发动机平衡

发动机平衡是指力（由燃烧或旋转/往复运动部件产生）在内燃机或蒸汽机内如何平衡。最常用的术语是初级平衡和次级平衡。也使用一阶余额和二阶余额。发动机内的不平衡力会导致振动。

虽然发动机内部的某些部件（如连杆）具有复杂的运动，但所有运动都可以分为往复运动和旋转部件，这有助于分析不平衡。以直列式发动机为例（活塞是垂直的），主要的往复运动是：

• 活塞向上/向下移动
• 连杆向上/向下移动
• 连杆在围绕曲轴旋转时左右移动，但是由这些运动引起的横向振动远小于由活塞引起的上下振动。

而可能导致不平衡的主要旋转运动是：

• 曲轴
• 凸轮轴
• 连杆（根据活塞和曲柄之间变化的水平偏移量的需要围绕活塞端旋转）

不平衡可能是由单个组件的静态质量或发动机的气缸布局引起的，如以下部分所述。

如果运动部件的重量或重量分布不均匀，它们的运动可能会导致不平衡的力，从而导致振动。例如，如果气缸之间的活塞或连杆的重量不同，则往复运动会产生垂直力。类似地，腹板重量不均匀的曲轴或重量分布不均匀的飞轮的旋转会导致旋转不平衡。

即使静态质量的重量分布完美平衡，某些气缸布局也会由于来自每个气缸的力不会始终相互抵消而导致不平衡。例如，直列四缸发动机具有垂直振动（发动机转速的两倍）。这些不平衡是设计中固有的，无法避免，因此需要使用平衡轴或其他NVH减少技术来管理由此产生的振动，以xxx限度地减少进入机舱的振动。

当一个部件（如活塞）的直线运动没有被另一个在同一平面上以相等动量运动但方向相反的部件抵消时，就会产生往复不平衡。往复相位不平衡的类型有：

• 反向运动活塞不匹配，例如单缸发动机或直列三缸发动机。
• 点火顺序不均匀，例如在没有偏置曲柄销的V6发动机中

往复平面不平衡的类型有：

• 曲柄销之间的偏移距离在相等和相反的燃烧力下导致曲轴上的摇摆偶合，例如在水平对置双缸发动机、120°直列三缸发动机、90°V4发动机、直列五缸发动机、60°V6发动机和交叉平面90°V8发动机。

在没有重叠做功冲程的发动机（例如具有四个或更少气缸的发动机）中，动力传递中的脉动使发动机在X轴上旋转振动，类似于往复式不平衡。

旋转不平衡是由旋转组件上的不均匀质量分布引起的旋转相位不平衡的类型有：

• 旋转部件上的不平衡偏心质量，例如不平衡飞轮

旋转平面不平衡的类型有：

• 沿旋转组件的旋转轴的不平衡质量会导致摇摆偶合，例如，如果水平对置双缸发动机的曲轴不包括配重，则相距180°的曲柄的质量会沿轴产生摇摆偶合。曲轴。
• 反向运动的成对组件中的横向运动，例如一对活塞连杆组件中的质心高度差。在这种情况下，一个连杆向左摆动（在其曲柄旋转的上半部分期间）而另一个在向右摆动（在下半部分期间）引起摇摆偶合，从而导致在顶部向左的力发动机和发动机底部右侧的力。

当扭矩脉冲以与其共振频率相匹配的频率施加到轴上并且施加的扭矩和阻力扭矩沿轴的不同点作用时，就会产生扭转振动。轴的设计必须使其共振频率超出预计的运行速度范围，或者如果无法做到这一点，例如由于重量或成本的原因，则必须配备阻尼器。振动围绕曲轴的轴线发生，因为连杆通常位于距阻力矩（例如离合器）不同的距离处。这种振动不会传递到发动机外部，但振动引起的疲劳会导致曲轴故障。径向发动机不会出现扭转不平衡。

初级不平衡以曲轴旋转的频率产生振动，即发动机的基频（一次谐波）。

二次不平衡产生两倍于曲轴旋转频率的振动。

由于连杆的长度有限，活塞运动是不对称的。曲轴旋转上半部分的活塞角速度高于下半部分，通过上死点的加速度远大于通过下死点的加速度。因此，以180°相位差移动的两个活塞（和部分连杆）的惯性力不会完全抵消，曲柄每转一圈就会产生两次净向上力。这尤其会影响2缸和4缸直列式发动机，它们通常在平面曲轴上具有彼此相对的活塞，因此需要大排量设计（4缸2.5升以上）的平衡轴来抵消这些力。速度的差异是由于连杆的运动。在上止点(TDC)后90度处，连杆的曲轴端正好位于其行程的中点；但是，由于连杆的长度是固定的并且是有角度的，所以连杆的活塞端低于中点。同样的原则也适用于TDC之后的270度。因此，与曲轴旋转循环的“下半部分”（上止点后90°至270°）相比，活塞端在上止点后从270°移动到90°的距离更大。为了在相同的时间内行进更长的距离，连杆的活塞端在其运动的上半部分必须经历比下半部分更高的加速度。这种不相等的加速度导致在曲轴旋转的上半部分期间由活塞质量（在其加速和减速中）产生的惯性力比在下半部分期间更高。对于直列四缸发动机（具有传统的180度曲轴），气缸1和4的向上惯性大于气缸2和3的向下惯性。因此，尽管相同数量的气缸在相反方向运动在任何给定时间的方向（创建完美的初级平衡），发动机仍然具有非正弦不平衡。这被称为二次不平衡。在数学上，曲柄滑块机构的非正弦运动可以表示为两个正弦运动的组合：

• 具有曲柄旋转频率的主要组件（相当于活塞运动与无限长的连杆的运动）
• 以双倍频率出现的二次分量，相当于连杆倾斜角的效果，使小端位置从直立时降低

尽管活塞不完全以这种方式运动，但它仍然是分析它们运动的有用表示。这种分析也是术语初级平衡和次级平衡的起源，现在学术界之外也使用它们来描述发动机特性。

二次不平衡引起的振动在较低的发动机转速下相对较小，但与发动机转速的平方成正比，可能会在发动机较高的转速下引起过度振动。为了减少这些振动，一些发动机使用平衡轴。平衡轴系统通常由两根轴组成，每根轴上都有相同的偏心重量。轴以发动机速度的两倍旋转，并且方向彼此相反，从而产生垂直力，旨在抵消由发动机二次不平衡引起的力。平衡轴最常见的用途是在V6发动机和大排量直列四缸发动机中。

对于多缸发动机，每排活塞的数量、V角和点火间隔等因素通常决定了是否存在往复相位不平衡或扭转不平衡。

直列双缸发动机最常使用以下配置：

• 360°曲轴：这种配置产生最高水平的初级和次级不平衡，相当于单缸发动机。但是均匀的点火顺序提供了更平稳的动力传递（尽管没有超过四个气缸的发动机的重叠动力冲程）。
• 180°曲轴：此配置具有初级平衡，但点火顺序不均匀和摇摆偶；此外，与360°直列双缸发动机相比，二次不平衡强度是其一半（频率是其两倍）。
• 270°曲轴：这种配置xxx限度地减少了二次不平衡；但是，存在初级旋转平面不平衡并且发射顺序不均匀。排气音和动力输出类似于90°V型双缸发动机。

直列三缸发动机最常采用120°曲轴设计，具有以下特点：

• 射击间隔是完全有规律的（尽管动力冲程没有重叠）。
• 初级和次级往复平面平衡完美。
• 存在主要和次要旋转平面不平衡。

直列四缸发动机（也称为直列四缸发动机）通常采用上-下-下-上180°曲轴设计，具有以下特点：

• 射击间隔是完全有规律的（尽管动力冲程没有重叠）。
• 存在初级和次级往复平面不平衡。
• 由于所有四个活塞以两倍的旋转频率同相，因此二次往复力很高。
• 自1930年代中期以来，配重已用于乘用车发动机，可作为全配重或半配重（也称为半配重）设计。

直列五缸发动机通常采用72°曲轴设计，具有以下特点：

• 完美规则的点火间​​隔和重叠的动力冲程，与更少气缸的发动机相比，怠速更平稳。
• 初级和次级往复平面平衡完美。
• 存在主要和次要旋转平面不平衡。

直列六缸发动机通常采用120°曲轴设计，点火顺序为1–5–3–6–2–4个气缸，并具有以下特点：

• 具有重叠动力冲程的完全规则的发射间隔。使用两个简单的三合一排气歧管可以提供均匀的扫气，因为在这方面发动机的性能类似于两个独立的直列三缸发动机。
• 初级和次级往复平面平衡完美。
• 一级和二级旋转平面平衡完美。

V型双缸发动机具有以下特点：

• 凭借90度的V角和偏置曲柄销，V型双缸发动机可以具有完美的初级平衡。
• 如果使用共用曲柄销（例如在杜卡迪V型双缸发动机中），360°曲轴会导致点火间隔不均匀。这些发动机还具有主要的往复平面和旋转平面不平衡。如果连杆位于曲轴上的不同位置（除非使用叉形连杆，否则就是这种情况），这种偏移会在发动机内产生摇摆偶。

V4发动机在“V”角和曲轴配置方面有许多不同的配置。一些例子是：

• 具有窄V角的LanciaFulviaV4发动机具有与V角相对应的曲柄销偏移，因此点火间隔与直列四缸发动机相匹配。
• 一些V4发动机的点火间隔不规则，每个设计都需要单独考虑所有的平衡项目。本田RC36发动机的V角为90°，曲轴为180°，点火间隔为180°–270°–180°–90°，导致曲轴旋转360°和720°以内的点火间隔不均匀。另一方面，本田VFR1200F发动机具有76°V角和360°曲轴，共用曲柄销有28°偏移，因此点火间隔为256°–104°–256°–104°。该发动机还具有不寻常的前-后-后-前连杆方向，前汽缸组的汽缸之间的距离（“孔间距”）比后汽缸大得多，从而减少了摇摆偶数（以牺牲为代价）更宽的发动机宽度）。

V6发动机通常采用以下配置生产：

• 60°V角：这种设计使发动机尺寸紧凑，曲轴长度短，减少了扭转振动。旋转平面不平衡。左右气缸列的错开（由于连杆和曲柄臂的厚度）使得往复平面不平衡更难以使用曲轴配重来减少。
• 90°V角：历史上，这种设计源于从90°V8发动机上切下两个气缸，以降低设计和建造成本。一个早期的例子是3.3L（200cuin）和3.8L（229cuin）雪佛兰90°V6发动机，它们的曲轴偏置18°，导致点火间隔不均匀。较新的示例，例如本田C发动机，使用30°偏移曲柄销，从而实现均匀的点火间隔。根据具有60°V角的V6发动机，这些发动机具有主要的往复平面和旋转平面不平衡、交错的气缸组和较小的二次不平衡。

[精度：“扁平”引擎不一定是“拳击手”引擎。“扁平”发动机可以是180度V型发动机或“拳击手”发动机。法拉利512BB中使用的180度V型发动机具有对置气缸对，其连杆使用相同的曲柄行程。与此相反，在宝马摩托车中应用的“拳击手”发动机中，每个连杆都有自己的曲柄距，与对置气缸的曲柄距成180度。]平板双缸发动机通常使用180°曲轴和单独的曲柄，并具有以下特点：

• 主次往复平面平衡完美。
• 存在初级和次级旋转平面不平衡。

扁平四缸发动机通常使用左-右-右-左曲轴配置，并具有以下特点：

• 主要的不平衡是由相对活塞的摇摆对交错（从前到后偏移）引起的。由于上下摆动的成对连杆在不同的重心高度上运动，因此这种摇摆偶的强度小于直列四缸发动机。
• 二次失衡是最小的。

扁平六引擎通常使用拳击手配置，并具有以下特点：

• 具有重叠动力冲程的均匀间隔的发射间隔。每个气缸组的简单三合一排气可提供均匀的扫气，因为在这方面发动机实际上表现得像两个独立的直列三缸发动机。
• 主要往复平面和旋转平面不平衡，这是由于相对气缸之间沿曲轴的距离。如果使用叉叶连杆，对置六缸发动机将具有完美的初级平衡。
• 二次不平衡是最小的，因为没有同相运动的气缸对，并且不平衡大部分被相对的气缸抵消。
• 由于六缸发动机的长度较短，扭转不平衡低于直六发动机。

本节介绍了组装在铁路机车上的两台由驱动轮和车轴连接的蒸汽机的平衡。通过描述机车运动的测量以及钢桥中的挠度，简要展示了机车中不平衡惯性的影响。这些测量表明需要各种平衡方法以及其他设计特征，以减少振动幅度和对机车本身以及钢轨和桥梁的损坏。示例机车是一种简单的非复合型机车，带有两个外部气缸和阀门齿轮、耦合的驱动轮和一个单独的小车。由于三缸和四缸机车的平衡方法可能复杂多样，因此仅介绍了基本平衡，没有提及不同气缸布置、曲柄角等的影响。数学处理可以在“进一步阅读”中找到。例如，达尔比'sTheBalancingofEngines涵盖了使用多边形来处理不平衡力和耦合。约翰逊和弗莱都使用代数计算。高速行驶时，机车将趋向于前后颠簸和机头，或左右摇摆。它也会倾向于俯仰和摇摆。本文着眼于这些运动，这些运动源于两台蒸汽机及其耦合车轮中的不平衡惯性力和耦合（一些类似的运动可能是由轨道运行表面和刚度的不规则性引起的）。前两个运动是由往复质量引起的，后两个运动是由连杆或活塞推力对导向杆的倾斜作用引起的。可以在三个程度上追求平衡。最基本的是驱动轮上的偏心特征的静态平衡，即曲柄销及其附属部件。此外，平衡往复运动部分的比例可以通过额外的旋转重量来完成。该重量与车轮上偏心部件所需的重量相结合，这种额外的重量会导致车轮过度平衡，从而导致锤击。最后，由于上述平衡重位于车轮平面内，而不是在初始不平衡平面内，因此车轮/车轴组件不是动态平衡的。蒸汽机车上的动态平衡称为交叉平衡，是双平面平衡，第二个平面位于对面的车轮上。不稳定的趋势将随特定机车类别的设计而变化。相关因素包括它的重量和长度、它在弹簧和平衡器上的支撑方式以及不平衡移动质量的值与机车的簧下质量和总质量相比如何。招标连接到机车的方式也可以改变其行为。就铁轨重量而言，轨道的弹性以及路基的刚度会影响机车的振动行为。除了提供较差的人类乘坐质量外，崎岖的骑行还会导致机车和轨道部件磨损和断裂的维护成本。

所有驱动轮都存在不平衡，这是由它们的偏心曲柄销和连接部件引起的。主驱动轮具有xxx的不平衡，因为它们具有xxx的曲柄销以及主杆的旋转部分。它们还具有气门机构偏心曲柄和偏心杆后端。与连接的驱动轮一样，它们也有自己的侧杆重量部分。分配给旋转运动的主杆部分最初是通过称重它在每一端支撑的来测量的。需要一种更精确的方法，即根据打击中心的位置分割旋转和往复运动部件。该位置是通过将杆作为钟摆摆动来测量的。其余驱动轮的不平衡是由曲柄销和侧杆重量引起的。往复式活塞-十字头-主杆-阀门-运动连杆不平衡，导致前后涌动。他们90度的分离导致一对摇摆不定的夫妇。

整个机车往往在不平衡惯性力的影响下移动。1850年左右，法国的M.LeChatelier通过将不平衡机车悬挂在建筑物屋顶的绳索上来量化不平衡机车的水平运动。它们以高达40MPH的等效道路速度运行，水平运动由安装在缓冲梁上的铅笔追踪。轨迹是由前后运动和摇摆运动共同作用形成的椭圆形。对于其中一个不平衡的机车，该形状可以封闭在一个5⁄8英寸的正方形中，并且在添加重量以抵抗旋转和往复运动的质量时减小到一定程度。1895年，美国的Robinson教授量化了垂直不平衡或变化的车轮负载对铁轨的影响。他测量了桥梁挠度或应变，并将静态值增加28%归因于不平衡的驱动器.在宾夕法尼亚铁路测试工厂以三种方式评估机车的残余不平衡。特别是1904年在路易斯安那州采购博览会上测试了八辆机车。这三个测量值是：<pclass="mw-empty-elt">

• 临界速度。这被定义为不平衡的往复运动部件扭转机车拉力的速度。在更高的速度下，这种运动被阻尼器中的节流油流所抑制。临界速度从Baldwin串联化合物的95RPM到Cole化合物Atlantic的超过310RPM不等。
• 飞行员的水平运动。例如，鲍德温复合大西洋以65英里/小时的速度移动了约0.80英寸，而科尔复合大西洋则移动了0.10英寸。
• 对植物支撑轮负载的定性评估。一根直径为0.060英寸的金属丝穿过车轮下方。测量变形的钢丝可以指示车轮上的垂直载荷。例如，Cole化合物Atlantic在所有速度高达75MPH的情况下，从0.020英寸的厚度来看几乎没有变化。相比之下，Baldwin复合式Atlantic在75MPH时没有表现出变形，这表明车轮完全抬起，车轮旋转30度并快速返回冲击，仅旋转20度，无锤击变形为0.020英寸。

可以在公路旅行中根据驾驶室的乘坐质量进行定性评估。它们可能不是需要更好平衡的可靠指标，因为不相关的因素可能会导致粗糙的骑行，例如楔块卡住、均衡器结垢以及发动机和软车之间的松弛。此外，不平衡轴相对于机车重心的位置可以决定驾驶室的运动程度。AHFetters表示，在4-8-2上，重心下26,000磅的动态增强效果没有出现在驾驶室中，但在任何其他车轴上都会有相同的增强效果。

平衡重安装在导致不平衡的部件的对面。这些重量的xxx可用平面是车轮本身，这会导致车轮/轴组件上的不平衡耦合。车轮仅是静态平衡的。

往复重量的一部分通过在车轮中添加额外的旋转重量来平衡，即仍然只是静态平衡。过平衡导致所谓的锤击或动态增强，这两个术语具有与以下参考文献中给出的相同定义。锤击在静态平均值上有所不同，每次车轮旋转都会交替增加和减少。在美国，它被称为动态增强，这是一种由设计师试图通过在车轮中加入平衡来平衡往复运动部件而产生的垂直力。锤击这个词并不能很好地描述发生的事情，因为力不断变化，只有在极端情况下，当车轮从轨道上抬起一瞬间，当它返回时才会有真正的打击。直到大约1923年，美国机车才在静态条件下进行平衡，主轴负载在不平衡偶件的平均每转上下变化高达20,000磅。粗糙的行驶和损坏导致了动态平衡的建议，包括将要平衡的往复重量的比例定义为机车总重量的比例，或者使用富兰克林缓冲器、机车加上柔软的重量。不同的轮轨负载变化源，活塞推力，有时被错误地称为锤击或动态增强，尽管它没有出现在这些术语的标准定义中。如后面所述，它还具有每轮转的不同形式。作为向驱动轮增加重量的替代方案，可以使用紧密耦合来连接投标车，这将增加机车的有效质量和轴距。普鲁士国家铁路公司制造了两缸发动机，没有往复平衡，但有一个刚性的软联轴器。美国晚期机车的等效耦合是摩擦阻尼径向缓冲器。

车轮上的曲柄销连杆配重位于车轮平面位置之外的平面内，用于静平衡配重。如果需要平衡速度不平衡的一对，则需要双平面或动态平衡。使用的第二个平面位于对面的车轮中。机车轮对的两平面或动态平衡称为交叉平衡。在1849年LeChatelier发表他的理论之后，欧洲的建筑商采用了交叉平衡。

为特定桥梁设计规定了xxx轮轴载荷，因此可以达到钢桥所需的疲劳寿命。轴载荷通常不是两个车轮载荷的总和，因为交叉平衡的作用线在每个车轮中是不同的。在已知机车静重的情况下，计算可以放入每个车轮以部分平衡往复运动部件的过平衡量。在经过的机车下方的桥梁中测量的应变也包含来自活塞推力的分量。在上述每个车轮允许的过平衡计算中忽略了这一点。可能需要考虑到这一点。

由于旋转力交替地减少车轮负载以及增加它每转一圈，接触面处的可持续牵引力每车轮一圈下降一次，并且车轮可能打滑。是否发生打滑取决于锤击同时在所有耦合车轮上的比较情况。高速打滑造成的过度锤击是导致新北美4-6-4和4-8-4导轨扭结的原因，这些导轨遵循1934年AAR的建议，以平衡40%的往复重量。车轮中的不平衡惯性力会根据履带刚度导致不同的垂直振动。在润滑过的轨道部分进行的打滑测试显示，在一种情况下，在165英里/小时的滑移速度下，铁轨有轻微的痕迹，但在较软的轨道上，以105英里/小时的速度出现严重的铁轨损坏。

蒸汽机十字头滑动表面对曲柄销上的连杆力提供反作用力，并在曲轴每转期间在零和xxx值之间变化两次。与轮子每转一圈交替增加和减少的锤击不同，活塞推力只增加或减少静态平均值，每转两次，具体取决于运动方向以及机车是滑行还是漂移。在双作用蒸汽机中，如铁路机车所用，滑杆上的垂直推力方向在向前运行时始终向上。当连杆和曲柄之间的角度xxx时，它从冲程末端的零变化到半冲程的xxx值。当曲柄销驱动活塞时，如滑行时，活塞推力向下。xxx推力的位置表现为滑杆中间磨损增加。上滑块上的可变力的趋势是在半冲程时将机器从其引导弹簧上抬起，并在冲程结束时将其放下。这会导致俯仰，并且因为两个气缸的xxx向上力不是同时的，所以它也会倾向于在弹簧上滚动。

机车车轮的动平衡，使用车轮作为平衡平面来解决其他平面存在的不平衡，类似于喷气发动机压缩机/涡轮组件等其他转子的动平衡。通过在安装在飞机上的发动机可以接近的两个平面上安装平衡重来纠正组装转子中的残余失衡。一个平面位于风扇的前部，另一个位于最后的涡轮级。