曲軸動平衡活塞連桿組當量質量的計算

1、第19卷第4期1999年10月西安公路交通大學學報Jou rnal of X i an H ighw ay U n iversityV o l 119N o 14O ct .1999收稿日期:1998203212作者簡介:周維新(19642,男,山東榮成人,西安公路交通大學講師曲軸動平衡活塞連桿組當量質量的計算周維新(西安公路交通大學汽車工程學院,陜西西安710064摘要:闡述了發(fā)動機曲軸動平衡試驗時在曲柄銷上需加裝當量質量的原因,并提出了在曲軸動平衡試驗時當量質量的計算方法。為曲軸動平衡試驗提供理論基礎。關鍵詞:曲軸動平衡;活塞連桿組;當量質量中圖分類號:U 464.133文獻標識碼:ACa

2、 lcula tion of the Egu iva len t R i ng M a ss of P iston Connecti ng Rod Un itfor Crankshaf t D ynam ica l Equ il ibr iu mZH OU W ei 2x in(Co llege of A utomobile Engineering ,X i an H ighw ay U niversity ,X i an 710064,Ch ina Abstract :T he reason w hy crank shaft m u st be equ i pped the equ ival

3、en t ring at the crankp in w hen the dynam ical equ ilib rium test is m ade is po in ted ou t .T he m ethod to calcu late the m ass of the e 2qu ivalen t ring of som e typ e engine is p resen ted fo r p roviding the theo retical basis fo r the dynam i 2cal equ ilib rium test of crank shaft .Key word

4、s :crank shaft dynam ical equ ilib rium ;p iston connecting rod un it ;equ ivalen t m ass曲軸由于制造、修理誤差造成質量不平衡是引起發(fā)動機振動的主要原因。因此,曲軸在制造或修理后必須進行動平衡試驗,使其不平衡量控制在允許范圍之內。但有些發(fā)動機是通過在曲軸上設置平衡重塊來平衡活塞連桿組的一次慣性力或力矩,從而其曲軸被設計為不平衡曲軸,對這一類曲軸在進行動平衡試驗時,必須加裝模擬活塞連桿質量的當量環(huán)。當量環(huán)的質量可根據活塞和連桿的質量計算得到。1曲柄銷加裝當量質量原因分析下面通過對2種發(fā)動機的平衡分析來說明哪些

5、發(fā)動機曲軸動平衡試驗時需在曲柄銷上加裝當量質量。對于發(fā)火次序為1243的直列四沖程發(fā)動機,由不平衡系數表1知其活塞連桿質量的一次慣性力和慣性力矩、二次慣性力矩已平衡,只有二次慣性力未平衡,合力通過曲軸傳給缸體,并以2倍曲軸轉速的速率改變著大小和方向,從而使發(fā)動機振動。由于二次慣性力較小,一般不作平衡。如要進行平衡,也只有在氣缸體或油底殼中設置2根轉速為曲軸轉速2倍,轉向互為相反的平衡軸來實現。因此發(fā)動機的曲軸上沒有為平衡活塞連桿質量的慣性力或力矩而設置的重塊,也就沒有人為的不平衡質量,在動平衡試驗時也不會由于不帶活塞連桿而出現不平衡力或力矩,也就無需加裝模擬活塞連桿組質量的當量質量。對于發(fā)火次

6、序為1342的直列二沖程發(fā)動機,由不平衡系數表知其活塞連桿質量的一次和二次慣性力已平衡,一次和二次慣性力矩未平衡,合力矩通過曲軸傳到氣缸體,使發(fā)動機產生振動。對于平衡二次慣性力矩的方法與上述中平衡二次慣性力的方法相似,不同的只是每根平衡軸上有2個平衡重塊,置于軸兩端,方向相反。一次慣性力矩由2部分組成。一是連桿大端回轉質量離心力所形成的離心力矩,這部分力矩可通過在每個曲臂上或兩端處的曲臂上設置適當的平衡重塊來平衡。另一部分是由連桿小端和活塞的往復質量慣性力所形成的力矩,平衡這部分力矩的方法之一是在氣缸體或油底殼中設置2根轉速與曲軸相同,轉向互為相反的平衡軸來實現,此法機構復雜,一般不用。另一方

7、法是部分平衡,即將與曲軸同向旋轉平衡軸上的平衡塊質量轉設在各個曲臂上或兩端處的2個曲臂上來作部分平衡2。這一次慣性力矩平衡的結果(對后1種平衡方法而言,在曲軸上產生了人為的不平衡質量,在發(fā)動機工作時,這人為不平衡質量產生的離心力矩與連桿活塞往復運動產生的部分一次慣性力矩相平衡,起到了平衡發(fā)動機的作用。在曲軸動平衡試驗時,由于不可能帶活塞連桿,這人為不平衡質量的離心力成為不平衡力系,但還得將其保存下來,所以,必須在曲柄銷上加裝模擬活塞連桿質量的當量環(huán)。當量環(huán)產生的離心力或力矩與平衡重塊質量所產生的離心力或力矩相平衡。由上所述可知,對于一次慣性力或力矩未平衡,并已通過在曲臂上設置平衡重塊進行了平衡

8、的發(fā)動機,其曲軸在動平衡試驗時,需要在曲柄銷上加裝模擬活塞連桿質量的當量環(huán)。2活塞連桿組當量質量計算下面通過對活塞連桿組動能分析,計算其當量圖1曲柄連桿機構運動簡圖質量?；钊瓦B桿是轉動物體,但它們被曲軸帶動,對曲軸的轉動和扭振會產生振動效應,均屬于同一扭振系統。在曲軸轉動1周的過程中,活塞連桿的速度是變化的,其動能隨曲柄轉動位置的不同而不同,為方便起見,可把它折合成1個平均的當量動能,采用的方法是把連桿的質量分割成2部分,分割集中在連桿的大頭和小頭上,這樣就把作平面運動的連桿簡化成為1個作往復運動的質量和1個作圓周運動的質量。設往復質量為m 1,它包括活塞質量和連桿小頭質量;回轉質量為m 2

9、,即連桿大頭質量(包括連桿軸瓦質量,如圖1所示。求活塞連桿組當量轉動質量時,折合的原則是使當量轉動的動能與曲軸轉動1周活塞和連桿的平均動能相等3。在任一瞬時,活塞連桿組的總動能為T =12m 1v 21+12m 2v 22(1其中v 1R sin +2sin2=R L ,=t ,v 2=R 曲軸轉動1周活塞連桿組平均動能為T 3,則有T 3=1220T d (2又設當量動能為T e ,活塞連桿組折合到曲柄銷上的當量質量為M則有T e =12M 2R2(3令T e =T 3,并將式(1代入式(2,得到M =12R 22T d =122R 22m 1R 22sin +2sin22+m 2R 22d

10、 積分結果為M =m 2+m 1 2+2m 1 8一般內燃機中,=1 31 6,所以2的值很小,上式中最后1項可略去,于是M =m 2+m 1 2=m n +(1+k m s 2(4式中:m n 為活塞和活塞銷質量;m s 為連桿質量;k 為連桿大頭質量與連桿質量之比。要得到M 值,必須進一步確定k 值。k 值的確定可由復擺法確定連桿質心的位置得到。如圖2所示,先把連桿小頭孔掛在刀口上,使連桿作微幅擺動,測定每分鐘自由擺動次數n 1,再把連桿大頭孔掛在刀口上,作微幅擺動后測得對應的n 2。因復擺的擺動周期有公式T 1=60n 1=2I 1m s g l 1,T 2=60n 2=2I 2m s

11、g l 2故2種復擺法繞刀口支點的轉動慣量分別為I 1=302m s g l 1n 21,I 2=302m s g l 2n 22但I 1=I c +m s l 21,I 2=I c +m s l 22則I 1-I 2=302m s gl 1n 21-l 2n 22=m s (l 21-l 22將l 2=l -l 1代入上式得l 1=l g3021n 22-l g 3021n 21+1n 22-2l (5又l 1=l 1-r 1,所以k =l 1 l 可確定,代入式(4即可得到活塞連桿組當量質量M 值。(下轉第107頁69西安公路交通大學學報1999年 圖3傳質中伴有化學反應的濃度分布情況k

12、0c 可乘以1個1+H 2a 的因子以作修正,如此修正后A 組元的濃度分布見圖3(b 。這與實測的結果就比較接近了。3結語(1Si 3N 4陶瓷水解過程的傳質系數k 0c 決定了以水為潤滑劑的陶瓷摩擦副達到流體潤滑狀態(tài)所需預磨行程的大小。( 2以在薄膜內任一組元的濃度分布簡化為直線型C A -C A S =a +by 為前提推導出的傳質系數k 0c =0.2887D A B xR 1 2ex S 1 3c 此表達克服了傳統表達式k 0c =D A BA B中A B 無法確定的困難。(3考慮到薄膜內化學反應對傳質過程的影響,在八田數H a 不是遠小于1的情況下,k 0c 須乘上修正因子1+H 2

13、a 。參考文獻:1NA KAM U RA Y ,H I RA YAM A S .W ear T ests ofGray Cast Iron A gainst Ceram ics J .W ear ,1990,132:337345.2高義民,等.蒸餾水潤滑下Si 3N 4灰鑄鐵摩擦面上表面膜的組成分析及其形成機理初探J .硅酸鹽學報,1996,24(5:523530.3HOLM R .E lectric Contacts M .Ger m any GebersFo rlay .1946,214.4L E W IS W K ,W H ITM AN W .Effect of Selected L u

14、 2bricati on on the Silicon N itride Sliding Coup le J .Ind .Engr .Chem .1924,16(3:1214.5八田.對H a 判據在計算紊流傳質系數k 0c 中使用的討論J .化工志,1932,35(4:13891392.責任編輯郭慶健(上接第96頁圖2用復擺法測連桿質心3結語(1對于一次慣性力和力矩已平衡的發(fā)動機,其曲軸在動平衡試驗時,無需在曲柄銷上裝模擬活塞連桿質量的當量環(huán);而對于一次慣性力或力矩未平衡,并已通過在曲臂上設置平衡重塊給予平衡了的發(fā)動機,其曲軸在動平衡試驗時,必須在曲柄銷上加裝模擬活塞連桿質量的當量環(huán)。(2當量環(huán)的質量與通過曲臂上平衡重塊所平衡掉的一次慣性力或力矩多少有關,即與發(fā)動機的形式有關。1個曲柄銷上的當量環(huán)質量計算公式為:單列發(fā)動機M =12m n +(1+k m s 并列V 型發(fā)動機2M =m n +(1+k m s(3在實際發(fā)動機設計中,為了不使發(fā)動機過重或不降低軸系的固有頻率,對上述一次慣性力或力矩未必給予全部平衡,可能只平衡其中的一部分2,這時,