Кыймылдаткычтын конфигурациясы: катарлаш, V сымал жана жалпак кыймылдаткычтар

XX кылымдын башында, автомобиль инженериясы толук ылдамдыкта өнүгүп жаткан кезде, 10 литрлик кыймылдаткыч бир цилиндрлүү агрегат да, же, айталы, катарлаш сегиз цилиндрлүү да болушу мүмкүн эле. Ал кезде 23 литрлик катарлаш алты цилиндрлүү кыймылдаткычка же автомобилге орнотулган жети цилиндрлүү жылдызсымал авиациялык кыймылдаткычка эч ким таң калчу эмес.

Массалык өндүрүш кеңейип, чыгымдарды кысуу күчөгөн сайын баары өз ордуна түштү. Бир цилиндрлүү кыймылдаткыч өткөн заманга айланды. Бүгүнкү күндө кадимки автомобиль кыймылдаткычындагы орточо цилиндр көлөмү 300 жана 600 куб сантиметрдин ортосунда турат, ал эми үлүштүк кубаттуулук атмосфералык дизелде болжол менен 35 а.к./л дан жогорку кубаттуу бензин кыймылдаткычында 100 а.к./л чейин жетет. Бул – массалык өндүрүш үчүн эң ыңгайлуу чекиттер; алардан чыгуу жөн гана үнөмдүү эмес.

Анда заманбап кыймылдаткычтардын дүйнөсү кандай көрүнөт? Жалпысынан айтканда:

• 100 ат күчтүү кыймылдаткыч адатта төрт цилиндрге ээ
• 200 ат күчтүү кыймылдаткыч көбүнчө төрт, беш же алты цилиндр менен иштейт
• 300 ат күчтүү кыймылдаткыч көбүнчө сегиз цилиндрди колдонот

Бирок бул цилиндрлер чындыгында кантип жайгаштырылышы мүмкүн? Көп цилиндрлүү кыймылдаткычты долбоорлоодо инженерлердин кандай жайгаштыруу варианттары бар? Муну майдалап карап чыгалы.

Катарлаш кыймылдаткычтар: жөнөкөй, бирок улам ыңгайсызыраак

Ар бир кыймылдаткыч долбоорлоочунун оюндагы биринчи маселе – дизайнды кантип жөнөкөйлөтүү: өндүрүш чыгымдарын төмөн, тейлөөнү жөнөкөй кармоо. Бул жагынан катарлаш (рядный) кыймылдаткыч бардыгынан жогору турат. Цилиндрлер бир катарга жайгаштырылат, ал эми көлөмдү көбөйтүү алардын санын кошуу сыяктуу эле жөнөкөй.

Катарлаш кыймылдаткычтын варианттары тажрыйбада мындайча бөлүнөт:

• Эки жана үч цилиндрлүү кыймылдаткычтар автомобилдерде салыштырмалуу сейрек кездешет, бирок эки цилиндрлүү формат өркүндөтүлгөн күйүүчү май бүркүү жана турбо толтуруунун аркасында кайра кайтып келе жатат – Fiat 500 моделиндеги 85 ат күчтүү турбо толтурулган эки цилиндрлүү кыймылдаткыч муну айкын мисал кылып турат.
• Катарлаш төрт цилиндрлүү – жеңил автомобилдер дүйнөсүнүн негизги жумушчусу, 1,0 дөн 2,4 литрге чейинки көлөмдөрдү камтыйт.
• Катарлаш беш цилиндрлүү кыймылдаткычтар – кыйла кийинки иштеп чыгуу. Mercedes-Benz 1974-жылы дизель беш цилиндрлүүнү (W123 платформасындагы 300D) биринчилерден болуп ишке киргизген, эки жылдан кийин Audi эки литрлик бензин беш цилиндрлүүсүн чыгарган, кийин 1980-жылдардын аягында Volvo менен Fiat кошулган.
• Катарлаш алты цилиндрлүү кыймылдаткычтар, жумшак иштеши үчүн европалыктардын эбактан бери сүйгөн варианты, барган сайын сейрек кездеше баштады. Алардан да узун «тууганы» – катарлаш сегиз цилиндрлүү – чындыгында эле 1930-жылдары таштап коюлган.

Бул тенденциянын себеби жөнөкөй: цилиндрлерди канча көп кошсоң, кыймылдаткыч ошончолук узарат – бул болсо орун-жайга жайгаштырууда олуттуу баш ооруну жаратат. Мисалы, катарлаш алты цилиндрлүүнү алдыңкы жетектүү автомобилдин кыймылдаткыч бөлмөсүнө туурасынан жайгаштырууну бир нече гана учурда ишке ашырышкан: Austin Maxi 2200 (анда берүү кутусун кыймылдаткычтын астына катып коюу талап кылынган) жана өтө компакт берүү кутусу менен Volvo S80.

V сымал жана жалпак кыймылдаткычтар: компакт, бирок татаал

Анда катарлаш кыймылдаткычты кантип кыскартууга болот? Кооз чечим: аны экиге бөлүп, эки жарымын катарлаштыра коюп, экөөнү тең бир ийинди вал менен айлантуу. Дал ушул – V кыймылдаткычтын маңызы.

Эң кеңири таралган V кыймылдаткыч конфигурациялары цилиндр катарларынын ортосунда 60° же 90° бурчту колдонот. Бул бурчту 180°ка чейин ачсаң – цилиндрлер бири-биринен түз карама-каршы багытта турса – жалпак кыймылдаткычка, башкача айтканда боксер кыймылдаткычка ээ болосуң (ошондуктан B2, B4, B6 белгилөөлөрү колдонулат).

Катарлаш кыймылдаткычка салыштырмалуу жоготуулар олуттуу:

• Эки цилиндр башы – ар бири өзүнчө прокладкасы жана коллекторлору менен
• Көбүрөөк бөлүштүргүч валдар жана клапан жетегинин татаалыраак жайгашуусу
• Чоңураак туурасы (өзгөчө жалпак кыймылдаткычтарда), бул аларды орнотуу мүмкүнчүлүктөрүн чектейт
• Жогорку өндүрүш наркы жана татаалыраак тейлөө

Ушул кемчиликтерден улам жалпак кыймылдаткычтарды өндүрүүчүлөрдүн аз бөлүгү гана колдонот – азыркы учурда эң белгилүүлөрү Porsche жана Subaru.

Ал эми V кыймылдаткычты бурчун 60°тан төмөн кылып ого бетер компакттуу жасасакчы? Муну ишке ашырышкан – 1970-жылдардагы Lancia Fulvia болгону 23° бурч менен V4 кыймылдаткычын колдонгон. Бирок бир кыйынчылык бар: бурч канча тар болсо, кыймылдаткычты тең салмактоо ошончолук кыйын. Бул бизди кыймылдаткыч долбоорлоодогу эң маанилүү маселелердин бирине алып келет.

Кыймылдаткычтын дирилдөөсү: күчтөр, моменттер жана аларды кантип басаңдатуу

Эч бир поршендик ички күйүү кыймылдаткычы дирилдөөдөн толук эркин эмес – бул анын табиятына таандык. Бирок дирилдөөнү башкаруу маанилүү, жалаң гана жүргүнчүлөрдүн ыңгайлуулугу үчүн эмес. Катуу тең салмаксыз дирилдөө кыймылдаткычтын бөлүктөрүн физикалык түрдө талкалап, бөлүктөр жогорку ылдамдыкта ажырап чыгуунун бардык кырсыктуу кесепеттерин алып келиши мүмкүн.

Кыймылдаткычтын дирилдөөсү кайдан келип чыгат? Үч негизги булагы бар:

• Бирдей эмес тутануу аралыктары – айрым кыймылдаткыч конфигурацияларында жумушчу жүрүштөр так бирдей аралыкта от албай, момент толкунун (torque ripple) жаратат. Оорураак маховик муну жумшартууга жардам берет.
• Поршендин инерция күчтөрү – поршендер өйдө тездеп, жүрүштүн жогорку чекитинде басаңдаганда (ылдыйда тескерисинче), автомобиль тормоздогондо же тездегенде сезгениңизге окшош инерциялык күчтөрдү жаратат.
• Шатундун геометриясы – шатун түз сызык менен жылбайт, ал эми поршендин кыймылы идеалдуу синусоида эмес, бул ийинди валдын ылдамдыгына эселенген кошумча күч компоненттерин киргизет.

Бул жогорку даражадагы инерция күчтөрү жалпысынан анча мааниге ээ эмес – ийинди валдын жыштыгынан эки эсе көп иштеген жана дайыма эске алынышы керек болгон экинчи даражадагы күчтөрдөн башкасы. Чектеш цилиндрлердеги инерция күчтөрү бири-биринен белгилүү аралыкта карама-каршы багытта иштегенде, алар дагы момент жуптарын жаратат, бул дагы бир татаалдык катмарын кошот.

Инженерлерде бул күчтөргө каршы күрөшүүнүн эки негизги куралы бар:

• Табиятынан тең салмактуу конфигурацияны тандоо – цилиндрлерди жана ийинди валдын кенелерин (throws) күчтөр менен моменттер табигый түрдө бири-бирин жокко чыгаргандай жайгаштыруу.
• Тең салмактоочу валдарды кошуу – ийинди валга карама-каршы багытта айланган, тескери жана бирдей күчтөрдү жараткан тең салмактуу жүктөрү бар кошумча валдар. Алар чыгымды жана механикалык татаалдыкты көбөйтөт, бирок көйгөйлүү дирилдөө режимдерин толугу менен нейтралдай алат.

Бардык кеңири таралган кыймылдаткыч жайгашууларынын ичинен теориялык жактан толук тең салмактуусу экөө гана: катарлаш алты цилиндрлүү жана жалпак алты цилиндрлүү. Дал ушундан улам BMW менен Porsche бул конфигурацияларды ушунчалык бекем кармап келишет – жана башкалар орун-жайга жайгаштыруу кыйынчылыктарына карабастан, алардан баш тартууга ынабай келишет.

Конфигурация боюнча кыймылдаткычтын тең салмактуулугу: практикалык колдонмо

Дирилдөө жана тең салмактуулук жагынан ар бир негизги кыймылдаткыч конфигурациясы чыныгы дүйнөдө кандай көрсөткүчтөргө ээ экенин карап чыгалы.

Эки цилиндрлүү катарлаш кыймылдаткычтар (кенелери бир багытта) тең салмактуулук жагынан бир цилиндрлүүгө окшош иштейт – эки поршень тең бир фазада көтөрүлүп-түшөт. Орусиялык Ока биринчи даражадагы инерция күчтөрү менен күрөшүү үчүн карама-каршы айланган эки тең салмактоочу валды колдонгон, бирок экинчи даражадагы күчтөр текшерилбей калган. Мындай кичинекей, арзан автомобилге дагы эки тең салмактоочу валды кошуу таптакыр практикалык эмес болмок. Көптөгөн эки цилиндрлүү кыймылдаткычтар – мисалы, 1957-жылкы алгачкы Fiat 500 жана индиялык Tata Nano – дирилдөөнү жутуу үчүн ийкемдүү кыймылдаткыч таканычтарына таянып, эч кандай тең салмактоочу валсыз эле иштешкен. Арзан, жөнөкөй жана бюджеттик колдонуу үчүн алгылыктуу.

Кенелери 180°та турган эки цилиндрлүү кыймылдаткычтар (поршендер карама-каршы фазада кыймылдайт) жакшыраак баштапкы тең салмактуулукту берет, бирок бирдей тутануу аралыктарына эки тактуу (two-stroke) формада гана жетише алат – согушка чейинки DKW унаалары жана алардын мураскору, чыгыш германиялык Trabant ушундай болгон.

V сымал эки цилиндрлүү кыймылдаткычтар бүгүнкү күндө дээрлик жалаң мотоциклдерде гана сакталып калган – Harley-Davidson жана анын япониялык тууроочулары айкын мисал. NAMI-1 бул жайгашууну колдонгон жападан-жалгыз автомобиль десе болот. Ийинди валдагы тең салмактуу жүктөр аны толук тең салмакка жакындата алат, бирок бирдей тутануу аралыктары дагы эле жетпей калат.

Үч цилиндрлүү кыймылдаткычтар катарлаш төрт цилиндрлүүгө караганда начарыраак тең салмактуу. Subaru жана Daihatsu сыяктуу өндүрүүчүлөр тең салмактоочу валдарды стандарт катары орнотушат; Opel экинчи муундагы Corsa үчүн Ecotec үч цилиндрлүүсүндө андан баш тартуу чечими чыгымды үнөмдөгөн, бирок 1996-жылкы дебютунан кийин германиялык автомобиль басма сөзүндө унаага одоно деген атак алып келген – ал «шаар ичинде өзгөрмөлүү режимде айдоо таптакыр мүмкүн эмес» деп сүрөттөлгөн.

Катарлаш төрт цилиндрлүү кыймылдаткычтар – дүйнөдөгү эң кеңири таралган жайгашуу – ийинди валдын эки эсе ылдамдыгында иштеген тең салмактоочу вал менен гана нейтралдай ала турган эркин экинчи даражадагы инерция күчүнө ээ. Пайда болгон моментти жокко чыгаруу үчүн экинчи, карама-каршы айланган вал керек. Кымбат, ооба – бирок Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat жана Volkswagen Group брэнддери жумшак иштөө талап кылынганда баары ушул схеманы колдонушкан.

Жалпак төрт цилиндрлүү кыймылдаткычтар катарлаш «туугандарынан» бир аз жакшыраак иштейт – болгону кыймылдаткычты тик огунун айланасында бурууга умтулган экинчи даражадагы момент жубу калат. Ошентсе да, аба менен муздатылган Beetle кыймылдаткычы да, Subaru’нун боксер агрегаттары да ондогон жылдар бою тең салмактоочу валсыз эле иштеп келген.

Катарлаш беш цилиндрлүү кыймылдаткычтардын баштапкы инерция күчтөрү компенсацияланган, бирок блок аркылуу дайыма өтүп турган ийүүчү ороомо момент (rolling bending torque) бар – бул өзгөчө бекем структураны талап кылат. Mercedes-Benz, Audi жана Volvo муну өркүндөтүлгөн кыймылдаткыч таканычтары жана тең салмактуу жүктөр аркылуу чечишкен (мисалы, Audi TT RS’тагы компрессордук 2.5 TFSI), ал эми Fiat’тын инженерлери андан ары кетип, толук тең салмактоочу валды колдонушкан.

Бир кызыктуу деталь: дээрлик бардык беш цилиндрлүү кыймылдаткычтар, негизинен, бир кошумча цилиндр кошулган төрт цилиндрлүү кыймылдаткычтар. Бул модулдук ыкма поршендерди, шатундарды жана клапан тутумунун бөлүктөрүн жалпы колдонууга мүмкүндүк берет – болгону блок, баш жана ийинди валды (кенелери 72° аралык менен) гана өзгөртүү керек.

Катарлаш алты цилиндрлүүлөрдү алмаштырган V6 кыймылдаткычтар үч цилиндрлүү менен бирдей тең салмактуулук мүнөздөмөлөрүнө ээ – башкача айтканда, идеалдуу эмес. Эң алгачкы Mercedes-Benz V6 (ар бир цилиндрде үч клапаны бар M112) муну катарлардын ортосундагы өрөөнгө орнотулган тең салмактоочу вал менен чечкен. PSA Group’тун үч литрлик алты цилиндрлүүсү аны цилиндр башына жайгаштырган. Башка өндүрүүчүлөр кошумча татаалдыксыз дирилдөөнү азайтуу үчүн ийинди валдын кенелерин кылдат жылдырууну тандашкан – Audi V6’дагыдай. 90° бурчтуу V6 кыймылдаткычтар дагы бир баш ооруну кошот: салмактуу маховик гана жарым-жартылай жумшарта ала турган табиятынан бирдей эмес тутануу аралыктары.

V8 кыймылдаткычтар 90° катар бурчу жана бири-бирине перпендикуляр эки тегиздиктеги ийинди вал кенелери менен абдан жакшы тең салмактуу. Бирдей тутануу аралыктарына жетишүүгө болот, ал эми ийинди валдын учундагы тулку (journal) жүктөрү менен оңой чечиле турган болгону эки калдык момент жубу калат. Дал ушул – америкалык инженерлер V8’ди ушунчалык кызыгуу менен кабыл алуусунун чоң себеби: алар дирилдөөгө жөн эле чыдабайт.

V4 кыймылдаткычтар сейрек болгон жана азыр автомобилдерде дээрлик жок болуп кеткен. Европалык Ford V4 (Taunus, Capri жана Saab 96’да колдонулган) жана Запорожецтин өзгөчө V4’ү – экөө тең биринчи даражадагы момент жуптары үчүн тең салмактоочу валды талап кылган. Компакттуулук жана наркы негизги факторлор болгон – тең салмактуулук экинчи планда турган.

V10 кыймылдаткычтар катарлаш беш цилиндрлүү менен бирдей тең салмактуулук мүнөздөмөлөрүнө ээ. Бул Формула 1 кыймылдаткычтарын, Dodge Viper же Dodge RAM долбоорлоочуларын аларды колдонуудан токтоткон жок – кубат керек болгондо, дирилдөөнү башкарасың.

Ал эми экзотикалуу жайгашууларга келсек: жалпак сегиз цилиндрлүү (Porsche 917 жарыш автомобилдеринде колдонулган) – чындыгында жалпы ийинди валдагы эки жалпак төрт цилиндрлүү, ал эми V12 жана жалпак 12 цилиндрлүү кыймылдаткычтар эки катарлаш алты цилиндрлүүгө бөлүнөт – алардын өзгөчө жумшак иштешин ушул түшүндүрөт.

VR6, VR5 жана W кыймылдаткычтар: Volkswagen’дин жайгаштыруу чеберчилиги

Lancia Fulvia сыяктуу тар бурчтуу V кыймылдаткычтарга мурда токтолдук. Ондогон жылдар бою алардан качышкан – 60° же 90° жайгашууларга караганда тең салмактоо кыйыныраак, ал эми жайгаштыруудагы пайда убаранын ордун толтургандай көрүнгөн эмес. Кийин артыкчылыктар өзгөрдү.

Эки өзгөрүү оюнду өзгөрттү:

• Гидравликалык кыймылдаткыч таканычтары кеңири жеткиликтүү болуп, кыймылдаткычтын теориялык тең салмактуулугуна карабастан дирилдөөнүн өтүшүн кескин басаңдатты.
• Капот астындагы орун барган сайын аздай баштады, бул компакттуулукту баалуу касиетке айлантты. Кадимки хэтчбэк 2,8 литрлик алты цилиндрлүү кыймылдаткычты жашырат деп ким ойлогон? Volkswagen муну ишке ашырды.

Volkswagen VR6 – «VR» V-Reihen (V-катарлаш) дегенди билдирет – тар бурчтуу концепцияны Lancia мурда жасагандан да алыс алып барып, катарлардын ортосунда болгону 15° бурчту колдонот. Натыйжа ушунчалык компакт болгондуктан, ал чындыгында жылдырылган катарлаш кыймылдаткыч катары иштейт жана, кызыгы, эки катар үчүн тең бир цилиндр башын колдонот. Кадимки V6 батпай турган жерге батып турган 2,8 литрлик алты цилиндрлүү кыймылдаткыч – үчүнчү муундагы Volkswagen Golf’то дебют кылган.

Андан ары Volkswagen’дин инженерлери концепцияны өнүктүрө беришти:

• VR5 – бир цилиндри алынып салынган VR6 катары пайда болгон.
• W8 – бир ийинди валда эки кыскартылган VR агрегатын (ар бирине төрт цилиндрден) бириктирген – флагман Passat седанына орнотулган.
• W12 – 1998-жылы W12 Roadster концептинде дебют кылган: бир ийинди валда 72° бурч менен бириктирилген эки VR6 кыймылдаткычы.
• W16 – төрт турбо толтургучу менен – Bugatti Veyron’ду 431 км/саат ылдамдыкка жеткирип, бул архитектуранын эң экстремалдуу сериялык колдонуусу болуп саналат.

Эмне үчүн бул жайгашуулар мурда болгон эмес? Аларды заманбап компьютердик долбоорлоо мүмкүн кылды. Мындай татаал геометриялардагы бурчту, ийинди валдын кенелеринин ордун, тутануу тартибин жана тең салмактуулук мүнөздөмөлөрүн оптималдаштыруу 1990-жылдардан тартып жеткиликтүү болгон эсептөө кубатысыз дээрлик мүмкүн эмес болмок. Жалгыз W12’нин ийинди валынын өзү фрезеровщик үчүн түшкө кирген коркунучтуу нерсе – ар бир толеранттуулукту компьютер текшергенде гана мааниге ээ боло турган бөлүк.

Чыныгы дүйнөдөгү кыймылдаткыч дизайнында чындыгында эмне маанилүү

Эгер мунун баарынан бир тыянак чыгарса, ал – инженер кыймылдаткычтын жайгашуусун тандаганда теориялык тең салмактуулук сейрек гана чечүүчү фактор болот. Чыныгы артыкчылыктар:

• Жайгаштыруу – ал кыймылдаткыч бөлмөсүнө батабы?
• Салмак жана кубат тыгыздыгы – колдонуу үчүн эң мыкты катыш кайсы?
• Өндүрүш наркы – модель катарында бөлүктөрдү жалпы колдоно алабы?
• Модулдуулук – барган сайын өндүрүүчүлөр бүтүндөй кыймылдаткыч үй-бүлөлөрүн жалпы поршень жана цилиндр диаметри архитектурасынан курушат: үч цилиндрлүү үнөмдүү агрегаттардан тартып он эки цилиндрлүү флагмандарга чейин

Mercedes-Benz’тин азыркы кыймылдаткыч линейкасы – модулдук ыкманын окуу китебиндегидей мисалы: жалпы архитектура кубаттуулугу жана цилиндр саны боюнча кескин айырмаланган кыймылдаткычтардын негизин түзөт.

Ал эми дирилдөөгө келсек – теориялык жана чыныгы тең салмактуулук эки башка нерсе экенин эстен чыгарбоо керек. Толук тең салмактуу катарлаш алты цилиндрлүү да, эгер анын ийинди вал тутуму туура тең салмакталбаса же поршендери менен шатундарынын салмагы байкаларлык айырмаланса, дирилдейт. Чыныгы өндүрүш толеранттуулуктары жана жүктөмдө бөлүктөрдүн деформациясы эч бир кыймылдаткыч тажрыйбада теңдемелер айткандай жумшак болбосун билдирет. Дал ушундан улам кыймылдаткыч таканычынын дизайны – кыймылдаткычты автомобилдин калган бөлүгүнөн кантип изоляциялоо – жайгашуунун өзү сыяктуу эле маанилүү. Кээде андан да маанилүү.

Бул – котормо. Түпнускасын бул жерден окуй аласыз: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html