第三章內燃機的平衡

1、2021-11-2內燃機設計1第三章第三章 內燃機的平衡內燃機的平衡 第一節(jié) 平衡的基本概念 第二節(jié) 旋轉慣性力的平衡 第三節(jié) 往復質量的平衡2021-11-2內燃機設計2第一節(jié)第一節(jié) 平衡的基本概念平衡的基本概念 為使內燃機曲軸旋轉時運轉平穩(wěn)，不引起支承的振動，不但要求其靜平衡，而且還要求動平衡。 靜平衡：質量系統(tǒng)旋轉時產生的各離心力的合力等于零，也就是系統(tǒng)的質心位于旋轉軸線上，沒有偏心。 動平衡：質量系統(tǒng)旋轉時產生的各離心力的合力和對任意點的合力矩均等于零。 首先在設計時要保證曲軸的動平衡，然后在制造時保證動平衡偏差在許可范圍內。2021-11-2內燃機設計3第二節(jié)第二節(jié) 旋轉慣性力的平衡

2、旋轉慣性力的平衡 曲軸系統(tǒng)的動平衡主要靠合理布置平衡塊的辦法來實現(xiàn)。 但平衡塊的設計必須考慮以下各因素： a.曲軸動平衡 b.曲軸主軸承負荷 c.曲軸彎曲負荷 d.曲軸箱彎曲負荷 e.曲軸整體質量（提高扭振固有頻率）2021-11-2內燃機設計41、對于單拐曲軸的平衡塊的布置：、對于單拐曲軸的平衡塊的布置： 當每個平衡塊的質徑積或靜矩mprp滿足下列條件，單拐曲軸可以達到動平衡：rmrmrpp)2/1 (式中，mp為每個平衡塊的質量；rp為平衡塊質心的旋轉半徑。frmrrfrmrrmpfpmpfprp2021-11-2內燃機設計52、二拐曲軸的平衡塊的布置、二拐曲軸的平衡塊的布置 對于二拐曲軸

3、，常用的曲拐夾角為180度，顯然此種曲軸是靜平衡的，但不動平衡。即： 0rf2ramafmrrr二拐曲軸可以像單拐曲軸那樣在每一個曲柄上都加一個平衡塊來平衡，也可以用兩塊平衡塊進行整體平衡，只要滿足：rmbarmrpp)/(2就可以了。a2021-11-2內燃機設計6二拐曲軸的平衡塊的布置二拐曲軸的平衡塊的布置2021-11-2內燃機設計7.四拐平面曲軸離心力分析四拐平面曲軸離心力分析 1804720a離心慣性力的合力為零，離心慣性力矩也是零 曲軸本身承受有最大達負荷afr的內彎矩，而且中間主軸承承受較大的離心 常見的有如圖所示的四塊平衡重方案，以減輕內彎矩和軸承負荷 frfrfrfr2021

4、-11-2內燃機設計83、四拐、四拐(平面平面)曲軸的平衡塊的布置曲軸的平衡塊的布置 對于四拐曲軸，它是二拐曲軸的對稱延伸。此種曲軸從整體上來看是既靜平衡又動平衡（無平衡塊時）。但考慮到曲軸內部的彎曲負荷及主軸承負荷，經常加4個平衡塊，也有加8個平衡塊實現(xiàn)“完全”平衡的。 2021-11-2內燃機設計9. . 三拐曲軸（三拐曲軸（1 13 32 2，四沖程或二沖程，四沖程或二沖程) ) 作曲柄側視圖及軸側圖 1203360 2403720aa或 圖解法 對三個缸作離心力的矢量圖是靜平衡0rf2021-11-2內燃機設計10對o點（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量圖整體平衡方法223rambrmm

5、mrpprprmbarmrpp30af3cos30mmafm2afmr1rr2r1raf2rafraf39030baao2021-11-2內燃機設計114、三拐曲軸的平衡塊的布置、三拐曲軸的平衡塊的布置 對于三拐曲軸，要求曲拐夾角為120度。它有不平衡的離心力矩mr(1.732amrr2），作用在與第一拐成300的平面內。實際內燃機中，有用6個平衡塊“完全平衡”的，也有采用“整體平衡”方案的。各種方案都能達到整體動平衡的目的，但各種方案所用平衡塊的總質量不一樣，曲軸內部負荷及主軸承負荷也不一樣。實際上，用兩平衡塊的方案有困難。 2021-11-2內燃機設計12三拐曲軸的平衡塊的布置三拐曲軸的平

6、衡塊的布置平衡塊布置方案平衡塊總質量旋轉質量引起的主軸承負荷第1、4主軸承第2、3主軸承無平衡塊00.5fr0.5fr6平衡塊3mr002平衡塊1.386mr0.265fr0.361fr4平衡塊1.732mr0.25fr0.25fr按每拐截斷簡支梁計算。 2021-11-2內燃機設計13. . 四拐空間曲軸四拐空間曲軸 四拐空間（二沖程發(fā)動機）曲軸離心力分析 2rrram10m空間曲軸的離心力自然平衡，有不平衡的離心力矩 rm10barmrpp2021-11-2內燃機設計145、四拐且曲拐夾角為、四拐且曲拐夾角為90度的曲軸度的曲軸 四拐且曲拐夾角為90度的曲軸（二沖程四缸內燃機和四沖程v形八

7、缸內燃機），存在有不平衡的離心力矩mr（3.162amrr2）,作用在與第一拐成18026的平面內。理論上可用8個、2個或4個平衡塊進行平衡，但實際上常用大小不同的6個平衡塊進行平衡。其平衡條件為： 123121sincos)(rpppmmmm223121cossin)(rpppmmmm式中，mpi和mri分別為各平衡塊和曲拐離心力對中央主軸承o點的力矩。2021-11-2內燃機設計152021-11-2內燃機設計16.五缸機（曲軸）旋轉慣性力分析五缸機（曲軸）旋轉慣性力分析 （1-2-4-5-3）1445720a四沖程5曲拐布置圖四沖程5曲拐軸測圖2021-11-2內燃機設計17124350

8、rf四沖程五缸機旋轉慣性力分析四沖程五缸機旋轉慣性力分析圖解法圖解法曲柄側視圖四沖程5拐曲軸旋轉慣性力多邊形2021-11-2內燃機設計18rrafm41rrafm32rrafm4rrafm23rrafm449. 0四沖程五缸機旋轉慣性力矩分析四沖程五缸機旋轉慣性力矩分析四沖程5拐曲軸旋轉慣性力矩多邊形2021-11-2內燃機設計19利用矢量投影求和的代數(shù)方法，求離心力矩的大小和方向假設缸心距為a，對第五缸中心取矩各矢量在x軸的投影和為rrrrrrrrrrxafafafafafmmmmm3633. 018cos54cos254cos390cos418cos54cos54cos90cos4321

9、各矢量在y軸的投影和為rrrrrrrrrryafafafafafmmmmm2639. 018sin54sin254sin390sin418sin54sin54sin90sin43212021-11-2內燃機設計20rryrxrafmmm449. 022合力矩為合力矩的方向與y軸的夾角為542639. 03633. 01ryrxrmmtg22449. 0449. 0ramafbrmrrpprmbarmrpp449. 0平衡塊質徑積為2021-11-2內燃機設計21、四沖程直列六缸曲軸的平衡塊的布置、四沖程直列六缸曲軸的平衡塊的布置 四沖程直列六缸內燃機的曲拐夾角為120度，其曲軸旋轉質量系統(tǒng)不加

10、平衡塊也是完全平衡的。但為了減輕主軸承離心負荷和曲軸的內彎矩，經常加有平衡塊。幾個布置方案實例如圖915所示，其各自產生的效果對比如表93所列。 2021-11-2內燃機設計22表表93 四沖程直列六缸內燃機曲軸常用平衡塊布置方案的特性比較四沖程直列六缸內燃機曲軸常用平衡塊布置方案的特性比較平衡塊布置方案使主軸承離心載荷盡量小的平衡塊總質量曲軸最大內彎矩旋轉質量引起的主軸承載荷1、7主軸承2、6主軸承3、5主軸承第4主軸承無平衡塊1.732fra0.5fr0.5fr0.5frfra0.577mr4=2.308 mr0.52 fra0.25fr0.382fr0.382fr0.5frb0.385

11、mr4+0.667 mr2=2.873 mr0.752fra0.289fr0.192fr0.419fr0c0.667 mr6=4 mr0.441fra00.333fr0.333fr0d0.433 mr8=3.464 mr0.559fra0.25fr0.25fr0.25fr0.5fre0.5 mr8=4 mr0.375fra0.125fr0.125fr0.125fr0.25frf0.483 mr8+0.5 mr2=4.864 mr0.381fra0.129fr0.034fr0.252fr0.26frg0.5 mr12=6 mr0.125fra0000按曲軸兩端簡支直梁計算；按每拐截斷簡支梁計算2

12、021-11-2內燃機設計23平衡塊設計平衡塊設計 最后值得指出的一點是，平衡塊形狀不同，相同質量的平衡塊會產生不同的平衡效果。2021-11-2內燃機設計24一、往復慣性力的旋轉矢量表示法往復慣性力的旋轉矢量表示法單缸內燃機的往復慣性力可以表示為：或 fj=fi+fiifi=fi0cos, fi0=mjr2fii= fii0cos2, fii0=mjr2式中，fi為一階往復慣性力；fii為二階往復慣性力。二階往復慣性力比一階往復慣性力小得多。高階往復慣性力實際上可以忽略不計。第三節(jié)第三節(jié) 內燃機往復慣性力的平衡內燃機往復慣性力的平衡)2cos(cos0 ffj2021-11-2內燃機設計25

13、往復慣性力的旋轉矢量表示法往復慣性力的旋轉矢量表示法 一階和二階慣性力都各自可用一對反向旋轉的力矢量的合矢量表達。 fifi fi fiifiifii fi fi(1/2) fi0 fii=fii=(1/2) fii02021-11-2內燃機設計26二、單缸機的平衡二、單缸機的平衡 1、一階往復慣性力可以用一對互相反轉的平衡塊加以平衡，只要其靜矩為： miri=(1/2)mjr 即可。2021-11-2內燃機設計27單缸機的平衡單缸機的平衡 2、在曲軸上布置一平衡塊（非平衡曲拐質量的平衡塊），外加兩平衡塊同向反轉，若不在與曲軸中心同一水平線上，則有附加力矩。2021-11-2內燃機設計28單缸

14、機的平衡單缸機的平衡 3、工業(yè)用單缸機常用半平衡法，即在mr以外增加mi。4、單軸平衡。2021-11-2內燃機設計29三、單列式內燃機的平衡三、單列式內燃機的平衡 對于單列式內燃機來說，只要討論各缸的正轉矢量的合矢量，并將其在氣缸軸線方向的投影乘以2就是最后的結果。 單列式內燃機還可能存在往復慣性力矩。2021-11-2內燃機設計30多缸機往復慣性力平衡分析多缸機往復慣性力平衡分析12121212a曲柄側視圖曲軸布置圖一階曲柄圖二階曲柄圖單列式兩缸機（發(fā)火順序121，四沖程是不均勻發(fā)火） 圖解法 c ccf1jcfji2acjm整體平衡法 10 22rambrmjpprmbarmjpp0fr

15、jic2frj2021-11-2內燃機設計31雙軸平衡法 rmbarmrambrmjppjpp2222更好的曲軸布置應該是更好的曲軸布置應該是360度度曲拐夾角。此時發(fā)火均勻，可曲拐夾角。此時發(fā)火均勻，可采用雙軸機構平衡，也可以采采用雙軸機構平衡，也可以采用平衡活塞的方法平衡。如右圖所示用平衡活塞的方法平衡。如右圖所示2021-11-2內燃機設計32單列式三缸機（單列式三缸機（132）2403720a作曲柄圖和軸側圖 作慣性力矢量圖 三拐曲軸一、二階曲柄圖和軸側圖 一階慣性力 二階慣性力 得到 frj=0 frj=012312330o2021-11-2內燃機設計33作力矩圖 accos30 3

16、ac 3x在水平軸投影后，jjmmmjmax=ac 3 出現(xiàn)在一缸上止點后30。求整體平衡法平衡重質徑積，平衡重布置如前圖 rmbarmramrambrmjppjjpp23 35 . 0 32222021-11-2內燃機設計3430obmprpmpmpmprp 三缸機一階往復慣性力矩單軸平衡機構三缸機一階往復慣性力矩雙軸平衡機構2021-11-2內燃機設計35單列四沖程四缸機（單列四沖程四缸機（1342）1804720a作曲柄圖和軸側圖 1 4 1234 2 3 一階曲柄圖 二階曲柄圖 慣性力分析 2ac3acac0c4f0frjrj023acacacmj2021-11-2內燃機設計36202

17、1-11-2內燃機設計372021-11-2內燃機設計38單列二沖程四缸機（單列二沖程四缸機（1342） 904360a作曲柄圖和軸側圖 ac 10jm0jmac 10maxjm出現(xiàn)在上止點前6218整體平衡方法：rmbarmrambrmjppjpp10 1022得到 frj=0 frj=02021-11-2內燃機設計39單列四沖程五缸機（12453）發(fā)火間隔角1445720a作曲柄圖和軸測圖可以看出：可以看出：一階慣性力和二階慣一階慣性力和二階慣性力的合力都是零，性力的合力都是零，是平衡的。是平衡的。aaaao2021-11-2內燃機設計40四沖程五缸機一階往復慣性力矩分析四沖程五缸機一階往

18、復慣性力矩分析ac4ac3acac2acmji449. 0axjmim54 有最大值第一缸上止點前5jif4jif3jif2jif1jifaaaao2021-11-2內燃機設計41一階力矩各矢量在x軸的投影和為acacacacacmmmmmjijijijijix3633. 018cos54cos254cos390cos418cos54cos54cos90cos4321各矢量在y軸的投影和為acacacacacmmmmmjijijijijiy2639. 018sin54sin254sin390sin418sin54sin54sin90sin43212021-11-2內燃機設計42合力矩為acmm

19、mjiyjixji449. 022一階合力矩的方向與y軸的夾角為542637. 03633. 01jiyjixrmmtg365490與水平軸的夾角為54向水平軸投影得到此時的實際一階往復慣性力矩為acacmji2639. 054cos449. 0ac4ac3acac2acmji449. 02021-11-2內燃機設計43ca4ca3ca2cacamj9797. 418acacmj736. 418cos9797. 43jiif1jiif5jiif4jiif2jiif二階往復慣性力矩分析二階往復慣性力矩分析2021-11-2內燃機設計44二階往復慣性力矩的合力矩幅值為acacacacacmmmmmjjjjxj5389. 154cos18cos218cos390cos454cos18cos18cos90cos4321acacacacacmmmmmjjjjyj736. 454sin18sin218sin390sin454sin18sin18sin90sin4321acmmmyjxjj9797. 4222021-11-2內燃機設計4518736. 45389. 11yjxjrmmtg721890與水平軸的夾角為18向水平軸投影得到此時的實際一階往復慣性力矩為acacmj736. 418cos9797. 4即使考慮到連