размерность двигателя, хотя и существует множество других соображений, отчасти объясняющих отсутствие одноцилиндровых двигателей объемом 10ОО куб.см. Проблема вибрации, связанная с возможными структурными схемами двигателя внутреннего сгорания, эаэфективно ограничивает объем одноцилиндровых двигателей - 650 кубхм. Это также объясняет, почему одноцилиндровые двигатели большого объема обычно выполняются низкооборотными: за счет снижения частоты вращения двигателя износ и вибрация сводятся к минимуму. Большая мощность оз-начаетбопьший объем иболее высокие частоты вращения двигателя, так что возникает потребность в увеличении количества цилиндров.
Снижение влияния вибрации
Существуетнескопько путей снижения влияния вибрации, избавляющих ст необходимости выбора трудного пути устранения самой причины. Очень важна конструкция рамы и навесных элементов, потому что они могут снижать или увеличивать вибрацию. Хорошим примером может послужить и руль, устанавливаемый на некоторых машинах. При эксплуатации вибрация рукояток руля дости-гаетуровня.при котором происходит онемение пальцев. Решить эту проблему достаточно просто: необходимо утяжелить руль в области рукояток. Это приводит к изменению резонансной частоты руля и, следовательно, снижает вибрацию. Подобные методыприменяются для устранения вибрации зеркал заднего вида и даже для предотвращения периодического растрескивания кронштейнов крепления. Суть другого метода заключается в том, чтобы изолировать двигатель от рамы, применив для его крепления резиновые опоры, способствующие поглощению большей части вибрации [см. рис. 1.16з]. Существуют сопутствующие проблемы, связанные с необходимостью надежного закрепления двигателя для обеспечения его центровки с главной передачей, и обычно это приводит к затруднениям на всех двигателях (за исключением самых маленьких].
Использование различных методов снижения влияния вибрации уместно на машинах с низким уровнем вибрации или там, где нежелательно увеличение веса, но. как будет отмечено в последующих главах, существуют такие схемы двигателей, у которых уровень вибрации гораздо выше, чем у других, В тех случаях, когда комфортабельность иудобство значат больше, чем вес и мощность, необходимо продолжать заниматься причиной, а не ее последствиями.
Поскольку невозможно устранить силы, служащие источником затруднений, необходимо создать равные им, но противоположно направленные си лы дляустранения влиннияуже существующих. Суть общепринятой методики заключается в использовании одного или нескольких уравновешивающих валов с приводом откопенчатоговала.которые вращаются
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74]