曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析PPT課件

1、2022-2-11 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)第1頁/共58頁2022-2-12曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)第2頁/共58頁2022-2-13曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的分類和特性參數(shù)1、內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)分類（1）中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)（2）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。目的在于減小膨脹行程活塞對氣缸的作用力，或在于減輕上止點(diǎn)附近活塞對氣缸的拍擊。（3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。用于少數(shù)雙列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型內(nèi)燃機(jī)中第3頁/共58頁2022-2-14各種曲柄連桿機(jī)構(gòu) r l e e (1)中心曲柄連桿機(jī)構(gòu) （2）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu) （3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu) 第4頁/共58頁2022-2-152、特性參數(shù) 曲

2、柄半徑：r 連桿長度：l 曲柄連桿比： 偏心距：e 偏心率： lr /re/lr第5頁/共58頁2022-2-16在中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，活塞作直線往復(fù)運(yùn)動，連桿作平面運(yùn)動，曲柄作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且假定其作等速轉(zhuǎn)動。 1、活塞運(yùn)動規(guī)律設(shè)x為活塞位移（上止點(diǎn)位置為起點(diǎn)），v為活塞速度，a為活塞加速度，為曲柄轉(zhuǎn)角，為連桿擺角。則二、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)coscoslrlrxsinsin第6頁/共58頁2022-2-17活塞運(yùn)動規(guī)律 整理以上兩式后得/)sin1 (cos)/ 11(2/ 122rx)sin1 (2sin)2/(sin2/122r)sin1(2sin)4/()sin1 (2coscos2/

3、32222222ra/)sin1 (cos)/11 (/2/122*rxx2/122*)sin1 (2sin)2/(sin)/(r2/32222222*)sin1(2sin)4/()sin1 (2coscos)/(raa無量綱化第7頁/共58頁2022-2-18 對于一般內(nèi)燃機(jī) ，可把上列各式簡化成2、活塞運(yùn)動規(guī)律簡化表達(dá)式 3/1)2cos1)(4/(cos1*x2sin)2/(sin*2coscos*a其最大誤差是， *x*a為0.2% 為0.5% 為1% 第8頁/共58頁2022-2-191/4時活塞運(yùn)動曲線第9頁/共58頁2022-2-1101/4時活塞運(yùn)動曲線第10頁/共58頁202

4、2-2-111三、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 一般來說，當(dāng)偏心率0.1時，其運(yùn)動情況與中心機(jī)構(gòu)差別較大，需專門處理。其運(yùn)動學(xué)特征表現(xiàn)為S2r，且上、下止點(diǎn)的曲柄轉(zhuǎn)角位置不在特殊位置（0或180度曲軸轉(zhuǎn)角）。其無量綱運(yùn)動公式為：/)(sin1 cos)/11(2/1222/122*x2/122*)(sin1)(sincossin)(sin1)sin2(coscos22*a2/322222)(sin1)(sincos第11頁/共58頁2022-2-112偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動特點(diǎn) 活塞從上止點(diǎn)到下止點(diǎn)曲柄轉(zhuǎn)過的角度大于度； 活塞從下止點(diǎn)到上止點(diǎn)曲柄轉(zhuǎn)過的角度小于度； 活塞行程大于倍曲柄半徑； 偏心量不大

5、時，可用中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動公式計(jì)算。第12頁/共58頁2022-2-113四、關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)第13頁/共58頁2022-2-114關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，主活塞、主連桿的運(yùn)動規(guī)律與一般曲柄連桿機(jī)構(gòu)相同，而副活塞、副連桿的運(yùn)動規(guī)律與前者有差異。第14頁/共58頁2022-2-115關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要參數(shù) ：V型夾角； f：關(guān)節(jié)夾角； 其他同中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，副連桿相應(yīng)參數(shù)帶有下標(biāo)f。ffHH第15頁/共58頁2022-2-116主副連桿運(yùn)動曲線第16頁/共58頁2022-2-117活塞運(yùn)動規(guī)律分析與用途 、簡諧運(yùn)動規(guī)律：活塞運(yùn)動可以用簡諧函數(shù)表達(dá)，可表示為一階分量

6、和二階分量；一階分量與曲軸同步，二階分量比曲軸速度快一倍。 、活塞運(yùn)動規(guī)律的用途： （）活塞位移用于示功圖（p-與p-v）的轉(zhuǎn)換、氣門干涉的校驗(yàn)及動力計(jì)算； （）活塞速度用于評價氣缸的磨損程度； （）活塞加速度用于計(jì)算往復(fù)慣性力。第17頁/共58頁2022-2-118本講主要內(nèi)容 u曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)u曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析u內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計(jì)第18頁/共58頁2022-2-119 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 作用在內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的力有缸內(nèi)氣體作用力、運(yùn)動質(zhì)量慣性力、摩擦力、支承反力和有效負(fù)荷等。一般受力分析時忽略摩擦力使受力分析偏于安全。所以，在內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，氣體作用力、慣性力

7、與支承反力、有效負(fù)荷相平衡。第19頁/共58頁2022-2-120曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力PFjFrF第20頁/共58頁2022-2-121曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析第21頁/共58頁2022-2-122曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析第22頁/共58頁2022-2-123一、氣體作用力 作用在活塞頂上的氣體力就是內(nèi)燃機(jī)的示功圖，示功圖可通過工作過程模擬計(jì)算（對新設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)）或試驗(yàn)方法（對現(xiàn)有內(nèi)燃機(jī)）確定。 4/ ) (2ppDFgg式中，D為氣缸直徑； 為氣缸內(nèi)的絕對壓力； 為曲軸箱內(nèi)氣體的絕對壓力。 gp p第23頁/共58頁2022-2-124力的傳遞與分解 對氣缸壁產(chǎn)生側(cè)向力為 連桿力為 切向力為 法向力為ta

8、nFFclrFFLFCFtFncos/FFLcos/ )sin( FFtcos/ )cos( FFn第24頁/共58頁2022-2-125力的傳遞與分解 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為 cossin(FrrFTt傾覆力矩為 ThFTcklrTTk第25頁/共58頁2022-2-126二、慣性力 要確定曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力，必須要先知道其加速度和質(zhì)量分布。前面已求出加速度，下面討論質(zhì)量分布問題。1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布 （1）活塞組零件可簡單相加，并集中在活塞銷中心。pipmm第26頁/共58頁2022-2-1271、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布（2）曲拐質(zhì)量，可以根據(jù)產(chǎn)生的離心力不變的原則用集中在曲柄半徑r處的質(zhì)量

9、來代替。（3）作平面運(yùn)動的連桿組，根據(jù)動力學(xué)等效性的一般原則進(jìn)行質(zhì)量換算：所有當(dāng)量質(zhì)量之和等于連桿組總質(zhì)量ml。所有當(dāng)量質(zhì)量構(gòu)成的系統(tǒng)的公共質(zhì)心與連桿組的質(zhì)心重合，并按此質(zhì)心的運(yùn)動規(guī)律運(yùn)動。所有當(dāng)量質(zhì)量相對通過連桿組質(zhì)心的軸線的轉(zhuǎn)動慣量之和，等于連桿組對同一軸線的轉(zhuǎn)動慣量。iicrmrm)/1 (第27頁/共58頁2022-2-128連桿質(zhì)量換算 往往用小頭、大頭和質(zhì)心處的三個質(zhì)量m1、m2、m3來代替連桿組。實(shí)際高速機(jī)計(jì)算表明，m3與m1、m2相比很小，所以一般簡化為兩質(zhì)量系統(tǒng)。由前兩個條件得： m1=ml(l-l)/l； m2=mll/l 所以，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)質(zhì)量為 m2 m1 旋轉(zhuǎn)質(zhì)

10、量為ll2mmmcr1mmmpj第28頁/共58頁2022-2-1292、旋轉(zhuǎn)慣性力2rmFrr)4/(22Drmfrr旋轉(zhuǎn)慣性力：單位活塞面積旋轉(zhuǎn)慣性力：第29頁/共58頁2022-2-1303、往復(fù)慣性力 單位活塞投影面積的往復(fù)慣性力：)2cos(cos2rmamFjjj)2cos(cos)4/(02fDFfjj)4/(220Drmfj往復(fù)慣性力在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的傳遞情況與氣體作用力很相似，但它不能在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部自行抵消，所以會引起支反力：第30頁/共58頁2022-2-131往復(fù)慣性力引起的支反力PFjFrFRjRjbTFRkjjj/2/第31頁/共58頁2022-2-132三、單缸轉(zhuǎn)矩

11、可以將 和 合成為 ，單缸轉(zhuǎn)矩可計(jì)算為：gFjFFcos/ )sin(rFrFTt第32頁/共58頁2022-2-133四、多缸機(jī)轉(zhuǎn)矩 以六缸四沖程發(fā)動機(jī)（1-5-3-6-2-4-1）為例1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 - 11,63,45,2120240360480600720第33頁/共58頁2022-2-134四、多缸機(jī)轉(zhuǎn)矩)600(015TT)360(016TT)480(013TT 則這時其它缸的轉(zhuǎn)矩為：第一缸轉(zhuǎn)矩為：)120(014TT)(cos/ )sin(11TrFrFTt)240(012TT第34頁/共58頁2022-2-135各主軸頸所受轉(zhuǎn)矩 求某一主軸頸的轉(zhuǎn)矩，

12、只要把從第一拐起到該主軸頸前一拐的各單缸轉(zhuǎn)矩疊加起來即可。即遵循各缸轉(zhuǎn)矩向后傳遞的原則。01 ,0T)(12, 1TT)240(012, 13 , 2TTT)480(013 , 24, 3TTT)120(014, 35,4TTT)600(015 , 46, 5TTT)360(016, 57,6TTT第35頁/共58頁2022-2-136各連桿軸頸所受轉(zhuǎn)矩 根據(jù)轉(zhuǎn)矩向后傳遞的原則，某連桿軸頸所受的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該是前一個主軸頸上的累積轉(zhuǎn)矩與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸轉(zhuǎn)矩的一半（因?yàn)榍邢蛄τ杀竟諆啥说闹鬏S承各承擔(dān)一半，只有前端支反力對本拐曲柄銷有轉(zhuǎn)矩作用。)(21, 1iiiqiTTT)(2121

13、11TrFTtq)240(21012, 12TTTq)480(21013 , 23TTTq)120(21014, 34TTTq)600(21015 , 45TTTq)360(21016, 56TTTq第36頁/共58頁2022-2-137五、作用在曲軸軸頸和軸承上的負(fù)荷 為了分析軸承副的工作條件，必須知道軸承負(fù)荷的大小大小、方向方向和作用點(diǎn)作用點(diǎn)在一個工作循環(huán)內(nèi)的變化，通常采用負(fù)荷矢量的極坐標(biāo)圖表示。 作軸頸負(fù)荷矢量圖時，坐標(biāo)固定在軸上軸上。 作軸承負(fù)荷矢量圖時，坐標(biāo)固定在軸承上軸承上。第37頁/共58頁2022-2-1381、曲柄銷負(fù)荷圖 作用在曲柄銷上的載荷 ，除了法向力 和切向力 外，還

14、有連桿大頭的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m2產(chǎn)生的離心力 （常矢量）。tnrlcpFFFFFrlFnFtFcpcpFnFtFrlF第38頁/共58頁2022-2-1391、曲柄銷負(fù)荷圖作用在曲柄銷上的載荷 ，除了法向力 和切向力 外，還有連桿大頭的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量m2產(chǎn)生的離心力 （常矢量）。cpFnFtFrlFtnrlcpFFFF第39頁/共58頁2022-2-1402、連桿軸承負(fù)荷圖 由于軸頸與軸承上的負(fù)荷互為反作用，在任一時刻，它們都大小相等、方向相反，所以對于連桿軸承，將對應(yīng) 角的負(fù)荷 轉(zhuǎn)過 可得連桿軸承負(fù)荷。cpF0180+0180cpFFcb第40頁/共58頁2022-2-141連桿軸承負(fù)荷圖第41頁/共58

15、頁2022-2-1423、主軸頸負(fù)荷圖 在任何時刻作用在曲軸某一主軸頸上的負(fù)荷決定于此軸頸兩側(cè)曲柄銷上的負(fù)荷 以及曲拐旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力Frc FCJ=FCPi+FrcicpFcpFcpFFrcFrc第42頁/共58頁2022-2-1433、主軸頸負(fù)荷圖在任何時刻作用在曲軸某一主軸頸上的負(fù)荷決定于此軸頸兩側(cè)曲柄銷上的負(fù)荷 以及曲拐旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力FrccpiF第43頁/共58頁2022-2-1444、主軸承負(fù)荷圖 由于軸頸與軸承上的負(fù)荷互為反作用，在任一時刻，它們都大小相等、方向相反，所以通過參照系的轉(zhuǎn)換就可從軸頸負(fù)荷圖得到軸承負(fù)荷圖。 對于主軸承，可將對應(yīng) 角的主軸頸負(fù)荷 順曲軸旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過

16、可得主軸承負(fù)荷 。cbF0180第44頁/共58頁2022-2-145主軸承負(fù)荷圖FjbFcj0180第45頁/共58頁2022-2-146動力計(jì)算用表10203040720gFjFFcFlFnFtF第46頁/共58頁2022-2-147本講主要內(nèi)容 u曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)u曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析u內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計(jì)第47頁/共58頁2022-2-148 內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計(jì)一、內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動內(nèi)燃機(jī)的總轉(zhuǎn)矩由各缸轉(zhuǎn)矩疊加而成，它即使在穩(wěn)定工況下也是不斷周期性地變化。這種轉(zhuǎn)矩的變化引起傾覆力矩的相應(yīng)變化，使內(nèi)燃機(jī)發(fā)生振動。轉(zhuǎn)矩波動的原因主要有兩種：1、缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化 2

17、、往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化第48頁/共58頁2022-2-149第49頁/共58頁2022-2-150內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動 表征內(nèi)燃機(jī)總轉(zhuǎn)矩變化的指標(biāo)是不均勻度：mTTT/ )(minmax式中， 、 和 分別為內(nèi)燃機(jī)總轉(zhuǎn)矩曲線的最大、最小和平均值。值的大致范圍列在表21中maxTminTmT第50頁/共58頁2022-2-151不同缸數(shù)四沖程內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩不均勻度和盈虧功系數(shù)缸數(shù)轉(zhuǎn)矩不均勻度盈虧功系數(shù)110201.11.328150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.01第51頁/共58頁2022-2-152二、

18、飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 的存在不僅造成傾覆力矩的變化和支反力變化，而且引起轉(zhuǎn)速波動。為了解決這一問題，應(yīng)加裝飛輪。所需飛輪轉(zhuǎn)動慣量可以根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)均勻性要求確定。)/(0dtdITTm式中，Tm為內(nèi)燃機(jī)阻力矩，假定不隨時間而變，因而等于平均轉(zhuǎn)矩；I0為內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動質(zhì)量總轉(zhuǎn)動慣量。 由動力學(xué)基本定律，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩T的變化與曲軸角速度的波動之間有如下關(guān)系：第52頁/共58頁2022-2-153飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 在對應(yīng)min和max的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)積分上式，得：)(2)(2min2max021IdTTEm式中， 稱為盈虧功。令：EEEnPEe/102 . 15，為一個工作循環(huán)的有效功。 在中、高速內(nèi)燃機(jī)中，轉(zhuǎn)速波動不大，因而平均角速度：21minmax1221dm第53頁/共58頁2022-2-154飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 定義:)/()(2/ )(minmaxminmaxminmaxm為內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻度。20/EI令： 9 . 08 . 0于是： nEIf2900式中， 為飛輪轉(zhuǎn)動