Балансировочные валы используются в поршневых двигателях для снижения вибрации за счет устранения несбалансированных динамических сил. Валы противовеса имеют эксцентриковые грузы и вращаются в противоположном друг другу направлении, что создает результирующую вертикальную силу.
Балансировочный вал был изобретен и запатентован британским инженером Фредериком В. Ланчестером в 1907 году. [1] [2] Он чаще всего используется в рядных четырехцилиндровых двигателях и двигателях V6 , используемых в автомобилях и мотоциклах.
_031.jpg/1280px-Lanchester_patent_harmonic_balancer_(Modern_Motors,_I)_031.jpg)
Принцип работы системы уравновешивающих валов заключается в том, что два вала с одинаковыми эксцентриковыми грузами вращаются в противоположных направлениях со скоростью, вдвое превышающей скорость двигателя. Фазировка валов такова, что центробежные силы , создаваемые грузами, компенсируют вертикальные силы второго порядка (при удвоенной частоте вращения двигателя ), создаваемые двигателем. [3] Горизонтальные силы, создаваемые балансирными валами, равны и противоположны и поэтому компенсируют друг друга.
Балансировочные валы не уменьшают вибрации, испытываемые коленчатым валом . [4]
Во многих мотоциклетных двигателях, особенно в двигателях с параллельными сдвоенными валами , используются системы уравновешивающих валов, например, двигатели Yamaha TRX850 и Yamaha TDM850 имеют коленчатый вал с углом поворота 270° и балансирным валом. Альтернативный подход, используемый в BMW GS с параллельными сдвоенными двигателями , заключается в использовании «фиктивного» шатуна, который перемещает шарнирный противовес.
Балансировочные валы часто используются в рядных четырехцилиндровых двигателях для уменьшения вибрации второго порядка (вертикальной силы, колеблющейся со скоростью , вдвое превышающей обороты двигателя ), которая присуща конструкции типичного рядного четырехцилиндрового двигателя. Эта вибрация возникает из-за того, что движение шатунов в рядном четырехцилиндровом двигателе с равномерным режимом работы не симметрично на протяжении всего вращения коленчатого вала; таким образом, в течение заданного периода вращения коленчатого вала нисходящие и восходящие поршни не всегда полностью противоположны в своем ускорении, вызывая результирующую вертикальную силу дважды за каждый оборот (которая увеличивается квадратично с увеличением числа оборотов в минуту). [5]
Уровень вибрации также увеличивается с увеличением объема двигателя, в результате чего балансирные валы часто используются в рядных четырехцилиндровых двигателях с рабочим объемом 2,2 л (134 куб. Дюймов) или более. Как увеличенный ход , так и диаметр отверстия вызывают повышенную вторичную вибрацию; больший ход увеличивает разницу в ускорении, а больший диаметр увеличивает массу поршней.
Ланчестерская конструкция систем балансировочных валов была усовершенствована в Mitsubishi Astron 80 , рядном четырехцилиндровом автомобильном двигателе, представленном в 1975 году. Этот двигатель был первым, в котором один уравновешивающий вал располагался выше другого, чтобы противодействовать паре качения второго порядка (т.е. примерно на оси коленчатого вала) из-за крутящего момента, создаваемого инерцией, вызванной увеличением и уменьшением частоты вращения двигателя. [6] [7]
В четырехцилиндровом двигателе силы компенсируются поршнями, движущимися в противоположных направлениях. Поэтому балансировочные валы не нужны в четырехцилиндровых двигателях.
Балансировочные валы также используются в рядных пятицилиндровых двигателях , таких как GM Vortec 3700 .
В рядном шестицилиндровом и оппозитном шестицилиндровом двигателе силы качания естественным образом уравновешиваются, поэтому уравновешивающие валы не требуются.
Двигатели V6 по своей сути несбалансированы, независимо от угла наклона V-образного цилиндра. Любой рядный двигатель с нечетным числом цилиндров имеет первичный дисбаланс , вызывающий сквозное раскачивание. Поскольку каждый ряд цилиндров в V6 имеет три цилиндра, каждый ряд цилиндров испытывает это движение. [8] Балансировочные валы используются в различных двигателях V6 для уменьшения раскачивания.
Примерами являются двигатель Mercedes-Benz OM629 и Volvo B8444S . [9]