При работе поршневых двигателей в результате действия в них периодических неуравновешенных сил возникает вибрация.

К пе­риодическим неуравновешенным силам относятся силы инерции поступательно-движущихся частей и вращающихся масс двига­теля. Вибрации подвергаются сам двигатель, машинный фундамент и корпус судна. Вибрация ухудшает эксплуатацию, ослабляет прочность конструкций и приводит к их разрушению.

В результате ускорения движущихся частей возникают силы инерции прямолинейно-движущихся и вращающихся масс.

Рассмотрим силы инерции, возникающие в одноцилиндровом двигателе (рис. 225). Так как ускорение в данный момент направ­лено вниз, то сила инерции поступательно-движущихся масс Р_и направлена вверх. К прямолинейно-движущимся массам относятся массы поршня, ползуна, штока и 40% массы шатуна. Центробеж­ная сила J_ц вращающихся масс направлена от центра вала по кри­вошипу и может быть заменена составляющими: вертикальной J_в и горизонтальной J_г силами.

К неуравновешенным вращающимся массам относятся массы шейки мотыля, эксцентричной части щек и 60% массы шатуна. Вдоль оси цилиндра будет действовать сила R = J_п + J_в. Эта сила стремится оторвать двигатель вместе с фундаментной рамой с места, а сила J_г—«сдвинуть» двигатель в горизонтальной плоскости. Так как обе силы знакопеременные, то это вызывает вибрацию фундамента и корпуса судна.

Для многоцилиндрового двигателя в каждом цилиндре дейст­вуют силы R и J_г: они стремятся вращать двигатель вокруг его центра тяжести. Полностью уравновешенным считается двигатель, у которого все силы инерции и моменты от сил инерции поступа­тельно-движущихся и вращающихся масс равны нулю.

Для уравновешивания двигателей применяют противовесы и соответствующее расположение кривошипов коленчатого вала. Уве­личение числа цилиндров двигателя и правильный выбор элемен­тов движения улучшают уравновешенность двигателя. В многоци­линдровом двигателе угол между кривошипами последовательно работающих цилиндров выбирается из условия равномерности вспышек и рабочих ходов, что выравнивает крутящий и опрокиды­вающие моменты. Противовесы размещают либо на щеках колен­чатого вала, либо в двух шестернях, установленных в остове двига­теля и вращающихся в разные стороны (динамический проти­вовес).

Расчет уравновешенности двигателей производится аналитиче­ским или графическим методом. В первом случае исходят из того, что центробежная сила инерции от неуравновешенных масс J_ц =  т_цR?², где т_ц — эксцентрично вращающиеся массы, приведен­ные к радиусу кривошипа, кг; R — радиус кривошипа, м; ? — угло­вая скорость, 1 / сек.

Для уравновешивания центробежной силы инерции J_ц закреп­ляют на продолжении щек кривошипа два равных противовеса (рис. 226) с массой

где r — расстояние от центра тяжести противовеса до оси вала.

Для прямолинейно-движущихся масс неуравновешенные силы инерции

где т_п—масса поступательно-движущихся частей, кг;

а — ускорение, м/сек².

Подставив значение ускорения а из формулы (172), получаем

где — m_пR?²cos ? = P_{и I} —сила инерции первого порядка;

— m_пR?²cos 2? = P_{и II} — сила инерции второго порядка.

Силы инерции первого и второго порядков изменяются, как и ускорения, по закону косинусоиды, причем сила инерции первого порядка достигает наибольшей абсолютной величины два раза за один оборот коленчатого вала, а второго порядка — четыре раза. Силу инерции первого порядка, действующую по оси цилиндра, уравновешивают с помощью противовеса массой т, центр тяжести которого отстоит от оси вала на расстоянии r = m_пR / 2m.Для уравновешивания сил второго порядка используют динамические проти­вовесы, вращающиеся с удвоенной угловой скоростью. Такие про­тивовесы усложняют конструкцию двигателя, а поэтому их редко применяют в судовых двигателях.

Графический метод исследования неуравновешенности заклю­чается в построении многоугольников сил и моментов. Многоуголь­ники строят из произвольной точки О. В принятом масштабе от­кладывают векторы сил и моментов, соответствующие направле­нию сил в данный момент. Замыкающие стороны соответствующих многоугольников будут равны неуравновешенным силам или их моментам. В замкнутых многоугольниках силы и моменты будут уравновешены. Графический метод уравновешивания пятицилиндрового двухтактного двигателя приведен на рис. 227.

Исходные данные: число цилиндров — пять, отношение ?=R / L = 0,22, частота вращения 2,03 об/сек, радиус кривошипа R = 0,6 м; масса поступательно-движущихся частей т_п = 7500 кг; масса вра­щающихся частей т_ц=4500 кг; величина R?²=10; расстояние от оси i-го цилиндра к середине коленчатого вала h_i.

Для удобства расчет действующих сил инерции и моментов от этих сил сводим в табл. XIII. Как видно из рисунка, силы инерции вращающихся масс J_ц, силы инерции поступательно-движущихся масс первого порядка Р_пI и второго порядка Р_пII и полностью урав­новешены— многоугольники замкнуты. Моменты M_ц, М_иI, М_II — неуравновешены.

Исследование уравновешивания многоцилиндровых двигателей дает возможность сделать следующие выводы:

1. Зеркальное расположение кривошипов позволяет полностью уравновесить моменты первого и второго порядков при числе ци­линдров ?6.

2.  Моменты сил инерции первого и второго порядков полностью уравновесить при незеркальном расположении кривошипов нельзя.

3.  С увеличением числа цилиндров качество уравновешивания двигателя улучшается.