Кампаноўкі рухавікоў: радныя, V-вобразныя і апазітныя

На світанку XX стагоддзя, калі аўтамабільная інжынерыя развівалася на поўным ходзе, 10-літровы рухавік мог быць як аднацыліндравым, так і, скажам, радным васьмерыком. У тыя часы нікога не здзіўляў ні 23-літровы радны шасцерык, ні сямʼіцыліндравы зорачны авіяцыйны рухавік, перасаджаны ў аўтамабіль.

Па меры росту масавай вытворчасці і ўзмацнення ціску з боку выдаткаў усё стала на свае месцы. Аднацыліндравы рухавік ператварыўся ў рэлікт мінулага. Сёння сярэдні аб’ём аднаго цыліндра ў звычайным аўтамабільным рухавіку складае ад 300 да 600 кубічных сантыметраў, а ўдзельная магутнасць вагаецца ад прыкладна 35 к.с./л у атмасферным дызелі да 100 к.с./л у высокафарсіраваным бензінавым рухавіку. Гэта і ёсць аптымальныя кропкі для масавай вытворчасці — выходзіць за іх межы проста неэканамічна.

Дык як жа выглядае сучасны ландшафт рухавікоў? У агульных рысах:

• Рухавік на 100 к.с. звычайна мае чатыры цыліндры
• Рухавік на 200 к.с. звычайна мае чатыры, пяць ці шэсць цыліндраў
• Рухавік на 300 к.с. часцей за ўсё мае восем цыліндраў

Але як менавіта могуць быць размешчаны гэтыя цыліндры? Якія варыянты кампаноўкі ёсць у інжынераў пры праектаванні шматцыліндравага рухавіка? Давайце разбяромся.

Радныя рухавікі: простыя, але ўсё больш непрактычныя

Галоўнае пытанне, якое стаіць перад любым канструктарам рухавікоў, — як спрасціць канструкцыю, утрымліваючы вытворчыя выдаткі нізкімі, а абслугоўванне простым. На гэтым фронце радны (лінейны) рухавік выйграе бясспрэчна. Цыліндры размешчаны ў адзін рад, а павялічыць аб’ём гэтак жа проста, як дадаць яшчэ некалькі з іх.

Вось як на практыцы выглядаюць разнавіднасці радных рухавікоў:

• Двух- і трохцыліндравыя рухавікі адносна рэдкія ў аўтамабілях, хаця двухцыліндравы фармат перажывае вяртанне дзякуючы перадавому ўпырску паліва і турбанадзіманню — добры прыклад гэтага турбіраваны 85-сільны двухцыліндравы рухавік у Fiat 500.
• Радны чацверык — рабочы конь свету легкавых аўтамабіляў, які ахоплівае аб’ёмы ад 1,0 да 2,4 літра.
• Радныя пяцерыкі — больш позняя распрацоўка. Mercedes-Benz упершыню стварыў дызельны пяцицыліндравік у 1974 годзе (мадэль 300D на платформе W123), услед за ім праз два гады зʼявіўся двухлітровы бензінавы пяцерык ад Audi, а ў канцы 1980-х да іх далучыліся Volvo і Fiat.
• Радныя шасцерыкі, якія доўгі час былі любімцамі еўрапейцаў за сваю плаўнасць, становяцца ўсё больш рэдкімі. Іх яшчэ больш доўгі сабрат, радны васьмерык, фактычна быў пакінуты яшчэ ў 1930-х гадах.

Прычына гэтай тэндэнцыі простая: чым больш цыліндраў вы дадаеце, тым даўжэйшым становіцца рухавік — і гэта стварае сур’ёзныя праблемы з кампаноўкай. Размясціць радны шасцерык папярочна ў маторным адсеку пярэднепрыводнага аўтамабіля, напрыклад, удавалася толькі ў нешматлікіх выпадках: Austin Maxi 2200 (дзе спатрэбілася размясціць каробку перадач пад рухавіком) і Volvo S80 з яе ультракампактнай каробкай перадач.

V-вобразныя і апазітныя рухавікі: кампактныя, але складаныя

Дык як жа ўкараціць радны рухавік? Элегантнае рашэнне: разрэзаць яго напалову, размясціць абедзве паловы побач і прывесці ў дзеянне адзіны каленчаты вал абедзвюма. У гэтым і ёсць сутнасць V-вобразнага рухавіка.

Найбольш распаўсюджаныя канфігурацыі V-вобразных рухавікоў выкарыстоўваюць развал паміж радамі цыліндраў у 60° ці 90°. Дайдзіце гэтым вуглом аж да 180° — цыліндры скіраваны прама ў процілеглыя бакі — і вы атрымаеце апазітны рухавік, таксама вядомы як боксер (адсюль і пазначэнні B2, B4, B6).

Кампрамісы ў параўнанні з радным рухавіком значныя:

• Дзве галоўкі цыліндраў — кожная са сваёй пракладкай і калектарамі
• Больш размеркавальных валоў і больш складаны механізм прывода клапанаў
• Большая шырыня (асабліва для апазітных рухавікоў), што абмяжоўвае месцы іх усталявання
• Вышэйшы кошт вытворчасці і больш складанае абслугоўванне

З-за гэтых недахопаў апазітныя рухавікі выкарыстоўвае толькі невялікая колькасць вытворцаў — найбольш прыкметныя сёння Porsche і Subaru.

А што наконт таго, каб зрабіць V-вобразны рухавік яшчэ больш кампактным, паменшыўшы развал ніжэй за 60°? Так рабілі — Lancia Fulvia 1970-х гадоў мела V4 з усяго толькі 23-градусным вуглом. Але ёсць загваздка: чым вузейшы вугал, тым цяжэй збалансаваць рухавік. Што падводзіць нас да адной з найбольш крытычных праблем у праектаванні рухавікоў.

Вібрацыя рухавіка: сілы, моманты і як іх утаймаваць

Ні адзін поршневы рухавік унутранага згарання не пазбаўлены цалкам ад вібрацыі — гэта закладзена ў самой канструкцыі. Але кіраванне вібрацыяй мае вырашальнае значэнне, і не толькі для камфорту пасажыраў. Моцная незбалансаваная вібрацыя можа фізічна разбурыць кампаненты рухавіка з усімі катастрафічнымі наступствамі, што нясуць за сабой дэталі, якія разлятаюцца на вялікай хуткасці.

Адкуль бярэцца вібрацыя рухавіка? Ёсць тры асноўныя крыніцы:

• Нераўнамерныя інтэрвалы запальвання — у некаторых канфігурацыях рухавікоў рабочыя такты адбываюцца не праз ідэальна роўныя інтэрвалы, што стварае пульсацыю крутоўнага моманту. Больш цяжкі махавік можа дапамагчы згладзіць гэта.
• Сілы інерцыі поршняў — калі поршні паскараюцца ўверх і запавольваюцца ў верхняй кропцы свайго ходу (і наадварот у ніжняй), яны спараджаюць інерцыйныя сілы, падобныя да тых, што вы адчуваеце, калі аўтамабіль тармозіць ці паскараецца.
• Геаметрыя шатуна — шатун рухаецца не па прамой лініі, а рух поршня не з’яўляецца ідэальнай сінусоідай, што ўносіць дадатковыя складнікі сілы, кратныя хуткасці каленчатага вала.

Гэтыя інерцыйныя сілы вышэйшых парадкаў звычайна нязначныя — за выключэннем сіл другога парадку, якія дзейнічаюць з падвоенай частатой каленчатага вала і заўсёды павінны ўлічвацца. Калі інерцыйныя сілы ў суседніх цыліндрах дзейнічаюць у процілеглых напрамках на фіксаванай адлегласці адна ад адной, яны таксама спараджаюць пары крутоўных момантаў, дадаючы яшчэ адзін узровень складанасці.

У інжынераў ёсць два асноўныя інструменты для барацьбы з гэтымі сіламі:

• Выбраць натуральна збалансаваную канфігурацыю — размясціць цыліндры і шчокі каленчатага вала так, каб сілы і моманты гасілі адзін аднаго натуральным чынам.
• Дадаць балансірныя валы — дадатковыя валы з процівагамі, якія круцяцца ў напрамку, процілеглым каленчатаму валу, спараджаючы роўныя і процілеглыя сілы. Яны павялічваюць кошт і механічную складанасць, але могуць цалкам нейтралізаваць праблемныя рэжымы вібрацыі.

З усіх распаўсюджаных кампаноўак рухавікоў толькі дзве тэарэтычна ідэальна збалансаваныя: радны шасцерык і апазітны шасцерык. Менавіта таму BMW і Porsche так зацята трымаюцца за гэтыя канфігурацыі — і чаму іншыя неахвотна адмаўляюцца ад іх, нягледзячы на праблемы з кампаноўкай.

Балансіроўка рухавіка ў залежнасці ад канфігурацыі: практычны даведнік

Давайце паглядзім, як кожная асноўная канфігурацыя рухавіка паводзіць сябе ў рэальным свеце, калі гаворка ідзе пра вібрацыю і балансіроўку.

Двухцыліндравыя радныя рухавікі (шчокі ў адным напрамку) паводзяць сябе падобна да аднацыліндравага з пункту гледжання балансіроўкі — абодва поршні падымаюцца і апускаюцца ў фазе. Расійская «Ока» выкарыстоўвала два сустрэчна круцільныя балансірныя валы, каб справіцца з інерцыйнымі сіламі першага парадку, але сілы другога парадку засталіся без увагі. Дадаць яшчэ два балансірныя валы было б зусім непрактычна на такім маленькім і недарагім аўтамабілі. Многія двухцыліндравыя рухавікі — як арыгінальны Fiat 500 1957 года і індыйскі Tata Nano — проста працавалі без якіх-небудзь балансірных валоў, абапіраючыся на падатлівыя апоры рухавіка для паглынання вібрацыі. Танна, проста і прымальна для бюджэтных прымяненняў.

Двухцыліндравыя рухавікі са шчокамі пад 180° (поршні рухаюцца ў проціфазе) забяспечваюць лепшую першасную балансіроўку, але могуць дасягнуць раўнамерных інтэрвалаў запальвання толькі ў двухтактным выкананні — як выкарыстоўвалася на даваенных DKW і іх нашчадках, усходненямецкіх Trabant.

V-вобразныя двухцыліндравыя рухавікі сёння захоўваюцца амаль выключна на матацыклах — відавочныя прыклады Harley-Davidson і яго японскія перайманні. НАМІ-1 застаецца практычна адзіным аўтамабілем, які калі-небудзь выкарыстоўваў такую кампаноўку. Процівагі на каленчатым вале могуць наблізіць яго да поўнай балансіроўкі, але раўнамерныя інтэрвалы запальвання застаюцца недасягальнымі.

Трохцыліндравыя рухавікі збалансаваны горш, чым радны чацверык. Такія вытворцы, як Subaru і Daihatsu, усталёўваюць балансірныя валы стандартна; рашэнне Opel прапусціць яго ў трохцыліндравым Ecotec для Corsa другога пакалення зэканоміла грошы, але прынесла аўтамабілю рэпутацыю грубага сярод нямецкай аўтамабільнай прэсы пасля яго дэбюту ў 1996 годзе — яго апісвалі як «абсалютна немагчымы для язды па горадзе ў зменлівых рэжымах».

Радныя чатырохцыліндравыя рухавікі — самая распаўсюджаная кампаноўка ў свеце — маюць свабодную інерцыйную сілу другога парадку, якую можна нейтралізаваць толькі балансірным валам, што круціцца з падвоенай хуткасцю каленчатага вала. Каб пагасіць атрыманы момант, патрэбен другі сустрэчна круцільны вал. Дорага, так — але брэнды Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat і Volkswagen Group усе выкарыстоўвалі гэтую схему, калі таго патрабавала плаўнасць працы.

Апазітныя чатырохцыліндравыя рухавікі спраўляюцца крыху лепш за сваіх радных сабратоў — застаецца толькі пара крутоўнага моманту другога парадку, якая імкнецца разгарнуць рухавік вакол яго вертыкальнай восі. Нягледзячы на гэта, як рухавік паветранага астуджэння «Жука», так і апазітныя агрэгаты Subaru дзесяцігоддзямі абыходзіліся без балансірных валоў.

Радныя пяцицыліндравыя рухавікі маюць скампенсаваныя першасныя інерцыйныя сілы, але пакутуюць ад каціцельнага згінальнага моманту, які пастаянна праходзіць праз блок — патрабуючы выключна жорсткай канструкцыі. Mercedes-Benz, Audi і Volvo змагаліся з гэтым праз дасканалыя апоры рухавіка і процівагі (як у нагнятальным 2.5 TFSI ў Audi TT RS), у той час як інжынеры Fiat пайшлі далей і выкарысталі паўнавартасны балансірны вал.

Адна цікавая заўвага: амаль усе пяцицыліндравыя рухавікі — гэта па сутнасці чатырохцыліндравыя рухавікі з адным дадатковым прыбалчаным цыліндрам. Такі модульны падыход дазваляе выкарыстоўваць агульныя поршні, шатуны і кампаненты механізма газаразмеркавання — змяніць трэба толькі блок, галоўку і каленчаты вал (са шчокамі праз інтэрвалы 72°).

Рухавікі V6, якія замянілі радныя шасцерыкі, маюць тыя ж характарыстыкі балансіроўкі, што і трохцыліндравыя — гэта значыць, не ідэальныя. Самы першы V6 ад Mercedes-Benz (M112, з трыма клапанамі на цыліндр) вырашаў гэта з дапамогай балансірнага вала, усталяванага ў развале паміж радамі. Трохлітровы шасцерык ад PSA Group размясціў адзін у галоўцы цыліндраў. Іншыя вытворцы абралі акуратнае зрушэнне шатунных шыек — як на V6 ад Audi — каб мінімізаваць вібрацыю без дадатковай складанасці. Рухавікі V6 з развалам 90° дадаюць яшчэ адзін галаўны боль: уласцівыя ім нераўнамерныя інтэрвалы запальвання, якія абцяжараны махавік можа толькі часткова згладзіць.

Рухавікі V8 з развалам 90° і шчокамі каленчатага вала ў дзвюх узаемна перпендыкулярных плоскасцях вельмі добра збалансаваны. Раўнамерныя інтэрвалы запальвання дасягальныя, і застаюцца толькі дзве рэшткавыя пары крутоўнага моманту — якія лёгка ўхіляюцца процівагамі на крайніх шыйках каленчатага вала. Гэта ў значнай ступені тлумачыць, чаму амерыканскія інжынеры так захоплена прынялі V8: яны проста не церпяць вібрацыі.

Рухавікі V4 былі рэдкімі, а цяпер амаль вымерлі ў аўтамабілях. Еўрапейскі Ford V4 (выкарыстоўваўся ў Taunus, Capri і Saab 96) і своеасаблівы V4 «Запарожца» абодва патрабавалі балансірнага вала для пар крутоўнага моманту першага парадку. Кампактнасць і кошт былі рухальнымі фактарамі — балансіроўка была другарадным пытаннем.

Рухавікі V10 маюць тыя ж характарыстыкі балансіроўкі, што і радны пяцерык. Гэта не спыніла канструктараў рухавікоў «Формулы-1», Dodge Viper ці Dodge RAM ад іх выкарыстання — калі вам патрэбна магутнасць, вы кіруеце вібрацыяй.

Што да больш экзатычных кампаноўак: апазітны васьмерык (як выкарыстоўваўся ў гоначных аўтамабілях Porsche 917) па сутнасці з’яўляецца двума апазітнымі чацверыкамі на агульным каленчатым вале, у той час як рухавікі V12 і апазітныя 12-цыліндравыя зводзяцца да двух радных шасцерыкоў — што тлумачыць іх выключную плаўнасць.

VR6, VR5 і W-вобразныя рухавікі: кампаноўны шэдэўр Volkswagen

Раней мы закранулі вузкавугольныя V-вобразныя рухавікі накшталт Lancia Fulvia. Дзесяцігоддзямі іх пазбягалі — складаней збалансаваць, чым кампаноўкі 60° ці 90°, з выйгрышам у кампактнасці, які, здавалася, не варты клопатаў. Потым прыярытэты змяніліся.

Гульню змянілі дзве распрацоўкі:

• Гідраўлічныя апоры рухавіка сталі шырока даступнымі, рэзка падаўляючы перадачу вібрацыі незалежна ад тэарэтычнай балансіроўкі рухавіка.
• Месца пад капотам станавілася ўсё больш дэфіцытным, што рабіла кампактнасць каштоўнай рысай. Хто б мог уявіць сабе сціплы хэтчбек, які хавае 2,8-літровы шасцицыліндравы рухавік? Volkswagen зрабіў гэта рэальнасцю.

Volkswagen VR6 — дзе «VR» азначае V-Reihen (V-радны) — развівае канцэпцыю вузкага вугла далей, чым калі-небудзь рабіла Lancia, выкарыстоўваючы развал усяго ў 15° паміж радамі. Вынік атрымаўся настолькі кампактным, што ён фактычна функцыянуе як радны рухавік са зрушэннем, і, што характэрна, выкарыстоўвае адну галоўку цыліндраў для абодвух радоў. 2,8-літровы шасцицыліндравы рухавік, які змяшчаецца там, дзе звычайны V6 не змясціўся б — дэбютаваў у Volkswagen Golf трэцяга пакалення.

Адтуль інжынеры Volkswagen разагналі канцэпцыю на поўную:

• VR5 зʼявіўся як VR6 з адным выдаленым цыліндрам.
• W8 аб’яднаў два ўкарочаныя VR-агрэгаты (па чатыры цыліндры ў кожным) на адным каленчатым вале — усталёўваўся ў флагманскі седан Passat.
• W12 дэбютаваў у 1998 годзе на канцэпце W12 Roadster: два рухавікі VR6, спараныя пад вуглом 72° на адным каленчатым вале.
• W16 — з чатырма турбакампрэсарамі — разганяе Bugatti Veyron да 431 км/г, што робіць яго самым экстрэмальным серыйным прымяненнем гэтай архітэктуры.

Чаму гэтых кампаноўак не існавала раней? Сучаснае камп’ютарнае праектаванне зрабіла іх магчымымі. Аптымізацыя развалу, становішча шатунных шыек, парадку запальвання і характарыстык балансіроўкі ў такіх складаных геаметрыях была б практычна немагчымай без вылічальнай магутнасці, даступнай з 1990-х гадоў. Адзін толькі каленчаты вал W12 — кашмар для механіка, такая дэталь, якая мае сэнс толькі тады, калі камп’ютар праверыў кожны допуск.

Што сапраўды мае значэнне ў рэальным праектаванні рухавікоў

Калі і ёсць адзін галоўны вывад з усяго гэтага, дык гэта тое, што тэарэтычная балансіроўка рэдка з’яўляецца вырашальным фактарам, калі інжынер выбірае кампаноўку рухавіка. Сапраўдныя прыярытэты такія:

• Кампаноўка — ці змяшчаецца ён у маторным адсеку?
• Вага і ўдзельная магутнасць — якое суадносіны найлепшае для дадзенага прымянення?
• Кошт вытворчасці — ці можа ён выкарыстоўваць агульныя кампаненты ў межах мадэльнага шэрагу?
• Модульнасць — усё часцей вытворцы будуюць цэлыя сямействы рухавікоў з агульнай архітэктуры поршня і цыліндра, ад трохцыліндравых эканамічных агрэгатаў аж да дванаццацыцыліндравых флагманаў

Сучасны мадэльны шэраг рухавікоў Mercedes-Benz — хрэстаматыйны прыклад модульнага падыходу: агульная архітэктура ляжыць у аснове рухавікоў з вельмі рознай магутнасцю і колькасцю цыліндраў.

А што да вібрацыі — варта памятаць, што тэарэтычная і фактычная балансіроўка — гэта дзве вельмі розныя рэчы. Нават ідэальна збалансаваны радны шасцерык будзе трэсціся, калі яго каленчаты вал у зборы не збалансаваны належным чынам ці калі яго поршні і шатуны прыкметна адрозніваюцца па вазе. Рэальныя вытворчыя допускі і дэфармацыя кампанентаў пад нагрузкай азначаюць, што ні адзін рухавік ніколі не бывае на практыцы такім жа плаўным, як мяркуюць раўнанні. Менавіта таму канструкцыя апор рухавіка — спосаб, якім сілавы агрэгат ізаляваны ад астатняй часткі аўтамабіля — гэтак жа важная, як і сама кампаноўка. Часам нават больш.

Гэта пераклад. Арыгінал можна прачытаць тут: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html