Пламенное сердце машины, часть 3

Двигатель. Вибрации и уравновешенность. Конфигурация цилиндров.
Текст: Артем ‘S1LvER’ Терехов

У каждого мотоциклетного двигателя есть ряд вращающихся деталей. А есть еще и такие, которые движутся возвратно-поступательно (только в роторном двигателе таких деталей нет). Вот они-то в основном и являются «возмутителями спокойствия», задорно раскачивая моторчик на разные лады.

Возьмем, например, маховик. Этот большой парень свободно вращается на своих подшипниках и не создает вообще никаких вибраций. Но к вращению маховика добавляются движения других вращающихся элементов: палец кривошипа, нижняя часть шатуна, подшипник нижней головки шатуна. И уже эта сумма (а не отдельные элементы общей «вращающейся картины») создает проблему вибрации, вызванную разбалансировкой вращающихся или центробежных сил.

С возвратно-поступательными движениями деталей тоже все отнюдь не просто: верхняя половина шатуна и поршень движутся именно так. Объяснить, откуда берутся вибрации в этом случае непросто, но я постараюсь. Как только поршень достигает вершины своего хода (верхней мертвой точки, ВМТ), он должен резко замедлиться и практически мгновенно остановиться, после чего ускориться в обратном направлении. Безумный поршень достигает своей максимальной скорости где-то в середине хода, после чего снова следует резкое замедление, «оттормаживание» в нижней мертвой точке (НМТ), после чего опять происходит ускорение при движении вверх. Снова, снова и снова. Каждая остановка в ВМТ и НМТ вызывает импульс вибрации, которая расходится по всему двигателю. Физические силы, которые вызывают вибрацию, называют инерционными или возвратно-поступательными, они равны нулю в середине хода поршня и максимальны в ВМТ и НМТ.

Поршни маленького Ninja 250R порхают со скоростью 15,11 метров в секунду!

Со всеми этими проблемами нужно как-то бороться, потому что ездить на брыкающемся и вздрагивающем всем телом байке просто невозможно.



Решение проблем

Устранить вредное влияние вращающих сил довольно просто: надо удалить часть материала с маховика рядом с пальцем кривошипа или прибавить такое же количество материала напротив него, и конструкция снова сбалансирована. Для компенсации возвратно-поступательных сил можно продолжать увеличивать массу маховиков с противоположной пальцу кривошипа стороны так, чтобы был сбалансирован общий вес узлов, перемещающихся возвратно-поступательно. Таким способом исключается неуравновешенность в ВМТ и НМТ хода поршня. Проблема вибрации решена!

А вот и нет. Такой подход не работает в промежутке хода поршня между ВМТ и НМТ, потому что добавленная масса на маховиках создает постоянную крутящую силу, в то время как возвратно-поступательно движущаяся сила (да, от этих поршней одни проблемы) изменяется от максимума до нуля и наоборот. В итоге получается горизонтальная вибрация. И хотя масса вращающихся частей коленвала постоянна (если только он еще не рассыпается от вибраций, которыми мы с вами, как заправские инженеры, его наградили), часть этой массы постоянно изменяет свое положение, изменяя таким образом крутящие силы. Процесс вращения коленвала и действие сил, которые при этом возникают, частично показан в ролике о принципе работы крестообразного коленвала Yamaha R1 2009, советую посмотреть для лучшего понимания того, что я тут понаписал (начиная с 2.30 минут ).

Проблема уравновешивания двигателя с математической точки зрения очень сложна. Существующие методы представляют собой компромисс по сравнению с идеальной ситуацией. Исходя из этого, становится понятно, зачем конструкторы испробовали огромное количество различных схем двигателя и коленвала: чтобы исследовать и попытаться устранить присущие им проблемы вибрации и уравновешенности.

Думаю, вы уже догадались, что задача усложняется с увеленичем размеров двигателя. На 50-кубовом скутере вибрация проявляется лишь в мелкой дрожи на руле, совершенно не напрягающей. Проблема вибрации ограничивает объем одноцилиндровых двигателей – 650 кубических сантиметров. Спортивные одностволки-эндуро такого объема от KTM не зря называют «молотилками» - вибрации на руле настолько сильны, что можно закрыть глаза и представить себя на дорожных работах с отбойным молотком в руках. Большая мощность означает увеличение частоты вращения элементов двигателя, так что возникает потребность в увеличении количества цилиндров.



Подавление вибраций

Есть несколько способов снижения вибрации, которые избавляют разработчиков от трудной необходимости устранения самой причины. Конструкция рамы играет огромную роль: грамотно спроектированная, она снижает уровень вибраций. Еще можно закрепить двигатель в раме с помощью резиновых втулок, которые выполняют виброизоляционную роль. Рукоятки руля утяжеляют: это приводит к изменению резонансной частоты руля, что уменьшает «дрожь». Подобный метод применяется и в случае с зеркалами заднего вида. Явный аутсайдер в этом вопросе – Hyosung GT250R, заводские зеркала которого часто лопаются вследствие непродуманной конструкции.

Невозможно устранить силы служащие источником затруднений. Однако возможно создать равные им, но противоположно направленные силы для устранения уже существующих. Для этого используется один или несколько уравновешивающих валов (которые часто называют балансирными) с приводом от коленвала, которые вращаются в противоположном ему направлении. На валу размещают противовесы, масса и расположение которых тщательно рассчитывается. Такой подход оптимален в случаях, когда мощность и вес значат меньше, чем удобство и комфортабельность, либо когда прочие способы уже задействованы, но не принесли желаемого эффекта. В результате, балансирный вал можно встретить и в двигателях супербайков (например, Suzuki GSX-R1000 2009), и в моторах больших туреров вроде BMW R1200RT.



В поисках мощности – диаметр и ход поршня

Соотношение диаметра и хода поршня – это основной фактор того, как будет получена мощность от двигателя. Схема, в которой диаметр поршня равен его ходу, называется «квадратной». Если увеличить ход и уменьшить диаметр, то полученная схема будет называться «длинноходной». Обратные действия приведут к созданию «короткоходной» схемы.

Двухлитровый V-twin от Kawasaki VN2000. Ход поршня значительно превышает диаметр цилиндра

Длинноходный двигатель отличается пологой характеристикой крутящего момента в широком диапазоне частот вращения двигателя. Крутящий момент является следствием достаточно большого плеча рычага, на котором прилагается усилие от длинного шатуна. Именно это позволяет длинноходному двигателю развивать хорошую тягу при низкой частоте вращения коленвала. Наглядный пример длинноходной схемы – большеобъемные крузеры с V-образным двигателем. Двухлитровый V-twin от Kawasaki VN2000. Ход поршня значительно превышает диаметр цилиндра

Suzuki_GSX-R_1000 73,4 x 59 мм. Короткоходная конфигурация - идеальный вариант для спортбайка

Короткоходный двигатель может работать при более высоких скоростях вращения, чем длинноходный того же объема. Следовательно, за определенный промежуток времени происходит большее количество рабочих ходов (т.е. повышается мощность). Недостаток заключается в уменьшении плеча рычага коленвала, что приводит к менее пологой характеристике крутящего момента. Короктоходные двигатели более мощные, но в узком диапазоне частот вращения двигателя. Думаю, не стоит объяснять, что спортбайки принадлежат именно к короткоходному «племени» байков. 

На деле многие современные мотоциклетные двигатели близки к квадратной схеме, с небольшими отклонениями в ту или иную сторону (в зависимости от предъявляемых требований к использованию мотоцикла).



Конфигурации цилиндров

Немного разобравшись в теории, давайте посмотрим на различные схемы расположения цилиндров. Зная общие принципы, мы уже сможем делать самостоятельные выводы о достоинствах и недостатках конкретных конфигураций.

• Одноцилиндровый двигатель. Основные достоинства такой схемы – простота и небольшие габариты. «Одностволка» проста в производстве и ремонте, а также имеет малый вес. Преимущественно, применяется на мопедах, скутерах и внедорожных байках. Яркий пример – кроссовые байки с объемом двигателя 250 и 450 кубических сантиметров. С технической точки зрения, одноцилиндровики обладают несколькими недостатками:
  
  - необходимость в больших маховиках для поддержания вращения двигателя до его следующего рабочего хода (немного подумайте, и вы поймете, что воспламенение смеси в 1-цилиндровом 4Т-двигателе происходит один раз за два оборота коленвала);
  
  - чтобы избежать чрезмерного «ожирения» всей конструкции, поршень максимально облегчают, а это не лучшим образом сказывается на долговечности.
  
  Одностволки обладают хорошей характеристикой мощности и крутящего момента, за счет длинного шатуна. Однако если слишком уж крутить такой движок, недостатки станут очевидными. Массивные маховики накапливают большую инерцию, а большой ход поршня в сочетании с малым диаметром цилиндра означает высокий уровень износа этих узлов. Еще одна проблема – затрудненный запуск двигателя. Кроссовики в основном оснащаются только кикстартером, и каждый раз при запуске необходимо устанавливать коленвал в положение, когда он чуть не доходит до ВМТ на такте сжатия, после чего давать ему сильнейший пинок, чтобы заставить его вращаться. Если коленвал установлен неправильно, или на кикстартер нажали недостаточно сильно, горе-райдер получает ответный пинок по ноге. Спросите кроссменов со стажем, или владельцев советской ракеты ИЖ Планета-Спорт, и услышите множество красочных историй о том, как незадачливый «заводила» был бит своим мотоциклом.

Honda CRF450R 2009, 1 цилиндр, 4 такта. Kick me!

• Двухцилиндровый рядный двигатель. По сути, это одноцилиндровый двигатель, измененный таким образом, чтобы вместить два цилиндра, поршня и шатуна. В традиционной британской конструкции поршни перемещаются вверх и вниз одновременно, но вспышки в цилиндрах чередуются с интервалом в 360 градусов (т.е. через один оборот коленвала). «Толчок» рабочего хода, присущий одноцилиндровикам, здесь сглаживается за счет двух меньших импульсов, равномерно распределнных в пределах двух оборотов коленвала. Есть также варианты с интервалом вспышек каждые 180 и 270 градусов. В последнем случае мотор по своему характеру становится похож на V-образную двойку.

Triumph Thruxton 2008, 2 цилиндра в ряд, чередование вспышек через 360 градусов

Yamaha TDM900 2008, 2 цилиндра в ряд, чередование вспышек через 270 градусов

• Двухцилиндровый V-образный двигатель. По убеждению многих, лучшая моторная схема для мотоцикла. С этим можно поспорить, однако в пользу утверждения говорит тот факт, что возраст идеи использования V-твина сравним с возрастом самой идеи мотоцикла. Плохие идеи столько не живут. С точки зрения уравновешивания, лучший угол развала цилиндров - 90 градусов. Если поступательно движущиеся массы поршней и шатунов полностью сбалансированы, то неуравновешенные силы одного цилиндра неизбежно уравновешиваются противодействующими силами в середине хода другого. Ducati использует конструкцию двигателя с 90-градусным развалом цилиндров на всех своих мотоциклах, только называют итальянцы такой двигатель L-twin. Это связано с тем, что верхний цилиндр расположен вертикально, а нижний – горизонтально. Раньше это делалось для лучшего охлаждения обоих цилиндров встречным потоком воздуха, однако с применением воздушно-масляного и жидкостного охлаждения схема стала просто визитной карточкой Ducati – сбалансированной и очень удачной с инженерной точки зрения. Вариантов угла наклона, равно как и расположения цилиндров - великое множество. Практически у каждого производителя есть «фирменный» подход к построению V-твина. Наиболее интересные – все та же Ducati, Moto Guzzi с их поперечным расположением цилиндров, Harley-Davidson с уникальным звуком, обусловленным неравномерным интервалом между вспышками.

Благодаря внушительному виду двигатели V-twin очень популярны у кастомайзеров во всем мире

• Трехцилиндровый рядный двигатель. Представляет собой компромисс между проблемами вибрации 2-цилиндрового и шириной 4-цилиндрового двигателей. Из современных производителей верными такой схеме остались только парни из Triumph, большая часть их модельного ряда состоит именно из «триплов».С точки зрения мощности, «тройник» представляет собой превосходный промежуточный вариант между низкооборотистыми 2-цилиндровыми и 4-цилиндровыми рядниками с их запредельной мощностью.

Triumph Street Triple 2008, трехцилиндровая инженерная гармония

• Четырехцилиндровый рядный двигатель. Первой серийной ласточкой стала Honda CB750 Four 1969 года. Этот байк на многие годы вперед утвердил основную конструкцию двигателей среднего и большого объемов. В такой схеме нет ничего нового – производители автомобилей еще раньше выбрали ее за лучшее сочетание компактности и уравновешенности. Просто у Хонды в 60-х годах в закромах завалялась пара компактных 4-цилиндровых рядников для спорткаров, которые впоследствии были адаптированы для мотоциклов.

Yamaha YZF-R1 2004, классическая рядная четверка

По сути, «четверка» представляет собой два двухцилиндровых двигателя, объединенных между собой со смещением шатунных шеек коленвалов на 180 градусов. Рабочие хода происходят достаточно часто, один за каждый полуоборот коленвала. Следовательно, потребность в больших маховиках для поддержания движения отпадает. За счет хорошей уравновешенности коленвала и относительно небольшого диаметра маховиков 4-цилиндровый двигатель обладает небольшим ходом поршня, поэтому его легко «раскручивать». Что и получило одобрение в рядах отягощенных адреналином потребителей. Проблемы с вибрацией, если таковые есть, решаются грамотной конструкцией рамы, опор двигателя и всех окружающих двигатель узлов. Примеров использования рядной четверки огромное количество, в основном – среди японских производителей. Хотя компания BMW также использует его в своих мотоциклах. Причем баварцы наклоняют цилиндры вперед, что понижает центр тяжести и положительно сказывается на управляемости байка.

BMW K1200R 2008, обратите внимание на сильный наклон цилиндров вперед

• Четырехцилиндровый V-образный двигатель. По сути, представляет собой сдвоенный двухцилиндровый V-образник. Поэтому все замечания, относящиеся к V-твину, могут быть применены и в данном случае. Оптимальный угол развала составляет все те же 90 градусов. V4 очень дороги в производстве и сложны в обслуживании, что не помешало им прославиться благодаря широкому применению в модельном ряде VFR компании Honda. Наиболее совершенным двигателем такой конструкции считается установленный в Honda NR750, которая была выпущена в ограниченном количестве. Отличительные особенности моторчика NR750 – 8 клапанов на цилиндр и овальная форма поршней. Хотя новый VFR1200F вполне может побороться за почетное звание «самый совершенный V4». Еще один достойный пример применения схемы V4 – Ducati Desmosedici RR.

Двигатель Honda VFR1200F 2010

• Оппозитный двигатель. Двухцилиндровый оппозит предлагает практически идеальное решение задачи уравновешивания. Одновременное перемещение поршней в противоположных направлениях компенсируют друг друга. Уровень возникающих вибраций при этом минимальный. Мотор такого типа широко используется компанией BMW в мотоциклах самого различного назначения. Венцом эволюции Boxer-а (как иногда называют 2-цилиндровый оппозит) стала модель HP2 Sport. Однако по динамическим показателям оппозит слишком далек от своих 4-цилиндровых рядных конкурентов.

BMW HP2 Sport 2008, вершина эволюции оппозита

По аналогии с рядными двигателями, точно так же двухцилиндровый оппозитник превратился в четырехцилиндровый. Единственный мотоцикл, где применяется такой движок – это Honda Gold Wing с двигателем объемом 1000, 1100 и 1200 куб. см (по мере эволюции модели). Отсутствие вибраций, отличная управляемость за счет низкого центра тяжести – козыри те же, что и в случае с 2-цилиндровым собратом. На самую новую версию Gold Wing’а устанавливается шестицилиндровый оппозитный двигатель объемом 1800 куб. см – единственный представитель такой компоновки среди серийных мотоциклов (так же, как и его 4-цилиндровый предшественник был единственным в свое время). 

При всех своих достоинствах, оппозитный двигатель с любым количеством цилиндров обладает одним очень серьезным недостатком. И этот недостаток – чрезмерная ширина, которая является постоянной проблемой для мотоциклетных конструкторов и ограничивает круг применения данной схемы круизерами и туристами. BMW HP2 Sport наиболее ярко продемонстрировал, насколько велики габаритные недостатки Boxer’а.

*****

Мы с вами рассмотрели все схемы двигателей, которые применяются на современных серийных мотоциклах. За бортом осталась такая экзотика, как шестицилиндровые рядники и V-образники с нечетным количеством цилиндров. Мотоциклы, использующие такие моторные схемы, давно стали коллекционной диковинкой (а некоторые изначально являлись спортивными прототипами, получить доступ к двигателям которых могут лишь гоночные механики и инженеры), а посему представляют для нас чисто академический интерес. Если хотите кое-чего запредельного, наберите в поиске youtube “y2k”. Думаю, результат вас удивит…