摘 要:本文以美制Lycoming水平對置式4缸航空活塞發(fā)動機(jī)為例，對發(fā)動機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)慣性力、氣體力及合力的平衡狀況進(jìn)行推導(dǎo)、分析，隨后闡述了發(fā)動機(jī)振動產(chǎn)生的原因，為研究該型發(fā)動機(jī)振動及其預(yù)防措施提供有益的參考。

關(guān)鍵詞:發(fā)動機(jī) 慣性力 力偶 振動

中圖分類號:V231.92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2011)03(c)-0109-02

活塞式發(fā)動機(jī)在工作中會產(chǎn)生復(fù)雜的、周期性的交變應(yīng)力，使曲軸等運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性變化的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動。發(fā)動機(jī)振動輕則引發(fā)較大的噪聲;重則使運(yùn)動部件磨損加劇，加速機(jī)件的疲勞破壞，降低發(fā)動機(jī)工作壽命，甚至引發(fā)發(fā)動機(jī)失效。航空發(fā)動機(jī)會將振動傳遞給飛行器，會使機(jī)上人員有不舒適感及容易疲勞，同時對儀表的精度和指示有影響，甚至還可能造成機(jī)體結(jié)構(gòu)和儀器的損壞。因此，發(fā)動機(jī)振動水平也是衡量發(fā)動機(jī)工作質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)識、研究和利用發(fā)動機(jī)振動，有助于提高航空器使用維護(hù)水平，有助于制定積極有效的預(yù)防措施，提高航空器的可靠性。

1 慣性力

對于Lycoming水平對置式4缸航空活塞發(fā)動機(jī)，如圖1，可將其曲軸機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分為往復(fù)直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩種運(yùn)動都會產(chǎn)生慣性力;又因其1#汽缸和2#汽缸的曲柄成180°，3#汽缸和4#汽缸的曲柄成180°，為便于受力分析，所以將其簡化為兩個直列2缸發(fā)動機(jī)。

1.1 旋轉(zhuǎn)慣性力

旋轉(zhuǎn)慣性力的計(jì)算公式:

F離心力=mRw 2

其中:m表示連桿大端和曲柄的質(zhì)量;

R表示曲柄旋轉(zhuǎn)半徑;

ω表示曲軸旋轉(zhuǎn)角速度。

因此對于水平對置發(fā)動機(jī)來說，由于連桿大端和曲柄的質(zhì)量都有嚴(yán)格規(guī)定，且汽缸對置安裝，可以認(rèn)為其旋轉(zhuǎn)力是平衡的。旋轉(zhuǎn)慣性力大小不隨曲軸轉(zhuǎn)角變化，但方向會變化，當(dāng)旋轉(zhuǎn)慣性力不平衡時，一是將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動;二是將使曲軸及軸承等機(jī)件所承受的力及軸承與曲軸間的摩擦力增大，引起機(jī)件損傷。

1.2 往復(fù)直線慣性力

發(fā)動機(jī)內(nèi)部做往復(fù)直線運(yùn)動的主要部件有活塞、活塞銷和連桿的小端，隨著活塞速度的改變，它們產(chǎn)生了往復(fù)慣性力，活塞運(yùn)動見圖2。

往復(fù)慣性力的公式[2]:

習(xí)慣上將A1稱為“一階慣性力”，A2稱為“二階慣性力”。式中m包括:活塞、漲圈、活塞銷和連桿小端?？梢钥闯?往復(fù)直線運(yùn)動慣性力的大小和方向，都隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化;慣性力與曲軸旋轉(zhuǎn)角速度的平方成正比，也與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。

往復(fù)慣性力的求和公式:

為曲拐間夾角=180°，計(jì)算可得:，所以往復(fù)慣性力也能夠平衡。往復(fù)直線運(yùn)動部分的慣性力通過運(yùn)動機(jī)構(gòu)傳遞到機(jī)匣，并經(jīng)發(fā)動機(jī)架傳遞到機(jī)身，因?yàn)槠浞较虿粩嘧兓?，且與速度成正比，一旦不平衡，將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)架、機(jī)體等部件的損傷。

1.3 慣性力偶

力偶的計(jì)算公式:M=F×d(距離)

如圖2。只要所有汽缸的往復(fù)質(zhì)量(活塞、漲圈、活塞銷和連桿小端)是一樣的，每個汽缸的一階力偶均被一個大小相等方向相反的力偶抵消，但仍有一個彎曲力作用在曲軸中部，這個彎曲力由機(jī)匣中間的曲軸軸承承受。即往復(fù)質(zhì)量產(chǎn)生的一階力是大小相等方向相反的。一階力偶大小相等方向相反;二階力偶大小相等且方向相同，因此產(chǎn)生扭矩(虛線是穿過重心的對稱線，到虛線的距離就是產(chǎn)生力偶的力臂)。

2 氣體力

作用在活塞上的氣體力，可以通過工作過程模擬計(jì)算或示功圖測試確定，氣體作用力的計(jì)算公式:

如圖3，氣體力f2除了對連桿的作用力f1外，還對汽缸壁產(chǎn)生側(cè)向力f3。當(dāng)氣體力f2作用于活塞頂時，同樣會有一個大小相等、方向相反的力作用于汽缸頭，迫使汽缸脫離機(jī)匣。而氣體力對外驅(qū)動曲軸及螺旋槳旋轉(zhuǎn)，其反作用力會通過發(fā)動機(jī)架傳遞到機(jī)身。

3 合力與發(fā)動機(jī)振動

發(fā)動機(jī)振動主要是由發(fā)動機(jī)受力不平衡，造成扭矩的波動形成的，扭矩本身是不會引起振動，但是扭矩的波動就產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。發(fā)動機(jī)扭矩主要由兩部分組成，即慣性力和燃?xì)鈮毫?。在發(fā)動機(jī)的每一個行程，慣性力和燃?xì)鈮毫Φ暮狭υ谇S上都要產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的力，并引起不均勻的扭矩載荷，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)扭矩不平衡，致使曲軸和發(fā)動機(jī)出現(xiàn)振動，這也是由于活塞式內(nèi)燃機(jī)本身就是不穩(wěn)定的脈動流機(jī)械裝置造成的。

在慣性力和燃?xì)鈮毫ψ饔孟?，汽缸承受扭矩并通過曲軸傳遞給發(fā)動機(jī)，驅(qū)動螺旋槳旋轉(zhuǎn)，將其合并后獲得整臺發(fā)動機(jī)的扭矩圖。圖3[1]就是Lycoming 0-360水平對置式4缸發(fā)動機(jī)的扭矩曲線圖。每個扭矩曲線相差180°，這是因?yàn)榍S每轉(zhuǎn)動720°，每個汽缸點(diǎn)火一次。需要注意的是，平均扭矩占扭矩峰值的百分比很大。這就意味著，這些扭矩脈沖對曲軸的作用幾乎是連續(xù)的，而不是像單個汽缸那樣扭矩波動很大。

當(dāng)發(fā)動機(jī)驅(qū)動螺旋槳時，必然有一個阻止發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)動的，與驅(qū)動力大小相等方向相反的力存在。這個力作用在發(fā)動機(jī)架上。如果發(fā)動機(jī)給曲軸的扭矩載荷是按扭矩曲線波動的，那么發(fā)動機(jī)架就會存在一個等量反向的反作用波動扭矩。這些波動扭矩就是我們能夠感到的扭轉(zhuǎn)振動。

實(shí)際上，為了使發(fā)動機(jī)驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動而發(fā)動機(jī)自身不轉(zhuǎn)動，就需要一個等量反向的扭矩來作用于發(fā)動機(jī)，這個扭矩通過發(fā)動機(jī)架傳遞，作用汽缸壁上，使汽缸產(chǎn)生反作用力。汽缸壁再將扭矩的波動通過曲軸、機(jī)匣和發(fā)動機(jī)安裝架傳遞給了機(jī)身。因此在發(fā)動機(jī)啟動或慢車時，就能感覺到類似某個汽缸周期性地工作不好，造成的受力不平衡而致使發(fā)動機(jī)振動。

曲軸的扭轉(zhuǎn)振動在一定條件下會引起曲軸內(nèi)應(yīng)力的劇烈增大，從而導(dǎo)致曲軸的損壞[2]。同時扭轉(zhuǎn)振動耦合后會產(chǎn)生軸向振動，引起配重組件的損壞。

4結(jié)論

通過以上分析，對于Lycoming水平對置4缸活塞發(fā)動機(jī)來說:

(1)發(fā)動機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)慣性力都能夠自行平衡。

(2)發(fā)動機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的一階力偶大小相等方向相反;二階力偶方向相同，不平衡。

(3)曲軸等運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性變化的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)振動。

參考文獻(xiàn)

[1]Sky-Ranch，engineer’s manual，2006年.

[2]活塞發(fā)動機(jī)原理講義，中國民航飛行學(xué)院機(jī)務(wù)處，1997年11月.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文