內(nèi)燃機(jī)的平衡

1、內(nèi)燃機(jī)的平衡內(nèi)燃機(jī)的平衡2 1、研究平衡的目的、研究平衡的目的（1）分析各種結(jié)構(gòu)機(jī)型內(nèi)燃機(jī)的平衡性能，為設(shè)計選型提供預(yù)測和依據(jù)；（2）尋求改善內(nèi)燃機(jī)平衡狀態(tài)的措施：如采用適當(dāng)?shù)臍飧讛?shù)、曲柄排列和曲柄布置方案、在曲軸上設(shè)置平衡重、采用專門的平衡機(jī)構(gòu)等。2、平衡的定義、平衡的定義完全平衡的內(nèi)燃機(jī)通常指沒有累積的應(yīng)力造成內(nèi)燃機(jī)的振動或搖擺。3 3、平衡的分類、平衡的分類 內(nèi)燃機(jī)的平衡通常分為外部平衡和內(nèi)部平衡兩種類型：（1）當(dāng)假設(shè)曲軸和機(jī)體為絕對剛體來分析慣性力及其力矩對外作用的情況時，內(nèi)燃機(jī)的平衡稱為外部平衡。（2）當(dāng)考慮曲軸和集體為彈性體時，由于曲軸和機(jī)體承受慣性力及其力矩后產(chǎn)生周期性變形，此時

2、及時內(nèi)燃機(jī)已達(dá)到完全的外部平衡，但變形的結(jié)果仍有一部分力和力矩會傳到機(jī)座，引起內(nèi)燃機(jī)整機(jī)振動并向機(jī)外傳遞，內(nèi)燃機(jī)的這種平衡稱為內(nèi)部平衡。 通常所謂的內(nèi)燃機(jī)平衡是指外部平衡，因為外部平衡不良所引起的振動問題要嚴(yán)重和復(fù)雜得多。4 單缸機(jī)的振動力源：單缸機(jī)的振動力源：離心慣性力往復(fù)慣性力離心慣性力往復(fù)慣性力1 1、離心慣性力離心慣性力Pr 單缸內(nèi)燃機(jī)的總旋轉(zhuǎn)慣性力Pr ，是由曲柄不平衡質(zhì)量和連桿換算到大頭處的質(zhì)量之和mr所產(chǎn)生的離心力，其值為： 該離心力的作用線與曲柄重合，方向背離曲軸中心，因此，只需在曲柄的對方裝上平衡重，使其所產(chǎn)生的離心力與原有的總旋轉(zhuǎn)慣性力大小相等，方向相反，即可將其平衡。 通

3、常，平衡重配置兩塊，每個曲柄臂上各一塊，這樣可以是曲軸及軸承的載荷狀況較好。所加平衡重的大小mB可由下式?jīng)Q定： 2RmPrr5 從上式可知,為了減輕平衡重質(zhì)量并充分利用曲軸箱空間，可盡量使平衡重的質(zhì)心遠(yuǎn)離曲軸中心線，這對減少內(nèi)燃機(jī)重量有利。但為安置平衡重而去加大曲軸箱尺寸也是不明智的，所以通常是使rB等于或略小于曲柄半徑R，并把平衡重設(shè)計成扇形或月牙形，以便其質(zhì)心盡量外移，rB值盡量增大222BBrrrmRmPrBBmrRm26 下圖是常用平衡重的外形結(jié)構(gòu)，在多缸機(jī)中，有時由于某種曲柄排列型式使合成離心慣性力矩的方向產(chǎn)生一定偏角，因而需要把平衡重偏置一定角度。7 2、往復(fù)慣性力、往復(fù)慣性力 按

4、活塞加速度近似式，往復(fù)慣性力可寫成 一次往復(fù)慣性力可以表示為二次往復(fù)慣性力可以表示為往復(fù)慣性力作用方向沿著汽缸中心線，向上為負(fù)，向下為正。2cos)2(4cos22RmRmamPjjjjcos2RmPjjI2cos)2(42RmPjjII2RmCj 因此往復(fù)慣性力PjI（或PjII）可看成兩個以角速度（或2）朝相反方向旋轉(zhuǎn)的矢量C/2（或C/2）之和，這兩個矢量分別稱為正轉(zhuǎn)矢量（AI或AII）和反轉(zhuǎn)矢量（BI或BII），兩個矢量重合位置與氣缸中心線平行。亦即往復(fù)慣性力可以分別轉(zhuǎn)換成兩個離心力：兩個質(zhì)量mj/2（或1/2mj/4）在半徑R處以角速度（或2）朝相反方向轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的離心力。 由以上分

5、析可以看出，可以用與平衡離心慣性力同樣的方法來平衡往復(fù)慣性力，只要設(shè)計的平衡機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的離心慣性力矢量分別與上述正反轉(zhuǎn)矢量大小相等、方向相反即可。 3、雙軸平衡機(jī)構(gòu)、雙軸平衡機(jī)構(gòu)單缸機(jī)單軸平衡機(jī)構(gòu)如下圖，其中：平衡一次往復(fù)慣性力所加平衡塊質(zhì)量m1： 平衡二次往復(fù)慣性力所加平衡塊質(zhì)量m2：1122112cos21cosRRmmRmRmjj22222282cos)2(4212cos)2(RRmmRmRmjj 采用這種方法一、二次往復(fù)慣性力都能得到平衡，缺點是結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，不很實用，只在缸徑較大的單缸機(jī)或單缸實驗機(jī)中采用，且常常只限于平衡一階慣性力PjI,一般不考慮PjII的平衡問題。 （a）雙軸平衡

6、機(jī)構(gòu)簡圖對于缸徑不大的單缸機(jī)，有時為了結(jié)構(gòu)簡化，常省去一根與曲軸同旋向的平衡軸，而采用如圖（b）所示的單軸平衡機(jī)構(gòu)。采用單軸平衡機(jī)構(gòu)時，一階往復(fù)慣性力也得到了平衡，但破壞了平衡機(jī)構(gòu)的對稱性，與雙軸平衡機(jī)構(gòu)相比，又產(chǎn)生了一個附加力矩：)sincos(2)cos(sin2)sin(cos2)sin(cos2)cos(sin21111xyxyeeCReCReCRCRCM4、單軸平衡機(jī)構(gòu)、單軸平衡機(jī)構(gòu)M隨變化，設(shè)計時要求ex，ey盡可能小，實際上，上式中，令： 則 可見，ex、ey小，則M隨變化時，波幅?。槌?shù)）cos22yxyeeesin22yxxeee)cos(2)sinsincos(cos22

7、222yxyxeeCeeCM 5、過量平衡法、過量平衡法 在缸徑更小的單缸機(jī)中，為了使結(jié)構(gòu)盡可能簡單，常常連單軸平衡機(jī)構(gòu)也省略，而采用所謂的過量平衡法。此時曲柄上除了有平衡mr的平衡塊質(zhì)量外，還要多加一過量的平衡質(zhì)量mj，使其產(chǎn)生過量的離心力C（01），稱為過量平衡率。如下圖（c）所示: 離心力C與一階往復(fù)慣性力PjI的合力R在x，y軸上的投影 由以上兩式中消去得：cos)1 (coscosCCCRxsinCRy2221CRRyx 可以看出合力R的矢端軌跡是一個橢圓。當(dāng)=1/2時，合力矢端軌跡變?yōu)榘霃綖镃/2的圓，即R=C/2的數(shù)值不變，不過與曲柄反向旋轉(zhuǎn)。過量平衡法實質(zhì)上是一階往復(fù)慣性力的轉(zhuǎn)

8、移法，即把一階往復(fù)慣性力的一部分轉(zhuǎn)移到與之垂直的平面內(nèi)。至于轉(zhuǎn)移數(shù)量的大小，則要根據(jù)具體發(fā)動機(jī)在垂直與水平兩個方向的剛度或吸振能力而定，一般總是希望較大的慣性力作用在發(fā)動機(jī)剛度較大的方向或吸振能力較好的方向。大小可根據(jù)實驗確定，通常=0.30.5。單列式多缸機(jī)，各個氣缸的平面力系組成了一個空間力系，因此除了有各種合成慣性力外，還有合成慣性力矩。因此，單列式多缸機(jī)振動力源主要有： 1、多缸合成離心慣性力Pr 2、多缸合成離心慣性力矩Mr 3、多缸合成往復(fù)慣性力PjI 4、多缸合成往復(fù)慣性力矩Mj 5、總傾覆力矩Md=PTR其中前四種為振動的主要因素，需采取措施予以平衡；總傾覆力矩是總輸出力矩的反

9、扭矩，難于消除其波動，只能通過增加缸數(shù)、使發(fā)火間隔均勻等措施來減小總輸出力矩的諧波分量。1 1、多缸合成離心慣性力及離心慣性力矩、多缸合成離心慣性力及離心慣性力矩 對于曲柄均勻布置或?qū)ΨQ分布的多缸機(jī)，Pr0，但Mr有可能不平衡，其在縱向垂直平面內(nèi)和水平平面內(nèi)的分力矩的大小和方向都將是變化著的。為計算簡便，取水平方向和垂直方向為xy坐標(biāo)系，先將離心慣性力分解： （水平方向） （垂直方向）可以看出，分解后垂直平面內(nèi)的平面力系與一次往復(fù)慣性力相同，因此相應(yīng)的力矩可與往復(fù)慣性力矩相同的方法列出： （垂直分力力矩）sin2RmPrrxcos2RmPrry)cos(2iiirrylRmM水平平面內(nèi)的分力矩

10、可用類似的方式寫出： （水平分力力矩）注： 垂直分力力矩與一次往復(fù)慣性力力矩MjI的變化性質(zhì)、公式、計算方法都相同，只是mj換成了mr； Mry取最大時，Mrx取最小，反之亦然，且Mr大小不變，方向同第一曲柄成一定相位關(guān)系，并隨曲柄的回轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動。)sin(2iiirrxlRmMrrxryMMMmaxmax)()(2、多缸合成往復(fù)慣性力與慣性力矩、多缸合成往復(fù)慣性力與慣性力矩由于各缸往復(fù)慣性力是平行力系，故可直接求代數(shù)和jIIjIjPPP iijZjjIZjIjIjIRmRmPPPP)cos()cos()cos()cos(221221 iijZjjIIZjIIjIIjIIRmRmPPPP)(2c

11、os)2(4)(2cos)(2cos)(2cos)2(42212211、2、Z為各曲柄與第一曲柄間的夾角。合成往復(fù)慣性力矩Mj是各缸往復(fù)慣性力對發(fā)動機(jī)質(zhì)心所形成的力矩和。故對單列式多缸機(jī)一、二次往復(fù)慣性力矩可分別寫成：式中，l1、l2、lZ為曲軸縱向平面上各氣缸中心到發(fā)動機(jī)質(zhì)心的距離。jIIjIjMMM)cos(2iiijjIlRmMiiijjIIlRmM)(2cos)2(423、直列四缸機(jī)舉例分析、直列四缸機(jī)舉例分析（1）旋轉(zhuǎn)慣性力的合力 ，其在汽缸中心線方向的投影為：在垂直于汽缸中心線方向的投影為：旋轉(zhuǎn)慣性力的合力為：（2）一次往復(fù)慣性力的合力為：（3）二次往復(fù)慣性力的合力為：rP0cos

12、)180cos()180cos(cos2RmPrry0cos)180cos()180cos(cos2RmPrrx0)()(22rrrPPP0cos)180cos()180cos(cos2RmPjjI2cos42cos)180(2cos)180(2cos2cos22RmRmPjjjII（4）旋轉(zhuǎn)慣性力矩為：可知旋轉(zhuǎn)慣性力矩已經(jīng)平衡（5）一次往復(fù)慣性力矩為：一次慣性力矩已經(jīng)平衡。0cos23)180cos(21)180cos(21cos232llllRmMrry0sin23)180sin(21)180sin(21sin232llllRmMrrx0cos23)180cos(21)180cos(21c

13、os232llllRmMjI（6）二次往復(fù)慣性力矩為：一次慣性力矩已經(jīng)平衡： 由以上可知：在四沖程四缸機(jī)中，除了二次慣性力外，其他的慣性力與慣性力矩都已平衡，但為了減小曲軸的內(nèi)力矩，減輕軸承載荷，有的內(nèi)燃機(jī)仍裝設(shè)平衡重。當(dāng)然，在加裝平衡重后，不應(yīng)破壞原有的平衡狀況。0sin23)180sin(21)180sin(21sin232llllRmMjjII4、內(nèi)燃機(jī)內(nèi)平衡分析、內(nèi)燃機(jī)內(nèi)平衡分析 以上分析都是對內(nèi)燃機(jī)外平衡分析，基于假定曲軸為絕對剛體。但實際上曲軸在彎曲力矩作用下，總會產(chǎn)生變形。若受力及變形較大，會將一部分分力（力矩）傳到機(jī)體上，引起機(jī)體變形，影響軸承載荷，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生振動。曲軸和機(jī)體的變形破壞了平衡，從而影響到發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，特別在高速機(jī)的設(shè)計過程中，除主要研究外平衡特性外，尚需研究發(fā)動機(jī)的內(nèi)平衡問題。 采用不同的曲柄排列形式，曲軸及機(jī)體上所受的彎矩也將不同。當(dāng)某種曲柄排列具有最小的作用彎矩時，則認(rèn)為發(fā)動機(jī)的內(nèi)平衡性能良好。計算分析內(nèi)燃機(jī)的內(nèi)平衡