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1、2020/9/12,內(nèi)燃機設計,1,第二章 曲柄連桿機構(gòu)受力分析,第一節(jié) 曲柄連桿機構(gòu)運動學 第二節(jié) 曲柄連桿機構(gòu)受力分析 第三節(jié) 內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設計,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,2,第一節(jié) 曲柄連桿機構(gòu)運動學,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,3,曲柄連桿機構(gòu)運動學,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,4,曲柄連桿機構(gòu)運動學,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
2、列星型內(nèi)燃機中,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,5,各種曲柄連桿機構(gòu),2020/9/12,內(nèi)燃機設計,6,2、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：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,7,在中心曲柄連桿機構(gòu)中，活塞作直線往復運動，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,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,8,活塞運動規(guī)律,整理以上兩式后得,,,,,,無量綱化,2020/9/
3、12,內(nèi)燃機設計,9,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,,,,,其最大誤差是，,,,,為0.2%,為0.5%,為1%,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,10,三、偏心曲柄連桿機構(gòu)運動學,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：,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,11,第二節(jié) 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。一般受力分析時忽略摩擦力使受
4、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。,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,12,曲柄連桿機構(gòu)受力分析,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,13,曲柄連桿機構(gòu)受力分析,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,14,一、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（對新設計內(nèi)燃機）或試驗方法（對現(xiàn)有內(nèi)燃機）確定。,,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。,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,15,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
5、力 發(fā)動機轉(zhuǎn)矩為,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,F,,,Fl,Ft,Fn,,,Fl,Ft,Fl,Fc,,Fn,,,,,Fc,,,,F,,,h,,,,,,T,Tk,,,,,,,傾覆力矩為,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,16,二、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。,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,17,1、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
6、，根據(jù)動力學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。,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,18,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)的往復質(zhì)量為 m2 m1 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量為,,,
7、,,,,,,l,l,,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,19,2、往復慣性力,單位活塞投影面積的往復慣性力：,,,,往復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：,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,20,3、旋轉(zhuǎn)慣性力,,,旋轉(zhuǎn)慣性力：,單位活塞面積旋轉(zhuǎn)慣性力：,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,21,三、單缸轉(zhuǎn)矩,可以將 和 合成為 ，單缸轉(zhuǎn)矩可計算為：,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,22,四、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、方向和作用點在一個工作循環(huán)內(nèi)的變化，通常采用負荷
8、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。 作軸承負荷矢量圖時，坐標固定在軸承上。,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,23,1、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）。,,,,,,,,Frl,Fn,Ft,Fcp,,,,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,24,1、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）。,,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,25,2、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
9、相等、方向相反，所以對于連桿軸承，將對應 角的負荷 轉(zhuǎn)過 可得連桿軸承負荷。,,,,,,,,,,,,,+,,,,Fcb,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,26,3、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+Frci,,,,,,,,,,,,,,,,,,Frc,Frc,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,27,3、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,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,28,4、主軸承負荷圖,由于軸頸與
10、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 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 。,,,,,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,29,主軸承負荷圖,,,,,,Fjb,Fcj,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,30,動力計算用表,,,,,,,,,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,31,第三節(jié) 內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動與飛輪設計,一、內(nèi)燃機的轉(zhuǎn)矩波動 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變化，使內(nèi)燃機發(fā)生振動。轉(zhuǎn)矩波動
11、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、往復慣性力隨曲軸轉(zhuǎn)角而變化,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,32,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,33,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：,,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91中,,,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,34,表91 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),2020/9/12,內(nèi)燃機設計,35,二、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，應加裝飛輪。所需飛輪轉(zhuǎn)動慣量可以根據(jù)運轉(zhuǎn)均勻性
12、要求確定。,,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系：,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,36,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定,在對應min和max的曲軸轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)積分上式，得：,,式中， 稱為盈虧功。令：,,,,，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：,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,37,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定,定義:,,為內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)不均勻度。,,令：,,,于是：,,式中， 為飛輪轉(zhuǎn)動慣量占內(nèi)燃機總轉(zhuǎn)動慣量的分數(shù),,于是有：,,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,38,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定,不同用途內(nèi)燃機對的要求：,實際內(nèi)燃機飛輪的尺寸常根據(jù)經(jīng)驗選擇，然后用試驗驗證。,2020/9/12,內(nèi)燃機設計,39,飛輪轉(zhuǎn)動慣量的確定,飛輪外徑受限于飛輪圓周速度，而飛輪圓周速度又受限于材料的強度：,據(jù)統(tǒng)計，車用內(nèi)燃機飛輪的外徑大多是氣缸直徑的34倍。,
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