平面曲轴型式8v280柴油机平衡性能研究(附件)【字数：12661】
摘 要摘 要发动机在运行时，其内部机构的不平衡质量会在运动中产生振动与噪声，而这些振动和噪声会带来各种各样的危害，包括环境污染与降低发动机的使用寿命等等。而针对发动机内部不平衡的激励源运用相应的平衡机构能够很好的对其进行平衡，从而达到降低振动的目的。因此，关于发动机的平衡性能的研究与平衡机构的设计改进从未停止。本文主要以平面曲轴式8V280柴油机为研究对象，对其进行平衡性能分析并根据其不平衡情况设计出相应的平衡机构对其进行平衡。主要工作如下（1）学习了柴油机传统平衡计算的两种2种方法（解析法与图解法），并对两种方法进行了分析比较，确定8V280柴油机平衡计算的方法。（2）对采用45°、50°、60°、90°的不同气缸夹角的情况进行了平衡性能分析，计算出柴油机的旋转惯性力、旋转惯性力矩，一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩，二阶往复惯性力、二阶往复惯性力矩，得出各力和力矩的平衡情况。（3）通过计算出的惯性力及气缸中的气压力求得柴油机的倾覆力矩，结合MATLAB软件的曲线拟合功能得到倾覆力矩随曲轴转角的变化曲线图及傅里叶级数的拟合方程，提取出倾覆力矩的二阶谐波分量。（4）针对造成柴油机振动的二阶往复惯性力与倾覆力矩，提出一种双轴平衡机构，该平衡机构完全平衡了不平衡的二阶往复惯性力，并尽量抵消了倾覆力矩，实现了对柴油机的平衡。根据以上的研究工作表明对柴油机进行平衡性能分析并针对分析结果采用相应的平衡机构能有效的降低柴油机的振动，提升其工作性能。关键词柴油机；平衡分析；平衡机构；优化设计
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 发动机平衡技术国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状： 1
1.2.2 国内研究现状： 3
1.2.3 分析方法 3
1.3 研究内容 4
第二章 内燃机动力学分析 5
2.1 曲轴连杆机构运动学 6
2.1.1 活塞运动分析 6
2.1.2 连杆运动分析 8
2.2 曲柄连杆机构动力学 8
2.2.1 曲柄连杆机构运动件的质量换算 8
2.2.2 中心式曲轴连杆机构中的作用力 9
2.2.3 内燃机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
的倾覆力矩 10
第三章 平面曲轴式V8280柴油机的平衡计算 11
3.1 V8柴油机平衡计算方法的选取 12
3.1.1 运用图解法的平衡计算 12
3.1.2 运用解析法的平衡计算 15
3.2 对不同气缸夹角的平衡计算 19
3.3 计算结果统计 22
3.4 采用不同气缸夹角时柴油机平衡性能的对比分析 23
3.5 倾覆力矩的计算分析 23
3.5.1 各缸倾覆力矩的计算 24
3.5.2 柴油机的总倾覆力矩 27
3.6 提取60°8V280柴油机倾覆力矩的二阶谐波分量 27
3.6.1 运用MATLAB软件进行曲线拟合 28
3.6.2 柴油机倾覆力矩二阶谐波分量的提取 29
第四章 平衡方案设计 30
4.1 柴油机主要平衡方法 31
4.1.1 平衡块平衡法 31
4.1.2 单轴平衡法 32
4.1.2 双轴平衡法 32
4.1.4 曲轴错拐平衡法 32
4.2 平面曲轴式8V280柴油机的平衡方案设计 33
4.2.2.1 柴油机二阶往复惯性力的平衡 34
4.2.2.2 倾覆力矩二阶谐波分量的平衡 34
总结与展望 37
致 谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
发动机是当今世界上运用最广泛的一种热能动力机械，近些年来随着人们环保意识的不断加强,对发动机振动和噪声的要求也逐渐提高,发动机的减振问题已经成为提高机械性能的关键。
发动机在工作时，活塞、连杆等不平衡的质量随发动机运转时会产生不平衡的惯性力和惯性力矩。而这些惯性力和力矩会引起发动机的不断振动，这些振动会带来许多危害，例如：（1）带来严重的噪声污染，影响人们的身心健康（2）降低车辆的平顺性和舒适性，影响机体安全（3）损害机体内部零件，降低设备的可靠性与使用寿命等等。为降低振动提高发动机的平衡性能，各研发、生产单位都进行了深入的研究，并取得了许多重要成果。
自1876年第一台四冲程发动机研制成功以来，发动机的运用发展历史已经有100多年。在此期间人们根据各种需求对发动机不断进行研究与改进，从而使发动机不断在人类历史中焕发新的活力。而今随着人们对车辆的噪声（Noise）、振动 (Vibration)和平顺性(Harshness)(NVH)性能要求越来越高，对NVH 性能的研究已经成为发动机设计过程中的一个重要环节。为此需要对发动机进行整机平衡分析，找出引起发动机振动的不平衡力和力矩，设计并采取相应的平衡机构对这些力或力矩进行抵消，从而提高发动机的性能。
本文将以8V280柴油机为研究对象，结合曲柄连杆机构的动力学特性对其进行平衡分析，计算得出造成柴油机不平衡的主要激励成分，针对这些计算结果采取相应的平衡机构进行优化设计。
1.2 发动机平衡技术国内外研究现状
发动机的振动主要可以分为两类：（1）发动机和内部刚性零件形成的整体振动,这种振动主要是由曲轴连杆进行旋转运动和往复运动造成的。（2）发动机内部机构在受到燃烧冲击力时产生弹性变形所引起的振动。
1.2.1 国外研究现状：
1911年，兰契斯特博士就发现了一种二次惯性力双轴平衡技术，运用这种平衡技术的机构称为兰氏平衡机构，以后很长一段时间内发动机的平衡问题一直应用该机构。但这种传统技术的平衡轴与缸体是一个整体,在装拆过程中十分的不方便,由此出现了用螺栓固定平衡轴的方法。
一直到20世纪70年代以后，一种改进的兰氏平衡机构被人们设计出来,它的两个平衡轴处于不同高度,两根平衡轴相对曲轴中心的高度差约为连杆长度的0.7~1.0倍,改进的这种结构不仅能平衡二阶往复惯性力,还能平衡二阶往复惯性力矩。
20世纪末，日本学者大久保稳等人提出了一种“现场平衡”的想法。这种想法是指在发动机内部,对振动进行实时的振动测量,根据得到的振动情况,进行具体的平衡措施,从而实现现场平衡,这种想法为发动机主动平衡技术创造了理论基础。
1997年，德国福特汽车股份公司开发了一种安装了双轴平衡机构的直列四缸发动机,该机是在未安装平衡轴的2.0LDOHC发动机的基础上开发的,这种方法使得NVH性能大大提高,相较而言，安装平衡轴之后的发动机噪声水平下降了60%,振动烈度下降了70%。
1998年，Park等人针对四缸发动机的平衡性能进行了研究，设计了新的平衡轴设计准则来解决二阶激振力的平衡,他们研究还发现发动机支座处的振动可以通过改变变速箱的结构特性来降低。
2001年，J.Van Herbruggen等人成功使用反演技术对发动机的内部激振力进行了识别，他们指出结合识别到的内部激振力和结构传递信息或振动噪声传递信息可以更好地将振动传递进行优化。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景和意义 1
1.2 发动机平衡技术国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状： 1
1.2.2 国内研究现状： 3
1.2.3 分析方法 3
1.3 研究内容 4
第二章 内燃机动力学分析 5
2.1 曲轴连杆机构运动学 6
2.1.1 活塞运动分析 6
2.1.2 连杆运动分析 8
2.2 曲柄连杆机构动力学 8
2.2.1 曲柄连杆机构运动件的质量换算 8
2.2.2 中心式曲轴连杆机构中的作用力 9
2.2.3 内燃机 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
的倾覆力矩 10
第三章 平面曲轴式V8280柴油机的平衡计算 11
3.1 V8柴油机平衡计算方法的选取 12
3.1.1 运用图解法的平衡计算 12
3.1.2 运用解析法的平衡计算 15
3.2 对不同气缸夹角的平衡计算 19
3.3 计算结果统计 22
3.4 采用不同气缸夹角时柴油机平衡性能的对比分析 23
3.5 倾覆力矩的计算分析 23
3.5.1 各缸倾覆力矩的计算 24
3.5.2 柴油机的总倾覆力矩 27
3.6 提取60°8V280柴油机倾覆力矩的二阶谐波分量 27
3.6.1 运用MATLAB软件进行曲线拟合 28
3.6.2 柴油机倾覆力矩二阶谐波分量的提取 29
第四章 平衡方案设计 30
4.1 柴油机主要平衡方法 31
4.1.1 平衡块平衡法 31
4.1.2 单轴平衡法 32
4.1.2 双轴平衡法 32
4.1.4 曲轴错拐平衡法 32
4.2 平面曲轴式8V280柴油机的平衡方案设计 33
4.2.2.1 柴油机二阶往复惯性力的平衡 34
4.2.2.2 倾覆力矩二阶谐波分量的平衡 34
总结与展望 37
致 谢 38
参考文献 39
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
发动机是当今世界上运用最广泛的一种热能动力机械，近些年来随着人们环保意识的不断加强,对发动机振动和噪声的要求也逐渐提高,发动机的减振问题已经成为提高机械性能的关键。
发动机在工作时，活塞、连杆等不平衡的质量随发动机运转时会产生不平衡的惯性力和惯性力矩。而这些惯性力和力矩会引起发动机的不断振动，这些振动会带来许多危害，例如：（1）带来严重的噪声污染，影响人们的身心健康（2）降低车辆的平顺性和舒适性，影响机体安全（3）损害机体内部零件，降低设备的可靠性与使用寿命等等。为降低振动提高发动机的平衡性能，各研发、生产单位都进行了深入的研究，并取得了许多重要成果。
自1876年第一台四冲程发动机研制成功以来，发动机的运用发展历史已经有100多年。在此期间人们根据各种需求对发动机不断进行研究与改进，从而使发动机不断在人类历史中焕发新的活力。而今随着人们对车辆的噪声（Noise）、振动 (Vibration)和平顺性(Harshness)(NVH)性能要求越来越高，对NVH 性能的研究已经成为发动机设计过程中的一个重要环节。为此需要对发动机进行整机平衡分析，找出引起发动机振动的不平衡力和力矩，设计并采取相应的平衡机构对这些力或力矩进行抵消，从而提高发动机的性能。
本文将以8V280柴油机为研究对象，结合曲柄连杆机构的动力学特性对其进行平衡分析，计算得出造成柴油机不平衡的主要激励成分，针对这些计算结果采取相应的平衡机构进行优化设计。
1.2 发动机平衡技术国内外研究现状
发动机的振动主要可以分为两类：（1）发动机和内部刚性零件形成的整体振动,这种振动主要是由曲轴连杆进行旋转运动和往复运动造成的。（2）发动机内部机构在受到燃烧冲击力时产生弹性变形所引起的振动。
1.2.1 国外研究现状：
1911年，兰契斯特博士就发现了一种二次惯性力双轴平衡技术，运用这种平衡技术的机构称为兰氏平衡机构，以后很长一段时间内发动机的平衡问题一直应用该机构。但这种传统技术的平衡轴与缸体是一个整体,在装拆过程中十分的不方便,由此出现了用螺栓固定平衡轴的方法。
一直到20世纪70年代以后，一种改进的兰氏平衡机构被人们设计出来,它的两个平衡轴处于不同高度,两根平衡轴相对曲轴中心的高度差约为连杆长度的0.7~1.0倍,改进的这种结构不仅能平衡二阶往复惯性力,还能平衡二阶往复惯性力矩。
20世纪末，日本学者大久保稳等人提出了一种“现场平衡”的想法。这种想法是指在发动机内部,对振动进行实时的振动测量,根据得到的振动情况,进行具体的平衡措施,从而实现现场平衡,这种想法为发动机主动平衡技术创造了理论基础。
1997年，德国福特汽车股份公司开发了一种安装了双轴平衡机构的直列四缸发动机,该机是在未安装平衡轴的2.0LDOHC发动机的基础上开发的,这种方法使得NVH性能大大提高,相较而言，安装平衡轴之后的发动机噪声水平下降了60%,振动烈度下降了70%。
1998年，Park等人针对四缸发动机的平衡性能进行了研究，设计了新的平衡轴设计准则来解决二阶激振力的平衡,他们研究还发现发动机支座处的振动可以通过改变变速箱的结构特性来降低。
2001年，J.Van Herbruggen等人成功使用反演技术对发动机的内部激振力进行了识别，他们指出结合识别到的内部激振力和结构传递信息或振动噪声传递信息可以更好地将振动传递进行优化。
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