內(nèi)燃機(jī)動力學(xué) 曲柄連桿機(jī)構(gòu) 動力學(xué) 多體動力學(xué)[高教課堂]

1、 曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué) Xiao Peng 1教學(xué)運(yùn)用 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的 主要作用力主要作用力 l氣體作用力 l運(yùn)動質(zhì)量的慣性力 l外界負(fù)載對內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動的反作用力 2教學(xué)運(yùn)用 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量換算曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量換算 l活塞組 l曲軸組 l連桿組 復(fù)雜的質(zhì)量系統(tǒng) 動力學(xué)上 相當(dāng) 運(yùn)動質(zhì)量的 簡化簡化： 3教學(xué)運(yùn)用 活塞組活塞組 l純粹 往復(fù)直線運(yùn)動往復(fù)直線運(yùn)動 零件的總稱 l包括 活塞、活塞環(huán)、活塞銷以及它們的緊固 元件 活塞組質(zhì)量mp 近似地 集中在 活塞銷中心處 4教學(xué)運(yùn)用 曲軸組曲軸組 l純粹 回轉(zhuǎn)運(yùn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動 零件的總稱 l包括 曲軸定時

2、齒輪、止推片、曲軸、平衡重 l對于 與曲軸中心線對稱的部分的平衡質(zhì)量， 其產(chǎn)生的離心慣性力互相抵消，可不予考慮 l確定曲軸質(zhì)量時，只考慮其中 不平衡部分不平衡部分 的 質(zhì)量 5教學(xué)運(yùn)用 l目的：把單位曲柄不平衡質(zhì)量 換算成 集 中于 曲柄半徑曲柄半徑R處處（曲柄銷中心） 的質(zhì) 量mk l原則：轉(zhuǎn)換后集中質(zhì)量mk所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn) 慣性力與轉(zhuǎn)換前不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心 慣性力 相等相等 6教學(xué)運(yùn)用 l曲柄銷 l曲柄臂 mmR ? 2 2 mRmR R mmR 7教學(xué)運(yùn)用 l換算到 曲柄半徑R處 的整個曲柄組的 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量為 R mmmmm RR k 22 l單位曲拐 = 一個曲柄銷 + 兩個曲柄臂 8教學(xué)

3、運(yùn)用 連桿組連桿組 l作復(fù)合平面運(yùn)動復(fù)合平面運(yùn)動 的零件 l包括 連桿體、連桿小頭襯套、連桿蓋、連 桿螺栓和螺母、連桿軸承 l連桿組總質(zhì)量mc l活塞銷處作往復(fù)運(yùn)動往復(fù)運(yùn)動 的質(zhì)量m1 l曲柄銷處作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 的質(zhì)量m2 動力效應(yīng) 相同 9教學(xué)運(yùn)用 為此應(yīng)滿足的三個條件為此應(yīng)滿足的三個條件 （1）質(zhì)量不變 （2）系統(tǒng)的質(zhì)心位置不變 c21ci , mmmmm 0- 0 12 i bmam lm i c2c1 ,m L b mm L a m? 10教學(xué)運(yùn)用 （3）系統(tǒng)對質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量不變 即： e 2 i Ilm i 因?yàn)檗D(zhuǎn)換后的雙質(zhì)量系統(tǒng)的質(zhì)量分布質(zhì)量分布相對 于換算前的質(zhì)心離曲軸中心線

4、更遠(yuǎn)，所以換 算后的轉(zhuǎn)動慣量要比原系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量要大 一些，所以第三個條件得不到滿足 但一般情況下，換算前后的轉(zhuǎn)動慣量相差不大 11教學(xué)運(yùn)用 主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)的 質(zhì)量換算質(zhì)量換算 l首先用兩個質(zhì)量me1、 me2代替原副連桿原副連桿的質(zhì)量me ee2 ee1 m l d m m l c m ? 12教學(xué)運(yùn)用 l將m e2看做是 集中在主連桿 上的副連桿銷 中心 l在主連桿上主連桿上進(jìn) 行質(zhì)量換算， 得： L rL m L b mm L r m L a mm ee e 2LL2 e 2LL1 cos- , cos ? 13教學(xué)運(yùn)用 綜合綜合 l對于中心（或偏

5、心式） 曲柄連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)際系 統(tǒng)可用 集中于活塞銷中心的往集中于活塞銷中心的往 復(fù)運(yùn)動質(zhì)量復(fù)運(yùn)動質(zhì)量mj 和集中于曲柄銷中心的旋集中于曲柄銷中心的旋 轉(zhuǎn)質(zhì)量轉(zhuǎn)質(zhì)量mr 來代替，即： 2kr1pj ,mmmmmm? 14教學(xué)運(yùn)用 l對于主副連桿式曲柄 連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)際系統(tǒng) 可用 集中于副缸活塞銷中集中于副缸活塞銷中 心的往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量心的往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量mej ， 集中于主缸活塞銷中集中于主缸活塞銷中 心的往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量心的往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量mLj ，以及 集中于曲柄銷中心作集中于曲柄銷中心作 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 mr 來代替，如圖所示： 15教學(xué)運(yùn)用 ) cos- ( ) cos ( e 2

6、LkL2kr e 2LLpL1LpLj e1epej L rL m L b mmmmm L r m L a mmmmm mmm e e ? ? ? 16教學(xué)運(yùn)用 中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的 作用力和力矩作用力和力矩 內(nèi)燃機(jī)中的基本作用力 氣缸內(nèi)的氣體壓力p 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動時 產(chǎn)生的慣性力 )p-(p 4 2 g D P =換算質(zhì)量后的各個質(zhì)量相應(yīng)的運(yùn)動加速度 作用在活塞上的氣體作用力 17教學(xué)運(yùn)用 中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力 l往復(fù)慣性力 方向： 與加速度方向相反 總的往復(fù)慣性力 jIIjI 2 j 2 j 2 jjj 2cos-cos- )2cosc

7、os(- PP RmRm RmamP ? ? ? ? 1pj mmm 18教學(xué)運(yùn)用 各力的對比關(guān)系圖各力的對比關(guān)系圖 19教學(xué)運(yùn)用 l離心慣性力 2kr mmm 方向： 總是沿著曲柄半徑方向向外 2 rr RmP 大?。簽槎ㄖ?20教學(xué)運(yùn)用 中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)中中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)中 力的傳遞及作用效果分析力的傳遞及作用效果分析 l活塞銷處的總作用力 jg PPP l總作用力的傳遞 cos P K tan PN 21教學(xué)運(yùn)用 l的大小對活塞位移曲線的影響 l活塞位移的近似表達(dá)式 l的值越大，活塞位移曲線越豐滿 )sin 2 1 co-1 ( 2 sRx 22教學(xué)運(yùn)用 l連桿作用力K方向規(guī)定： l

8、缸壁側(cè)壓力N正負(fù)號規(guī)定： 使連桿受拉受拉時為正正，受壓受壓時為負(fù)負(fù) 當(dāng)側(cè)壓力N所形成的反力矩與曲軸旋轉(zhuǎn)方 向相反相反時，側(cè)壓力為正正值，反之為負(fù) ？ 23教學(xué)運(yùn)用 l力沿連桿傳遞到曲柄銷時， 得力K=K，再將它分解成垂 直于曲柄的切向力切向力T和沿曲柄 半徑的徑向力徑向力Z cos )(sin )(sin PKT cos )cos( )cos( PKZ 24教學(xué)運(yùn)用 因?yàn)?所以可得，切向力T和徑向力Z 隨轉(zhuǎn)角變 化的關(guān)系曲線： 如圖2-10 22 sin-1cosarc 25教學(xué)運(yùn)用 l沿曲柄半軸，徑向 力Z傳至曲軸中心 Z=Z，切向力T傳至 曲軸中心T和反作 用力T，T與T形 成力偶M1（單

9、缸指 示轉(zhuǎn)矩），它使內(nèi) 燃機(jī)克服外界阻力 矩而旋轉(zhuǎn)，大小為 RPTRM cos )(sin 26教學(xué)運(yùn)用 P P KKP cos cos coscos N P KKN sin cos sinsin 將K分成分解成 沿沿氣缸中心線的力P 和 垂直于垂直于氣缸中心線的 力N 27教學(xué)運(yùn)用 l曲柄連桿機(jī)構(gòu)中 力的作用效果 缸壁側(cè)推力N和傳遞到曲軸中 心的力N產(chǎn)生了一個力偶矩 MN1（傾覆力矩），大小為 1 1 - )cos(Lcostan- - M RP NAM N 28教學(xué)運(yùn)用 l上式說明一個氣缸發(fā)出的指示轉(zhuǎn)矩M1， 與傾覆力矩MN1大小相等，方向相反。 l傾覆力矩MN1通過機(jī)體傳到發(fā)動機(jī)的安 裝

10、支架上，它是引起發(fā)動機(jī)繞曲軸中心曲軸中心 線線產(chǎn)生縱搖振動的最重要最重要的內(nèi)在激勵因 素 29教學(xué)運(yùn)用 P P KKP cos cos coscos N P KKN sin cos sinsin 將K分成分解成 沿沿氣缸中心線的力P 和 垂直于垂直于氣缸中心線的 力N 30教學(xué)運(yùn)用 lP分解成作用于主軸承上主軸承上的氣體作用力Pg 和往復(fù)慣性力Pj， jg PPP jg PPPP jg ,? ? 作用于汽缸蓋上汽缸蓋上的氣體作用力Pg和作用于主主 軸承上軸承上的氣體作用力Pg大小相等，方向相 反，在機(jī)體內(nèi)抵消，造成機(jī)體拉伸或壓縮， 不傳至發(fā)動機(jī)體外 31教學(xué)運(yùn)用 l傳遞給主軸承上的往復(fù)慣性力P

11、j以自 由力的形式出現(xiàn)，通過軸承傳至機(jī)體 ，作用在發(fā)動機(jī)的安裝支架上 l是引起內(nèi)燃機(jī)垂直振動的主要激勵力 之一 32教學(xué)運(yùn)用 l集中于曲柄銷中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 mr中所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力Pr也通過軸承傳 至機(jī)體，作用在發(fā)動機(jī)的安裝支架上 l分解成平行于氣缸中心 線的分量PrV（引起垂直 振動）和垂直于氣缸中 心線的分量PrH （引起橫 向振動） sin cos H V rr rr PP PP 33教學(xué)運(yùn)用 綜合綜合 l內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的氣體壓力和往復(fù)運(yùn)動慣性力 經(jīng) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的傳遞，產(chǎn)生內(nèi)燃機(jī)的輸出扭矩 （驅(qū)動負(fù)載對外做功）。在力的傳遞過程中產(chǎn) 生反扭矩、旋轉(zhuǎn)慣性力，最終傳至機(jī)體，引起 振動

12、34教學(xué)運(yùn)用 偏心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的偏心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的 作用力和力矩作用力和力矩 l與中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)區(qū)別不大 l其中往復(fù)慣性力的區(qū)別在于往復(fù)運(yùn)動件的加速 度不同，總的往復(fù)慣性力為 jIIjI 2 j 2 j 2 jjj 2cos-)sincos(- )sin2coscos(- PP RmkRm kRmamP l連桿比和相對偏心量k的數(shù)值相對很小，可 以忽略 l對于氣體作用力和旋轉(zhuǎn)慣性力，與中心式連 桿機(jī)構(gòu)沒什么區(qū)別 35教學(xué)運(yùn)用 l此時反力矩 MN= NA+ P ge = -(TR- P ge) l曲柄偏心時，作用力的 分解與傳遞 l作用在主軸承上的P （ P = P = P g+ P j

13、 ）不 通過氣缸中心線，而氣 體作用力P g通過氣缸中 心線，這樣就多形成了 一個反力偶矩P ge 36教學(xué)運(yùn)用 l活塞銷偏心時，作用力 的分解與傳遞 l作用在主軸承上的氣體 壓力中心相對于活塞銷 中心線（傳力點(diǎn)）有一 偏心量e，因此也形成了 一個反力偶矩P ge l此時反力矩 MN= NA+ P ge = -(TR- P ge) l與曲軸偏心時的結(jié)果一樣 37教學(xué)運(yùn)用 主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)的 作用力和力矩作用力和力矩 l與中心式曲柄連桿機(jī)構(gòu)不完全相同 l主缸除了受到本身本身的氣體作用力和往復(fù)慣性力 外，還受到了副缸副缸的氣體作用力和往復(fù)慣性力 38教學(xué)運(yùn)用 副缸活塞上的作用力副缸活塞上的作用力 分解與傳遞分解與傳遞 l分解成 沿沿連桿軸線方向的連桿 作用力Ke和垂直于垂直于連桿 軸線方向的缸壁側(cè)壓力 Ne eee tan PN e e e cos P K 39教學(xué)運(yùn)用 e可通過下式求得 )-(sinsinsinrRl ee Ke沿著副連桿軸線傳至 副連桿銷C，在曲柄 銷B處產(chǎn)生大小相等 ，方向相反的兩個Ke 和Ke 40教學(xué)運(yùn)用 lKe對曲柄銷中心B的 作用，相當(dāng)于一個