《内燃机设计 第4版》-袁兆成 课件 第1-4章 内燃机设计总论-曲轴系统的扭转振动

内燃机设计内燃机设计第一章内燃机设计总论第二章曲柄连杆机构受力分析第三章内燃机的平衡第四章曲轴系统的扭转振动第五章配气机构设计第六章曲轴飞轮组设计第七章连杆组设计第八章活塞组设计第九章内燃机滑动轴承设计第十章机体与缸盖设计第十一章内燃机冷却与润滑系设计第一章内燃机设计总论第一节内燃机设计的一般流程第二节内燃机的主要设计指标第四节内燃机主要参数的选择第五节发动机设计的发展第三节内燃机的选型返回开始第一章内燃机设计总论第一节内燃机设计的一般流程一、计划阶段

此阶段由下述环节组成：1.

确定任务

—

主要是根据市场需要和法规需要

(进行必要性、可行性论证)，这个环节应该是企业产品规划中确定的，有长期规划，也有短期规划。

2.

组织设计组—根据任务挑选合适人选

人员结构合理

技术结构合理3.

调查研究—

a访问市场和用户，征求对产品的要求

b了解制造厂的工艺条件、设备能力以及配件供应情况

c收集同类先进产品的资料，考察同类产品

d确定参考样机

4.确定基本性能参数和结构形式（概念设计阶段）。主要是通过:同类型机型对比、热力学计算、动力学计算和整机一维模型仿真分析。5．拟订设计任务书①说明产品的原因、用途、适用范围等②说明内燃机的主要设计参数和要达到的技术指标如：a.型式（汽或柴）、气门数、直立或卧式b.冲程数（4或2）、缸径D、冲程Sc.冷却方式（水或风）d.汽缸排列方式（直列、V型）e.功率Ne、转速n、扭矩Mf.燃油消耗率ge(克/千瓦.小时)g.机油消耗率gm(克/千瓦.小时)h.大修期、保用期、一般大修期是保用期的2倍i.重量和外型尺寸—与用途有关（大车、小车、固定）j.排污指标（噪声、废气）k.平均有效压力pmel.活塞平均速度Cm③.主要结构说明燃烧室、零部件（活塞连杆、曲轴飞轮、机体缸盖、配气机构、供油润滑、冷却、起动……）④.产品系列化和变型、强化的可能性二、设计实施阶段

1.内燃机总布置设计，确定主要零部件的允许运动尺寸、结构方案、

三维实体造型和虚拟装配、外形图。

2.按照企业标准编制零部件图纸目录。

3.部件三维图细致设计、零部件工作图、纵横剖面图。桑塔纳1.6升轿车汽油机

Audi轿车汽油机平分式铸铁机体整体气缸汽油机6110柴油机龙门式机体轻型柴油机图1‑8奔驰增压汽油机采用双轴平衡机构的1.8L奥迪FSI发动机横剖面大众V10TDI柴油机横剖面三、检验阶段1.

试制多缸机样机2.

多缸机试验（磨合、调整、性能试验、耐久试验、可靠性试验、配套试验和扩大用户试验）3.

改进与处理阶段a.样机鉴定.b.小批量生产4.

内燃机设计的“三化”a.

产品系列化：基本尺寸相同，不同的排列、缸数、增压度，达到提高Peb.

零部件通用化：同一系列的主要零件能够通用。c.

零件设计标准化：按照国标、部标或企标设计“三化”可以提高产品的质量、减少设计成本、组织专业化生产、提高劳动生产率、便于使用、维修和配件供应四、改进与处理阶段1．样机鉴定与改进.在总结样机试制、样机性能试验和用户配套实验的基础上，往往要进行多方面的综合改进和进一步的试验观察，然后由企业或者地方主管部门组织新厂品鉴定。鉴定时设计和试制单位要提供下列文件：设计任务书内燃机研发试制总结内燃机动力性、经济性、耐久性、排放特性、噪声水平等性能试验报告内燃机生产产量成本盈亏分析零部件标准审查报告市场需求预测分析用户使用报告……2．小批量生产和扩大用户试验内燃机是一个十分复杂的技术系统，涉及到水、油、气的流动与密封；工质燃烧、做功与传热；机械传动等多个复杂的物理和化学过程，用户的要求和使用工况变化非常大，因此必须经过小批量生产和逐步扩大用户使用试验，经过严密的设计完善和严格的生产工艺调整，才能最终进行正式商业化生产。本章开始

第二节内燃机的主要设计指标一、动力性指标1.

功率Pe

式中Pme—平均有效压力（MPa），Vm—活塞平均速度（m/s），Vh—气缸排量(L)，Z—气缸数，n–转速（r/min），D—气缸直径（mm），τ—冲程数，四冲程τ=4，二冲程τ=2。可见，有效功率Pe受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。2.

转速nn增加对提高Pe有利，但是转速增加后：⑴惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加；⑵.工作频率增加——热负荷增加；⑶.摩擦损失增加，导致ηm

下降、ge升高、磨损加剧，寿命缩短； ⑷.进排气系统阻力增加，使ηv

变小；内燃机转速范围1000转/分以上为高速、300~1000转/分为中速、300转以下为低速。发电机组内燃机受电网频率和磁极对数的限制，转速应为

f–电网频率（50Hz）,P—发电机磁极对数。3.

最大扭矩Memax及nMe扭矩适应性系数转速适应性系数总适应系数

μ=μmμn

随用途而有不同的要求。

动力装置汽油机柴油机μmμnμμmμnμ汽车1.1～1.251.5～21.65～2.51.05～1.21.1～1.251.1～1.25工程机械1.2～1.451.6～21.9～2.91.15～1.41.6～21.85～2.8拖拉机1.2～1.31.6～21.9～2.61.15～1.251.6～21.85～2.5二、经济性指标1.燃油消耗率ge(克/千瓦小时)降低ge的措施：提高ηi

和ηm车用汽油机260--400车用柴油机200—2602.机油消耗率gm(克/千瓦小时)1.3—2.6克/千瓦小时三、耐久性、可靠性指标可靠性—在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不会因为故障而影响正常运转的能力。耐久性—从开始使用起到大修期的时间。四、重量、尺寸、外形指标 是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。 比重量gw=G/Pe(kg/kw)； 体积功率Pv=Pe/V(kw/m3)

五、低公害指标 1.

噪音内燃机噪音分为：燃烧噪音、进排气噪音和机械噪音汽车分类噪声限值dB(A)第一阶段第二阶段2002.10.1~2004.12.30期间生产的汽车2005.1.1以后生产的汽车M17774M2(GVM≤3.5t)，或N1(GVM≤3.5t)：GVM≤2t2t<GVM≤3.5t78797677M2(3.5t<GVM≤5t)，或M2(GVM>5t)：P<150kWP≥150kW82858083N1(3.5t<GVM≤12t)，或N1(GVM>12t)：P<75kW75kW≤P<150kWP≥150kW838688818384说明：M1，M2(GVM≤3.5t)和N1类汽车装用直喷式柴油机时，其限值增加1dB(A)。对于越野汽车，其GVM>2t时：如果P<150kW，其限值增加1dB(A)；如果P≥150kW，其限值增加2dB(A)。M1类汽车，若其变速器前进档多于4个，P>150kW，P/GVM之比大于75kW/t，并且用第三档测试时其尾端出线的速度大于61km/h，其限值增加1dB(A)2.

排污

CO—破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官HC—破坏呼吸系统

NOx—与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。欧Ⅰ、欧Ⅱ总质量<2.5t≤6人欧洲Ⅰ号1995年底之前欧洲Ⅱ号1995年—2000年转毂试验台排放测试g/km汽油柴油IDI+DI汽油柴油IDIDICO2.72(3.16)2.72(3.16)CO2.21.01.0HC+NOx0.97(1.13)0.97(1.13)HC+NOx0.50.70.9Particulate0.14(0.18)Particulate0.080.10蒸发量2.0g/T—

—蒸发量2.0g/T—

—欧Ⅲ、欧Ⅳ总质量<2.5t≤6人.欧洲Ⅲ号2000年—2005年欧洲Ⅳ号2005年底起施行转毂试验台排放测试g/km汽油柴油汽油柴油CO2.30.64CO2.20.5HC+NOx0.56HC+NOx0.3HC0.2HC0.1NOx0.150.5NOx0.080.25PM—0.05PM0.025蒸发量2.0g/T—

—蒸发量2.0g/T—

—欧Ⅴ、欧Ⅵ总质量<2.5t≤6人.欧Ⅴ号2008年10月—2012年欧洲Ⅵ号2012年底起施行转鼓试验台排放测试g/km汽油柴油汽油柴油CO1.00.5CO1.00.5HC+NOx0.23HC+NOx0.17HC0.1HC0.1NOx0.060.18NOx0.060.08PM0.0050.005PM0.0050.005蒸发量2.0g/T—

—蒸发量2.0g/T—

—六、制造、使用、维护指标1）高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机械的需要。2)高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要。3)高的工作可靠性和足够的使用寿命。现代内燃机寿命指标较先进的大致为：汽车内燃机40～80万公里；拖拉机及农用内燃机6000～10000小时；工程机械用内燃机10000～28000小时。4）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声，也就是所说的NVH（Noise、VibrationandHarshness）性能。本章开始第三节内燃机的选型

一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃料发动机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么内燃机。

从两方面考虑内燃机本身的技术经济特点和市场需求。地区或国家对环境和能源应用分布的要求。

柴油机：燃料经济性好；工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统；可以通过增压、扩缸来增加功率；防火安全性好，柴油挥发性差；CO和HC的排放比汽油机少。

汽油机：空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数α较高，在1.1左右，电控喷射要求α=1；因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低；低温起动性、加速性好，噪音低；由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般只有柴油机的一半重量）；不冒黑烟，颗粒排放少。目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。燃气发动机：气体燃料发动机主要使用压缩天然气（CompressedNaturalGas—CNG）、液化天然气（LiquifiedNaturalGas—LNG）、液化石油气（LiquifiedPetrolGas—LPG）。可以汽油/LPG、汽油/天然气切换（Bi-fuel两用燃料）或天然气/柴油混合（DualFuel双燃料），也可以单独使用；辛烷值超过100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失；排放指标比较低、不冒黑烟；一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜；可以节省石油资源；燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。一般，6吨以上用柴油机，3-6吨混用，3吨以下汽油机居多，燃气则有较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。二、冲程四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经济性好，指标稳定，生产、使用经验丰富；二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大50~70%，体积小，重量轻，结构简单，但经济性差。三、冷却形式水冷：1.冷却均匀效果好；

2.ηv

大，pe大；3.受外界影响小;4.噪音低.风冷：1.散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大；

2.可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂；3.噪音大，因为无水套吸音；4.

铸造困难；5.

冷却系结构简单，无漏水；6.

单体结构，维修成本低。四、气缸的布置主要由发动机的使用环境决定。单列：结构简单，使用维修方便。双列：在增加功率，提高车厢面积有效利用要求下，趋向采用双列，双列有V型、错缸型（缸心线平行和缸心线不平行两种）

卧式：可布置在底盘中部或后部，大幅度降低高度，改善面积利用率，开阔视野，提高了操纵性、机动性。

本章开始第四节内燃机主要参数的选择一、平均有效压力pme

Hu—燃料低热值，γs–进口状态下空气密度，l0—理论空气量提高pme的途径：1.

↑ηv,采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气门）2.

↑ηi,↑ε，↓传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密封3.

↑ηm，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。柴油机还要注意燃油系统的调整，使α→1；采用增压提高空气密度。当然，增压会带来：机械负荷增加→机械应力增加热负荷增加→热应力增加应从结构、冷却、加工、材料等方面加以保证。二、活塞平均速度

Vm是表征发动机强化程度的主要参数Vm↑可以使平均有效压力Pe增加，但是Vm↑的副作用是：1．摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降低。2．惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。3．进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv下降。一般汽油机柴油机三、气缸直径和缸数气缸直径D加大，Pe以平方的速度增加。但是惯性力也增加明显，导致振动和机械负荷加剧。缸数Z增加，Pe线性提高，发动机长度加大，平衡性改善。发动机相同排量、不同气缸数的比较（S=80）排量LS=80mm三缸四缸六缸三缸机

四缸机

六缸机

三缸机四缸机六缸机单缸排量L缸径D(mm)摩擦面积F(mm^2)1.50.500.380.2589.2177.2563.0867259.8977665.036595119.8620.670.500.33103.0189.2172.8477665.0489679.85946109834.95排量LS=80mm缸心距摩擦面积比摩擦面积增加百分比四/三六/三四对三六对三1~2.2小中大1.001.221.410.00%15.47%41.42%1、

随着缸数增加，摩擦面积增加。2、

从发动机动平衡角度出发，六缸机好于四缸机、四缸机好于三缸机。因为六缸机是全平衡；四缸机的二阶惯性力不平衡；而三缸机的一、二阶往复惯性力矩都不平衡，是三缸机振动大的主要原因，也就是说三缸机的NVH性能相对较差。3、

从燃烧室的面容比讲，小缸径的燃烧室面容比比较大，散热损失可能多，热效率可能低。4、

从缸心距来看，机体长度随缸数增加而增加，也就是发动机体积会随着缸数增加。5、

从生产制造成本上来讲，主要零部件（活塞组）随着缸数减少而减少。从以上的分析来看，似乎三缸机的优点较多，但是市场上搭载三缸机的车辆销量普遍不好，主要原因就是三缸机的NVH性能不够好，不能得到用户的认可。气缸直径改变之后，要做如下必要的工作：计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩Me。利用表（1-2）估算最大扭矩Memax和对应转速。压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。工作过程计算。重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。确定是够需要改变气门直径和气门最大升程，是否需要重新设计凸轮型线。重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。连杆轴承表面压力校核。曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。冷却水流动和散热能力计算分析。四、行程S行程S增加，可以提高Pe，但活塞平均速度Cm提高，有磨损加速、寿命降低等问题。一般S的变化主要用于：1．调节整机排量2．调节耐久性—减小S,减小侧向力，减轻磨损3．调节扭矩值要改变行程S，相应在结构上的必要改变和必要的计算包括：要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径r=S/2。要重新进行压缩比计算和调整。重新设计缸套长度。计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩Me。利用表（1-2）估算最大扭矩Memax和对应转速。要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。曲柄半径改变，连杆比λ变化，要确定连杆长度是否合适，最大连杆摆角时杆身是否与缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否与活塞裙部相干涉。一般情况下，如果活塞行程加大，连杆长度也要加大。要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。要进行工作过程计算等。此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大行程情况下，一定要利用有限元方法验算曲轴的强度。扭转振动计算分析，确定是否需要改变减震器结构。本章开始第五节发动机设计的发展一、目前广泛采用1．新结构：新型燃烧室、多气门、可变配气相位、可变进气管长度、可变增压器。2．新技术：增压、汽油喷射、柴油机高压喷射系统、预喷射技术、电控多点喷射、缸内直喷汽油（GDI）、均质混合压燃技术3．新工艺：以铸代锻、压力铸造、表面处理技术…新材料：活塞环（塑料）、活塞（复合材料）、缸套、轴瓦、油底壳、进气管、齿轮…，主要目的是减轻质量、减少磨损、隔振、隔音。

二、现代设计方法1．计算机辅助设计制图提高速度和质量、便于 保存和修改处理

工程分析计算缩短设计周期、 降低设计成本、提高准确性2．模拟计算与仿真设计：三维曲面设计、气体液体流动分析、 燃烧模拟、振动分析、噪声仿真…3．优化设计：结构形状优化（以质量最轻或应力最小或变形最小或阻力最小等等为优化目标），多采用线性规划法、复合形法、惩罚函数法等等

4．工程数据库

5．可靠性设计方法xf(x)fy(xy)Fq(xq)Xy0Xq0本章开始第二章曲柄连杆机构受力分析返回开始第一节曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学）第二节曲柄连杆机构中的作用力第一节曲柄连杆机构的运动学(活塞的运动学)一、

简述机构的作用：活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动 活塞上的力转化为曲轴上的扭矩两个假设：1.曲轴作匀速运转;2.角速度ω为常数。二、

中心曲柄连杆机构的运动规律活塞的位移表示为活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，既活塞的运动是复谐运动。

对x求一阶导和二阶导，得四、

活塞运动规律的分析与用途1．简谐运动的规律一阶谐量与曲轴速度同步二阶谐量比曲轴速度快一倍

①活塞位移用于示功图转换气门干涉校验动力计算②活塞速度用于计算平均速度Vm()，判断强化程度、计算功率计算最大速度Vmax（=1.625Vm）,评价气缸的磨损程度。③活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行动力计算。考虑往复惯性力对发动机平衡的影响本章开始第二节曲柄连杆机构中的作用力一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系作用力分为：①气压力Fg②惯性力(往复惯性力Fj、旋转惯性力Fr）③合成力F=Fj+Fg

一、曲柄连杆机构中力的传递和相互关系上式说明，永远存在一个与输出扭矩方向相反、大小相等的翻倒力矩。

二、气压力的作用效果气压力Fg和在机体内部平衡掉，对外没有自由力，只有扭矩输出和翻倒力矩Ft与ω同向为正，Fk指向圆心为正，转矩顺时针为正曲柄连杆机构的所有零件，按照运动性质可分为三组。①

活塞组m’,包括活塞、活塞环、活塞销和卡环。②

曲轴组mka.

连杆轴颈及与连杆轴颈相重合的曲柄部分mk1b.

曲柄上连杆轴颈与主轴颈中间的部分mk2其当量质量③

连杆组根据质量守恒和质心守恒原理所以

关键是求出重心位置。现在利用制图软件可以方便求出。

三、往复惯性力1．

机构运动件的质量换算换算原则：保持当量系统与原机构动力学等效。

2．

曲柄连杆机构中的惯性力惯性力与运动质量有关，该机构中的运动质量有往复运动质量旋转运动质量

往复惯性力

往复惯性力的性质：a.

Fj与a的变化规律相同，两者相差一个常数mj，方向相反。b.

可以用旋转矢量法确定FjⅠ和FjⅡ的大小、方向，用来判断往复惯性力作用性质。c.FjⅠ和FjⅡ

始终沿着气缸轴线作用。d.

往复惯性力总是存在。所以由Fj产生的单缸扭矩、翻倒力矩和自由力总是存在。但是曲轴一转内，翻转力矩之和、自由力矩之和为零。

旋转惯性力Fr四、往复惯性力和气压力作用的差别

气压力Fg是做功的动力，产生输出扭矩。气压力Fg在机体内部平衡，没有自由力。Fj没有平衡，有自由力产生，是发动机纵向振动的根源。Fjmax<FgmaxFj所占区域长，总是存在，正负面积相等；Fg呈脉冲性。

五、曲柄连杆机构中力的计算（动力计算）

合成力

F=Fj+Fg侧向力

FN＝F·tgβ

连杆力

切向力径向力

单缸扭矩

翻倒力矩

六、多缸机扭矩（动力计算）

以六缸四行程发动机（1－5－3－6－2－4）为例：

如果第一缸的扭矩为M1(α)，则第二缸的扭矩为M2＝M1(α+240)，M3＝M1（α＋480），…….

5，21，63，4第一主轴颈所受转矩MZ1=0

第二主轴颈所受转矩MZ2=M1(α)第三主轴颈所受转矩

MZ3=MZ2+M1（α＋240）第四主轴颈所受转矩MZ4=MZ3+M1（α＋480）第五主轴颈所受转矩MZ5=MZ4+M1（α＋120）第六主轴颈所受转矩MZ6=MZ5+M1（α＋600）第七主轴颈所受转矩MZ7=MZ6+M1（α＋360）=

2.连杆轴颈扭矩根据扭矩向后传递的原则，Mgi应该是前一个主轴颈上的积累扭矩Mzi与作用在本曲柄销上的切向力所引起单缸扭矩的一半。

六缸机积累扭矩和各连杆轴颈扭矩四冲程四缸机合成扭矩平均扭矩据此可以计算指示功率、有效扭矩等动力指标。

*偏心曲柄连杆机构主要目的是减小侧压力当活塞从上止点到下止点时，曲柄转过的角度是当活塞从下止点到上止点时，曲柄转过的角度是实现快进慢回，有利于工作过程

4.输出扭矩的均匀性一般以标定工况评价扭矩不均匀系数

增加气缸数、点火均匀、组件分组、增加飞轮惯量等均可减小扭矩不均匀性。

七、发动机对支承的作用力八、曲轴轴颈和轴承的负荷

1．连杆轴颈的负荷Pq取坐标系固定于连杆轴颈上，有合力大小和方向角为2．连杆轴承的负荷Fp取坐标系固定于连杆上，根据Fp与Fq互为反作用力的关系：Fp=Fq3．主轴颈的负荷多支承曲轴主轴颈负荷不能精确确定，因此假设：任何时刻主轴颈上的负荷只决定于此轴颈左右相邻曲轴上的作用力。将静不定多跨曲轴按单跨梁计算。4．主轴承负荷Fc=-Fz本章开始第三章内燃机的平衡第二节旋转惯性力的分析第三节单列式内燃机往复惯性力的平衡分析第四节双列式内燃机往复惯性力的分析第一节平衡的基本概念返回开始第三章内燃机的平衡第一节平衡的基本概念一、平衡的定义当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而变化，则我们就称此内燃机是平衡的。实际上这种情况不存在。二、内燃机振动的原因工作过程的周期性：发动机扭矩是周期性变化的。机件运动的周期性：旋转惯性力、往复惯性力是周期性变化的。三、不平衡的危害引起车辆的振动，影响乘员的舒适性、驾驶的平顺性。固定式内燃机的振动，会缩短基础或建筑物的寿命。产生振动噪音、消耗能量、降低机器的总效率。引起紧固连接件的松动或过载、引起相关仪器和设备的异常损坏。四、研究平衡的目的和采用的方法通过内燃机平衡性的分析，为分析和选型提供依据。寻求改善平衡性的措施，这些措施一般包括：采用适当的气缸数、气缸排列和曲拐布置；加适当的平衡重；用适当的平衡机构。

方法主要包括：1．解析法任取一个坐标系，求各力和力矩在该坐标系中的投影之和。若∑F＝0，∑M＝0，则该力系是平衡的，反之不平衡。2．图解法作力和力矩多边形，如多边形封闭则力系是平衡，反之不平衡。本章开始第二节旋转惯性力的分析旋转质量旋转惯性力、静平衡和动平衡质心在旋转轴上动平衡静平衡二、旋转惯性力平衡分析

为使动平衡：1.单拐曲轴2.三拐曲轴（1－3－2，四冲程或二冲程)①作曲柄侧视图及轴侧图②图解法对三个缸作离心力的矢量图是静平衡对O点（最后一拐中心）取矩，作力矩矢量图整体平衡方法3.四拐曲轴四拐空间（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FrFrFrFr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12435四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利用矢量投影求和的代数方法，求离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轴的投影和为合力矩为合力矩的方向与y轴的夹角为平衡块质径积为4.六拐曲轴六拐曲轴的平衡性很好，但是也存在内弯矩和轴承负荷问题。因此六拐曲轴也要合理布置平衡重。方案有如图所示几种。本章开始第三节单列式内燃机往复惯性力的平衡分析几个基本概念2．往复惯性力始终沿气缸轴线作用，大小和方向按简谐规律变化，力矩总是作用在气缸中心线与曲轴中心线组成的平面内。都是不平衡的自由力，如果不采取平衡措施，就会传到支承上，引起纵向振动。1.往复惯性力可以用旋转矢量表示为3．单缸机往复惯性力的平衡分析都没有平衡，需要采取平衡措施。1.双轴平衡法对于一阶惯性力，用两根平衡轴四个平衡重(或两个)对于二阶往复惯性力采用类似方法平衡关系为：单缸机双轴同向平衡机构2.过量平衡法（0<ε<1）从中消去α得到当过量平衡率ε=0.5时，合力矢量变成一个常数的圆，方向与曲柄半径方向相反。现在高速小型发动机的过量平衡率有取较小值（ε=0.15~0.2）的趋势2.单轴平衡法要求e1、e2尽可能小，以保证附加力矩M尽可能小。当平衡轴与曲轴水平对齐时，仍然存在不平衡力矩。单轴平衡法多缸机往复惯性力平衡分析12121212a曲柄侧视图曲轴布置图一阶曲柄图二阶曲柄图单列式两缸机（发火顺序1－2－1，四冲程是不均匀发火）图解法λC

λC整体平衡法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。如右图所示单列式三缸机（1－3－2）作曲柄图和轴侧图作惯性力矢量图三拐曲轴一、二阶曲柄图和轴侧图一阶惯性力二阶惯性力得到FRjⅠ=0FRjⅡ=012312330O作力矩图MjⅠmax=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30Obmprpmpmpmprp

三缸机一阶往复惯性力矩单轴平衡机构三缸机一阶往复惯性力矩双轴平衡机构单列四冲程四缸机（1－3－4－2）作曲柄图和轴侧图141234

23一阶曲柄图二阶曲柄图惯性力分析2aC3aCaC单列二冲程四缸机（1－3－4－2）

作曲柄图和轴侧图出现在上止点前整体平衡方法：得到FRjⅠ=0FRjⅡ=0单列四冲程五缸机（1—2—4—5—3）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。四冲程五缸机一阶往复惯性力矩分析一阶力矩各矢量在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二阶往复惯性力矩分析二阶往复惯性力矩的合力矩幅值为与水平轴的夹角为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λ（λ≈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。二阶往复惯性力矩分析与平衡措施平衡轴的质径积为平衡轴上的平衡块两两相反，对称布置单列四冲程六缸机（1－5－3－6－2－4）惯性力分析：惯性力矩分析：相当于两个三拐曲轴对称安置，在自身已经达到静平衡和动平衡性的曲轴上添加平衡重，目的是减轻轴承负荷和减小曲轴的内弯矩。5，21，63，4本章开始第四节双列式内燃机往复惯性力的分析

一、V型两缸机平衡分析1.离心惯性力的分析与单拐曲轴平衡方法一样2.一阶往复惯性力的平衡分析合力为：合力的方向为：的端点轨迹是一个椭圆γ<90o时C(1+cosγ)为长半轴γ>90o时C(1-cosγ)为长半轴γ＝90o时是一个圆变成方向始终与曲柄重合的旋转惯性力平衡措施，以γ<90O

为例取分力较小的分解方案旋转矢量直接用平衡块平衡,与单缸机一样OA=C(1-cosγ)AB=(OD-OA)cosα＝[C(1+cosγ)－C(1-cosγ)]cosα＝2Ccosγcosα平衡往复惯性力的质径积计算往复矢量用兰氏机构平衡当γ＝90°时，FRjI＝CΦI=α与单缸机旋转惯性力的平衡方法一样，总质径积为：3.二阶惯性力平衡性分析在坐标轴上的投影为也是椭圆γ＝90O时变为水平方向的往复惯性力，可以用兰氏机构平衡例：V型八缸机（V-8）平衡性分析（γ＝90°）

V型八缸机用空间曲轴的较多，分析一阶往复惯性力和力矩先将其看成四台V－2机，γ＝90O时，每台V－2机的FjⅠ＝CΦⅠ=α四台V-2机的RjⅠ构成一个离心力系，按照与二行程四缸机一样的分析方法：二、V型多缸机平衡性分析所以，在采用整体平衡法时有因为，各拐原离心力所构成的离心力矩为分析二阶往复惯性力和力矩先看成两台空间曲轴的四缸机∵直列空间曲轴四缸机的二阶往复惯性力和力矩都等于零∴两台四缸机的二阶往复惯性力和力矩也都为零，即V－8机的二阶往复惯性力和力矩都为零。本章开始对于四冲程V型六缸机，气缸夹角γ=60°理想发火间隔角A=720°/6=120°气缸夹角γ=90°时，点火间隔为90°—150°气缸夹角γ=120°时，点火间隔为120°，均匀点火三、V型发动机的点火间隔及顺序V型发动机的点火轮换方式：有交替式和填补式两种（1）交替式左右两缸轮流点火，通常每列气缸的点火顺序相同2L2R30°30°30°120°120°LR1L3L1R3R为使γ≠120°气缸夹角的V型六缸机均匀点火，现多采用错拐的曲轴的型式γ=90°当气缸夹角时，需要采用同一连杆轴颈错拐30度的结构。左列L1L3L4L2右列R1R3R4R2对于V型八缸机，理想发火间隔角A=720/8=90o当气缸夹角γ=90°时，A=90°均匀点火。

当气缸夹角γ=60°时，A=60°—120°交替不均匀点火。（2）填补式左右两列气缸的点火顺序不同；每列气缸的点火间隔不均匀。左列L1L4L3L2L1右列R1R4R2R3R1对于V型八缸机，空间曲轴，气缸夹角γ=90°发火间隔角A=90°，均匀点火第四章曲轴系统的扭转振动第一节扭振的基本概念返回开始第二节扭振系统自由振动计算第三节强迫振动与共振第四节曲轴系统的激发力矩第五节曲轴系统的强迫振动与共振第六节扭振的消减措施第七节扭转振动的现代测试分析方法第四章曲轴系统的扭转振动

第一节扭振的基本概念

扭振：使曲轴各轴段间发生周期性相互扭转的振动。现象：①发动机在某一转速下发生剧烈抖动，噪音增加，磨损增加，油耗增加，功率下降，严重时发生曲轴扭断。②动机偏离该转速时，上述现象消失。原因：①曲轴系统由具有一定弹性和惯性的材料组成，本身具有一定的固有频率。②系统上作用有大小和方向呈周期性变化的干扰力矩。③干扰力矩的变化频率与系统固有频率合拍时，系统产生共振。研究目的：通过计算找出临界转速、振幅、扭振应力，决定是否采取减振措施，或避开临界转速。扭振当量系统的组成：根据动力学等效原则，将当量转动惯量布置在实际轴有集中质量的地方；当量轴段刚度与实际轴段刚度等效，但没有质量。本章开始第二节扭振系统自由振动计算一、单自由度系统弹性力矩惯性力矩此二阶线性齐次方程的解为：二、三质量扭振系统

I1I2I3C2C1a3a2a1单节点振型

a3a2a1双节点振型

运动微分方程整理得到设通解此时应为同步运动。代入方程得若有非零解，必须系数行列式为零展开，整理后对于求出的两个正根；

设，可得到对应，有第一主振型a3a2a1单节点振型

a3a2a1双节点振型

对应，有第二主振型三、多质量扭振系统I1I2I3C2C1Cn-1Cn-2In-2In-1In经过整理得到用矩阵形式表示的自由振动微分方程组：这是一个标准的二阶微分方程矩阵形式，可以很方便地用矩阵求解的方法解出固有频率和振型。本章开始第三节强迫振动