畢業(yè)論文-汽車四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘要本文以捷達(dá)EA113汽油機(jī)的相關(guān)參數(shù)作為參考，對(duì)四缸汽油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論分析與計(jì)算機(jī)仿真分析。首先，以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)為依據(jù)，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及在運(yùn)動(dòng)中的受力等問題進(jìn)行詳盡的分析，并得到了精確的分析結(jié)果。其次分別對(duì)活塞組、連桿組以及曲軸進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)立了曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零部件的幾何模型，在此工作的基礎(chǔ)上，利用PRO/E軟件的裝配功能，將曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各組成零件裝配成活塞組件、連桿組件和曲軸組件，然后利用PRO/E軟件的機(jī)構(gòu)分析模塊PRO/MECHANISM，建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)的多剛體動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析模擬，研究了在不考慮外力作用并使曲軸保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，活塞和連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)。仿真結(jié)果的分析表明，仿真結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際工作狀況基本一致，文章介紹的仿真方法為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的選型、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新思路。關(guān)鍵詞發(fā)動(dòng)機(jī)；曲柄連桿機(jī)構(gòu)；受力分析；仿真建模；運(yùn)動(dòng)分析；PRO/EABSTRACTTHISARTICLEREFERSTOBYTHEJEETAEA113GASOLINEENGINESRELATEDPARAMETERACHIEVEMENT,ITHASCARRIEDONTHESTRUCTURALDESIGNCOMPUTIONFORMAINPARTSOFTHECRANKLINKMECHANISMINTHEGASOLINEENGINEWITHFOURCYLINDERS,ANDHASCARRIEDONTHEORETICALANALYSISANDSIMULATIONANALYSISINCOMPUTERINKINEMATICSANDDYNAMICSFORTHECRANKLINKMECHANISMFIRST,MOTIONLAWSANDSTRESSINMOVEMENTABOUTTHECRANKLINKMECHANISMAREANALYZEDINDETAILANDTHEPRECISEANALYSISRESULTSAREOBTAINEDNEXTSEPARATELYTOTHEPISTONGROUP,THELINKAGEASWELLASTHECRANKCARRIESONTHEDETAILEDSTRUCTURALDESIGN,ANDHASCARRIEDONTHESTRUCTURALSTRENGTHANDTHERIGIDITYEXAMINATIONONCEMORE,APPLYSTHREEDIMENSIONALCADSOFTWAREPRO/ENGINEERESTABLISHINGTHEGEOMETRYMODELSOFALLKINDSOFPARTSINTHECRANKLINKMECHANISM,THENUSEINGTHEPRO/ESOFTWAREASSEMBLINGFUNCTIONASSEMBLESTHECOMPONENTSOFCRANKLINKINTOTHEPISTONMODULE,THECONNECTINGRODMODULEANDTHECRANKMODULE,THENUSINGPRO/ESOFTWAREMECHANISMANALYSISMODULEPRO/MECHANISM,ESTABLISHESTHEMULTIRIGIDDYNAMICSMODELOFTHECRANKLINK,ANDCARRIESONTHEKINEMATICSANALYSISANDTHEDYNAMICSANALYSISSIMULATION,ANDITSTUDIESTHEPISTONANDTHECONNECTINGRODMOVEMENTRULEASWELLASCRANKLINKMOTIONGEARMOVEMENTENVELOPMENTTHEANALYSISOFSIMULATIONRESULTSSHOWSTHATTHOSESIMULATIONRESULTSAREMEETTOTRUEWORKINGSTATEOFENGINEITALSOSHOWSTHATTHESIMULATIONMETHODINTRODUCEDHERECANOFFERANEWEFFICIENTANDCONVENIENTWAYFORTHEMECHANISMCHOOSINGANDOPTIMIZEDDESIGNOFCRANKCONNECTINGRODMECHANISMINENGINEKEYWORDSENGINE；CRANKSHAFTCONNECTINGRODMECHANISM；ANALYSISOFFORCE；MODELINGOFSIMULATION；MOVEMENTANALYSIS；PRO/E目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111選題的目的和意義112國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀113設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容3第2章曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析421曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇422曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)4211活塞位移5212活塞的速度6213活塞的加速度622曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力7221氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力7222機(jī)構(gòu)的慣性力723本章小結(jié)14第3章活塞組的設(shè)計(jì)1531活塞的設(shè)計(jì)15311活塞的工作條件和設(shè)計(jì)要求15312活塞的材料16313活塞頭部的設(shè)計(jì)16314活塞裙部的設(shè)計(jì)2132活塞銷的設(shè)計(jì)23321活塞銷的結(jié)構(gòu)、材料23322活塞銷強(qiáng)度和剛度計(jì)算2333活塞銷座24331活塞銷座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24332驗(yàn)算比壓力2434活塞環(huán)設(shè)計(jì)及計(jì)算25341活塞環(huán)形狀及主要尺寸設(shè)計(jì)25342活塞環(huán)強(qiáng)度校核2535本章小結(jié)26第4章連桿組的設(shè)計(jì)2741連桿的設(shè)計(jì)27411連桿的工作情況、設(shè)計(jì)要求和材料選用27412連桿長(zhǎng)度的確定27413連桿小頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算27414連桿桿身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算30415連桿大頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度、剛度計(jì)算3342連桿螺栓的設(shè)計(jì)35421連桿螺栓的工作負(fù)荷與預(yù)緊力35422連桿螺栓的屈服強(qiáng)度校核和疲勞計(jì)算3543本章小結(jié)36第5章曲軸的設(shè)計(jì)3751曲軸的結(jié)構(gòu)型式和材料的選擇37511曲軸的工作條件和設(shè)計(jì)要求37512曲軸的結(jié)構(gòu)型式37513曲軸的材料3752曲軸的主要尺寸的確定和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)38521曲柄銷的直徑和長(zhǎng)度38522主軸頸的直徑和長(zhǎng)度38523曲柄39524平衡重39525油孔的位置和尺寸40526曲軸兩端的結(jié)構(gòu)40527曲軸的止推4053曲軸的疲勞強(qiáng)度校核41531作用于單元曲拐上的力和力矩41532名義應(yīng)力的計(jì)算4554本章小結(jié)47第6章曲柄連桿機(jī)構(gòu)的創(chuàng)建4861對(duì)PRO/E軟件基本功能的介紹4862活塞的創(chuàng)建48621活塞的特點(diǎn)分析48622活塞的建模思路48623活塞的建模步驟4963連桿的創(chuàng)建50631連桿的特點(diǎn)分析50632連桿的建模思路50633連桿體的建模步驟51634連桿蓋的建模5264曲軸的創(chuàng)建52641曲軸的特點(diǎn)分析52642曲軸的建模思路52643曲軸的建模步驟5365曲柄連桿機(jī)構(gòu)其它零件的創(chuàng)建55651活塞銷的創(chuàng)建55652活塞銷卡環(huán)的創(chuàng)建55653連桿小頭襯套的創(chuàng)建55654大頭軸瓦的創(chuàng)建55655連桿螺栓的創(chuàng)建5666本章小結(jié)56第7章曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析5771活塞及連桿的裝配57711組件裝配的分析與思路57712活塞組件裝配步驟57713連桿組件的裝配步驟5872定義曲軸連桿的連接5973定義伺服電動(dòng)機(jī)6074建立運(yùn)動(dòng)分析6075進(jìn)行干涉檢驗(yàn)與視頻制作6176獲取分析結(jié)果6277對(duì)結(jié)果的分析6478本章小結(jié)64結(jié)論65參考文獻(xiàn)66致謝67附錄68第1章緒論11選題的目的和意義曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，通過它把活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而輸出動(dòng)力。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)中主要的受力部件，其工作可靠性就決定了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，機(jī)構(gòu)的工作條件更加復(fù)雜。在多種周期性變化載荷的作用下，如何在設(shè)計(jì)過程中保證機(jī)構(gòu)具有足夠的疲勞強(qiáng)度和剛度及良好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性成為曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性問題1。通過設(shè)計(jì)，確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和零部件結(jié)構(gòu)，包括必要的結(jié)構(gòu)尺寸確定、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、材料的選取等，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式中，為了滿足設(shè)計(jì)的需要須進(jìn)行大量的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為了滿足產(chǎn)品的使用性能，須進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及可靠性等方面的設(shè)計(jì)和校核計(jì)算，同時(shí)要滿足校核計(jì)算，還需要對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。為了真實(shí)全面地了解機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行工況下的力學(xué)特性，本文采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，針對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)的，高精度的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析與計(jì)算，因此本研究所采用的高效、實(shí)時(shí)分析技術(shù)對(duì)提高分析精度，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義，而且可以更直觀清晰地了解曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中的受力狀態(tài)，便于進(jìn)行精確計(jì)算，對(duì)進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)的平衡與振動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)增壓的改造等均有較為實(shí)用的應(yīng)用價(jià)值。12國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀多剛體動(dòng)力學(xué)模擬是近十年發(fā)展起來的機(jī)械計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，提供了在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化的有效手段，在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得越來越廣泛的應(yīng)用。它是利用計(jì)算機(jī)建造的模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將分析的方法用于模擬實(shí)驗(yàn)，充分利用已有的基本物理原理，采用與實(shí)際物理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相似的研究方法，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)。目前多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件主要有PRO/MECHANICS，WORKINGMODEL3D，ADAMS等。多剛體動(dòng)力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點(diǎn)在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分析時(shí)無需進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)。對(duì)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品的部件裝配進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，可校核部件運(yùn)動(dòng)軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)部件裝配進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，可校核機(jī)構(gòu)受力情況；根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)約束及保證性能最優(yōu)的目標(biāo)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對(duì)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和修正2。目前國(guó)內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進(jìn)行了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)干涉，校核配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)性能等，為設(shè)計(jì)人員提供了基本的設(shè)計(jì)依據(jù)34。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟。其中機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究?jī)蓚€(gè)或兩個(gè)以上物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系動(dòng)力學(xué)則是研究產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力。發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法5。1、解析法解析法是對(duì)構(gòu)件逐個(gè)列出方程，通過各個(gè)構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運(yùn)動(dòng)副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標(biāo)法等。2、圖解法圖解法形象比較直觀，機(jī)構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢(shì)均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對(duì)計(jì)算機(jī)結(jié)果的判斷和選擇。解析法取點(diǎn)數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。不經(jīng)任何計(jì)算，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜6。3、復(fù)數(shù)向量法復(fù)數(shù)向量法是以各個(gè)桿件作為向量，把在復(fù)平面上的連接過程用復(fù)數(shù)形式加以表達(dá)，對(duì)于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)的解析式就時(shí)間求導(dǎo)后，可以得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能。該方法是機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的較好方法。通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析表達(dá)式，卻難以計(jì)算出供工程設(shè)計(jì)使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù)據(jù)。近年來隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來精確求解各種運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)過程，從而形成了機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，從而可以更好地對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)盡管能夠給出解析式，卻難以計(jì)算出供工程使用的計(jì)算結(jié)果，不得不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計(jì)算表達(dá)式來精確求解各種運(yùn)動(dòng)過程和動(dòng)態(tài)過程，從而形成機(jī)械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的現(xiàn)代理論和方法。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力5。目前，在對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機(jī)商業(yè)軟件，如ADAMS等。這些軟件的功能重點(diǎn)是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對(duì)這些復(fù)雜的曲柄連桿機(jī)構(gòu)零部件的三維建模很難實(shí)現(xiàn)。因而在其仿真分析過程中對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助CAD軟件來完成，如PRO/E、UG、SOLIDWORKS等4。當(dāng)考慮到對(duì)多柔體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，有時(shí)還需要結(jié)合ANSYS等專業(yè)的有限元分析軟件來進(jìn)行7。這一過程十分復(fù)雜，不僅需要對(duì)這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，而且軟件使用成本也很高。13設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容對(duì)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析進(jìn)行深入研究，其主要的研究?jī)?nèi)容有（1）對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零部件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等方面的計(jì)算和校核，以便達(dá)到設(shè)計(jì)要求；（2）分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行合理選材，確定出主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進(jìn)行相應(yīng)的尺寸檢驗(yàn)校核，以符合零件實(shí)際加工的要求；（3）應(yīng)用PRO/E軟件對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的零件分別建立實(shí)體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，檢測(cè)其運(yùn)動(dòng)干涉，獲取分析結(jié)果；（4）應(yīng)用PRO/E軟件將零件模型圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用AUTOCAD軟件，系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類信息，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步精確設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)。第2章曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力，關(guān)鍵在于分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、磨損等方面的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)，以便達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速的要求。21曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型及方案選擇內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，按運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)可分為三類，即中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。1、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的V形內(nèi)燃機(jī)，以及對(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。2、偏心曲最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時(shí)作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻。3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連桿的下端不是直接接在曲柄銷上，而是通過副連桿銷裝在主連桿的大頭上，形成了“關(guān)節(jié)式”運(yùn)動(dòng)，所以這種機(jī)構(gòu)有時(shí)也稱為“關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)”。在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個(gè)曲柄可以同時(shí)帶動(dòng)幾套副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車用V22曲柄連連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖21所示，圖21中氣缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷中心，A為連桿小頭孔中心或活塞銷中心。當(dāng)曲柄按等角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄OB上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng)，其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際分析中，為使問題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需要對(duì)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究9。圖21曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。211活塞位移假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為，并按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為，如圖21所示。當(dāng)時(shí)，活塞銷中心A在最上面的位置A1，此位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng)1800時(shí)，A點(diǎn)在最下面的位置A2，此位置稱為下止點(diǎn)。此時(shí)活塞的位移X為XR1LCOSLR1COSR（21）式中連桿比。式（21）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖21可以看出SINILR即SNL又由于（22）將式（22）帶入式（21）得XSIN1COS12R（23）式（23）是計(jì)算活塞位移X的精確公式,為便于計(jì)算，可將式（23）中的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得6422SIN1SI8SIN1SIN1考慮到13，其二次方以上的數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。只保留前兩項(xiàng)，則22SISI（24）將式（24）帶入式（23）得（25）212活塞的速度將活塞位移公式（21）對(duì)時(shí)間T進(jìn)行微分，即可求得活塞速度的精確值為V26VCOS2INSIRDTAXT將式（25）對(duì)時(shí)間微分，便可求得活塞速度得近似公式為（27）從式（27）可以看出，活塞速度可視為由與兩部分SIN1RV2SIN2RV簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成。當(dāng)或時(shí)，活塞銷中心的圓周速度。018213活塞的加速度將式（26）對(duì)時(shí)間微分，加速度的精確值為TCOS2IN4CS2O32RDTAVTA（28）將式（27）對(duì)時(shí)間為微分，可求得活塞加速度的近似值為T21222COSCOSCOSARRRA（29）因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由與COS21R兩部分組成。2COS2RA22曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的力分為缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。由于摩擦力的數(shù)值較小且變化規(guī)律很難掌握，受力分析時(shí)把摩擦阻力忽略不計(jì)。而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)，無需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的作用。計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照EA1113汽油機(jī)，如附表1所示。221氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞GP頂面積的乘積，即42PDPG（210）式中活塞上的，；GPMPA大氣壓力，；P活塞直徑，。DM由于活塞直徑是一定的，活塞上的氣體作用力取決于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差，對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般取01，,對(duì)于缸內(nèi)PPMPAMD9850絕對(duì)壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)的慣性力是由于運(yùn)動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，必須先知道其加速度和質(zhì)量的分布。加速度從運(yùn)動(dòng)學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡(jiǎn)化。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效性。質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們進(jìn)氣終點(diǎn)壓力DEP9075PPDE008壓縮終點(diǎn)壓力COP1NEDCO146膨脹終點(diǎn)壓力EX2MAXNEXP045排氣終點(diǎn)壓力RP15R0115注平均壓縮指數(shù)，132138；壓縮比，93；平均膨脹指數(shù)，1N1N2N12130；最大爆發(fā)壓力，35，取45；此時(shí)壓2MAXMAXPMPMAXPP力角，取。503表22氣壓力計(jì)算結(jié)果G四個(gè)沖程/GPN進(jìn)氣終點(diǎn)772310297膨脹終點(diǎn)7001933排氣終點(diǎn)1801968（1）連桿質(zhì)量的換算連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的零件。為了方便計(jì)算，將整個(gè)連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量用兩個(gè)換算質(zhì)量和來代換，并假設(shè)是集中作用在連桿小頭中心處，LM1M21M并只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量；是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，如圖22所示圖22連桿質(zhì)量的換算簡(jiǎn)圖為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必須滿足下列三個(gè)條件連桿總質(zhì)量不變，即。21ML連桿重心的位置不變，即。G1LL連桿相對(duì)重心G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，即。GIGIL22其中，連桿長(zhǎng)度，為連桿重心至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公L1L式LML11LL12用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置。將連桿分成若干簡(jiǎn)單的幾何圖G形，分別計(jì)算出各段連桿重量和它的重心位置，再按照索多邊形作圖法，求出整個(gè)連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量和，如圖23所示12圖23索多邊形法4（2）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量JM活塞（包括活塞上的零件）是沿氣缸中心做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的。它們的質(zhì)量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以表示。質(zhì)量與換算到連桿小頭中心的質(zhì)量之HH1M和，稱為往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，即。J1J（3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量RM曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖24所示圖24曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。為了便于計(jì)算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為的連桿軸頸中心處，以表示，換算質(zhì)量為RKMKMREMBGK2式中曲拐換算質(zhì)量，；KM連桿軸頸的質(zhì)量，；GK一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量，；BG曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離，。EM質(zhì)量與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量，即KM2RM2KR由上述換算方法計(jì)算得往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量0583，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量0467。JMGRKG2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力把曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量簡(jiǎn)化為二質(zhì)量和后，這些質(zhì)量的慣性力可以JMR從運(yùn)動(dòng)條件求出，歸結(jié)為兩個(gè)力。往復(fù)質(zhì)量的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)JJPRM慣性力。RP（1）往復(fù)慣性力2COSCOS2COSCS22RRMRRMAJJJJ（211）式中往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，；JKG連桿比；曲柄半徑，；RM曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，；SRAD/曲軸轉(zhuǎn)角。是沿氣缸中心線方向作用的，公式（211）前的負(fù)號(hào)表示方向與活塞加速度JPJP的方向相反。A其中曲柄的角速度為3062N（212）式中曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，；NMIN/R已知額定轉(zhuǎn)數(shù)5800，則；73058SRAD/曲柄半徑4023，連桿比0250315，取027，參照附錄表2四缸R(shí)機(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉(zhuǎn)角代入式（211），計(jì)算得往復(fù)慣性力，結(jié)JP果如表23所示表23往復(fù)慣性力計(jì)算結(jié)果JP四個(gè)沖程/JN進(jìn)氣終點(diǎn)1051968壓縮終點(diǎn)63245膨脹終點(diǎn)1051968排氣終點(diǎn)632451（2）旋轉(zhuǎn)慣性力2RMPR（213）796307430672N3、作用在活塞上的總作用力由前述可知，在活塞銷中心處，同時(shí)作用著氣體作用力和往復(fù)慣性力，由GPJP于作用力的方向都沿著中心線，故只需代數(shù)相加，即可求得合力JG（214）計(jì)算結(jié)果如表24所示。4、活塞上的總作用力分解與傳遞P如圖25所示，首先，將分解成兩個(gè)分力沿連桿軸線作用的力，和把活K塞壓向氣缸壁的側(cè)向力，N其中沿連桿的作用力為KCOS1PK（215）而側(cè)向力為NTANPN（216）表24作用在活塞上的總作用力四個(gè)沖程氣壓力/GPN往復(fù)慣性力/JPN總作用力/PN進(jìn)氣終點(diǎn)772368105945102壓縮終點(diǎn)10297632456膨脹終點(diǎn)700193373排氣終點(diǎn)1801968632454812圖25作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩連桿作用力的方向規(guī)定如下使連桿受壓時(shí)為正號(hào)，使連桿受拉時(shí)為負(fù)號(hào)，缸K壁的側(cè)向力的符號(hào)規(guī)定為當(dāng)側(cè)向力所形成的反扭矩與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，側(cè)N向力為正值，反之為負(fù)值。當(dāng)時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得13SINIRL求得48319240ARCSNARCIL將分別代入式（215）、式（216），計(jì)算結(jié)果如表25所示表25連桿力、側(cè)向力的計(jì)算結(jié)果KN四個(gè)沖程