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        某小型通用發(fā)動機(jī)動平衡分析及其對策

        2019-03-18 09:05:30劉永根楊海岳
        關(guān)鍵詞:慣性力離心力曲柄

        劉永根 楊海岳 李 進(jìn)

        (浙江中堅(jiān)科技股份有限公司 浙江 永康 321300)

        引言

        某小型通用發(fā)動機(jī)是單缸、風(fēng)冷、四沖程發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)曲軸連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動所產(chǎn)生的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力是整車重要的振動源,可以通過對其進(jìn)行動平衡分析,指出曲軸在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不足之處,并提出在最少改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)條件下的對策。

        1 單缸發(fā)動機(jī)動平衡簡要分析

        發(fā)動機(jī)工作時,曲柄連桿機(jī)構(gòu)作復(fù)合平面運(yùn)動。在力學(xué)上可采用雙集中質(zhì)量系統(tǒng)來替代實(shí)際機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布,即一部分作為往復(fù)直線運(yùn)動的質(zhì)量mj,包括活塞組質(zhì)量mp和連桿組換算到小頭中心的質(zhì)量m1,它們集中作用在活塞銷中心,會產(chǎn)生直線往復(fù)慣性力Pj。另一部分為作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的不平衡質(zhì)量mr,包括曲柄銷換算質(zhì)量mk、滾針軸承質(zhì)量mg及連桿組換算到大頭中心的質(zhì)量m2,它們集中作用于曲柄銷中心,會產(chǎn)生離心慣性力Pr。往復(fù)慣性力Pj和離心慣性力Pr按一定的周期交變地作用在發(fā)動機(jī)上,引起整機(jī)振動,使機(jī)器的平順性和舒適性大大降低。

        1.1 往復(fù)慣性力P j

        一般只?、窦壨鶑?fù)慣性力PjⅠ分析已足夠,即方向沿著氣缸中心線。

        1.2 離心慣性力P r

        方向始終沿曲柄向外

        由式(3)可知,若ω以某一恒定速度運(yùn)轉(zhuǎn)時,Pr為一個大小不變的力[1]。

        若要完全平衡Pj和Pr,則須配備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的雙曲軸平衡機(jī)構(gòu),即在氣缸中心線的兩側(cè)對稱安裝兩對帶平衡重的平衡軸。該方法所占空間較大,對小型發(fā)動機(jī)而言不切實(shí)際。一般多用簡單的過量平衡,即在曲軸上裝置較大的平衡重,此平衡重旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力Pd,不僅平衡了離心慣性力Pr,還存在剩余離心力ΔP=Pd-Pr,使其在Y軸(氣缸中心線方向)的分力ΔP cosα來平衡掉一部分Pj,但在X軸方向同時出現(xiàn)不平衡力ΔP sinα。實(shí)際上是將Pj中的一部分力從Y軸上轉(zhuǎn)移到X軸方向上,從而使振動的峰值減?。ㄈ鐖D1所示)。

        圖1 平衡機(jī)構(gòu)示意圖

        剩余離心力ΔP與一階往復(fù)慣性力Pj的合力在X、Y軸上的投影為:

        從上兩式中消去α得:

        可知F矢量端軌跡是一個橢圓(如圖2所示)。

        圖2 F矢量端軌跡

        一般總是希望較大的慣性力,即橢圓的長軸方向,放在發(fā)動機(jī)剛度較大的方向或吸振能力較好的方向[2]。

        2 某小型通用發(fā)動機(jī)動平衡計(jì)算

        運(yùn)用上述動平衡分析理論,通過電子秤和Pro/E軟件中的三維造型模型分析功能可知,活塞組質(zhì)量mP=204 g。連桿總重mL=220.6 g,換算成大小頭質(zhì)量后即大頭質(zhì)量m2為139 g,小頭質(zhì)量m1為80.6 g。曲柄銷質(zhì)量mk=279 g,擋圈質(zhì)量mq=2.6×2=5.2 g(2個),滾針軸承質(zhì)量mg=45 g。

        2.1 離心質(zhì)量

        離心質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力:

        2.2 往復(fù)質(zhì)量

        往復(fù)質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力:

        2.3 平衡質(zhì)量

        運(yùn)用Pro/E軟件中的模型分析功能

        可求得平衡塊的質(zhì)量和質(zhì)心(如圖3所示)。

        即md=1394.5(g),質(zhì)心坐標(biāo)(X,Y)為(-1.4,-6.73),求得質(zhì)心與曲柄旋轉(zhuǎn)中心距離:

        圖3 平衡塊的質(zhì)量和質(zhì)心(上止點(diǎn)位置時)

        平衡質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力:

        2 .4 動平衡分析

        平衡質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力有兩種作用。一部分用來平衡離心慣性力Pr,另一部分用來平衡往復(fù)慣性力Pj。

        平衡質(zhì)量平衡了離心慣性力Pr后剩余的離心力投影(如圖4所示)。

        圖4 剩余離心力投影

        在Y軸上:

        在X軸上:

        則剩余合力:

        即平衡質(zhì)量除平衡離心慣性力Pr外,還剩5 005.1ω2來平衡往復(fù)慣性力Pj,此剩余力與Y軸(氣缸中心線方向)夾角為51.2°。

        此時,剩余離心力與往復(fù)慣性力Pj的合力F在X、Y軸方向的投影為:

        α為曲軸轉(zhuǎn)角,取α為0°~360°CA之間的一系列值(如表1所示),可得出如圖5所示實(shí)際情況的一條橢圓曲線??梢娔承⌒屯ㄓ冒l(fā)動機(jī)慣性力橢圓是一個細(xì)長的扁扁的橢圓,其長軸與氣缸中心線夾角(Y軸)為31°左右,即發(fā)動機(jī)劇烈振動方向偏向氣缸中心線(Y軸)方向,而轉(zhuǎn)移到其它方向很小,所以造成整機(jī)明顯振動。

        圖5 α為0°~360°CA時的橢圓曲線

        表1 α為0°~360°CA時的FX和FY值

        3 改進(jìn)方案及對策

        一般總是希望橢圓的長軸方向(慣性力大的方向)放在發(fā)動機(jī)剛度較大的方向或吸振能力較好的方向。根據(jù)此原則再結(jié)合某小型通用發(fā)動機(jī)在整機(jī)上的布置,又考慮改進(jìn)方案的經(jīng)濟(jì)性[3],可以采用在盡可能最少改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下的3種方案,其慣性力橢圓曲線如圖5所示。即希望把往復(fù)慣性力Pj由Y軸(氣缸中心線)轉(zhuǎn)移一部分至X軸(坐墊方向上)。X軸方向上的力可以通過整機(jī)上的減振彈性元件來克服,這樣可以大大減輕整機(jī)的振動,改善平順性和舒適性。至于轉(zhuǎn)移量的多少,可以通過實(shí)驗(yàn)手段得出最佳值。

        根據(jù)平衡質(zhì)量離心力平衡掉旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力Pr后與往復(fù)慣性力Pj的合力在X、Y軸上的投影公式(如圖2所示):

        Y軸方向:FY=Pj-ΔP cosα=9505.6ω2cosα-ΔP cosα

        X軸方向:FX=ΔP sinα

        3.1 方案一

        設(shè)ΔP=2 000ω2

        即FY=9 505.6ω2cosα-2 000ω2cosα=7505.6ω2cosα

        FX=2 000ω2sinα

        可以得出如圖5所示的慣性力橢圓曲線,此時橢圓長軸方向(慣性力大的方向)已朝向X軸方向(坐墊方向),正是合理振動方向。

        要ΔP=2 000ω2,就必須對現(xiàn)有曲柄的平衡質(zhì)量進(jìn)行重新布置,通過Pro/E軟件的三維造型及模型分析功能,可以求出平衡質(zhì)量。

        3.2 方案二

        同理設(shè)ΔP=3 000ω2

        即FY=9505.6ω2cosα-3 000ω2cosα=6505.6ω2cosα

        FX=3 000ω2sinα

        3.3 方案三

        同理設(shè)ΔP=4 000ω2

        即FY=9 505.6ω2cosα-4 000ω2cosα

        =5 505.6ω2cosα

        FX=4 000ω2sinα

        4 結(jié)論

        1)對于小型通用發(fā)動機(jī)而言,由于結(jié)構(gòu)的限制,采用轉(zhuǎn)移法來平衡一階往復(fù)慣性力雖然達(dá)不到完全平衡,但最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

        2)慣性力的大小對振動固然重要,但慣性力的方向和頻率在設(shè)計(jì)中也是需要重點(diǎn)考慮的因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4],方案三的措施最為有效,明顯地改善了振動,取得了令用戶滿意的效果。

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