多缸柴油机的惯性力矩
直列四缸柴油机二阶往复惯性力平衡机构开发研究
小。
由于二阶往复惯性力的振动频率小于 １ ０ ０ Ｈ ｚ ， 其本身辐射的噪声频率低， 所以 其本身辐射 的噪声对发动机噪声没有贡献 （ 或被其它噪声淹没） ； 但由于二阶往复惯性力导致的振动通过活 塞敲击气缸体， 从而使气缸体辐射出 高频声， 同时通过曲轴传递给正时齿轮， 使其辐射出 齿轮敲 击高频声， 以 及通过凸轮轴使配气机构辐射出 高频声等； 可见二阶往复惯性力的振动会导致发动 机的噪声增加。
直列四缸柴油机二阶往复惯性力平衡机构开发研究
郑忠法 郑国世
（ 东风汽康明斯发动机有限公司，湖北 襄类 ４ ４ １ ０ ０ ４ ） 【 摘要】本文介绍了 二阶往复惯性力平衡机构在 Ｅ Ｑ Ｂ １ ４ ０ － １ １直列ｅ ｖ 杠ｃ ９ 冲程莱油机上的试脸研究成果．证明二 阶往复惯性力平街机构可以大福度地降低直列四 扛四冲程柴油机的振动和噪声． 关锐词：二阶往复惯性力 平衡机构 直列四 缸四冲程柴油机 振动嗓声
从 （ １ ） 式可见， 各缸二阶往复惯性力的 相位相同，四缸同时达到最大。 ２ ． ３ ． ３二阶往复惯性力与发动机振动噪声的关系
从上面 可以 看出 二阶 往复 周期性变 化的 惯性力， 单缸最大 值达到３ ３ ４ ． ７ ３ ｋ ｇ 。 因 为各缸二阶 往复 惯性力的 相位相同（ 四 缸同 时达到 最大） ， 因 此， 四 缸总 共的 最大值达到４ Ｘ ３ ３ ４ ． ７ ３ 二 １ ３ ３ ８ ． ９ ２ ｋ ｇ ， 在２ ６ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 时， 垂直方向 上将增加峰值振动加速度为 １ ３ ３ ８ ． ９ ２ ／ ３ ６ ２二３ ． ６ ９ ｇ （ Ｅ Ｑ Ｂ １ ４ ０ － １ １ 柴油机的湿重３ ６ ２ ｋ ｇ ） ， 振动频率为 ８ ７ Ｈ ｚ ， 实测峰值振动加速度值是３ ． ２ ３ ｇ ， 实测值较小的原
柴油机力矩
柴油机的加速性能远不如汽油机？如果有理想的变速系统（或者不用轮式驱动，比如用类似螺旋桨或者喷气的方式驱动，让发动机几乎立刻就能达到最大功率输出），那还是马力大的汽油机加速快，柴油机光扭矩大不行的。
在当前的变速系统的情况下，虽说大家都用地板油，但不是说给了地板油，发动机就立刻能输出最大功率的，它受到车辆惯性通过变速系统反作用回来的牵制，转速上不了这么快。
相同的转速下，如果变速系统和车重相同，扭矩大的发动机，其转速才能更快地上升。
所以一般来说柴油机的中低阶段加速能力要比汽油机高，而且爬坡能力/越野能力也比汽油机的高。
但柴油机功率不如汽油机高，到了中高速阶段，发动机已经处于最大功率转速了，推动能力就是汽油机更强了。
加速取决于功率，这是一个基本概念。
按照牛顿运动第二定律，较大的力和较小的质量会产生较大的加速度。
为了产生加速度，必须以与物体运动速度相同的速度对物体施加力，并持续一段时间。
在一段时间内，以一定的速度施加的力就是功率，所以施加于一个运动物体的加速力取决于在该速度下施加的功率。
当功率和速度已知时，加速力可以直接计算出来，而不需要知道传动比、轮胎直径，甚至发动机转矩。
这种加速力计算方法叫做功率法。
我们也可以按照从传动系统、轮辐再到路面这个过程，通过变换转矩参数来计算加速力。
这种加速力计算方法叫做转矩法。
柴油机在低转速下的扭力很大，加速度也很大，但高转速下汽油机的功率会很快超过同级别的柴油机，所以，柴油机在0-100km/h的加速中会明显落后于同级别的汽油机。
有些车子的低扭比较突出，如大众的1.6 8V/16V、桑塔纳1.6，这说明它低速时动力充沛，起步比较快，并不意味着加速就一定快。
高转速下，功率大的车子加速度很快就会超过功率小的车子。
这也正是为什么马3之类的车子为什么扭矩平平但加速却很快的原因。
物体的加速度跟物体所受的合外力F成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。
功率=扭矩*转速功率反应发动机出力大小，出力大小决定了加速度。
11柴油机的振动与平衡
• 惯性力Pj为一次往复惯性力和二次 往复惯性力的和。 • 一次往复惯性力，可看成往复运动 质量mj在一次曲柄（半径为R，以 角速度ω回转）产生的离心力在气 缸中心线上的投影。也可以想象为 两个回转质量为mj/2，回转半径为 R的质点，自上止点起同步反向， 以角速度ω回转，产生的离心力的 合力，如图所示。这两个离心力的 水平分力相互抵消，其合力为两个 垂直分力之和。一次往复惯性力引 起的振动是沿气缸中心线方向上、 下振动。 • （平衡原理如图所示，也用两个质 量为mj/2，回转半径为R的质点， 自下止点起同步反向，以角速度ω 回转。）
• 连杆力分量Pcj传向曲柄销后，分解成曲柄 切向力PTj及曲柄法向力PNj，它们的方向 与气体力法向分量PN及气体力切向分量 PT的方向正好相反；即在图示位置由于往 复惯性力的存在，会减小曲柄销上切向合 力及法向合力。
18
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连杆力分量Pcj传向主轴承后，分解成气 缸轴线方向分量及水平分量；气缸轴线方向 分量的大小就与活塞往复惯性力Pj相等，而 水平分量的大小与气缸套上的水平分量PHj 相等。也就是说，活塞往复惯性力通过曲柄 连杆机构传到了机体上。 综合上述往复惯性力的传递过程，可知： （1）在主轴承上作用着不平衡往复惯性 力Pj，它将引起柴油机上下振动。 （2）往复惯性力使得柴油机颠覆力矩、 气缸侧推力及曲柄销的法向力在气缸压力较 大时有所减小。 （3）往复惯性力虽使柴油机输出力矩在 上止点附近有所减少，但是在下止点附近又 使其有所增大，故总体不影响输出功率。 （4）柴油机的颠覆力矩是输出扭矩的反 作用力矩，与输出扭矩大小相等、方向相反。
第三十七讲
• 1、连杆替代系统有哪三个条件？ • 2、分析曲柄连杆机构气体力和惯性力、离心力 • 3、柴油机工作时产生振动作用力的来源有哪些？
柴油机的振动与平衡
反，而形成的“颠覆力矩”将使柴油机倾倒。 ***柴油机的往复惯性力最终通过主轴承使柴油机产生上、下跳动的效 应。同时，往复惯性力也将使柴油机产生颠覆力矩，使柴油机有左右倾 倒的趋势。 ***柴油机的离心力将使柴油机形成上、下、左、右跳动的作用力，而 连杆力偶则是使柴油机产生左右摇摆的力矩。 *****以上几种作用力或力矩都是周期性地发生变化的。因此，但柴油 机运转时，这些周期性变化的力或力矩将使柴油机产生周期性地跳动或 摇动，这就是柴油机运转时引起共振的根源。
***颠覆力矩平衡： 颠覆力矩由固定基座螺栓承受。 ***连杆力偶平衡： 一般可忽略而不采取平衡措施。 2．多缸柴油机的平衡： 柴油机机体减振指的是消除或减轻柴油机机身在支承上的整体振动即 外部振动。 外部平衡与内部平衡： ***对多缸柴油机，如果采用适当的曲柄排列，可达到“外部平衡”。但 是，曲轴不是一个刚体，而是弹性体。曲轴在惯性力的作用下回发生变 形。由于主轴承阻碍这种变形，致使主轴承和机座受到力和力矩的作 用，而当机体刚度不足时，同样会产生或引起振动。因此，在分析柴油 机的平衡特性也就是它的振动力源时，不但要关心它的外部平衡特性， 还要考虑到机身内部的受力情况。如果它的内部受力过大，仍然要引起 变形和振动。 ***我们把考虑机身内部受力情况的平衡称为柴油机的“内部平衡”。通 常以柴油机达到某种程度的外部平衡后，曲轴所受的最的大的弯曲力矩 （也称内力矩）来表征柴油机内部的平衡性。使曲轴所受的最大弯曲力 矩限制在安全范围内的平衡措施，即为内部平衡。 离心力及离心力矩的平衡： 在单列多缸柴油机中，一般多采用均匀分布的曲柄排列方案，因此合 成离心力都是自行平衡的。但是，还可能存在不平衡的合成离心力矩。 不平衡合成离心力矩的平衡方法，一般可归纳为四种： ***各缸平衡法： 这是最彻底的平衡方法，即在每一曲柄上都装两块反向安置的平衡 重，以平衡掉每个曲柄的离心力。由于每个曲柄的离心力都消失了，自 然就不存在总的不平衡合成离心力矩和不平衡合成离心力。 这种方法优点很多，不但作到了外部平衡，同时也作到了内部平衡， 使柴油机的机身和曲轴受力情况最佳，但这种方法的平衡重数量多，重 量较大。 ***分段平衡法： 将曲轴分成两段（或数段），而后分别对各段所存在的合成不平衡离 心力矩采取平衡措施。这是一种折衷方案，平衡并不彻底。 ***整体平衡法： 在曲轴首尾两个曲柄上各加一对方向相反的平衡重块，以消除全部曲 柄的合成离心力矩。它的优点是曲轴重量轻，但内部平衡性差，且平衡 重在曲柄臂上要偏置安装。
3000KW及以上船舶大管轮主推进动力装置试题含答案
【单选】为电子示功器需要标定的内容。
A.上止点位置B.电阻值C.电流值D.电容值【单选】间接传动的优点是。
A.结构简单B.传动效率高C.经济性好斗机动性能提高【单选】螺旋桨的穴蚀主要发生在。
A.叶背边缘B.随边C.叶面边缘D.导边【单选】当代电控喷射二冲程柴油机起动主要是由电磁阀控制实现。
入空气分配器 B.主起动阀 C.起动控制阀 D.气缸起动阀【单选】气缸套内表面在最大燃烧压力作用下，承受的机械应力是。
A.切向压应力，径向压应力B.切向拉应力，径向压应力C.切向压应力，径向拉应力D.切向拉应力，径向拉应力【单选】柴油机冷却水质应处理，这是因为水中含有。
A.碱性B.酸性C.盐分D.杂质【单选】当螺旋桨的进程比4 P=0时，螺旋桨推力和扭矩达到，这相当于工况。
A.最小/顺航惯性滑行B.最小/系泊试验C.最大/系泊试验D.最大/顺航惯性滑行【单选】保证滑动轴承形成流体润滑，不要求。
B.具有合适的轴承间A.保持一定的相对运动速度隙C.较高的加工精度和表面粗糙度D.相适应的滑油数量和TBN1单选】下图所示的晶胞类型为A.体心正方晶胞9 B.体心立方晶胞C.面心立方晶胞D.密排六方晶胞【单选】扭转变形的圆形截面轴，横截面某点处的剪应力与扭矩。
A.成正比B.相等C.成反比D.无关【单选】因交变的机械应力引起的低周疲劳破坏的零件有A.气缸盖B.气缸套C.弹簧D.压力容器【单选】增压二冲程柴油机当增压器损坏无法使用而使用辅助或应急鼓风机时，其运转功率与转速的降低程度主要应考虑的因素是。
1、排气温度^、柴油机振动in、排气颜色w、柴油机运转状态——A. I +11 + III B| I +III+w C. II+III+W D. I + II +w【单选】船轴腐蚀主要发生在。
——人推力轴 B.中间轴 C.尾轴 D.曲轴【单选】不改变柴油机转速，而改变柴油机输出功率（或平均有效压力），这种运行特性称为特性。
——人推进B|.负荷 C.调速 D.速度【单选】金属材料的切削加工性能好，说明在切削时。
D6135CZ-型柴油机说明书之3热力学计算
毕业论文（设计）D6135CZ型柴油机设计The Design of D6135CZ Diesel Engine学生姓名：******指导教师：***********合作指导教师：专业名称：热能与动力工程所在学院：机械工程学院二〇一一年六月附 录附录一 D6135CZ 型柴油机热计算及结果柴油机已知参数缸径 D=135 (mm) 行程 S=140(mm) 缸数 i=6转数 r=1500(r/min) 有效功率 Pe=220Ps 压缩比 ε=16 每缸工作容积 Vh=2.0(L)，Vc=0.133(Ｌ)大气状态 P0=1(2/cm kg )T0=298(K)燃料平均重量成分 C=0.86，H=0.13，O=0.01 燃料低热值 Hu ＝10200(kcal/kg) 燃烧室形式 “ω”形燃烧室 ⒈参数选择根据类似柴油机的试验数据和统计资料，结合本柴油机具体情况，可以选定： ⑴、过量空气系数：a =1.8增压额定工况的过量空气系数，一般均推荐1.6～2.0（直接喷射式），较非增压大10%～30%原因：a)、有利于燃烧过程迅速地完成，增加燃烧产物中的二原子气体含量，可以获得较大的绝热压缩与膨胀指数，减少排气热损失，增加发动机经济性。
b)、在充气状态良好的状态下采用较大的过量空气系数，可以降低主要零件的热负荷，特别是活塞组的热负荷，有利于整机的可靠性以及耐久性。
c)、较大的过量空气系数可以降低发动机的升功率和平均指示压力。
⑵、增压器出口的空气压力：k P =1.51 （2cm kg ）⑶、压缩过程起始压力： a P =0.98K P =1.48 （2cm kg ） (1)一般推荐a P =(0.85～1.1) k P z⑷、增压器进口压力：r P =1.28 （2cm kg ）一般功率较大的增压器大多采用单级涡流式涡轮，效率较高，而从结构的合理性与制造成本方面来看135系列柴油机以采用径流式涡轮较为合理，但涡轮的热效率较低，故所取r P 值稍大。
三缸发动机平衡性力学计算
三缸发动机平衡性力学计算李小坚;谈健;胡昌良;常耀红【摘要】为了响应汽车节能减排的号召，各大主机厂纷纷研究高性能低排量的三缸发动机，三缸发动机自身平衡系统的往复惯性力及相应力矩的不平衡性，直接影响整车的舒适性，本文通过对三缸发动机运动学、动力学和平衡进行分析和计算，表明采用单平衡轴和曲轴过平衡设计的方法，使整机旋转惯性力和一阶往复惯性力得到最大程度的平衡，减小振动，同时为曲轴和平衡轴的加工制造提供数据支撑。
%Based on muti-body dynamics method, the elastic hydrodynamic model is established which can be used to analyse the lubrication characteristics of connecting rod big-end bearing of an inline4-cylinder inner combustion engine. The parameters are calculated and analyzed in detail, including peak total pressure, peak asperity contact pressure, mean friction power loss and so on. Based on the dynamic results, the inertia force, the piston pin block force and the oil film pressure of the connecting rod under the typical rotating speed as the dynamic load, the static strength analysis of the connecting rod is carried out.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2016(000)008【总页数】5页(P198-201,228)【关键词】三缸发动机;曲轴;平衡轴;当量质量【作者】李小坚;谈健;胡昌良;常耀红【作者单位】安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601;安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601;安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601;安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥230601【正文语种】中文【中图分类】U46410.16638/ki.1671-7988.2016.08.064CLC NO.: U464 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)08-198-05目前人们对汽车舒适性的要求越来越高，同时响应环境保护的号召，实现2020年5L/100KM的油耗目标，各大主机厂纷纷开始研究小排量高性能的三缸发动机，而往复活塞式发动机平衡系统的优劣是影响整车平顺和舒适性的一个重要因素，由于三缸发动机自身平衡系统的特殊性，其往复惯性力和往复惯性力矩的不平衡，直接引起车辆的振动，影响行车的安全和舒适性，同时要又要满足发动机布置的紧凑性，因此如何使三缸发动机在结构上不过于复杂，同时又能满足动力性和平衡性要求就具有十分重要的意义，本文结合一台三缸发动机曲柄连杆机构平衡系统的设计，提出三缸发动机平衡系统和结构的一般设计和分析方法。
1 三缸发动机平衡机构和不平衡力与力矩的输入
1. 三缸发动机的平衡：
不平衡时的力矩
平衡机构确认：
在每个曲柄臂分别加一个平衡重m r ，用来完全平衡旋转惯性力矩；在曲轴两端的皮带轮和飞轮上分别斜置一个平衡重m j ，用来完全平衡一阶往复惯性力，布置方式如图1示。
不加平衡轴，且不对二阶往复惯性力矩进行平衡。
图1 三缸发动机的平衡重的布置方式
问题：１）采用这种平衡方式，根据我们的分析，不可能把旋转惯性力和力矩完全平衡掉。
采用这种平衡以后，不平衡的力矩见下表。
曲轴加平衡质量后三缸机受到的不平衡力矩（2j C m r ω=）
产生力矩的分力
不平衡力矩y M 不平衡力矩z M 旋转惯性力
0M yr = 0M zr = 一阶往复惯性力
13cos(30)1（）M C a yj εα=-⋅⋅- 3sin(30)1M C a zj εα=-⋅⋅- 二阶往复惯性力 3cos(230)2M C a yj λα⋅⋅⋅+ 02M zj =
２）只有加一阶的平衡轴，可以一阶的往复惯性力矩完全平衡掉。
上表中1εε和 取0.5，也就是曲轴上的平衡重和平衡轴上的平衡轴各平衡My50%，这样由于1阶往复惯性力产生的力矩完全平衡了
３）是否可以给几张你们目前采用的平衡方式的图片（白底），这样就清楚了。
2. 不平衡力和力矩的输入
问题：你目前可以给我们提供那些计算用的参数用于计算不平衡的力矩？或者直接给出不平衡的力与力矩？
我们需要的是：在不同发动机转速的时候，作用于发动机的三个方向的力和力矩。
或者，你们目前计算不平衡量的输入输出参数给我们，我们计算Fx ，Fy ，Fz, Mx ，My ，Mz 。
然后将我们的计算结果与你们的进行对比。
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﹒是气体力 Fg和往复惯 性力Fj在曲柄 连杆机构的 传递过程中 产生的. ﹒ MD的大小 和方向交变 ，使柴油机 产生左右摇 摆性振动（ 横向振动） 。
由连杆运动 产生的，作 用在连杆摆 动平面且大 小、方向交 变的一个不 平衡力，引 起柴油机左 右摆动。 因数值较小 ，引起的振 动不大
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2.单缸柴油机的平衡
为消除振动，安装平衡补偿装置-----设 置一些偏心质量，让它们以和柴油机激 振频率相同的转速旋转，产生补偿力或 力矩以抵消柴油机的不平衡力（力矩） 。具有这种平衡补偿作用的装置，统称 平衡器。 （1）回转惯性力（离心力）FR的平衡 （2）往复惯性力Fj的平衡。 得到平衡一次往复惯性力和二次往复惯 性力的方法（正反转矢量平衡法），其 原理如图（a）、（b）。 使m1r1ω2= mjRω2/2，即m1r1 = mjR /2； 并且使m2r2(2ω)2=mjRλ(2ω)2/4， 即m2r2 = λmjR /4
任务10.1 柴油机的振动与平衡
项目介绍
知识目标
掌握柴油机主要运动件的 受力和运动特点；熟悉柴 油机产生振动的形式和机 理；掌握柴油机振动平衡 的基本措施。
能力目标
具备识别柴油机各种 振动并采取相应减避 振措施的基本能力。
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任务10.1 柴油机的振动与平衡
10.1.1活塞、连杆的运动及受力
4.连杆的运动 R sin L sin
arcsin1 ( sin )
上式对时间微分可得到连杆摆动的角速度为
1 a cos sec
1 (1 2 ) 2 sin sec3 )
(1) sinα达最大值时，β也达到最大 值；（2）cosαsecβ达最大值时； （3）当α＝90°或α＝270°时， sinαsec3β达到最大值时，所以角加 速度ε1达到最大值。
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10.1.1.1活塞连杆的运动（由活塞（或活塞十字
头组件）、连杆和曲轴组成的运动机构称为曲柄连杆机 构） 1.活塞的位移x--- B点沿着气缸中心线在上下止点O´和 O〞之间作往复运动，它与上止点O´间的距离
假设曲柄按顺时针方向运动,从图 中的几何关系可以得出
连杆
x L R ( R cos L cos ) R(1 cos ) L(1 cos )
3.切向力FT和法向力Fz
FT FL sin( ) F
Fz FL cos( ) F
图10-3 曲柄连杆机构受力分析
sin cos
cos cos
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4.柴油机的输出力矩和倾覆力矩
输出力矩作用在柴油机之外被驱动 的机械上(如螺旋桨、发电机），而 倾覆力矩则作用在柴油机机体上,二 者不能抵消.
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10.1.2柴油机的振动与平衡
10.1.2.1柴油机振动的危害-----产生撞击、变形，影响可靠性、耐久性；使工作条件恶化，损害 健康，甚至因疲劳而酿成事故；对于大型低速柴油机可能引起船体振动，危害船舶安全。 消减振动------平衡法。采用某种形式的平衡器以消除或减小引起振动的不平衡力（力矩）。 10.1.2.2单缸柴油机的振动与平衡 1.单缸柴油机中的振动（它们引起的振动通过柴油机的支撑传递出来，造成整机的振动）
4
可见, ，活塞位移v可看成 由v1和v2两个速度叠加而成 (v＝v1+v2, v1＝Rωsinα, v2 ＝2λRωsin2α/4)
3.活塞的加速度a
活塞加速度度a＝dv/dt，由活塞速度对时间的微分得活塞加速度的近似公式 为
a R 2 cos R 2 cos2
可见，活塞位移a也可 看成由a1和a2两个速 度叠加而成(a＝a1+a2, a1＝Rω2cosα, a2＝ λRω2cos2α)
柴油机在一定的工况下运转时，活塞作往复运动，曲轴作回转 运动，连杆小端随活塞作往复运动，连杆大端随曲柄销作回转运动 ，杆身绕销或十字头销摆动，曲柄连杆机构这种复杂运动，必然要 产生周期性变化的不平衡力和力矩。 船舶推进轴系在实际运转中受到各种冲击和激振力或力矩的作 用，可能引起轴系损坏或影响船舶正常航行。对柴油机动力装置， 主要有以下几种激振力： （1）柴油机气缸气体力、运动部件惯性力与重力等产生的作用在 曲轴、曲柄销上的交变切向力和径向力。 （2）螺旋桨在径向和周向都很不均匀的三维伴流场中运转时所受 到的交变纵向和横向推力和力矩。 （3）轴系部件运转时产生的激振力和力矩。
简化得
x R(1 cos )
R (1 cos 2 ) 4
OA为曲柄
式中，α为曲轴转角；β为连杆摆角；λ为连 杆比，表示曲轴半径与连杆长度之比，即λ ＝R/L，一般λ＝1/3~1/5。
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2.活塞的速度v
活塞速度v＝dx/dt，由活塞位移对时间的微分得活塞速度的近似公式 为 R v R sin 2 sin 2
切向力FT对曲轴中心线形成的力矩 FT· R为柴油机的单缸输出力矩。多 缸柴油机的总切向力ΣFT等于各缸 切向力之和，其对曲轴所产生的回 转力矩即为曲轴的输出力矩ΣFT· R ，其大小也是交变的。 曲轴在回转中角速度的变化情况用 回转不均匀度δ来表示，回转不均匀 度表明柴油机回转的不稳定程度(柴 油机气缸数目越多，转动惯量越大 回转不均匀度越小).
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（3）倾覆力矩MD------MD无法平衡， 只能依靠强大的地基由机座的地脚螺 栓来承受） （4）连杆力偶ML----一般都忽略其影 响，不采取平衡措施
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10.1.1.2曲柄连杆机构的受力分析--主要有气体力Fg、往复惯性力Fj、回转惯 性力FR和连杆力偶ML
1.合力F
在活塞上作用的气体力Fg和往复惯性力Fj 的合力F为F＝Fg+Fj，合力F作用在气缸 中心线连杆小端处.
2.侧推力FN与连杆推力FL FN F tan FL F / cos