第三章-内燃机平衡[共47页].ppt

第三章 内燃机的平衡 §3—1 概述 一、研究平衡的目的： 1、分析各种结构机型内燃机的平衡性能，为设计选型提供预测和依据； 2、寻求改善内燃机平衡状态的措施：如采用适当的气缸数、曲柄排列和曲柄布置方案、在曲轴上设置平衡重、采用专门的平衡机构等。 二、平衡的定义 1、平衡：内燃机在稳定工况运转时，如果传给支承的作用力的大小和方向均不随时间变化，则称内燃机是平衡的。 内燃机的平衡有两个方面的含义：惯性力系的平衡和扭矩的均匀性。扭矩不可能绝对平衡，只能要求扭矩不均匀度控制在允许的范围内（通过如增加缸数、调整发火顺序等措施）。因此平衡研究的重点在惯性力系的平衡上。惯性力系的平衡性能主要取决于发动机中运动质量的配置，故惯性力系的平衡可称为惯性质量（离心、往复）的平衡。 ;2、外平衡与内平衡：研究发动机不平衡力和力矩对外界（支承）的影响，称为外平衡问题。对采取了外平衡措施的发动机还要进行内力矩和剪力分析，称为内平衡。 3、静平衡与动平衡： 静平衡：旋转质量系统的质心在旋转轴线上时，系统离心惯性力的合力为零，则认为系统是静平衡的（因质心是否位于旋转轴线可以静态检测，故得名）。 动平衡：系统静平衡但当旋转质量不在同一平面上时，不足以保证运转平稳，如图表示，只有当系统运转时不但旋转惯性力合力为零，而且合力矩也为零时，才完全平衡，这样的平衡称为动平衡。 ;图（a）：静不平衡系统，不平衡旋转质量产生的离心 惯性力Pr要传到支承上，造成振动。 ;图（b）：静平衡系统，离心惯性力的合力为零，满足静平衡要求，但合力矩不为零，系统旋转时仍会给支承造成附加动负荷，假定支承与惯性质量都对称布置，则 ;图（c）：动平衡系统，惯性力合力、合力矩都为零 由惯性力平衡，有 由惯性力矩平衡，有 联立上面二式即可求出平衡质量 ， ; §3—2 单缸内燃机的平衡分析 单缸机的振动力源：①往复惯性力②离心惯性力③倾覆力矩Md 一、 如图所示，对于离心惯性力Pr可用直接在曲轴上加平衡重的方法来平衡，设两块平衡重质量均为mB，则有 从而可求出每块平衡块的质量为 可见，平衡块回转半径越大、曲柄连杆机构本身的不平衡旋转质量越小，则所需要加的平衡块质量mB 越小。 ;二、往复惯性力PJi、PjII 按活塞加速度近似式，往复惯性力可写成 为分析往复惯性力的平衡法，可进一步将往复惯性力写成： 其中 ;;由以上分析可以看出，可以用与平衡离心惯性力同样的方法来平衡往复惯性力，只要设计的平衡机构产生的离心惯性力矢量分别与上述正反转矢量大小相等、方向相反即可。 ;下图（a）为单缸机双轴平衡机构，其中： 平衡一次往复惯性力所加平衡块质量m1： 平衡二次往复惯性力所加平衡块质量m2： ;（a）双轴平衡机构简图;12;对于缸径不大的单缸机，有时为了结构简化，常省去一根与曲轴同旋向的平衡轴，而采用如图（b）所示的单轴平衡机构。 采用单轴平衡机构时，一阶往复惯性力也得到了平衡，但破坏了平衡机构的对称性，与双轴平衡机构相比，又产生了一个附加力矩： ;在缸径更小的单缸机中，为了使结构尽可能简单，常常连单轴平衡机构也省略，而采用所谓的过量平衡法。此时曲柄上除了有平衡mr的平衡块质量外，还要多加一过量的平衡质量εmj，使其产生过量的离心力εC（0ε1），ε称为过量平衡率。如下图（c）所示， ;离心力εC与一阶往复惯性力PjI的合力R在x，y轴上的投影 由以上两式中消去α得： 可以看出合力R的矢端轨迹是一个椭圆。当ε=1/2时，合力矢端轨迹变为半径为C/2的圆，即R=C/2的数值不变，不过与曲柄反向旋转。注意：不能将此力看成曲柄连杆机构的离心力。过量平衡法实质上是一阶往复惯性力的转移法，即把一阶往复惯性力的一部分转移到与之垂直的平面内。至于转移数量的大小，则要根据具体发动机在垂直与水平两个方向的刚度或吸振能力而定，一般总是希望较大的惯性力作用在发动机刚度较大的方向或吸振能力较好的方向。ε大小可根据实验确定，通常ε=0.3—0.5。 ;§3—3 单列式多缸内燃机的平衡分析 单列式多缸机，各个气缸的平面力系组成了一个空间力系，因此除了有各种合成惯性力外，还有合成惯性力矩。因此，单列式多缸机振动力源主要有： 2、多缸合成离心惯性力矩ΣMr 3、多缸合成往复惯性力ΣPjI 4、多缸合成往复惯性力矩ΣMj 5、总倾覆力矩Md=ΣPTR 其中前四种为振动的主要因素，需采取措施予以平衡；总倾覆力矩是总输出力矩的反扭矩，难于消除其波动，只能通过增加缸数、使发火间隔均匀等措施来减小总输出力矩的谐波分量。 ;一、单列多缸内燃机平衡性的解析分析法 （分析时假定各缸的惯性质量相等，结构尺寸相同） （一）多缸合成往复惯性力与惯