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內燃機動力學

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研究內燃機運轉中的力學現象的科學。其主要任務是研究分析內燃機運轉時各主要零件的運動規律及其受力情況,用以作為內燃機零件設計、計算的依據。它還研究這些力對內燃機動力裝置的影響及其消減方法。內燃機動力學的主要內容為曲柄連桿機構運動學、曲柄連桿機構動力學和內燃機平衡分析等。

1 內燃機動力學 -內燃機動力學

 

2 內燃機動力學 -正文

  研究內燃機運轉中的力學現象的科學。其主要任務是研究分析內燃機運轉時各主要零件的運動規律及其受力情況,用以作為內燃機零件設計、計算的依據。它還研究這些力對內燃機動力裝置的影響及其消減方法。內燃機動力學的主要內容為曲柄連桿機構運動學、曲柄連桿機構動力學和內燃機平衡分析等。
  曲柄連桿機構運動學  研究曲柄、連桿,尤其是活塞的運動規律。活塞作周期性往複運動時的位移x、速度v和加速度a可用下述各式近似求算

內燃機動力學

式中α為曲軸轉角;ω為曲軸旋轉角速度;r為曲柄半徑;λ為曲柄半徑r與連桿長度l之比,即
         λr/l
  曲柄作迴轉運動,連桿作複雜的平面運動。連桿的運動往往被簡化分解為隨活塞組的往複運動和隨同曲柄的旋轉運動。
  曲柄連桿機構動力學  研究分析曲柄連桿機構(見曲柄滑塊機構)在運動中力的生成、傳遞和輸出。作用在曲柄連桿機構上的力有曲柄連桿機構運動時產生的往複慣性力和離心慣性力,以及內燃機氣缸內的氣體壓力。
  往複慣性力 

內燃機動力學

式中內燃機動力學為曲柄連桿機構中作往複運動的部件的質量,它包括活塞組(活塞、活塞環和活塞銷等)的質量內燃機動力學和連桿換算在小頭中心部分的質量內燃機動力學

內燃機動力學

內燃機動力學為連桿質量;lB為連桿重心至連桿大頭中心的距離。
  往複慣性力是由若干簡諧力組成的,但在工程計算中取一級往複慣性力內燃機動力學與二級往複慣性力內燃機動力學之和。
  離心慣性力  用Fr表示,

Fr=mr2

式中mr為曲柄連桿機構作旋轉運動的不平衡質量,它包括曲柄銷的質量和換算到曲柄銷中心的曲柄不平衡質量、連桿換算在大頭中心部分的質量內燃機動力學

內燃機動力學

lA為連桿重心至連桿小頭中心的距離。

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  氣體壓力  用內燃機動力學表示,可從內燃機示功圖中直接得到。氣體壓力向下推動活塞,經活塞銷、連桿、曲柄銷、主軸頸傳遞給主軸承,它與向上推氣缸蓋的力恰好大小相等、方向相反,在機體內達到平衡,並不傳到機外。
  作用在曲柄連桿機構上的力及其傳遞  往複慣性力內燃機動力學和氣體壓力內燃機動力學的合力F=內燃機動力學+內燃機動力學傳遞給活塞銷(圖1),分解為垂直於氣缸壁的側壓力FNFtgβ和沿著連桿軸線的力FtF/cosβFt傳遞到曲柄銷,分解為沿著曲柄方向的徑向力Z=Fcos(α+β)/cosβ和垂直於曲柄的切向力TFsin(α+β)/cosβ。切向力相對於曲軸軸線構成內燃機的輸出力矩

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Ft傳到主軸頸,分解為沿氣缸軸線方向的力Z′=Z和垂直於氣缸軸線的力F囘=-FNF囘與FN大小相等、方向相反,它構成內燃機輸出力矩的反轉矩

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與輸出力矩Μ同時存在。反轉矩Μ′通過機體傳到機外。
  內燃機平衡分析  若內燃機在穩定工況下傳給機架的力和力矩的大小、 方向不變, 則這樣的內燃機稱為平衡的內燃機。單缸機不平衡的力和力矩有往複慣性力內燃機動力學內燃機動力學+內燃機動力學、離心慣性力Fr和反轉矩Μ′。這些力和力矩周期性地變化並作用在機架上,激起振動,影響機器附近人員的舒適,也影響結構的可靠性和機器的經濟性。
  單缸機的平衡措施  對於離心慣性力,只要在曲柄的對側加置適當的平衡塊,使離心力與機器的離心慣性力相等即可達到平衡的目的。對於往複慣性力,採用上述簡單平衡塊只能使不平衡的力轉移到與氣缸軸線相垂直的平面,達不到平衡的目的。但人耐受水平方向振動的能力優於垂直方向振動的能力,所以在實際生產中往往採用這種簡單平衡塊法。對於要求高的機器,常採用蘭徹斯特平衡機構(圖2)。它是採用一對大小相等、旋轉方向相反的平衡塊,若其轉速與曲軸轉速相等,而相位差180°,則可使其離心慣性力在氣缸軸線方向的分力恰好與機器的一級往複慣性力相平衡;與氣缸軸線相垂直平面上的分力自相抵銷。若再加一對轉速為曲軸轉速兩倍的平衡塊,即可平衡機器的二級往複慣性力。

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  多缸內然機的平衡分析  多缸機平衡分析可用空間力系的方法處理,其平衡情況如下表所示。表中「O」表示已平衡;「X」表示不平衡。

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  多缸機的平衡措施  簡單平衡塊和蘭徹斯特平衡機構對多缸機的平衡作用,與對單缸機的作用相同。若使蘭徹斯特平衡機構的平衡軸兩端平衡塊相位差180°,即可用以平衡往複慣性力矩。

 

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