Vyvažovanie piestových spaľovacích motorov

Zotrvačné sily a momenty a ich účinky

Kľukový mechanizmus piestového spaľovacieho motora má nepravidelný tvar a jeho jednotlivé časti vykonávajú pohyby, ktoré sa navonok prejavujú silovým pôsobením. Ide hlavne o zrýchlený priamočiary vratný pohyb piestovej skupiny, kývavý pohyb ojnice a rotačný pohyb nesymetrického zalomenia kľukového hriadeľa.  Pri viacvalcových motoroch sily od jednotlivých kľukových mechanizmov (zalomení kľukového hriadeľa) vytvárajú aj momenty voči ťažisku motora. Tieto účinky sú tým väčšie čím sú väčšie hmotnosti pohybujúcich sa častí a vyššie otáčky motora. Môžu sa prejavovať ako vonkajšie (voľné) a vnútorné.

Vnútorné sily a momenty

Vnútorné sily a momenty sa navonok neprejavujú. Zachytávajú sa vnútri motora v hlavných ložiskách kľukového hriadeľa. Pritom ale spôsobujú deformácie kľukového hriadeľa, zvyšujú zaťaženie ložísk a vplývajú tak na životnosť a spoľahlivosť motora a opotrebovanie jednotlivých častí.

Vonkajšie sily a momenty

Vonkajšie (voľné) sily a momenty sa navonok prejavujú kmitaním a otrasmi pracujúceho motora. Tieto sa prenášajú, podľa typu motora: do základov, príruby poháňaných strojov, rámu vozidla, trupu lode, konštrukcie lietadla a podobne. Zaťažujú tak vibráciami ďalšie konštrukčné časti a v prípade dopravných prostriedkov pôsobia aj na posádku.

Zotrvačné sily radového motora

Viacvalcové spaľovacie motory, vrátane radových, sú konštruované väčšinou tak, aby boli vyhotovenia ústrojenstva jednotlivých valcov rovnaké, čo sa týka rozmerov aj hmotností. Preto sa pri výpočte predpokladá, že zotrvačné sily od jednotlivých valcov majú rovnaké amplitúdy a charakter priebehu. Rozdiel bude vo fázovom posunutí, ktoré určuje tvar kľukového hriadeľa. Výsledné silové pôsobenie sa určí súčtom týchto síl so zohľadnením ich posunutia.

Sily od rotačných hmôt

Sily od rotačných hmôt sú rovnaké a pôsobia v smere svojich kľúk. Po posunutí síl do ťažiskovej roviny motora a pohľade v osi kľukového hriadeľa je zrejmé, že ak je kľuková hviezdica pravidelná a na každý uhol zalomenia pripadne rovnaký počet valcov, grafický obrazec síl je uzavretý a teda výslednica nulová. Príkladom takéhoto riešenia je šesťvalcový radový motor so 6-krát zalomeným kľukovým hriadeľom po 120° (pozri obrázok). Ak podmienka symetrie splnená nie je, sily od rotačných hmôt by sa prejavili a bolo by potrebné ich vyváženie.

Zotrvačné momenty radového motora

Pri radovom t.j. viacvalcovom motore pôsobia na kľukový hriadeľ sily od každého valca, ktoré neležia na spoločnej nositeľke. Vznikajú tak pozdĺžne momenty, ktoré pôsobia v rovine radu valcov a snažia sa motor naklopiť okolo ťažiska. Opäť je výhodné posudzovať účinky jednotlivých zložiek samostatne.

Momenty od rotačných hmôt

Momenty od rotačných hmôt majú pri konštantných otáčkach kľukového hriadeľa konštantnú veľkosť a rovina ich pôsobenia sa otáča spolu s hriadeľom. Môžu sa prejavovať ako voľné, pri motoroch s nepárnym počtom valcov, alebo motoroch s kľukovým hriadeľom nesúmerným k ťažisku, alebo vnútorné pri motoroch s párnym počtom valcov a pravidelným zapaľovaním.

Zotrvačné sily a momenty viacradového motora

Pri analýze viacradových motorov, napríklad vidlicových, sa postupuje tak, že sa najskôr zistia výslednice síl a momentov pre jednotlivé rady samostatne a tie sa potom spočítajú s prihliadnutím na vzájomnú polohu radov valcov.

Vyváženie momentu od posuvných síl I. a II. rádu

Ak pri konkrétnej konštrukcii motora vzniknú momenty od posuvných sil, nedajú sa vyvážiť jednoduchým spôsobom.

Problémy spojené s vyvažovaním

Úplné vyváženie síl od posuvných hmôt by sa dosiahlo vytvorením mechanizmu, v ktorom by sa po rovnakej osi pohybovali rovnaké hmotnosti v opačnom smere tak, aby ťažisko sústavy nemenilo polohu. Takéto riešenie však nie je pre vozidlové motory reálne. Použitie vývažkov pridáva hmotnosť na teleso kľukového hriadeľa, čo sa prejaví znížením vlastných frekvencií torzného kmitania hriadeľa, zhoršením torzného spektra celého motora a zvýšením namáhania kľukového mechanizmu. 
Preto sa pre praktické riešenia používajú kompromisné, alebo čiastkové riešenia. Miera a spôsob vyváženia závisí prevádzkových otáčok, konštrukcie a účelu použitia konkrétneho motora. Pri vyvažovaní sa prednostne vyvažujú účinky rotačných hmôt pred posuvnými a účinky I. rádu pre účinkami II. a vyšších rádov.

Technologická nevyváženosť

Všetky diely kľukového mechanizmu sa vyrábajú len s konečnou presnosťou. Tzv. technologickú nevyváženosť spôsobujú odchýlky v celkovej hmotnosti dielov, ale aj odchýlky v rozložení hmotnosti okolo oka ojnice/piestneho čapu. Pri rýchlobežných a zvlášť pretekárskych motoroch je potrebné uvažovať aj s týmito odchýlkami a jednotlivé diely pri montáži konkrétneho motora vyberať zo sád, ktoré majú v rámci tolerančného rozsahu hodnoty blízko pri sebe.