曲柄連桿機構(gòu)受力分析概要PPT課件

1、2021-11-241 曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)第1頁/共58頁2021-11-242曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)第2頁/共58頁2021-11-243曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)的分類和特性參數(shù)1、內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)分類（1）中心曲柄連桿機構(gòu)（2）偏心曲柄連桿機構(gòu)。目的在于減小膨脹行程活塞對氣缸的作用力，或在于減輕上止點附近活塞對氣缸的拍擊。（3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(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)燃機中第3頁/共58頁2021-11-244各種曲柄連桿機構(gòu) r l e e (1)中心曲柄連桿機構(gòu) （2）偏心曲柄連桿機構(gòu) （3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu) 第4頁/共58頁2021-11-2

2、452、特性參數(shù) 曲柄半徑：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2021-11-246在中心曲柄連桿機構(gòu)中，活塞作直線往復(fù)運動，連桿作平面運動，曲柄作旋轉(zhuǎn)運動，且假定其作等速轉(zhuǎn)動。 1、活塞運動規(guī)律設(shè)x為活塞位移（上止點位置為起點），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、中心曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)coscoslrlrxsinsin第6頁/共58頁2021-11-247活塞運動規(guī)律 整理以上兩式后得/)sin1 (cos)/ 11(2/ 122rx)sin1 (2sin)2/(sin2/122r)sin1(2sin)4/()s

3、in1 (2coscos2/32222222ra/)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2021-11-248 對于一般內(nèi)燃機 ，可把上列各式簡化成2、活塞運動規(guī)律簡化表達式 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2021-11-2491/4時活塞運動曲線第9頁/共58頁2021-11-24101/

4、4時活塞運動曲線第10頁/共58頁2021-11-2411三、偏心曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué) 一般來說，當偏心率0.1時，其運動情況與中心機構(gòu)差別較大，需專門處理。其運動學(xué)特征表現(xiàn)為S2r，且上、下止點的曲柄轉(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2021-11-2412偏心曲柄連桿機構(gòu)運動特點 活塞從上止點到下止點曲柄轉(zhuǎn)過的角度大于度； 活塞從下止點到上止點曲柄轉(zhuǎn)過的角

5、度小于度； 活塞行程大于倍曲柄半徑； 偏心量不大時，可用中心曲柄連桿機構(gòu)運動公式計算。第12頁/共58頁2021-11-2413四、關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)第13頁/共58頁2021-11-2414關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué) 關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)中，主活塞、主連桿的運動規(guī)律與一般曲柄連桿機構(gòu)相同，而副活塞、副連桿的運動規(guī)律與前者有差異。第14頁/共58頁2021-11-2415關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(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構(gòu)，副連桿相應(yīng)參數(shù)帶有下標f。ffHH第15頁/共58頁2021-11-2416主副連桿運動曲線第16頁/共58頁2021-11-2417活塞運動規(guī)律分析

6、與用途 、簡諧運動規(guī)律：活塞運動可以用簡諧函數(shù)表達，可表示為一階分量和二階分量；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、氣門干涉的校驗及動力計算； （）活塞速度用于評價氣缸的磨損程度； （）活塞加速度用于計算往復(fù)慣性力。第17頁/共58頁2021-11-2418本講主要內(nèi)容 u曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)u曲柄連桿機構(gòu)受力分析u內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計第18頁/共58頁2021-11-2419 曲柄連桿機構(gòu)受力分析 作用在內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)中的力有缸內(nèi)氣體作用力、運動質(zhì)量慣性力、摩擦力、支承反力和有效負荷等。一般受力分析時忽

7、略摩擦力使受力分析偏于安全。所以，在內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)中，氣體作用力、慣性力與支承反力、有效負荷相平衡。第19頁/共58頁2021-11-2420曲柄連桿機構(gòu)受力PFjFrF第20頁/共58頁2021-11-2421曲柄連桿機構(gòu)受力分析第21頁/共58頁2021-11-2422曲柄連桿機構(gòu)受力分析第22頁/共58頁2021-11-2423一、氣體作用力 作用在活塞頂上的氣體力就是內(nèi)燃機的示功圖，示功圖可通過工作過程模擬計算（對新設(shè)計內(nèi)燃機）或試驗方法（對現(xiàn)有內(nèi)燃機）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

8、頁2021-11-2424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tanFFclrFFLFCFtFncos/FFLcos/ )sin( FFtcos/ )cos( FFn第24頁/共58頁2021-11-2425力的傳遞與分解 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為 cossin(FrrFTt傾覆力矩為 ThFTcklrTTk第25頁/共58頁2021-11-2426二、慣性力 要確定曲柄連桿機構(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2021-11

9、-24271、曲柄連桿機構(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）作平面運動的連桿組，根據(jù)動力學(xué)等效性的一般原則進行質(zhì)量換算：所有當量質(zhì)量之和等于連桿組總質(zhì)量ml。所有當量質(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)心的運動規(guī)律運動。所有當量質(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2021-11-2428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。實際高速機計算表明，m3與m1、m2相比很小，所以一般簡化為兩質(zhì)量系統(tǒng)。由

10、前兩個條件得： m1=ml(l-l)/l； m2=mll/l 所以，曲柄連桿機構(gòu)的往復(fù)質(zhì)量為 m2 m1 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量為ll2mmmcr1mmmpj第28頁/共58頁2021-11-24292、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2021-11-24303、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)燃機內(nèi)部自行抵消，所以會引起支反力：第30頁/共58頁2021-11-

11、2431往復(fù)慣性力引起的支反力PFjFrFRjRjbTFRkjjj/2/第31頁/共58頁2021-11-2432三、單缸轉(zhuǎn)矩 可以將 和 合成為 ，單缸轉(zhuǎn)矩可計算為：gFjFFcos/ )sin(rFrFTt第32頁/共58頁2021-11-2433四、多缸機轉(zhuǎn)矩 以六缸四沖程發(fā)動機（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2021-11-2434四、多缸機轉(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)

12、(cos/ )sin(11TrFrFTt)240(012TT第34頁/共58頁2021-11-2435各主軸頸所受轉(zhuǎn)矩 求某一主軸頸的轉(zhuǎn)矩，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2021-11-2436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

13、力所引起單缸轉(zhuǎn)矩的一半（因為切向力由本拐兩端的主軸承各承擔(dān)一半，只有前端支反力對本拐曲柄銷有轉(zhuǎn)矩作用。)(21, 1iiiqiTTT)(212111TrFTtq)240(21012, 12TTTq)480(21013 , 23TTTq)120(21014, 34TTTq)600(21015 , 45TTTq)360(21016, 56TTTq第36頁/共58頁2021-11-2437五、作用在曲軸軸頸和軸承上的負荷 為了分析軸承副的工作條件，必須知道軸承負荷的大小大小、方向方向和作用點作用點在一個工作循環(huán)內(nèi)的變化，通常采用負荷矢量的極坐標圖表示。 作軸頸負荷矢量圖時，坐標固定在軸上軸上。 作軸

14、承負荷矢量圖時，坐標固定在軸承上軸承上。第37頁/共58頁2021-11-24381、曲柄銷負荷圖 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）。tnrlcpFFFFFrlFnFtFcpcpFnFtFrlF第38頁/共58頁2021-11-24391、曲柄銷負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2021-11-24402、連桿軸承負荷圖 由于軸頸與軸承上的負荷互為反作用，在任一時刻，它們都大小相等、方向相反，所以

15、對于連桿軸承，將對應(yīng) 角的負荷 轉(zhuǎn)過 可得連桿軸承負荷。cpF0180+0180cpFFcb第40頁/共58頁2021-11-2441連桿軸承負荷圖第41頁/共58頁2021-11-24423、主軸頸負荷圖 在任何時刻作用在曲軸某一主軸頸上的負荷決定于此軸頸兩側(cè)曲柄銷上的負荷 以及曲拐旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力Frc FCJ=FCPi+FrcicpFcpFcpFFrcFrc第42頁/共58頁2021-11-24433、主軸頸負荷圖在任何時刻作用在曲軸某一主軸頸上的負荷決定于此軸頸兩側(cè)曲柄銷上的負荷 以及曲拐旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的離心力FrccpiF第43頁/共58頁2021-11-24444、主軸承負荷圖 由于軸頸

16、與軸承上的負荷互為反作用，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)換就可從軸頸負荷圖得到軸承負荷圖。 對于主軸承，可將對應(yīng) 角的主軸頸負荷 順曲軸旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)過 可得主軸承負荷 。cbF0180第44頁/共58頁2021-11-2445主軸承負荷圖FjbFcj0180第45頁/共58頁2021-11-2446動力計算用表10203040720gFjFFcFlFnFtF第46頁/共58頁2021-11-2447本講主要內(nèi)容 u曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)u曲柄連桿機構(gòu)受力分析u內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計第47頁/共58頁2021-11-2448 內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設(shè)計一、內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動

17、內(nèi)燃機的總轉(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、往復(fù)慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化第48頁/共58頁2021-11-2449第49頁/共58頁2021-11-2450內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動 表征內(nèi)燃機總轉(zhuǎn)矩變化的指標是不均勻度：mTTT/ )(minmax式中， 、 和 分別為內(nèi)燃機總轉(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2021-11-2451不同缸數(shù)四沖程內(nèi)燃機的轉(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

18、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2021-11-2452二、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)運轉(zhuǎn)均勻性要求確定。)/(0dtdITTm式中，Tm為內(nèi)燃機阻力矩，假定不隨時間而變，因而等于平均轉(zhuǎn)矩；I0為內(nèi)燃機運動質(zhì)量總轉(zhuǎn)動慣量。 由動力學(xué)基本定律，內(nèi)燃機轉(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2021-11-2453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)燃機中，轉(zhuǎn)速波動不大，因而平均角速度：21minmax1221dm第53頁/共58頁2021-11-2454飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定 定義:)/()(2/ )(minmaxminmaxminmaxm為內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)不均勻度。20/EI令： 9 . 08 . 0于是： nEIf2900式中， 為飛輪轉(zhuǎn)動慣量