Вибрация двигателя и способы уменьшения вибрации катера
Можно выделить три основные причины вызывающие вибрацию двигателя. Первая
причина - разновешенность возвратно-поступательных движений масс
двигателя - поршней, пальцев и от шатуна - приводящая к появлению
инерциальных нагрузок, действующих на двигатель.
Вторая причина - неравномерность крутящего момента за счет
непостоянства сил давления газов поршень. Неравномерность крутящего
момента, а инерциальных нагрузок принято представлять в виде
тригонометрической суммы периодических функций - гармоник. В связи с тем
что в четырехтактных двигателях рабочий ход происходит одни раз за дна
оборота, эта сумма начинается с половинной гармоники, т. е. с члена,
частота которого в два раза меньше частоты вращения двигателя. При
увеличении числа цилиндров суммарные нагрузки определяются
суммированием, с учетом того, что гармоники от каждого цилиндра сдвинуты
относительно предыдущего на угол между рабочими ходами.
У четырехцилиндрового рядного двигателя сумма гармоник начинается со
второй, далее идут четвертая и другие четные гармоники более высоких
порядков (впрочем, последние не оказывают существенного влияния ввиду их
малости). Крутящий момент шестицилиндрового двигателя отличается большей
равномерностью, причем основной вклад в него вносит более
высокочастотная третья гармоника.
Расчетная уравновешенность двигателя может быть получена только в том
случае, если массы возвратно-поступательно движущихся деталей строго
постоянны, все вращающиеся детали не имеют дисбаланса, а давление газов
в разных цилиндрах изменяется одинаково. Поскольку достичь этого
практически невозможно, действительная неуравновешенность двигателя
будет ниже теоретической. При этом в спектре колебаний многоцилиндровых
двигателей могут появиться гармоники низких порядков - первая н даже
половинная; это и является третьей причиной, вызывающей вибрацию
двигателя.
Еще один, часто недооцениваемый источник колебаний связан с динамической
и статической неуравновешенностью гребного или промежуточного нала,
подсоединенного к двигателю. Обычно повышенная вибрация по этой причине
появляется при использовании карданных валов, если они не подверглись
статической и динамической балансировке. В случае применения упругих
муфт (см. рис. 20, 21) без центрирующих элементов ось нала под действием
крутящего момента будет смещаться относительно оси двигателя, вследствие
неравномерной деформации или неравномерного износа резиновых элементов,
что приведет к появлению значительного дисбаланса. Особенно большое
смещение вала может произойти к поломке одного из болтов 6 (см. рис.
21). При Наличии центрирующих элементов на них действуют реакции,
пропорциональные крутящему моменту и зависящие от неравномерной
деформации резины. $ том случае, если резина и центрирующий элемент
расположены в разных поперечных плоскостях, силы, действующие на
центрирующий элемент и резину, образуют пару сил, изгибающих как нал
двигателя, так на подсоединенный к нему промежуточный или гребной Вал- В
связи с этим на двигатель будут действовать .знакопеременные моменты в
вертикальной и горизонтальной плоскостях с частотой первой гармоники.
Если двигатель соединен непосредственно с гребным валом, на него будет
действовать упор винта, (Который, как и крутящий момент, поглощаемый в
течение одного оборота, неравномерен. Более подробно о вибрациях,
связанных с работой винтодолевого корпуса, будет сказано ниже.
Если двигатель крепится жестко к корпусу, возмущающие силы вызывают
вибрацию не только двигателя, но и всего катера. Если же двигатель
укреплен на мягких амортизаторах, амплитуда вибраций самого двигателя
увеличится, так как возмущающие силы будут действовать уже только на
двигатель, Однако вибрация корпуса катера резко уменьшится. В этом
случае, как и при защите от воздушного шума, существенное осложнение
вызывают явления резонанса. При установке на амортизаторы двигатель
будет иметь шесть частот собственных колебаний. В случае совпадения
частоты собственных колебаний с одной из возмущающих гармоник,
действующих в том -же направлении, возникает явление резонанса; при этом
амплитуда вибрации самого двигателя возрастает, что приводит к росту
уровня вибрации корпуса катера.
В связи с тем что неравномерность крутящего момента даже на холостом
ходу значительна, амортизаторы автомобильных двигателей проектируются
обычно таким образом, чтобы собственная частота колебаний была в 1,8-2,5
раза ниже частоты основной возмущающей гармоники на холостом ходу, т. е.
первой - для двухцилиндровые, второй - для четырех- и третьей для
шестицилиндровых двигателей. Так, для четырехцилиндровых двигателей
собственные частоты колебаний f находятся в диапазоне 8-12 Гц.
Из теории колебаний можно привести простую зависимость, связывающую
частоту собственных колебаний со статическим прогибом т. е. со
сжатием амортизаторов под действием веса двигателя.
Таким образом, статический прогиб двигателей на амортизаторах составляет
2-4 мм. В этом случае при работе двигателя на максимальной частоте
вращения амплитуда знакопеременных нагрузок, передаваемая через
амортизаторы на раму, будет в 30- 100 раз меньше, чем при жестком
креплении. Более мягкая подвеска, хотя и обеспечит лучшую виброизоляцию,
но приведет к большим перемещениям двигателя при плавании катера на
волнении. Предположим, что быстроходный катер испытывает в условиях
волнения перегрузки Это значит, что инерциальные нагрузки, действующие
на любой элемент катера (в том числе на двигатель), в 5 раз больше его
веса. Следовательно, в этом случае перемещение двигателя на
амортизаторах может достичь 20 мм. Большие перемещения двигателя могут
возникнуть при резонансном воздействии перегрузок вследствие волнения.
Такие перемещения опасны для прочности амортизатора, а также усложняют
подсоединение валопровода, выпускной трубы и т. д. Таким образом, для
быстроходных глиссирующих катеров необходимо ограничить перемещение
двигателя на амортизаторах. Это может быть достигнуто уста нов кой
дополнительных резиновых ограничителей хода, подобных ограничителям хода
подвески в автомобилях. При обычных нагрузках работает штатный
амортизатор, и жесткость подвески невелика; при значительных смещениях
вступают в работу ограничители, которые уменьшают перемещение двигателя
и разгружают штатные амортизаторы.
Приведенные рассуждения справедливы для случая, когда двигатель
установлен на абсолютно жестком фундаменте, масса которого по крайней
мере в раза больше массы двигателя. Если фундамент двигатель
спроектирован правильно, он может Даться абсолютно жестким, так как его
жесткость обязательно больше жесткости амортизаторов. В этом аде катер
совершает колебание, как жесткое тело, жесткого фундамента - т. е. масса
катера - значило больше массы двигателя. Если теперь уменьшить жесткость
фундамента, то в силовых конструкциях будут возникать все большие
деформации, препятствующие развитию колебаний катера как жесткого тела.
Таким образом, при уменьшении жесткости фундамента масса фундамента как
бы уменьшается. Это приведет к тому, что уровень вибрации
увеличится, хотя и будет оставаться значительнее, чем при жестком
креплении двигателя, вровень вибрации в помещениях катера при работе
двигателя зависит от уровня вибрации в районе роторной рамы. Однако
зависимость эта не однородна, так как на передачу вибрации большое
влияют и оказывают частота вибрации и материал, из которого выполнены
силовые конструкции катера. Здесь имеет место явление резонанса,
возникающего, как вследствие резонансных изгибных колебаний
элементов набора. Улучшить виброизоляцию о не только за счет повышения
жесткости силовых элементов набора и подмоторного фундамента, путем
использования дерева и стеклопластика, материалов, обладающих большим
внутренним сопротивлением.
Жесткость подмоторного фундамента катера в плоскости должна иметь тот же
порядок что и у автомобиля соответствующей марки. Так, жесткость рамы
легкового автомобиля составляет о 10 000 кгс/см, в то время как
жесткость всех амортизаторов составляет 400-800 кгс/см. Для
повышения жесткости рамы в горизонтальной1 плоскости ее крепят к
шпангоутам кницами 14. В местах установки поперечин 4 верхняя полка
усилена. Следует отметить, что рама, выполненная из одной доски,
поставленной иа ребро, как правило, не обладает необходимой изгибной
жесткостью. Расстояние между балками желательно принимать минимальным,
однако для удобства обслуживания оно должно быть не меньше 500 мм.
Рис. 30. Фундамент под двигатель 1-задний
амортизатор; 2-передний амортизатор; 3- стойка амортизатора 1 (стальной
лист 6=4, или АМГ 6 = 10); 4-поперечина сварная (сталь, лист 6=3 или АМГ
лист 6=3); 5-полка подмоторной рамы (сосна 120X40, дуб 120X30); 6 -
опора (6=23 f 25); 7-полка (40 X 30); 8-стрингер (30X50). 9 - шпилька М8
(латунь), 10 - ребро (бакелитовая фанера, 6=8); И - уголок 50X5. (Д16);
12-ребро 6=4 + 5 Щ16); 13-стрингер-уголок 50X5 Д16. АМГ); 14 - кница.
6=3 (Д16. АМГ); 15-платик 200ХЮ4Х5. Д1б (устанавливается я районе
крепления поперечин).
В некоторых случаях, например для удобства смены полнопроточного
фильтра, балки целесообразно размещать на разном расстоянии от ДП.
Амортизаторы крепятся не непосредственно к раме, а к двум поперечинам 4,
жесткость которых также должна быть достаточно высокой. Чтобы переборка
или транец полностью передавали усилия с рамы на такие жесткие элементы
катера, как борта и палубу, они также должны быть достаточно жесткими.
Переборка же, зашитая тонким листом фанеры или металла, не обладает
необходимой жесткостью и под действием сжимающих напряжений можно
потерять устойчивость, поэтому переборку усилили ребрами жесткости (при
толщине переборки, больше 10 м.м. ребра можно не устанавливать).
На максимальной частоте вращения в самом двигателе могут возникнуть
резонансные изгибные колебания, т. е. колебания двигателя относительно
опор к гибкой балки, частотой 80 Гц и выше; при этом Зрительно
увеличиваются шум и вибрация катера. Доводка автомобильных двигателей
включает кроме мероприятий по выводу двигателей из опасных частот
колебаний. В частности, современные высокооборотные автомобильные
двигатели марок ГАЗ-24, УМЗ-412, ВАЗ снабжены тоннельными картами. В
случае, если при конверсии вместо штатной коробки передач устанавливают
более длинный тяжелый реверсредуктор или угловой редуктор (посредством
удлинителя), частоты изгибных колебаний могут попасть в опасный
диапазон. Это не только приведет к усилению шумов и вибрации, но может
служить причиной усталостных поломок картерных солей. Косвенным
признаком этого может служить веянное ослабление резьбовых соединений,
крепящих картер сцепления и реверсредуктор. В этом случае. необходимо
установить дополнительные раскосы, увеличивающие жесткость агрегата.
