Қозғалтқыш конфигурациясы туралы түсінік: қатарлас, V тәрізді және жазық қозғалтқыштар

ХХ ғасырдың басында, автомобиль инженериясы қарқынды дамып жатқан кезде, 10 литрлік қозғалтқыш бір цилиндрлі агрегат та немесе, айталық, қатарлас сегіз цилиндрлі де бола алатын. Сол кезде 23 литрлік қатарлас алты цилиндрлі қозғалтқышқа немесе автомобильге орнатылған жеті цилиндрлі радиалды авиациялық қозғалтқышқа ешкім таңғалмайтын.

Жаппай өндіріс ауқымы кеңейіп, шығынды азайтуға қойылатын талаптар күшейген сайын бәрі өз орнына түсті. Бір цилиндрлі қозғалтқыш өткеннің жәдігеріне айналды. Бүгінде кәдімгі автомобиль қозғалтқышындағы бір цилиндрдің орташа жұмыс көлемі 300 пен 600 текше сантиметр аралығында, ал меншікті қуаты атмосфералық дизельдегі шамамен 35 а.к./л-ден бастап жоғары өнімді бензинді қозғалтқыштағы 100 а.к./л-ге дейін жетеді. Бұлар — жаппай нарықтық өндіріс үшін ең қолайлы көрсеткіштер; олардан шығу жай ғана тиімсіз.

Сонымен, заманауи қозғалтқыштар әлемі қандай көрінеді? Жалпы алғанда:

• 100 а.к. қозғалтқышта әдетте төрт цилиндр болады
• 200 а.к. қозғалтқышта әдетте төрт, бес немесе алты цилиндр болады
• 300 а.к. қозғалтқышта жиі сегіз цилиндр қолданылады

Бірақ ол цилиндрлерді нақты қалай орналастыруға болады? Көп цилиндрлі қозғалтқышты жобалаған кезде инженерлерде қандай орналасу нұсқалары бар? Жан-жақты қарастырайық.

Қатарлас қозғалтқыштар: қарапайым, бірақ барған сайын тиімсіз

Кез келген қозғалтқыш конструкторын алаңдататын бірінші мәселе — дизайнды қалай оңайлату, яғни өндіріс шығынын төмен ұстап, техникалық қызмет көрсетуді жеңілдету. Бұл тұрғыда қатарлас қозғалтқыш бәсекелестерінен айқын озады. Цилиндрлер бір қатарға орналасады, ал көлемді ұлғайту олардың санын көбейту арқылы оңай жүзеге асады.

Тәжірибеде қатарлас қозғалтқыштың нұсқалары былай бөлінеді:

• Екі және үш цилиндрлі қозғалтқыштар автомобильдерде салыстырмалы түрде сирек кездеседі, дегенмен жетілдірілген отын бүрку және турбоүрлеу технологияларының арқасында екі цилиндрлі формат қайта жандана бастады — Fiat 500-дегі 85 а.к. турбоүрлемелі екі цилиндрлі қозғалтқыш соның жарқын мысалы.
• Қатарлас төрт цилиндрлі қозғалтқыш — жеңіл автомобильдер әлемінің басты жұмысшы аты, оның жұмыс көлемі 1,0-ден 2,4 литрге дейін.
• Қатарлас бес цилиндрлі қозғалтқыштар — салыстырмалы түрде кейінгі әзірлеме. Mercedes-Benz 1974 жылы дизельді бес цилиндрлі қозғалтқышты алғаш ұсынды (W123 платформасындағы 300D), екі жылдан кейін Audi екі литрлік бензинді бес цилиндрлі қозғалтқышын шығарды, ал 1980 жылдардың аяғында Volvo мен Fiat қосылды.
• Қатарлас алты цилиндрлі қозғалтқыштар жұмысының тегістігі арқасында ұзақ уақыт еуропалықтардың сүйіктісі болды, бірақ қазір барған сайын сирек кездеседі. Олардың одан да ұзын туысы — қатарлас сегіз цилиндрлі қозғалтқыш — іс жүзінде 1930 жылдары қолданыстан шықты.

Бұл үрдістің себебі қарапайым: цилиндр санын көбейткен сайын қозғалтқыш ұзарады — бұл орналастыруда елеулі қиындықтар туғызады. Мысалы, қатарлас алты цилиндрлі қозғалтқышты алдыңғы дөңгелектері жетекті автомобильдің моторлық бөлігіне көлденеңінен сыйғызу бірнеше жағдайда ғана сәтті шешілді: Austin Maxi 2200 (онда беріліс қорабын қозғалтқыштың астына тығу қажет болды) және ықшам беріліс қорабы бар Volvo S80.

V тәрізді және жазық қозғалтқыштар: ықшам, бірақ күрделі

Сонымен, қатарлас қозғалтқышты қалай қысқартуға болады? Талғампаз шешім: оны қақ бөліп, екі жартысын қатар орналастырып, екеуімен де бір иінді білікті айналдыру. Міне, осы — V тәрізді қозғалтқыштың мәні.

Ең көп таралған V тәрізді қозғалтқыш конфигурацияларында цилиндр блоктары арасындағы бұрыш 60° немесе 90° құрайды. Бұл бұрышты 180°-қа дейін ашсаңыз — цилиндрлер бір-бірінен тікелей қарама-қарсы бағытта болады — жазық қозғалтқыш аласыз, оны боксер қозғалтқыш деп те атайды (осыдан B2, B4, B6 белгілеулері шыққан).

Қатарлас қозғалтқышпен салыстырғандағы келісімдер айтарлықтай:

• Екі цилиндр басы — әрқайсысының өз тығыздағышы мен коллекторлары бар
• Бөлу біліктерінің көп болуы және клапан жетегінің күрделірек құрылымы
• Үлкенірек ені (әсіресе жазық қозғалтқыштарда), бұл олардың орнатылатын орнын шектейді
• Өндіріс құнының жоғары болуы және техникалық қызмет көрсетудің күрделілігі

Осы кемшіліктерге байланысты жазық қозғалтқыштарды өндірушілердің аз ғана бөлігі қолданады — бүгінде ең көрнектілері Porsche мен Subaru.

Ал V тәрізді қозғалтқышты бұрышын 60°-тан төмендету арқылы одан да ықшам ету жайы қалай? Бұл жасалды — 1970 жылдардағы Lancia Fulvia бар болғаны 23° бұрышты V4 қозғалтқышымен жабдықталды. Бірақ бір қиындығы бар: бұрыш неғұрлым тар болса, қозғалтқышты теңгеру соғұрлым қиын. Бұл бізді қозғалтқыш жобалаудағы ең маңызды мәселелердің біріне жетелейді.

Қозғалтқыш дірілі: күштер, моменттер және оларды қалай ауыздықтауға болады

Ешбір поршеньді ішкі жану қозғалтқышы дірілден толықтай ада емес — бұл конструкцияға тән қасиет. Бірақ дірілді басқару — тек жолаушылардың жайлылығы үшін ғана емес, өте маңызды мәселе. Күшті теңгерілмеген діріл қозғалтқыш бөлшектерін физикалық тұрғыда қиратып, бөлшектердің жоғары жылдамдықпен ұшып шығуынан туындайтын апатты салдарларға әкелуі мүмкін.

Қозғалтқыш дірілі қайдан шығады? Үш негізгі көзі бар:

• Біркелкі емес от алу аралықтары — кейбір қозғалтқыш конфигурацияларында жұмыс соққылары дәл бірдей аралықпен от алмайды, бұл момент толқынын тудырады. Ауырлау маховик мұны тегістеуге көмектеседі.
• Поршень инерциясы күштері — поршеньдер жоғары қарай үдеп, соққының жоғарғы нүктесінде баяулағанда (және төменгі нүктесінде керісінше), автомобиль тежегенде немесе үдегенде сезетін күшке ұқсас инерциялық күштер тудырады.
• Шатун геометриясы — шатун түзу сызықпен қозғалмайды, ал поршеньнің қозғалысы мінсіз синусоида емес, бұл иінді білік жылдамдығының еселіктерінде қосымша күш құраушыларын енгізеді.

Бұл жоғары ретті инерциялық күштер әдетте елеусіз — иінді білік жиілігінен екі есе жоғары әрекет ететін және әрқашан ескерілуі тиіс екінші ретті күштерден басқасы. Көрші цилиндрлердегі инерциялық күштер бір-бірінен белгілі қашықтықта қарама-қарсы бағытта әрекет еткенде, олар момент жұптарын да тудырады, бұл тағы бір қиындық қабатын қосады.

Инженерлерде осы күштермен күресудің екі негізгі құралы бар:

• Табиғи түрде теңгерілген конфигурацияны таңдау — цилиндрлер мен иінді білік иіндерін күштер мен моменттер бір-бірін табиғи түрде өшіретіндей орналастыру.
• Теңгеруші біліктер қосу — иінді білікке қарама-қарсы бағытта айналатын, тепе-тең қарама-қарсы күштер тудыратын қарсы салмақтары бар қосалқы біліктер. Бұлар құн мен механикалық күрделілікті арттырады, бірақ проблемалық діріл режимдерін толықтай бейтараптандыра алады.

Барлық кең таралған қозғалтқыш орналасуларынан тек екеуі ғана теориялық тұрғыда мінсіз теңгерілген: қатарлас алты цилиндрлі және жазық алты цилиндрлі қозғалтқыштар. BMW мен Porsche дәл осы себептен бұл конфигурацияларды соншалықты табандылықпен сақтап келеді — ал басқалары орналастыру қиындықтарына қарамастан, олардан бас тартуға құлықсыз болуының себебі осы.

Конфигурация бойынша қозғалтқыш теңгерімі: практикалық нұсқаулық

Әр негізгі қозғалтқыш конфигурациясы діріл мен теңгерімге қатысты нақты өмірде қалай көрінетінін қарастырайық.

Екі цилиндрлі қатарлас қозғалтқыштар (иіндері бір бағытта) теңгерім тұрғысында бір цилиндрлі қозғалтқышқа ұқсас әрекет етеді — екі поршень де бірдей фазада көтеріліп-түседі. Кеңестік Ока бірінші ретті инерциялық күштерді жеңу үшін қарама-қарсы айналатын екі теңгеруші білік қолданды, бірақ екінші ретті күштер бақыланбай қалды. Мұндай шағын әрі қолжетімді автомобильге тағы екі теңгеруші білік қосу мүлдем тиімсіз болар еді. Көптеген екі цилиндрлі қозғалтқыштар — 1957 жылғы алғашқы Fiat 500 және үнділік Tata Nano сияқты — дірілді сіңіру үшін иілгіш қозғалтқыш тіреулеріне сүйеніп, ешқандай теңгеруші біліксіз жұмыс істеді. Арзан, қарапайым әрі бюджеттік қолданыстар үшін қолайлы.

Иіндері 180°-та орналасқан екі цилиндрлі қозғалтқыштар (поршеньдер антифазада қозғалатын) жақсырақ бастапқы теңгерім ұсынады, бірақ біркелкі от алу аралықтарына тек екі тактілі түрінде ғана қол жеткізе алады — соғысқа дейінгі DKW автомобильдерінде және олардың ұрпағы — шығыс германиялық Trabant-та қолданылғандай.

V тәрізді екі цилиндрлі (V-twin) қозғалтқыштар бүгінде тек мотоциклдерде ғана сақталған — Harley-Davidson және оған еліктеуші жапондық өндірушілер соның айқын мысалы. НАМИ-1 осы орналасуды қолданған жалғыз дерлік автомобиль болып қала береді. Иінді біліктегі қарсы салмақтар оны толық теңгерімге жақындата алады, бірақ біркелкі от алу аралықтарына қол жеткізу мүмкін емес.

Үш цилиндрлі қозғалтқыштар қатарлас төрт цилиндрлі қозғалтқышқа қарағанда нашарлау теңгерілген. Subaru мен Daihatsu сияқты өндірушілер теңгеруші біліктерді стандартты түрде орнатады; Opel-дің екінші буын Corsa үшін Ecotec үш цилиндрлі қозғалтқышында оны қоспау туралы шешімі шығынды үнемдеді, бірақ автомобиль 1996 жылы шыққаннан кейін неміс автомобиль баспасөзінде нашар атаққа ие болды — оны “ауыспалы режимдерде қала ішінде жүргізу мүлдем мүмкін емес” деп сипаттаған.

Қатарлас төрт цилиндрлі қозғалтқыштар — әлемдегі ең көп таралған орналасу — еркін екінші ретті инерциялық күшке ие, оны тек иінді білік жылдамдығынан екі есе жоғары айналатын теңгеруші білікпен ғана бейтараптандыруға болады. Пайда болатын моментті өшіру үшін екінші, қарама-қарсы айналатын білік қажет. Қымбат, рас — бірақ Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat және Volkswagen Group брендтерінің бәрі жұмыс тегістігі талап еткенде осы құрылымды қолданды.

Жазық төрт цилиндрлі қозғалтқыштар өздерінің қатарлас аналогтарына қарағанда сәл жақсырақ — тек қозғалтқышты тік осінің айналасында бұрауға бейім екінші ретті момент жұбы ғана қалады. Соған қарамастан, ауамен салқындатылатын Beetle қозғалтқышы да, Subaru-дың боксер агрегаттары да ондаған жыл бойы теңгеруші біліксіз жұмыс істеп келді.

Қатарлас бес цилиндрлі қозғалтқыштардың бастапқы инерциялық күштері өтелген, бірақ блок арқылы үнемі өтіп тұратын айналмалы иілу моментінен зардап шегеді — бұл ерекше қатаң құрылымды талап етеді. Mercedes-Benz, Audi және Volvo мұны жетілдірілген қозғалтқыш тіреулері мен қарсы салмақтар арқылы шешті (Audi TT RS-тегі компрессорлы 2.5 TFSI сияқты), ал Fiat инженерлері одан әрі қарай барып, толыққанды теңгеруші білік қолданды.

Бір қызық дерек: бес цилиндрлі қозғалтқыштардың барлығы дерлік — мәні бойынша бір қосымша цилиндр бекітілген төрт цилиндрлі қозғалтқыштар. Бұл модульдік тәсіл поршеньдерді, шатундарды және клапан тетіктерін ортақ пайдалануға мүмкіндік береді — тек блокты, басты және иінді білікті (иіндері 72° аралықпен орналасқан) ауыстыру қажет.

V6 қозғалтқыштары, қатарлас алты цилиндрлілердің орнын басқандар, үш цилиндрлі қозғалтқышпен бірдей теңгерім сипаттамаларына ие — яғни идеалдан алыс. Ең алғашқы Mercedes-Benz V6 (цилиндріне үш клапаннан келетін M112) мұны блоктар арасындағы ойысқа орнатылған теңгеруші білікпен шешті. PSA Group-тың үш литрлік алты цилиндрлі қозғалтқышы оны цилиндр басына орналастырды. Басқа өндірушілер дірілді қосымша күрделіліксіз азайту үшін иінді білік шатундарын мұқият ығыстыруды таңдады — Audi V6-да байқалғандай. Бұрышы 90° болатын V6 қозғалтқыштары тағы бір қиындық қосады: ауырлатылған маховик ішінара ғана тегістей алатын табиғи түрде біркелкі емес от алу аралықтары.

Блок бұрышы 90° және иінді білік иіндері өзара перпендикуляр екі жазықтықта орналасқан V8 қозғалтқыштары өте жақсы теңгерілген. Біркелкі от алу аралықтарына қол жеткізуге болады, тек екі қалдық момент жұбы ғана қалады — оларды иінді біліктің шеткі мойынтіректеріндегі қарсы салмақтармен оңай жоюға болады. Американдық инженерлердің V8-ді осыншама ынтамен қабылдауының басты себептерінің бірі осы: олар дірілге мүлдем төзбейді.

V4 қозғалтқыштары сирек болды, ал қазір автомобильдерде жоғалып кеткен десе де болады. Еуропалық Ford V4 (Taunus, Capri және Saab 96-да қолданылған) да, Запорожецтің ерекше V4-і де бірінші ретті момент жұптары үшін теңгеруші білікті қажет етті. Қозғаушы факторлар ықшамдылық пен құн болды — теңгерім екінші орында тұрды.

V10 қозғалтқыштары қатарлас бес цилиндрлі қозғалтқышпен бірдей теңгерім сипаттамаларына ие. Бұл Формула-1 қозғалтқыштарының, Dodge Viper немесе Dodge RAM конструкторларын оларды қолданудан тоқтата алмады — қуат қажет болғанда, дірілді басқаруға тура келеді.

Ал экзотикалық орналасуларға келсек: жазық сегіз цилиндрлі қозғалтқыш (Porsche 917 жарыс автомобильдерінде қолданылған) — мәні бойынша ортақ иінді біліктегі екі жазық төрт цилиндрлі қозғалтқыш, ал V12 және жазық 12 цилиндрлі қозғалтқыштар екі қатарлас алты цилиндрлі қозғалтқышқа дейін жеңілдетіледі — олардың ерекше тегіс жұмысының себебі осы.

VR6, VR5 және W-қозғалтқыштар: Volkswagen-нің орналастырудағы шеберлік туындысы

Біз бұған дейін Lancia Fulvia сияқты тар бұрышты V тәрізді қозғалтқыштарды атап өттік. Ондаған жыл бойы олардан аулақ болды — 60° немесе 90° орналасуларға қарағанда теңгеру қиынырақ, ал орналастырудан түсетін ұтыс әуре-сарсаңға тұрарлық емес сияқты көрінді. Содан кейін басымдықтар өзгерді.

Екі жаңалық ойынды өзгертті:

• Гидравликалық қозғалтқыш тіреулері кеңінен қолжетімді болып, қозғалтқыштың теориялық теңгеріміне қарамастан, діріл берілуін айтарлықтай басатын болды.
• Капот астындағы бос орын барған сайын тапшы болды, бұл ықшамдылықты құнды қасиетке айналдырды. 2,8 литрлік алты цилиндрлі қозғалтқышты жасырып отырған кәдімгі хэтчбекті кім ойлаған? Volkswagen мұны жүзеге асырды.

Volkswagen VR6 — мұндағы “VR” V-Reihen (V-қатарлас) дегенді білдіреді — тар бұрыш тұжырымдамасын Lancia-ға қарағанда әрі қарай дамытып, блоктар арасында небәрі 15° бұрышты қолданады. Нәтижесі сонша ықшам болғандықтан, ол іс жүзінде ығыстырылған қатарлас қозғалтқыш ретінде жұмыс істейді әрі, таңқаларлығы, екі блокқа бір цилиндр басын қолданады. Кәдімгі V6 сыймайтын жерге сыятын 2,8 литрлік алты цилиндрлі қозғалтқыш — үшінші буын Volkswagen Golf-та таныстырылды.

Сол жерден Volkswagen инженерлері тұжырымдаманы әрі қарай дамытты:

• VR5 — бір цилиндрі алынып тасталған VR6 ретінде пайда болды.
• W8 — бір иінді білікте екі қысқартылған VR агрегатын (әрқайсысында төрт цилиндр) біріктірді — флагмандық Passat седанына орнатылды.
• W12 — 1998 жылы W12 Roadster тұжырымдамалық автомобилінде таныстырылды: бір иінді білікте 72° бұрышпен жалғанған екі VR6 қозғалтқышы.
• W16 — төрт турбоүрлегішпен — Bugatti Veyron-ды 431 км/сағ жылдамдыққа жеткізіп, оны осы архитектураның ең шеткі сериялық қолданысына айналдырады.

Неліктен бұл орналасулар бұрын болмады? Оларды заманауи компьютерлік жобалау мүмкін етті. Мұндай күрделі геометрияларда бұрышты, иінді білік шатундарының орнын, от алу ретін және теңгерім сипаттамаларын оңтайландыру 1990 жылдардан бастап қолжетімді болған есептеу қуатынсыз іс жүзінде мүмкін болмас еді. Тек W12-нің иінді білігінің өзі — токарьдің түсіне кіретін кошмар — оны әр төзімділікті компьютер тексеріп шыққанда ғана мағынасы болатын бөлшек.

Нақты өмірдегі қозғалтқыш жобалауда шынымен маңызды нәрсе

Осының бәрінен бір қорытынды шығаратын болсақ, ол — инженер қозғалтқыш орналасуын таңдағанда теориялық теңгерім сирек шешуші фактор болады. Нақты басымдықтар мынадай:

• Орналастыру — ол моторлық бөлікке сия ма?
• Салмақ пен қуат тығыздығы — нақты қолданыс үшін ең жақсы арақатынас қандай?
• Өндіріс құны — оны бір модель қатарында бөлшектерді ортақ пайдалана ала ма?
• Модульдік — өндірушілер барған сайын ортақ поршень мен цилиндр архитектурасынан бүкіл қозғалтқыш отбасын құрады, үш цилиндрлі үнемді агрегаттардан бастап он екі цилиндрлі флагмандарға дейін

Mercedes-Benz-тің қазіргі қозғалтқыштар желісі — модульдік тәсілдің классикалық мысалы: ортақ архитектура қуаты мен цилиндр саны мүлдем әртүрлі қозғалтқыштардың негізінде жатыр.

Ал дірілге келсек — теориялық және нақты теңгерім бір-бірінен мүлдем бөлек екі нәрсе екенін есте сақтаған жөн. Мінсіз теңгерілген қатарлас алты цилиндрлі қозғалтқыштың өзі иінді білік торабы дұрыс теңгерілмесе немесе поршеньдері мен шатундарының салмағы айтарлықтай ерекшеленсе, дірілдейді. Нақты өндірістік төзімділіктер мен жүктеме кезіндегі бөлшектердің деформациясы ешбір қозғалтқыштың тәжірибеде теңдеулер болжағандай тегіс болмайтынын білдіреді. Сондықтан қозғалтқыш тіреулерінің конструкциясы — қуат агрегатын автомобильдің қалған бөлігінен оқшаулау тәсілі — орналасудың өзі сияқты маңызды. Кейде одан да маңыздырақ.

Бұл — аударма. Түпнұсқасын мына жерден оқи аласыз: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html