發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)課件

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)西華大學(xué)交通與汽車工程學(xué)院主講：童勇1發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)西華大學(xué)1引論1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源有哪些？一是內(nèi)燃機(jī)整體在支承上的振動(dòng)引起的噪聲二是進(jìn)、排氣系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噪聲三是內(nèi)燃機(jī)本身的機(jī)械噪聲2引論1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲源有哪些？一是內(nèi)燃機(jī)整體在支2、“電動(dòng)蛙式夯土機(jī)”的工作原理是什么？為什么內(nèi)燃機(jī)要加裝平衡重?快速?zèng)_擊夯電動(dòng)蛙式夯土機(jī)32、“電動(dòng)蛙式夯土機(jī)”的工作原理是什么？為什么內(nèi)燃機(jī)要加裝3、195單缸柴油機(jī)的飛輪和495柴油機(jī)的飛輪相比哪個(gè)更大？為什么？4、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲排放指標(biāo)日益嚴(yán)格，結(jié)合動(dòng)力學(xué)計(jì)算的減振降噪技術(shù)日益重要43、195單缸柴油機(jī)的飛輪和495柴油機(jī)的飛輪相比哪個(gè)更大？往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的特征往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的特征之一是運(yùn)轉(zhuǎn)的不均勻性。單缸機(jī)總轉(zhuǎn)矩圖5往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的特征往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)的特征之一是運(yùn)轉(zhuǎn)的不均本課程研究內(nèi)容

發(fā)動(dòng)機(jī)（這里主要指內(nèi)燃機(jī)）動(dòng)力學(xué)，主要研究內(nèi)燃機(jī)在穩(wěn)定工況下，其曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和受力情況，以及這些力對內(nèi)燃機(jī)平衡性和振動(dòng)的影響。6本課程研究內(nèi)容發(fā)動(dòng)機(jī)（這里主要指內(nèi)燃機(jī)）動(dòng)力學(xué)，主要研內(nèi)燃機(jī)三大經(jīng)典計(jì)算：工作工程計(jì)算動(dòng)力學(xué)計(jì)算零部件強(qiáng)度校核計(jì)算上止點(diǎn)

氣缸壓力

進(jìn)氣行程壓縮行程燃燒膨脹行程排氣行程下止點(diǎn)

上止點(diǎn)

下止點(diǎn)

曲軸轉(zhuǎn)角/(o)CA0180360540720p—φ壓力示功圖p—φdiagram7內(nèi)燃機(jī)三大經(jīng)典計(jì)算：上止點(diǎn)氣缸壓力進(jìn)氣行程p－V壓力示功圖8p－V壓力示功圖8991010曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算11曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算111212零部件強(qiáng)度校核13零部件強(qiáng)度校核13141415151616171718181919202021212222教學(xué)安排學(xué)時(shí)安排：課堂教學(xué)22學(xué)時(shí)上機(jī)計(jì)算10學(xué)時(shí)成績評定：筆試成績70%，平時(shí)成績30%教材：內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)張保成等著國防工業(yè)出版社參考書目：內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)鄭啟福主編車輛發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力學(xué)汪長明主編23教學(xué)安排學(xué)時(shí)安排：23主要內(nèi)容發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)分型曲柄連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)輸出扭矩及曲軸回轉(zhuǎn)不均勻度軸頸和軸承負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡、振動(dòng)及減振24主要內(nèi)容24緒論發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)分型0.1正置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)0.2偏置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)0.3主副連桿式曲柄兩桿機(jī)構(gòu)25緒論發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)分型25內(nèi)燃機(jī)：將燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而對外輸出動(dòng)力。內(nèi)燃機(jī)整體結(jié)構(gòu)介紹26內(nèi)燃機(jī)：將燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，再內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)：1、機(jī)體組：氣缸體、曲軸箱、油底殼、氣缸套、氣缸蓋和氣缸墊---不動(dòng)件27內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)：272、活塞連桿組：由活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿------運(yùn)動(dòng)件282、活塞連桿組：283、配氣機(jī)構(gòu)組：由氣門組件、配氣凸輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)-----運(yùn)動(dòng)件293、配氣機(jī)構(gòu)組：29

30

3131傳動(dòng)方式圖例32傳動(dòng)方式圖例32每缸4氣門排列方式每缸4氣門驅(qū)動(dòng)方式33每缸4氣門排列方式每缸4氣門驅(qū)動(dòng)方式33常用氣門頂置配氣機(jī)構(gòu)的類型氣門頂置，下置凸輪軸（OHV）氣門頂置，上置凸輪軸（OHC）氣門頂置，雙搖臂，上置凸輪軸（OHV/OHC）氣門頂置，上置雙凸輪軸（OHV/DOHC）34常用氣門頂置配氣機(jī)構(gòu)的類型氣門頂置，下置凸輪軸（OHV）344曲軸飛輪組（曲軸、飛輪、減振器）

一、曲軸飛輪組的組成起動(dòng)爪正時(shí)齒輪主軸瓦皮帶輪扭轉(zhuǎn)減振器飛輪飛輪螺栓曲軸354曲軸飛輪組（曲軸、飛輪、減振器）

一、曲軸飛輪組的桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組36桑塔納轎車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸飛輪組36氣缸排列型式37氣缸排列型式37氣缸排列型式（續(xù)）38氣缸排列型式（續(xù)）38常見氣缸的排列形式（1）直列式：多用于六缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）V型式：它縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的長度和高度，多用于八缸以上的發(fā)動(dòng)機(jī)。（3）對置式：是V型的特殊形式。39常見氣缸的排列形式39結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，但發(fā)動(dòng)機(jī)長度和高度較大?？s短了機(jī)體的長度和高度，增加了剛度，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量；形狀復(fù)雜，加工困難。六缸以上發(fā)動(dòng)機(jī)使用40結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，但發(fā)動(dòng)機(jī)長度和高度較大?？s短了機(jī)體的長度高度小，總體布置方便。轎車中應(yīng)用不多對置氣缸式發(fā)動(dòng)機(jī)41高度小，總體布置方便。轎車中應(yīng)用不多對置氣缸式發(fā)動(dòng)機(jī)41曲柄連桿的基本型式42曲柄連桿的基本型式42常見曲柄連桿型式A）正置式b）偏置式c）主副連桿式a）中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)b）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)c）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)43常見曲柄連桿型式A）正置式b）偏置式c）主副連桿正置式（中心式）曲柄機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞和活塞銷A、連桿AB、曲柄或曲軸BO以及氣缸C、主軸承O構(gòu)成。它在內(nèi)燃機(jī)中的作用是把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是活塞銷運(yùn)動(dòng)軌跡與曲軸軸線相交，這種機(jī)構(gòu)最為簡單，加工容易。44正置式（中心式）曲柄機(jī)構(gòu)曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞和活塞銷A、連4545正置式（中心式）曲柄機(jī)構(gòu)特征參數(shù)曲柄連桿比λ中心曲柄連桿的幾何特性完全由特性參數(shù)曲柄連桿比λ＝r/l

確定，其中r為曲柄半徑，即曲軸主軸頸軸線到連桿軸頸或曲柄銷軸線的距離，l為連桿長度，即連桿大小頭孔軸線的距離。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿比λ＝0.26-0.3146正置式（中心式）曲柄機(jī)構(gòu)特征參數(shù)曲柄連桿比λ46正置式（中心式）曲柄機(jī)構(gòu)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中三大參數(shù)：S/D=0.8-1.3（行程/缸徑）λ＝r/l=0.26-0.31（曲柄連桿比）L0/D=1.14-1.50（缸心距/缸徑）三大參數(shù)的選取47正置式（中心式）曲柄機(jī)構(gòu)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中三大參數(shù)：47常見曲柄連桿型式A）正置式b）偏置式c）主副連桿式a）中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)b）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)c）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)48常見曲柄連桿型式A）正置式b）偏置式c）主副連桿偏置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲軸正偏置如圖所示，其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)軸線，但不通過曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線與曲軸的回轉(zhuǎn)軸線有一偏移量。（向回轉(zhuǎn)方向的偏移為正偏置）這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以減少膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時(shí)，作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻。曲軸正偏置曲柄連桿機(jī)構(gòu)49偏置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)曲軸正偏置曲軸正偏置曲柄連桿機(jī)構(gòu)49曲軸正偏置活塞銷負(fù)偏置活塞銷正偏置50曲軸正偏置活塞銷負(fù)偏置活塞銷正偏置50偏置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)曲柄連桿比：偏心率：6120Q柴油機(jī)e=+1.0mmBJ492QA汽油機(jī)e=-1.5mmEQ6100Q汽油機(jī)e=-1.6mmCA6102Q汽油機(jī)e=-1.0mm51偏置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)曲柄連桿比：51活塞銷的正偏置和曲軸的正偏置一般用于柴油機(jī)。柴油機(jī)的做功沖程Pmax較大，故PN較大，為降低最大主推力PNmax

，改善活塞和缸套主推力面的磨損，將活塞銷孔（或者氣缸中心線）布置向次推力面一側(cè)（叫作正偏置）。壓縮沖程時(shí)，次推力面的側(cè)向推力將有所增大，但其絕對值本身較小，增大一點(diǎn)無所謂。達(dá)到均勻氣缸兩側(cè)磨損的效果。不能用于正反轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。52活塞銷的正偏置和曲軸的正偏置一般用于柴油機(jī)。52活塞銷負(fù)偏置1、定義：活塞銷座朝向承受作功側(cè)壓力的一面（圖示左側(cè)）偏移1mm～2mm。2、作用：使活塞從壓縮行程到作功行程柔和地從氣缸的一邊過渡到另一邊，減輕活塞換向時(shí)對氣缸壁的敲擊。53活塞銷負(fù)偏置53活塞銷的負(fù)偏置一般用于高速汽油機(jī)。汽油機(jī)轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于柴油機(jī)，且其缸內(nèi)最大壓力遠(yuǎn)低于柴油機(jī)，其左右主次推力面的磨損不均勻問題不是主要問題。一般不需要采用正偏置。轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致的上止點(diǎn)位置時(shí)活塞的頻繁高速換向?qū)е碌幕钊膿舾妆诘摹扒酶住痹肼?，成為主要矛盾。采用?fù)偏置有利于解決這個(gè)問題。54活塞銷的負(fù)偏置一般用于高速汽油機(jī)。54活塞偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的形成55活塞偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的形成555656壓縮上止點(diǎn)前后，活塞“先靠后移”示意圖活塞合力向下為正57壓縮上止點(diǎn)前后，活塞“先靠后移”示意圖活塞合力向下為正57進(jìn)排氣上止點(diǎn)前后，活塞“先靠后移”示意圖活塞合力向下為正58進(jìn)排氣上止點(diǎn)前后，活塞“先靠后移”示意圖活塞合力向下為正583、原理：因銷座偏置，在接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)，作用在活塞銷座軸線以右的氣體壓力大于左邊，使活塞傾斜，裙部下端提前換向。而活塞在越過上止點(diǎn)，側(cè)壓力反向時(shí)，活塞才以左下端接觸處為支點(diǎn)，頂部向左轉(zhuǎn)（不是平移），完成換向?！跋瓤亢笠啤?93、原理：因銷座偏置，在接近壓縮上止點(diǎn)時(shí)，作用在活塞銷座軸線

可見偏置銷座使活塞換向分成了兩步，第一步是在氣體壓力較小時(shí)進(jìn)行，且裙部彈性好，有緩沖作用；第二步雖氣體壓力大，但它是個(gè)漸變過程。為此，兩步過渡使換向沖擊力大為減弱。60可見偏置銷座使活塞換向分成了兩步，第一步是在氣體壓力V型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的布置形式并列式主副式叉式61V型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的布置形式并列式主副式叉式61主副連桿機(jī)構(gòu)62主副連桿機(jī)構(gòu)626363主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)

在少數(shù)多列式大功率高速內(nèi)燃機(jī)中，例如少數(shù)雙列式V形及全部三列W形、四列式X形和多列式星形內(nèi)燃機(jī)中，采用關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。這時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿與曲柄搖擺運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是副連桿大小頭軸承均無高速滑動(dòng)其他各列氣缸則用副連桿與主連桿上的副連桿銷相連，形成關(guān)節(jié)式。64主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)在少數(shù)多列式大功率高速內(nèi)主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)特征參數(shù)：主曲柄半徑比副曲柄半徑比副連桿長度關(guān)節(jié)半徑氣缸夾角關(guān)節(jié)角65主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)特征參數(shù)：65第1章曲柄連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)在中高速內(nèi)燃機(jī)中，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，假定曲軸等速轉(zhuǎn)動(dòng)。在一般情況下，連桿擺動(dòng)所引起的效應(yīng)可以簡化為一定部分的連桿質(zhì)量隨曲柄銷轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本任務(wù)，在于確定活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。66第1章曲柄連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)在中高速內(nèi)燃機(jī)中，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，假定曲軸動(dòng)力學(xué)分析的前提條件經(jīng)典動(dòng)力學(xué)分析的前提條件：發(fā)動(dòng)機(jī)處于“穩(wěn)定工況”?！胺€(wěn)定工況”：在一個(gè)完整的曲軸總轉(zhuǎn)矩變化周期內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)曲軸輸出的有用功與作業(yè)機(jī)具的阻力功相等。曲軸的回轉(zhuǎn)角速度的變化是比較小的，可視為曲軸作等角速度回轉(zhuǎn)。67動(dòng)力學(xué)分析的前提條件經(jīng)典動(dòng)力學(xué)分析的前提條件：發(fā)動(dòng)機(jī)處于“穩(wěn)中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖68中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖68曲柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律69曲柄的運(yùn)動(dòng)規(guī)律69

活塞位移的求解70活塞位移的求解70活塞位移精確解《內(nèi)燃機(jī)學(xué)第二版》中：《內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)》中：以上公式完全等價(jià)。71活塞位移精確解《內(nèi)燃機(jī)學(xué)第二版》中：《內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)》中：以上活塞位移的近似解利用傅立葉級數(shù)展開：因?yàn)橐话銉?nèi)燃機(jī)所用的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中：可把公式足夠精確地簡化成：或者：72活塞位移的近似解利用傅立葉級數(shù)展開：72換句話，活塞約在80°-85°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，就達(dá)到行程的一半，連桿越短，越大，活塞達(dá)到行程之半的時(shí)刻越提前。73換句話，活塞約在80°-85°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，就達(dá)到行程的一半，一階位移和二階位移74一階位移和二階位移74活塞位移的作圖法求解75活塞位移的作圖法求解75圖1-176圖1-176繪制活塞位移曲線的作用

活塞在上止點(diǎn)附近高速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣門也在這一區(qū)域高速運(yùn)動(dòng)，可在同一圖紙上，根據(jù)配氣相位角繪制氣門升程曲線以及活塞頂部的位移曲線，看是否出現(xiàn)相交，如相交，則會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉。后果嚴(yán)重。特別是當(dāng)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重的情況時(shí)，尤其要特別重視。問題：一臺長期使用的單缸柴油機(jī)，手搖起動(dòng)時(shí)，沒有異常，起動(dòng)后，轉(zhuǎn)速上升到一定時(shí)，出現(xiàn)氣門和活塞頂部相碰的異響，為什么？77繪制活塞位移曲線的作用活塞在上止點(diǎn)附近高速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)排氣上止點(diǎn)氣門升程和活塞位移曲線排氣門升程進(jìn)氣門升程活塞位移曲線校驗(yàn)進(jìn)排氣上止點(diǎn)附近

進(jìn)排氣門是否與活塞發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉78進(jìn)排氣上止點(diǎn)氣門升程和活塞位移曲線排氣門升程進(jìn)氣門升程活塞位活塞的速度

對時(shí)間作一次微分,可得傅立葉級數(shù)形式的活塞運(yùn)動(dòng)速度準(zhǔn)確公式:

由上式看出,活塞運(yùn)動(dòng)速度和活塞位移一樣,也是一個(gè)很快收斂的無窮級數(shù)。將上式對時(shí)間作一次微分,可得活塞運(yùn)動(dòng)速度的近似公式:

內(nèi)燃機(jī)在穩(wěn)定工況時(shí),是一個(gè)常數(shù),所以,活塞運(yùn)動(dòng)速度是一個(gè)由兩個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)疊加而成:79活塞的速度79活塞的最大速度活塞最大速度精確解：活塞最大運(yùn)動(dòng)速度近似公式:活塞平均運(yùn)動(dòng)速度：在內(nèi)燃機(jī)中:80活塞的最大速度活塞最大速度精確解：80活塞最大速度出現(xiàn)的位置活塞最大運(yùn)動(dòng)速度所在位置為:

所在位置僅和有關(guān),連桿愈短,出現(xiàn)愈早.由此可見,=74°~82°。一般近似計(jì)算時(shí)，可認(rèn)為時(shí)，活塞速度達(dá)到最大值。圖1-2圖1-381活塞最大速度出現(xiàn)的位置圖1-2圖1-381活塞的加速度82活塞的加速度82活塞加速度曲線圖1-483活塞加速度曲線圖1-483活塞加速度極值84活塞加速度極值84第一種情況，當(dāng)時(shí)：在時(shí)，即上止點(diǎn)處，活塞加速度極大值為：

在時(shí)，即下止點(diǎn)處，活塞加速度極小值為：第二種情況，當(dāng)時(shí)，活塞加速度在曲軸一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)有四個(gè)極值。其中兩個(gè)與第一種情況相同，另外還有兩個(gè)極小值出現(xiàn)在：

（90°~270°之間），其大小為：圖1-585第一種情況，當(dāng)時(shí)：圖1-585無量綱位移、速度、加速度為了便于比較不同大小機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可引用無量綱參數(shù)：無量綱速度和加速度：無量綱位移：無量綱加速度：86無量綱位移、速度、加速度為了便于比較不同大小機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，可引活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡化表達(dá)87活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律簡化表達(dá)878888活塞位移、速度、加速度之間的關(guān)系活塞離開上下止點(diǎn)作加速運(yùn)動(dòng)活塞趨向上下止點(diǎn)作減速運(yùn)動(dòng)89活塞位移、速度、加速度之間的關(guān)系活塞離開上下止點(diǎn)作加速運(yùn)動(dòng)活連桿擺動(dòng)的角位移上式就是連桿角位移的準(zhǔn)確公式。由此可得連桿角位移的近似公式：由上式看出，當(dāng)=90°和270°時(shí)，連桿角位移達(dá)到最大值。從物理意義來講，式中正負(fù)號表示連桿角位移最大值發(fā)生在汽缸中心線兩側(cè)。對于常見的值來說，值一般不超過18°。90連桿擺動(dòng)的角位移90連桿擺動(dòng)的角速度將連桿擺角對時(shí)間作一次微分，得：得連桿角速度的準(zhǔn)確公式：

對時(shí)間做一次微分，得連桿角速度的近似公式：由上式看出，曲軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，在處，連桿角速度出現(xiàn)最大值；91連桿擺動(dòng)的角速度將連桿擺角對時(shí)間作一次微分，得：911.2偏置式曲柄連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)一上、下止點(diǎn)位置由直角三角形可知：圖1-6921.2偏置式曲柄連桿運(yùn)動(dòng)學(xué)一上、下止點(diǎn)位置圖1-692(二)活塞行程

由右圖的直角三角形可知：

則活塞行程為：

93(二)活塞行程93三.連桿擺角

由圖可知，于是可求出連桿擺角：

由上式看出，當(dāng)β=0°，即連桿中心線和汽缸中心線重疊時(shí)，sinα=k；而當(dāng)α=90°和270°時(shí)，β出現(xiàn)最大值；94三.連桿擺角94四.活塞位移、速度和加速度由圖中的幾何關(guān)系，可以求出某瞬時(shí)活塞位移的準(zhǔn)確公式：由上式可知：用這個(gè)關(guān)系代入前式，并將兩個(gè)根號按二項(xiàng)式定理展開級數(shù)。整理后略去高次項(xiàng)，可得活塞的近似公式：將式2-37分別對時(shí)間做一次微分和兩次微分，可得活塞速度和加速度的近似公式：由此可以看出，由于偏心距的影響，偏置式機(jī)構(gòu)的活塞位移、速度和加速度近似公式，比正置式機(jī)構(gòu)的相應(yīng)公式均多了括號內(nèi)的最后一項(xiàng)。而該項(xiàng)的最大值是kλ，在內(nèi)燃機(jī)工程中，通常kλ=0.01~0.06,因該項(xiàng)值很小，可忽略不計(jì)，這樣，在近似計(jì)算中就可把偏置式機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律按正置式機(jī)構(gòu)來處理。95四.活塞位移、速度和加速度95主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)特征參數(shù)：主曲柄半徑比副曲柄半徑比副連桿長度關(guān)節(jié)半徑氣缸夾角關(guān)節(jié)角96主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)特征參數(shù)：96（一）副活塞位移：由圖可知：副活塞位移為：上式就是副活塞位移的精確確公式，其中是副活塞上止點(diǎn)到曲軸回轉(zhuǎn)中心的距離。97（一）副活塞位移：97主副缸活塞運(yùn)動(dòng)曲線98主副缸活塞運(yùn)動(dòng)曲線989999第二章曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)作用在內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的力，分為缸內(nèi)氣體作用力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力、重力、摩擦力、支承反力和有效負(fù)荷等。因?yàn)閮?nèi)燃機(jī)中重力、摩擦力數(shù)值與氣體力以及慣性力相比較小，一般作受力分析時(shí)都把各零件之間的摩擦力忽略不計(jì)。內(nèi)燃機(jī)中，氣體作用力、慣性力與支承反力、有效負(fù)荷相平衡概述：曲柄連桿受力情況100第二章曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)作用在內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的力，分曲柄連桿機(jī)構(gòu)受的力主要有氣體力Pg，往復(fù)慣性力Pj，旋轉(zhuǎn)離心力Pr和摩擦力F。PgPjPrF101PgPjPrF1012.1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算

慣性力的大小決定于運(yùn)動(dòng)零件的加速度和質(zhì)量分布實(shí)際曲柄連桿機(jī)構(gòu)具有復(fù)雜的分布質(zhì)量，但可以根據(jù)動(dòng)力學(xué)等效性原則用幾個(gè)適當(dāng)配置的集中質(zhì)量(質(zhì)點(diǎn))代替原來的系統(tǒng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)零件可按運(yùn)動(dòng)性質(zhì)不同分為三組沿氣缸軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的零件勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的曲柄組質(zhì)量作平面運(yùn)動(dòng)的連桿組質(zhì)量1022.1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算慣性力的大小決定于運(yùn)1．活塞組的質(zhì)量換算包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷以及裝在其上附件的質(zhì)量，即是沿氣缸中心線作往復(fù)運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量?？梢哉J(rèn)為mp，集中于活塞銷軸線的中心，因?yàn)榛钊N中心線是活塞組的傳力點(diǎn)。1031．活塞組的質(zhì)量換算包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷以及裝在其上2，曲柄組的質(zhì)量換算曲軸在繞軸線O旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷、一部分曲柄臂（圖上繪有陰影的部分）以及裝在其上的其它附件的不平衡質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，這些曲衡質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，這些曲柄上的不平衡質(zhì)量應(yīng)按離心力相等的條件換算到曲柄銷中心處。1042，曲柄組的質(zhì)量換算曲軸在繞軸線O旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷、一部3．連桿組的質(zhì)量換算包括連桿體、連桿小頭襯套、連桿蓋以及連桿螺栓等的質(zhì)量。連桿作復(fù)合平面運(yùn)動(dòng)，為了計(jì)算簡便，將連桿質(zhì)量mL簡化為大、小頭處的兩個(gè)集中質(zhì)量，如圖所示。m1

是假設(shè)集中在連桿小頭中心處并只作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，m2是假設(shè)集中在大頭中心處并只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量。替代后的質(zhì)量系統(tǒng)應(yīng)與原連桿的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上是等效的（即動(dòng)力學(xué)等效原則），則須滿足下列條件：1053．連桿組的質(zhì)量換算包括連桿體、連桿小頭襯套、連桿蓋以及連實(shí)際上，雙質(zhì)量系統(tǒng)不能同時(shí)完全滿足上述三個(gè)等效條件，一般只按前兩個(gè)條件算出：106實(shí)際上，雙質(zhì)量系統(tǒng)不能同時(shí)完全滿足上述三個(gè)等效條件，一般只按

在連桿組質(zhì)量換算中，必須確定連桿質(zhì)量數(shù)值和重心位置，通常采用作圖法和實(shí)測法兩種。

1）.索多邊形作圖法（只有圖紙沒有實(shí)物時(shí)采用）：

連桿質(zhì)量和重心位置的確定：107在連桿組質(zhì)量換算中，必須確定連桿質(zhì)量2）.專用天平稱重法：1082）.專用天平稱重法：1084．曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算結(jié)果作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量mj

，集中作用在活塞銷中心。作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不平衡質(zhì)量mr，集中作用于曲柄銷中心。1094．曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算結(jié)果作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量mj1101102.2、正置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)力的合成與分解（l）往復(fù)慣性力Fj(N）它是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量mj，與活塞加速度a的乘積，方向始終沿氣缸中心線與活塞加速度方向相反：1,慣性力單位活塞面積的往復(fù)慣性力：圖2-71112.2、正置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)力的合成與分解（l）往復(fù)慣性力(2）旋轉(zhuǎn)慣性力Fr(N)

，它是以曲柄角速度旋轉(zhuǎn)的離心力，則單位面積旋轉(zhuǎn)慣性力：112(2）旋轉(zhuǎn)慣性力Fr(N)，它是以曲柄角速度旋轉(zhuǎn)2,氣體作用力活塞頂?shù)臍怏w壓力由示功圖可知，氣體作用力是活塞上下壓力差：圖2-51132,氣體作用力活塞頂?shù)臍怏w壓力由示功圖可知，氣體作用力是活3、沿氣缸中心線的總作用力F

氣體作用力往復(fù)慣性力圖2-81143、沿氣缸中心線的總作用力F

氣體作用力往復(fù)慣性力圖2-814、總作用力F的傳遞

連桿力FK

傳至曲柄銷中心再分解為垂直于曲柄的切向力FT（N）和沿曲柄半徑的徑向力FZ：1154、總作用力F的傳遞連桿力FK傳至曲柄銷中心116116注意教材中符號變化117注意教材中符號變化1175、輸出轉(zhuǎn)矩傾覆力矩1185、輸出轉(zhuǎn)矩傾覆力矩1181191196、傾覆力矩（翻轉(zhuǎn)力偶矩）1206、傾覆力矩（翻轉(zhuǎn)力偶矩）1206、傾覆力矩（翻轉(zhuǎn)力偶矩）傾覆力矩1216、傾覆力矩（翻轉(zhuǎn)力偶矩）傾覆力矩121對連桿、曲柄：受壓應(yīng)力為正受拉應(yīng)力為負(fù)7、受力方向正負(fù)的約定122對連桿、曲柄：7、受力方向正負(fù)的約定1228、小結(jié)氣體作用力Fg與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n無關(guān)，與負(fù)荷大小有關(guān)脈沖性，以720°CA為周期最大值周期僅占1/5～1/6，主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)受力零部件的可靠性為機(jī)構(gòu)受力零部件的振動(dòng)力源，但在機(jī)體上互相抵消，只使機(jī)體產(chǎn)生拉伸或壓縮應(yīng)力，并不傳至機(jī)體之外的支架上，不引起整機(jī)的振動(dòng)

1238、小結(jié)氣體作用力Fg123往復(fù)慣性力Fj以360°CA為周期，只有轉(zhuǎn)速n有關(guān)，與負(fù)荷大小無關(guān)影響輸出功率的瞬時(shí)值，不影響其平均值，不對外做功是以自由力形式出現(xiàn)，它通過軸承傳至機(jī)體，作用在發(fā)動(dòng)機(jī)支架上，引起發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)上下振動(dòng)與氣體力同一數(shù)量級，較大絕對值占一半周期以上，主要影響發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命做功沖程開始階段，對氣體壓力起到一定消減作用，有效降低了受力零部件的最大機(jī)械負(fù)荷，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的提高124往復(fù)慣性力Fj124旋轉(zhuǎn)慣性力Fr與轉(zhuǎn)速有關(guān)，360°CA為周期，引起發(fā)動(dòng)機(jī)上下左右各方向振動(dòng)，易于平衡。輸出扭矩T作用于曲軸，與阻力矩方向相反，平均值大小相等傾覆力矩TN作用于機(jī)體，產(chǎn)生使發(fā)動(dòng)機(jī)沿阻力矩方向翻轉(zhuǎn)傾覆的趨勢。大小與方向均與阻力矩相等，無法平衡，只能傳至支承,靠地腳螺釘承受。綜上所述，發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出扭矩T，而傾覆力矩TN

、往復(fù)慣性力Fj和旋轉(zhuǎn)慣性力Fr

通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體傳至支架，使支架受力并產(chǎn)生振動(dòng)。125旋轉(zhuǎn)慣性力Fr125上機(jī)作業(yè)安排演示正置式曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算繪出活塞的位移、速度、加速度曲線（最好在一張圖上）根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)示功圖（即氣體力Fg-α）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量換算往復(fù)慣性力Fj和旋轉(zhuǎn)慣性力Fr的計(jì)算力的合成與分解，繪出FN、FK、FT、FZ、T與曲軸轉(zhuǎn)角α之間的關(guān)系圖。為下一步軸承和軸頸載荷以及主軸承理論磨損圖的計(jì)算做準(zhǔn)備126上機(jī)作業(yè)安排第三章多缸內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)3-1曲柄排列和發(fā)火順序的選擇1、曲柄排列氣缸序號：從曲軸自由端向飛輪端編號直列四缸機(jī)曲柄排列及曲柄端面圖127第三章多缸內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力學(xué)3-1曲柄排列和發(fā)火順序的選擇1、2、曲柄夾角的選定1282、曲柄夾角的選定1283、發(fā)火順序的選定一定的曲柄排列形式，決定了可能的發(fā)火順序。一定的曲柄排列形式，決定了一定的平衡性。設(shè)計(jì)時(shí)，首先保證良好的平衡性確定曲柄排列形式，然后使發(fā)火間隔角盡可能均勻來確定發(fā)火順序。選取原則：機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷盡可能地小相鄰氣缸發(fā)火間隔盡可能大以使：曲軸軸頸、軸承的機(jī)械負(fù)荷（沖擊載荷）下降相鄰受熱件的熱負(fù)荷下降避免搶氣和排氣干擾曲軸扭振下降1293、發(fā)火順序的選定一定的曲柄排列形式，決定了可能的發(fā)火順序。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火順序內(nèi)燃機(jī)的曲柄排列和發(fā)火順序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和工作狀態(tài)及曲軸的負(fù)荷都有著直接關(guān)聯(lián)，并影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡、軸承負(fù)荷、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等等130內(nèi)燃機(jī)的發(fā)火順序內(nèi)燃機(jī)的曲柄排列和發(fā)火順序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能直列式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序各缸發(fā)火間隔盡可能均勻發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的平衡性盡量避免相鄰氣缸連續(xù)發(fā)火柴油機(jī)軸系有較小的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)考慮對排氣管分支的影響返回131直列式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序各缸發(fā)火間隔盡可能均勻返回131曲拐的布置（1）一般規(guī)律

1）各缸的作功間隔要盡量均衡，以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

2）連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠(yuǎn)些，最好是在發(fā)動(dòng)機(jī)的前半部和后半部交替進(jìn)行。

3）V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右氣缸盡量交替作功。

4）曲拐布置盡可能對稱、均勻以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作平衡性好。132曲拐的布置（1）一般規(guī)律132（2）常見曲軸曲拐的布置1）四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐布置四個(gè)曲拐在同一平面內(nèi)，點(diǎn)火間隔：180°133（2）常見曲軸曲拐的布置1）四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐布置四個(gè)曲拐2）四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序點(diǎn)火順序：各缸完成同名行程的次序。常用順序：1-3-4-2另一發(fā)火次序：1-2-4-31342）四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序點(diǎn)火順序：各缸完成同名行程的次序3）直列四沖程六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸曲拐布置1353）直列四沖程六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸曲拐布置1351.62.53.41.63.42.51-5-3-6-2-41-4-2-6-3-51361.62.53.41.63.42.51-5-3-6-2-4各缸發(fā)火間隔角盡可能均勻，各缸在每個(gè)工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角周期內(nèi)依次發(fā)火完畢，且發(fā)火間隔角盡可能相等。希望達(dá)到：各缸均勻輸出功率曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)平衡發(fā)動(dòng)機(jī)工作柔和4、各缸發(fā)火間隔角的選定1374、各缸發(fā)火間隔角的選定1371381383.2多缸機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

多缸內(nèi)燃機(jī)，其總轉(zhuǎn)矩等于各氣缸轉(zhuǎn)矩之和。對于發(fā)火間隔均勻的內(nèi)燃機(jī)來說，總轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是將各缸的扭矩曲線錯(cuò)開一個(gè)相當(dāng)于發(fā)火間隔角ξ然后進(jìn)行疊加的結(jié)果。例如四沖程的六缸機(jī)，它的發(fā)火間隔順序?yàn)?一5一3一6一2一4，發(fā)火間隔角ξ=720°／6=120°,設(shè)Mα為一個(gè)氣缸在曲柄轉(zhuǎn)角為α?xí)r的扭矩，則在該α?xí)r的總轉(zhuǎn)矩Ms為：1393.2多缸機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩多缸內(nèi)燃機(jī)，其總轉(zhuǎn)矩等于各氣140140已知解放６１０２Q柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)椋保担常叮玻?，?dāng)?shù)谝桓滋幱谙铝星S位置時(shí)，所對應(yīng)的扭矩值如表所列：曲拐位置（°CA）30150270390510630扭矩值M(N.m)-174.570.24-110.58712.098.03-84.14當(dāng)?shù)谝桓滋幱?70°CA時(shí)，將此刻其余各缸的扭矩值及此刻的合成扭矩值填入下表中。汽缸號１２３４５６合成扭矩N.m扭矩值N.m-110.58141已知解放６１０２Q柴油機(jī)的發(fā)火順序?yàn)椋保担常叮玻矗?42142將α=0°—720°間隔點(diǎn)的Ms求出后，就可畫出內(nèi)燃機(jī)的總轉(zhuǎn)矩圖。實(shí)際上，對于發(fā)火均勻的內(nèi)燃機(jī)來說，其中轉(zhuǎn)矩曲線是以發(fā)火間隔角ξ為周期循環(huán)變化的。對于四沖程六缸機(jī)，只要將α=0°到α=120°間的各缸轉(zhuǎn)矩曲線進(jìn)行疊加，就可得到α=0°—120°之間的總轉(zhuǎn)矩曲線。143將α=0°—720°間隔點(diǎn)的Ms求出后，就可畫四沖程四缸機(jī)總扭矩曲線144四沖程四缸機(jī)總扭矩曲線144不同缸數(shù)總扭矩曲線145不同缸數(shù)總扭矩曲線145多缸機(jī)轉(zhuǎn)矩特征對同一臺內(nèi)燃機(jī)來說，轉(zhuǎn)矩不均勻系數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化而變化。轉(zhuǎn)矩不均勻系數(shù)隨缸數(shù)的增加而急劇減少。從動(dòng)力學(xué)角度看，增加缸數(shù)和使各缸發(fā)火間隔均勻，是改善發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩均勻性的重要途徑。對于發(fā)火均勻的多缸機(jī)，總轉(zhuǎn)矩曲線是以發(fā)火間隔角為周期循環(huán)變化的。146多缸機(jī)轉(zhuǎn)矩特征對同一臺內(nèi)燃機(jī)來說，轉(zhuǎn)矩不均勻系數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)工況由發(fā)動(dòng)機(jī)即使在穩(wěn)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出轉(zhuǎn)矩也不是常數(shù)。為了評價(jià)內(nèi)燃機(jī)總轉(zhuǎn)矩變化的均勻程度，通常用轉(zhuǎn)矩不均勻度μ來表示，并有3.3輸出轉(zhuǎn)矩和曲軸回轉(zhuǎn)不均勻性147由發(fā)動(dòng)機(jī)即使在穩(wěn)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出轉(zhuǎn)矩也不是常數(shù)。3.3輸出轉(zhuǎn)矩的不均勻度μ缸數(shù)12346812不均勻度18.313.67.68.430.860.33148輸出轉(zhuǎn)矩的不均勻度μ缸數(shù)12346812不均勻度18.313曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻度149曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻度149功率平衡

根據(jù)能量守恒定律，作用在機(jī)械上的力在任一時(shí)間間隔內(nèi)所作的功，應(yīng)等于機(jī)械動(dòng)能的增量，即:

機(jī)械在外力作用下的運(yùn)動(dòng)分為啟動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和停車三個(gè)階段，如圖所示：

為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)盡可能勻速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)上或機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采取相關(guān)措施，則稱其為功率平衡。150功率平衡根據(jù)能量守恒定律，作用在機(jī)械上的力在任一時(shí)間151151

內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩在任一瞬間，都與加在曲軸上的阻力矩及所有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力矩相平衡，用公式表示為曲軸回轉(zhuǎn)的不均勻度152內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩在任一瞬間，都與加在曲軸上的阻力矩153153曲軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)與它帶動(dòng)的從動(dòng)件之間產(chǎn)生沖擊，影響工作的可靠性和使用壽命，并產(chǎn)生噪聲；使曲軸產(chǎn)生振動(dòng)；使監(jiān)控和測試的儀器工作不穩(wěn)定。因此，必須對曲軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度δ進(jìn)行限制，對于汽車、工程機(jī)械用內(nèi)燃機(jī)，δ一般限定在1/40～l/50之間。當(dāng)δ確定后，可選擇具有適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IM

的飛輪來使之滿足要求，具體方法如下。1、飛輪的作用3.4飛輪的作用和飛輪矩的計(jì)算154曲軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)與它帶動(dòng)的從動(dòng)件之間產(chǎn)生沖擊，據(jù)圖求出曲線角速度從ωmin

變化至ωmax

時(shí)所對應(yīng)的總扭矩曲線與阻力矩曲線之間所包圍的面積，此面積所代表的功通常稱為盈虧功Ws

，并有由于物體在任意兩個(gè)瞬時(shí)之間動(dòng)能的變化等于作用于該物體上的力或力矩在這個(gè)過程中所做的功，則有2、飛輪矩的計(jì)算155據(jù)圖求出曲線角速度從ωmin變化至ωmax時(shí)所對應(yīng)156156157157I0主要由三部分組成：飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IM

，曲柄連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及往復(fù)質(zhì)量相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)慣量，其余機(jī)件（如驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)及輔助機(jī)構(gòu)）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其中第三項(xiàng)作用較小，可忽略不計(jì)。對于汽車、工程機(jī)械用內(nèi)燃機(jī)來說，IM占總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I0的85％一90％。這樣，就可求出所需的IM

值。飛輪所需的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：根據(jù)機(jī)械原理，飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

-----------飛輪重量；-------飛輪慣性半徑；158I0主要由三部分組成：飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IM，曲柄連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)159159功率平衡——飛輪的設(shè)計(jì)最大盈虧功=160功率平衡——飛輪的設(shè)計(jì)最大盈虧功=160161161第四章曲軸的軸頸和軸承負(fù)荷軸頸和軸承負(fù)荷計(jì)算分析的目的1、確定軸頸（軸承）承壓面積（直徑D和寬度B）2、確定軸頸軸承的理論磨損情況，為確定開設(shè)油孔、油槽和布置平衡重的位置提供依據(jù)。3、為滑動(dòng)軸頸軸心的運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算提供依據(jù)。4、為軸頸軸承摩擦副的工作溫度（熱負(fù)荷）的計(jì)算提供依據(jù)。162第四章曲軸的軸頸和軸承負(fù)荷軸頸和軸承負(fù)荷計(jì)算分析的目的1第四章曲軸的軸頸和軸承負(fù)荷軸頸和軸承負(fù)荷計(jì)算分析的必要假設(shè)1、各缸負(fù)荷的大小和變化規(guī)律完全相同2、所有負(fù)荷都是集中負(fù)荷，并通過軸頸或軸承的中心，忽略軸頸（軸承）表面負(fù)荷在周向和軸向分布的影響。3、對摩擦阻力和材料的彈性變形等不予考慮。163第四章曲軸的軸頸和軸承負(fù)荷軸頸和軸承負(fù)荷計(jì)算分析的必要假軸頸和軸承負(fù)荷的表達(dá)方法曲柄連桿機(jī)構(gòu)的曲軸各軸頸和軸承上負(fù)荷的大小和方向不斷變化。為了分析軸承副的工作條件，必須知道軸承負(fù)荷的大小、方向和作用點(diǎn)在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)的變化，這通常用負(fù)荷矢量的極坐標(biāo)圖表達(dá)。為使負(fù)荷矢量表達(dá)得清楚，作軸頸負(fù)荷矢量圖時(shí)把坐標(biāo)固定在軸上，以旋轉(zhuǎn)著的曲軸作參照系；作軸承負(fù)荷圖時(shí)，則以軸承所在物體作參照系。164軸頸和軸承負(fù)荷的表達(dá)方法曲柄連桿機(jī)構(gòu)的曲軸各軸頸和軸承上負(fù)荷4.1曲柄銷和連桿軸承的負(fù)荷（1）曲柄銷載荷的極坐標(biāo)圖受力分析1654.1曲柄銷和連桿軸承的負(fù)荷（1）曲柄銷載荷的極坐標(biāo)圖1661664.1曲柄銷和連桿軸承的負(fù)荷（1）曲柄銷負(fù)荷的極坐標(biāo)圖受力分析曲柄銷上的作用力包括沿連桿作用的力K（將它分解為切向力T和徑向力Z）和由于連桿部分換算質(zhì)量m2所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力PC，其大小為PC=m2Rω2方向總是沿曲柄半徑方向向外。因此，作用在曲柄銷上的合力R，應(yīng)是T、Z和PC這三個(gè)力的矢量和，即1674.1曲柄銷和連桿軸承的負(fù)荷（1）曲柄銷負(fù)荷的極坐標(biāo)圖168168旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的建立由于曲柄是不斷旋轉(zhuǎn)的，為了使分析簡便，可以根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理，選擇動(dòng)坐標(biāo)系Z-O1-T固定在曲柄O-O1上，并隨曲柄一起旋轉(zhuǎn)。令力T作用方向與曲柄旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)為正，而力Z以向著曲軸中心時(shí)為正，則坐標(biāo)系Z-O1-T隨著曲柄O-O1

旋轉(zhuǎn)。169旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的建立由于曲柄是不斷旋轉(zhuǎn)的，為了使分析簡便，可以根170170171171172172曲柄銷負(fù)荷極坐標(biāo)圖分析：負(fù)荷極坐標(biāo)圖中：頭部高度與什么有關(guān)？尾部長度與什么有關(guān)？柴油機(jī)和汽油機(jī)曲柄銷負(fù)荷極坐標(biāo)圖各有什么特點(diǎn)？為什么？最大往復(fù)慣性力-轉(zhuǎn)速最大氣缸壓力-負(fù)荷汽油機(jī)頭大尾短柴油機(jī)頭小尾大173曲柄銷負(fù)荷極坐標(biāo)圖分析：負(fù)荷極坐標(biāo)圖中：最大往復(fù)慣性力-轉(zhuǎn)速3、沿氣缸中心線的總作用力F

氣體作用力往復(fù)慣性力1743、沿氣缸中心線的總作用力F

氣體作用力往復(fù)慣性力174曲柄銷負(fù)荷極坐標(biāo)圖的用途曲柄銷D、B設(shè)計(jì)依據(jù)平均負(fù)荷校驗(yàn)-平均比壓-耐磨性-使用壽命最大負(fù)荷校驗(yàn)-最大比壓-可靠性沖擊載荷熱負(fù)荷校驗(yàn)-還與軸承副相對運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)理論磨損圖繪制175曲柄銷負(fù)荷極坐標(biāo)圖的用途175（1）平均負(fù)荷RSM平均單位載荷（平均比壓）176（1）平均負(fù)荷RSM176（2）最大負(fù)荷RSMax最大單位載荷（最大比壓）177（2）最大負(fù)荷RSMax177（3）載荷沖擊系數(shù)KK過大，沖擊嚴(yán)重，加劇軸頸軸承的疲勞損壞降低K的措施：降低最大氣缸壓力，使RSMax降低，增大連桿質(zhì)量，適當(dāng)增加RSM

增加的質(zhì)量在連桿大頭蓋上為宜，如在桿身上，必然增加排氣上止點(diǎn)時(shí)連桿螺栓的最大拉應(yīng)力178（3）載荷沖擊系數(shù)K降低K的措施：178（4）軸承熱負(fù)荷指標(biāo)一般由表示對20%鋁錫合金軸承而言：通過適當(dāng)增加軸承寬度B，降低軸承直徑D（降低軸承和主軸頸之間的相對運(yùn)動(dòng)速度v來滿足）179（4）軸承熱負(fù)荷指標(biāo)179(2）連桿軸承的載荷極坐標(biāo)圖作用在連桿軸承上的力，其大小與作用在曲柄銷上的相等，而方向相反。但連桿軸承載荷圖坐標(biāo)是固定在連桿軸承上的（即連桿上)。繪制連桿軸承載荷圖的方法是：將在不同曲柄轉(zhuǎn)角α?xí)r，作用于曲柄銷上相應(yīng)的每一向量Rs

，順著曲柄的旋轉(zhuǎn)方向繞極點(diǎn)O1

轉(zhuǎn)過（180＋α＋β）度+T+Z（180＋α＋β）+T+Z180(2）連桿軸承的載荷極坐標(biāo)圖作用在連桿軸承上的力，其大小181181182182（3）主軸頸載荷的極坐標(biāo)圖單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸主軸頸載荷在簡化的計(jì)算中假定：曲軸為一個(gè)簡支梁來計(jì)算。作用在曲柄銷上的氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力，假定是由該曲柄前后兩個(gè)主軸承所承受，并且均分負(fù)載。載荷計(jì)算FTFZRZRZ183（3）主軸頸載荷的極坐標(biāo)圖單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸主軸頸載荷FTF（3）主軸頸載荷的極坐標(biāo)圖多缸內(nèi)燃機(jī)的曲軸及其支撐是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。復(fù)雜性：多支承超靜定結(jié)構(gòu)支承并非完全剛性結(jié)構(gòu)各主軸頸也不可能絕對對中曲軸本身在不同平面內(nèi)具有不同剛度184（3）主軸頸載荷的極坐標(biāo)圖多缸內(nèi)燃機(jī)的曲軸及其支撐是一個(gè)復(fù)（3）主軸頸載荷的極坐標(biāo)圖多缸內(nèi)燃機(jī)的曲軸及其支撐是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。多拐曲軸作為連續(xù)梁是一具有多彈性支點(diǎn)（軸頸與軸承）的三維靜不定系統(tǒng)，而且在各支撐點(diǎn)內(nèi)還存在來自加工安裝誤差的大小不等的間隙。在簡化的計(jì)算中假定：將各曲柄沿主軸頸中央斷面切開，從而把一個(gè)連續(xù)梁的曲軸分成一段段簡支梁來計(jì)算。作用在主軸頸上的載荷只與左、右相鄰曲柄上的作用力有關(guān)各缸熱力過程完全相同，各曲柄尺寸完全一致，每個(gè)軸頸的基本載荷相等，且為相鄰曲柄載荷的一半。這樣，作用在曲柄銷上的氣體作用力、往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力，假定是由該曲柄前后兩個(gè)主軸承所承受。185（3）主軸頸載荷的極坐標(biāo)圖多缸內(nèi)燃機(jī)的曲軸及其支撐是一個(gè)復(fù)186186多缸機(jī)中間主軸頸∑Z∑T水平方向水平方向水平方向豎直方向T和Z部分受力分析187多缸機(jī)中間主軸頸∑Z∑T水平方向水平方向水平方向豎直方向T和多缸機(jī)中間主軸頸受力分析188多缸機(jī)中間主軸頸受力分析188Pr=PK+PC部分為定值，只需先算出∑T和∑Z，再平移原點(diǎn)至上圖中O點(diǎn)即得R0189Pr=PK+PC部分為定值，只需先算出∑T和∑Z，再平移原點(diǎn)除第一和最后一個(gè)主軸頸以外的所有中間軸頸都同時(shí)受到前后相鄰兩個(gè)曲柄銷上作用力和曲柄不平衡部分質(zhì)量所引起的旋轉(zhuǎn)慣性力Pk

的影響。因此，中間各主軸頸所受的載荷便等于前、后相鄰曲柄傳來的作用力的矢量和。在計(jì)算前、后兩個(gè)曲柄銷傳來的徑向力Z和切向力T時(shí)，要注意它們之間的發(fā)火間隔角。190除第一和最后一個(gè)主軸頸以外的所有中間軸頸都同時(shí)受到前后相鄰兩1.62.53.41——5——3——6——2——4——1240°CA240°CA240°CA360°CA1911.62.53.41——5——3——6——2——4——124第一和第七主軸頸負(fù)荷相同，分別僅受第一和第六曲柄產(chǎn)生的負(fù)荷的一半。第二、三、五、六主軸頸的相鄰兩缸發(fā)火間隔角均為240°CA，負(fù)荷相同，僅差一定相位角。計(jì)算其一即可。第四主軸頸為第3、4曲柄產(chǎn)生的負(fù)荷，發(fā)火間隔角為360°CA，需單獨(dú)計(jì)算。192第一和第七主軸頸負(fù)荷相同，分別僅受第一和第六曲柄產(chǎn)生的負(fù)荷的1.42.31931.42.3193曲軸轉(zhuǎn)角

第一缸

第三缸

第四缸

第二缸0~180

作功

壓縮

進(jìn)氣

排氣180~360

排氣

作功

壓縮

進(jìn)氣360~540

進(jìn)氣

排氣

作功

壓縮540~720

壓縮

進(jìn)氣

排氣

作功其工作循環(huán)表如下：194曲軸轉(zhuǎn)角第一缸第三缸第四缸第二缸0~180思考題：發(fā)火順序?yàn)?—3—4—2的四缸機(jī)各主軸頸的負(fù)荷是否相同呢？1——3——4——2——1360°CA180°CA180°CA195思考題：發(fā)火順序?yàn)?—3—4—2的四缸機(jī)各主軸頸的負(fù)荷是否相多缸機(jī)中間主軸頸負(fù)荷分布特點(diǎn)：1、發(fā)火間隔角相同的任何相鄰兩氣缸得中間主軸頸的負(fù)荷極坐標(biāo)圖也相同，但有一個(gè)相位差。2、由于忽略其他氣缸作用力的影響，各相鄰氣缸間中間主軸頸的負(fù)荷，等于這兩個(gè)氣缸主軸頸基本負(fù)荷的矢量和。3、相鄰氣缸的發(fā)火間隔角越大，它們的中間主軸頸的負(fù)荷最大值越小。196多缸機(jī)中間主軸頸負(fù)荷分布特點(diǎn)：1、發(fā)火間隔角相同的任何相鄰兩（4）主軸承載荷的極坐標(biāo)圖方法：將主軸頸載荷圖上各相應(yīng)點(diǎn)的向量沿曲柄旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過α角（α為相應(yīng)點(diǎn)的曲柄轉(zhuǎn)角）,再順序連接各個(gè)向量端點(diǎn)的曲線，就是主軸承載荷的極坐標(biāo)圖。197（4）主軸承載荷的極坐標(biāo)圖方法：將主軸頸載荷圖上各相應(yīng)點(diǎn)的（5）軸承、軸頸理論預(yù)測磨損圖根據(jù)磨損圖可以找到磨損量最小的區(qū)域，如果只考慮對軸頸潤滑有利的情況，則通向曲柄銷表面的潤滑油孔就應(yīng)開在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，但實(shí)際上還應(yīng)考慮加工工藝性和軸頸強(qiáng)度等綜合因素的影響。198（5）軸承、軸頸理論預(yù)測磨損圖根據(jù)磨損圖可以找到磨損量最上機(jī)習(xí)題：在495柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算各主軸頸的負(fù)荷極坐標(biāo)圖，并繪制理論磨損圖。199上機(jī)習(xí)題：在495柴油機(jī)動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析計(jì)算各主軸頸主軸頸的理論磨損圖指導(dǎo)平衡重設(shè)置b）設(shè)置合適平衡重之后a）未加平衡重平衡重形狀：200主軸頸的理論磨損圖指導(dǎo)平衡重設(shè)置b）設(shè)置合適平衡重之后a）未（6）曲柄連桿機(jī)構(gòu)—發(fā)動(dòng)機(jī)連桿強(qiáng)度分析奇瑞公司的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿有限元模型，對大量非線性和多工況的內(nèi)容進(jìn)行了分析。利用Abaqus軟件采用流固耦合分析方法，計(jì)算排氣歧管的溫度場和熱應(yīng)力，奇瑞：發(fā)生裂紋的排氣歧管模型

201（6）曲柄連桿機(jī)構(gòu)—發(fā)動(dòng)機(jī)連桿強(qiáng)度分析奇瑞公司的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿曲柄連桿機(jī)構(gòu)—曲軸孔扭曲的分析：下圖是GM汽車公司的曲軸孔扭曲的有限元模型及計(jì)算結(jié)果。202曲柄連桿機(jī)構(gòu)—曲軸孔扭曲的分析：下圖是GM汽車公司的曲軸孔扭曲柄連桿機(jī)構(gòu)—曲柄連桿機(jī)構(gòu)的模擬：Abaqus獨(dú)特的CONNECTOR單元可以模擬復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，部件可以是剛體也可以是變形體。下圖是上海內(nèi)燃機(jī)研究所的曲柄連桿機(jī)構(gòu)有限元模型及計(jì)算結(jié)果。203曲柄連桿機(jī)構(gòu)—曲柄連桿機(jī)構(gòu)的模擬：Abaqus獨(dú)特的CONN機(jī)體系統(tǒng)—缸體及軸承蓋裝配體應(yīng)力分析：Abaqus采用其獨(dú)有的子模型功能，方便的對總體模型進(jìn)行局部細(xì)化，得到局部的詳細(xì)的應(yīng)力分布，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)204機(jī)體系統(tǒng)—缸體及軸承蓋裝配體應(yīng)力分析：Abaqus采用其獨(dú)有回顧：軸承和軸頸的載荷分析205回顧：軸承和軸頸的載荷分析205第五章內(nèi)燃機(jī)的平衡問題1：什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡？單缸機(jī)平衡機(jī)構(gòu)原理演示問題2：發(fā)動(dòng)機(jī)如何達(dá)到平衡？206第五章內(nèi)燃機(jī)的平衡問題1：什么是發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡？單缸機(jī)平衡第五章發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡5.1平衡的概念5.2單缸機(jī)的平衡本章結(jié)構(gòu)5.3單列多缸機(jī)的平衡207第五章發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡5.1平衡的概念5.2單缸機(jī)的平衡本節(jié)主要回答以下幾個(gè)問題：第五章發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡5.1平衡的概念1、什么是功率平衡、質(zhì)量平衡？2、什么是靜平衡、動(dòng)平衡、外部平衡、內(nèi)部平衡？3、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平衡方法有哪些？208本節(jié)主要回答以下幾個(gè)問題：第五章發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡5.1平衡機(jī)械系統(tǒng)兩大平衡問題“最大盈余功”：=最大動(dòng)能增量：209機(jī)械系統(tǒng)兩大平衡問題“最大盈余功”：=最大動(dòng)能增量：209210210211211

當(dāng)假定曲軸為剛性轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體也是絕對剛體時(shí)，把內(nèi)燃機(jī)當(dāng)成一個(gè)整體，來分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)慣性力及其力矩對發(fā)動(dòng)機(jī)支承、支架等外部構(gòu)件作用時(shí)，所達(dá)成的平衡稱為“外部平衡”。外部平衡：

通常所稱“平衡的發(fā)動(dòng)機(jī)”是指發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到外部平衡。212當(dāng)假定曲軸為剛性轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體也是絕對剛體時(shí)

當(dāng)考慮曲軸為柔性轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體也是彈性體時(shí)，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(shí)即使發(fā)動(dòng)機(jī)已達(dá)到完全的外部平衡，但變形的結(jié)果仍會(huì)有一部分力和力矩回傳到機(jī)座，引起發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)并向外傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)的這種平衡稱為“內(nèi)部平衡”。內(nèi)部平衡性能通常用曲軸所受彎矩的大小來評價(jià)。內(nèi)部平衡：213當(dāng)考慮曲軸為柔性轉(zhuǎn)子，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體也是彈性體時(shí)，214214曲軸模態(tài)分析缸體模態(tài)分析曲軸應(yīng)力云圖曲軸應(yīng)變云圖215曲軸模態(tài)分析缸體模態(tài)分析曲軸應(yīng)力云圖曲軸應(yīng)變云圖215216216發(fā)動(dòng)機(jī)中剛性轉(zhuǎn)子的平衡靜平衡(staticbalance)

在垂直于軸線的同一個(gè)平面（徑向）內(nèi)，如果分布在回轉(zhuǎn)件上各個(gè)質(zhì)量的離心慣性力合力為零或質(zhì)徑積（mass-radiusproduct）矢量和為零。217發(fā)動(dòng)機(jī)中剛性轉(zhuǎn)子的平衡靜平衡(staticbalance)發(fā)動(dòng)機(jī)中盤形剛性轉(zhuǎn)子的平衡分析218發(fā)動(dòng)機(jī)中盤形剛性轉(zhuǎn)子的平衡分析218219219發(fā)動(dòng)機(jī)中非盤形剛性轉(zhuǎn)子的平衡分析BA220發(fā)動(dòng)機(jī)中非盤形剛性轉(zhuǎn)子的平衡分析BA220221221222222矢量圖法求解223矢量圖法求解223靜平衡試驗(yàn)校驗(yàn)導(dǎo)軌式靜平衡機(jī)滾輪式靜平衡機(jī)球面副式靜平衡機(jī)靜平衡機(jī)原理224靜平衡試驗(yàn)校驗(yàn)導(dǎo)軌式靜平衡機(jī)滾輪式靜平衡機(jī)球面副式靜平衡機(jī)靜動(dòng)平衡（Dynamicbalance)動(dòng)平衡：分布在回轉(zhuǎn)件上各個(gè)質(zhì)量的離心慣性力合力為零；同時(shí)離心力在軸向所引起的合力矩也為零。225動(dòng)平衡（Dynamicbalance)動(dòng)平衡：分布在回轉(zhuǎn)件動(dòng)平衡設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)慣性力的動(dòng)平衡方法——加裝平衡重226動(dòng)平衡設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)慣性力的動(dòng)平衡方法——加裝平衡重226動(dòng)平衡的校驗(yàn)試驗(yàn)

基本原理227動(dòng)平衡的校驗(yàn)試驗(yàn)動(dòng)平衡的校驗(yàn)試驗(yàn)228動(dòng)平衡的校驗(yàn)試驗(yàn)228229229靜平衡動(dòng)平衡應(yīng)用范圍D/L>5D/L<5不平衡的原因轉(zhuǎn)子質(zhì)心與回轉(zhuǎn)軸心不重合，將質(zhì)量看成在同一平面內(nèi)，在徑向產(chǎn)生的慣性力是一個(gè)平面匯交力系,匯交點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心質(zhì)量不在同一平面內(nèi)，所以慣性力系是一個(gè)空間平行力系。在軸向產(chǎn)生慣性力矩條件

從平衡條件可知：動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子一定是靜平衡的；靜平衡的轉(zhuǎn)子不一定是動(dòng)平衡的。靜平衡和動(dòng)平衡的區(qū)別和聯(lián)系230靜平衡動(dòng)平衡應(yīng)用范圍D/L>5D/L<5不平衡的原因轉(zhuǎn)子質(zhì)心231231四桿機(jī)構(gòu)的平衡232四桿機(jī)構(gòu)的平衡232曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平衡方法1、加平衡質(zhì)量法

2、對稱布置法

3、加平衡機(jī)構(gòu)法233曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平衡方法1、加平衡質(zhì)量法2、對稱布置法

本節(jié)主要回答以下幾個(gè)問題：5.1平衡的概念（回顧）1、功率平衡—抑制轉(zhuǎn)速波動(dòng)—功能互換—飛輪矩的設(shè)計(jì)計(jì)算質(zhì)量平衡—抑制不平衡質(zhì)量的慣性力及力矩—加平衡重2、靜平衡—徑向動(dòng)平衡—徑向+軸向外部平衡—?jiǎng)傂赞D(zhuǎn)子—?jiǎng)傂愿左w內(nèi)部平衡—撓性轉(zhuǎn)子—撓性缸體3、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的平衡方法

—加平衡質(zhì)量法

—對稱布置法

—加平衡機(jī)構(gòu)法234本節(jié)主要回答以下幾個(gè)問題：5.1平衡的概念（回顧）1、功率第五章發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡5.1平衡的概念5.2單缸機(jī)的平衡本章結(jié)構(gòu)5.3單列多缸機(jī)的平衡235第五章發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡5.1平衡的概念5.2單缸機(jī)的平衡（1）旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡單缸內(nèi)燃機(jī)的總旋轉(zhuǎn)慣性力動(dòng)平衡條件：總旋轉(zhuǎn)慣性力必須用加在曲柄臂上的兩個(gè)平衡塊產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力之和大小相等，方向相反。5.2單缸機(jī)的平衡236（1）旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡單缸內(nèi)燃機(jī)的總旋轉(zhuǎn)慣性力5.2單缸5.2單缸機(jī)的平衡（1）旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡2375.2單缸機(jī)的平衡（1）旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡237（2）往復(fù)慣性力的平衡5.2單缸機(jī)的平衡195單缸機(jī)受力情況VB編程演示238（2）往復(fù)慣性力的平衡5.2單缸機(jī)的平衡195單缸機(jī)受力情1）一階往復(fù)慣性力的雙軸平衡機(jī)構(gòu)2391）一階往復(fù)慣性力的雙軸平衡機(jī)構(gòu)239雙軸平衡機(jī)構(gòu)240雙軸平衡機(jī)構(gòu)2402412412）半平衡法（部分平衡法）—對一階往復(fù)慣性力也叫過量平衡法—對旋轉(zhuǎn)慣性力或者轉(zhuǎn)移平衡法—對整機(jī)而言2422）半平衡法（部分平衡法）—對一階往復(fù)慣性力2423）單軸平衡機(jī)構(gòu)雙軸平衡法和半平衡法的折中有附加力矩的出現(xiàn)2433）單軸平衡機(jī)構(gòu)2434）單缸機(jī)二階往復(fù)慣性力的平衡可以用正反轉(zhuǎn)的雙軸機(jī)構(gòu)來平衡二階往復(fù)慣性力2444）單缸機(jī)二階往復(fù)慣性力的平衡可以用正反轉(zhuǎn)的雙軸機(jī)構(gòu)來平衡二5）同時(shí)平衡一階和二階往復(fù)慣性力的平衡機(jī)構(gòu)平衡機(jī)構(gòu)原理演示2455）同時(shí)平衡一階和二階往復(fù)慣性力的平衡機(jī)構(gòu)平衡機(jī)構(gòu)原理演示25.2單缸機(jī)的平衡（回顧）旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡—平衡重往復(fù)慣性力的平衡：一階往復(fù)慣性力的平衡—雙軸平衡—正反轉(zhuǎn)—ω二階往復(fù)慣性力的平衡—雙軸平衡—正反轉(zhuǎn)—2ω一階、二階往復(fù)慣性力同時(shí)平衡—四軸平衡2465.2單缸機(jī)的平衡（回顧）旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡—平衡重往復(fù)慣性5.3單列多缸機(jī)的平衡多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡情況取決于氣缸排列形式、氣缸數(shù)和氣缸發(fā)火次序1．車用發(fā)動(dòng)機(jī)常用氣缸排列形式(1）直列式

各缸產(chǎn)生的一、二階往復(fù)慣性力都沿各自氣缸中心線而互相平行，且作用在同一平面內(nèi)。各缸的旋轉(zhuǎn)慣性力，沿各自的曲柄方向作用在不同平面內(nèi)。它們的合力和合力矩如不能抵消，則是不平衡的。(2)V形(3）水平臥式2475.3單列多缸機(jī)的平衡多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡情況取決于氣缸排列形2．直列式兩缸機(jī)的平衡首先給出曲柄排列和發(fā)火順序，兩缸機(jī)常用曲柄互成180°均布的形式，并按第一缸在上止點(diǎn)位置，示出各缸慣性力作用的情況。2482．直列式兩缸機(jī)的平衡248兩缸機(jī)達(dá)到外部平衡必須滿足的條件是：

旋轉(zhuǎn)慣性力旋轉(zhuǎn)慣性力矩一階往復(fù)慣性力一階往復(fù)慣性力矩二階往復(fù)慣性力二階往復(fù)慣性力矩2．直列式兩缸機(jī)的平衡249兩缸機(jī)達(dá)到外部平衡必須滿足的條件是：2．直列式兩缸機(jī)的兩缸機(jī)力和力矩的計(jì)算250兩缸機(jī)力和力矩的計(jì)算250內(nèi)燃機(jī)往復(fù)慣性力和力矩平衡表氣缸和曲柄布置往復(fù)慣性力往復(fù)慣性力矩一次二次一次二次1缸FI0FII0--2缸直列02FII0aFI0-3缸直列00aFI0aFII04缸直列04FII00-6缸直列00004缸對置0002bFII0V-8-90000aFI00251內(nèi)燃機(jī)往復(fù)慣性力和力矩平衡表氣缸和曲柄布置往復(fù)慣性力往復(fù)慣性兩缸機(jī)慣性力矩的平衡原理252兩缸機(jī)慣性力矩的平衡原理2522532533．直列式四缸機(jī)的平衡四缸機(jī)曲柄夾角180°，曲軸呈鏡面對稱。從外部平衡來看僅殘余二階往復(fù)慣性力。但它存在著內(nèi)彎矩。為使曲軸達(dá)到內(nèi)部平衡，需在曲柄上附加平衡重，但是不允許破壞原來的外部平衡性能?？刹捎冒藟K平衡重的完全平衡法常用四塊平衡重的分段平衡法，即把曲軸分成二段，分別對各段曲軸采取平衡措施―在每段上產(chǎn)生反彎矩，以減少整個(gè)曲軸的內(nèi)彎矩。2543．直列式四缸機(jī)的平衡四缸機(jī)曲柄夾角180°，曲軸呈鏡面255255第6章發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與減振1、曲軸扭振256第6章發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與減振1、曲軸扭振256257257258258259259260260261261262262扭振減振器263扭振減振器2632642642652652、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分析及降噪措施噪聲危害是目前重要的環(huán)境問題之一，因?yàn)樵肼晫θ藗兊纳钯|(zhì)量和身體健康有嚴(yán)重的影響。運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲大是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)的本質(zhì)缺點(diǎn)之一，近年來隨著對內(nèi)燃機(jī)噪聲法規(guī)的日益嚴(yán)格。車載內(nèi)燃機(jī)在相距1m處測得的噪聲與汽車行駛噪聲之間有個(gè)平均衰減差值。要滿足歐洲現(xiàn)行汽車行駛噪聲要求，距內(nèi)燃機(jī)1m處A聲級噪聲應(yīng)限制在93一95dB，而目前一般內(nèi)燃機(jī)高達(dá)97一102dB。因此，盡可能降低內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲是當(dāng)務(wù)之急，但難度很大。2662、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分析及降噪措施噪聲危害是目前重要的環(huán)境問題之一267267內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲可分為三部分一是內(nèi)燃機(jī)整體在支承上的振動(dòng)引起的噪聲，二是進(jìn)、排氣系統(tǒng)的氣體動(dòng)力噪聲，三是內(nèi)燃機(jī)本身的機(jī)械噪聲。整體振動(dòng)由傾覆力矩和不平衡的慣性力引起。內(nèi)燃機(jī)本身產(chǎn)生的機(jī)械噪聲是問題的焦點(diǎn)。內(nèi)燃機(jī)的噪聲生成系統(tǒng)由產(chǎn)生激振力的噪聲源、傳遞激振力的機(jī)械結(jié)構(gòu)和聲輻射表面等構(gòu)成。主要的噪聲源有燃燒爆發(fā)、活塞對氣缸的拍擊、齒輪傳動(dòng)、氣門凸輪沖擊以及噴油泵、機(jī)油泵、風(fēng)扇等附件。傳遞激振力的結(jié)構(gòu)有活塞、連桿、曲軸、主軸承、機(jī)體、氣缸蓋等。聲輻射表面有機(jī)體、油底殼、進(jìn)排氣管、齒輪室、氣門罩、飛輪等。268內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲可分為三部分一是內(nèi)燃機(jī)整體在支承上的振動(dòng)引起的二、噪聲源分析1．燃燒氣缸內(nèi)可燃混合氣的爆炸性燃燒是活塞式內(nèi)燃機(jī)最大的噪聲源。決定噪聲源強(qiáng)度的不是最高燃燒壓力，而是最大壓力升高比。降低壓燃式柴油機(jī)的燃燒噪聲是當(dāng)務(wù)之急，其主要途徑有下列幾條：269二、噪聲源分析269(1）提高燃燒速率同時(shí)推遲噴油適當(dāng)提高壓縮比，提高噴油壓力，增加噴孔數(shù)，縮小噴口直徑，改善噴油霧化，采用加強(qiáng)微觀湍流的縮口式燃燒室等提高燃燒速率，這樣就可較多地推遲噴油，在犧牲經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性不大的前提下降低燃燒噪聲，同時(shí)降低NO二排放。

(2）優(yōu)化噴油規(guī)律降低初期噴油率，使預(yù)混合燃燒比例減小，降低燃燒的最大壓力升高比。為此，可采用雙彈簧噴油器（二級針閥升程噴油器）、引燃噴射噴油泵、電控噴油系統(tǒng)（例如共軌系統(tǒng)）等。

(3）采用增壓柴油機(jī)增壓柴油機(jī)由于空氣密度大、溫度高、滯燃期短，所以盡管最高燃燒壓力較高，但壓力升高率較低。270(1）提高燃燒速率同時(shí)推遲噴油適當(dāng)提高壓縮比，提高噴油壓2．活塞拍擊活塞組與氣缸構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)副是活塞式內(nèi)燃機(jī)最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)。由于活塞的工作溫度變化很大，運(yùn)動(dòng)速度又很高，不可能把與氣缸的配合間隙做得很小，加上連桿偏擺的影響，導(dǎo)致活塞在上、下止點(diǎn)附近，從靠緊氣缸一側(cè)轉(zhuǎn)變到靠緊另一側(cè)時(shí)，對氣缸產(chǎn)生強(qiáng)烈的拍擊作用，成為振源。為了減輕活塞拍擊造成的振動(dòng)和噪聲，主要途徑為：

(1）減小活塞組的質(zhì)量盡量用較少的活塞環(huán)以降低活塞的壓縮高度?；钊麎嚎s高度的降低，為減小裙部高度從而減小活塞總高度創(chuàng)造了前提。2712．活塞拍擊271(2）減小活塞與氣缸的配合間隙不僅在汽油機(jī)，而且高速柴油機(jī)也廣泛采用鑲鋼片自動(dòng)控制熱膨脹活塞，這樣可使活塞冷態(tài)間隙減小一半，拍擊能量降到1/4左右。用桶形活塞裙也允許減小最小配合間隙。采用鉸接組合活塞（圖9-27b）可以把鋁制的裙部3與鑄鐵制的頭部2完全隔開，裙部受熱大大減小，從而可把裙部間隙縮小到潤滑必需的最小值。(3）偏置活塞銷在高速內(nèi)燃機(jī)中，常把活塞銷軸線相對活塞軸線負(fù)偏置1一2mm，使活塞在上止點(diǎn)附近的氣體壓力（壓縮上止點(diǎn)）或慣性力（進(jìn)、排氣上止點(diǎn)）對活塞銷產(chǎn)生一個(gè)附加力矩，使活塞擺動(dòng)。這種先擺動(dòng)后靠緊的模式比一次性從貼緊一側(cè)變到貼緊另一側(cè)的模式顯然要緩和,從而減輕拍擊噪聲。272(2）減小活塞與氣缸的配合間隙2722732733．氣門凸輪機(jī)構(gòu)氣門凸輪機(jī)構(gòu)的間隙使在氣門升起、尤其在落座時(shí)產(chǎn)生沖擊，引起噪聲。這種噪聲在內(nèi)燃機(jī)低速、小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)顯得更突出。減小氣門凸輪機(jī)構(gòu)噪聲的主要途徑為：2743．氣門凸輪機(jī)構(gòu)274(1）采用多氣門結(jié)構(gòu)

(2）采用頂置凸輪軸

(3）合理設(shè)計(jì)凸輪外形

(4）采用液壓間隙調(diào)整器4．其他噪聲源定時(shí)齒輪系統(tǒng)也是重要的噪聲源。應(yīng)用自動(dòng)控制轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇，使其永遠(yuǎn)只在必要的最低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，也是有效的降噪措施。275(1）采用多氣門結(jié)構(gòu)275三、機(jī)體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)最優(yōu)化和隔聲降嗓燃燒和活塞拍擊等主要噪聲源，都要通過內(nèi)燃機(jī)機(jī)體的傳遞傳到聲輻射表面。首先，內(nèi)燃機(jī)的承載結(jié)構(gòu)以及附屬零件（如油底殼、進(jìn)排氣管等）結(jié)構(gòu)響應(yīng)的最優(yōu)化非常重要。附屬件的頻率響應(yīng)極值不應(yīng)與機(jī)體的響應(yīng)極值重合。低噪聲機(jī)體設(shè)計(jì)要求采用對稱結(jié)構(gòu)，在負(fù)荷下不發(fā)生附加的扭曲。276三、機(jī)體的結(jié)構(gòu)響應(yīng)最優(yōu)化和隔聲降嗓276低噪聲機(jī)體應(yīng)保證氣缸工作表面變形最小，使之可采用最小的活塞氣缸間隙。主軸承結(jié)構(gòu)也應(yīng)使軸承孔變形最小，允許采用最小的軸承間隙。雙層結(jié)構(gòu)的機(jī)體（采用整體氣缸或干缸套者）與單層結(jié)構(gòu)機(jī)體（用濕缸套者）相比，具有較高的扭轉(zhuǎn)剛度。帶有空心斷面的機(jī)體有較高的扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度。277低噪聲機(jī)體應(yīng)保證氣缸工作表面變形最小，使之可采用最小的活塞氣油底殼、齒輪室蓋和氣缸蓋罩等，也都是大面積的噪聲輻射零件。用兩層薄鋼板之間充填高阻尼高分子粘彈性材料的約束阻尼型復(fù)合鋼板制造油底殼，可降低它的噪聲輻射，但可能對油底殼中的機(jī)油散熱有影響。用懸浮連接可有效隔斷振動(dòng)的傳遞。278油底殼、齒輪室蓋和氣缸蓋罩等，也都是大面積的噪聲輻射零件。2279279280280281281總之，當(dāng)今在采用現(xiàn)有的試驗(yàn)和分析方法對各種噪聲源、承載結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性及內(nèi)燃機(jī)表面的噪聲輻射進(jìn)行最優(yōu)化之后，傳統(tǒng)的低噪聲內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)可以達(dá)到內(nèi)燃機(jī)lm處A聲級噪聲95一98dB的水平。要使它降到93dB，就要考慮采用新的非傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)概念，一方面使主機(jī)本身噪聲大大降低，另一方面附件噪聲也必須全部減小到最低值。282總之，當(dāng)今在采用現(xiàn)有的試驗(yàn)和分析方法對各種噪聲源、承載結(jié)構(gòu)的思考題與習(xí)題10一1試用一個(gè)實(shí)際內(nèi)燃機(jī)的例子，按活塞位移的精確式（10一2）與近似式（10一3）進(jìn)行計(jì)算，考察兩者的差別。

10一2缸內(nèi)氣壓力與往復(fù)慣性力對內(nèi)燃機(jī)的作用有什么差別？

10一3發(fā)火均勻性對多缸內(nèi)燃機(jī)總轉(zhuǎn)矩曲線的形狀及運(yùn)轉(zhuǎn)均勻性有什么影響？試以均勻發(fā)火和不均勻發(fā)火的四沖程直列2缸機(jī)和氣缸夾角90”的V形2缸機(jī)為例加以說明。10-4為什么四沖程直列6缸機(jī)的轉(zhuǎn)矩均勻性顯著優(yōu)于4缸機(jī)？10一5除了內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)均勻性外，還有哪些因素影響飛輪尺寸的選擇，請盡量列舉。

10一6試述內(nèi)燃機(jī)曲軸平衡塊的設(shè)計(jì)原則。10一7試為單缸內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)一階和二階慣性力的全套雙軸平衡機(jī)構(gòu)。

10一8當(dāng)單缸機(jī)采用單軸平衡機(jī)構(gòu)時(shí)，請分析它造成的附加力矩與傾覆力矩的聯(lián)合作用造成的影響。

10一9試為一臺直列4缸四沖