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内燃机动力学

2015-03-02 浏览量 2780


      研究内燃机运转中的力学现象的科学。其主要任务是研究分析内燃机运转时各主要零件的运动规律及其受力情况，用以作为内燃机零件设计、计算的依据。它还研究这些力对内燃机动力装置的影响及其消减方法。内燃机动力学的主要内容为曲柄连杆机构运动学、曲柄连杆机构动力学和内燃机平衡分析等。
曲柄连杆机构运动学  研究曲柄、连杆，尤其是活塞的运动规律。活塞作周期性往复运动时的位移 、速度和加速度可用下述各式近似求算
[0520-01]式中为曲轴转角；为曲轴旋转角速度；为曲柄半径；为曲柄半径与连杆长度之比，即
＝/
曲柄作回转运动，连杆作复杂的平面运动。连杆的运动往往被简化分解为随活塞组的往复运动和随同曲柄的旋转运动。
曲柄连杆机构动力学  研究分析曲柄连杆机构（见曲柄滑块机构）在运动中力的生成、传递和输出。作用在曲柄连杆机构上的力有曲柄连杆机构运动时产生的往复惯性力和离心惯性力，以及内燃机气缸内的气体压力。
往复惯性力
[0520-02]式中[mj]为曲柄连杆机构中作往复运动的部件的质量，它包括活塞组（活塞、活塞环和活塞销等）的质量[ma]和连杆换算在小头中心部分的质量[mla]。
[0520-03][ml]为连杆质量；B为连杆重心至连杆大头中心的距离。
往复惯性力是由若干简谐力组成的，但在工程计算中取一级往复惯性力[fj1]与二级往复惯性力[fj2]之和。
离心惯性力  用F表示，
F=(式中为曲柄连杆机构作旋转运动的不平衡质量，它包括曲柄销的质量和换算到曲柄销中心的曲柄不平衡质量、连杆换算在大头中心部分的质量[mlb]。
[0520-04]A为连杆重心至连杆小头中心的距离。
气体压力  用[f1g]表示，可从内燃机示功图中直接得到。气体压力向下推动活塞，经活塞销、连杆、曲柄销、主轴颈传递给主轴承[轴承:轴承（“Bearing”，日本人称“轴受”）是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。也可以说，当其它机件在轴上彼此产生相对运动时，用来降低动力传递过程中的摩擦系数和保持轴中心位置固定的机件。]，它与向上推气缸盖的力恰好大小相等、方向相反，在机体内达到平衡，并不传到机外。
作用在曲柄连杆机构上的力及其传递  往复惯性力[fj]和气体压力[f1g]的合力F=[fj]+[f1g]传递给活塞销(图1[作用在曲柄连杆机构上的力及其传递]),分解为垂直于气缸壁的侧压力F＝Ftg和沿着连杆轴线的力 F＝F/cos。F传递到曲柄销，分解为沿着曲柄方向的径向力Z=Fcos(+)/cos和垂直于曲柄的切向力T＝Fsin(+)/cos。切向力相对于曲轴轴线构成内燃机的输出力矩
[521-01]F传到主轴颈,分解为沿气缸轴线方向的力＝和垂直于气缸轴线的力F=-F。F与F大小相等、方向相反，它构成内燃机输出力矩的反转矩
[521-02]与输出力矩同时存在反转矩通过机体传到机外。
内燃机平衡分析  若内燃机在稳定工况下传给机架的力和力矩的大小、 方向不变， 则这样的内燃机称为平衡的内燃机。单缸机不平衡的力和力矩有往复惯性力[fj]＝[fj1]+[fj2]、离心惯性力F和反转矩。这些力和力矩周期性地变化并作用在机架上，激起振动，影响机器附近人员的舒适，也影响结构的可靠性和机器的经济性。
单缸机的平衡措施  对于离心惯性力，只要在曲柄的对侧加置适当的平衡块，使离心力与机器的离心惯性力相等即可达到平衡的目的。对于往复惯性力，采用上述简单平衡块只能使不平衡的力转移到与气缸轴线相垂直的平面，达不到平衡的目的。但人耐受水平方向振动的能力优于垂直方向振动的能力，所以在实际生产中往往采用这种简单平衡块法。对于要求高的机器，常采用兰彻斯特平衡机构（图2 [兰彻斯特平衡机构]）。它是采用一对大小相等、旋转方向相反的平衡块，若其转速与曲轴转速相等，而相位差180°,则可使其离心惯性力在气缸轴线方向的分力恰好与机器的一级往复惯性力相平衡；与气缸轴线相垂直平面上的分力自相抵销。若再加一对转速为曲轴转速两倍的平衡块，即可平衡机器的二级往复惯性力。
多缸内然机的平衡分析  多缸机平衡分析可用空间力系的方法处理，其平衡情况如下表所示。表[多缸内燃机的平衡]中“O”表示已平衡；“X”表示不平衡。
多缸机的平衡措施  简单平衡块和兰彻斯特平衡机构对多缸机的平衡作用，与对单缸机的作用相同。若使兰彻斯特平衡机构的平衡轴两端平衡块相位差180°,即可用以平衡往复惯性力矩。
林大渊

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