第三章 第三节 受力分析及其平衡.doc

第三节 曲柄连杆机构的受力分析及其平衡导入： 考研所需 新教学大纲要求 内燃机中唯一对外传力和动力输出部分 要想了解受力必须先掌握运动 要想了解运动必须先了解结构BxBOLCBAAAA上止点线A下止点线R一、曲柄连杆机构的运动规律1、机构运动简图图中， L-连杆长度2、活塞的位移：设曲柄以顺时针角速度转动，且当转过角时，连杆与活塞轨迹线夹角为，此时活塞从上止点下移x, 则有：x=R+L-OA=R+L-(OC+AC) 又因为：OC=Rcos AC=Lcos 所以：x=R+L- Rcos- Lcos（1）在公式（1）中，、R、L 已知，故应将也转化成已知量，为此令：R/L=（2） Sin=BC/R, Sin=BC/L R=BC/ sin L=BC/ Sin = R/L= = Sin=Sin又 cos= cos=上式中、已知可求。但是，是瞬时变化的，精确得到cos很麻烦而且，从工程实践角度出发，没必要非常精确，根据牛顿二项式将上式展开得：cos而一般来讲，=1/3-1/4，且，Sin1 若从第三项忽略不计，则cos(3)将（2）、（3）式代入（1）得：x=R+L-R cos-L(1- )= R+L-R cos-L+ 又因为L=x=R- R cos+= R（1- cos+）书中公式，该式还可进一步简化为= R(1- cos)+= R(1- cos)+(1- cos2)=x1+x2 x1= R(1- cos) x2= R(1- cos2)3、活塞的运动速度导入：活塞的平均速度Vm=2R/1000=Sn10-3/30；是对其在0-内的瞬时速度进行积分再除以所得，Vm的大小表明了该发动机的强化程度，而其在某一瞬时的速度可有下式导出：V=r(sin+1/2sin2)=v1+v24、活塞的加速度a=Rcos+cos2）=a1+a2其中：a1为第一简谐加速度，a2为第二加速度5、活塞的运动规律线图由右式可得其运动线图如下（1）、线图（2）、分析、x线图、v线图（v指向曲轴轴心为正，离开为负；）、a线图（3）、结论、尽管大致可以认为是匀速，但活塞的运动速度基本成正弦曲线规律、由于速度的变化导致加速度也按一定的规律变化，从而产生惯性力，引起发动机的冲击和振动（活塞从上向下时，前半程Fj向上；后半程Fj向下。活塞由下向上运动时，前半程Fj向下，后半程Fj向上）二、曲柄连杆机构的受力分析导入：、内燃机中的主要运动构件，对外输出机构，曲轴的受力最复杂、曲柄连杆机构受到的作用力很多、由于机车速度变化较小，加速度很小，所以移动惯性力可以忽略不计；摩擦力只可减小不能消除，这里不讨论；工作阻力是根据机器标定功率设计的，而且无时不刻都在变化，不加讨论、本章只讨论气体压力、往复运动的惯性力、旋转离心力1、气体压力Fp（1）、作功行程中的气体作用力：在作功行程中，气体作用力Fp作用在活塞顶上，传到活塞销上，分解为Fp1 、 Fp2，分力Fp1沿连杆传到曲柄销上，并可分解为FR和FS，垂直于曲柄的分力FS（sspeed）；FS形成转矩Tq，推动曲轴旋转；分力Fp2则将活塞压向气缸的左侧（主压力面）。（2）、压缩行程： 对在压缩行程中，作用在活塞顶上的气体压力FP也可以分解为两个分力FP1和FP2，而FP1又可以分解为Fs和FR，分力Fs对曲轴造成一个旋转阻力矩Tq，企图阻止曲轴旋转，而FP2则将活塞压向气缸的另一侧（次压力面）。 总之，气体压力作用在活塞顶上，通过活塞销、连杆传力给曲轴，一部分最终由机体主轴承承受；另一部分通过曲轴终端产生输出扭矩。而倾倒力矩则使机体左右摇晃，因此，需通过螺栓使机体固定在车架上。2、构件相对运动的惯性力（1）、曲柄连杆机构的运动质量、活塞组质量mp 、曲轴组质量ms、连杆组质量mc mc简化为mc=mcp+mcsmcp=0.3 mc mcs= 0.7 mc因此,在实践工程中将该机构的运动质量简化为两个mj= mp+ mcpmr=ms+ mcs（2）、往复运动的惯性力Fj= mja=mj2Rcos+ mj2Rcos2=Fj1 + Fj2FAFA1 1111fghh11FA2 1111fghh11FA1 1111fghh11FA2 1111fghh11FAFtFtFtFRFR 向下运动时的前、后半程 （3）、旋转运动的惯性力FC= mr R2 = FCX+ FCY 而 FCx= mr R2 cosFCy= mr R2sin3、作用在曲柄连杆机构上的合力（1）、作用在活塞销上的合力(FA) (只讨论做功冲程中的情况，注意与1中符号的区别) FA=Fp+Fj ； 而： FAFA1 +FA2 其中： FA1= FA /cos，FA2 = FAtg且： FA1Ft+FR Ft为驱动力。为进一步深入探讨FR的作用，再在轴心处加上虚拟的两个大小相等、方向相反的Ft，上方的Ft与真Ft形成驱动力偶矩，下方的Ft与FR又合成FA1，FA1又分解为FA和FA2，上下的两个FA2形成倾翻力矩MFA，该力矩由主轴承传至机座承受。MFA= FA2（L cos+R cos）（2）、作用在曲柄销上的离心力FC= mr R2 = FCX+ FCY4、作用在曲柄连杆机构上未被平衡的力（1）、Fj（2）、FC（3）、MFA思考：曲柄连杆机构主要受哪些力的作用？未平衡的力是什么？如何处理？ 第四节 曲柄连杆机构的平衡一、单缸发动机曲柄连杆机构的平衡导入：、单缸机的缺点之一震动、举例1、半平衡法：只在曲柄对称位置加平衡重块，可完全平衡FC和部分平衡Fj，但沿垂于直活塞运动方向的分力不能平衡，故称半平衡法2、单轴平衡法：在曲轴的一侧增设一平衡轴，轴上也带平衡重快，可在较大程度上平衡Fj，沿垂直于活塞运动方向的分力相互抵消，但仍有非平衡力偶存在。单轴平衡法平衡一阶惯往复性力3、双轴平衡法：并可使部分力偶矩的到平衡，但结构复杂双轴平衡法平衡二阶级惯性力4、四轴平衡法（亦称兰彻斯特平衡法）二、多缸发动机的平衡1、对于汽车发动机常用的直列四缸机、六缸机，从整体上看，旋转惯性力系和一阶往复惯性力系已得到完全平衡（由于曲拐均匀布置且相对于曲轴中央主轴颈成镜面对称，惯性力合力及其合力矩均为零）（六缸机二阶往复惯性力系也已得到完全平衡，但四缸机的二阶往复惯性力系惯性力合力不为零2、曲轴的局部（即内部）却受到较大的弯曲力矩，过大会使主轴承过载，振动加剧。因此，四缸机一般在曲柄的反方向上设置平衡重，通常采用四块平衡重，以免曲轴转动惯量过大，容易发生共振，降低发动机最高工作转速。六缸机通常采用六块或八块平衡重，方案较多。三、保证曲柄连杆机构平衡的工程技术措施1、各部分精准的公差与配合2、活塞质量差