第二章曲柄連桿機構受力分析

1、2022-4-17內燃機設計1本章主要內容本章主要內容 u曲柄連桿機構運動學曲柄連桿機構運動學u曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析u內燃機的轉矩波動與飛輪設計內燃機的轉矩波動與飛輪設計2022-4-17內燃機設計2 曲柄連桿機構運動學曲柄連桿機構運動學2022-4-17內燃機設計3曲柄連桿機構運動學曲柄連桿機構運動學2022-4-17內燃機設計4曲柄連桿機構運動學曲柄連桿機構運動學內燃機曲柄連桿機構的分類和特性參數(shù)內燃機曲柄連桿機構的分類和特性參數(shù)1、內燃機曲柄連桿機構分類內燃機曲柄連桿機構分類（1）中心曲柄連桿機構（2）偏心曲柄連桿機構。目的在于減小膨脹行程活塞對氣缸的作用力，或在于減

2、輕上止點附近活塞對氣缸的拍擊。（3）關節(jié)曲柄連桿機構。用于少數(shù)雙列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型內燃機中2022-4-17內燃機設計5各種曲柄連桿機構各種曲柄連桿機構 r l e e (1)中心曲柄連桿機構 （2）偏心曲柄連桿機構 （3）關節(jié)曲柄連桿機構 2022-4-17內燃機設計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/lr2022-4-17內燃機設計7在中心曲柄連桿機構中，活塞作直線往復運動，連桿作平面運動，曲柄作旋轉運動，且假定其作等速轉動。 1、活塞運動規(guī)律、活塞運

3、動規(guī)律設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，為曲柄轉角，為連桿擺角。則二、中心曲柄連桿機構運動學二、中心曲柄連桿機構運動學coscoslrlrxsinsin2022-4-17內燃機設計8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/()sin1 (2coscos2/32222222ra/)sin1 (cos)/11 (/2/122*rxx2/122*)sin1 (2sin)2/(sin)/(r2/32222222*)sin1(2sin)4/()sin1 (2c

4、oscos)/(raa無量綱化2022-4-17內燃機設計9 對于一般內燃機 ，可把上列各式簡化成2、活塞運動規(guī)律簡化表達式、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% 2022-4-17內燃機設計101/4時活塞運動曲線時活塞運動曲線2022-4-17內燃機設計111/4時活塞運動曲線時活塞運動曲線2022-4-17內燃機設計12三、偏心曲柄連桿機構運動學三、偏心曲柄連桿機構運動學 一般來說，當偏心率0.1時，其運動情況與中心機構差別較大，需專門處理。其運動學特征表現(xiàn)為S2r

5、，且上、下止點的曲柄轉角位置不在特殊位置（0或180度曲軸轉角）。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)(sincos2022-4-17內燃機設計13偏心曲柄連桿機構運動特點偏心曲柄連桿機構運動特點 活塞從上止點到下止點曲柄轉過的角度大于度； 活塞從下止點到上止點曲柄轉過的角度小于度； 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運動公式計算。2022-4-17內燃機設計14四、關節(jié)曲柄連桿機構運動學四、關節(jié)曲柄連桿機構運

6、動學2022-4-17內燃機設計15關節(jié)曲柄連桿機構運動學關節(jié)曲柄連桿機構運動學 關節(jié)曲柄連桿機構中，主活塞、主連桿的運動規(guī)律與一般曲柄連桿機構相同，而副活塞、副連桿的運動規(guī)律與前者有差異。2022-4-17內燃機設計16關節(jié)曲柄連桿機構主要參數(shù)關節(jié)曲柄連桿機構主要參數(shù) ：V型夾角； f：關節(jié)夾角； 其他同中心曲柄連桿機構，副連桿相應參數(shù)帶有下標f。ffHH2022-4-17內燃機設計17主副連桿運動曲線主副連桿運動曲線2022-4-17內燃機設計18活塞運動規(guī)律分析與用途活塞運動規(guī)律分析與用途 、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

7、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慣性力。2022-4-17內燃機設計19本講主要內容本講主要內容 u曲柄連桿機構運動學曲柄連桿機構運動學u曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析u內燃機的轉矩波動與飛輪設計內燃機的轉矩波動與飛輪設計2022-4-17內燃機設計20 曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析 作用在內燃機曲柄連桿機構中的力有缸內氣體作用力、運動質量慣性力、摩擦力、支承反力和有效負荷等。一般受力分析時忽略摩擦力使受力分析偏于安全。所

8、以，在內燃機曲柄連桿機構中，氣體作用力、慣性力與支承反力、有效負荷相平衡。2022-4-17內燃機設計21曲柄連桿機構受力曲柄連桿機構受力PFjFrF2022-4-17內燃機設計22曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析2022-4-17內燃機設計23曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析2022-4-17內燃機設計24一、氣體作用力一、氣體作用力 作用在活塞頂上的氣體力就是內燃機的示功圖，示功圖可通過工作過程模擬計算（對新設計內燃機）或試驗方法（對現(xiàn)有內燃機）確定。 4/ ) (2ppDFgg式中，D為氣缸直徑； 為氣缸內的絕對壓力； 為曲軸箱內氣體的絕對壓力。 gp p2022-4-1

9、7內燃機設計25力的傳遞與分解力的傳遞與分解 對氣缸壁產生側向力為 連桿力為 切向力為 法向力為tanFFclrFFLFCFtFncos/FFLcos/ )sin( FFtcos/ )cos( FFn2022-4-17內燃機設計26力的傳遞與分解力的傳遞與分解 發(fā)動機轉矩為 cossin(FrrFTt傾覆力矩為 ThFTcklrTTk2022-4-17內燃機設計27二、慣性力二、慣性力 要確定曲柄連桿機構的慣性力，必須要先知道其加速度和質量分布。前面已求出加速度，下面討論質量分布問題。1、曲柄連桿機構的質量分布、曲柄連桿機構的質量分布 （1）活塞組零件可簡單相加，并集中在活塞銷中心。pipmm

10、2022-4-17內燃機設計281、曲柄連桿機構的質量分布、曲柄連桿機構的質量分布（2）曲拐質量，可以根據(jù)產生的離心力不變的原則用集中在曲柄半徑r處的質量來代替。（3）作平面運動的連桿組，根據(jù)動力學等效性的一般原則進行質量換算：所有當量質量之和等于連桿組總質量ml。所有當量質量構成的系統(tǒng)的公共質心與連桿組的質心重合，并按此質心的運動規(guī)律運動。所有當量質量相對通過連桿組質心的軸線的轉動慣量之和，等于連桿組對同一軸線的轉動慣量。iicrmrm)/1 (2022-4-17內燃機設計29連桿質量換算連桿質量換算 往往用小頭、大頭和質心處的三個質量m1、m2、m3來代替連桿組。實際高速機計算表明，m3與

11、m1、m2相比很小，所以一般簡化為兩質量系統(tǒng)。由前兩個條件得： m1=ml(l-l)/l； m2=mll/l 所以，曲柄連桿機構的往復質量為 m2 m1 旋轉質量為ll2mmmcr1mmmpj2022-4-17內燃機設計302、旋轉慣性力、旋轉慣性力2rmFrr)4/(22Drmfrr旋轉慣性力：單位活塞面積旋轉慣性力：2022-4-17內燃機設計313、往復慣性力、往復慣性力 單位活塞投影面積的往復慣性力：)2cos(cos2rmamFjjj)2cos(cos)4/(02fDFfjj)4/(220Drmfj往復慣性力在曲柄連桿機構中的傳遞情況與氣體作用力很相似，但它不能在內燃機內部自行抵消，

12、所以會引起支反力：2022-4-17內燃機設計32往復慣性力引起的支反力往復慣性力引起的支反力PFjFrFRjRjbTFRkjjj/2/2022-4-17內燃機設計33三、單缸轉矩三、單缸轉矩 可以將 和 合成為 ，單缸轉矩可計算為：gFjFFcos/ )sin(rFrFTt2022-4-17內燃機設計34四、多缸機轉矩四、多缸機轉矩 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 - 11,63,45,21202403604806007202022-4-17內燃機設計35四、多缸機轉矩四、多缸機轉矩)600(015TT)360(016TT)48

13、0(013TT 則這時其它缸的轉矩為：第一缸轉矩為：)120(014TT)(cos/ )sin(11TrFrFTt)240(012TT2022-4-17內燃機設計36各主軸頸所受轉矩各主軸頸所受轉矩 求某一主軸頸的轉矩，只要把從第一拐起到該主軸頸前一拐的各單缸轉矩疊加起來即可。即遵循各缸轉矩向后傳遞的原則。01 ,0T)(12, 1TT)240(012, 13 , 2TTT)480(013 , 24, 3TTT)120(014, 35,4TTT)600(015 , 46, 5TTT)360(016, 57,6TTT2022-4-17內燃機設計37各連桿軸頸所受轉矩各連桿軸頸所受轉矩 根據(jù)轉矩向

14、后傳遞的原則，某連桿軸頸所受的轉矩應該是前一個主軸頸上的累積轉矩與作用在本曲柄銷上的切向力所引起單缸轉矩的一半（因為切向力由本拐兩端的主軸承各承擔一半，只有前端支反力對本拐曲柄銷有轉矩作用。)(21, 1iiiqiTTT)(212111TrFTtq)240(21012, 12TTTq)480(21013 , 23TTTq)120(21014, 34TTTq)600(21015 , 45TTTq)360(21016, 56TTTq2022-4-17內燃機設計38五、作用在曲軸軸頸和軸承上的負荷五、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

15、作用點在一個工作循環(huán)內的變化，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。 作軸承負荷矢量圖時，坐標固定在軸承上軸承上。2022-4-17內燃機設計391、曲柄銷負荷圖、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質量m2產生的離心力 （常矢量）。tnrlcpFFFFFrlFnFtFcpcpFnFtFrlF2022-4-17內燃機設計401、曲柄銷負荷圖、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質量m2產生的離心力 （常矢量）。cpFnFtFrlFtnrlcpFFFF2022-4-17內

16、燃機設計412、連桿軸承負荷圖、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，所以對于連桿軸承，將對應 角的負荷 轉過 可得連桿軸承負荷。cpF0180+0180cpFFcb2022-4-17內燃機設計42連桿軸承負荷圖連桿軸承負荷圖2022-4-17內燃機設計433、主軸頸負荷圖、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曲柄銷上的負荷 以及曲拐旋轉質量的離心力Frc FCJ=FCPi+FrcicpFcpFcpFFrcFrc2022-4-17內燃機設計443、主軸頸負荷圖、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

17、定于此軸頸兩側曲柄銷上的負荷 以及曲拐旋轉質量的離心力FrccpiF2022-4-17內燃機設計454、主軸承負荷圖、主軸承負荷圖 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，所以通過參照系的轉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 角的主軸頸負荷 順曲軸旋轉方向轉過 可得主軸承負荷 。cbF01802022-4-17內燃機設計46主軸承負荷圖主軸承負荷圖FjbFcj01802022-4-17內燃機設計47動力計算用表動力計算用表10203040720gFjFFcFlFnFtF2022-4-17內燃機設計48本講主要內容本講主要內容 u曲柄連桿機構

18、運動學曲柄連桿機構運動學u曲柄連桿機構受力分析曲柄連桿機構受力分析u內燃機的轉矩波動與飛輪設計內燃機的轉矩波動與飛輪設計2022-4-17內燃機設計49 內燃機的轉矩波動與飛輪設計內燃機的轉矩波動與飛輪設計一、內燃機的轉矩波動一、內燃機的轉矩波動內燃機的總轉矩由各缸轉矩疊加而成，它內燃機的總轉矩由各缸轉矩疊加而成，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。這種轉矩的變化引起傾覆力矩的相應變化，這種轉矩的變化引起傾覆力矩的相應變化，使內燃機發(fā)生振動。轉矩波動的原因主要使內燃機發(fā)生振動。轉矩波動的原因主要有兩種：有兩種：1、缸內氣體壓力隨曲軸轉角而變化、缸內氣體

19、壓力隨曲軸轉角而變化 2、往復慣性力隨曲軸轉角而變化、往復慣性力隨曲軸轉角而變化2022-4-17內燃機設計502022-4-17內燃機設計51內燃機的轉矩波動內燃機的轉矩波動 表征內燃機總轉矩變化的指標是不均勻度：mTTT/ )(minmax式中， 、 和 分別為內燃機總轉矩曲線的最大、最小和平均值。值的大致范圍列在表21中maxTminTmT2022-4-17內燃機設計52不同缸數(shù)四沖程內燃機的轉矩不均勻度不同缸數(shù)四沖程內燃機的轉矩不均勻度和盈虧功系數(shù)和盈虧功系數(shù)缸數(shù)轉矩不均勻度盈虧功系數(shù)110201.11.328150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.012022-4-17內燃機設計53二、飛輪轉動慣量的確定二、飛輪轉動慣量的確定 的存在不僅造成傾覆力矩的變化和支反力變化，而且引起轉速波動。為了解決這一問題，應加裝飛輪。所需飛輪轉動慣量可以根