1、 曲柄連桿機構動力學曲柄連桿機構動力學Xiao Peng1;.曲柄連桿機構中的曲柄連桿機構中的 主要作用力主要作用力l氣體作用力l運動質量的慣性力l外界負載對內燃機運動的反作用力2;.曲柄連桿機構運動件的質量換算曲柄連桿機構運動件的質量換算l活塞組l曲軸組l連桿組復雜的質量系統動力學上 相當運動質量的 簡化簡化：3;.活塞組活塞組l純粹 往復直線運動往復直線運動 零件的總稱l包括 活塞、活塞環、活塞銷以及它們的緊固元件活塞組質量mp 近似地 集中在活塞銷中心處4;.曲軸組曲軸組l純粹 回轉運動回轉運動 零件的總稱 l包括 曲軸定時齒輪、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

2、量，其產生的離心慣性力互相抵消，可不予考慮l確定曲軸質量時，只考慮其中 不平衡部分不平衡部分 的質量5;.l目的：把單位曲柄不平衡質量 換算成 集中于 曲柄半徑曲柄半徑R處處（曲柄銷中心） 的質量mkl原則：轉換后集中質量mk所產生的旋轉慣性力與轉換前不平衡質量產生的離心慣性力 相等相等6;.l曲柄銷l曲柄臂mmR?2 2 mRmRRmmR 7;.l換算到 曲柄半徑R處 的整個曲柄組的旋轉質量為RmmmmmRR k22l單位曲拐 = 一個曲柄銷 + 兩個曲柄臂8;.連桿組連桿組l作復合平面運動復合平面運動 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連桿組總質量mcl

3、活塞銷處作往復運動往復運動的質量m1l曲柄銷處作旋轉運動旋轉運動的質量m2動力效應 相同9;.為此應滿足的三個條件為此應滿足的三個條件（1）質量不變（2）系統的質心位置不變c21ci , mmmmm0- 012ibmamlmic2c1,mLbmmLam?10;.（3）系統對質心的轉動慣量不變即：e2iIlmi因為轉換后的雙質量系統的質量分布質量分布相對于換算前的質心離曲軸中心線更遠，所以換算后的轉動慣量要比原系統的轉動慣量要大一些，所以第三個條件得不到滿足但一般情況下，換算前后的轉動慣量相差不大11;.主副連桿式曲柄連桿機構機構的質量換算主副連桿式曲柄連桿機構機構的質量換算l首先用兩個質量me

4、1、 me2代替原副連桿原副連桿的質量meee2ee1mldmmlcm?12;.l將me2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行質量換算，得：LrLmLbmmLrmLammeee2LL2e2LL1cos-,cos?13;.綜合綜合l對于中心（或偏心式）曲柄連桿機構，實際系統可用集中于活塞銷中心的往復運動質量集中于活塞銷中心的往復運動質量mj和集中于曲柄銷中心的旋轉質量集中于曲柄銷中心的旋轉質量mr來代替，即：2kr1pj,mmmmmm?14;.l對于主副連桿式曲柄連桿機構，實際系統可用集中于副缸活塞銷中心的往復運動質量集中于副缸活塞銷中心的往復運動質量mej，集中于主缸活塞

5、銷中心的往復運動質量集中于主缸活塞銷中心的往復運動質量mLj，以及集中于曲柄銷中心作旋轉運動的旋轉質量集中于曲柄銷中心作旋轉運動的旋轉質量mr來代替，如圖所示：15;.)cos-()cos(e2LkL2kre2LLpL1LpLje1epejLrLmLbmmmmmLrmLammmmmmmmee?16;.中心式曲柄連桿機構的中心式曲柄連桿機構的作用力和力矩作用力和力矩內燃機中的基本作用力氣缸內的氣體壓力p曲柄連桿機構運動時產生的慣性力)p-(p42gDP=換算質量后的各個質量相應的運動加速度作用在活塞上的氣體作用力17;.中心式曲柄連桿機構的慣性力中心式曲柄連桿機構的慣性力l往復慣性力方向：與加速

6、度方向相反總的往復慣性力jIIjI2j2j2jjj2cos-cos-)2coscos(-PPRmRmRmamP?1pjmmm18;.各力的對比關系圖各力的對比關系圖19;.l離心慣性力2krmmm方向：總是沿著曲柄半徑方向向外2rrRmP 大小：為定值20;.中心式曲柄連桿機構中中心式曲柄連桿機構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jgPPPl總作用力的傳遞cosPKtan PN21;.l的大小對活塞位移曲線的影響l活塞位移的近似表達式l的值越大，活塞位移曲線越豐滿)sin21co-1 (2sRx22;.l連桿作用力K方向規定：l缸壁側壓力N正負號規定：使連桿受拉

7、受拉時為正正，受壓受壓時為負負當側壓力N所形成的反力矩與曲軸旋轉方向相反相反時，側壓力為正正值，反之為負？23;.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Zcos)(sin)(sinPKTcos)cos()cos(PKZ24;.因為所以可得，切向力T和徑向力Z 隨轉角變化的關系曲線：如圖2-1022sin-1cosarc25;.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（單缸指示轉矩），它使內燃機克服外界阻力矩而旋轉，大小為RPTRMcos)(sin26;.PPKKPcoscos

8、coscos NPKKNsincossinsin 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N27;.l曲柄連桿機構中 力的作用效果缸壁側推力N和傳遞到曲軸中心的力N產生了一個力偶矩MN1（傾覆力矩），大小為11-)cos(Lcostan-MRPNAMN28;.l上式說明一個氣缸發出的指示轉矩M1，與傾覆力矩MN1大小相等，方向相反。l傾覆力矩MN1通過機體傳到發動機的安裝支架上，它是引起發動機繞曲軸中曲軸中心線心線產生縱搖振動的最重要最重要的內在激勵因素29;.PPKKPcoscoscoscos NPKKNsincossinsin 將K分成分解成沿沿氣缸中心線的力P 和

9、垂直于垂直于氣缸中心線的力N30;.lP分解成作用于主軸承上主軸承上的氣體作用力Pg和往復慣性力Pj，jgPPPjgPPPPjg,?作用于汽缸蓋上汽缸蓋上的氣體作用力Pg和作用于主軸承上主軸承上的氣體作用力Pg大小相等，方向相反，在機體內抵消，造成機體拉伸或壓縮，不傳至發動機體外31;.l傳遞給主軸承上的往復慣性力Pj以自由力的形式出現，通過軸承傳至機體，作用在發動機的安裝支架上l是引起內燃機垂直振動的主要激勵力之一32;.l集中于曲柄銷中心作旋轉運動的旋轉質量mr中所產生的旋轉慣性力Pr也通過軸承傳至機體，作用在發動機的安裝支架上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

10、缸中心線的分量PrH （引起橫向振動）sincosHVrrrrPPPP33;.綜合綜合l內燃機缸內的氣體壓力和往復運動慣性力 經 曲柄連桿機構的傳遞，產生內燃機的輸出扭矩（驅動負載對外做功）。在力的傳遞過程中產生反扭矩、旋轉慣性力，最終傳至機體，引起振動34;.偏心式曲柄連桿機構的偏心式曲柄連桿機構的作用力和力矩作用力和力矩l與中心式曲柄連桿機構區別不大l其中往復慣性力的區別在于往復運動件的加速度不同，總的往復慣性力為jIIjI2j2j2jjj2cos-)sincos(-)sin2coscos(-PPRmkRmkRmamPl連桿比和相對偏心量k的數值相對很小，可以忽略l對于氣體作用力和旋轉慣性

11、力，與中心式連桿機構沒什么區別35;.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 ）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 ge36;.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）有一偏心量e，因此也形成了一個反力偶矩P gel此時反力矩MN= NA+ P ge = -(TR- P ge)l與曲軸偏心時的結果一樣37;.主副連桿式曲柄連桿機構的主副連桿式曲柄連桿機構的作用力和力矩作用力和力矩l與中心式曲柄連桿機構不完全相同l主缸除了受到本身本身的氣體作用力和往復慣性力外，還受到了副缸副缸的氣體作用力和往復慣性力38;.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壓力Neeeetan PNeeecosPK39;.e可通過下式求得)-(sinsinsinrRleeKe沿著副連桿軸線傳至副連桿銷C，在曲柄銷B處產生大小相等，方向相反的兩個Ke和Ke40;.lKe對曲柄銷中心