Энергия колебаний: использование вместо уничтожения.Наиболее распространенной уже конструкцией гасителей крутильных колебаний на транспортных моторах является демпферы. Их отличительная черта выражается в том, что они частично поглощают и рассеивают в окружающую среду колебательную энергию. Демпферы устроены таким образом, чтобы обеспечить выполнение работы силами, возникающими при относительном друг другу движении двух, составляющих демпфер частей. Для этого одну из этих частей жестко соединяют с коленвалом, а другая сидит на нем сравнительно свободно. Суть работы демпфера определяется этим самым "сравнительно", которое обеспечивается за счет расположенного между частями демпфера материала. Таким материалом могут быть жидкость или фрикционы. Тогда демпфер называется гасителем сухого или жидкостного трения. Или гаситель может использовать внутреннее трение самого материала (резиновый гаситель). Однако история широкого применения демпферов достаточно продолжительна, а география - обширна. Поэтому останавливаться на них долго не стоит. Гораздо интересней обычных демпферов другой вид гасителей крутильных колебаний - маятниковые (динамические), которые нередко называют антивибраторами. Суть работы маятникового гасителя заключается в возможности продлить движение одной части движущейся массы в момент, когда вторая часть ощущает на себе воздействие крутильных колебаний. Рассчитанные движения сидящего на качелях человека приводят к увеличению амплитуды колебаний, к возрастанию размаха движений. Антивибраторы же действуют с точностью до наоборот, используя своевременные движения части массы своего устройства для погашения колебаний, а не для их усиления. До недавнего времени маятниковые гасители на транспортных двигателях практически не применяли. Связано это было с тем, что их установка практически всегда приводила к возрастанию неопасных, далеких от резонанса, амплитуд колебаний при работе двигателя на скоростных режимах с нерезонансной частотой. С дополнительными колебаниями же особо связываться конструктора не желали. Не видели смысла. Но время шло. Традиционные меры решения главной задачи обеспечения эффективной работы транспортного мотора - создания высокого крутящего момента в нижнем диапазоне оборотов для высокофорсированного мотора, постепенно исчерпывались. Программируемый впрыск, наддувы всех мастей и прочее, прочее, прочее - на сегодняшний день ресурсы этих традиционных способов практически исчерпаны. Вот так, на фоне возникновения кризиса двигателестроительного жанра в практику создания эффективных двигателей снова вошли маятниковые гасители. Именно они, в последние годы хорошо известные под названием "двухмассовые маховики", на сегодняшний день широко используются самыми разными производителями автотранспортной техники. Само собой разумеется, что двухмассовый маховик, как продукт последнего поколения, несколько более эффективен, чем более ранние конструкции. Дело в том, что для обеспечения условий решения главной задачи транспортного двигателестроения, это устройство эффективно использует колебание части своей массы для увеличения крутящего момента при работе мотора на «низах». Как это происходит?
Благодаря особенностям своего функционирования, двухмассовый маховик при работе мотора на малых оборотах по своей эффективности аналогичен маховику обычной конструкции, но с увеличенной массой и диаметром (высокоинерционному маховику). Направленные на компенсацию колебаний системы коленвала движения подпружиненной части массы двухмассового маховика не только компенсируют колебания, но и увеличивают крутящий момент на валу двигателя при его работе в нижнем диапазоне оборотов. Таким образом энергия колебания становится полезной и начинает выполнять полезную работу. И это обстоятельство коренным образом отличает двухмассовый маховик от распространенных и известных демпферов крутильных колебаний. Ведь демпфер не в состоянии увеличить момент по той причине, что преобразует энергию колебаний в тепло и рассеивает его в окружающей среде. Общеизвестно, что обычный высокоинерционный маховик успешно используется на двигателях рабочих машин. И это вполне оправдано. Условия троганья с места, например, трактора с плугом, гораздо сложнее, чем условия начала движения легкового автомобиля. При равном литраже двигателей этих столь разных транспортных средств крутящий момент трактора просто обязан быть как можно ниже на самых малых оборотах. Иначе плуг даже не тронется с места. На месте останется и сам трактор. И как, в этом случае, прикажете пахать? Именно для того, чтобы обеспечить высокий момент на малых оборотах на двигателях рабочих машин и применяют огромные и тяжелые высокоинерционные маховики. Использовать же их на двигателях легковых автомобилей нельзя без ущерба не только для разгонной динамики. Какая уж тут динамика, когда львиная доля выполняемой двигателем работы будет уходить на то, чтобы насытить энергией чрезвычайно энергоемкий маховик. Не будет и традиционно высокой максимальной мощности. Двигатель легковой машины с тяжелым маховиком просто-напросто «закрутится», начнет работать с перебоями, пропуская рабочие такты. Сгорание топливной смеси станет неполным при работе мотора на высоких оборотах, задолго до выхода на скоростной режим максимальной мощности. Казалось бы, использовать высокоинерционный маховик для обеспечения высокого крутящего момента на форсированном по оборотам моторе нельзя. Но что значит это самое «нельзя», когда так сильно хочется! Да что там, «хочется». Просто необходимо. Ведь возможности совершенствования мотора сугубо через систему подачи топливной смеси, как оказалось, не бесконечны. Вот тут то и пригодилось свойство маятникового гасителя, в частности двухмассового маховика, работать на малых оборотах идентично маховику простой конструкции, но с увеличенным моментом инерции. Установив двухмассовый маховик в двигатель и соответствующим образом настроив его, конструктор добивается эффекта применения… высокоинерционного маховика при полном отсутствии такового! Двухмассовый маховик на моторе легкового автомобиля в нижнем диапазоне оборотов работает как высокоинерционный маховик двигателей рабочих машин. Но… Но при этом фактический момент инерции двухмассового маховика все-таки остается меньшим, чем нужно для высокого крутящего момента на малых оборотах! Меньшим, приближенным к показателям стандартного для двигателя легкового автомобиля маховика. Меньшим, а это означает, что мощность и динамика существенно не пострадают. Более того. Сглаживая ударные нагрузки, двухмассовый маховик снизит износ комплектующих всех агрегатов автомобиля и увеличит комфорт управления автомобилем. И все эти бонусы только за простую механическую систему, основа конструкции которой - подшипник, пружина и пара массивных дисков. Казалось бы, вот и он, очередной успех инженерной мысли. Безусловная победа интеллекта над всевозможными ограничениями. Однако и тут не все так просто. Как уже упоминалось, двухмассовый маховик на основе маятникового гасителя крутильных колебаний приводит к увеличению амплитуды колебаний на нерезонансных частотах. Это обстоятельство, к сожалению, приводит к высокой нагрузке на детали этого узла, что негативно влияет на надежность и долговечность работы устройства. Впрочем, ничего особо страшного в этом нет. И не такие преграды мировое двигателестроение преодолевало с успехом. Пройдет еще год-два, будет потрачено еще несколько сотен тысяч на исследования - и конструкция будет усовершенствована до необходимых параметров. Ведь как показывает история, двигателестроение всегда предпочитает двигаться к намеченной цели, мужественно и не считаясь с затратами преодолевая на своем пути поставленные препятствия. В последнее время двухмассовые маховики находят все большее и большее применение. Кроме улучшений показателей двигателей, этому в немалой степени способствует возможность унификации с уже известными конструкциями распространенных агрегатов. С точки зрения производства, двухассовый маховик также очень хорош тем, что при практически неизменной конструкции может использоваться на моторах с разными настройками и разного объема. Таким образом, установка в автомобиль более мощного двигателя не требует существенного увеличения габаритов агрегатов и позволяет экономить место в подкапотном пространстве.