background image

 

1

 

 

Drgania skrętne wału spalinowego silnika tłokowego. 

 
 
 
   Wał korbowy silnika spalinowego tłokowego wraz ze sprzęgniętym z nim 
odbiornikiem mocy (śrubą okrętową lub prądnicą) i elementami układu 
korbowo-tłokowego tworzą układ drgający. Na taki układ oddziaływają 
okresowo zmienne momenty pochodzące od nacisku gazów. Momenty te mogą 
wywołać drgania skrętne, które w szczególnych warunkach rezonansu rzędów 
głównych mogą spowodować pęknięcie wału. Drgania skrętne takiego układu 
czyli układu rozpraszającego energię drgań, możliwe są tylko wtedy gdy na 
układ ten działa okresowo zmienny moment. Momentem wymuszającym 
drgania skrętne wału korbowego jest moment pochodzący od składowej stycznej 
siły tłokowej. Zmienność momentu siły stycznej jest taka sama jak siły stycznej 
P

s

 gdyż promień korby jest wielkością stałą. Jeśli stworzy się wykres siły 

stycznej to uzyska się jednocześnie wykres zmienności momentu obrotowego. 
Moment obrotowy przedstawiony jako funkcja obrotu korby, zmienia się 
okresowo. Dla niezmiennego obciążenia i prędkości obrotowej silnika moment 
obrotowy zmienia się raz na obrót (co 2) w silniku dwusuwowym oraz raz na 
dwa obroty  (co4) w silniku czterosuwowym. Moment obrotowy jest funkcją 
okresowo zmienną, ciągłą i określoną w każdym punkcie przedziału. Funkcję o 
podanych własnościach można zastąpić nieskończonym szeregiem 
trygonometrycznym, zwanym szeregiem Fouriera. Każdy składnik szeregu 
Fouriera jest prostą funkcją trygonometryczną (sin lub cos). Natomiast rozkład 
przebiegu funkcji na składowe nazywa się analizą harmoniczną albo 
harmonicznymi. 
Przykład analizy harmonicznej wykresu momentu obrotowego 
jednocylindrowego silnika czterosuwowego pokazany jest na poniższym 
rysunku. Taki rozłożony moment obrotowy na z momentów składowych 
obrazuje działanie tychże okresowo zmiennych momentów tzn mogących 
wywołać drgania skrętne. 
Drgania skrętne układu silnik-śruba mogą być szczególnie niebezpieczne w 
przypadku równej częstotliwości momentu wzbudzającego drgania i 
częstotliwość drgań własnych. 
W rzeczywistości niektóre z możliwych rezonansów przypadają poza zakresem 
eksploatacyjnej prędkości obrotowej, dla innych zaś amplituda drgań 
rezonansowych jest tak mała, że drgania te nie mają żadnego praktycznego 
znaczenia. Tylko przy braku tłumienia amplituda drgań rezonansowych rośnie 
nieograniczenie nawet wtedy, gdy przyczyna wywołująca drgania jest 
nieskończenie mała. Podczas drgań układów rzeczywistych występuje zawsze 
tłumienie, to znaczy rozpraszanie energii, kosztem której układ drga. 

background image

 

2

 

 
W przypadku drgań układu silnik--śruba energia ta jest rozpraszana wskutek 
tarcia w łożyskach, tarcia tłoków i pierścieni cylindrach, oporu śruby napędowej 
oraz tarcia międzycząstkowego materiału wału korbowego i śrubowego. 
Aby układ silnik śruba pobudzić do drgań, moment wymuszający drgania musi 
nie tylko zmieniać się z częstotliwością rezonansową, a1e praca tego momentu 
musi być większa od pracy sił tłumienia. Rezonansowe drgania występują tylko 
dla niektórych rzędów harmonicznych. 
Ma to szczególne znaczenie w przypadku rozpędzania silnika oraz w przypadku 
obciążeń częściowych. Wynika to z faktu iż silnik w tym czasie przechodzi lub 
może pracować przy prędkości obrotowej równej rezonansowej. Dlatego też 
unika się takich stanów pracy i podczas rozpędzania silnika przechodzi przez te 
prędkości możliwie szybko. 
 
Sześciocylindrowy silnik laboratoryjny Sulzer 6A20/24 został poddany badaniu 
dla różnych prędkości obrotowych, i obciążeń oraz przy zasymulowaniu awarii 
jaką było wyłączenie z pracy jednego cylindra. Urządzenie pomiarowe w 
postaci systemu czujek podłączonych do komputera zbierało dane o prędkości 
obrotowej, aktualnym momencie na wale oraz informację o drganiach skrętnych 
wału. Program komputerowy umożliwia zapis danych w charakterystycznych 
punktach wybranych przez użytkownika dla danej prędkości obrotowej i 
warunków (włączony i wyłączony z pracy jeden układ). Dodatkowo komputer 
na podstawie zebranych danych jest w stanie wygenerować widmo drgań 
skrętnych dla danych obrotów. 

background image

 

3

 
 
Tabela pomiarowa: 
 
 
Pracują wszystkie cylindry 

Jeden cylinder wyłączony 

Obroty 

obr/min 

Amplituda 

[

o

Moment 

[Nm] 

Naprężenie 

[MPa]

 

Obroty 

obr/min 

Amplituda 

[

o

Moment 

[Nm] 

Naprężenie 

[MPa]

 

456 

0,453 

1112 

26,400 

449 

0,706 

1093 

26,400 

502 

0,461 

1342 

26,632 

502 

0,622 

1342 

30,935 

553 

0,381 

1557 

24,211 

552 

0,528 

1557 

28,502 

605 

0,397 

1810 

24,714 

596 

0,458 

1810 

26,545 

654 

0,419 

1995 

25,390 

604 

0,467 

1995 

26,805 

717 

0,361 

3137 

23,567 

678 

0,467 

2137 

26,805 

 

 
 Na podstawie danych zebranych przez komputer o drganiach skrętnych wału na 
wyjściu z silnika można stosując poniższy wzór, obliczyć naprężenia w  
wale. 
 

 
 
Gdzie: 
 
G- moduł sprężystości poprzecznej (dla stali 769,3Mpa) 

- naprężenie styczne 

- kąt skręcenia w stopniach 

 
Podstawione do tego wzoru dane dały wyniki zamieszczone w powyższej tabeli. 
Mając dane naprężenie, moment skręcający oraz amplitudę skręcenia można 
stworzyć szereg charakterystyk dla silnika z pracującymi wszystkimi cylindrami 
oraz dla stanu awaryjnego w którym nie pracuje jeden układ. 
Znając moment skręcający oraz średnicę wału można wyznaczyć amplitudę 
rzeczywistą kąta skręcenia posługując się poniższym wzorem: 
 

]

[

2

;

2

1

2

Mpa

G

G

φ

τ

τ

φ

=

=

]

[

2

2

2

];

[

2

2

rad

G

W

M

G

W

M

G

Mpa

W

M

S

S

S

S

S

S

=

=

=

=

φ

φ

φ

τ

τ

background image

 

4

 
Gdzie: 
M

s

- moment skręcający 

W

s

- wskaźnik przekroju na skręcanie w miejscu mocowania tensometrów 

 
 
W zamieszczonej poniżej tabeli znajduje się porównanie amplitud wyznaczonej 
z obliczeniową. 
 
 
Pracują wszystkie cylindry 

Jeden cylinder wyłączony 

Obroty 

obr/min 

Amplituda 

[

o

Amplituda 

Rzecz. [rad] 

Amplituda 

Rzecz. [

o

Obroty 

obr/min 

Amplituda 

o

Amplituda 

Rzecz. [rad] 

Amplituda 

Rzecz. [

o

456 

0,453 

0,795 

0,014 

449 

0,706 

0,768 

0,014 

502 

0,461 

1,158 

0,020 

502 

0,622 

1,158 

0,020 

553 

0,381 

1,559 

0,027 

552 

0,528 

1,559 

0,027 

605 

0,397 

2,107 

0,037 

596 

0,458 

2,107 

0,037 

654 

0,419 

2,559 

0,045 

604 

0,467 

2,559 

0,045 

717 

0,361 

6,328 

0,110 

678 

0,467 

2,936 

0,110 

 
 
 Charakterystyki: 
 
1. Naprężenie i amplituda w funkcji prędkości obrotowej: 
a)

 

pracują wszystkie cylindry 

 
 
 

background image

 

5

 
b)

 

jeden cylinder nie pracuje 

 
 

 
 

21,5

22

22,5

23

23,5

24

24,5

25

25,5

26

26,5

27

456

502

553

605

654

717

Obroty

N

a

p

re

ż

e

n

ie

 w

 M

P

a

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

A

m

p

it

u

d

a

24

25

26

27

28

29

30

31

32

449

502

552

596

604

678

Obroty

N

a

p

re

ż

e

n

ie

 w

 M

P

a

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

A

m

p

it

u

d

a

background image

 

6

2. Wykresy porównawcze naprężeń. 
 

 
3. Wykres porównawczy amplitud. 
 

 
 
 

21,5

22

22,5

23

23,5

24

24,5

25

25,5

26

26,5

27

450

500

550

600

650

700

Obroty.

N

a

p

r

ę

ż

e

n

ie

 w

 M

P

a

24

25

26

27

28

29

30

31

32

N

a

p

r

ę

ż

e

n

ie

 w

 M

P

a

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

450

500

550

600

650

700

Obroty

A

m

p

it

u

d

a

 (

k

ą

s

k

r

ę

c

e

n

ia

)

background image

 

7

4. Wykres momentu i naprężenia. 
a)

 

pracują wszystkie cylindry 

 

 
b)

 

jeden cylinder nie pracuje 

 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

450

500

550

600

650

700

Obroty

M

o

m

e

n

21,5

22

22,5

23

23,5

24

24,5

25

25,5

26

26,5

27

N

a

p

r

ę

ż

e

n

ie

 w

 M

P

a

0

500

1000

1500

2000

2500

450

500

550

600

650

700

Obroty

M

o

m

e

n

t

24

25

26

27

28

29

30

31

32

N

a

p

r

ę

ż

e

n

ie

 w

 M

p

a

background image

 

8

 
Na podstawie widma drgań skrętnych wygenerowanego przez komputer można 
określić częstotliwość i prędkość rezonansową która wynosi dla tego wydruku  
f=5211 Hz i n=654obr/min.