Форсирование двигателей

Здесь не будет гото­вых рецептов по форсированию конкретных типов двигателей. Все двигатели разные, на разных шасси будут изменяться разме­ры отдельных элементов (например, выпускной системы), будут изменяться и характеристики. Поэтому, какие-то конкретные ре­цепты, в которых, тем не менее, останется немало белых пятен, могут привести лишь к бесполезной работе.

Будут рассмотрены, в частности, основы теории процессов, происходящих в двигателе, с особым упором на те вопросы, кото­рые являются основными при форсировании двигателя. Конечно, в предлагаемой главе рассматриваются только те разделы тео­рии, знание которых необходимо, чтобы начинающий поклонник картинга не испортил двигатель в стремлении выжать из него максимальную мощность. Приведены также общие рекомендации о том, в каких направлениях следует проводить доработки дви­гателя, чтобы добиться положительных результатов. Общие ука­зания иллюстрируются примерами из практических работ по фор­сированию картинговых двигателей. Кроме того, приводится ряд замечаний и практических рекомендаций относительно, казалось бы, мелких изменений, внесение которых улучшит работу двига­теля, повысит его надежность, избавит нас от порой дорогостоя­щей учебы на собственных ошибках.

Основные параметры двигателя

Основные геометрические параметры двигателя: диаметр ци­линдра и ход поршня. Эти параметры определяют рабочий объ­ем цилиндра, вычисляемый как произведение площади его сече­ния на ход поршня.

Геометрические размеры двигателя определяют также сте­пень сжатия двигателя. Однако надо разделить понятия геомет­рической и эффективной степеней сжатия.

Геометрическая степень сжатия е_д — это отношение объе­ма над поршнем при его положении в нижней мертвой точке (НМТ) к обкому камеры сгорания. А эффективная степень сжатия e_e определяется отношением объема над поршнем в момент открытия выпускного окна к объему камеры сгорания. Казалось бы, что логичнее пользоваться эффективной степенью сжатия, но определенные таким образом степени сжатия могут быть срав­нимы для двигателей, у которых одинаковая фаза открытия вы­пускного окна. В литературе обычно приводится геометрическая степень сжатия. Для сравнения можно сказать, что в картинговых двигателях объемом 125 см¹ геометрическая степень сжатия порядка 15, а соответствующая эффективная сте­пень сжатия только 10—11.

Анализируя параметры двигателей, всегда надо знать, о ка­кой степени сжатия идет речь. Если это эффективная степень сжатия, то необходимо учитывать, при каком угле открытия вы­пускного окна она получена. Практически же величина степени сжатия двухтактного двигателя является лишь ориентировоч­ным параметром.

Основные параметры, характеризующие двигатель — мощ­ность N, кВт, и крутящий момент М_o. Эти величины связаны меж­ду собой соотношением:

где n — частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин; М_o — крутящий момент, Н-м. Чаще всего приводятся данные, касающиеся макси­мальной мощности и кру­тящего момента с указанием частоты вращения, при кото­рой они были получены (на­пример, 20 кВт при 10 400 об/мин). Однако знание мак­симальной мощности двига­теля и максимального крутя­щего момента немного гово­рит о динамических качест­вах карта, хотя и указывает на «форсированность» дви­гателя.

Рис. 9.1. Внешние скоростные ха­рактеристики двигателя

На динамические качества карта влияет форма внешней характеристики, т. е. форма кривой мощности и максимального момента как функции частоты вращения (рис. 9.1). Из рис. 9.1 видно, что кривые мощности и крутящего момента двигателя достигают максимума при разной частоте вращения: ЧВ при максимальной мощности значительно пре­вышает ЧВ при максимальном моменте. В этом случае дви­гатель имеет широкий рабочий диапазон ЧВ. Величина этого диапазона имеет большое практическое значение.

Если двигатель работает при максимальной мощности и при этом возрастает сопротивление движению, ЧВ начнет уменьшать­ся и одновременно будет увеличиваться крутящий момент. Тем самым будет увеличиваться сила тяги, что позволит преодолеть возросшее сопротивление движению. Сила тяги уменьшится толь­ко тогда, когда ЧВ двигателя будет ниже ЧВ максимального момента. Это заставит водителя перейти на более низкую пере­дачу.

Из этого следует, что чем больше рабочий диапазон ЧВ или чем меньше отношение ЧВ при максимальном моменте к ЧВ при максимальной мощности, тем реже надо будет переключать пе­редачу. В результате этого можно будет использовать меньшее число передач.

Спортивные двигатели имеют несколько иные характеристи­ки мощности и крутящего момента. ЧВ при максимальной мощ­ности не намного больше ЧВ при максимальном моменте, поэто­му диапазон ЧВ, в котором нет уменьшения силы тяги при увели­чении сопротивления движению, невелик. Такой двигатель, чтобы полностью использовать его возможности, должен постоянно ра­ботать в узком диапазоне ЧВ, а этого можно добиться лишь пу­тем использования многоступенчатой коробки передач. В гоноч­ных мотоциклах иногда даже встречаются десятиступенчатые ко­робки передач.

Большое влияние на характеристики двигателя оказывает форма кривой крутящего момента. «Крутая» кривая момента выгоднее «пологой». Посмотрим еще раз на характеристику дви­гателя (см. рис. 9.1). При увеличении сопротивления движению машины ЧВ двигателя уменьшается и возрастет крутящий мо­мент. Чем «круче» кривая момента, тем больше будет этот рост. Отсюда следует, что в двигателе с «крутой» характеристикой при увеличении сопротивления движению будет меньше падение ЧВ, чем в двигателе с «пологой» характеристикой.

Форма характеристики двигателя связана с числом передач. В многоступенчатом двигателе (например, шестиступенчатом) мы можем допустить довольно «пологую» характеристику мо­мента и небольшой рабочий диапазон ЧВ. Если мы форсируем двигатель с небольшим числом передач (например, трехступен­чатый), надо стремиться к получению «эластичного» двигателя с «крутой» кривой момента и значительным рабочим диапазо­ном ЧВ.

И, наконец, рассмотрим, какой из двигателей, характерис­тики которых показаны на рис. 9.2, лучше использовать с трех­ступенчатой коробкой передач. Двигатель А имеет наименьший крутящий момент во всем диапазоне ЧВ, характеристика у него довольно «пологая». Единственное достоинство этого двига­теля — относительно большой рабочий диапазон ЧВ а, однако получаемый выигрыш не сможет компенсировать слишком ма­ленький момент.

Двигатель С — «эластичный», кривая момента — «крутая», но у него мал рабочий диапазон ЧВ с, что, несмотря на значитель­ные максимальные значения мощности и крутящего момента, стало бы серьезным препятствием в достижении хороших дина­мических качеств карта. Предположим, что карт с двигателем С проходит поворот на определенной передаче. Радиус поворота уменьшается, возрастающее сопротивление движению приводи! к падению ЧВ. ЧВ быстро упадет ниже ЧВ максимального момента (маленький с). У двигателя будет слишком маленький мо­мент, чтобы преодолеть увеличившееся сопротивление движению, и слишком высокая ЧВ, чтобы переключить передачу на одну ступень вниз. Приходится ждать дальнейшего снижения скорос­ти.

В двигателе В в аналогичной ситуации момент будет возрас­тать до тех пор, пока ЧВ не упадет до уровня, позволяющего пе­реключить передачу. Это происходит благодаря значительному рабочему диапазону ЧВ в, но при меньшей «эластичности», чем у двигателя С, и при меньшем максимальном моменте. Из при­веденного примера видно, что иногда лучше отказаться (в неко­торой степени) от значительного форсирования двигателя в поль­зу увеличения рабочего диапазона ЧВ.

Фазы газораспределения

Фазы газораспределения выражаются углами поворота ко­ленчатого вала, при которых открываются и закрываются со­ответствующие окна цилиндра. В двухтактном двигателе рас­смотрим три фазы: открытия впускного окна, открытия выпускно­го окна и открытия перепускных окон (рис. 9.3).

Фазой открытия окна, например, выпускного, назовем угол поворота коленчатого вала, измеряемый с момента, когда верх­ний край поршня откроет выпускное окно, до момента, когда поршень, двигаясь обратно, закроет окно. Аналогично можно оп­ределить фазы открытия остальных окон.

Рис. 9.3. Диаграммы фаз газораспределения:

a -симметричная; б- несимметричная; OD и ZD — открытие и закрытие впуска. ОР и ZP- открытие и закрытие перепуска; OW и ZW -открытие и закрытие выпуска; a,у- углы открытия соответственно впускного и выпускного окон; B — угол открытия перепускных окон

Рис. 9.4. Сравнение время-сечений (площадь под кривыми) для окон разной формы

В обычном поршневом двигателе все окна открываются и за­крываются поршнем, поэтому диаграмма фаз газораспределения симметрична (или почти симметрична) относительно вертикаль­ной оси (рис. 9.3, а). В картинговых двигателях, в которых на­полнение кривошипной камеры горючей смесью осуществляется с помощью вращающегося золотника, фаза впуска может не зави­сеть от движения поршня, поэтому диаграмма фаз газораспреде­ления имеет обычно несимметричный вид (рис. 9.3, б).

Фазы газораспределения являются сравнимыми величинами для двигателей с разным ходом поршня, т. е. они служат уни­версальными характеристиками. При сравнении двигателей, име­ющих одинаковый ход поршня, фазы газораспределения можно заменить расстояниями от окон, например, до верхней плоскос­ти цилиндра.

Кроме фаз газораспределения важным параметром является так называемое время-сечение. При постепенно открываемом поршнем окне от формы канала зависит, как увеличивается отк­рытая поверхность окна в зависимости от угла поворота колен­чатого вала (или времени). Чем шире окно, тем большая поверх­ность будет открываться при смещении поршня вниз. За одно и то же время через окно будет проходить большее количество горю­чей смеси. Целесообразно, чтобы при открытии окна поршнем его площадь была бы сразу как можно большей. Во многих дви­гателях для этого окно делается расширенным кверху. Благода­ря этому достигается эффект быстрого открытия окна без увели­чения его поверхности.

Диаграмма роста открытой поверхности окон разной формы в зависимости от времени при постоянной ЧВ двигателя пока­зана на рис. 9.4. Общая площадь окон в обоих случаях одинако­вая. Площадь под кривыми диаграммы характеризует значение время-сечения. Для окна неправильной формы время-сечение больше.

Наполнение кривошипной камеры

Чтобы лучше понять, сколь важное значение для правильного наполнения кривошипной камеры горючей смесью имеет момент открытия и закрытия впускного окна, рассмотрим движение газов во впускном патрубке и в картере. В такте сжатия при движении поршня вверх в кривошипной камере создается разрежение. Пос­ле открытия впускного окна начинается поступление горючей смеси. Однако движение смеси в патрубке не равномерное и не всегда направлено в кривошипную камеру.

Хоть и упрощенно, процесс колебаний столба смеси во впуск­ном патрубке и в кривошипной камере можно представить в виде работы механизма, в котором смесь заменяется грузом, а упру­гое содержимое картера — пружиной (рис. 9.5). Обладающий энергией груз попадает в картер и сжимает пружину, которая тормозит его движение, останавливает, а потом выталкивает наружу. Теперь груз растягивает пружину, которая снова втя­гивает груз внутрь картера. Если бы не было трения, колебатель­ные движения груза, растягивающего и сжимающего пружину, продолжались бы бесконечно долго.

Рис. 9.5. Механическая аналогия движения столба смеси во впускном патрубке и кривошипной камере

Точно так же обстоит и с движением газа. Заряд смеси (по аналогии с грузом) втягивается в картер, в котором после дви­жения поршня вверх наступает разрежение. Давление в картере возрастает, достигает максимума, после чего начинается обрат­ный процесс: смесь, которая заполнила картер, начинает возвра­щаться во впускной патрубок. Если бы впускное окно было откры­то, то происходило бы поочередное заполнение и опорожнение кривошипной камеры. Необходимо подобрать такой момент зак­рытия впускного окна, чтобы в картере находилось как можно больше горючей смеси. Этого мы сможем добиться, если закроем окно в тот момент, когда поступающая в картер струя смеси остановится, но еще не будет идти обратно во впускной патрубок.

В картинговых двигателях применяются три метода ре­гулирования наполнения кривошипной камеры горючей смесью. Регулирующими элементами являются поршень, вращающийся золотник или мембранный клапан (рис. 9.6). Как уже говорилось в гл. 4, регулирование с помощью поршня в специальных картинговых двигателях не применяется, а в адаптированных двига­телях мембранные клапаны встречаются очень редко.

Рис. 9.6. Различные способы управления подачей заряда в кривошипную камеру:

а — управление поршнем; б — управление вращающимся золотником; в — управление мембранным клапаном

В двигателе с регулированием наполнения картера горючей смесью путем закрытия впускного окна нижней кромкой поршня возможность изменения фазы открытия впускного окна ограни­чена. Фазу можно увеличить путем соответствующего увеличения самого окна, особенно за счет изменения положения нижней кромки, либо путем изменения положения регулирующей кромки поршня. На рис. 9.7 даны схемы возможных изменений и диаг­раммы время-сечения. Заштрихованная поверхность отражает величину время-сечения. На рис. 9.7, б показано окно, которое полностью открыто при ходе поршня So, что обеспечивает наибо­лее стабильное течение смеси. Продолжительность открытия ок­на в этом случае больше, чем в случае, приведенном на рис. 9.7, а. Высота окна (сечение) в обоих случаях одинаковая. Увеличение высоты окна путем поднятия его верхней кромки (рис. 9.7, в) несколько увеличивает время-сечение, но приводит к тому, что полностью окно открыто только в верхнем положении поршня. Увеличение время-сечения не всегда компенсирует потери от воз­мущений, вызванных кромкой поршня.

В двигателях с вращающимся золотником изменения фазы открытия впускного окна можно добиться путем изменения выре­за во вращающемся золотнике или угловой ширины окна (рис. 9.8). В обоих случаях фаза открытия окна равна 210°, но фаза полного открытия окна, показанного на рис. 9.8, а, состав­ляет 110°, а на рис. 9.8, б—всего 50°. Хотя окно, показанное на рис. 9.8, а значительно больше окна, показанного на рис. 9.8, б, одна из кромок вращающегося золотника возмущает протекание смеси на 160° поворота коленчатого вала, а в примере рис. 9.8, а всего 100°. Этот пример показывает, что при подборе фазы впуска большую роль играют размеры впускного окна.

Наполнение кривошипной камеры зависит от сочетания нес­кольких факторов: фазы впуска, размеров и формы впускного ок­на, длины и формы впускного патрубка, объема картера (криво­шипной камеры) и т. д. Влияние каждого из этих факторов мож­но изменить путем соответствующего изменения размеров и фор­мы элементов двигателя. Их можно подобрать таким образом,

Рис. 9.8. Влияние изменения размера впускного окна на угол открытия окна:

а — окно полностью открыто при угле 110°; б—окно открыто лишь при угле 50° и неизменном угле открытия окна (210°)

чтобы обеспечить наибольшее на­полнение картера. Трудность, однако, состоит в том, что продол­жительность открытия впускного окна непосредственно зависит от скорости вращения коленчатого вала. Наибольшее наполнение картера горючей смесью происхо­дит только при такой ЧВ, при которой была оптимизирована впускная система, т. е. при такой ЧВ, при которой впускное окно закрывается в момент наиболь­шего давления в картере. Эта частота вращения двигателя называется резонансной. При меньшей ЧВ окно закрывается слишком поздно, когда горючая смесь начинает движение из картера. Когда ЧВ будет слишком большой, окно будет закрыто слишком рано, еще не весь заряд смеси, поступающей через впускной патрубок, попадает в картер.

Рис. 9.9. Скоростные характеристики форсированного двигателя CZ типа «8»;

четко выражена резонансная ЧВ двига­теля при частоте вращения 9600 об/мин (по данным А. Холовея)

Так как невозможно добиться оптимального наполнения кар­тера в широком диапазоне ЧВ, приходится останавливать вы­бор на резонансной ЧВ. Изменение геометрических размеров впускной системы позволяет осуществить формирование внеш­ней характеристики двигателя (рис. 9.9). Необходимо добавить, что изменение сопротивления потоку горючей смеси во впускной системе (например, за счет использования воздушного фильтра), также окажет влияние на значение резонансной ЧВ.

Системы продувки цилиндра

Рис. 9.10. Схема систем продувки цилиндра и соответствующие им развертки зеркала цилиндра:

а — двухканальная система; б — трехканальная система; в — четырехканаль-ная система; г — пятиканальная система

Применяемые в картинговых двигателях системы продувки цилиндра схематически представлены на рис. 9.10. Рядом по­казано расположение перепускных окон на развертке зеркала ци­линдра для каждой из систем: двух-, трех-, четырех- и пятиканальной. В тех двигателях, где наполнение картера регулируется поршнем, крывает и не закрывает впускное окно. В этом случае впускной патрубок сделан не в цилиндре, и появляется возможность раз­местить дополнительный перепускной канал.

Роль выпускной системы

В двухтактном двигателе огромную роль играет выпускная система, состоящая из выпускного патрубка (в цилиндре и за цилиндром), расширительной камеры и глушителя. В момент от­крытия выпускного окна в цилиндре имеется некоторое давление, которое снижается в выпускной системе. Газ расширяется, воз­никают ударные волны, которые отражаются от стенок расшири­тельной камеры. Отраженные ударные волны вызывают новый рост давления около выпускного окна, в результате чего некото­рая часть отработавших газов снова попадает в цилиндр (рис. 9.11).

Рис. 9.11. Схематическое представ­ление последовательных фаз выхода отработавших газов:

а — открытие выпускного окна; б — полное открытие окна; в — закрытие окна

Кажется, что выгоднее было бы получить разрежение у вы­пускного окна, когда оно полностью открыто. Это вызовет отка­чивание газов из цилиндра и, тем самым, наполнение цилиндра свежей смесью. Однако в таком случае часть этой смеси вместе с отработавшими газами попадет в выпускной патрубок. Поэтому надо добиваться повышенного давления у выпускного окна, когда оно закрывается. В этом случае горючая смесь, попавшая вместе с отработавшими газами в выпускной патрубок, будет возвращена в цилиндр, заметно улучшая его наполнение. Проис­ходит это уже после закрытия поршнем перепускных окон. Как и во впускной системе, волновые явления в выпускной системе дают положительный эффект только вблизи резонансной ЧВ. Изменяя размеры, а особенно длину выпускной системы, также можно формировать скоростные характеристики двигате­ля. Влияние изменений размеров выпускной системы на харак­теристики двигателя более значительно, чем изменение размеров впускной системы.

Основы процесса сгорания

Для лучшего понимания работы двигателя необходимо ска­зать несколько слов о процессах, происходящих в камере сгора­ния двигателя. От протекания процесса сгорания зависит на­растание давления в цилиндре, что определяет мощность двига­теля.

Результаты сгорания топлива, воспринимаемые в виде работы кривошипно-шатунного механизма, в первую очередь зависят от состава горючей смеси. Теоретически идеальным составом горю­чей смеси является так называемый стехиометрический состав, т. е. такой, при котором в смеси содержится столько топлива и кислорода, что после сгорания в отработавших газах нет ни топ­лива, ни кислорода. Другими словами, сгорит все находящееся в камере сгорания топливо, а для его сгорания будет израсходо­ван весь кислород, содержащийся в горючей смеси.

Если бы в камере сгорания был избыток воздуха (недоста­ток топлива), то избыток этот не смог бы помочь процессу горения. Однако он стал бы дополнительной массой газа, которую надо «прокачать» через двигатель и нагреть, используя для этого теплоту, которая без этой дополнительной массы повысила бы температуру и, следовательно, давление в цилиндре. Горючая смесь с избытком воздуха называется бедной.

Столь же неблагоприятен недостаток воздуха (или избыток топлива). Это привело бы к неполному сгоранию топлива и, как следствие, к получению меньшей энергии. Избыток топлива при этом будет пропущен через двигатель и испарится. Горючая смесь с недостатком воздуха называется богатой.

На практике для получения наибольшей мощности целесо­образно использовать слегка обогащенную смесь. Это объясня­ется тем, что в камере сгорания всегда образуются локальные неоднородности состава горючей смеси, возникающие из-за то­го, что невозможно добиться идеального перемешивания топлива с воздухом. Оптимальный состав смеси может быть определен только опытным путем.

Объем горючей смеси, засасываемой каждый раз в цилиндр, определяется рабочим объемом этого цилиндра. А вот масса воздуха, находящегося в этом объеме, зависит от температуры воздуха: чем выше температура, тем меньше плотность воздуха. Таким образом, состав горючей смеси зависит от температуры воздуха. Из-за этого необходимо «настраивать» двигатель в за­висимости от погоды. В жаркий день в двигатель поступает теп­лый воздух, поэтому для сохранения соответствующего состава горючей смеси необходимо уменьшить подачу топлива. В холод­ный день масса поступающего воздуха возрастает, поэтому надо подавать больше топлива. Надо заметить, что на состав горючей смеси влияет также влажность воздуха.

Вследствие всего этого температура даже идеального в дан­ных условиях состава смеси значительно влияет на степень на­полнения кривошипной камеры. В постоянном объеме картера при более высокой температуре масса горючей смеси будет мень­ше и, тем самым, после ее сгорания в цилиндре будет более низ­кое давление. Из-за этого явления элементам двигателя стара­ются придать такую форму, особенно картеру (оребрение), что­бы добиться их максимального охлаждения.

Горение смеси в камере сгорания происходит с определен­ной скоростью, за время горения коленчатый вал поворачивает­ся на определенный угол. Давление в цилиндре нарастает по мере горения смеси. Целесообразно получение наибольшего дав­ления в тот момент, когда уже начался рабочий ход поршня. Чтобы этого добиться, смесь надо зажигать несколько раньше, с определенным опережением. Это опережение, измеряемое углом поворота коленчатого вала, называется углом опережения зажигания. Часто опережение зажигания удобнее измерять расстоянием, которое осталось пройти поршню до верхней мертвой точки.

Взаимодействие поршня и цилиндра

От качества контакта поршня и поршневых колец с зеркалом цилиндра в первую очередь зависит мощность двигателя. Пор­шень и поршневые кольца герметизируют камеру сгорания во время сжатия и рабочего хода, а качество герметичности непосредственно влияет на количество энергии, передаваемой поршнем коленчатому валу. Другими словами, качество герме­тизации влияет на величины давлений сжатия и сгорания.

Наибольшие зазоры между поршнем и гильзой цилиндра, которые в современных двигателях объемом 125 см³ составляют всего лишь 0,025—0,03 мм, и маленькие зазоры в замках порш­невых колец должны обеспечить почти абсолютную герметич­ность. Герметичность действительно была бы почти абсолютной, если бы в гильзе цилиндра не было окон, особенно выпускного окна, и если бы шатун двигался только вдоль оси цилиндра.

Шатун выполняет сложное движение: он движется вдоль оси цилиндра и совершает колебательное движение относительно поршневого пальца (рис. 9.12). Силу F давления газов на пор­шень можно разложить на две силы: силу F_k, действующую вдоль шатуна и создающую крутящий момент на коленчатом валу, и силу F_p, направленную перпендикулярно к зеркалу цилиндра и прижимающую к нему поршень. Если выпускное окно расположено на разгружаемой во время рабочего хода (и одновременного сжатия в кривошипной камере) стороне поршня, то в выпускное окно между поршнем и цилиндром перетекает горю­чая смесь из кривошипной камеры (рис. 9.13, а). Кроме того, выпускное окно будет практически открыто после прохождения верх­ним поршневым кольцом ниже верхней кромки окна. Таким образом, управление открытием выпускного окна осуществляет не верхняя кромка поршня, а кромка поршневого кольца.

Рис. 9.12. Разложение силы давления газов F на составляющие

Рис. 9.13. Расположение выпускного окна относительно направления вращения коленчатого вала:

а — неправильное; б — правильное

Этого нежелательного явления не произойдет, если исполь­зовать поршневые кольца с L-образным сечением, верхняя кромка которых совпадает с верхней кромкой поршня.

Описанных выше явлений можно избежать, если выпускное окно расположено с той стороны зеркала цилиндра, к которой прижимается поршень во время рабочего хода (рис. 9.13, б). Направление действия силы F_p зависит от направления вращения коленчатого вала.

Уравновешивание механизма кривошипного

Массы, которые необходимо уравновеши­вать, делятся на два вида (рис. 9.14): массы, участвующие во вращательном движении М₁, и массы, движущиеся возвратно-поступа­тельно, М₂. К вращающимся массам обычно относят массу кривошипа с подшипником шатуна и с частью массы шатуна (массой нижней головки шатуна), условно соединенной с кривошипом. В воз­вратно-поступательном движении участвуют следующие массы: масса поршня с поршневыми кольцами и поршневым пальцем, а также часть массы шатуна (масса верхней головки), условно соединенная с поршнем. Мы говорим «условно» потому, что в действительности масса стержня шатуна участвует как в посту­пательном, так и в колебательном движении, и это значительно усложняет рассуждения. Распределение массы шатуна между кривошипом и поршнем является допустимым упрощением.

Центробежная сила Fo, действующая на вращающиеся массы М₁, всегда направлена по радиусу (рис. 9.15). Эту силу легко уравновесить, если на коленчатый вал установить противовес с такой массой и на таком расстоянии от оси вращения, чтобы центробежная сила F_0w, действующая на эту массу, была равна центробежной силе F₀. Обе силы Fo и F_0w вращаются вместе с коленчатым валом, но всегда остаются в равновесии, незави­симо от ЧВ двигателя.

Рис. 9.15. Уравновешивание вращающихся масс:

а — неуравновешенная центробежная сила; б — полное уравновешивание

Инерционная сила F_b массы М₂ всегда действует вдоль оси цилиндра (рис. 9.16, а). Как уже говорилось, она нагружает коленчатый вал силой F_hk, действующей на кривошип. Силу F_bk можно разложить на две составляющие: силу F_s, перпендику­лярную радиусу кривошипа, и силу F_ab, перпендикулярную оси коленчатого вала, нагружающую его подшипники и вызывающую дисбаланс. Однако эту силу, внешне похожую на центробежную силу F_o, возникающую в результате вращения массы M₁, пол­ностью уравновесить противовесом не удается. Сила F_ob изме­няется от максимальной в мертвых точках до нуля в некоторых промежуточных положениях. Полное уравновешивание этой силы противовесом возможно только в том случае, если центро­бежная сила противовеса изменяется таким же образом, что и сила F_ob. На практике это невозможно, поэтому надо брать такой противовес, чтобы действующая на него постоянная центробежная сила Fo_P имела некоторое среднее значение. В этом случае в мертвых точках поршня (рис. 9.16, б) сила F_op будет меньше, чем F_ob, равная F_b, а в промежуточных положениях поршня (рис. 9.16, в) сила F_op будет больше F_ob. Во время каждого оборота коленчатого вала только в двух его положениях F_op = F_ob. В сумме на противовес будет действовать центробежная сила, равная F_ow+ F_0p.

Возникает вопрос, какая должна быть величина силы F_op? Иначе говоря, какую часть максимальной силы F_ob надо уравно­весить? Если F_o будет большой, она почти полностью уравновесит силу Fob в мертвых точках хода поршня, а в других положениях коленчатого вала будет избыточной. Двигатель будет неуравно­вешен в горизонтальной плоскости. Если Fo мала, то двигатель будет неуравновешен в направлении оси цилиндра.

Отношение силы Fo к максимальному значению силы F_0b называется коэффициентом уравновешенности. Значения этого коэффициента колеблются от 0,3 до 0,7. Заметим также, что он указывает, какую часть массы М₂ надо учитывать при вычисле­нии среднего значения F_ob = Fo.