CN1037762A - 一种多缸柴油机平衡装置 - Google Patents

Abstract

本设计是一种结构简单的多缸柴油机平衡装置， 最适用于双缸和三缸四冲程柴油机往复力偶的平衡， 也适用于未平衡的二冲程柴油机的改造。其原理是 在曲轴两端附加适当的偏心质量，使曲轴形成一组附 加力偶，其力矩足以平衡50％的往复力偶；再设置一 条与凸轮轴平行、转速与曲轴相等而转向相反的平衡 轴，其两端平衡块形成的力偶亦足以平衡50％的往 复力偶。同时，平衡轴的水平力偶与曲轴附加的水平 力偶彼此指向相反而力矩相等，从而保证了柴油机横 向平衡。

Description

本设计是一种用较简单的机构来平衡多缸柴油机往复力偶的装置，最适用于双缸和三缸四冲程柴油机的平衡，以减轻振动而适应车用动力和移动作业的要求。

近年来国内生产农用运输车极为盛行，所选动力大致为290、295和2100等型柴油机，因此对双缸柴油机要求减振的呼声时有所闻。关于四冲程柴油机的减振问题，目前除单缸机采用双轴平衡（S195型）外，对于双缸和三缸机尚未见闻有何措施。一般说来，双缸和三缸柴油机也采用双轴平衡，其结构是比较复杂的。如欲对现有机型加装双轴平衡，则原结构须作大量更动，看来也不合算。

本装置结构简单，对现有双缸三缸四冲程柴油机改造时，只要在原型机上加装一条与凸轮轴平行的平衡轴，就可收到与双轴平衡同样的减振效果。（请阅下文减振原理。）同时，用本设计改造的柴油机，其外形尺寸完全不变，绝不妨碍对原配车辆的配套。在加工方面，除增加搪平衡轴轴承孔工序外，原有机体加工装备亦完全不变。在改造中，估计重量将增加3%，成本亦将增加3%，改造后的柴油机如作为车用动力，短时功率可增加20%。（因振动减轻，必要时可适当提高转速。）

本装置是根据下述原理实现的：

1.在曲轴两端附加适当的偏心质量，使原已平衡的曲轴在旋转时形成一组附加力偶，这附加力偶的指向与往复力偶相反，其力矩足以平衡50%的往复力偶。

2.在凸轮轴的上方加装一条与其平行（避开气门推杆）的平衡轴，这平衡轴的转速与曲轴相同，而转向与曲轴相反。当平衡轴旋转时，其两端平衡块形成的力偶，指向亦与往复力偶相反，力矩亦为往复力偶的50%。

3.由于平衡轴力偶与曲轴附加力偶的指向相同，其和又与指向相反的往复力偶相等，从而往复力偶获得平衡。同时，平衡块水平分力形成的两组水平力偶（附图3），因彼此指向相反，也互相平衡。

本装置构造说明于下：

（一）双缸四冲程柴油机平衡机构请阅附图1。图1（a）是农车常用的几种柴油机齿轮室轮系图，数字1为曲轴齿轮，2为惰轮，3为凸轮轴齿轮，4为准备加装的平衡轴齿轮。5为飞轮外径园弧，此弧表示平衡块与飞轮之间相对位置。图中d₁、d₂分别为凸轮轴与平衡轴对气缸中心线的距离。

附图1（b）说明平衡块与曲轴定位关系，也是往复力偶最大值的位置。图中第一曲柄表示活塞在上死点，右边的两个平衡质量m₁和m^′ ₁都指向正下方;第二曲柄表示活塞在下死点，左边的两个平衡质量m₂和m^′ ₂都指向正上方。由于本装置的四个平衡质量佈置不对称，平衡计算时须在两缸之间虚设一条关系线，以求两边的力矩;因此两缸中心距a被关系线平分为两个 1/2 a。图中b₁、b^′ ₁及b₂、b^′ ₂分别为平衡质量m₁、m^′ ₁及m₂、m^′ ₂对关系线的距离。在附图2中，D为飞轮内园，用以对平衡质量m₂定位，R为曲柄销廻转半径，m为活塞等往复运动质量。其余符号分别为四个平衡质量的旋转半径、离心力、离心力的垂直分力和水平分力。

当第一曲柄转角θ小于90°时（图2a），活塞等质量m的一级往复惯性力为mRω²cosθ，指向上方，对关系线形成一个逆时针力矩 1/2 a·mRω²cosθ。这时曲轴上附加质量m₁的离心力为F₁，其垂直分力F₁v为m₁R₁ω²cosθ;右上方平衡块m^′ ₁的离心力为F^′ ₁，其垂直分力F^′ ₁v为m^′ ₁R^′ ₁ω²cosθ;这两个垂直分力都指向下方，对关系线（图1b）形成两个顺时力矩b₁·m₁R₁ω²cosθ和b^′ ₁·m^′ ₁R^′ ₁ω²cosθ。用数学式表达往复力矩与平衡力矩的关系，则右边力矩之和为

1/2 × 1/2 a·mRω²COSθ-b₁·m₁R₁ω²COSθ＝0……（1）

1/2 × 1/2 a·mRω²COSθ-b^′ ₁·m^′ ₁R^′ ₁ω²COSθ＝0……（2）

同样，在关系线左边的力矩之和为

1/2 × 1/2 a·mRω²COSθ-b₂·m₂R₂ω²COSθ＝0……（3）

1/2 × 1/2 a·mRω²COSθ-b^′ ₂·m^′ ₂R^′ ₂ω²COSθ＝0……（4）

从式（1）至式（4）的平衡关系可知，四个平衡力矩都等于 1/4 amRω²COSθ。所以

b₁m₁R₁＝b^′ ₁m^′ ₁R^′ ₁＝b₂m₂R₂＝b^′ ₂m^′ ₂R^′ ₂……（5）

因此，式（1）式（3）相加，即为曲轴附加力偶与往复力偶的关系

1/2 amRω²COSθ＝（b₁m₁R₁+b₂m₂R₂）ω²COSθ……（6）

同样，式（2）式（4）相加，即为平衡轴力偶与往复力偶的关系

1/2 amRω²COSθ＝（b^′ ₁m^′ ₁R^′ ₁+b^′ ₂m^′ ₂R^′ ₂）ω²COSθ……（7）

式（6）和式（7）反映了前述原理的第一项和第二项，即曲轴附加力偶等于往复力偶的50%，平衡轴力偶亦等于往复力偶的50%。

式（6）式（7）相加则为整机力偶平衡方程式

amRω²COSθ＝（b₁m₁R₁+b₂m₂R₂）ω²COSθ+

（b^′ ₁m^′ ₁R^′ ₁+b^′ ₂m^′ ₂R^′ ₂）ω²COSθ……（8）式（8）表明，本装置对一级往复力偶的平衡是能实现的。

关于平衡块水平分力的平衡，请阅附图2。曲轴自由端的平衡质量m₁（图2a）水平分力F_1H为m₁R₁ω²sinθ，与关系线（图1b）右边的距离b₁形成一个顺时针力矩b₁m₁R₁ω²sinθ;飞轮端的平衡质量m₂（图2b）水平分力F_2H为m₂R₂ω²sinθ，与关系线左边的距离b₂也形成一个顺时针力矩b₂m₂R₂ω²sinθ。依据式（5）各个平衡力矩相等的关系，作用在曲轴两端的水平力矩，就成为一组水平力偶（附图3）。其式为

M_c＝（b₁m₁R₁+b₂m₂R₂）ω²sinθ……（9）

在活塞右上方的平衡块（附图2），即平衡轴两端的平衡块，因其转向与曲轴相反，故水平分力F^′ _1H为m^′ ₁R^′ ₁ω²sin（-θ），另一端水平分力F^′ _2H为m^′ ₂R^′ ₂ω²sin（-θ）;其力矩分别为-b^′ ₁m^′ ₁R^′ ₁ω²sinθ和-b^′ ₂m^′ ₂R^′ ₂sinθ。因此，平衡轴的力偶是负向的（附图3），也就是逆时针的。其式为

M_b＝-（b^′ ₁m^′ ₁R^′ ₁+b^′ ₂m^′ ₂R^′ ₂）ω²sinθ……（10）

式（9）与（10）的两组水平力偶虽不在同一平面，但其和始终等于零。根据力偶定理“力偶可由一平面移至任一平行平面，其外效应不变。”的论述，这两组水平力偶是能达到外部平衡的;不致使柴油机横向振动。

各个平衡块本身的力矩（重量与重心距的乘积），从式（1）至（4）得

m₁R₁＝amR/4b₁m₂R₂＝amR/4b₂

m^′ ₁R^′ ₁＝amR/4b^′ ₁m^′ ₂R^′ ₂＝amR/4b^′ ₂

（二）三缸四冲程柴油机平衡机构请阅附图4。图4（a）表示曲轴上的附加质量m₁和m₂的位置与曲柄角的关系，这时第一曲柄在上死点后30°。图中D为飞轮内园，d为平衡轴对气缸中心距离;数字1、2、3分别为第一、第二和第三曲柄;左上角的m^′ ₁和m^′ ₂是平衡轴上的平衡块。

图4（b）表示曲轴与平衡轴纵向佈置。当第一曲柄从上死点转到30°时，往复力偶为最大。这时第一缸内的往复惯性力向上，所以右边的平衡质量m₁和m^′ ₁都指向正下方;第三缸内的往复惯性力向下，所以飞轮端的平衡质量m₂和m^′ ₂都指向正上方;在这瞬时，第二缸内的一级往复惯性力等于零。图中b₁、b^′ ₁和b₂、b^′ ₂分别为四个平衡质量对关系线的距离，a为相邻两缸的中心距，数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别为第一缸、第二缸和第三缸的中心线。

由于本装置的平衡块佈置不对称，故以第二缸中心线作为关系线，用以计算两边的力矩平衡。又因三缸机往复力偶最大值为 $\sqrt{3}$ mRω²a，（式中m为活塞等往复运动质量，R为曲柄销廻转半径，a为相邻两缸的中心矩。）在作力矩平衡计算时，应将力偶变成力矩的形式，故对关系线的往复力矩为1/2 $\sqrt{3}$ mω²a。根据图4（b）所给平衡块对关系线的距离，其平衡力矩与往复力矩的关系为：

右边力矩之和 1/2 × 1/2 $\sqrt{3}$ mRω²a-m₁R₁ω²b₁＝0……（11）

1/2 × 1/2 $\sqrt{3}$ mRω²a-m^′ ₁R^′ ₁ω²b^′ ₁＝0……（12）

左边力矩之和 1/2 × 1/2 $\sqrt{3}$ mRω²a-m₂R₂ω²b₂＝0……（13）

1/2 × 1/2 $\sqrt{3}$ mRω²a-m^′ ₂R^′ ₂ω²b^′ ₂＝0……（14）

解上列四式，平衡块本身力矩（重量与重心矩的乘积）依次为

m₁R₁＝0.433mRa/b₁m^′ ₁R^′ ₁＝0.433mRa/b^′ ₁

m₂R₂＝0.433mRa/b₂m^′ ₂R^′ ₂＝0.433mRa/b^′ ₂式（11）至式（14）四式相加，则为整机平衡方程式

3mRω²a＝（m₁R₁b₁+m₂R₂b₂）ω²+

（m^′ ₁R^′ ₁b^′ ₁+m^′ ₂R^′ ₂b^′ ₂）ω²……（15）

式中（m₁R₁b₁+m₂R₂b₂）ω²为曲轴附加力偶，（m^′ ₁R^′ ₁b^′ ₁+m^′ ₂R^′ ₂b^′ ₂）ω²为平衡轴的力偶。式（15）与式（8）不同之处在于未用垂直分力表示，这是因为计算平衡力矩时选择了往复力偶最大值的位置;在这瞬间，关系线右边的两个平衡块都指向正下方，左边的都指向正上方，它们都不存在水平分力，所以这时的平衡力是纯粹的离心力。

关于水平力偶的平衡性，在双缸机水平力偶分析中，已证明柴油机不会产生横向振动;三缸机的平衡机构与双缸机完全相同，其平衡效果自然也是相同的。

（三）本设计用于未平衡的二冲程柴油机改造时，就不需要另加平衡轴，只要求凸轮轴转向与曲轴相反，其两端配上平衡块就行了。

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说明书 2 倒2 倒数第二行之尾遗漏一句 并以a·mRω²COSθ为平衡

计算的依据。

3    5    第6字与第7字之间漏一“针”字    顺时针力矩

5 倒9 1/2 $\sqrt{3}$ mω²a漏一字符R 1/2 $\sqrt{3}$ mRω²a

6 2 3mRω²a中“3”字漏根号 $\sqrt{3}$ mRω²a

Claims (1)

1. 一种由一条平衡轴和曲轴附加力偶组成的多缸柴油机平衡装置(附图1)。其特征是在曲轴两端附加两个偏心质量m₁和m₂，这附加质量形成的力偶等于50%的往复力偶；在机体一侧有一条平衡轴，其两端平衡块m¹ ₁和m¹ ₂形成的力偶亦等于50%的往复力偶；平衡轴和曲轴之间的传动是由曲轴齿轮1经齿轮2、3传至平衡轴齿轮4的，齿轮1与齿轮4的齿数相等。

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