На каждое колено коленчатого вала двигателя действуют изменяющиеся по величине и знаку тангенциальные силы Т {или крутящие моменты Мкр) и нормальные силы. Периодом их изменения для четырехтактных двигателей является два оборота коленчатого вала, а для двухтактных двигателей — один оборот. Эти силы вызывают в каждом колене вала непрерывно меняющиеся периодические деформации кручения (от сил Т% или моментов Мкр) и изгиба (от сил Z£), возбуждающие в коленчатом валу двигателя, как во всякой упругой механической •системе с материальными массами, периодические колебания. Тангенциальные силы вызывают крутильные колебания, а нормальные — изгибные.

Для коленчатых валов автомобильных двигателей наибольшую опасность представляют крутильные колебания, хотя и изгибные колебания в некоторых конструкциях могут привести кполомкеколенчатоговала.

Крутильные колебания опасны не только для деталей криво-шипно-шатунного механизма, но также и для всех механических передач, соединенных упругой связью с коленчатым валом. Поэтому при проектировании двигателей и механических передач всю систему (двигатель + трансмиссия) рассчитывают на крутильныеколебания.

Крутильные колебания вызываются периодическими изменениями тангенциальных сил, приложенных к коленам вала двигателя, и являются следствием крутильной упругости вала.

Для упрощения расчета действительную крутильную систему заменяют эквивалентной (рис. 175, а и б). Последняя представляет собой вал постоянного диаметра,не обладающий массой, с насаженными на нем дисками (сосредоточенными массами) с моментами инерции JuJt, …, заменяющими связанные с валом массы.

Действительная и эквивалентная системы имеют одинаковые частоты собственных (свободных) колебаний и почти точное совпадение форм этих колебаний.

Частотой собственных колебаний системы вала называются частота, с которой колеблется выведенная из покоя система без воздействия внешних сил. Система вала с к дисками имеет к—1 частот собственных колебаний. Если систему вывести из покоя произвольным образом (например, закрутить вал за концы в противоположные стороны и осовободить его), то одновременно возникнут собственные колебания с различной частотой, наложенные одно на другое.

Амплитудой колебаний (в радианах или градусах) называется наибольшее угловое отклонение колеблющегося диска от положения покоя.

Формой колебаний вала называется график амплитудных отклонений масс от положения покоя по длине эквивалентного вала.

Каждой частоте собственных колебаний соответствует определенная форма колебаний. Те сечения вала, которые при колебаниях не отклоняются от положения покоя, называются узлами колебания.

Форма колебаний обозначается по числу узлов (одноузло-вая форма, двухузловая форма и т. д.). Форма с самой высокой для «йстемы из к масс частотой колебаний имеет к — 1 узлов.

Отдельные свободные колебания масс на валу для данной формы могут быть гармоническими. При этом деформация валов должна быть прямо пропорциональна приложенному моменту. Если на валу установлена муфта с резиновыми элементами (предварительно сжатыми пружинами и т. п.) и зависимость угла закручивания вала от момента нелинейна, то колебания системы не будут гармоническими.

Крутящий момент, под действием которого вращается коленчатый вал, можно рассматривать, пользуясь методами гармонического анализа, как состоящий из суммы синусоидальных моментов (гармоник) с различными частотой, амплитудой и фазой.

Число периодов гармоники, приходящееся на один оборот двигателя, называется порядком гармоники. Так как основной период крутящего момента в четырехтактном двигателе равен двум оборотам, то полученные из гармонического анализа крутящего момента гармоники с периодами 1, 2, 3 … обозначаются как гармоники 1/2-го, 1-го, 1*/2-го … порядков; для двухтактных двигателей дробных порядковнет.

Вынужденные колебания системы вала под действием крутящего момента рассматривают как сумму гармонических колебаний, вызываемыхгармоникамиотдельныхпорядков.

Резонансными колебаниями называются колебания под действием гармоники какого-либо порядка, частота которой равна частоте собственных колебаний системы. Возникающие при резонансе сильные (вынужденные) колебания системы образуют форму, практически совпадающую с формой собственных колебаний соответствующей частоты. Поэтому различают резонанс одноузловой формы, двухузловой и т. д., рассматривая его Как результат действия возбуждающих сил и обозначают как резонанс гармоники 1/2-го порядка, резонанс гармоники 4V2-roпорядка и т. д.

Число оборотов двигателя, при котором возникает резонанс, называют резонансным числом оборотов (рис. 175, г).

Резонансы крутильных колебаний в рабочем диапазоне оборотов коленчатого вала двигателя являются не только нежелательными, но и в ряде случаев недопустимыми. При работе двигателе на резонансном режиме наблюдаетсяследующее:

1.Работа двигателя сопровождается усилением стуков и вибрации как самого двигателя, так и основания; при этом заметныевибрации ощущаются и в кузове автомобиля.

При увеличении или уменьшении числа оборотов коленчатого вала неприятные стуки и вибрации в двигателе уменьшаются или исчезают совсем.

2.Нагреваются отдельные участки коленчатого вала. Это явление чаще всего возникает в валах приводов от стационарных двигателей, если энергия крутильных колебаний расходуется на работу внутреннего (межмолекулярного) трения.

3.Уменьшается мощность двигателя при увеличении числа оборотов коленчатого вала. Это объясняется наличием в системе коленчатого вала крутильных колебаний, при которых некоторая часть мощности двигателя затрачивается на работу внутреннего межмолекулярного трения, а также на работу внешнего трения, возникающего при этих колебаниях и вибрации двигателя в целом.

Способы устранения колебаний могут быть различными. К ним относятся: 1) увеличение или уменьшение частот собственных колебаний системы путем изменения конструкции двигателя (увеличение или уменьшение движущихся масс или жесткостей участков между массами); 2) изменение работы возбуждающих моментов путем выбора другого порядка работы двигателя; 3) постановка специальных устройств (гасителей, или демпферов) для гашения крутильных колебаний.

Первые две меры борьбы с крутильными колебаниями весьма органичены посвоимвозможностям,атретья — универсальна.

Гасители крутильных колебаний можно разделить на три группы: 1) устройства, поглощающие энергию, подводимую возбуждающим моментом, вследствие чего уменьшается амплитуда колебаний; к этой группе относятся гасители сухого трения, гидравлические и ударные; 2) устройства, уравновешивающие возбуждающий момент или изменяющие частоту системы без рассеяния энергии; к ним относятся добавочные массы на пружине (динамический гаситель, устройства для отключения маховых масс при приближении к резонансу, муфты, маятниковые гасители); 3) смешанные устройства, действие которых основано частично на изменении жесткости системы или уравновешивании возбуждающего момента, частично на рассеянии энергии: резиновые гасители, динамические гасители с рессорными пружинами и др.

Широкое применение в автомобильных двигателях получили резиновые гасители крутильных колебаний (рис. 175, д). Маховая масса 1 в этом гасителе присоединена к кожуху 3 через слой резины 2. Резина одновременно является элементом, рассеивающим энергию, и пружиной, с помощью которой к системе присоединяется маховая масса.