内燃机设计2

第二节 单缸内燃机的平衡分析 一 旋转惯性力
在曲柄的反向延长线上增加一对质量各为mb的平衡 块来进行平衡，并满足：
二
往复惯性力
（1）一级往复惯性力的平衡 ① 双轴平衡机构
在机体上安装一对大小相同的平衡轴，由齿轮传 动，两平衡轴旋转角速度与曲轴相同，且转向相反。 每根平衡轴安装平衡重mX/2。 活塞位于上止点，所有平衡重位于最右端，两平 衡重的质量中心与气缸中心线在同一平面内，且对称 布置。 工作原理：当曲轴转过α角度，两平衡重向气缸中 心线转α角度，在Y轴方向的分力为零：
三 静平衡与动平衡： （1）静平衡： （2）动平衡： 四 不平衡因素： （1）单缸机： ① 旋转惯性力： 方向：沿曲柄方 向向外。
② 往复惯性力： 方向：沿气缸中 心线方向上下运动。
③ 倾覆力矩： （2）多缸机： ① 旋转惯性力和力矩： ② 往复惯性力和力矩： ③ 倾覆力矩：
五 不平衡的危害性 振动↑噪声↑磨损↑交变应力↑消耗能量↑可靠性↓因 而使整个工作条件恶化。 六 改善内燃机平衡情况的基本途径： （1）增加气缸数，选择合理的气缸布置和曲拐排列。 （2）在曲轴上安装平衡重。 （3）安装专门的平衡机构。
（1）单缸发动机采用较大的飞轮。 （2）气缸数越多，飞轮越小。 （3）车用发动机飞轮较小，拖拉机、工程机械发动机飞 轮较大。 （4）固定式、发电用发动机飞轮较大。 （5）飞轮外圆直径上的线速度要小于50m/s（HT250）， 否则需改用RT300或QT450。 飞轮尺寸的估算： 一般轮系其他零件的转动惯量相对于飞轮来讲比较 小，所以近似认为 ， 为飞轮的转动惯量。
飞轮的功用： （1）改善发动机的旋转不均匀度。 （2）储存和释放能量，增加克服外界阻力的能力。 （3）便于手摇起动发动机。 （4）刻上止点、供油始点标记，用于调整发动机。 飞轮的设计： 飞轮通常安装在曲轴的功率输出端。飞轮的形状是根据发 动机的整体设计考虑确定的。从减小旋转不均匀度考虑，可以 增大飞轮，但还须考虑其他性能。
③ 系统对质心的转动惯量不变：简化的质量对质心的转动惯量 之和应等于原来的转动惯量 ； 对简化的连杆： ，但相差不大，因此只考虑前两个条件。联立求解：
式中：L —— 连杆长。
在连杆组模型的信息窗口可以查到 。 例如CA6110柴油机连杆模型。在信息窗 口中可以查到 ， ，连杆 大头的当量质量为: (L=195mm)
2 曲轴组 曲轴作旋转运动，为了计算发动机的平衡性能，需要知道 单个曲拐的质量m’和质心到曲轴回转中心线的距离ρ 。然后由 公式mK=m’ρ/R计算出单个曲拐的当量质量mK。 单个曲拐的质量m’和质心ρ 可 通过三维造型求出：注意模型中间 的绿色坐标轴为Y轴，且向下为正。 在信息窗口中可以看到 m’=11.65Kg。ρ =Y=7.8448mm，即 质心位置在曲轴平衡块上。 单个曲拐的当量质量mK为： 看，曲柄数 q = i ，曲柄无重叠现象。
例如对四缸机，曲柄端图见右图：
360 / 4 90
发火顺序为： 1- 4 - 2 - 3
② 四冲程发动机 曲轴两转完成一个工作循环，所有气缸 的发火时刻应均匀分布在曲轴两转中，即：
当气缸数为偶数时，在曲柄端图中，q = i/2，因此同一种 曲柄排列下有几种发火方案，如对于4缸发动机：
剩余功L越小，转动惯量越大，旋转不均匀度δ 越小，且气 缸数越多，剩余功越小。
场 合 汽车、拖拉机 船用 水泵、固定
δ 范围
1/40~1/50 1/10~1/40 1/25~1/40
场 合 内燃机车 直流发动机 交流发电机
δ 范围
1/50~1/100 1/100~1/200 1/200~1/300
（2）总转矩曲线 对于发火间隔角相同的发动 机，并假定各缸的工作状态相同， 当曲轴处于某一位置时，总转矩 为在同一时刻内所有各缸转矩的 代数和。 例如：CA6110柴油机为四 冲程，发火顺序为1-5-3-6-2-4-1。
发火间隔角ψ =720°/6=120°，总转矩为： 六 曲轴旋转的不均匀性和飞轮设计 由于发动机的输出转矩是 一个脉动函数，而所驱动的工 作机械的阻尼力矩近似为一常 数。当输出转矩大于阻尼力矩 发动机转速就会升高，并将部 分能量储存在飞轮中；当输出 转矩小于阻尼力矩，转速就会 降低，并且飞轮中的能量会释 放出来。这样就引起了转速的 波动。 由此可见总转矩的波动越 大，转速的波动越大。 通常用转矩不均匀性μ 来表示：
S1118柴油机曲柄连杆机构仿真模型
SL4105Z柴油机连杆组件的动态应变能分析
SL4105Z柴油机连杆组件的动应力分析
SL4105Z柴油机曲柄连杆机构的仿真分析
1E39汽油机气缸体模型
第二章 内燃机运动学和动力学
目的：了解曲柄连杆机构的运动规律和受力分析，为零部件的 结构强度分析提供必要的理论数据。
再将 沿曲柄半径移到曲轴中 心处为 ，并在曲轴中心处加上一 对与 平行相等，且互为相反的 和 ，则 和 构成一个力矩， 即输出转矩，其值为： 同时 和 ，合成为 ，再分解为沿垂直与水平方向的 两个分量 和 。 与 大小相等，方向相反，这样构成一个与 相反的 力偶 ，其大小为：
与 大小相等，方向相反，它通过机体传递到支架上，力 图使发动机倾倒，称为倾翻力矩，它是一个不平衡因素，但又不 能把它平衡掉。 结论：当发动机输出扭矩时，产生的倾翻扭矩 和 会引起发动机的振动。 、惯性力
（3）输出转矩 发动机的输出转矩为：
因为 是活塞加速度J的函数，在牛顿二项式展开时若不略去 高阶无穷小量，加速度J是一个简谐级数函数，故第一项 是 一个简谐级数函数，在曲轴一转中所作的功为零，即：
故第一项
对外不做功，只有第二项对外做功。
五 多缸发动机的转矩 多缸发动机的总转矩等于各缸转矩之和。 （1）发火顺序 曲柄的排列方式和发火顺序对发动机的平衡性能、运转均匀 性、轴承载荷和曲轴的扭转振动有很大的影响。 总的原则：使所有气缸的发火时刻在一个循环内保持均匀 的间隔，相邻气缸发火的时间间隔尽可能大。 ① 二冲程发动机 一转一个工作循环，所有气缸的发火时刻均匀分布在一转内
活塞加速度最大值Jmax：
第二种情况只有在λ >1/4时出现。
第二节 曲柄连杆机构的动力学
目的：在曲柄连杆机构中力和力矩的作用情况，为后续的平衡 计算，输出扭矩、运转均匀程度及主要零部件强度、刚度计算 提供必要的载荷数据。 一 曲柄连杆机构运动零件的质量换算 为了确定曲柄连杆机构中各运动件产生的惯性力，不仅要 知道各运动件的加速度，且需要知道各运动件的质量。 在以往的设计中，只有等零件制造出来后，才能通过测量 或称重得到，或者根据经验或类似已有的零件估计其质量，其 误差较大。 在现代设计中可以借助三维造型软件进行零部件设计，并 精确确定各零件的质量和质心位置，如PRO/E、UG、I-DEAS 等软件。 1 活塞组（活塞、活塞环、活塞销、挡圈） 活塞组作往复运动。 可以近似认为活塞组质量mP集中在活塞销的轴线中心上，
（2）旋转惯性力
：
三 气体作用力
：
四 作用在活塞上的作用力和力矩 （1） 作用在活塞上的力有燃气 压力和往复质量的惯性力，即： （2）力的分解和传递 将 分解为连杆方向上的 连杆力 和垂直于气缸壁的侧 压力 。
力 使连杆受到压缩和拉伸，力 使气缸壁受到活塞的侧 向推力。 将力沿连杆移到曲柄销中心，并分解为垂直于曲柄销的切力 和沿曲柄半径方向的径向力 。
转矩不均匀的危害：使被驱动的工作机械产生冲击载荷，甚 至影响正常工作，尤其对交流发电机组，影响其频率。 减小转速波动的方法： ① 增加气缸数。 ② 装较大转动惯量的飞轮。 发动机的扭矩在任一瞬间，施加在曲轴上的阻尼矩以及所有 运动质量的惯性矩相平衡，即：
其积分值为L，作正剩余 功。在图中用F1表示。同时曲轴转速从ω min增大到ω max，即：
因为活塞销中心线是活塞组的传力 点。 例如：S1118柴油机活塞： ① 用PRO/E进行三维造型。 ② 设置单位：长度mm、质量kg、 时间sec、温度K。 ③ 设置密度：铝2.7e-6kg/mm3。 ④ 模型分析：点击主菜单中的命令 分析（A）→模型分析（D），出现 如右图所示的对话框，单击框中的 按钮“计算”，和“信息”，出现 信息窗口，从中可以得到所需数据， 如活塞质量为1.3034kg。
3 连杆组 连杆组包括连杆体、连杆盖、小头衬套、连杆瓦、连杆螺栓、 连杆螺母等。在三维造型时，可以将连杆体、盖、螺栓等作为一 体，因小头衬套材料为铜铅合金，可以分开造型，然后组装成一 体进行分析。 一般认为连杆小头随活塞组作往复运动，连杆大头作随曲拐 作旋转运动，连杆杆身作复杂的平面运动。 将连杆组件的质量转换成集中于活塞销中心的往复质量m1和 集中于曲柄销的旋转质量m2。 根据力学原理：质量转换必须 满足下列3个条件： ① 质量不变：简化前后的质量不变； m1+m2=mc ② 质心位置不变：系统质心与连杆 组质心重合。
对图中所示的微元：
轮缘部分的转动惯量为：
七 作用在曲轴轴颈和轴承上的载荷及载荷极坐标图 在目前发动机设计中 ，很少用这种方法来设计发 动机轴承，因为其误差较大，其结论一致，因此不 再详细介绍。 研究轴承上的载荷的目的是确定轴 承上的润滑油孔位置以及作用在轴瓦上 的比压，确定轴瓦采用的材料。 对曲柄销，润滑油孔的位置开在45° 位置附近，如图所示。 对主轴颈，因燃气压力比惯性力大 的多，因此在上主轴瓦上（机体）开润 滑油孔。 连杆轴瓦上的比压比主轴瓦大，尤其是增压发动机， 对非增压发动机连杆瓦可用20%高锡铝合金+08钢背， 对强化发动机和增压发动机，可采用铜铅合金瓦。
4 曲柄连杆机构的当量质量 曲柄连杆机构可以用无质量的刚性杆件联系 两个集中质量组成的当量系统来取代。 （1）往复运动的质量 ，集中在活塞销中心处。
（2）旋转运动质量
，集中在连杆轴颈中心处。
二 曲柄连杆机构中的惯性力 （1）往复惯性力 ：
因为略去了高次项，往复惯性力可以看作 由一级往复惯性力 与二级往复惯性力 组 成。 的变化频率是 的二倍。 当α =0时往复惯性力的绝对值达最大值：