DOBRO JE ZNATI

Osovine za uravnoteženje – prigušivači vibriranja, umirovljuju 6-cilindraše

Posljednje godine toplinskih motora preživjet će samo učinkoviti 3 i 4-cilindarski motori, koji miran rad mogu zahvaliti izumu iz 1903., suprotno rotirajućim osovinama za uravnoteženje (A i B na slici)

Veliki 4-cilindraši više se ne mogu zamisliti bez dviju suprotno rotirajućih osovina za uravnoteženje, koje se vrte dvostruko brže od koljenastog vratila. Tako se postiže mirnoća rednog 6-cilindraša i statusna udobnost, te olakšavaju izolacija buke, uležištenje motora i konstrukcija ovjesa.

Automobilski konstruktori se s problemom vibriranja odnosno uravnoteženja motora suočavaju od početka 20. stoljeća. Prve osovine za uravnoteženje izmislio je i patentirao Englez dr. Frederick Lanchester u ožujku 1903. (prije toga je prvi konstruirao 6-cilindarski motor i disk-kočnice), pa se takav pristup po njemu prozvao ‘Lanchesterovim uravnoteženjem’. To najbolje potvrđuje stav mnogih stručnjaka da je sve bitno u automobilskoj industriji izmišljeno do početka drugog svjetskog rata.

Benzinski i dizelski motori (kakvi se koriste u većini vozila) spadaju u grupu klipnih motora, koji uz pomoć klipnog mehanizma (klipa, klipnjače i koljenastog vratila) pravocrtno kretanje pretvaraju u kružno. Klip se kreće pravocrtno u cilindru u kojem se u prvom taktu usisava smjesa goriva i zraka (kod dizelaša se usisava samo zrak). U drugom se taktu smjesa komprimira i pri kraju pali. Potom nastaje eksplozija, te se kemijska energija goriva pretvara u mehanički rad. U četvrtom taktu klip gura produkte izgaranja kroz otvoren ispušni ventil (ventile). Od četiri takta samo je jedan (treći) radni, a ostala tri su balast, odnosno “nužno zlo”.

Veći 4-cilindarski motori opremljeni su s dvije suprotnorotirajuće osovine za uravnoteženje koje se vrte dvostruko brže od koljenastog. Potrebne su dvije kako bi se poništilo pojedinačno beskorisne i štetne bočne inercijske sile

U tome je najveći problem i prokletstvo klipnih motora, jer je okretni moment neravnomjeran, pa su vibracije nužne. Problem se smanjuje povećanjem broja cilindara, jer se tako popunjavaju praznine u dijelovima ciklusa bez korisnog rada. Dvotaktni su motori u prednosti jer ostvaruju jedan radni takt u jednom okretu koljenastog vratila, dok su kod četverotaktnog motora radni taktovi dvostruko rjeđi (jedan u svakom drugom okretaju koljenastog vratila).

U klipnom se mehanizmu svi dijelovi ne kreću na isti način. Prva grupa dijelova kreće se pravocrtno (oscilira), druga se okreće (rotira), a treća se okreće i rotira. U prvoj je grupi klip s klipnim prstenima i osovinicom, a u drugoj su grupi rukavci i ramena koljenastog vratila. Treća grupa zaslužuje posebnu pažnju, jer su u njoj klipnjače. Za proračun se uzima da se dvije trećine mase svake klipnjače rotira, a jedna trećina kreće pravocrtno (točan omjer je specifičan za svaku konstrukciju klipnjače i može neznatno odstupati od navedenog).Najveće nevolje stvaraju dijelovi u pravocrtnom kretanju, jer se oni periodički ubrzavaju i usporavaju, te se u svakom radnom ciklusu četiri puta zaustavljanju.

Pri svakom ubrzanju i usporavanju javljaju se velike inercijske sile (jednake umnošku mase i ubrzanja), koje izazivaju snažne vibracije i doslovce tresu motor. To se eliminira povećavanjem broja cilindara i prilagođenom konstrukcijom koljenastog vratila. Neuravnoteženost motora je nepoželjna jer vožnja postaje zamorna i neugodna udobnost. Mnogo gore od toga je što nekontrolirane vibracije i uvijanja motora znatno povećavaju dinamičko opterećenje, ma je motor izložen većim naprezanjima i trošenju. U ekstremnim slučajevima može doći i do pucanja vitalnih dijelova.

V6 motori, za uravnoteženje vertikalnih inercijskih sila 1. reda trebaju samo jednu osovinu za uravnoteženje, koja se vrti istom brzinom vrtnje kao koljenasto vratilo, koje je opremljeno dodatnim bočno simetričnim utezima kao na osovini za uravnoteženje (radi poništavanja bočnih inercijskih sila koja stvara jedna osovina za uravnoteženje)

Vibracije se prenose na karoseriju i ovjes, što je posebice izraženo kod dizelskih motora (zbog toga nije preporučljiva ugradnja dizelaša u male i lagane automobile). S povećanjem broja cilindara smanjuju se problemi s uravnoteženjem, ali se poskupljuje izvedba, povećavaju otpori i potrošnja goriva. Motor istodobno postaje veći i teži, što nije dobra preporuka za konstruiranje i postizanje dobrih performansi. Najbolju konfiguraciju pružaju redni 6-cilindraši (prirodno su uravnoteženi), no takva je izvedba neracionalna, pa se kod luksuznih automobila srednje klase češće koriste izvedbe s četiri cilindra ili V6. Prirodno su uravnoteženi i bokserski motori sa šest cilindara, no ta egzotična i skupa koncepcija koristi se samo u statusnim modelima Porsche.

Devet od deset automobila na europskom tržištu (na našem i više) imaju četiri cilindra u redu, iako ta koncepcija nije idealna. No ona pruža najbolji kompromis cijene, mehaničkih svojstava, gabarita i performansi. Neuravnoteženost motora uzrokuju inercijske sile masa u oscilacijskom kretanju i momenti neuravnoteženih sila inercije. Te se sile i momenti mijenjaju pravilno, jer su definirani s dvije harmonijske funkcije. Jedna je prvog reda, koja ima kružnu frekvenciju motora, a druga je drugog reda i ima dvostruko veću frekvenciju.

Motor se uravnotežuje dodatnim utezima na koljenastom vratilu, što je dovoljno za statičko uravnoteženje i samo za djelomično dinamičko uravnoteženje. Potpuno dinamičko uravnoteženje može se napraviti jedino dodatnim ekscentričnim osovinama za uravnoteženje, koje mogu biti prvog i drugog reda. Osovine za uravnoteženje prvog reda, koje se okreću brzinom vrtnje motora. Budući da dodatni utezi na koljenastom vratilu preuzimaju ulogu jedne osovine za uravnoteženje, ugrađuje sa samo jedna osovina za uravnoteženje inercijskih sila prvog reda, koja se okreće suprotno od koljenastog vratila. To je najčešće slučaj s 3-cilindarskim motorima.

Redni 4-cilindarski motori (posebice većeg obujma) imaju problema s neuravnoteženim inercijskim silama drugog reda. To se rješava s dvije ekscentrične osovine, koje se okreću u suprotnim smjerovima i dvostruko brže od koljenastog vratila. Tako redni 4-cilindraš postaje miran poput velikog 6-cilindraša. U manjim motorima takvo se uravnoteženje izbjegava iz tri razloga. Prvi je što su manji motori relativno kompaktniji i krući od velikih, pa im neuravnotežene inercijske sile manje smetaju. Drugi je razlog u relativno velikoj cijeni te konstrukcije, koja proporcionalno puno više poskupljuje male, nego velike motore. Mehanička izvedba tih osovina i cijelog sklopa (ležajevi, prijenos…) vrlo je zahtjevna, jer se te osovine okreću i do 14.000/min.

Treći je razlog možda presudan, jer se zbog većih mehaničkih gubitaka (prvenstveno u ležajevima) za oko tri posto povećava potrošnju goriva, što u sadašnje vrijeme kad se vodi računa o svakoj kapi goriva nije zanemarivo. Više izgorjelog goriva znači i više emisije CO2, što povećava davanja. Granica kad se isplati ugradnja dodatnih osovina za uravnoteženje je negdje u srednjoj automobilskoj klasi, odnosno u 4-cilindarskim motorima između 1.8 i 2.0 litra. Kod većih motora i luksuznijih automobila njihova je ugradnja neupitna, što će potvrditi svatko tko je bio u prilici osjetiti razliku u vožnji da i bez tih dragocjenih dijelova motora.

Sklop osovina za uravnoteženje BMW-ovih 4-cilindarskih motora: 1 – pogonski zupčanik spojen na koljenasto vratilo, 2 – gornje koljenasto vratilo, 3 – donje koljenasto vratilo, 4 – par zupčanika za prijenos snage s gornje na donju osovinu za uravnoteženje, 5 – par zupčanika za pogon uljne pumpe, 6 – uljna pumpa, 7 – zupčani lanac za pogon osovina za uravnoteženje i uljne pumpe, 8 – zupčanik za pogon osovina za uravnoteženje od gornjeg zupčanika spojenog na koljenasto vratilo

Autor

Preporučeni sadržaj