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1、2021/9/7,内燃机设计,1,第三章 内燃机的平衡,第一节 平衡的基本概念 第二节 旋转惯性力的平衡 第三节 往复质量的平衡,2021/9/7,内燃机设计,2,第一节 平衡的基本概念,为使内燃机曲轴旋转时运转平稳，不引起支承的振动，不但要求其静平衡，而且还要求动平衡。 静平衡：质量系统旋转时产生的各离心力的合力等于零，也就是系统的质心位于旋转轴线上，没有偏心。 动平衡：质量系统旋转时产生的各离心力的合力和对任意点的合力矩均等于零。 首先在设计时要保证曲轴的动平衡，然后在制造时保证动平衡偏差在许可范围内。,2021/9/7,内燃机设计,3,第二节 旋转惯性力的平衡,曲轴系统的动平衡主要靠合理
2、布置平衡块的办法来实现。 但平衡块的设计必须考虑以下各因素： A.曲轴动平衡 B.曲轴主轴承负荷 C.曲轴弯曲负荷 D.曲轴箱弯曲负荷 E.曲轴整体质量（提高扭振固有频率）,2021/9/7,内燃机设计,4,1、对于单拐曲轴的平衡块的布置：,当每个平衡块的质径积或静矩mprp满足下列条件，单拐曲轴可以达到动平衡：,式中，mp为每个平衡块的质量；rp为平衡块质心的旋转半径。,Fr,mr,r,Fr,mr,r,mp,Fp,mp,Fp,rp,2021/9/7,内燃机设计,5,2、二拐曲轴的平衡块的布置,对于二拐曲轴，常用的曲拐夹角为180度，显然此种曲轴是静平衡的，但不动平衡。即：,二拐曲轴可以像单拐
3、曲轴那样在每一个曲柄上都加一个平衡块来平衡，也可以用两块平衡块进行整体平衡，只要满足：,就可以了。,a,2021/9/7,内燃机设计,6,二拐曲轴的平衡块的布置,2021/9/7,内燃机设计,7,.四拐平面曲轴离心力分析,离心惯性力的合力为零，离心惯性力矩也是零,曲轴本身承受有最大达 负荷,的内弯矩，而且中间主轴承承受较大的离心,常见的有如图所示的四块平衡重方案，以减轻内弯矩和轴承负荷,Fr,Fr,Fr,Fr,2021/9/7,内燃机设计,8,3、四拐(平面)曲轴的平衡块的布置,对于四拐曲轴，它是二拐曲轴的对称延伸。此种曲轴从整体上来看是既静平衡又动平衡（无平衡块时）。但考虑到曲轴内部的弯曲负
4、荷及主轴承负荷，经常加4个平衡块，也有加8个平衡块实现“完全”平衡的。,2021/9/7,内燃机设计,9,. 三拐曲轴（132，四冲程或二冲程), 作曲柄侧视图及轴侧图, 图解法,对三个缸作离心力的矢量图,是静平衡,2021/9/7,内燃机设计,10,对O点（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量图,整体平衡方法,2021/9/7,内燃机设计,11,4、三拐曲轴的平衡块的布置,对于三拐曲轴，要求曲拐夹角为120度。它有不平衡的离心力矩Mr(1.732amrr2），作用在与第一拐成300的平面内。实际内燃机中，有用6个平衡块“完全平衡”的，也有采用“整体平衡”方案的。各种方案都能达到整体动平衡的目的，但
5、各种方案所用平衡块的总质量不一样，曲轴内部负荷及主轴承负荷也不一样。实际上，用两平衡块的方案有困难。,2021/9/7,内燃机设计,12,三拐曲轴的平衡块的布置,按每拐截断简支梁计算。,2021/9/7,内燃机设计,13,. 四拐空间曲轴,四拐空间（二冲程发动机）曲轴离心力分析,空间曲轴的离心力自然平衡， 有不平衡的离心力矩,2021/9/7,内燃机设计,14,5、四拐且曲拐夹角为90度的曲轴,四拐且曲拐夹角为90度的曲轴（二冲程四缸内燃机和四冲程V形八缸内燃机），存在有不平衡的离心力矩Mr（3.162amrr2）,作用在与第一拐成18026的平面内。理论上可用8个、2个或4个平衡块进行平衡，
6、但实际上常用大小不同的6个平衡块进行平衡。其平衡条件为：,式中，Mpi和Mri分别为各平衡块和曲拐离心力对中央主轴承O点的力矩。,2021/9/7,内燃机设计,15,2021/9/7,内燃机设计,16,.五缸机（曲轴）旋转惯性力分析 （1-2-4-5-3）,四冲程5曲拐布置图,四冲程5曲拐轴测图,2021/9/7,内燃机设计,17,1,2,4,3,5,四冲程五缸机旋转惯性力分析图解法,曲柄侧视图,四冲程5拐曲轴旋转惯性力多边形,2021/9/7,内燃机设计,18,四冲程五缸机旋转惯性力矩分析,四冲程5拐曲轴旋转惯性力矩多边形,2021/9/7,内燃机设计,19,利用矢量投影求和的代数方法，求离
7、心力矩的大小和方向,假设缸心距为a，对第五缸中心取矩,各矢量在x轴的投影和为,各矢量在y轴的投影和为,2021/9/7,内燃机设计,20,合力矩为,合力矩的方向与y轴的夹角为,平衡块质径积为,2021/9/7,内燃机设计,21,、四冲程直列六缸曲轴的平衡块的布置,四冲程直列六缸内燃机的曲拐夹角为120度，其曲轴旋转质量系统不加平衡块也是完全平衡的。但为了减轻主轴承离心负荷和曲轴的内弯矩，经常加有平衡块。几个布置方案实例如图915所示，其各自产生的效果对比如表93所列。,2021/9/7,内燃机设计,22,表93 四冲程直列六缸内燃机曲轴常用平衡块布置方案的特性比较,按曲轴两端简支直梁计算；按每
8、拐截断简支梁计算,2021/9/7,内燃机设计,23,平衡块设计,最后值得指出的一点是，平衡块形状不同，相同质量的平衡块会产生不同的平衡效果。,2021/9/7,内燃机设计,24,一、往复惯性力的旋转矢量表示法 单缸内燃机的往复惯性力可以表示为： 或 Fj=FI+FII FI=FI0cos, FI0=mjr2 FII= FII0cos2, FII0=mjr2 式中，FI为一阶往复惯性力；FII为二阶往复惯性力。二阶往复惯性力比一阶往复惯性力小得多。高阶往复惯性力实际上可以忽略不计。,第三节 内燃机往复惯性力的平衡,2021/9/7,内燃机设计,25,往复惯性力的旋转矢量表示法,一阶和二阶惯性力
9、都各自可用一对反向旋转的力矢量的合矢量表达。 FIFI FI FIIFIIFII FI FI(1/2) FI0 FII=FII=(1/2) FII0,2021/9/7,内燃机设计,26,二、单缸机的平衡,1、一阶往复惯性力可以用一对互相反转的平衡块加以平衡，只要其静矩为： mIrI=(1/2)mjr 即可。,2021/9/7,内燃机设计,27,单缸机的平衡,2、在曲轴上布置一平衡块（非平衡曲拐质量的平衡块），外加两平衡块同向反转，若不在与曲轴中心同一水平线上，则有附加力矩。,2021/9/7,内燃机设计,28,单缸机的平衡,3、工业用单缸机常用半平衡法，即在mr以外增加mI。,4、单轴平衡。,
10、2021/9/7,内燃机设计,29,三、单列式内燃机的平衡,对于单列式内燃机来说，只要讨论各缸的正转矢量的合矢量，并将其在气缸轴线方向的投影乘以2就是最后的结果。 单列式内燃机还可能存在往复惯性力矩。,2021/9/7,内燃机设计,30,多缸机往复惯性力平衡分析,单列式两缸机（发火顺序121，四冲程是不均匀发火）,图解法,整体平衡法,2021/9/7,内燃机设计,31,双轴平衡法,更好的曲轴布置应该是360度 曲拐夹角。此时发火均匀，可 采用双轴机构平衡，也可以采 用平衡活塞的方法平衡。如右图所示,2021/9/7,内燃机设计,32,单列式三缸机（132）,作曲柄图和轴侧图,作惯性力矢量图,三
11、拐曲轴一、二阶曲柄图和轴侧图,一阶惯性力,二阶惯性力,得到 FRj=0 FRj=0,2021/9/7,内燃机设计,33,作力矩图,Mjmax=,出现在一缸上止点后30。,求整体平衡法平衡重质径积，平衡重布置如前图,2021/9/7,内燃机设计,34,三缸机一阶往复惯性力矩双轴平衡机构,2021/9/7,内燃机设计,35,单列四冲程四缸机（1342）,作曲柄图和轴侧图,1 4 1234,2 3,一阶曲柄图 二阶曲柄图,惯性力分析,2021/9/7,内燃机设计,36,2021/9/7,内燃机设计,37,2021/9/7,内燃机设计,38,单列二冲程四缸机（1342）,作曲柄图和轴侧图,出现在上止点
12、前,整体平衡方法：,得到 FRj=0 FRj=0,2021/9/7,内燃机设计,39,单列四冲程五缸机（12453） 发火间隔角,作曲柄图和轴测图,可以看出： 一阶惯性力和二阶惯性力的合力都是零，是平衡的。,2021/9/7,内燃机设计,40,四冲程五缸机一阶往复惯性力矩分析,2021/9/7,内燃机设计,41,一阶力矩各矢量在x轴的投影和为,各矢量在y轴的投影和为,2021/9/7,内燃机设计,42,合力矩为,一阶合力矩的方向与y轴的夹角为,与水平轴的夹角为54 向水平轴投影得到此时的实际一阶往复惯性力矩为,2021/9/7,内燃机设计,43,二阶往复惯性力矩分析,2021/9/7,内燃机设
13、计,44,二阶往复惯性力矩的合力矩幅值为,2021/9/7,内燃机设计,45,与水平轴的夹角为18 向水平轴投影得到此时的实际一阶往复惯性力矩为,即使考虑到连杆比（1/3），二阶往复惯性力矩的值也比较大，大于一阶往复惯性力矩的幅值。设计中应该采用双轴机构进行平衡。,2021/9/7,内燃机设计,46,二阶往复惯性力矩分析与平衡措施,2021/9/7,内燃机设计,47,平衡轴的质径积为,平衡轴上的平衡块两两相反，对称布置,2021/9/7,内燃机设计,48,四、双列式内燃机的平衡,对于双列式内燃机，先把同一阶同向旋转的矢量合成，再求正反旋转合成矢量的矢量和。,2021/9/7,内燃机设计,49,重要结论,如果曲柄图、二级曲柄图内的曲柄排列是均匀的，那么离心惯性力和一、二级往复惯性力是自行平衡的。 镜面对称的曲柄排列（与中央主轴颈中心断面等距离的一对曲柄在曲柄图上占据同一位置）的惯性力矩必定是自行平衡的。 如果曲柄图、二级曲柄图内的曲柄全部重叠时，那么离心力和一、二级往复惯性力没有平衡。,2021/9/7,内燃机设计,50,重要结论 （续）,对相同型式的内燃机，气缸数越多，平衡性能越好。 单列式的单缸、双缸、四缸四冲程机和单列单缸、双缸二冲程机的一、二级往复惯性力没有平衡，其它单列机的一、二级往复惯性力都是平衡的。,