內(nèi)燃機(jī)的平衡

1、無第三章第三章內(nèi)燃機(jī)的平衡內(nèi)燃機(jī)的平衡第一節(jié)概述內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生往復(fù)慣性力， 旋轉(zhuǎn)慣性力及反扭矩等， 這些力或力矩是曲柄轉(zhuǎn)角的周期性函數(shù)。在內(nèi)燃機(jī)一個運(yùn)轉(zhuǎn)周期中，慣性力及其力矩和反扭知的大小、方向在變化，或大小和方向都在變化，并通過曲柄軸承和機(jī)體傳給支架，使之產(chǎn)生振動。所以，這些力或力矩就是使內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平衡的原因。靜平衡和動平衡靜平衡和動平衡曲柄旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)，不但要求靜平衡，也要求動平衡。靜平衡：質(zhì)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)時離心合力等于零，即系統(tǒng)的質(zhì)心（重心）位于旋轉(zhuǎn)軸線上。動平衡：質(zhì)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)是，旋轉(zhuǎn)慣性力合力等于零，而且合力矩rM也等于零。第二節(jié)單缸內(nèi)燃機(jī)的平衡一、旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡一、旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡

2、單缸內(nèi)燃機(jī)的總旋轉(zhuǎn)慣性力， 包括曲柄不平衡質(zhì)量和連桿換算到大頭處的質(zhì)量所產(chǎn)生離心力之和。2 RmPrr該離心力的作用線與曲柄重合，方向背離曲柄中心，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。通常平衡重是配置兩塊，每個曲柄臂上各一塊，這樣可以使曲柄及軸承的負(fù)荷狀況較好。所加平衡重的大小Bm為：222 RmrmrBBrBBmrRm2Bm平衡重質(zhì)量Br平衡重質(zhì)心與曲軸中心線之間的距離為了減輕平衡重質(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。二、往復(fù)慣性力的平衡二、往復(fù)慣性力的平衡一次往復(fù)慣性力 cos2RmPjjI二次

3、往復(fù)慣性力 2cos2RmPjjII令2 RmCj無從形式上看，jP與離心力一樣，但這是jm的往復(fù)質(zhì)量而不是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量。如果把 C 假想看成是一個作用在曲柄上的離心力，則一次往復(fù)慣性力jIP，就相當(dāng)于該離心力在氣缸中心線上的投影。因為這個離心力是假想的，只是形式上相當(dāng)于一個離心力，故把它作為一次往復(fù)慣性力的當(dāng)量離心力?，F(xiàn)把這個當(dāng)量離心力的質(zhì)量分成完全相等的兩部分。即各等于2jm，并使一部分內(nèi)氣缸中心線開始，半徑 R 的圓上，以向速度順時針方向旋轉(zhuǎn)，另一部分以同樣條件下反時針方向旋轉(zhuǎn)，顯然它們的離心力分為2C。正轉(zhuǎn)部分離心力作為jIP的正轉(zhuǎn)矢量，A1表示。反轉(zhuǎn)部分離心力作為jIP的反轉(zhuǎn)矢量，B1表

4、示。在活塞位于止點(diǎn)時，此兩當(dāng)量重合于氣缸中心線上。在任一曲軸轉(zhuǎn)角時，正轉(zhuǎn)矢量 A1與反轉(zhuǎn)矢量 B1的合矢量都落在氣缸中心線上，其方向及大小與一次往復(fù)慣性力的方向及大小一致。這是因為 A1、B1在氣缸中心上的投影為jIPCCCBA coscos2cos2coscos11在垂直于氣缸中心線方向，A1與 B1的投影正好大小相等，方向相反，其和為零。0sin2sin2sinsin11 CCBA同理，二次慣性力正、反轉(zhuǎn)矢量，用 A2、B2表示。兩矢量重合于氣缸中心線上，一正、一反，以 2 倍于曲軸角速度（2）旋轉(zhuǎn)。在任一曲軸轉(zhuǎn)角時，A2B2的矢量合，都落在氣缸中心線上，其方向及大小與二次往復(fù)慣性力jII

5、P的方向及大小相同。用正、反轉(zhuǎn)兩個矢量來分析慣性力的作用，是平衡分析中行之有效的一種方法。一次慣性力jIP可用兩個質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力矢量來代替， 所以要想將jIP全部平衡， 只要平衡掉這兩個離心力即可。具體的做法是采用兩根旋轉(zhuǎn)方向相反的平衡軸。第三節(jié)單列式多缸內(nèi)燃機(jī)的平衡多缸機(jī)，各缸產(chǎn)生的一、二次往復(fù)慣性力卻是沿各自氣缸中心線，因此是互相平等，且作用在同一平面內(nèi)（氣缸軸線平面） ；只是一次慣性力與二次慣性力變化頻率不相同。各氣缸的旋轉(zhuǎn)慣性力沿各自曲柄方向作用在不同平面內(nèi)。由于各氣缸中心線之間有一距離，因此各缸的往復(fù)慣性力，和旋轉(zhuǎn)慣性力對于與曲軸軸線垂直的某一參考平面（一般取通過曲軸中央的平面為

6、參考平面） ，還將產(chǎn)生力矩，如互相抵消，本身就平衡了，如不能抵消，則是不平衡的。離心力產(chǎn)生的力矩和離心力矩，用rM表示。由于絕大多數(shù)多缸內(nèi)燃機(jī)，曲柄排列從曲柄端無視圖看， 都是均勻分布的， 而各缸的離心力大小相等， 方向又與曲柄一致， 所以離心力的合矢量rP在這種情況下就互相抵消了，即0rP。但是由于各缸的離心力作用線不在同一平面內(nèi)，即使0rP，它們還可能產(chǎn)生合力矩rM。這個力矩所在平面通過曲軸中心線，以角速度旋轉(zhuǎn)，所以，它在垂直平面和水平平面的兩個分力矩ryM與rxM的大小和方向都是變化的。至于一、二次往復(fù)慣性力，雖然始終作用在氣缸軸線平面內(nèi)，但各缸中該力的大小和方向都是隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化的。

7、 所以， 對多缸機(jī)而言， 既使曲柄排列均勻， 也只有一次慣性力的合力為零，即 0jIP，其它各次慣性力（如jIIP）就不一定這零。此外，一、二次慣性力，象離心力一樣，也要產(chǎn)生合力矩。并用jIM、jIIM來表示，它們與rM所不同的是，始終作用在氣缸中心線所在平面，而數(shù)值大小隨曲軸轉(zhuǎn)角 變化。一、四沖程兩缸機(jī)的平衡一、四沖程兩缸機(jī)的平衡兩缸機(jī)曲柄采用 1800型式。1、旋轉(zhuǎn)慣性力的合力rP02221 mrRmrRPPPrrr旋轉(zhuǎn)慣性力的合力為零，說明它們已互相平衡了。2、一次往復(fù)慣性力的合力jIP第一缸的jIP cos21RmPjjI第二缸的jIP cos180cos2022RmRmPjjjI一次

8、往復(fù)慣性力的合力jIP 021jIjIjIPPP一次往復(fù)慣性力已經(jīng)平衡了。3、二次往復(fù)慣性力的合力jIIP第一缸的jIIP 2cos21RmPjjII第二缸的jIIP 2cos1802cos2022RmRmPjjjII二次往復(fù)慣性力的合力jIP 2cos2221RmPPPjjIjIjI需附加兩要有以曲軸二倍角速度旋轉(zhuǎn)的平衡軸來平衡。 但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 實際上往往就任其存在了。4、旋轉(zhuǎn)慣性力矩rM無在講座各慣性力產(chǎn)生的慣性力矩之前， 先要確定對力所在平面舊的那一點(diǎn)取矩， 由于內(nèi)燃機(jī)的不平衡力矩有使內(nèi)燃機(jī)將其質(zhì)心轉(zhuǎn)動的趨勢，而這些力矩又是通過軸承，機(jī)體作用于要的。所以對內(nèi)燃機(jī)質(zhì)心取矩，也就表示出內(nèi)

9、燃機(jī)作用于架的力矩了。通常曲軸的質(zhì)心與內(nèi)燃機(jī)質(zhì)心比較接近，為計算方便，一般就對曲軸的質(zhì)心取矩。旋轉(zhuǎn)慣性力矩為：lRmlPMrrr2 lPlPlPMrrrr2221l：氣缸中心距5、一次往復(fù)慣性力矩IMlRmlRmlRmMjjjjI cos2180cos2cos2022式中，l在質(zhì)心左邊時取正值，在質(zhì)心右邊時取負(fù)值，因為第二缸在質(zhì)心的左邊，所以取負(fù)值。6、二次往復(fù)慣性力矩021802cos22cos022lRmlRmMjjjII 二缸機(jī)的旋轉(zhuǎn)慣性力矩與一次往復(fù)慣性力矩沒有平衡。旋轉(zhuǎn)慣性力矩是一個方向隨著曲柄變化，但其大小不變的矢量，可在曲柄上裝平衡重將其平衡。一次往復(fù)慣性力可以用兩根旋轉(zhuǎn)方向彼此

10、相反，并與曲軸具有同樣大小旋轉(zhuǎn)角速度的轉(zhuǎn)軸，裝以平衡質(zhì)量，造成一個相反的力矩來平衡。由于這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般很少采用。二、四沖程三缸機(jī)的平衡二、四沖程三缸機(jī)的平衡單列式三缸機(jī)在實際中應(yīng)用不多，但它可以看成是 V 型六缸機(jī)一列，作為分析 V 型六缸機(jī)的基礎(chǔ)。為了發(fā)火均勻，選取曲柄夾角為。24034180180z 式中沖程數(shù)z氣缸數(shù)三缸機(jī)內(nèi)燃機(jī)的曲柄排列如圖1、旋轉(zhuǎn)慣性力的合力旋轉(zhuǎn)慣性力的合力rP，其值為22)()(rxryrPPP式中0rP，即沖程三缸的旋轉(zhuǎn)慣性力已經(jīng)平衡。2、一次往復(fù)慣性力的合力一次往復(fù)慣性力的合力jIP， 其值為0120cos240coscos2）（）（。 RmpjjI無即四沖

11、程三缸機(jī)的一次往復(fù)慣性力合力已平衡.3、二次往復(fù)慣性力的合力二次往復(fù)慣性力的合力jIIP其值為01202cos2402cos2cos2）（）（。 RmpjjII所以二次往復(fù)慣性力已經(jīng)平衡。4、旋轉(zhuǎn)慣性力力矩旋轉(zhuǎn)慣性力力矩rM雖然旋轉(zhuǎn)慣惶力的合力rM=0，但 Pr引起的旋轉(zhuǎn)慣性力矩的合力矩不為零，以第二氣缸心取矩點(diǎn)。觀在垂直面內(nèi)的離心力矩為)60cos(cos)120cos(cos22。 RmllRmMrrry在水平面內(nèi)的離心力矩為)60sin(sin2。 lRmMrrx總的合成離心力矩為lPMMMrrxryr3)()(22rM與垂直軸的夾角為。30)30( tgarctgMMarctgryrx

12、r可見，lPMrr3，其方向恒位于第一曲柄后 30 度，故可在曲軸上裝平衡重將其平衡。5、一次往復(fù)慣性力矩一次往復(fù)慣性力矩1jIM仍以第二氣缸中心為取矩點(diǎn)，因一次往復(fù)慣性力的作用于氣缸中心線平面內(nèi)，所以一次往復(fù)慣性力矩也作用在氣缸中心線平面內(nèi)，并有)120cos(cos2。 lRmMjjI)60cos(cos2。 Rmj)30cos(32。 lRmj由 上 式 可 知 ，IM簡 諧 函 數(shù) 規(guī) 律 變 化 的 ， 當(dāng)30時 ，jIM有 最 大 值lRmMjaxj2Im3 ，其作用平面位于氣缸中心線平面內(nèi)。6、二次往復(fù)慣性力矩二次往復(fù)慣性力矩jIIM，其值為無)302cos(3)120(2cos

13、2cos22 lRmlRmMjjjII由于式可知，當(dāng))302cos( 的絕對值=1 時，即度時與16515 ，jIIM在垂直位置并有極大值lRmMjaxjI2Im3jIM和jIIM都可以由附加四軸平衡機(jī)構(gòu)來平衡。三、四沖程四缸機(jī)的平衡分析三、四沖程四缸機(jī)的平衡分析四沖程四缸機(jī)的發(fā)火間隔均勻，選取曲柄夾角為1、旋轉(zhuǎn)慣性力的合力rP旋轉(zhuǎn)慣性力的合力在氣缸中心線方向投影為：0cos180cos180coscos002 RmPrry在垂直于氣缸中心線方向的投影為：0sin180sin180sinsin002 RmPrrx旋轉(zhuǎn)慣性力的合力為：022rxryrPPP四缸機(jī)旋轉(zhuǎn)慣性力已得到平衡2、一次往復(fù)慣

14、性力合力jIP0cos180cos180coscos002 RmPjI四沖程四缸機(jī)一次往復(fù)慣性力也已平衡。3、二次往復(fù)慣性力的合力jIIP2cos1802cos1802cos2cos002RmPjII2cos42Rmj當(dāng)001800 與時，jIIP有極大值， 2Im4RmPjaxjI。4、旋轉(zhuǎn)慣性力矩rM0cos23180cos21180cos21cos23002 lllRmPrry0sin23180sin21180sin21sin23002 llllRmPrrx無 0rM旋轉(zhuǎn)慣性力矩已平衡5、一次往復(fù)慣性力矩jIM0cos23180cos21180cos21cos23002 lRmMjjI一

15、次往復(fù)慣性力矩已平衡6、二次往復(fù)慣性力矩jIIM02cos231802cos211802cos212cos23002 lRmMjjII二次往復(fù)慣性力矩已平衡四缸機(jī)只有二次往復(fù)慣性力不平衡，它可用以曲軸轉(zhuǎn)角速度二倍旋轉(zhuǎn)的正、反轉(zhuǎn)軸加以平衡，但由于結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，通常采用不多。這種四沖程四缸機(jī)雖然除了二次慣性力外， 其它的慣性力矩都已平衡， 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)仍然裝有平衡重。當(dāng)然加平衡重后，不應(yīng)破壞原有的平衡狀況。四、四沖程六缸機(jī)的平衡分析四、四沖程六缸機(jī)的平衡分析六缸機(jī)的發(fā)火均勻，0120 同理可得： 0jIP、 0jIIP、 0rP、 0rM、 0jIM、 0jIIM六

16、缸機(jī)無論是慣性力或慣性力矩，都是完全平衡的，不需加任何平衡裝置，所以這種型式應(yīng)用較廣。 不過有時為減小曲軸由于旋轉(zhuǎn)慣性力產(chǎn)生的內(nèi)力矩， 減輕軸承載荷， 有內(nèi)燃機(jī)也裝有平衡重。從以上分析不同缸數(shù)四沖程多缸機(jī)平衡情況看， 由于平衡只與曲柄排列型式有關(guān)， 而與發(fā)火間隔無關(guān)，則可得下列結(jié)論：1、旋轉(zhuǎn)慣性力的合力rPiZirZrryRmRmP coscoscoscoscos12212i：第i個曲柄相對于第一軸柄的曲柄夾角。Z：曲柄數(shù)22rxryrPPP當(dāng)多缸機(jī)曲軸均勻分布時，有0rP2、一次往復(fù)慣性力的合力jIP無ZiijjIRmP12cos 當(dāng)多缸機(jī)曲軸均勻分布時，0jIP3、二次往復(fù)慣性力的合力jI

17、IPZiijjIRmP122cos 當(dāng)單列式多缸機(jī)的曲柄為均勻分布時，除平面曲軸（各曲柄在同一平面）外，其余0jIIP。而對平面曲軸 2cos2RWimMjjII，式中i為缸數(shù)，因此，在前面討論的多缸機(jī)中，只有平面曲軸的兩缸機(jī)及四缸機(jī)其0jIIP。4、旋轉(zhuǎn)慣性力矩rMZiiirrylRmM12cos ZiiirrxlRmM12sin il第i曲軸中心到取矩點(diǎn)的距離。曲柄在取矩點(diǎn)左邊時il為正、反之為負(fù)。22rxryrMMMrM與垂直軸 y 的夾角為r 。MryMarctgrxr 5、一次往復(fù)慣性力矩jIMZiiiijIlRmM12cos 6、二次往復(fù)慣性力矩jIIMZiiiijIIlRmM12

18、sin 對于偶數(shù)曲柄，并以曲軸中央作為鏡面對稱排列，則任何次慣性力矩都等于零。無第四節(jié)內(nèi)燃機(jī)曲軸系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動內(nèi)燃機(jī)的曲軸扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)由曲軸及與其相連的連桿、活塞、飛輪構(gòu)件組成。1、由于該軸并不是一個絕對的剛體，因此如同其它的彈性系統(tǒng)一樣，具有一定的扭振自振頻率，或稱固有頻率。2、由于曲軸是在周期性變化的扭矩作用下工作，這個周期性變化的扭矩，在振動學(xué)中稱為干擾力矩。3、當(dāng)干擾力矩的頻率與曲軸系統(tǒng)的扭振自振頻率趨于一致時，就會發(fā)生“共振” 。“共振” 是內(nèi)燃機(jī)扭轉(zhuǎn)振動的最危險情況。 它可使軸承的角位移振幅或應(yīng)力增加幾倍甚至十幾倍。以致破壞內(nèi)燃機(jī)的正常工作，并嚴(yán)重影響可靠性。危險的扭轉(zhuǎn)振動給內(nèi)燃機(jī)帶來的主要危害：1、使曲軸間的夾角隨時間變化，破壞了曲軸原有的平衡狀態(tài)，使機(jī)體的振動和噪音顯著增大。2、由于配氣時和噴油定時失去最佳工作狀態(tài)，使內(nèi)燃機(jī)工作性能變壞。3、使傳動齒輪間的撞擊、磨損加劇。4、由于扭振附加應(yīng)力的增加，有可能使曲軸及其傳動齒輪斷裂。當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)在不斷較高，軸承扭振帶來的危害就更為嚴(yán)重。曲軸扭振計算內(nèi)容：1、 建立物理模型， 把一個實際的復(fù)雜的軸承簡化換算成為扭振特性與之相同的一個當(dāng)量系統(tǒng)。2、求出該當(dāng)量系統(tǒng)的自振特性，即求出系統(tǒng)的固有頻率及相應(yīng)頻率下的振型與相對振幅。3、