Шарҳи конфигуратсияи муҳаррик: муҳаррикҳои қаторӣ, V-шакл ва ҳамвор

Дар ибтидои асри 20, вақте ки муҳандисии автомобилӣ бо суръати пурра пеш мерафт, муҳаррики 10-литрӣ метавонист ё як силиндрӣ бошад ё, масалан, қаторӣ-ҳаштсилиндра. Он замон ҳеҷ кас аз муҳаррики қаторӣ-шашсилиндраи 23-литрӣ ё муҳаррики ҳавопаймои радиалии ҳафтсилиндра, ки ба автомобил гузаронида шуда буд, тааҷҷуб намекард.

Бо вусъат ёфтани истеҳсоли оммавӣ ва шиддат гирифтани фишори хароҷот, ҳама чиз ба ҷои худ нишаст. Муҳаррики яксилиндра ба ёдгории гузашта табдил ёфт. Имрӯз ҳаҷми миёнаи силиндр дар муҳаррики маъмулии автомобил байни 300 то 600 сантиметри мукааб қарор дорад ва иқтидори хос аз тақрибан 35 а.қ./л дар дизели атмосферӣ то 100 а.қ./л дар муҳаррики бензинии серқувват тағйир меёбад. Инҳо нуқтаҳои беҳтарин барои истеҳсоли оммавӣ мебошанд — берун шудан аз онҳо басодагӣ ғайрииқтисодӣ аст.

Пас манзараи муосири муҳаррикҳо чӣ гуна аст? Дар маҷмӯъ:

• Муҳаррики 100-аспкувваӣ одатан чор силиндр дорад
• Муҳаррики 200-аспкувваӣ маъмулан чор, панҷ ё шаш силиндр дорад
• Муҳаррики 300-аспкувваӣ одатан ҳашт силиндр истифода мебарад

Аммо ин силиндрҳоро дар амал чӣ гуна ҷойгир кардан мумкин аст? Муҳандисон ҳангоми тарроҳии муҳаррики бисёрсилиндра кадом имконоти ҷобаҷогузориро доранд? Биёед инро шарҳ диҳем.

Муҳаррикҳои қаторӣ: содда, аммо торафт амалинашаванда

Саволи аввалиндараҷа дар зеҳни ҳар як тарроҳи муҳаррик ин аст, ки чӣ гуна тарроҳиро содда кунад — нигоҳ доштани хароҷоти истеҳсолот дар сатҳи паст ва соддагии хидматрасонӣ. Дар ин ҷабҳа, муҳаррики қаторӣ (хаттӣ) бо бартарии комил ғолиб мебарояд. Силиндрҳо дар як қатор ҷойгир шудаанд ва афзоиш додани ҳаҷм мисли илова кардани силиндрҳои бештар осон аст.

Намудҳои муҳаррики қаторӣ дар амал чунин тақсим мешаванд:

• Муҳаррикҳои ду- ва сесилиндра дар автомобилҳо нисбатан кам вомехӯранд, ҳарчанд формати дусилиндра ба туфайли тазриқи пешрафтаи сӯзишворӣ ва турбошарҷкунӣ боз бармегардад — муҳаррики дусилиндраи турбошарҷшудаи 85-аспкувваӣ дар Fiat 500 намунаи барҷастаи он аст.
• Муҳаррики қаторӣ-чорсилиндра аспи кории ҷаҳони автомобилҳои сабукрав аст, ки ҳаҷмҳоро аз 1.0 то 2.4 литр фаро мегирад.
• Муҳаррикҳои қаторӣ-панҷсилиндра рушди нисбатан навтаранд. Mercedes-Benz соли 1974 дизели панҷсилиндраро пешсаф буд (модели 300D дар платформаи W123), пас аз он ду сол баъд муҳаррики бензинии дулитраи панҷсилиндраи Audi, сипас Volvo ва Fiat дар охири солҳои 1980 ҳамроҳ шуданд.
• Муҳаррикҳои қаторӣ-шашсилиндра, ки муддати тӯлонӣ маҳбуби аврупоиён барои нармии худ буданд, торафт камёфт шудаанд. Бародари аз он дарозтарашон, муҳаррики қаторӣ-ҳаштсилиндра, амалан дар солҳои 1930 тарк карда шуд.

Сабаби ин раванд содда аст: ҳар қадаре ки силиндр илова кунед, муҳаррик ҳамон қадар дарозтар мешавад — ва ин мушкилоти ҷиддии ҷобаҷогузорӣ эҷод мекунад. Масалан, ҷойгир кардани муҳаррики қаторӣ-шашсилиндра ба тарзи кӯндаланг дар фазои муҳаррики автомобили чархҳои пешрон танҳо дар чанд ҳолати ангуштшумор муяссар шудааст: Austin Maxi 2200 (ки талаб мекард қуттии фармонгардониро дар зери муҳаррик ҷой диҳанд) ва Volvo S80 бо қуттии фармонгардонии ниҳоят ихчамаш.

Муҳаррикҳои V-шакл ва ҳамвор: ихчам, аммо мураккаб

Пас муҳаррики қаториро чӣ гуна кӯтоҳ кардан мумкин аст? Роҳи зебои ҳалли он: онро ба ду ним тақсим кунед, ду нимаро паҳлӯ ба паҳлӯ ҷойгир кунед ва бо ҳар ду як вали миёнаро ба ҳаракат дароред. Ин моҳияти муҳаррики V-шакл аст.

Маъмултарин конфигуратсияҳои муҳаррики V-шакл кунҷи 60° ё 90°-ро байни қаторҳои силиндрҳо истифода мебаранд. Ин кунҷро то 180° расонед — силиндрҳое, ки рост ба самти муқобили якдигар нигаронида шудаанд — ва шумо муҳаррики ҳамвор мегиред, ки бо номи муҳаррики боксерӣ низ маъруф аст (аз ин рӯ ишораҳои B2, B4, B6).

Маҳдудиятҳо дар муқоиса бо муҳаррики қаторӣ назаррасанд:

• Ду сари силиндр — ҳар яке бо лоғар (прокладка) ва коллекторҳои худ
• Валҳои тақсимгари бештар ва механизми мураккабтари рондани клапанҳо
• Бари бештар (махсусан барои муҳаррикҳои ҳамвор), ки ҷойҳои насби онҳоро маҳдуд мекунад
• Хароҷоти баландтари истеҳсолот ва хидматрасонии мураккабтар

Ба сабаби ин камбудиҳо, муҳаррикҳои ҳамвор танҳо аз ҷониби шумораи ками истеҳсолкунандагон истифода мешаванд — Porsche ва Subaru имрӯз барҷастатаринашонанд.

Дар бораи он чӣ гуфтан мумкин аст, ки муҳаррики V-шаклро бо кам кардани кунҷ ба камтар аз 60° боз ҳам ихчамтар созем? Ин кор шудааст — Lancia Fulvia-и солҳои 1970 муҳаррики V4-ро бо кунҷи ҳамагӣ 23° кор мекард. Аммо як ҳилла ҳаст: ҳар қадар кунҷ танг бошад, ҳамон қадар мувозинати муҳаррик душвортар мешавад. Ин моро ба яке аз муҳимтарин мушкилоти тарроҳии муҳаррик мерасонад.

Ларзиши муҳаррик: қувваҳо, моментҳо ва чӣ гуна ром кардани онҳо

Ҳеҷ муҳаррики дарунсӯзи поршендор пурра аз ларзиш озод нест — ин хоси худи тарроҳӣ аст. Аммо идоракунии ларзиш муҳим аст, на танҳо барои осоиши мусофирон. Ларзиши шадиди номувозинатшуда метавонад қисмҳои муҳаррикро ҷисман нобуд кунад, бо тамоми оқибатҳои фалокатбор, ки бо пош хӯрдани қисмҳо бо суръати баланд меоянд.

Ларзиши муҳаррик аз куҷо меояд? Се манбаи асосӣ ҳаст:

• Фосилаҳои нобаробари аланга задан — дар баъзе конфигуратсияҳои муҳаррик зарбаҳои корӣ дар фосилаҳои комилан баробар алангавар намешаванд, ки боиси ларзиши момент мегардад. Маховики вазнинтар метавонад дар ҳамворкунии ин кӯмак расонад.
• Қувваҳои инертсионии поршен — вақте ки поршенҳо ба боло шитоб мегиранд ва дар болои зарбаи худ суст мешаванд (ва баръакс дар поён), онҳо қувваҳои инертсионие тавлид мекунанд, ки ба он чӣ шумо ҳангоми тормоз ё шитоб гирифтани автомобил эҳсос мекунед, монанданд.
• Геометрияи шотун — шотун дар хатти рост ҳаракат намекунад ва ҳаракати поршен синусоидаи комил нест, ки ин ҷузъҳои иловагии қувваро дар зарбҳои суръати вали миёна ворид мекунад.

Ин қувваҳои инертсионии тартиботи болоӣ одатан ночизанд — ба истиснои қувваҳои тартиботи дуюм, ки дар басомади дучандонаи вали миёна амал мекунанд ва бояд ҳамеша ба ҳисоб гирифта шаванд. Вақте ки қувваҳои инертсионӣ дар силиндрҳои ҳамҷавор дар самтҳои муқобил дар масофаи муайяни байни ҳамдигар амал мекунанд, онҳо инчунин ҷуфтҳои моментӣ тавлид мекунанд, ки қабати дигари мураккабиро илова мекунанд.

Муҳандисон ду абзори асосӣ барои мубориза бо ин қувваҳо доранд:

• Интихоби конфигуратсияи табиатан мувозинатшуда — силиндрҳо ва зарбаҳои вали миёнаро тавре ҷойгир кунед, ки қувваҳо ва моментҳо якдигарро табиатан хунсо кунанд.
• Илова кардани валҳои мувозинатсозӣ — валҳои дуюмдараҷа бо вазнаҳои муқобил, ки дар самти муқобили вали миёна давр мезананд ва қувваҳои баробару муқобил тавлид мекунанд. Инҳо хароҷот ва мураккабии механикиро меафзоянд, аммо метавонанд ҳолатҳои мушкили ларзишро пурра безарар кунанд.

Аз ҳамаи ҷобаҷогузориҳои маъмули муҳаррик, танҳо дуто аз ҷиҳати назариявӣ комилан мувозинатшуда мебошанд: қаторӣ-шашсилиндра ва ҳамвор-шашсилиндра. Маҳз ба ҳамин сабаб BMW ва Porsche ин конфигуратсияҳоро бо чунин сахтгирӣ нигоҳ доштаанд — ва дигарон сарфи назар аз мушкилоти ҷобаҷогузорӣ дар тарки онҳо тардид доштанд.

Мувозинати муҳаррик аз рӯи конфигуратсия: дастури амалӣ

Биёед бубинем, ки ҳар як конфигуратсияи асосии муҳаррик дар ҷаҳони воқеӣ аз ҷиҳати ларзиш ва мувозинат чӣ гуна рафтор мекунад.

Муҳаррикҳои қаторӣ-дусилиндра (вали миёна дар як самт) аз ҷиҳати мувозинат ба муҳаррики яксилиндра монанданд — ҳар ду поршен ҳамзамон боло мераванд ва поён мефуроянд. «Ока»-и русӣ ду вали мувозинатсозии муқобилгардро барои мубориза бо қувваҳои инертсионии тартиботи якум истифода мебурд, аммо қувваҳои тартиботи дуюм беназорат монданд. Илова кардани ду вали мувозинатсозии дигар дар чунин автомобили хурду арзон комилан амалинашаванда мебуд. Бисёр муҳаррикҳои дусилиндра — мисли Fiat 500-и аслии соли 1957 ва Tata Nano-и ҳиндустонӣ — басодагӣ бидуни ҳеҷ вали мувозинатсозӣ кор мекарданд ва барои фурӯ бурдани ларзиш ба такягоҳҳои чандири муҳаррик такя мекарданд. Арзон, содда ва барои корбурдҳои буҷетӣ қобили қабул.

Муҳаррикҳои дусилиндра бо вали миёна дар кунҷи 180° (поршенҳое, ки дар зиддифаза ҳаракат мекунанд) мувозинати аввалияи беҳтарро пешниҳод мекунанд, аммо фосилаҳои баробари алангаро танҳо дар шакли дузарбагӣ ба даст оварда метавонанд — ҳамчуноне ки дар DKW-ҳои пеш аз ҷанг ва ворисони онҳо, Trabant-и Олмони Шарқӣ истифода шудааст.

Муҳаррикҳои V-дусилиндра имрӯз қариб танҳо дар мотосиклҳо боқӣ мондаанд — Harley-Davidson ва тақлидгарони ҷопонии он намунаҳои равшананд. НАМИ-1 амалан ягона автомобиле буд, ки ин ҷобаҷогузориро истифода бурд. Вазнаҳои муқобил дар вали миёна метавонанд онро ба мувозинати пурра наздик кунанд, аммо фосилаҳои баробари аланга то ҳол дастнорас боқӣ мемонанд.

Муҳаррикҳои сесилиндра назар ба қаторӣ-чорсилиндра бадтар мувозинатшудаанд. Истеҳсолкунандагон мисли Subaru ва Daihatsu валҳои мувозинатсозиро ҳамчун стандарт насб мекунанд; қарори Opel дар бораи сарфи назар кардани он дар муҳаррики сесилиндраи Ecotec барои Corsa-и насли дуюм хароҷотро сарфа кард, аммо пас аз дебюти соли 1996 барои автомобил дар матбуоти автомобилии Олмон обрӯи дағалро ба бор овард — он ҳамчун «комилан ғайриимкон барои рондан дар шаҳр дар реҷаҳои тағйирёбанда» тавсиф шуд.

Муҳаррикҳои қаторӣ-чорсилиндра — маъмултарин ҷобаҷогузорӣ дар ҷаҳон — қувваи инертсионии озоди тартиботи дуюм доранд, ки онро танҳо вали мувозинатсозии бо суръати дучандонаи вали миёна давргардон безарар карда метавонад. Барои хунсо кардани моменти ҳосилшуда, вали дуюми муқобилгард лозим аст. Гарон, бале — аммо Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat ва брендҳои Volkswagen Group ҳама ин танзимотро ҳангоми талаби нармӣ истифода кардаанд.

Муҳаррикҳои ҳамвор-чорсилиндра назар ба ҳамтоёни қатории худ каме беҳтар амал мекунанд — танҳо ҷуфти моменти тартиботи дуюм боқӣ мемонад, ки муҳаррикро гирди меҳвари амудии он мечархонад. Бо вуҷуди ин, ҳам муҳаррики бо ҳаво хунукшавандаи Beetle ва ҳам воҳидҳои боксерии Subaru даҳсолаҳо бидуни валҳои мувозинатсозӣ кор кардаанд.

Муҳаррикҳои қаторӣ-панҷсилиндра қувваҳои инертсионии аввалияи ҷуброншуда доранд, аммо аз моменти хамкунандаи ғелзанандае ранҷ мебаранд, ки доимо аз блок мегузарад — ва ин сохтори фавқулодда сахтро талаб мекунад. Mercedes-Benz, Audi ва Volvo ба ин тавассути такягоҳҳои такмилёфтаи муҳаррик ва вазнаҳои муқобил (ба монанди 2.5 TFSI-и компрессордор дар Audi TT RS) рӯ ба рӯ шуданд, дар ҳоле ки муҳандисони Fiat фаротар рафта вали мувозинатсозии пурраро истифода бурданд.

Як эзоҳи ҷолиб: қариб ҳамаи муҳаррикҳои панҷсилиндра моҳиятан муҳаррикҳои чорсилиндраанд, ки ба онҳо як силиндри иловагӣ васл шудааст. Ин усули модулӣ имкон медиҳад, ки поршенҳо, шотунҳо ва ҷузъҳои механизми клапанҳо муштарак бошанд — танҳо блок, сар ва вали миёна (бо зарбаҳо дар фосилаҳои 72°) бояд тағйир ёбанд.

Муҳаррикҳои V6, ки ҷои қаторӣ-шашсилиндраро гирифтанд, ҳамон хусусиятҳои мувозинатро дар бар мегиранд, ки муҳаррики сесилиндра дорад — яъне на чандон идеалӣ. Аввалин муҳаррики V6-и Mercedes-Benz (М112, бо се клапан барои ҳар силиндр) инро бо вали мувозинатсозие, ки дар водии байни қаторҳо насб шуда буд, ҳал кард. Шашсилиндраи селитраи PSA Group онро дар сари силиндр ҷой дод. Дигар истеҳсолкунандагон офсети дақиқи штифтҳои вали миёнаро интихоб карданд — ҳамчуноне ки дар V6-и Audi дида мешавад — то ларзишро бидуни мураккабии иловагӣ кам кунанд. Муҳаррикҳои V6 бо кунҷи 90° мушкили дигарро илова мекунанд: фосилаҳои табиатан нобаробари аланга, ки маховики вазндор онро танҳо қисман ҳамвор карда метавонад.

Муҳаррикҳои V8 бо кунҷи қатори 90° ва зарбаҳои вали миёна дар ду ҳамвории ба ҳамдигар амудӣ хеле хуб мувозинатшудаанд. Фосилаҳои баробари аланга ба даст омаданӣ мебошанд ва танҳо ду ҷуфти моменти боқимонда мемонанд — ки ба осонӣ тавассути вазнаҳои муқобил дар журналҳои канории вали миёна ҳал мешаванд. Ин қисми калони сабабест, ки чаро муҳандисони амрикоӣ V8-ро бо чунин ҷӯшу хурӯш пазируфтанд: онҳо басодагӣ ларзишро таҳаммул намекунанд.

Муҳаррикҳои V4 камёфт буданд ва акнун дар автомобилҳо қариб нобуд шудаанд. V4-и аврупоии Ford (дар Taunus, Capri ва Saab 96 истифодашуда) ва V4-и аҷиби «Запорожец» ҳарду барои ҷуфтҳои моменти тартиботи якум вали мувозинатсозиро талаб мекарданд. Ихчамӣ ва хароҷот омилҳои асосӣ буданд — мувозинат дуюмдараҷа буд.

Муҳаррикҳои V10 ҳамон хусусиятҳои мувозинати муҳаррики қаторӣ-панҷсилиндраро дар бар мегиранд. Ин ба тарроҳони муҳаррикҳои Formula 1, Dodge Viper ё Dodge RAM монеа нашуд, ки онҳоро истифода баранд — вақте ки ба қувва ниёз доред, бо ларзиш сару кор мегиред.

Дар бораи ҷобаҷогузориҳои бештар экзотикӣ: ҳамвор-ҳаштсилиндра (ҳамчуноне ки дар автомобилҳои пойгаи Porsche 917 истифода шудааст) моҳиятан ду ҳамвор-чорсилиндра дар як вали миёнаи муштарак аст, дар ҳоле ки муҳаррикҳои V12 ва ҳамвор-12 ба ду муҳаррики қаторӣ-шашсилиндра коҳиш меёбанд — ки нармии истисноии онҳоро шарҳ медиҳад.

Муҳаррикҳои VR6, VR5 ва W: шоҳкори ҷобаҷогузории Volkswagen

Мо қаблан ба муҳаррикҳои V-шакли кунҷтанг мисли Lancia Fulvia дахл кардем. Даҳсолаҳо аз онҳо канорагирӣ мекарданд — мувозинаташон назар ба ҷобаҷогузориҳои 60° ё 90° душвортар буд ва дастовардҳои ҷобаҷогузориашон арзиши заҳмат надоштанд. Сипас афзалиятҳо тағйир ёфтанд.

Ду рушд бозиро тағйир дод:

• Такягоҳҳои гидравликии муҳаррик васеъ дастрас шуданд ва интиқоли ларзишро сарфи назар аз мувозинати назариявии муҳаррик ба таври назаррас фурӯ нишонданд.
• Фазои зери капот торафт камёб шуд, ки ихчамиро ба хусусияти арзишманд табдил дод. Кӣ тасаввур карда метавонист, ки як хетчбеки оддӣ муҳаррики шашсилиндраи 2.8-литриро пинҳон кунад? Volkswagen инро амалӣ кард.

Volkswagen VR6 — ки дар он «VR» ишора ба V-Reihen (V-қаторӣ) мекунад — мафҳуми кунҷтангро аз он чи Lancia ягон вақт кардааст, фаротар мебарад ва байни қаторҳо танҳо кунҷи 15°-ро истифода мебарад. Натиҷа он қадар ихчам аст, ки амалан ҳамчун муҳаррики қатории офсетшуда кор мекунад ва ба таври аҷиб, барои ҳар ду қатор як сари силиндр-ро истифода мебарад. Муҳаррики шашсилиндраи 2.8-литре, ки дар ҷое ҷой мегирад, ки V6-и маъмулӣ намегунҷад — дар Volkswagen Golf-и насли сеюм дебют кард.

Аз он ҷо, муҳандисони Volkswagen бо ин мафҳум пеш рафтанд:

• VR5 ҳамчун VR6 бо як силиндри хориҷшуда пайдо шуд.
• W8 ду воҳиди VR-и кӯтоҳшуда (ҳар яке чор силиндр) дар як вали миёна муттаҳид кард — ба седани парчамдори Passat насб карда шуд.
• W12 соли 1998 дар консепти W12 Roadster дебют кард: ду муҳаррики VR6, ки дар кунҷи 72° дар як вали миёна ҷуфт шудаанд.
• W16 — бо чор турбошарҷкунанда — Bugatti Veyron-ро то 431 км/соат меронад, ки онро шадидтарин корбурди истеҳсолии ин меъморӣ месозад.

Чаро ин ҷобаҷогузориҳо қаблан вуҷуд надоштанд? Тарроҳии муосири компютерӣ онҳоро имконпазир сохт. Беҳинасозии кунҷи дохилӣ, мавқеи штифтҳои вали миёна, тартиби аланга ва хусусиятҳои мувозинат дар чунин геометрияҳои мураккаб бидуни иқтидори ҳисоббарорӣ, ки аз солҳои 1990 ба баъд дастрас шуд, амалан ғайриимкон мебуд. Танҳо вали миёнаи W12 худаш кобуси токарчист — ҳамон навъ қисме, ки танҳо вақте маъно дорад, ки компютер ҳар як таҳаммулро тасдиқ кардааст.

Дар тарроҳии воқеии муҳаррик чӣ воқеан аҳамият дорад

Агар аз ҳамаи ин як натиҷа гирифтан мумкин бошад, ин аст, ки мувозинати назариявӣ кам ҳолатҳое омили ҳалкунанда мешавад, ки муҳандис ҷобаҷогузории муҳаррикро интихоб мекунад. Афзалиятҳои воқеӣ инҳоянд:

• Ҷобаҷогузорӣ — оё он дар фазои муҳаррик ҷой мегирад?
• Вазн ва зичии қувва — беҳтарин таносуб барои ин корбурд чист?
• Хароҷоти истеҳсолот — оё он метавонад ҷузъҳоро дар як қатори моделҳо муштарак истифода барад?
• Модулӣ будан — торафт бештар истеҳсолкунандагон тамоми оилаҳои муҳаррикро аз меъмории муштараки поршен ва диаметр месозанд, аз воҳидҳои сарфакори сесилиндра то парчамдорони дувоздаҳсилиндра

Хатти муҳаррикҳои ҷории Mercedes-Benz намунаи дарсии усули модулист: меъмории муштарак муҳаррикҳоро дар иқтидорҳои қувваи бағоят гуногун ва шумораи силиндрҳои мухталиф асоснок мекунад.

Ва дар бораи ларзиш — арзиши ёдоварист, ки мувозинати назариявӣ ва воқеӣ ду чизи комилан гуногунанд. Ҳатто муҳаррики комилан мувозинатшудаи қаторӣ-шашсилиндра меларзад, агар маҷмааи вали миёнааш дуруст мувозинатнашуда бошад ё агар поршенҳо ва шотунҳояш аз ҷиҳати вазн ба таври назаррас фарқ кунанд. Таҳаммулоти истеҳсолии воқеӣ ва деформатсияи ҷузъҳо дар зери бор маънои онро доранд, ки ҳеҷ муҳаррик дар амал он қадар ҳамвор нест, ки муодилаҳо нишон медиҳанд. Маҳз барои ҳамин тарроҳии такягоҳҳои муҳаррик — тарзи ҷудо кардани муҳаррик аз қисми боқимондаи автомобил — дар ҳама ҳолат мисли худи ҷобаҷогузорӣ муҳим аст. Баъзан бештар аз он.

Ин тарҷума аст. Шумо метавонед нусхаи аслиро дар ин ҷо хонед: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html