曲柄连杆机构受力分析概要课件.pptx

1、2022-6-4内燃机设计1本章主要内容本章主要内容 u曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学u曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析u内燃机的转矩波动与飞轮设计内燃机的转矩波动与飞轮设计2022-6-4内燃机设计2 曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学2022-6-4内燃机设计3曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学2022-6-4内燃机设计4曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数1、内燃机曲柄连杆机构分类内燃机曲柄连杆机构分类（1）中心曲柄连杆机构（2）偏心曲柄连杆机构。目的在于减小膨胀行程活塞对气缸的作用力，或在于减轻上止点

2、附近活塞对气缸的拍击。（3）关节曲柄连杆机构。用于少数双列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型内燃机中2022-6-4内燃机设计5各种曲柄连杆机构各种曲柄连杆机构 r l e e (1)中心曲柄连杆机构 （2）偏心曲柄连杆机构 （3）关节曲柄连杆机构 2022-6-4内燃机设计62、特性参数、特性参数 曲柄半径：曲柄半径：r 连杆长度：连杆长度：l 曲柄连杆比：曲柄连杆比： 偏心距：偏心距：e 偏心率：偏心率： lr /re/lr2022-6-4内燃机设计7在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动，且假定其作等速转动。 1、活塞运动规律、活塞运动规律设x为活

3、塞位移（上止点位置为起点），v为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角，为连杆摆角。则二、中心曲柄连杆机构运动学二、中心曲柄连杆机构运动学coscoslrlrxsinsin2022-6-4内燃机设计8活塞运动规律 整理以上两式后得/)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 (2coscos)/(

4、raa无量纲化2022-6-4内燃机设计9 对于一般内燃机 ，可把上列各式简化成2、活塞运动规律简化表达式、活塞运动规律简化表达式 3/1)2cos1)(4/(cos1*x2sin)2/(sin*2coscos*a其最大误差是， *x*a为0.2% 为0.5% 为1% 2022-6-4内燃机设计101/4时活塞运动曲线时活塞运动曲线2022-6-4内燃机设计111/4时活塞运动曲线时活塞运动曲线2022-6-4内燃机设计12三、偏心曲柄连杆机构运动学三、偏心曲柄连杆机构运动学 一般来说，当偏心率0.1时，其运动情况与中心机构差别较大，需专门处理。其运动学特征表现为S2r，且上、下止点的曲柄转角

5、位置不在特殊位置（0或180度曲轴转角）。其无量纲运动公式为：/)(sin1 cos)/11(2/1222/122*x2/122*)(sin1)(sincossin)(sin1)sin2(coscos22*a2/322222)(sin1)(sincos2022-6-4内燃机设计13偏心曲柄连杆机构运动特点偏心曲柄连杆机构运动特点 活塞从上止点到下止点曲柄转过的角度大于度； 活塞从下止点到上止点曲柄转过的角度小于度； 活塞行程大于倍曲柄半径； 偏心量不大时，可用中心曲柄连杆机构运动公式计算。2022-6-4内燃机设计14四、关节曲柄连杆机构运动学四、关节曲柄连杆机构运动学2022-6-4内燃机设

6、计15关节曲柄连杆机构运动学关节曲柄连杆机构运动学 关节曲柄连杆机构中，主活塞、主连杆的运动规律与一般曲柄连杆机构相同，而副活塞、副连杆的运动规律与前者有差异。2022-6-4内燃机设计16关节曲柄连杆机构主要参数关节曲柄连杆机构主要参数 ：V型夹角； f：关节夹角； 其他同中心曲柄连杆机构，副连杆相应参数带有下标f。ffHH2022-6-4内燃机设计17主副连杆运动曲线主副连杆运动曲线2022-6-4内燃机设计18活塞运动规律分析与用途活塞运动规律分析与用途 、简谐运动规律：活塞运动可以用简谐函数表达，可表示为一阶分量和二阶分量；一阶分量与曲轴同步，二阶分量比曲轴速度快一倍。 、活塞运动规律

7、的用途： （）活塞位移用于示功图（p-与p-v）的转换、气门干涉的校验及动力计算； （）活塞速度用于评价气缸的磨损程度； （）活塞加速度用于计算往复惯性力。2022-6-4内燃机设计19本讲主要内容本讲主要内容 u曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学u曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析u内燃机的转矩波动与飞轮设计内燃机的转矩波动与飞轮设计2022-6-4内燃机设计20 曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析 作用在内燃机曲柄连杆机构中的力有缸内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、支承反力和有效负荷等。一般受力分析时忽略摩擦力使受力分析偏于安全。所以，在内燃机曲柄连杆机构中，气体作用力、

8、惯性力与支承反力、有效负荷相平衡。2022-6-4内燃机设计21曲柄连杆机构受力曲柄连杆机构受力PFjFrF2022-6-4内燃机设计22曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析2022-6-4内燃机设计23曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析2022-6-4内燃机设计24一、气体作用力一、气体作用力 作用在活塞顶上的气体力就是内燃机的示功图，示功图可通过工作过程模拟计算（对新设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机）确定。 4/ ) (2ppDFgg式中，D为气缸直径； 为气缸内的绝对压力； 为曲轴箱内气体的绝对压力。 gp p2022-6-4内燃机设计25力的传递与分解力的传递与分解 对气

9、缸壁产生侧向力为 连杆力为 切向力为 法向力为tanFFclrFFLFCFtFncos/FFLcos/ )sin( FFtcos/ )cos( FFn2022-6-4内燃机设计26力的传递与分解力的传递与分解 发动机转矩为 cossin(FrrFTt倾覆力矩为 ThFTcklrTTk2022-6-4内燃机设计27二、惯性力二、惯性力 要确定曲柄连杆机构的惯性力，必须要先知道其加速度和质量分布。前面已求出加速度，下面讨论质量分布问题。1、曲柄连杆机构的质量分布、曲柄连杆机构的质量分布 （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活塞销中心。pipmm2022-6-4内燃机设计281、曲柄连杆机构的质量分

10、布、曲柄连杆机构的质量分布（2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。（3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性的一般原则进行质量换算：所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组的质心重合，并按此质心的运动规律运动。所有当量质量相对通过连杆组质心的轴线的转动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量。iicrmrm)/1 (2022-6-4内燃机设计29连杆质量换算连杆质量换算 往往用小头、大头和质心处的三个质量m1、m2、m3来代替连杆组。实际高速机计算表明，m3与m1、m2相比很小，所以一般简化为两质量系统。由前两个条件

11、得： m1=ml(l-l)/l； m2=mll/l 所以，曲柄连杆机构的往复质量为 m2 m1 旋转质量为ll2mmmcr1mmmpj2022-6-4内燃机设计302、旋转惯性力、旋转惯性力2rmFrr)4/(22Drmfrr旋转惯性力：单位活塞面积旋转惯性力：2022-6-4内燃机设计313、往复惯性力、往复惯性力 单位活塞投影面积的往复惯性力：)2cos(cos2rmamFjjj)2cos(cos)4/(02fDFfjj)4/(220Drmfj往复惯性力在曲柄连杆机构中的传递情况与气体作用力很相似，但它不能在内燃机内部自行抵消，所以会引起支反力：2022-6-4内燃机设计32往复惯性力引起

12、的支反力往复惯性力引起的支反力PFjFrFRjRjbTFRkjjj/2/2022-6-4内燃机设计33三、单缸转矩三、单缸转矩 可以将 和 合成为 ，单缸转矩可计算为：gFjFFcos/ )sin(rFrFTt2022-6-4内燃机设计34四、多缸机转矩四、多缸机转矩 以六缸四冲程发动机（1-5-3-6-2-4-1）为例1 - 5 - 3 - 6 - 2 - 4 - 11,63,45,21202403604806007202022-6-4内燃机设计35四、多缸机转矩四、多缸机转矩)600(015TT)360(016TT)480(013TT 则这时其它缸的转矩为：第一缸转矩为：)120(014T

13、T)(cos/ )sin(11TrFrFTt)240(012TT2022-6-4内燃机设计36各主轴颈所受转矩各主轴颈所受转矩 求某一主轴颈的转矩，只要把从第一拐起到该主轴颈前一拐的各单缸转矩叠加起来即可。即遵循各缸转矩向后传递的原则。01 ,0T)(12, 1TT)240(012, 13 , 2TTT)480(013 , 24, 3TTT)120(014, 35,4TTT)600(015 , 46, 5TTT)360(016, 57,6TTT2022-6-4内燃机设计37各连杆轴颈所受转矩各连杆轴颈所受转矩 根据转矩向后传递的原则，某连杆轴颈所受的转矩应该是前一个主轴颈上的累积转矩与作用在本

14、曲柄销上的切向力所引起单缸转矩的一半（因为切向力由本拐两端的主轴承各承担一半，只有前端支反力对本拐曲柄销有转矩作用。)(21, 1iiiqiTTT)(212111TrFTtq)240(21012, 12TTTq)480(21013 , 23TTTq)120(21014, 34TTTq)600(21015 , 45TTTq)360(21016, 56TTTq2022-6-4内燃机设计38五、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷五、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷 为了分析轴承副的工作条件，必须知道轴承负荷的大小大小、方向方向和作用点作用点在一个工作循环内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表示。 作轴颈负荷矢

15、量图时，坐标固定在轴上轴上。 作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上轴承上。2022-6-4内燃机设计391、曲柄销负荷图、曲柄销负荷图 作用在曲柄销上的载荷 ，除了法向力 和切向力 外，还有连杆大头的旋转质量m2产生的离心力 （常矢量）。tnrlcpFFFFFrlFnFtFcpcpFnFtFrlF2022-6-4内燃机设计401、曲柄销负荷图、曲柄销负荷图作用在曲柄销上的载荷 ，除了法向力 和切向力 外，还有连杆大头的旋转质量m2产生的离心力 （常矢量）。cpFnFtFrlFtnrlcpFFFF2022-6-4内燃机设计412、连杆轴承负荷图、连杆轴承负荷图 由于轴颈与轴承上的负荷互为反作用，

16、在任一时刻，它们都大小相等、方向相反，所以对于连杆轴承，将对应 角的负荷 转过 可得连杆轴承负荷。cpF0180+0180cpFFcb2022-6-4内燃机设计42连杆轴承负荷图连杆轴承负荷图2022-6-4内燃机设计433、主轴颈负荷图、主轴颈负荷图 在任何时刻作用在曲轴某一主轴颈上的负荷决定于此轴颈两侧曲柄销上的负荷 以及曲拐旋转质量的离心力Frc FCJ=FCPi+FrcicpFcpFcpFFrcFrc2022-6-4内燃机设计443、主轴颈负荷图、主轴颈负荷图在任何时刻作用在曲轴某一主轴颈上的负荷决定于此轴颈两侧曲柄销上的负荷 以及曲拐旋转质量的离心力FrccpiF2022-6-4内燃

17、机设计454、主轴承负荷图、主轴承负荷图 由于轴颈与轴承上的负荷互为反作用，在任一时刻，它们都大小相等、方向相反，所以通过参照系的转换就可从轴颈负荷图得到轴承负荷图。 对于主轴承，可将对应 角的主轴颈负荷 顺曲轴旋转方向转过 可得主轴承负荷 。cbF01802022-6-4内燃机设计46主轴承负荷图主轴承负荷图FjbFcj01802022-6-4内燃机设计47动力计算用表动力计算用表10203040720gFjFFcFlFnFtF2022-6-4内燃机设计48本讲主要内容本讲主要内容 u曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学u曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析u内燃机的转矩波动与飞轮设计内

18、燃机的转矩波动与飞轮设计2022-6-4内燃机设计49 内燃机的转矩波动与飞轮设计内燃机的转矩波动与飞轮设计一、内燃机的转矩波动一、内燃机的转矩波动内燃机的总转矩由各缸转矩叠加而成，它内燃机的总转矩由各缸转矩叠加而成，它即使在稳定工况下也是不断周期性地变化。即使在稳定工况下也是不断周期性地变化。这种转矩的变化引起倾覆力矩的相应变化，这种转矩的变化引起倾覆力矩的相应变化，使内燃机发生振动。转矩波动的原因主要使内燃机发生振动。转矩波动的原因主要有两种：有两种：1、缸内气体压力随曲轴转角而变化、缸内气体压力随曲轴转角而变化 2、往复惯性力随曲轴转角而变化、往复惯性力随曲轴转角而变化2022-6-4内

19、燃机设计502022-6-4内燃机设计51内燃机的转矩波动内燃机的转矩波动 表征内燃机总转矩变化的指标是不均匀度：mTTT/ )(minmax式中， 、 和 分别为内燃机总转矩曲线的最大、最小和平均值。值的大致范围列在表21中maxTminTmT2022-6-4内燃机设计52不同缸数四冲程内燃机的转矩不均匀度不同缸数四冲程内燃机的转矩不均匀度和盈亏功系数和盈亏功系数缸数转矩不均匀度盈亏功系数110201.11.328150.50.8345100.20.461.53.50.060.180.61.20.010.03120.20.40.0050.012022-6-4内燃机设计53二、飞轮转动惯量的确

20、定二、飞轮转动惯量的确定 的存在不仅造成倾覆力矩的变化和支反力变化，而且引起转速波动。为了解决这一问题，应加装飞轮。所需飞轮转动惯量可以根据运转均匀性要求确定。)/(0dtdITTm式中，Tm为内燃机阻力矩，假定不随时间而变，因而等于平均转矩；I0为内燃机运动质量总转动惯量。 由动力学基本定律，内燃机转矩T的变化与曲轴角速度的波动之间有如下关系：2022-6-4内燃机设计54飞轮转动惯量的确定飞轮转动惯量的确定 在对应min和max的曲轴转角范围内积分上式，得：)(2)(2min2max021IdTTEm式中， 称为盈亏功。令：EEEnPEe/102 . 15，为一个工作循环的有效功。 在中、

21、高速内燃机中，转速波动不大，因而平均角速度：21minmax1221dm2022-6-4内燃机设计55飞轮转动惯量的确定飞轮转动惯量的确定 定义:)/()(2/ )(minmaxminmaxminmaxm为内燃机的运转不均匀度。20/EI令： 9 . 08 . 0于是： nEIf2900式中， 为飞轮转动惯量占内燃机总转动惯量的分数于是有：0IIf2022-6-4内燃机设计56飞轮转动惯量的确定飞轮转动惯量的确定 不同用途内燃机对的要求：用途发电机用1/1501/200车用1/50实际内燃机飞轮的尺寸常根据经验选择，然后用试验验证。2022-6-4内燃机设计57飞轮转动惯量的确定飞轮转动惯量的确定 飞轮外径受限于飞轮圆周速度，而飞轮圆周速度又受限于材料的强度：材料最大外径圆周速度（m/s）灰铸铁50球墨铸铁70钢飞轮100据统计，车用内燃机飞轮的外径大多是气缸直径的34倍。2022-6-4内燃机设计58谢谢！