Lycoming發動機振動淺析

摘 要:本文以美制Lycoming水平對置式4缸航空活塞發動機為例，對發動機運動機構慣性力、氣體力及合力的平衡狀況進行推導、分析，隨后闡述了發動機振動產生的原因，為研究該型發動機振動及其預防措施提供有益的參考。

關鍵詞:發動機 慣性力 力偶 振動

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

活塞式發動機在工作中會產生復雜的、周期性的交變應力，使曲軸等運動機構產生周期性變化的扭轉和彎曲變形，進而導致發動機振動。發動機振動輕則引發較大的噪聲;重則使運動部件磨損加劇，加速機件的疲勞破壞，降低發動機工作壽命，甚至引發發動機失效。航空發動機會將振動傳遞給飛行器，會使機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，甚至還可能造成機體結構和儀器的損壞。因此，發動機振動水平也是衡量發動機工作質量的一個重要標準。認識、研究和利用發動機振動，有助于提高航空器使用維護水平，有助于制定積極有效的預防措施，提高航空器的可靠性。

1 慣性力

對于Lycoming水平對置式4缸航空活塞發動機，如圖1，可將其曲軸機構的運動分為往復直線運動和旋轉運動，兩種運動都會產生慣性力;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缸發動機。

1.1 旋轉慣性力

旋轉慣性力的計算公式:

F離心力=mRw 2

其中:m表示連桿大端和曲柄的質量;

R表示曲柄旋轉半徑;

ω表示曲軸旋轉角速度。

因此對于水平對置發動機來說，由于連桿大端和曲柄的質量都有嚴格規定，且汽缸對置安裝，可以認為其旋轉力是平衡的。旋轉慣性力大小不隨曲軸轉角變化，但方向會變化，當旋轉慣性力不平衡時，一是將導致發動機振動;二是將使曲軸及軸承等機件所承受的力及軸承與曲軸間的摩擦力增大，引起機件損傷。

1.2 往復直線慣性力

發動機內部做往復直線運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，它們產生了往復慣性力，活塞運動見圖2。

往復慣性力的公式[2]:

習慣上將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?往復直線運動慣性力的大小和方向，都隨曲軸轉角而變化;慣性力與曲軸旋轉角速度的平方成正比，也與發動機轉速成正比。

往復慣性力的求和公式:

為曲拐間夾角=180°，計算可得:，所以往復慣性力也能夠平衡。往復直線運動部分的慣性力通過運動機構傳遞到機匣，并經發動機架傳遞到機身，因為其方向不斷變化，且與速度成正比，一旦不平衡，將導致發動機架、機體等部件的損傷。

1.3 慣性力偶

力偶的計算公式:M=F×d(距離)

如圖2。只要所有汽缸的往復質量(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，這個彎曲力由機匣中間的曲軸軸承承受。即往復質量產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，因此產生扭矩(虛線是穿過重心的對稱線，到虛線的距離就是產生力偶的力臂)。

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算或示功圖測試確定，氣體作用力的計算公式:

如圖3，氣體力f2除了對連桿的作用力f1外，還對汽缸壁產生側向力f3。當氣體力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，迫使汽缸脫離機匣。而氣體力對外驅動曲軸及螺旋槳旋轉，其反作用力會通過發動機架傳遞到機身。

3 合力與發動機振動

發動機振動主要是由發動機受力不平衡，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生扭轉振動。發動機扭矩主要由兩部分組成，即慣性力和燃氣壓力。在發動機的每一個行程，慣性力和燃氣壓力的合力在曲軸上都要產生轉動的力，并引起不均勻的扭矩載荷，導致發動機扭矩不平衡，致使曲軸和發動機出現振動，這也是由于活塞式內燃機本身就是不穩定的脈動流機械裝置造成的。

在慣性力和燃氣壓力作用下，汽缸承受扭矩并通過曲軸傳遞給發動機，驅動螺旋槳旋轉，將其合并后獲得整臺發動機的扭矩圖。圖3[1]就是Lycoming 0-360水平對置式4缸發動機的扭矩曲線圖。每個扭矩曲線相差180°，這是因為曲軸每轉動720°，每個汽缸點火一次。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的，而不是像單個汽缸那樣扭矩波動很大。

當發動機驅動螺旋槳時，必然有一個阻止發動機轉動的，與驅動力大小相等方向相反的力存在。這個力作用在發動機架上。如果發動機給曲軸的扭矩載荷是按扭矩曲線波動的，那么發動機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振動。

實際上，為了使發動機驅動螺旋槳轉動而發動機自身不轉動，就需要一個等量反向的扭矩來作用于發動機，這個扭矩通過發動機架傳遞，作用汽缸壁上，使汽缸產生反作用力。汽缸壁再將扭矩的波動通過曲軸、機匣和發動機安裝架傳遞給了機身。因此在發動機啟動或慢車時，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動機振動。

曲軸的扭轉振動在一定條件下會引起曲軸內應力的劇烈增大，從而導致曲軸的損壞[2]。同時扭轉振動耦合后會產生軸向振動，引起配重組件的損壞。

4結論

通過以上分析，對于Lycoming水平對置4缸活塞發動機來說:

(1)發動機運動機構產生的旋轉和往復慣性力都能夠自行平衡。

(2)發動機運動機構產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)曲軸等運動機構產生周期性變化的扭轉和彎曲變形，會導致發動機振動。

參考文獻

[1]Sky-Ranch，engineer’s manual，2006年.

[2]活塞發動機原理講義，中國民航飛行學院機務處，1997年11月.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文