内燃机动力学

内燃机动力学研究各种力对内燃机动力装置的影响及其消减方法。内燃机动力学的主要内容为曲柄连杆机构运动学、曲柄连杆机构动力学和内燃机平衡分析等。

公式

主要研究曲柄、连杆，尤其是活塞的运动规律。活塞作周期性往复运动时的位移 、速度 和加速度 可用下述各式近似求算

式中 为曲轴转角； 为曲轴旋转角速度； 为曲柄半径； 为曲柄半径 与连杆长度 之比，即

= /

曲柄作回转运动，连杆作复杂的平面运动。连杆的运动往往被简化分解为随活塞组的往复运动和随同曲柄的旋转运动。

研究分析曲柄连杆机构（见 曲柄滑块机构）在运动中力的生成、传递和输出。作用在曲柄连杆机构上的力有曲柄连杆机构运动时产生的往复惯性力和离心惯性力，以及内燃机气缸内的气体压力。

往复惯性力

式中mj为曲柄连杆机构中作往复运动的部件的质量，它包括活塞组（活塞、活塞环和活塞销等）的质量mA和连杆换算在小头中心部分的质量mLA。

mL为连杆质量； B为连杆重心至连杆大头中心的距离。

往复惯性力是由若干简谐力组成的，但在工程计算中取一级往复惯性力

与

二级往复惯性力之和。

离心惯性力 　用 r表示，

r= r

式中 r为曲柄连杆机构作旋转运动的不平衡质量，它包括曲柄销的质量和换算到曲柄销中心的曲柄不平衡质量、连杆换算在大头中心部分的质量mLB。

A为连杆 重心至连杆小头中心的距离。

内燃机动力学

气体压力 　用FG表示，可从内燃机示功图中直接得到。气体压力向下推动活塞，经活塞销、连杆、

曲柄销、主轴颈传递给主轴承，它与向上推气缸盖的力恰好大小相等、方向相反，在机体内达到平衡，并不传到机外。

作用在曲柄连杆机构上的力及其传递 　往复惯性力Fj和气体压力FG的合力 =Fj+FG传递给活塞销(图1),分解为垂直于气缸壁的侧压力 N= tg 和沿着连杆轴线的力 t= /cos 。 t传递到曲柄销，分解为沿着曲柄方向的径向力 = cos( + )/cos 和垂直于曲柄的切向力 = sin( + )/cos 。切向力相对于曲轴轴线构成内燃机的输出力矩

t传到主轴颈,分解为沿气缸轴线方向的力 ′= 和垂直于气缸轴线的力 囘=- N。 囘与 N大小相等、方

向相反，它构成内燃机输出力矩的反转矩

与输出力矩Μ同时存在。反转矩Μ′通过机体传到机外。

内燃机平衡分析 若内燃机在稳定工况下传给机架的力和力矩的大小、 方向不变， 则这样的内燃机称为平衡的内燃机。单缸机不平衡的力和力矩有往复惯性力=+、离心惯性力 r和反转矩Μ′。这些力和力矩周期性地变化并作用在机架上，激起振动，影响机器附近人员的舒适，也影响结构的可靠性和机器的经济性。

单缸机的平衡措施

对于离心惯性力，只要在曲柄的对侧加置适当的平衡块，使离心力与机器的离心惯性力相等即可达到平衡的目的。对于往复惯性力，采用上述简单平衡块只能使不平衡的力转移到与气缸轴线相垂直的平面，达不到平衡的目的。但人耐受水平方向振动的能力优于垂直方向振动的能力，所以在

实际生产中往往采用这种简单平衡块法。对于要求高的机器，常采用兰彻斯特平衡机构（图2）。它是采用一对大小相等、旋转方向相反的平衡块，若其转速与曲轴转速相等，而相位差180°,则可使其离心惯性力在气缸轴线方向的分力恰好与机器的一级往复惯性力相平衡；与气缸轴线相垂直平面上的分力自相抵销。若再加一对转速为曲轴转速两倍的平衡块，即可平衡机器的二级往复惯性力。 内燃机动力学

多缸内然机的平衡分析 　

多缸机平衡分析可用空间力系的方法处理，其平衡情况如下表所示。表中“O”表示已平衡；“X”表示不平衡。

内燃机动力学

多缸机的平衡措施

简单平衡块和兰彻斯特平衡机构对多缸机的平衡作用，与对单缸机的作用相同。若使兰彻斯特平衡机构的平衡轴两端平衡块相位差180°,即可用以平衡往复惯性力矩。

本书内容涵盖了内燃机动力学领域所涉及到的各主要方面，包括曲柄连杆机构运动学、曲柄连杆机构受力分析、惯性力系平衡分析及平衡措施、扭振系统与扭振分析、整机振动分析与控制等，力求从知识体系上尽可能完整反映该领域的技术现状。

本书可作为高等院校热能与动力工程专业本科生、动力机械及工程学专业研究生的教材，也可供从事相关专业的工程技术人员参考。

总论

0.1 概述

0.2 内燃机运动机构的形式及分类

0.2.1　按内燃机运动机构的基本形式分类

0.2.2　按内燃机运动机构的组合形式分类

0.3 内燃机动力学分析方法简介

0.3.1 质点力系分析方法

0.3.2　基于虚拟样机技术的分析方法

第1章　曲柄连杆机构运动学

1.1 中心式曲柄连杆机构运动学

1.1.1　活塞运动分析

1.1.2　连杆运动分析

1.2　偏心式曲柄连杆机构运动学

1.2.1　偏心式曲柄连杆机构的特点

1.2.2　连杆运动分析

1.2.3　活塞运动分析

1.3　主副连杆式曲柄连杆机构运动学

1.3.1 主副连杆式机构的特点

1.3.2　副连杆运动分析

1.3.3　副缸活塞运动分析

1.3.4　副连杆销运动分析

第2章　曲柄连杆机构动力学

2.1 曲柄连杆机构运动件的质量换算

2.1.1 活塞组

2.1.2 曲轴组

2.1.3　连杆组

2.2 中心式曲柄连杆机构中的作用力和力矩

2.2.1　缸内气体压力

2.2.2 中心曲柄连杆机构的惯性力

2.2.3 中心曲柄连杆机构中力的传递及作用效果分析

2.3　偏心式曲柄连杆机构中的作用力和力矩

2.4　主副连杆式曲柄连杆机构中的作用力和力矩

2.4.1 副缸活塞上总作用力的分解与传递

2.4.2 曲柄连杆机构中力和力矩的变化

第3章　多缸内燃机动力学

3.1　多缸内燃机的曲柄排列和发火顺序

3.1.1 汽缸序号和曲柄图

3.1.2 曲柄排列方式与发火顺序的选择

3.2　多缸内燃机的输出转矩

3.3　输出转矩与曲轴回转不均匀性

3.4　飞轮惯量的确定

第4章　内燃机惯性力系的平衡

4.1　平衡的基本概念

4.2　单缸内燃机的平衡

4.2.1 离心惯性力的平衡

4.2.2　往复惯性力的平衡

4.3　直列式内燃机平衡分析

4.3.1 用解析法分析直列式内燃机的平衡特性

4.3.2　用图解法分析直列式内燃机的平衡特性

4.4　V形内燃机平衡分析

4.4.1 V形单排内燃机的平衡分析

4.4.2　V形多排内燃机平衡分析

4.5　内燃机的平衡措施

4.6　内燃机的内部平衡

第5章　内燃机曲轴系统的扭转振动

5.1　概述

5.2　扭转振动轴系的当量转换

……

第6章　内燃机的整机振动

参考文献