Свободные крутильные колебания. Коленчатый вал двигателя и остальные жестко соединенные с ним валы являются упругими телами. На них насажены массы, обладающие значительными моментами инерции. Такая система вал — массы способна совершать крутильные колебания.

Пусть, например, вал несет на себе две вращающиеся массы. Если приложить к этим массам моменты, как показано сплошными стрелками, то вал окажется скрученным и каждая масса повернется на угол а.

При этом предполагается, что вал скручен в пределах упругих деформаций.

Рис. 1. Двухмассовая система

Допустим, что действие моментов сразу прекратится. В силу упругости вала система будет возвращаться в положение равновесия, причем массы будут поворачиваться так, как показано пунктирными стрелками. Вследствие инерции массы при возвратных поворотах не остановятся в положении равновесия, а перейдут его, и вал окажется скрученным, но уже в обратном направлении. Упругость вала опять вызовет поворот масс, а они по инерции вновь перейдут через положение равновесия,,т. е. процесс повторится. Таким образом, после прекращения действия Моментов система начнет совершать колебательное движение, при котором вал будет скручиваться то в одном, то в другом направлении.

Рис. 2. Формы крутильных колебаний трехмассовой системы:
а — одноузловая; б — двухузловая

Ничто не изменится, если во время совершения колебаний вал будет равномерно вращаться. При этом массы то будут опережать те положения, которые занимали бы, вращаясь с постоянной угловой скоростью, то отставать от них.

Упругие колебания вала и насаженных на него Масс, возникающие после прекращения действия моментов, называются свободными крутильными колебаниями. Они совершаются лишь под влиянием упругих сил материала вала и моментов инерции масс.

Свободные крутильные колебания, как и все свободные упругие колебания, происходят всегда с определенной частотой (числом колебаний в единицу времени), называемой частотой свободных колебаний. Эта частота зависит от упругости вала и моментов инерции масс.

Если у системы больше, чем две массы, то она может иметь несколько форм колебаний. Так,, если система трехмассовая, то возможны колебания, при которых две соседние массы движутся в одном направлении, а третья — в другом. Вал будет иметь сечение, остающееся при колебаниях неподвижным. Такое сечение называется узлом колебаний, а колебания с одним узлом — одноузловыми.

Однако в трехмассовой системе возможны и такие колебания, при которых средняя масса движется противоположно крайним. Тогда узлов колебаний будет два и колебания называются двухузловыми.

Таким образом, трехмассовая система может иметь колебания одно- и двухузловой форм. Обобщая сказанное, можно отметить, что у многомассовой системы форм колебаний бывает на одну меньше, чем количество масс. У каждой формы своя частота свободных колебаний, причем чем выше форма колебаний (т. е. чем больше узлов), тем больше частота свободных колебаний.

В связи с действием сил сопротивления свободные колебания будут затухать. Основными силами сопротивления крутильным колебаниям являются силы внутреннего трения материала вала.

Вынужденные колебания. Момент, выводящий систему из состояния равновесия, называется возмущающим. Если он будет периодически изменяющимся, то под его действием система вал — массы начнет совершать вынужденные колебания, частота которых совпадет с частотой возмущающего момента, а амплитуда будет зависеть от значения момента. Во время работы двигателя возмущающим является вращающий момент, форма изменения которого в той или иной степени близка к синусоидальной.

С изменением частоты возмущающего момента, что бывает при изменении скорости вращения вала, изменяется и частота вынужденных колебаний системы. Если частота возмущающего момента совпадает с частотой свободных колебаний, то наступает явление резонанса. При резонансе амплитуда вынужденных колебаний во много раз увеличивается по сравнению с амплитудой при том же значении возмущающего момента вне резонанса. Поэтому при резонансе она может достичь больших значений даже при умеренной величине возмущающего момента.

Частота вращения, при которой наступает резонанс, называется критической. У двигателя может быть несколько критических частот вращения: при одних наступает резонанс с одноузловой формой колебаний при других — с двухузловой и т.д. Возмущающие моменты могут быть разных порядков, т. е. разных частот. Наиболее опасны резонансы первого порядка с одно- и двухузловой формами колебаний.

Когда двигатель работает на критической частоте вращения, он сильна вибрирует на фундаменте, во всех сочленениях слышится стук. Детали движения испытывают при этом ударные нагрузки, что приводит к повышенному их износу. При значительных амплитудах колебаний возможна поломка вала вследствие усталости материала. Поэтому работа на критической частоте вращения запрещается, вблизи нее устанавливается запретная зона. Она отмечается на тахометре, указывается в документах на двигатель. При изменении подачи топлива запретную зону частоты вращения надо проходить быстро, не допуская работы двигателя в ней.

Демпферы. При проектировании силовой установки не всегда удается создать такую систему, крутильные колебания которой в рабочей зоне частоты вращения не опасны и их амплитуды при прохождении через резонанс невелики. Поэтому иногда двигатель снабжается устройством, поглощающим энергию колебаний и тем самым уменьшающим их амплитуду. Такие устройства называются демпферами. На флоте встречаются демпферы жидкостного и сухого трения.

В демпферах жидкостного трения энергия крутильных колебаний поглощается силами внутреннего трения жидкости. Одним из таких демпферов является силиконовый, устанавливаемый на двигателях НФД48, 6ЧРН 36/45 и др.

К фланцу носового конца коленчатого вала призонными болтами крепится корпус демпфера. Внутрь корпуса вставлена кольцевая масса, свободно вращающаяся относительно него на втулках, запрессованных в-массу. Корпус закрыт крышкой, прикрепленной болтами. В зазор, образующийся между массой, корпусом и его крышкой, заливается силиконовая жидкость. Чтобы избежать ее утечки и попадания внутрь демпфера воздуха, места соединений крышки с корпусом заливаются эпоксидным клеем.

Корпус совершает колебания вместе с концом коленчатого вала, тогда как масса вследствие инерции вращается практически с постоянной скоростью. Поэтому при колебаниях корпус будет проскальзывать относительно массы. На преодоление возникающего во время проскальзывания вязкостного трения силиконовой жидкости, заполняющей зазор, затрачивается энергия колебаний, что приводит к уменьшению их амплитуды. Вскрывать силиконовый демпфер запрещается.

Ступица демпфера сухого трения, устанавливаемого на двигателях НФД48, имеет конический обод и жестко крепится к носовому концу коленчатого вала. К ободу присоединен шпильками обод, представляющий зеркальное отражение обода. К внешней поверхности отогнутых ободов приклепаны сегменты из фрикционного материала. Пружины прижимают к сегментам два диска, связанные между собой тремя плавающими пальцами. Затяжка пружин регулируется нажимными втулками, ввернутыми в гнезда дисков.

Рис. 3. Диаграмма вращающего момента четырехтактного восьмицилиндрового дизеля

Рис. 4. Демпфер жидкостного трения

Рис. 5. Демпфер сухого трения

Рис. 6. Схема бифилярного антивибратора

Рис. 7. Схема антивибратора двигателя 10Д40

Демпфер работает подобно рассмотренному. Ободы совершают колебания вместе с концом коленчатого вала , т. е. вращаются с переменной скоростью, тогда как диски вследствие их инерции стремятся вращаться с постоянной скоростью. Поэтому ободы при колебаниях проскальзывают относительно дисков. В данном случае энергия колебаний затрачивается на преодоление трения, возникающего при проскальзывании между дисками и сегментами.

Исправность действия демпфера зависит от силы затяжки пружин. Регулировать затяжку пружин могут только специалисты, регулирование ее обслуживающим персоналом запрещается.

Антивибраторы. Для борьбы с крутильными колебаниями применяют также динамические гасители, называемые антивибраторами. Принцип их работы заключается в следующем.

Допустим, что к упругой (т. е. способной совершать колебания) системе присоединена другая система, которая может колебаться относительно нее. Если на первую систему будет действовать возмущающая сила или возмущающий момент с частотой, равной частоте свободных колебаний второй системы, то совершать колебания будет только эта вторая система, а первая участвовать в колебаниях не будет.

Следовательно, вторая система является динамическим гасителем колебаний первой системы, т. е. антивибратором.

Для гашения крутильных колебаний антивибратор навешивается следующим образом. Маятник двумя пальцами связан с вращающимся диском, участвующим в крутильных колебаниях (например, с щекой кривошипа). Пальцы вставлены в отверстия маятника и в отверстия диска с большими зазорами. За счет зазоров между пальцами и стенками отверстий, между пальцами и стенками отверстий маятник может совершать колебания. Крайние положения колеблющегося маятника показаны штрихпунктирными линиями. За счет этих колебаний маятника и будет происходить гашение крутильных колебаний вала.

С помощью антивибраторов гасят не только крутильные, но и продольно-изгибные колебания коленчатого вала, совершающиеся вследствие действия переменных радиальных сил. Гасители этих двух видов колебаний иногда объединяют в один узел.

На носовой конец коленчатого вала жестко насажена ступица антивибратора. Четыре маятника, предназначенные для гашения крутильных колебаний, соединены со ступицей двумя пальцами каждый. Пальцы имеют большие зазоры как в отверстиях ступицы, так и в отверстиях маятников. Это позволяет маятникам совершать качательные движения в плоскости, перпендикулярной оси вала, т. е. гасить крутильные колебания.

Два маятника соединены со ступицей двумя пальцами каждый с аналогичными зазорами. Эти маятники имеют возможность качаться в плоскости, проходящей через ось вала, т. е. гасить продольно-изгибные колебания.

Пальцы зафиксированы от осевого смещения заглушками, закрепленными на маятниках.

У мало- и среднеоборотных двигателей антивибраторы применения не нашли, так как получаются слишком громоздкими.