Вибрации в моторе: 5+ причин для беспокойства
Хотите познать секреты Вселенной – мыслите единицами измерения энергии, частоты и вибрации.
Никола Тесла
ДВС – это множество массивных деталей, движущихся с ускорениями. Если удается спроектировать мотор таким образом, чтобы все силы и моменты уравновешивали друг друга, получается самоуравновешенный мотор. Но на практике так выходит далеко не всегда.
Взять хотя бы коленчатый вал – весь такой «неравномерный», да еще обвешанный шатунами. Массу нижней головки шатуна вместе с шатунной шейкой удается уравновесить противовесами, расположенными на коленвалу. А еще в двигателе довольно большие массы – поршни и верхние головки шатунов – движутся возвратно-поступательно. Это вызывает появление сил, которые потряхивают двигатель вдоль оси цилиндра. Их можно разделить на силы инерции первого и второго порядка.
Силы инерции возникают из-за того, что поршень движется в цилиндре не равномерно, а достигая максимальной скорости в середине своего хода и останавливаясь в верхней и нижней мертвой точках.
- Силы инерции первого порядка примерно пропорциональны массе деталей, движущихся возвратно-поступательно, радиусу кривошипа, квадрату угловой скорости коленвала и косинусу его угла поворота.
- Силы инерции второго порядка пропорциональны массе деталей, движущихся возвратно-поступательно, квадратам угловой скорости и радиуса кривошипа, косинусу удвоенного угла поворота коленчатого вала и обратно пропорциональны длине шатуна. Двигатели с длинными шатунами почти не нуждаются в уравновешивании сил инерции второго порядка, но невыгодны конструктивно из-за роста высоты блока цилиндров.
Уравновешиваем!
Силы инерции второго порядка уравновешивают двумя валами со смещенными массами, вращающимися вдвое быстрее коленвала.
В трехцилиндровых рядных моторах с кривошипами, размещенными под углом 120 градусов, силы инерции первого и второго порядков уравновешены. Но при этом неуравновешенными будут моменты от сил инерции первого и второго порядков. Моменты от сил инерции первого порядка уравновешивают одним валом, вращающимся с частотой вращения коленвала. Другими возмущениями пренебрегают – поэтому на практике почти все трехцилиндровики имеют режимы, на которых чувствуется «зуд».
В четырехцилиндровых рядных моторах уравновешены все силы и моменты, кроме сил инерции второго порядка. Если поршни двигателя не очень велики (то есть при рабочем объеме примерно до двух литров), силы инерции второго порядка незначительны и ими пренебрегают. При большей размерности приходится устанавливать уравновешивающие валы.
Идеально сбалансированным двигателем является рядная «шестерка» и ее производная – мотор V12.
Уравновешенность двигателей от времени работы и износа не меняется. Если у мотора отказал привод балансирного вала, весьма вероятно, что жить ему осталось недолго. Например, на корейских четырехцилиндровых двигателях балансирные валы приводятся от масляного насоса, а на некоторых моторах Mitsubishi – зубчатым ремнем привода ГРМ.
Признаки самоуравновешенности двигателя – это равенство нулю суммарных сил инерции поступательно-движущихся масс (вызываемых ускорением с частотой, равной частоте вращения коленчатого вала двигателя и удвоенной частоте вращения – это силы инерции первого и второго порядка) и суммарных центробежных сил. К ним добавляются моменты этих сил, действующие относительно середины коленчатого вала в плоскости оси коленчатого вала. Итого – шесть признаков.
У вас массы неисправны
У идеального двигателя массы всех одноименных деталей одинаковы, все вращающиеся детали имеют балансировку, или, наоборот, расчетный дисбаланс, но точно выдержанный. Если эти условия не соблюдены, двигатель будет вибрировать с частотой того элемента, который несбалансирован.
В эксплуатации чаще всего проблемы возникают вследствие износа тех или иных деталей. Например, сильную вибрацию двигателя вызывают шкивы коленвала с резиновым демпфером при разрушении последнего. Тот же эффект могут обеспечивать разрушенные двухмассовые маховики.
Свою долю может внести неграмотный ремонт двигателя. Например, важна установка поршней с минимальным отличием по массе (желательно – не более одного грамма). Естественно, при ремонте нужно точно установить балансирные валы – иначе вместо снижения вибрации силовой агрегат может пуститься в пляс.
Дисбаланс способна внести даже неточная шлифовка коленвала в ремонтный размер, когда у четырехцилиндрового двигателя шатунные шейки получаются лежащими не точно через 180 градусов.
Идеально сбалансированный рядный шестицилиндровый двигатель.
Уравновешивание четырехцилиндрового двигателя.Откуда вибрации?
Самой частой причиной повышенной вибрации двигателя является разнобой в работе цилиндров. Худшая работа одного или нескольких цилиндров приводит к тому, что коленчатый вал начинает вращаться неравномерно – двигатель начинает трясти. В простейшем случае двигатель «троит» – так во все времена говорили водители автомобилей с четырехцилиндровым двигателем, у которого не работал один цилиндр.
Влияние одного цилиндра на работу мотора очень заметно, ведь мы лишаемся не четверти мощности, а еще больше вследствие насосных потерь и потерь на трение. Добавим сюда неравномерность вспышек – и вот возникает неприятнейшая тряска. Зато некоторые нерадивые водители восьмицилиндровых ЗИЛ‑130 могли всю смену ездить с неработающим цилиндром. Когда цилиндров много, потеря одного не так ощутима.
Кто испортил цилиндр
У ненормальной работы цилиндра возможны несколько причин. Рассмотрим их подробнее.
- Отсутствует (или низкая) компрессия
Причин потери компрессии может быть много. Например, прогар поршня, выражающийся в отверстии в донышке или в районе поршневых колец.
- Прогар клапана – появление щели, через которую газы свободно выходят, даже когда клапан прижат к седлу.
Прогорание прокладки головки блока цилиндров тоже ведет к отсутствию компрессии, особенно на моторах со старыми, толстыми металлоасбестовыми прокладками.
Если компрессия сохранилась, но заметно упала, цилиндр тоже в полную силу хорошо работать не будет, а потому вызовет вибрацию. Причины – задранные цилиндры или залегшие кольца, неплотно закрывающиеся клапаны и начинающая прогорать прокладка ГБЦ.
- Недостатки в топливоподаче
Форсунка может полностью выйти из строя, и тогда цилиндр вообще не будет работать. А плохо работать он будет с форсункой, у которой засорен распылитель. Меньше это будет чувствоваться на двигателе с распределенным впрыском топлива и гораздо сильнее на моторе с прямым впрыском или на дизеле.
- Отсутствие искры или плохое искрообразование
Перебои в искрообразовании могут быть вызваны неисправностью либо сильным загрязнением свечи. Тот же эффект обеспечивают пробитые или с утечками тока катушки зажигания и высоковольтные провода.
- Неправильное воздухоснабжение
В один из цилиндров может поступать слишком мало или слишком много воздуха. Мало – когда сильно разрегулирован клапан или проблемы с заслонками, регулирующими длину впускного канала. Много воздуха поступает, когда повреждена прокладка впускного трубопровода в месте подвода воздуха к цилиндру.
Симметрия нужна!
Двигатель – механизм симметричный. Сколько бы цилиндров в нем ни было, все должны работать одинаково и ровно. Иначе будет трясти.
- Поддержать хорошее состояние узлов и агрегатов автомобиля поможет американская автохимия Cyclo и присадки SUPROTEC.
- О том, как правильно обслуживать автомобиль, читайте в книгах издательства «За рулем».
- «За рулем» можно читать и в Viber.
Фото: фирмы-производители
11123