《汽车动力装置仿真与设计》 课件 第二章 内燃机受力和平衡分析

汽车动力装置仿真与设计第2章内燃机受力和平衡分析

2.1内燃机受力计算和分析2.2内燃机平衡计算和分析往复式内燃机燃烧产生的缸内压力通过活塞、连杆和曲轴将活塞往复运动转换成曲轴旋转运动，曲柄连杆机构的结构型式多为中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构或关节曲柄连杆机构，其中最简单的型式是中心曲柄连杆机构，见图2-1。中心曲柄连杆机构的特点是气缸轴线通过曲轴旋转中心。AB代表连杆，OB代表曲柄，B点代表曲柄销中心，以角速度ω做旋转运动，曲柄转角为；A代表活塞销中心，A做往复运动，活塞位移记为x；AB做平面摆动，连杆摆角为β。2.1.1曲柄连杆机构运动规律a)实物简图b)几何分析图图2-1中心曲柄连杆机构A-活塞销中心

B-曲柄销中心

O-曲轴旋转中心l-连杆长度

r-曲柄半径A’-上止点活塞销中心

B’-上止点曲柄销中心

对于中心曲柄连杆机构活塞运动规律计算时，应注意：1）假设曲轴匀速转动，实际曲轴转速存在波动，这里假定是匀速的；2）坐标系：原点位于A’，x轴正向与上止点向下止点运动方向相同。曲柄转角=0°CA时，

活塞位于上止点位置；曲柄转角=180°CA时，活塞位于下止点位置。由于活塞运动规律用于气门和活塞干涉校验、活塞组-缸套润滑和传热计算时涉及不同坐标系的转换，需格外注意这里计算使用的坐标系。根据△AOB正弦定理和广义二项式定理可以推导得活塞的位移x，对位移x求导数得到速度v，对速度v求导数得加速度a。

（2-1）（2-2）（2-3）活塞位移活塞速度活塞加速度

实际内燃机中活塞销常为偏心布置，当气缸中心与曲轴中心重合时，其活塞运动位移、速度和加速度见下式，其中偏心率=偏心量/曲柄半径，由于偏心量小，和小，使用中心曲柄连杆机构的活塞运动规律仍可以表示偏心曲柄连杆机构的活塞运动规律，其差距不大

活塞平均速度的提高有利于提升功率，使单位功率的发动机体积和重量减小，在结构确定情况下，活塞平均速度的提高实际上就是转速提高。活塞平均速度会带来一些不良作用：1）摩擦损失增加，机械效率下降；2）惯性力增加，导致机械振动和机械疲劳加剧；3）发动机工作频率增加，导致燃烧室周边活塞组、缸套和缸盖等零部件热负荷增加，机油温度增加，机油承载能力下降，磨损增加，造成寿命变短；4）进排气流速增加，阻力增加，充气效率降低。【例2-1】Python编程实例：某四冲程四缸机，已知连杆长度为0.15m，活塞行程为0.0928m，气缸直径为0.08m，转速为3000r/min，求活塞的位移、速度、加速度和平均速度。【解】根据(2-1)计算活塞位移，根据(2-2)计算活塞速度，根据(2-3)计算活塞加速度，根据(2-4)计算活塞平均速度，使用Python编写Piston_motion.py计算活塞的位移、速度、加速度和平均速度。Piston_motion.py#-*-coding:utf-8-*-

importnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotaspltfrommathimportpiS=0.0928#活塞行程L=0.15#连杆长度n=3000#发动机转速r/minomega=2.0*pi*n/60.0#发动机转速rad/sr=S/2.0#曲柄半径lambda1=r/L#曲柄连杆比phi=np.linspace(0,4.0*pi,721)#0到4pi等分，721个点，第一个为0，最后一个为4pix=r*((1-np.cos(phi))+0.25*lambda1*(1-np.cos(2*phi)))#活塞位移xv=r*omega*(np.sin(phi)+0.5*lambda1*np.sin(2*phi))#活塞速度va=r*omega**2.0*(np.cos(phi)+lambda1*np.cos(2*phi))#活塞加速度av_m=S*n/30.0#活塞平均速度v_mstring='v_mis%f'%(v_m)print(string)plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']#用来正常显示中文标签plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False#用来正常显示负号plt.figure(1)plt.plot(phi,x,color='black',linestyle='solid',label='位移')#绘制位移曲线plt.legend(loc='upperright',fontsize=12)plt.figure(2)plt.plot(phi,v,color='black',linestyle='solid',label='速度')#绘制速度曲线plt.legend(loc='upperright',fontsize=12)plt.figure(3)plt.plot(phi,a,color='black',linestyle='solid',label='加速度')#绘制加速度曲线plt.legend(loc='upperright',fontsize=12)plt.show()活塞位移、速度和加速度都是随曲轴转角变化的瞬时值，计算结果见图2-2。活塞平均速度为9.28m/s。图2-2活塞运动规律2.1.2气缸瞬时容积计算图2-3示功图转换

(2-5)2.1.3气体压力和缸内工作过程计算

图2-5缸内工作过程计算示意图

2.1.4惯性力

2.1.5曲柄连杆机构受力a）实物简图b)几何分析图图2-6中心曲柄连杆机构受力简图

2.1.6多缸机转矩计算

a)

曲柄侧视图b)轴测图图2-7四冲程四缸机（1-3-4-2）的曲柄侧视图和轴测图

【例2-3】Python编程实例：已知发火顺序1-3-4-2的四冲程四缸机，转速为3000r/min，活塞行程为0.0928m，气缸直径为0.08m；缸内压力曲线如图2-8，以1°曲轴转角为间隔，给出了0°~720°的缸内压力；连杆质量为0.66kg，连杆长度为0.15m，连杆质心距离连杆大头为0.044m；活塞组质量为0.6kg，求单缸转矩、各主轴颈所受转矩和输出转矩。图2-8某四冲程四缸机缸内压力曲线

图2-9气体力、往复惯性力和合成力图2-10各缸单缸转矩图2-11各主轴颈所受转矩和输出转矩2.2内燃机平衡计算和分析曲柄连杆机构产生旋转惯性力和往复惯性力，如果不专门设计平衡机构，则这些力在内燃机内不能实现内部抵消，引起内燃机不平衡的力和力矩，从而导致车辆产生较大的振动噪声，影响内燃机可靠性和寿命。2.2.1

旋转惯性力和力矩的平衡

对于旋转惯性力平衡使用图解法的分析基本流程为：1）根据内燃机的冲程数和气缸数计算发火间隔角；2）绘制曲柄侧视图和轴测图；3）计算各曲拐旋转惯性力的合力；4）以最后一拐中心点为取矩点，计算合力矩；5）对不平衡的旋转惯性力或者力矩进行平衡，常采用完全平衡法和整体平衡法等。

a)曲柄侧视图b)轴测图图2-12四冲程直列三缸机(发火顺序1-3-2)的曲柄侧视图和轴测图3）计算各曲拐旋转惯性力的合力，由图2-13可见，合力图2-13四冲程直列三缸机(发火顺序1-3-2)旋转惯性力合力4）以最后一拐中心点为取矩点，计算合力矩。由于力矩方向为力的方向逆时针旋转90°，通常先用力的方向代替力矩方向，在力的方向上按力矩的幅值大小获得合成矢量，之后再按照右手定则向逆时针转过90°即真实合力矩。图2-14四冲程直列三缸机(发火顺序1-3-2)旋转惯性力的合力矩

图2-15三缸机旋转惯性力平衡重布置b)整体平衡法

2.2.2往复惯性力平衡

1.单缸机往复惯性力平衡

单缸机往复惯性力的平衡方法包括双轴平衡法、过量平衡法和单轴平衡法等。双轴平衡法、过量平衡法和单轴平衡法的结构布置型式见图2-16。a）双轴平衡法b)过量平衡法c）单轴平衡法图2-16单缸机往复惯性力平衡简图双轴平衡法：

a）双轴平衡法

过量平衡法

单轴平衡法b)过量平衡法c）单轴平衡法2.直列多缸机往复惯性力和力矩的平衡对于直列多缸机既要平衡往复惯性力，也要平衡往复惯性力矩。直列多缸机往复惯性力和力矩的平衡分析基本流程为：1）根据内燃机的冲程数和气缸数计算发火间隔角；2）绘制一阶曲柄图、二阶曲柄图和轴测图；3）计算各曲拐一阶、二阶往复惯性力的合力；4）计算各曲拐一阶、二阶往复惯性力的合力矩；5）对不平衡的往复惯性力或者力矩进行平衡。

a)一阶曲柄图b)二阶曲柄图c)轴测图图2-17四冲程直列三缸机(发火顺序1-3-2)的一阶、二阶曲柄图和轴测图3）计算各曲拐一阶、二阶往复惯性力的合力，一阶往复惯性力

，二阶往复惯性力a)一阶往复惯性力b)二阶往复惯性力

图2-18四冲程直列三缸机(发火顺序1-3-2)的往复惯性力矢量图4）计算各曲拐一阶、二阶往复惯性力的合力矩；图2-19四冲程直列三缸机(发火顺序1-3-2)的一阶往复惯性力矩

图2-20三缸机往复惯性力平衡重布置