Двигун внутрішнього згоряння – це складний механізм, у якому масивні деталі рухаються з високими прискореннями. Кожне прискорення, помножене на масу, породжує силу, а таких сил у моторі чимало.
- Сили інерції поступальних мас – це поршні та всі елементи, що з ними з’єднані.
- Сили інерції обертових мас – наприклад, шийки колінчастого вала та навісні деталі.
Коли ці сили діють через певне плече, вони створюють моменти сил. Усі ці навантаження передаються на опори двигуна та кузов автомобіля, викликаючи вібрації. Їхня інтенсивність залежить від конструкції мотора: кількості циліндрів, схеми їх розташування, кута розвалу, порядку роботи та швидкості обертання колінчастого вала.
Самоврівноважені двигуни
У певних конструкціях двигуна геометрія та порядок роботи циліндрів забезпечують такий розподіл мас, що сумарні сили інерції та моменти від їх дії зводяться до нуля. Тоді мотор вважається повністю самоврівноваженим. Ознаки такої врівноваженості наступні:
- відсутність сумарних сил інерції поступальних мас першого та другого порядку. Сили інерції поступальних мас виникають через рух поршнів у двигуні. Коли поршень різко змінює напрямок вгорі чи внизу ходу, він створює поштовхи, які передаються на мотор і кузов. Перший порядок – це основні вібрації, що повторюються з тією ж частотою, з якою обертається колінчастий вал. Другий порядок – це додаткові, більш дрібні коливання, які виникають удвічі частіше, бо поршень рухається нерівномірно: у верхній частині ходу він прискорюється сильніше, ніж у нижній. Простіше кажучи: перший порядок – це «головна тряска» від поршнів, а другий – «дрібна вібрація», яка додається зверху. Саме їх інженери намагаються компенсувати балансирними валами чи іншими рішеннями, щоб двигун працював плавно;
- відсутність сумарних центробіжних сил;
- компенсація моментів цих сил відносно середини колінчастого вала.
До повністю самоврівноважених належать рядні шестициліндрові двигуни (V6) та V12. Саме вони славляться винятковою плавністю роботи й мінімальними вібраціями.
Інженерні хитрощі для інших двигунів
Більшість двигунів не мають природної врівноваженості, тому конструктори застосовують додаткові рішення:
- маховики зі спеціальним дисбалансом або додаткові противаги на колінчастому валі для компенсації моментів;
- балансирні механізми, що обертаються синхронно з колінчастим валом (для сил першого порядку) або з удвічі більшою швидкістю (для сил другого порядку).
Такі системи дозволяють зменшити вібрації, підвищити комфорт водія та пасажирів, а також продовжити ресурс самого двигуна й елементів трансмісії.
Цікаво знати
- Самоврівноваженість – одна з причин, чому рядні «шістки» досі цінуються у преміальних авто, навіть попри складність і габарити.
- V12 – класика спортивних і люксових машин, де плавність роботи та відсутність вібрацій мають вирішальне значення.
- Балансирні вали вперше масово почали застосовуватися у 70-х роках, коли виробники прагнули зробити чотирициліндрові мотори більш комфортними.
- Цікаво, що рядна «четвірка» без балансирних валів має характерний «дзижчання» на високих обертах — саме через сили другого порядку.
- У мотоциклах часто використовують балансирні механізми, бо невеликий двигун із двома циліндрами створює сильні вібрації, які відчуває водій.
- Деякі виробники спеціально залишають частину вібрацій — наприклад, у спортивних авто, щоб водій відчував «живий» характер двигуна.
- У дизельних моторах питання врівноваження ще важливіше, адже великі поршні й високі тиски створюють значно сильніші інерційні сили.
