冲程科学:活塞速度,杆角度和增加的位移解释。

2018年8月20日/ by迈克玛格达

深入研究曲轴冲程及其对平均活塞速度、惯性的影响,以及控制发动机内部巨大的破坏性力量。

长期以来,发动机制造商一直在计算发动机活塞的平均速度,以帮助识别可能的功率损失和危险的RPM限制。当使用冲程曲轴增加总位移时,这个数学练习尤其重要,因为与在相同转速下运行的标准冲程相比,活塞的平均速度会增加。

但是,如果有另一种发动机动力,可以让建筑商更好地了解往复式装配的耐久性呢?

上面的视频显示了两个引擎,一个与短冲程曲轴,另一个与相当长的冲程。注意,两个活塞同时到达上止点和下止点,但在较长的冲程发动机(左)的活塞必须移动得更快。

K1 Technologies研发主管戴夫•弗斯纳(Dave Fussner)建议:“与其关注活塞的平均速度,不如关注惯性力对活塞的影响。”金博宝官网登录

让我们先查看平均活塞速度的定义,也称为平均活塞速度。它是活塞在给定的时间间行进的有效距离,并且通常以每分钟(FPM)表示为比较目的。标准数学方程是相当基本的:

平均活塞速度(fpm)=(冲程x 2 x RPM)/12

有一个更简单的公式,但后面会涉及更多的数学问题。当活塞从上止点(上止点)移动到下止点(下止点)并返回上止点时,在曲轴旋转一次时,活塞的速度不断变化。在上止点和下止点,速度为0 fpm,在下冲程和上冲程的某一点上,它将加速到最大速度,然后减速并返回到0 fpm。

当活塞从下止点跑到上止点时,短暂的片刻,它完全停止了。这对腕针造成了巨大的压力。如图所示,这些趋势销钉以不同的壁厚提供,以处理所需的负载。

有公式可以计算活塞在曲轴旋转的每一个角度的速度,但这通常比大多数发动机制造商需要的信息多得多。传统上,他们看平均或平均活塞速度在曲柄旋转,他们可能会计算最大活塞速度。

平均活塞速度是活塞在曲轴旋转过程中所走的总距离,并乘以发动机的转速。活塞转速明显随转速的增加而增加,活塞转速也随冲程的增加而增加。让我们看一个简单的例子。

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一辆带有4.000英寸冲程曲轴、转速为6500转/分的大型雪佛兰平均活塞转速为4333 fpm。让我们再复习一下用来计算这个结果的公式。行程乘以2,然后乘以RPM。这就是活塞在一分钟内移动的总英寸数。在这种情况下,公式是4(冲程)x 2 x 6500 (RPM),等于52,000英寸。要以英尺/分钟为单位,除以12。完整的公式如下:

(4 x 2 x 6,500)/12=4,333 FPM

你可以用一点数学技巧来简化这个公式。这个方程的分子分母同时除以2,结果是一样的。换句话说,将行程乘以RPM,然后除以6。

(4 x 6,500)/6=4,333 FPM

用这个简单的公式,我们将计算当冲程增加到4.500英寸时活塞的平均速度。

(4.5 x 6500)/6=4,875 FPM

正如你所看到的,即使RPM没有改变,活塞的平均速度也增加了近13%。

减轻活塞重量对于创造一个能够维持高转速的旋转组件起着巨大的作用。看似微不足道的克重的活塞是放大指数与转速。

这是活塞在整个冲程中的平均速度。为了计算活塞在冲程中达到的最大速度,需要更多的计算以及连杆长度和连杆与曲轴位置的角度。有一些在线计算器可以计算出活塞在任意曲轴旋转情况下的准确速度,但这里有一个引擎制造商经常使用的不需要杆长的基本公式:

最大活塞速度(fpm)=((行程x π)/12)x RPM

让我们计算最大活塞速度为我们的冲程BBC:

((4.5 x 3.1416)/12)x 6500 =7,658 FPM

通过换算英尺/分钟到英里/小时(1英尺/分钟= 0.011364英里/小时),这个活塞从0到87英里/小时在大约两英寸,然后在4.5英寸深的气缸的剩余空间回到零。现在考虑到一个BBC活塞重约1.3磅,你就可以了解施加在曲轴、连杆和腕销上的巨大力了——这就是为什么Fussner建议观察惯性力。

Fussner解释说:“惯性是物质的一种属性,它能使物质抵抗运动中的任何变化。”“这一物理原理在高性能活塞的设计中尤为重要。”

当连杆加长时,当活塞改变方向时,它提供了一个较软的过渡。加长的连杆还降低了活塞的压缩高度,有助于将重量从旋转组件中拉出。

惯性力是质量乘以加速度的函数,这些力的大小随发动机转速的平方而增加。换句话说,如果你把引擎转速从3000转增加到6000转,作用在活塞上的力不会增加一倍,而是增加四倍。

Fussner提醒说:“一旦活塞开始上升到气缸,它的相关部件就会继续前进。”只有在连杆的作用和曲轴的动量的作用下,它的运动才会停止并立即反转。

由于连杆的角度受到连杆长度和发动机冲程的影响,活塞直到根据杆长冲程比的不同,上止点前后的准确位置约为76度。

冲程曲柄,如这个锻造的LS7件从K1技术,是一个伟大的方式,以增加位移。金博宝官网登录然而,当行程加长时,活塞每次旋转必须加快速度,以覆盖缸壁更大的扫掠面积。寻找LS冲程曲轴?点击在这里。

“这意味着活塞有大约152度的曲柄旋转,以从最高速度下降到零,并在冲程的上半部分回到最高速度。然后大约208度,在下半段行程中进行相同的顺序。所以向上的惯性力大于向下的惯性力"

如果不考虑连杆,有一个计算主惯性力的公式:

0.0000142 x活塞重量(lb) x RPM2 x冲程(in) =惯力

活塞重量包括环、销钉和护圈。让我们来看一个简单的单缸发动机的例子,它的冲程为3000英寸(与283ci和302ci的雪佛兰小块发动机相同),活塞总成为1.000磅(453.5克),转速为6000转/分:

0.0000142 x 1 x 6000 x 6000 x 3 = 1534磅

利用杆长和冲程的一些额外的数学计算,可以得到一个校正因子,以提高惯性力结果的准确性。

曲柄半径÷杆披散下来

“由于连杆的作用,停止和重新启动活塞所需的力在上止点达到最大,”Fussner说。“连杆的作用是增加上止点的主力,通过R/L系数降低下止点的主力。”

对于本例,半径是曲轴冲程(1.5英寸)的一半除以杆长6.000英寸,即0.25或383磅(1534 x 0.25 = 383)。这个因素加到向上冲程的原始惯性力上,并减去向下运动的惯性力。

左边和右边的曲柄在它们各自的旋转中都在同一点。然而,左边的活塞必须移动得更快,才能与右边的活塞同时到达上止点。

Fussner说:“因此,上止点实际向上的力变为1917磅,下止点实际向下的力变为1151磅。“这些力的变化与活塞总成的重量和冲程与杆长成正比,它们也与发动机转速的平方成正比。因此,这些数据可以作为基本数据,方便地估计在任何其他尺寸的发动机中所产生的力。”

顺便说一下,这台1缸发动机在6000转/分时的平均活塞速度是3000 fpm,而最大活塞速度(使用我们之前的公式)是4712 fpm。

当你把划程从3000英寸增加到3.250英寸时会发生什么?首先,平均活塞转速增至3,250 fpm,最大活塞转速增至5,105 fpm。然后主力从1534磅增加到1661磅。当加入0.27的R/L系数(1.625 ÷ 6.000)时,也会发生变化。上止点实际向上的力变为2109磅,下止点实际向下的力变为1213磅。

Fussner说:“如果我们将3.250英寸冲程提高到7000转/分钟,在其他细节保持不变的情况下,主力将增加到2261磅。”然后施加。27的R/L因子,实际向下的力变成了1651磅。实际向上的力在上止点变成2871磅。那差不多有一吨半了!”

现在考虑一个更轻的活塞的影响。在保持3.20英寸冲程和7000转/分钟的情况下,活塞的重量为340克(0.75磅),最大压力从2871磅减少到2154磅,即减少了717磅的压力。同样重量较轻的活塞结构需要1238磅的力来停止和重新启动BDC的活塞,减少413磅。

富斯纳说:“因此,在每一次完整的革命中,使用更轻的活塞组件,发动机的惯量将减少1130磅。”“当然,这种惯性力的减少将适用于多缸发动机的每个气缸。每分钟7000转的发动机每分钟会停止并启动每个活塞14000次。”

当活塞在排气冲程上达到上止点时,他们没有压缩垫来帮助减慢它。相反,连杆承受了拉扯横梁并试图分离发动机盖的全部力。质量好的连杆对于高马力、高转速的发动机来说是至关重要的。寻找锻造连杆?点击这里!

平均和最大活塞速度仍然是有价值的计算,任何发动机制造商作出改变,以证明公式。超过5000 fpm的平均活塞速度应该引起你的注意,并立即重新考虑零件的选择。活塞转速过高会导致缸壁润滑不一致,在某些情况下,活塞在燃烧过程中实际上会比火焰前沿加速更快。前者可以导致零件故障,后者是失去马力。

活塞也应该是尽可能轻的,而不牺牲所需的强度和耐久性。惯性力将拉伸连杆并抵抗曲轴的加速——再次可能导致部件故障和堵塞马力。

Fussner总结道:“我们知道,在运行中的发动机中,多年来用来判断活塞结构完整性危险区域的一个常用指标是活塞的平均速度。”正如跳伞教练告诉他的学生的那样,受伤的不是下降的速度,而是突然停止。活塞也是如此。所以与其只关注活塞的平均速度,不如考虑惯性力对活塞的影响,以及我们能做些什么来减小惯性力。如果这是不可能的,那就要确保各个部件足够坚固,能够承受我们提出的任务。”

Fussner继续说道:“虽然增加杆长可以通过改变之前提到的R/L比来软化惯性负载,但只要冲程不变,就不会降低平均活塞速度。无论曲轴的长度如何,活塞在曲轴的一圈内仍然必须移动相同的距离。速度是单位时间内移动的距离。”

关于活塞速度的最后一个注意事项是,2500fpm在不久前被认为是活塞速度的上限。重要的是要考虑到平均活塞速度也作为考虑其他发动机部件,如连杆和曲轴的指导。在热棒的早期,大多数发动机都有铸铁曲柄和连杆,以及铸铝活塞,这些都不像今天的发动机部件那样坚固。

Fussner说:“因此,增加这些部件的强度可以使活塞的安全平均速度提高一倍以上,达到5000 fpm或更多。”“另一个因素是用法。发动机会在活塞高速下运行很长一段时间,还是快速通过拖拽带?在高活塞转速下减少暴露时间可提高可靠性。与强度较低的重型部件相比,强度高、重量轻的部件能够承受更高的活塞速度。”

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