Сообщений в теме: 6

[BМГ]

Журнал "КиЯ", №120. 

 

Однажды нам повстречался двухкаютный быстроходный катер. Шел дождь, дул пронизывающий осенний ветер, но весь экипаж катера живописно расположился на крыше каюты. Отнюдь не желание полюбоваться красивыми берегами обусловило такой странный выбор места расположения пассажиров — каждый, кто плавал этим каналом, запомнил на редкость унылые и однообразные берега. Пассажиров выгнали на улицу сильная вибрация и «грохот» в помещениях катера. 

Главная причина вибрации двигателя — неуравновешенность движущихся возвратно-поступательно масс двигателя — поршней, поршневых пальцев и отчасти шатуна, а также непостоянство крутящего момента за счет изменения сил давления газов на поршень. 

Так как в четырехтактных двигателях рабочий ход происходит один раз в два оборота, то за счет неравномерности крутящего момента колебания одноцилиндрового четырехтактного двигателя будут в 2 раза реже, чем его частота вращения. За счет неуравновешенности отдельных деталей на двигатель будут действовать силы инерции, которые принято представлять в виде тригонометрической суммы периодических функций — гармоник. 
 

 

Частота сил инерции первого порядка равна частоте вращения и в 2 раза ниже, чем частота сил второго порядка. Силы инерции второго порядка возникают из-за наличия шатуна, в результате чего поршень движется не строго по синусоидальному закону. Эти силы составляют около 25% от сил первого порядка. 

Для многоцилиндровых двигателей силы инерции могут частично уравновешиваться. Например, на четырехцилиндровом двигателе за счет неравномерности крутящего момента и сил инерции частота колебаний оказывается уже в 2 раза больше, чем частота вращения. Для шестицилиндровых двигателей учитывается только неравномерность крутящего момента, частота колебаний оказывается в 3 раза выше частоты вращения. Таким образом, если четырехцилиндровый четырехтактный двигатель работает с частотой оборотов 3000 об/мин (50 об/с), то основная вибрация от него будет проявляться на частоте 100 колебаний в секунду, т. е. 100 Гц. 

Эффективным средством для уменьшения амплитуды вибрации служат амортизаторы, которые, как правило, изготовляются из резины¹. 
 

 

Принцип работы амортизатора можно пояснить на следующем эксперименте. Если двигатель поставить на пружину, то она сожмется. Если при этом приложить к двигателю дополнительную силу, направленную вверх или вниз, а затем ее резко убрать, то двигатель начнет колебаться вверх-вниз. Частота этих колебаний называется частотой собственных колебаний и играет очень важную роль при расчете системы амортизации. 

Если увеличить длину пружины — сделать ее более мягкой, то частота уменьшится; если увеличить толщину — повысить жесткость пружины, частота увеличится. Жесткость пружины характеризуется статическим прогибом, т. е. изменением длины пружины под весом двигателя. 

Теория колебаний дает простую связь частоты собственных колебаний со статическим прогибом. Если прогиб ? выразить в сантиметрах, то частоту в герцах можно определить по формуле 

 

 

Таким образом, если наш двигатель весом 250 кг сжал пружину на 25 см, то частота его колебаний составит 1 Гц. 

[BМГ]

Будем медленно и плавно нагружать двигатель дополнительной силой +N до тех пор, пока ее значение не достигнет 50 кгс, затем медленно уменьшать до 0, а далее растягивать пружину до момента, пока растягивающая сила — N не составит 50 кгс и т. д. Пружина будет медленно сжиматься и растягиваться. Величину ее максимального сжатия и растяжения несложно определить из следующей пропорции: если за счет силы веса двигателя пружина сжалась на 25 см, то при дополнительных 50 кгс она сожмется еще на 5 см. 

Если прикладывать такую же знакопеременную силу, но в такт колебаниям двигателя, т. е. с частотой его собственных колебаний (в нашем случае она равна 1 Гц), то за 10—15 колебаний мы можем «раскачать» двигатель так, что его перемещение при колебаниях вниз-вверх достигнет ±50—70 см, т. е. будет больше в 10—14 раз, чем в предыдущем случае. Для того чтобы растянуть или сжать нашу пружину на 50—70 см, надо приложить силу 500—700 кгс — именно таково действие максимума силы плюс вес двигателя на основание, к которому мы ее закрепили. 

Случай, когда частота возмущающей силы совпадает с частотой собственных колебаний, называется резонансом: при этом нагрузка на основание от знакопеременной силы ±N=50 кгс достигает 500—700 кгс. С точки зрения амортизации, это самый неудачный режим. 

Теперь попробуем прикладывать такую же знакопеременную силу ±N=50 кгс, но с большой частотой, например 5 Гц. Это значит, что в течение 0,1 с нагрузка будет действовать в одну сторону; двигатель едва успеет переместиться на 2 мм, как сила поменяет знак. Однако, чтобы сжать пружину на 2 мм, необходимо приложить силу 2 кгс. 

Итак, мы видим, что только в последнем случае пружина играет роль амортизатора, т. е. значительно уменьшает нагрузки, передаваемые на основание. Если частота возмущающей силы превышает частоту собственных колебаний в 2, 4, 10 раз, то нагрузки, передаваемые на основание, т. е. на корпус катера, уменьшаются, соответственно, в 3, 15, 100 раз. 

Для реального двигателя жесткость амортизаторов выбирают таким образом, чтобы частота собственных колебаний была ниже частоты возмущающей силы. Обычно при этом рассматривают режим холостого хода. Для четырехцилиндрового четырехтактного двигателя при 600 об/мин (10 об/с) частота возмущающей силы составит 20 Гц. Обычно стараются так подобрать амортизаторы, чтобы частота собственных колебаний двигателя была ниже не менее, чем в 2 раза, т. е. 10 Гц. Статический прогиб при этом составляет 2,5 мм. За счет амортизаторов вибрация на холостых оборотах двигателя уменьшается в 3 раза, на рабочих (1500—3500 об/мин) — в 20—130 раз. 

 

 

Для уменьшения вибрации от неравномерности крутящего момента необходимо, чтобы частота собственных угловых колебаний (рис. 1) не превышала 10 Гц. Эта частота зависит от жесткости амортизаторов, так и от расстояния между ними. Поскольку жесткость амортизаторов выбирается при расчете колебаний в вертикальной плоскости, то при расчете угловых колебаний определяется расстояние между амортизаторами. 

[BМГ]

Чтобы получить необходимую частоту собственных угловых колебаний, расстояние между амортизаторами должно, как правило, составлять менее половины высоты двигателя. Однако обеспечить это на практике, даже установив амортизаторы вплотную к картеру, удается не всегда Поэтому большинство автомобильных двигателей устанавливаются на два передних и один задний амортизаторы. 

Очень важно, чтобы амортизаторы по высоте были установлены в районе центра тяжести (ЦТ) двигателя (рис. 1, а, 6). В этом случае двигатель можно раскачать с частотой собственных колебаний либо только в горизонтальной плоскости, либо только вокруг оси, параллельной оси коленчатого вала и проходящей через центр тяжести двигателя. При этом, если мы увеличим расстояние между амортизаторами, увеличится собственная частота угловых колебаний, а частота колебаний в горизонтальной плоскости не изменится. 

На практике устанавливать амортизаторы на высоте ЦТ неудобно, поэтому нередко их ставят значительно ниже, но это приводит к значительному увеличению вибраций. В этом случае при воздействии на ЦТ знакопеременной силы, лежащей в горизонтальной плоскости (см. рис. 1 в, г), двигатель будет совершать только угловые колебания, причем резонанс наступит на двух частотах, которые связаны между собой (такие колебания называются связанными). При этом частота первого колебания немного ниже, а второго значительно выше, чем при расположении амортизаторов в районе ЦТ. 

Какие бывают конструкции амортизаторов? В настоящее время наибольшее распространение получили резиновые амортизаторы. Одно из основных их преимуществ заключается в том, что при резонансе амплитуда колебаний резиновых амортизаторов увеличивается в 4—10 раз, в то время как стальных — в десятки раз. 

Известно, что при изменении формы резины ее объем практически остается прежним. Резиновый кубик при сжатии приобретает бочкообразную форму, что делает его достаточно податливым; прокладка же из листовой резины, не имея возможности изменить свою форму, оказывается очень жесткой. 

 

 

Наиболее распространенный автомобильный амортизатор показан на рис. 2, а. Такой амортизатор применяется на всех марках отечественных легковых автомобилей (кроме с<Жигулей»). Он изготовлен из резины, имеет трапецеидальную форму и привулканизирован к металлическим пластинам, имеющим элементы крепления. Особенность автомобильного амортизатора заключается в том, что при сжатии деформация оказывается в 6 раз меньше, чем при сдвиге. 

 

Амортизатор от «Жигулей» (рис. 2, б) представляет собой полый резиновый цилиндр, внутри которого установлены пружина и стержень-ограничитель. За счет пружины различие деформаций от сжатия и сдвига несколько уменьшается, кроме того, улучшается амортизация на очень больших оборотах. Стержень ограничивает ход подвески, предохраняя ее от разрушения при значительных толчках движущегося автомобиля. 

[BМГ]

Ограничитель, особенно в сочетании с мягкими амортизаторами, целесообразно применять и на быстроходных глиссирующих катерах. Действительно, при плавании на волнении перегрузки достигают 5 g и более, а это значит, что деформации обычного амортизатора, не имеющего ограничителя, превысят в 5 и более раз величину его статического прогиба. Такие перемещения опасны для прочности амортизатора, осложняют конструкцию валопровода, выхлопной системы и т. д. 

В этом случае рядом с амортизаторами без ограничителей целесообразно ставить (с зазором 2—3 мм) бруски резины, ограничивающие перемещение двигателя, подобные ограничителям хода подвески на автомобилях. Ограничителем может быть второй такой же амортизатор, который вступает в работу при значительных смещениях и разгружает штатные.

 

 

В конструкции амортизаторов, имеющих близкие значения жесткостей в разных направлениях, резина одновременно работает на сжатие и сдвиг (рис. 3). Широко используемые амортизаторы типа АКСС имеют страховку, т. е. при разрушении резины не происходит срыв двигателя с фундамента, что особенно опасно при плавании на волнении. Цифра в обозначении амортизаторов этого типа указывает допустимую нагрузку на один амортизатор. 

Амортизаторы типа АКСС очень жесткие. При прочих равных условиях на амортизаторах АКСС-М частота колебаний в 3—3,5 раза, а на АКСС-И — в 2—2,5 раза выше, чем на автомобильных. Опыт эксплуатации показывает, что допустимую нагрузку на эти амортизаторы можно увеличить в 2—2,5 раза. Однако даже в этом случае частота колебаний будет, соответственно, в 2,5—3 и 1,6—2 раза выше. 

 

Амортизаторы типа АКСС устанавливаются горизонтально на высоте центра тяжести. Они обеспечивают одинаковую частоту колебаний как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Если бы мы таким же образом расположили изображенные на рис. 2 амортизаторы, то частота колебаний в вертикальной плоскости была в 1,6—2,5 раза выше, чем в горизонтальной. Чтобы эти частоты были одинаковыми, автомобильные амортизаторы необходимо расположить под углом ? = 404-45° (рис. 4). В этом случае удается не только уравнять частоты в вертикальной и горизонтальной плоскостях, но и разместить амортизаторы значительно ниже ЦТ без возникновения связанности колебаний. 

[BМГ]

 

При смещении двигателя в поперечном направлении (см. рис. 4) силы, возникающие при сжатии резины, больше, чем при сдвиге, поэтому реакция левого амортизатора направлена вправо и вверх, а правого — вправо и вниз. В результате этого суммарная реакция двух амортизаторов оказывается приложенной к двигателю не в плоскости установки амортизаторов, а выше, на расстоянии h = (0,4?0,35) В. 

Именно по такой схеме выполнены подвески легковых двигателей. Это обеспечивает минимальный уровень вибраций в сочетании с более удобным расположением амортизаторов. 

Для установки по данной схеме более тяжелых четырехцилиндровых дизелей можно использовать два и даже три автомобильных амортизатора, расположенных рядом. 

 

 

[BМГ]

 

Конструкция амортизатора со страховкой, все детали которого, даже резиновые, изготовляются на самом обычном токарном станке, показана на рис. 5. Амортизаторы, установленные как показано на рис. 4, можно успешно использовать на тяжелых четырехцилиндровых дизелях массой 350—500 кг. 

 

Приведенные выше рассуждения справедливы, когда двигатель установлен на абсолютно жестком фундаменте, масса которого в 3—4 раза больше массы двигателя. Если уменьшать жесткость подмоторной рамы, то за счет передаваемых амортизаторами усилий в силовых конструкциях будут возникать все большие деформации. Таким образом, при уменьшении жесткости подмоторной рамы масса фундамента как бы уменьшается, что приводит к увеличению частоты собственных колебаний и, следовательно, к увеличению вибрации. Улучшить виброизоляцию можно не только за счет жесткости подмоторного фундамента, но и при использовании материалов, обладающих большим внутренним трением, например дерева или стеклопластика.

 

 

[BМГ]

Достаточно жесткая рама, имеющая двутавровую форму, показана на рис. 6. Нижние полки рамы не перерезаны шпангоутами и соединены с днищем. Чтобы двигатель был расположен как можно ниже, шпангоуты под двигателем имеют небольшую высоту (следовательно, небольшую жесткость), поэтому рама с обеих сторон должна опираться на жесткие переборки или на транец. Переборка должна быть достаточно жесткой. Если толщина фанеры менее 10—12 мм, то от мест крепления подмоторной рамы переборка должна усиливаться ребрами жесткости, доходящими до борта или палубы. 

 

 

Амортизаторы крепятся не непосредственно к раме, а к двум сварным жестким поперечинам. Однако даже в этом случае при установке тяжелого двигателя на легкий корпус (вес двигателя имеет тот же порядок, что и вес корпуса) частота собственных колебаний будет выше на 20—30%, а при установке двигателя в корме — на 50% и более. Установка же двигателя на подмоторную раму, сделанную в виде толстой доски, которая положена плашмя на шпангоуты, может повысить частоту собственных колебаний в 2 раза и более. 

 

Следует также отметить, что одни и те же реакции у тяжелого корпуса вызывают слабую вибрацию, а у легкого — более сильную. Поэтому, чем меньше будет вес корпуса, тем более мягкие амортизаторы (позволяющие иметь более низкую частоту собственных колебаний) целесообразно применять.

 

На двухцилиндровых двигателях (тем более одноцилиндровых) необходимо применять очень мягкие амортизаторы. Например, для одноцилиндрового четырехтактного двигателя при частоте холостых оборотов 800 об/мин частота собственных колебаний двигателя на амортизаторах должна составлять 3 Гц, а величина статического прогиба — 2,6 см! Такие мягкие амортизаторы могут быть сделаны на базе резиновых элементов, работающих на изгиб, микропористой резины, стальных плоских или витых пружин в сочетании с резиновыми элементами. Естественно, что на таких амортизаторах необходимо применять ограничители. 

При установке двигателя на амортизаторах наиболее распространенная схема валопровода — установка отдельного реверс-редуктора, соединенного с двигателем карданным валом. Менее распространена схема, когда на амортизаторах установлен двигатель с навешенным реверс-редуктором. В этом случае гребной вал проходит через самоцентрирующий сальник и крепится к реверс-редуктору при помощи карданного вала или упругой муфты, передающей упор винта. Если двигатель установлен на жестких амортизаторах и имеет относительно длинный гребной вал (длиной в 50 и более раз больше, чем диаметр), то допускается обычное фланцевое крепление. 

В заключение приведем несколько типичных ошибок при установке двигателя на амортизаторах. Рассмотрим установку тракторного дизеля типа Д240 с угловым реверс-редуктором. Ширина лап реверс-редуктора 750 мм, на таком расстоянии нередко устанавливаются и амортизаторы. Установим двигатель массой 450 кг на четыре амортизатора АКСС-120М. В этом случае частота собственных вертикальных колебаний составит 27 Гц, а угловых — 45 Гц. Это значит, что резонанс возникает на 810 и 1350 об/мин. Если к тому же подмоторная рама недостаточно жесткая, то резонанс возникает на 1200 и 2000 об/мин, т. е. на рабочих оборотах. Таким образом, уровень вибрации будет в 4—6 раз выше, чем для жестко установленного двигателя! 

Установим двигатель на четыре наклонных амортизатора, изображенных на рис. 5 (их жесткость на сжатие в 4,6, а на сдвиг в 2,5 раза меньше, чем АКСС-120М). Задние амортизаторы расположим под стартером, максимально приблизив к картеру, а передние укрепим к кронштейну передней опоры двигателя. При достаточно жесткой подмоторной раме можно получить собственную частоту колебаний 10—12 Гц, т. е. в диапазоне 2000 об/мин уменьшить уровень вибрации в 35 раз, по сравнению с установкой двигателя без амортизаторов. 

Если в эти же места установить амортизаторы АКСС-120И (более мягкие, чем АКСС-120М), то возникнут связанные угловые колебания с частотой 18 и 35 Гц. Значительное повышение частоты колебаний связано с тем, что, в отличие от предыдущих, амортизаторы АКСС необходимо располагать на высоте ЦТ, а этому мешает стартер. Поэтому и появляется связанность колебаний. Резонанс в этом случае возникает на холостых оборотах и при 1000 об/мин. Поэтому на рабочих оборотах — 2000 об/мин — уровень вибрации будет только в 3 раза ниже, чем при жестком креплении двигателя. 

Учитывая, что уровень вибрации самого двигателя при установке на амортизаторы увеличивается, часть агрегатов, такие как водомасляный холодильник, фильтр, отстойник, расширительный бачок, целесообразней крепить к набору катера, а не навешивать на двигатель. Следует также обратить особое внимание на жесткое крепление насоса забортной воды и генератора.