內(nèi)燃機的平衡

1、內(nèi)燃機的平衡內(nèi)燃機的平衡2 1、研究平衡的目的、研究平衡的目的（1）分析各種結構機型內(nèi)燃機的平衡性能，為設計選型提供預測和依據(jù)；（2）尋求改善內(nèi)燃機平衡狀態(tài)的措施：如采用適當?shù)臍飧讛?shù)、曲柄排列和曲柄布置方案、在曲軸上設置平衡重、采用專門的平衡機構等。2、平衡的定義、平衡的定義完全平衡的內(nèi)燃機通常指沒有累積的應力造成內(nèi)燃機的振動或搖擺。3 3、平衡的分類、平衡的分類 內(nèi)燃機的平衡通常分為外部平衡和內(nèi)部平衡兩種類型：（1）當假設曲軸和機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)燃機的平衡稱為外部平衡。（2）當考慮曲軸和集體為彈性體時，由于曲軸和機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)燃機已達到完全的外部平衡，但變形的結果仍有一部分力和力矩會傳到機座，引起內(nèi)燃機整機振動并向機外傳遞，內(nèi)燃機的這種平衡稱為內(nèi)部平衡。 通常所謂的內(nèi)燃機平衡是指外部平衡，因為外部平衡不良所引起的振動問題要嚴重和復雜得多。4 單缸機的振動力源：單缸機的振動力源：離心慣性力往復慣性力離心慣性力往復慣性力1 1、離心慣性力離心慣性力Pr 單缸內(nèi)燃機的總旋轉慣性力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)心遠離曲軸中心線，這對減少內(nèi)燃機重量有利。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構，在多缸機中，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、往復慣性力、往復慣性力 按

4、活塞加速度近似式，往復慣性力可寫成 一次往復慣性力可以表示為二次往復慣性力可以表示為往復慣性力作用方向沿著汽缸中心線，向上為負，向下為正。2cos)2(4cos22RmRmamPjjjjcos2RmPjjI2cos)2(42RmPjjII2RmCj 因此往復慣性力PjI（或PjII）可看成兩個以角速度（或2）朝相反方向旋轉的矢量C/2（或C/2）之和，這兩個矢量分別稱為正轉矢量（AI或AII）和反轉矢量（BI或BII），兩個矢量重合位置與氣缸中心線平行。亦即往復慣性力可以分別轉換成兩個離心力：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慣性力，只要設計的平衡機構產(chǎn)生的離心慣性力矢量分別與上述正反轉矢量大小相等、方向相反即可。 3、雙軸平衡機構、雙軸平衡機構單缸機單軸平衡機構如下圖，其中：平衡一次往復慣性力所加平衡塊質(zhì)量m1： 平衡二次往復慣性力所加平衡塊質(zhì)量m2：1122112cos21cosRRmmRmRmjj22222282cos)2(4212cos)2(RRmmRmRmjj 采用這種方法一、二次往復慣性力都能得到平衡，缺點是結構相當復雜，不很實用，只在缸徑較大的單缸機或單缸實驗機中采用，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、機構簡圖對于缸徑不大的單缸機，有時為了結構簡化，常省去一根與曲軸同旋向的平衡軸，而采用如圖（b）所示的單軸平衡機構。采用單軸平衡機構時，一階往復慣性力也得到了平衡，但破壞了平衡機構的對稱性，與雙軸平衡機構相比，又產(chǎn)生了一個附加力矩：)sincos(2)cos(sin2)sin(cos2)sin(cos2)cos(sin21111xyxyeeCReCReCRCRCM4、單軸平衡機構、單軸平衡機構M隨變化，設計時要求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中，為了使結構盡可能簡單，常常連單軸平衡機構也省略，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=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。過量平衡法實質(zhì)上是一階往復慣性力的轉

8、移法，即把一階往復慣性力的一部分轉移到與之垂直的平面內(nèi)。至于轉移數(shù)量的大小，則要根據(jù)具體發(fā)動機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，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、多缸合成往復慣性力PjI 4、多缸合成往復慣性力矩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對稱分布的多缸機，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慣性力相同，因此相應的力矩可與往復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系，并隨曲柄的回轉而轉動。)sin(2iiirrxlRmMrrxryMMMmaxmax)()(2、多缸合成往復慣性力與慣性力矩、多缸合成往復慣性力與慣性力矩由于各缸往復慣性力是平行力系，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。合成往復慣性力矩Mj是各缸往復慣性力對發(fā)動機質(zhì)心所形成的力矩和。故對單列式多缸機一、二次往復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)動機質(zhì)心的距離。jIIjIjMMM)cos(2iiijjIlRmMiiijjIIlRmM)(2cos)2(423、直列四缸機舉例分析、直列四缸機舉例分析（1）旋轉慣性力的合力 ，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：旋轉慣性力的合力為：（2）一次往復慣性力的合力為：（3）二次往復慣性力的合力為：rP0cos

12、)180cos()180cos(cos2RmPrry0cos)180cos()180cos(cos2RmPrrx0)()(22rrrPPP0cos)180cos()180cos(cos2RmPjjI2cos42cos)180(2cos)180(2cos2cos22RmRmPjjjII（4）旋轉慣性力矩為：可知旋轉慣性力矩已經(jīng)平衡（5）一次往復慣性力矩為：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)燃機仍裝設平衡重。當然，在加裝平衡重后，不應破壞原有的平衡狀況。0sin23)180sin(21)180sin(21sin232llllRmMjjII4、內(nèi)燃機內(nèi)平衡分析、內(nèi)燃機內(nèi)平衡分析 以上分析都是對內(nèi)燃機外平衡分析，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）傳到機體上，引起機體變形，影響軸承載荷，發(fā)動機產(chǎn)生振動。曲軸和機體的變形破壞了平衡，從而影響到發(fā)動機運轉的平穩(wěn)性，特別在高速機的設計過程中，除主要研究外平衡特性外，尚需研究發(fā)動機的內(nèi)平衡問題。 采用不同的曲柄排列形式，曲軸及機體上所受的彎矩也將不同。當某種曲柄排列具有最小的作用彎矩時，則認為發(fā)動機的內(nèi)平衡性能良好。計算分析內(nèi)燃機的內(nèi)平衡