單列式四沖程多缸機(jī)往復(fù)慣性力解析法分析

摘要：內(nèi)燃機(jī)平衡是實(shí)現(xiàn)其平穩(wěn)高效運(yùn)行的重要前提。文章主要利用解析法分析內(nèi)燃機(jī)的平衡問題。從平衡的角度分析內(nèi)燃機(jī)的往復(fù)慣性力，其實(shí)質(zhì)就是使各缸往復(fù)慣性力構(gòu)成的空間力系經(jīng)簡化后為零。通過求解各種單列式多缸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所受一階往復(fù)慣性合力和二階往復(fù)慣性合力的大小，得出了在未采取任何措施的情況下各多缸機(jī)的平衡狀況，從而為分析和選擇內(nèi)燃機(jī)機(jī)型提供了依據(jù)，并指明了改善內(nèi)燃機(jī)平衡的方向。

關(guān)鍵詞：單列式多缸機(jī)；平衡；往復(fù)慣性力；解析法

中圖分類號：TE924 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0069-01

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力、往復(fù)慣性力及發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的周期性變化是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)不平衡的主要原因。而內(nèi)燃機(jī)的不平衡常引起緊固件的松動或過載、車輛的振動、產(chǎn)生振動噪聲、降低機(jī)器總效率等影響。旋轉(zhuǎn)慣性力可通過加平衡重實(shí)現(xiàn)平衡，而往復(fù)慣性力及其引起的往復(fù)慣性力距是實(shí)現(xiàn)平衡的難點(diǎn)。

曲拐排列對發(fā)動機(jī)的點(diǎn)火順序有著重要的影響。一般先從結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)曲軸的平衡進(jìn)而確定曲拐的排列方式并考慮到均勻發(fā)火，最終確定多缸機(jī)的發(fā)火順序。

四沖程內(nèi)燃機(jī)每完成一次工作循環(huán)曲軸轉(zhuǎn)動720 #778;，所以其發(fā)火間隔角為θ=。

上述表達(dá)式中Z為氣缸數(shù)。

1單列式兩缸機(jī)

①如果先考慮發(fā)火均勻，此時兩個曲拐呈360 #778;布置，發(fā)火間隔角為360 #778;，兩個缸同時到達(dá)上止點(diǎn)或下止點(diǎn)，曲拐相對于曲軸并非均勻布置且產(chǎn)生的沖擊力大，不利于實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的平衡。所以一般不采取這種布置形式。曲柄布置圖如圖1所示。

②從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)兩缸機(jī)曲軸的平衡，只有兩個曲拐呈180 #778;分布，發(fā)火間隔角為180 #778;—540 #778;—180 #778;，發(fā)火順序為1-2-1，但此時發(fā)火間隔角并不均勻。

解析法如下所示：

往復(fù)慣性力：

Fb=-mbrω2（cosa+λcos2a）=Ccosa+λCcos2a=FbI+FbII

一階慣性力：FbII=Ccosa，F(xiàn)bI2=Ccos（a+180 #778;）=-Ccosa

其合力為：FRbI=Ccosa-Ccosa=0

二階慣性力：

FbII1=λCcos2a，F(xiàn)bII2=λCcos（a+180 #778;）=λCcos2a

其合力為：FRIIb=2λCcos2a

一階慣性合力矩MbI=aFbI1=aCcosa

在以上述中，F(xiàn)b為往復(fù)慣性力，下標(biāo)Ⅰ、Ⅱ表示一階力或二階力，下標(biāo)中的數(shù)字表示各缸編號，a代表缸的中心距。

慣性合力矩分析：對于一階合力距：當(dāng)a=k×360 #778;（k為整數(shù)）時，有MbImax=aC，此時活塞位于上止點(diǎn)或下止點(diǎn)；對于二階合力距：因為往復(fù)慣性力的合力不為零，隨著所取距點(diǎn)的不同，二階合力矩的結(jié)果也不同因此無法進(jìn)行分析。

綜上所述可知單列式二缸機(jī)的平衡性并不好，原因有以下幾點(diǎn)：①點(diǎn)火間隔角并不均勻；②二階往復(fù)慣性力不為零；③一階往復(fù)慣性力距周期性變化沒有實(shí)現(xiàn)平衡；④二階往復(fù)慣性力距隨所取距點(diǎn)的不同也在變化，也沒實(shí)現(xiàn)平衡。所以一般很少選擇這種機(jī)型。

2單列式三缸機(jī)

對于單列式三缸機(jī)來說要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)平衡，則三個曲拐在一個圓周上按間隔120 #778;分布，此時他們的發(fā)火間隔角為θ==240 #778;，發(fā)火順序為1—3—2，此時為均勻發(fā)火。三拐曲軸軸測圖如圖2所示。

解析法如下所示：

往復(fù)慣性力：

Fb=-mbrω2（cosa+λcos2a）=Ccosa+λCcos2a=FbI+FbII

一階慣性力：FbII=Ccosa，F(xiàn)bI2=Ccos（a+240 #778;）=Ccos（a-120 #778;）

FbI3=Ccos（a+480 #778;）=Ccos（a+120 #778;）

一階慣性合力：FRbI=Ccosa+Ccos（a-120 #778;）+Ccos（a+120 #778;）=Ccosa+2Ccosacos120 #778;

二階慣性力：FRII1=λCcosa，F(xiàn)bII2=λCcos2（a+240 #778;）=λCcos（2a+240 #778;）

FbII3=λCcosa（a+480 #778;）=λCcos（2a+240 #778;）

二階慣性力合力：FRII1=λCcos2a+λCcos2（a+120 #778;）+λCcos

（2a+240 #778;）=λCcos2a+2λCcos2acos120 #778;=0

一階慣性合力矩：MbImax=aC

二階慣性合力矩：MbImax=λaC

對單列式三缸機(jī)一階往復(fù)慣性力合力矩矩分析可知： MbImax=aC，與水平軸夾角為30 #778;，將其投影后有MbIx=aCcos30 #778;，力矩最大值在第一缸上止點(diǎn)后30 #778;出現(xiàn)；MbIImax=λaC，將其對水平軸投影后有MbII=λaCcos30 #778;，力矩最大值在第一缸上止點(diǎn)前30 #778;出現(xiàn)。

可以看出單列式三缸機(jī)平衡性優(yōu)于單列式兩缸機(jī)，它在曲拐均勻布置的同時能夠?qū)崿F(xiàn)均勻發(fā)火，且一階慣性力和二階慣性力均為零。

3結(jié)語

假設(shè)每一缸工作都是均勻的，在某一時刻各缸所受往復(fù)慣性力不同只是由于工作相位的不同引起的。而往復(fù)慣性力本身是一個周期性變化的力，我們在進(jìn)行解析計算的過程中，已按照傅里葉變換的思想將其分解為一階諧量和二階諧量，總的力就是一階與二階的合成。

在上述計算中可以看出一階往復(fù)慣性力的幅值為C，二階為λC，由于λ<1，所以對于往復(fù)慣性力而言，一階諧量是主諧量。在選擇平衡機(jī)構(gòu)時，如果無法實(shí)現(xiàn)同時使一階慣性力和二階慣性力都平衡，此時應(yīng)側(cè)重于使一階慣性力實(shí)現(xiàn)平衡。

參考文獻(xiàn)：

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