Микромоторно балансиране
Максималното намаляване на вибрациите, произтичащи от възвратно-постъпателните маси, се постига чрез балансиране на коляновия вал. За тази цел върху бузата на коляновия вал се създава противотежест срещу коляновия вал, който частично балансира инерционните сили, възникващи от движещото се бутало, бутален щифт и мотовилка.
Трябва да се отбележи, че теоретично е невъзможно напълно да се балансира едноцилиндров двигател. Спектърът от трептения и големината на инерционните сили от постъпателното движение на буталото и биелата, което прави сложна траектория, е практически невъзможно да се изчисли теоретично и да се компенсира с обикновена противотежест. Следователно задачата на проектанта е сведена до минимално ниво на амплитуда на вибрациите, както във вертикална, така и в хоризонтална равнина. Достатъчно надеждно балансиране може да се направи на специална стойка чрез измерване на амплитудите на претоварванията във вертикална и хоризонтална равнина. В същото време, чрез регулиране на масата на противотежестта, те се стремят да получат приблизително равни амплитуди на трептене както във вертикалната, така и в хоризонталната равнина. Очевидно е, че това равновесие ще съответства на оптималното балансиране. Балансирането се извършва чрез промяна на масата на противотежестта.
В случай, че масата на противотежестта в приетия дизайн е недостатъчна, тя може да бъде увеличена чрез инсталиране на допълнителни тежести от материал с висока плътност. Като такъв материал може да се използва волфрам или негови сплави с плътност 18,5-19,3 g cm-3. За тези цели могат да се използват и синтеровани прахообразни материали на базата на волфрамов карбид, от които се правят режещи инструменти. Конструктивно такава противотежест може да бъде направена, както е показано на фиг. 31.
Ориз. 31.Конструкция на противотежестта: а - с допълнителен товарен сегмент; b - с допълнителни товарни цилиндри.
Степента на баланс на движещите се части на едноцилиндров микромотор се оценява чрез съотношението на моментите на въртящите се компенсиращи маси и движещите се възвратно-постъпателни маси. Степента на баланс на Kb се изразява в проценти. За едноцилиндров микродвигател това съотношение не може да бъде повече от 50% без използването на специални допълнителни динамични балансьори.
Може да се направи инженерно-аналитично изчисление на степента на баланс на едноцилиндров микродвигател, за да се оценят приетите конструктивни решения.
Ориз. 32. Схема на действащите сили и моменти, възбуждащи вибрации и компенсиращи: а - въртящи се маси; b - осцилиращи маси
Схемата за изчисляване на балансирането на едноцилиндров микромотор е показана на фиг. 32. Възвратно-постъпателната маса на буталото с буталния болт и въртящата се маса на коляновия механизъм са свързани с буталото чрез мотовилка, която извършва сложно движение. За изчисление ние условно приписваме половината от масата на свързващия прът към буталната група, а другата половина от масата на свързващия прът към манивела на механизма.
Подобно изчисление не може да претендира за абсолютна точност поради предположенията, направени по отношение на мотовилката, но като инженерно е напълно приемливо и на практика дава добър резултат.
Изчислението се свежда до определяне на моментите на масата на осцилиращите части M и компенсиращия момент на противотежестта Mk.
Ориз. 33. Схема за определяне на масовия момент на коляновия вал: 1 - полуцилиндър; 2 - паралелепипед; 3 - призма; 4 - цилиндър.
Съотношението на компенсиращия момент към момента на осцилиращите маси определя степента на равновесие на системата. За това трябваза изчисляване на компенсиращия момент на масите на въртящия се колянов вал с условно закрепената част на мотовилката. За да се улесни определянето на масовия момент на лентата на коляновия вал, той условно се разделя на елементи, за които определянето на масата и нейния център на тежестта спрямо оста на въртене не създава затруднения (фиг. 33). Като пример е дадено изчисляването на степента на баланс на микромотор с работен обем 2,5 cm3, където коляно-буталната група има следните конструктивни параметри: ход на буталото - 14 nm, маса на буталото от сив чугун - 6,55 g, бутален болт - 0,95 g; свързващ прът - 1,95 гр. Конструкцията на противотежестта и коляновия вал на коляновия вал е показана на фиг. 33.
Нека определим масовите моменти на всеки от елементите на въртящите се части на системата. За тази цел определяме масата на елементите m1, разстоянието от центъра на масата на този елемент до оста на въртене y1 и момента на масата M1.
Масата на полуцилиндъра, посочена на фиг. 33 като елемент 1, се определя като произведение от неговия обем и плътността на материала:
Сега намираме разстоянието на центъра на масата на същия елемент от оста на въртене:
И накрая, определяме момента на масата на полуцилиндъра:
Дефинираме същите параметри за елемент 2:
Извършваме подобно изчисление за елемент 3:
Прикрепената част на мотовилката дава момент
Осцилиращата маса на буталото, буталния щифт и половината от масата на мотовилката, която възбужда вибрациите, дава общия момент:
Общият компенсиращ момент на въртящите се маси ще бъде:
Следователно балансът на микромотора ще бъде:
Намаляването на масата на буталото с 1,2 g и на буталния щифт с 0,1 g ще доведе до промяна в баланса поради промяната в момента от осцилиращите маси:
Коефициентът на баланс на микромотора ще бъде:
Подобрен баланс може да се постигне чрез инсталиране на допълнителни противотежести, направени от по-тежък материал, като волфрам.
Масата на бузата на противотежестта с допълнителни еднакви тежести ще се увеличи с
Като се има предвид факта, че рамото на допълнителни натоварвания , компенсиращият момент ще се увеличи с
Така общият момент на въртящите се маси след допълнително натоварване на противотежестта с тежести X1 и X2 ще се промени и ще стане равен на
Коефициентът на балансиране на микромотора ще бъде във версия без модификация на буталната група
След извършване на мерки за облекчаване на буталната група и инсталиране на допълнителни противотежести, коефициентът на баланс на микромотора ще бъде:
Полученият резултат може да се счита за доста добър.
Използвайки ABC- или AAC-работна двойка, където буталото е изработено от алуминиева сплав, могат да се постигнат още по-добри резултати по отношение на степента на баланс на едноцилиндров микродвигател.
Масата на буталото, изработено от сплав AK21M2, 5H2.5, ще бъде 2,95 g, буталния щифт и свързващият прът са непроменени, тогава:
Тогава степента на баланс на микромотора без модификации на противотежестта ще бъде:
Усъвършенстването на противотежестта чрез допълнително натоварване с волфрамови тежести, по аналогия с предишния пример, дава степента на баланс:
Както бе споменато по-рано, оптималното ниво на балансиране на микромотора е съотношението Kb равно на 50%. Полученото съотношение показва, че масата на допълнителните противотежести донякъде надвишава необходимата за дадено конструктивно решение на коляно-буталната група. Чрез намаляване на диаметъра на допълнителните противотежести до 4,5 mm, получаваме следните резултати:
Общият момент на въртящите се маси след допълнително натоварване на противотежестта ще бъде равен на
Коефициентът на баланс на микромотора в този вариант ще бъде:
Полученият коефициент на баланс на микромотора може да се счита за задоволителен и целта е постигната.