1、第19卷第4期1999年10月西安公路交通大學(xué)學(xué)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(xué)講師曲軸動平衡活塞連桿組當(dāng)量質(zhì)量的計算周維新(西安公路交通大學(xué)汽車工程學(xué)院,陜西西安710064摘要:闡述了發(fā)動機(jī)曲軸動平衡試驗(yàn)時在曲柄銷上需加裝當(dāng)量質(zhì)量的原因,并提出了在曲軸動平衡試驗(yàn)時當(dāng)量質(zhì)量的計算方法。為曲軸動平衡試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:曲軸動平衡;活塞連桿組;當(dāng)量質(zhì)量中圖分類號:U 464.133文獻(xiàn)標(biāo)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(zhì)量不平衡是引起發(fā)動機(jī)振動的主要原因。因此,曲軸在制造或修理后必須進(jìn)行動平衡試驗(yàn),使其不平衡量控制在允許范圍之內(nèi)。但有些發(fā)動機(jī)是通過在曲軸上設(shè)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(shè)計為不平衡曲軸,對這一類曲軸在進(jìn)行動平衡試驗(yàn)時,必須加裝模擬活塞連桿質(zhì)量的當(dāng)量環(huán)。當(dāng)量環(huán)的質(zhì)量可根據(jù)活塞和連桿的質(zhì)量計算得到。1曲柄銷加裝當(dāng)量質(zhì)量原因分析下面通過對2種發(fā)動機(jī)的平衡分析來說明哪些

5、發(fā)動機(jī)曲軸動平衡試驗(yàn)時需在曲柄銷上加裝當(dāng)量質(zhì)量。對于發(fā)火次序?yàn)?243的直列四沖程發(fā)動機(jī),由不平衡系數(shù)表1知其活塞連桿質(zhì)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(zhuǎn)速的速率改變著大小和方向,從而使發(fā)動機(jī)振動。由于二次慣性力較小,一般不作平衡。如要進(jìn)行平衡,也只有在氣缸體或油底殼中設(shè)置2根轉(zhuǎn)速為曲軸轉(zhuǎn)速2倍,轉(zhuǎn)向互為相反的平衡軸來實(shí)現(xiàn)。因此發(fā)動機(jī)的曲軸上沒有為平衡活塞連桿質(zhì)量的慣性力或力矩而設(shè)置的重塊,也就沒有人為的不平衡質(zhì)量,在動平衡試驗(yàn)時也不會由于不帶活塞連桿而出現(xiàn)不平衡力或力矩,也就無需加裝模擬活塞連桿組質(zhì)量的當(dāng)量質(zhì)量。對于發(fā)火次

6、序?yàn)?342的直列二沖程發(fā)動機(jī),由不平衡系數(shù)表知其活塞連桿質(zhì)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(jī)產(chǎn)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(zhuǎn)質(zhì)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(shè)置適當(dāng)?shù)钠胶庵貕K來平衡。另一部分是由連桿小端和活塞的往復(fù)質(zhì)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(shè)置2根轉(zhuǎn)速與曲軸相同,轉(zhuǎn)向互為相反的平衡軸來實(shí)現(xiàn),此法機(jī)構(gòu)復(fù)雜,一般不用。另一方

7、法是部分平衡,即將與曲軸同向旋轉(zhuǎn)平衡軸上的平衡塊質(zhì)量轉(zhuǎn)設(shè)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(jié)果(對后1種平衡方法而言,在曲軸上產(chǎn)生了人為的不平衡質(zhì)量,在發(fā)動機(jī)工作時,這人為不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力矩與連桿活塞往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的部分一次慣性力矩相平衡,起到了平衡發(fā)動機(jī)的作用。在曲軸動平衡試驗(yàn)時,由于不可能帶活塞連桿,這人為不平衡質(zhì)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(zhì)量的當(dāng)量環(huán)。當(dāng)量環(huán)產(chǎn)生的離心力或力矩與平衡重塊質(zhì)量所產(chǎn)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(shè)置平衡重塊進(jìn)行了平衡

8、的發(fā)動機(jī),其曲軸在動平衡試驗(yàn)時,需要在曲柄銷上加裝模擬活塞連桿質(zhì)量的當(dāng)量環(huán)。2活塞連桿組當(dāng)量質(zhì)量計算下面通過對活塞連桿組動能分析,計算其當(dāng)量圖1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖質(zhì)量。活塞和連桿是轉(zhuǎn)動物體,但它們被曲軸帶動,對曲軸的轉(zhuǎn)動和扭振會產(chǎn)生振動效應(yīng),均屬于同一扭振系統(tǒng)。在曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)量動能,采用的方法是把連桿的質(zhì)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(yùn)動的連桿簡化成為1個作往復(fù)運(yùn)動的質(zhì)量和1個作圓周運(yùn)動的質(zhì)量。設(shè)往復(fù)質(zhì)量為m 1,它包括活塞質(zhì)量和連桿小頭質(zhì)量;回轉(zhuǎn)質(zhì)量為m 2

9、,即連桿大頭質(zhì)量(包括連桿軸瓦質(zhì)量,如圖1所示。求活塞連桿組當(dāng)量轉(zhuǎn)動質(zhì)量時,折合的原則是使當(dāng)量轉(zhuǎn)動的動能與曲軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動1周活塞連桿組平均動能為T 3,則有T 3=1220T d (2又設(shè)當(dāng)量動能為T e ,活塞連桿組折合到曲柄銷上的當(dāng)量質(zhì)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(jié)果為M =m 2+m 1 2+2m 1 8一般內(nèi)燃機(jī)中,=1 31 6,所以2的值很小,上式中最后1項(xiàng)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(zhì)量;m s 為連桿質(zhì)量;k 為連桿大頭質(zhì)量與連桿質(zhì)量之比。要得到M 值,必須進(jìn)一步確定k 值。k 值的確定可由復(fù)擺法確定連桿質(zhì)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(shù)n 1,再把連桿大頭孔掛在刀口上,作微幅擺動后測得對應(yīng)的n 2。因復(fù)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(fù)擺法繞刀口支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動慣量分別為I 1=302m s g l 1n 21,I 2=302m s g l 2n 22但I(xiàn) 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(dāng)量質(zhì)量M 值。(下轉(zhuǎn)第107頁69西安公路交通大學(xué)學(xué)報1999年 圖3傳質(zhì)中伴有化學(xué)反應(yīng)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(shí)測的結(jié)果就比較接近了。3結(jié)語(1Si 3N 4陶瓷水解過程的傳質(zhì)系數(shù)k 0c 決定了以水為潤滑劑的陶瓷摩擦副達(dá)到流體潤滑狀態(tài)所需預(yù)磨行程的大小。( 2以在薄膜內(nèi)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(dǎo)出的傳質(zhì)系數(shù)k 0c =0.2887D A B xR 1 2ex S 1 3c 此表達(dá)克服了傳統(tǒng)表達(dá)式k 0c =D A BA B中A B 無法確定的困難。(3考慮到薄膜內(nèi)化學(xué)反應(yīng)對傳質(zhì)過程的影響,在八田數(shù)H a 不是遠(yuǎn)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(xiàn):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(jī)理初探J .硅酸鹽學(xué)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(jù)在計算紊流傳質(zhì)系數(shù)k 0c 中使用的討論J .化工志,1932,35(4:13891392.責(zé)任編輯郭慶健(上接第96頁圖2用復(fù)擺法測連桿質(zhì)心3結(jié)語(1對于一次慣性力和力矩已平衡的發(fā)動機(jī),其曲軸在動平衡試驗(yàn)時,無需在曲柄銷上裝模擬活塞連桿質(zhì)量的當(dāng)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(shè)置平衡重塊給予平衡了的發(fā)動機(jī),其曲軸在動平衡試驗(yàn)時,必須在曲柄銷上加裝模擬活塞連桿質(zhì)量的當(dāng)量環(huán)。(2當(dāng)量環(huán)的質(zhì)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(guān),即與發(fā)動機(jī)的形式有關(guān)。1個曲柄銷上的當(dāng)量環(huán)質(zhì)量計算公式為:單列發(fā)動機(jī)M =12m n +(1+k m s 并列V 型發(fā)動機(jī)2M =m n +(1+k m s(3在實(shí)際發(fā)動機(jī)設(shè)計中,為了不使發(fā)動機(jī)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,