第二章_曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析(沖突_WIN-20160317ZJK_2013-05-13 22-46-38)

1、2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計1第二章第二章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 第一節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 第二節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析 第三節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計2第一節(jié)第一節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計3曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計4曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)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)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)

2、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2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計5各種曲柄連桿機(jī)構(gòu)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) 2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計62、特性參數(shù)、特性參數(shù) 曲柄半徑：曲柄半徑：r 連桿長度：連桿長度：l 曲柄連桿比：曲柄連桿比： 偏心距：偏心距：e 偏心率：偏心率： lr /re/lr2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計7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、活塞運(yùn)動規(guī)律設(shè)x為活

3、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)二、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)coscoslrlrxsinsin2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計8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 (2coscos2/32222222ra/)sin1 (cos)/11 (/2/122*rxx2/122*)sin1 (2sin)2/(sin)/(r2/32222222*)sin1(2sin)4/()sin1 (2coscos)/(

4、raa無量綱化2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計9 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、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% 2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計10三、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)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

5、*)(sin1)(sincossin)(sin1)sin2(coscos22*a2/322222)(sin1)(sincos2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計11第二節(jié)第二節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析曲柄連桿機(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、慣性力與支承反力、有效負(fù)荷相平衡。2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計12曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計13曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計14一、氣

6、體作用力一、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算（對新設(shè)計內(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 p2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計15力的傳遞與分解力的傳遞與分解 力的傳遞情況如圖所示 對氣缸壁產(chǎn)生側(cè)向力為 連桿力在曲柄銷中心產(chǎn)生切向力和法向力發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩為 AFFlFtFnFlFtFlFcFnFcFhTTktanFFccos/ )sin( FFtcos/ )cos( FFnrFTt傾覆力矩為 ThFTck2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計16二、慣性力二、

7、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、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。pipmm2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計171、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量分布、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)

8、動慣量之和，等于連桿組對同一軸線的轉(zhuǎn)動慣量。iicrmrm)/1 (2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計18連桿質(zhì)量換算連桿質(zhì)量換算 往往用大頭、小頭和質(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)量為ll2mmmcr1mmmpj2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計192、往復(fù)慣性力、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)

9、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：bTFRkjjj/2/2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計203、旋轉(zhuǎn)慣性力、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：2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計21三、單缸轉(zhuǎn)矩三、單缸轉(zhuǎn)矩 可以將 和 合成為 ，單缸轉(zhuǎn)矩可計算為：gFjFFcos/ )sin(rFrFTt2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計22四、作用在曲軸軸頸和軸承上的負(fù)荷四、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

10、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。2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計231、曲柄銷負(fù)荷圖、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）。tnrlcpFFFFFrlFnFtFcpcpFnFtFrlF2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計241、曲柄銷負(fù)荷圖、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）。cpFnFtFrlFtnrlcpFFFF2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計252、連桿軸承負(fù)荷圖、連桿軸承負(fù)荷圖 由于

11、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+0180cpFFcb2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計263、主軸頸負(fù)荷圖、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+FrcicpFcpFcpFFrcFrc2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計273、主軸頸負(fù)荷圖、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FrccpiF2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計284、主軸承負(fù)荷圖、

12、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 可得主軸承負(fù)荷 。cbF01802022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計29主軸承負(fù)荷圖主軸承負(fù)荷圖FjbFcj01802022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計30動力計算用表動力計算用表10203040720gFjFFcFlFnFtF2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計31第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計一、內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動一、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，它內(nèi)燃機(jī)的總轉(zhuǎn)矩由各缸轉(zhuǎn)

13、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。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，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)矩波動的原因主要使內(nèi)燃機(jī)發(fā)生振動。轉(zhuǎn)矩波動的原因主要有兩種：有兩種：1、缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化、缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化 2、往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化、往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計322022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計33內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動內(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

14、大致范圍列在表91中maxTminTmT2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計34表表91 不同缸數(shù)四沖程內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩不不同缸數(shù)四沖程內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩不均勻度均勻度和盈虧功系數(shù)和盈虧功系數(shù)缸數(shù)轉(zhuǎn)矩不均勻度盈虧功系數(shù)110201.11.328150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.012022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計35二、飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定二、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)

15、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：2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計36飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定飛輪轉(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：21minmax1221dm2022-5-3內(nèi)燃機(jī)設(shè)計37飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定飛輪轉(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