Двигатель/коробка передач

Двигатель служит основным источником энергии транспортного средства. Тот факт, что он вращается и передаёт крутящий момент в трансмиссию, открывает возможность того, что он может быть источником для возбуждения колебаний транспортного средства. Кроме того, масса двигателя в сочетании с массой коробки передач является существенной частью массы шасси и при правильном использовании может выступать в качестве поглотителя вибрации.

Поршневые двигатели передают мощность ациклическим процессом; таким образом, крутящий момент, передаваемый двигателем, не является постоянным по величине [24]. На коленчатом валу передаваемый крутящий момент состоит из серий импульсов, соответствующих каждому рабочему ходу цилиндра (смотрите Рисунок 5.12). Вместе с инерциями и упругостями в коробке передач маховик выступает в качестве инерционного амортизатора. Таким образом, крутящий момент, передаваемый на приводной вал, состоит из стационарного компонента и наложенных изменений крутящего момента. Эти изменения крутящего момента действуя через трансмиссию могут привести к возбуждению сил на транспортном средстве, аналогичных вторичным силам универсальных шарниров с крестовиной, описанных в предыдущих разделах.

Рис. 5.12. Изменений крутящего момента на выходе четырёхтактного, четырёхцилиндрового двигателя.

Из-за гибкости в креплениях двигателя/коробки передач эта система будет вибрировать в шести направлениях - трёх поступательных и трёх вращательных вокруг поступательных осей. Оси системы для конфигурации двигателя с поперечным передним расположением показаны на Рисунке 5.13. На этом рисунке также показаны три типичные точки монтажа, которые используются сегодня для большинства поперечных двигателей.

Рис. 5.13. Типичный поперечный двигатель и монтажное оборудованея. (Фото любезно предоставлено Ford Motor Company.)

Из всех направлений движения, наиболее важным к вибрации является направление крена двигателя (вокруг поперечной оси при поперечном расположении двигателя или вокруг продольной оси двигателя, установленного в направлении север-юг), которое подвержено колебаниям крутящего момента. Колебания крутящего момента происходят в двигателе на частоте зажигания, а также на суб-гармониках этой частоты из-за изменения крутящего момента от цилиндра к цилиндру.

Ключ к изоляции этих вибраций от кузова транспортного средства заключается в разработке системы крепления с осью крена, которая выровнена по инерциальной оси крена двигателя, а также обеспечивает резонанс вокруг этой оси на частоте, которая ниже самой низкой частоты зажигания. Если так сделать, колебания крутящего момента, которые происходят выше резонансной частоты, ослабляются. В результате, крутящий момент поглощается в движении двигателя по инерции, а не передаётся на кузов транспортного средства.

Инерциальная ось двигателя у двигателей с четырьмя цилиндрами как правило, будет наклонена вниз по направлению к коробке передач из-за вклада массы коробки передач. Таким образом, система крепления должна быть ниже на ​​стороне коробке передач и выше в передней части двигателя. На V-образных двигателях (шести и восьми цилиндровых) инерционная ось спереди ниже, позволяя системе крепления быть лучше выровненной с коленчатым валом.

Наихудшей проблемой является изоляция вибраций крутящего момента холостого хода для четырёхцилиндрового двигателя с коробкой передач на приводном валу, которые могут иметь частоту 20 Гц или ниже. Таким образом, успешная изоляция требует резонанс оси крена 10 Гц или ниже. Поскольку система действует подобно простой упругой динамической системе масс и пружин второго порядка [14], колебания крутящего момента на частотах ниже резонансной частоты будут ощущаться непосредственно в точках крепления, а вблизи резонансной частоты кручения амплитуды будут происходить вибрации, намного большие самих колебаний крутящего момента.

В результате существующих дисбалансов в возвратно-поступательных/вращающихся массах двигатели могут создавать силы и моменты в направлениях, отличных от крена [24]. Они принимают форму сил или вторичных сил на частоте вращения двигателя и её второй гармонике, и должны быть изолированы таким же образом, как и для варианта с креном, описанного выше. Для наиболее часто используемых конфигураций двигателей условия баланса заключаются в следующем:

1)    Рядный четырёхцилиндровый - Вертикальная сила на удвоенной частоте вращения двигателя; может быть сбалансирован с  помощью вращающихся в противоположные направления валов.
 

2)    Плоский оппозитный четырёхцилиндровый - Различные силы и моменты на частоте вращения и удвоенной частоте вращения, в зависимости от устройства коленчатого вала.
 

3)    Рядный шестицилиндровый - По природе сбалансирован во всех направлениях.
 

4)    Рядный шестицилиндровый двухтактный - Вертикальная вторичная сила, генерирующая моменты рыскания и тангажа на частоте вращения двигателя; может быть сбалансирован.
 

5)    V-образный шестицилиндровый, 60 градусный - Создаёт вращающиеся в противоположных направлениях вторичные силы на частоте вращения, которые могут быть сбалансированы с помощью вала, вращающегося в противоположную сторону.
 

6)    V-образный шестицилиндровый, 90 градусный (нечётное зажигание, 1-6-5-4-3-2) - Создаёт момент рыскания на удвоенной частоте вращения; может быть сбалансирован с помощью вала, вращающегося в противоположную сторону.
 

7)    V-образный шестицилиндровый, 90 градусный (чётное зажигание, 1-4-5-6-3-2) - Создаёт моменты рыскания и тангажа на скорости вращения коленчатого вала, который может быть сбалансирован. Также создаёт суммарные моменты рыскания и тангажа на удвоенной скорости вращения, которые трудно сбалансировать.
 

8)    Рядный восмицилиндровый - По природе сбалансирован во всех направлениях.
 

9)    V-образный восмицилиндровый 90 градусный - Вторичная сила на основной скорости вращения; может быть уравновешен.

При правильной конструкции системы крепления масса комбинации из двигателя и трансмиссии может быть использована в качестве поглотителя вибрации, смягчающего другие вибрации, к которым склонно транспортное средство. Чаще всего это используется для управления вибрациями от вертикального сотрясения, возникающих из-за вибраций колёс. С этой целью система крепления разрабатывается так, чтобы иметь вертикальную резонансную частоту вблизи частоты подпрыгивания передних колёс (12-15 Гц), так что двигатель может выступать в качестве подавителя вибраций для этого типа вибраций транспортного средства.