Что такое балансировочные валы двигателя?

Для чего предназначены балансиры

Главной задачей балансировочных валов является поглощение лишней инерции и уменьшение вибрации. Это стало актуальным после появления более мощных двигателей с объемом от двух литров.

Блок балансирных валов с шестеренчатым приводом от коленчатого вала двигателя

Немалую роль в балансе работы ДВС играет и расположение цилиндров. Можно выделить три распространённые схемы:

  1. Расположение в ряд, когда цилиндры располагаются в одной плоскости.
  2. Оппозитная схема, когда оси цилиндров находятся в одной плоскости противоположно направлены друг другу.
  3. V-образное расположение цилиндров.

Расположение осей цилиндров напрямую влияет на балансировку двигателя. Рядная схема хорошо себя зарекомендовала в 4-х цилиндровых двигателях небольшого объема. Оппозитная схема дает самые лучшие показатели балансировки. V-образное расположение требует точно выверенных углов между цилиндрами, чтобы достичь оптимального баланса.

Как бы то ни было, идеального баланса не удается достичь ни в одной схеме, поэтому и устанавливают балансиры.

Инерционные силы уравновешивающих валов

Таким образом, в рядном двигателе с четырьмя цилиндрами силы инерции второго порядка остаются неуравновешенными. Силы, возникающие при движении массы с удвоенной частотой вращения коленчатого вала. В этом случае величина силы инерции увеличивается с увеличением объема двигателя. Балансировочные валы. Для уравновешивания сил инерции второго ряда в четырехцилиндровых двигателях с рабочим объемом 2,0 литра и более используются дополнительные валы с противовесами — так называемые. балансирные валы. Балансировочные валы в их автомобилях были впервые использованы в 1976 году компанией Mitsubishi, а технология получила название Silent Shaft. В настоящее время балансировочные валы широко используются в продуктах других автопроизводителей — VW, Audi, BMW, Mercedes-Benz, GM. Балансировочные валы установлены попарно на одной и другой стороне коленчатого вала, обычно симметрично. Наиболее предпочтительным с точки зрения занимаемого объема является установка балансировочных валов в картер под коленчатым валом.

Эксплуатация балансировочных валов

Балансировочный вал представляет собой часть сложной формы, обычно металлический стержень с выбранными пазами. Балансирный вал вращается в двух подшипниках, смазанных в системе смазки двигателя. Балансировочный вал движется непосредственно от коленчатого вала и обеспечивает вращение валов в разные стороны с удвоенной угловой скоростью. В качестве привода можно использовать коробку передач, цепной привод или их комбинацию. Чтобы ослабить крутильные колебания, возникающие при вращении валов, в ведущей шестерне цепного привода установлен пружинный амортизатор. Благодаря своей конструкции, балансировочные валы испытывают значительные нагрузки во время работы. Подшипники от привода особенно нагружены. Все это приводит к ускоренному износу подшипников, а также компонентов привода. Износ сопровождается шумом, вибрацией и может привести к обрывам в цепи привода.

Принцип работы балансирных валов двигателя

Валы закрепляются через два небольших отверстия на задней стенке картера двигателя, совершая вращательные движения на подшипниках скольжения.

Соединение верхнего балансирного вала с нижним валом происходит при помощи приводов. Привод верхнего вала имеет зубчатый ремень, который специальной шестерней задействует привод нижнего вала.

Валы устанавливаются только парами симметрично по обеим сторонам коленчатого вала. При этом балансирный вал всегда совершает вращательные движения в обратную сторону от коленвала, а скорость его движения увеличивается в два раза.

Это позволяет снизить все вибрации двигателя благодаря обоюдной компенсации инерционных сил балансирных валов коленвала, поскольку эти силы всегда направлены друг к другу.

Фиксация балансирных валов осуществляется только продольно при помощи стопорной пластины, которая крепится к кольцевым канавкам. Подобные крепежные канавки располагаются на каждой шестерне верхнего и нижнего балансирного вала.

Принцип действия КШМ основан на образовании инерционных сил от взаимодействия всех его рабочих механизмов и элементов. Одни элементы, например поршни, совершают движения возвратно-поступательного характера, а другие, шатуны – вращательные движения.

Воздействие инерционных сил в цилиндрах двигателя создают сильную вибрацию и повышенный уровень шума в двигателе в целом, что приводит к перегрузу и быстрому износу отдельных элементов двигателя.

Для того чтобы как-то уравновесить вибрации, создаваемые в двигателе, и применяются балансирные валы.

Типы привода

Привод балансировочных валов

Наиболее распространенным вариантом привода балансиров является цепной или зубчатый ремень. Также приводом может служить зубчатый редуктор или комбинированный вариант: зубчатый редуктор плюс ремень. Чтобы снизить колебания самих валов, в звездочке привода устанавливается пружинный гаситель.

На каких двигателях применяются балансирные валы

Первой балансирные валы применила японская компания Mitsubishi в 1976 году. Новинка получила название «Silent Shaft», что в переводе означает «бесшумный вал».

Главным образом они устанавливаются на четырехцилиндровых двигателях с объемом больше двух литров и с рядным расположением цилиндров, так как именно эта схема наиболее подвержена вибрациям и шумам.

Также балансирные валы часто применяются на мощных дизельных моторах. Сейчас их можно встретить не только на японских моделях, но и на европейских и американских.

Первичная и вторичная балансировка

Исторически проектировщики двигателей использовали термины «первичная балансировка» и «вторичная балансировка». Эти термины связаны с порядком возникновения проблем в процессе разработки, и потому в какой-то степени отражают важность этих аспектов в балансировке.

Определения первичной и вторичной балансировок разнятся. В общем случае первичная балансировка связана с компенсированием момента движущихся поршней (но не их кинетической энергии) во время оборота коленвала. Вторичная балансировка связана с компенсированием (или отсутствием таковой):

  • кинетической энергии поршней;
  • несинусоидального движения поршней (иногда является частью первичной балансировки);
  • поперечного движения коленвала и балансирного вала;
  • различных паразитных качаний (моментов инерции), создаваемых балансируемыми массами, как например нежелательный сдвиг противоположных цилиндров в оппозитном двигателе, создаваемые конфигурацией коленвала.

Несмотря на утверждения конструкторов и производителей, ни одна конфигурация поршней не является идеально сбалансированной. Подгоняя некоторые определения первичной и вторичной балансировок, можно утверждать, что некоторые конфигурации являются идеально сбалансированными в ограниченных рамках. Так, «рядная шестёрка», V12 и crossplane V8 (то есть V8 с углом развала 90 градусов, кривошипы которого лежат в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) отлично сбалансированы по своей природе, а оппозитный двигатель имеет идеальную первичную балансировку, так как движение одной части компенсируется движением противоположной.

Одноцилиндровые двигатели

Одноцилиндровый двигатель порождает три вида вибраций (предполагается, что цилиндр расположен вертикально).

Во-первых, без балансирующих противовесов в двигателе будут присутствовать значительные вибрации, порождённые изменением направления движения поршня и шатуна за каждый оборот. Это порождает силу инерции I порядка, которая вызывает вертикальную вибрацию с частотой, равной частоте вращения коленвала. Практически все одноцилиндровые двигатели снабжены балансирующими массами на коленвале для уменьшения этой вибрации.

Хотя эти балансиры устраняют вибрации на коленвале, они не могут полностью сбалансировать движение поршня по двум причинам. Первая причина состоит в том, что балансиры двигаются как по вертикали, так и по горизонтали, поэтому компенсирование вертикального движения поршня массой коленвала порождает горизонтальные вибрации. Массу балансиров подбирают таким образом, чтобы уменьшить вертикальную силу инерции I порядка в два раза, при этом вертикальная и горизонтальная силы инерции становятся равными по величине и, складываясь, образуют круговую силу инерции, вектор которой вращается в сторону, противоположную вращению коленвала. Вторая причина относится к движению шатуна, который из-за конструкции заставляет поршень двигаться в верхней половине цилиндра быстрее, чем в нижней. Это порождает вертикальную силу инерции II порядка, которая вызывает вибрацию с удвоенной частотой вращения коленвала. Поэтому синусоидальное движение коленвала не может полностью скомпенсировать движение поршня. Полностью круговую силу 1-го порядка можно уравновесить двумя балансирующими валами, которые должны располагаться симметрично по бокам коленвала и вращаться в направлении, противоположном направлению вращения коленвала. Противовесы этих валов должны быть одинаковыми и ориентированы так, чтобы создавать такую же по величине круговую силу инерции, но в противоположном направлении. Вертикальную силу инерции 2-го порядка можно уравновесить двумя балансирующими валами, расположенными симметрично по бокам двигателя и вращающимися в противоположные друг относительно друга стороны в два раза быстрее коленвала. Балансирующие массы этих валов также должны быть одинаковыми и ориентированы так, чтобы создавать уравновешивающую вертикальную силу инерции в противоположном направлении. Однако это ведёт к значительному усложнению двигателя, поэтому, как правило, силу 2-го порядка оставляют неуравновешенной, к тому же она значительно меньше силы инерции 1-го порядка.

Во-вторых, существуют вибрации, порожденные изменением в скорости и кинетической энергии поршня. Так, коленвал будет замедляться, когда поршень ускоряется и поглощает энергию, и будет ускоряться, когда поршень замедляется и отдаёт энергию в верхней и нижней точке. Эта вибрация имеет удвоенную частоту по сравнению с частотой вращения коленвала, и её поглощение —- задача маховика.

Третий тип вибраций происходит из-за того, что двигатель отдаёт мощность только во время рабочего хода. В четырёхтактном цикле эта вибрация будет на половине частоты вибраций I порядка, так как горючая смесь сгорает каждый второй оборот коленвала. Поглощение этого типа вибраций — тоже задача маховика.

Двухцилиндровые двигатели

Пара цилиндров может располагаться в следующих конфигурациях:

  • В ряд
  • Под углом
  • Противоположно друг к другу (оппозитно)

Каждый из этих вариантов имеет как преимущества, так и недостатки с точки зрения баланса.

Два цилиндра, расположенных в ряд, могут иметь простой, одноколенчатый вал, с синхронным достижением верхней мертвой точки. Для четырёхтактного двигателя это дает самую выгодную последовательность вспышек – один цилиндр за оборот, но наихудшую механическую балансировку, не лучше чем у одноцилиндрового двигателя. Поэтому в данной конфигурации часто применяют балансирующие валы, компенсирующие силу инерции 1-го порядка. Иногда для «рядных двоек» используется двухколенчатый вал с определенным углом между коленами (до 180°), за счет чего поршни достигают верхней мертвой точки в разное время, что улучшает баланс (уменьшаются неуравновешенные силы инерции 1-го и 2-го порядка, однако растут моменты от данных сил, стремящиеся повернуть двигатель вокруг оси, проходящей через середину коленвала), однако не обеспечивает равномерное чередование вспышек. В двухтактном двигателе равномерная последовательность зажигания обеспечивается при угле между коленами 180°, поэтому применяется только такая конфигурация, которая к тому же обеспечивает наилучший баланс (сила инерции 1-го порядка полностью уравновешена, однако присутствует момент от сил инерции 1-го порядка, а также сила инерции 2-го порядка). Момент 1-го порядка можно устранить одним балансирующим валом, вращающимся в противоположную сторону по отношению к коленвалу и создающим уравновешивающий момент инерции в противоположном направлении (при условии, что силы инерции 1-го порядка поршней и верхних частей шатунов, складываясь с силами, создаваемыми балансирами коленвала, образуют круговой момент инерции).

Двухцилиндровый V-образный двигатель, как правило, применяется только в четырёхтактном варианте, так как необходимость в применении разделённых кривошипных камер в двухтактном двигателе не позволяет разместить кривошипы близко друг к другу, что сводит на нет преимущества V-образной компоновки двухцилиндрового двигателя. В данном варианте силу инерции 1-го порядка можно полностью уравновесить, если угол между кривошипами равен разности между удвоенным углом развала цилиндров и 180°, при этом шатуны скрещиваются, когда кривошипы находятся вверху, если угол развала менее 90°, либо внизу, если более 90°. Вспышки в цилиндрах чередуются неравномерно, при увеличении угла развала эта неравномерность уменьшается. Если угол развала 90°, то цилиндры имеют один общий кривошип, при этом вспышки чередуются через 270 и 450° по углу поворота коленвала. При других углах развала требуются отдельные кривошипы, хотя встречаются двигатели и с общим кривошипом, у них силу 1-го порядка можно полностью скомпенсировать только дополнительными балансирующими валами, а неравномерность чередования вспышек наоборот возрастает при увеличении угла развала, поэтому применяется угол развала менее 90°. Также кривошипы могут быть расположены под углом, равным углу развала таким образом, что поршни синхронно достигают верхней мёртвой точки, таким образом обеспечивается равномерное чередование вспышек. Сила 1-го порядка уравновешивается аналогично, балансирующими валами. Сила инерции 2-го порядка у V-образного двухцилиндрового двигателя уменьшается при увеличении угла развала цилиндров. Кроме того, имеются небольшие моменты от сил инерции 1-го и 2-го порядка, вызванные сдвигом цилиндров друг относительно друга вдоль оси коленвала (если таковой имеется).

Оппозитный двухцилиндровый двигатель можно представить как частный случай V-образного двухцилиндрового двигателя с углом развала 180°. Угол между кривошипами также равен 180°. При этом вспышки в цилиндрах в четырёхтактном варианте чередуются равномерно, а в двухтактном происходят одновременно в обоих цилиндрах (что не требует разделения кривошипных камер). Силы инерции 1-го и 2-го порядка взаимно уравновешиваются, но присутствуют небольшие моменты от этих сил из-за сдвига цилиндров.

Трёхцилиндровые двигатели

Цилиндры могут располагаться в следующих конфигурациях:

  • В ряд
  • Под углом (V-образно)

В рядном трёхцилиндровом двигателе наилучший баланс получается при расположении кривошипов под углом 120°, Силы инерции 1-го и 2-го порядка взаимно компенсируются, но проявляются моменты этих сил из-за того, что цилиндры смещены друг относительно друга вдоль коленвала. Уравновесить момент 1-го порядка можно дополнительным балансирующим валом, вращающимся со скоростью коленвала в противоположную сторону. Для уравновешивания момента 2-го порядка нужны два балансирующих вала, расположенные симметрично по бокам двигателя и вращающиеся в противоположные друг от друга стороны в два раза быстрее коленвала. Однако это ведёт к значительному усложнению двигателя, поэтому не применяется (тем более что данный момент инерции незначителен). Аналогично уравновешиваются любые рядные двигатели с нечётным числом цилиндров (при числе цилиндров более двух), при этом неуравновешенные моменты уменьшаются при увеличении числа цилиндров, в ряде случаев уже у пятицилиндрового двигателя можно обойтись без балансирующих валов.

Трёхцилиндровый V-образный двигатель применяется очень редко. В такой конфигурации вспышки чередуются неравномерно, средний цилиндр как правило повёрнут на угол 90° относительно двух крайних. При этом все кривошипы направлены в одну сторону, а массы поршня и верхней части шатуна среднего цилиндра в два раза больше, чем у крайних. Только так можно полностью скомпенсировать неуравновешенные силы 1-го порядка, подобрав массу противовесов на коленвале.

Привод балансирных валов

Привод задействуется от коленвала и предназначен для обеспечения вращательных разносторонних движений валов с установленной угловой скоростью. Зачастую в качестве привода выступает зубчатый ремень.

Для того чтобы снизить вращательные колебания, которые возникают при вращательных движениях вала, используется гаситель колебаний пружинного типа, который устанавливается в звездочке на приводе.

Сложности в ремонте балансирных валов

Напряженная работа балансирных валов часто сопровождается усиленными рабочими нагрузками, вследствие которых выходят из строя подшипники, а также отдельные элементы привода. Быстрый износ или поломка деталей приводит к повышению уровня шума и вибраций, и как результат – обрыву привода.

Ремонтные работы по восстановлению работоспособности балансирных валов отличаются сложностью и дороговизной. Именно поэтому многие автовладельцы предпочитают вместо дорогой замены просто снять балансирные валы, а отверстия закрыть специальными заглушками.

Помимо всего прочего использование балансирных валов влияет на сложность конструкции самого автомобильного двигателя, а также на дороговизну его технического обслуживания.

Если все же есть необходимость произвести замену балансирного вала, вместе с новой деталью устанавливается новая цепь с приводом и нижняя шестерня коленвала.

Пример работы

Автомобиль — Audi A5
Двигатель — 1.8 TFSI CABD
Год выпуска — 2009
Пробег — 95 т.км
Проблемы:
— Периодическое понижение давления масла ДВС
— Посторонние шумы при работе двигателя
— Течь масла ДВС из под крышки распредвалов
— Растяжение цепи ГРМ
Выполненные работы:
— Замена цепи ГРМ
— Замена комплекта цепи балансировочных валов
— Замена балансировочных валов
— Переклейка постели распредвалов
— Замена датчика низкого давления масла
Запчасти:
— Комплект цепи ГРМ
— Датчик давления масла
— Опорный ролик
— Натяжитель ремня
— Ремень поликлиновой
— Прокладка
— Кольцо уплотнительное
— Прокладка впускного коллектора
— Шестерня балансирных валов
— Промежуточный вал
— Свеча зажигания
— Натяжное устройство цепи
— Планка успокоителя 3 шт
— Цепь балансировочных валов
— Труба балансировочного вала
— Кольцо вала уплотнительное
— Ремкомплект балансировочных валов
— Ремень помпы
Источники


  • https://TechAutoPort.ru/dvigatel/mehanicheskaya-chast/balansirnye-valy.html
  • https://AvtoTachki.com/chto-takoe-balansirovochnye-valy-dvigatelya/
  • https://autodromo.ru/articles/balansirnye-valy-princip-raboty-osobennosti-konstrukcii
  • https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D1%81%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BA%D0%B0_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8F
  • https://www.zamenacepi.ru/engine/balansirovochnie_valy

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Ремонт автомобиля, решение проблем с авто