8V150发动机曲柄连杆机构运动分析

目 录 1 引言 1 1 1 本课题研究的目的和意义 1 1 2 国内外的研究现状 2 1 3 本设计所做的工作 3 2 内燃机的工作原理 5 2 1 概述 5 2 1 1 发动机简介 5 2 1 2 内燃机的分类 5 2 2 发动机的工作原理 5 2 2 1 四冲程内燃机的工作循环 5 2 2 2 四冲程式柴油机工作过程分析 6 2 3 多缸内燃机工作顺序 7 2 3 1 多缸内燃机工作顺序 7 2 3 2 某 8V 发动机工作顺序分析 8 3 对曲柄连杆机构进行运动学分析 10 3 1 活塞 连杆运动规律的概述 10 3 2 活塞的位移 速度和加速度 11 3 2 1 活塞的位移 11 3 2 2 活塞的速度 11 3 2 3 活塞的加速度 12 3 3 连杆的角位移 角速度和角加速度 13 3 3 1 连杆摆动的角位移 13 3 3 2 连杆摆动的角速度 14 3 3 3 连杆摆动的角加速度 14 4 对曲柄连杆机构进行动力学分析 16 4 1 曲柄连杆机构运动零件的质量换算 16 4 1 1 沿气缸中心线作往复运动的零件 活塞组 16 4 1 2 旋转运动的零件 曲柄组 16 4 1 3 平面运动的零件 连杆组 17 4 2 气体作用力 18 4 3 曲柄连杆机构中的惯性力 19 4 3 1 往复惯性力 19 4 3 2 离心惯性力 19 4 4 曲柄连杆机构作用力分析 20 4 4 1 缸内气体压力和往复惯性力的合成 20 4 4 2 曲柄连杆机构各元件受力分析 20 5 对 8V150 发动机进行综合分析 24 5 1 单缸机受力分析 24 5 2 V 型单排发动机受力分析 25 5 2 1 合成一级往复惯性力 25 5 2 2 合成二级往复惯性力 26 5 3 8V150 发动机进行整体受力分析 27 5 3 1 V 型 8 缸机一级往复惯性力及其力矩 27 5 3 2 V 型 8 缸机二级往复惯性力及其力矩 28 5 3 3 旋转惯性力及其惯性力矩 29 5 3 4 发动机总扭矩 29 6 结论 30 参考文献 31 致 谢 32 1 1 引言引言 1 11 1 本课题研究的目的和意义本课题研究的目的和意义 当今社会 车辆已成为人们交通运输的主要工具 车辆工业是经济发达国 家最重要的支柱产业之一 世界经济大国都是车辆大国 在一定意义上车辆工 业发展水平也是衡量一个国家工业化水平 经济实力和科技创新能力的重要标 志 尽管发达国家经济发展的重点已经转移到服务业 电子信息产业的高新技 术产业 但由于车辆工业的重要战略地位 发达国家仍予以高度重视 动力性 安全性 舒适性 是对现代车辆的普遍要求 而发动机是车辆的心脏 不仅在 车辆行业 而且在国民经济各部门中 都已成为使用最广泛的动力机械之一 随着发动机朝高速 轻型 大功率方向发展 由此而产生的振动问题也日 益严重 而发动机产生振动的原因 主要是由于发动机在工作时内部产生诸多 不平衡力或力矩 这些力或力矩都是发动机曲轴转角的周期性函数 而且在一 个周期内 这些力或力矩或大小在变 或方向在变 或大小 方向都在变 它 们通过曲轴轴承和机体传给支架 使发动机整体产生振动 而发动机的振动 会给发动机以至整车带来许多不良影响 例如 发动机的振动会使联接机件的 接头松动 从而使发动机的机件损坏 甚至出现意外事故 而发动机的平衡分 析及平衡机构的改进设计可以使发动机的振动减至最低 从而避免意外事故的 发生 而且 通过发动机的平衡分析以及平衡机构的改进设计 减小发动机的 振动 还可以进一步提高车辆的舒适性 而要对发动机进行平衡分析及平衡机 构的改进设计 我们首先必须对它进行运动学和动力学分析 找出引起发动机 振动的不平衡的力和力矩 V 型发动机的长度和高度尺寸较小 在车辆上布置起来比较方便 尤其是 现代车辆比较重视空气动力学 要求车辆的迎风面越小越好 另外 如果将发 动机的长度缩短 便能为驾乘舱留出更大的空间 从而提高车辆的舒适性 V 型 8 缸发动机在保证小尺寸的前提下 以其大的输出功率成为许多高级车的标 准配置 而对发动机进行平衡分析 是进一步改善其工作平稳性 提高车辆舒 适性的另外一种途径 60 V8 发动机指两列气缸以 60 夹角排列的 V 型 8 缸发 动机 由于 V8 发动机采用 90 V 型夹角时可做到各缸均匀发火 所以 V8 发动 机一般都采用 90 V 型夹角 但有时为了系统化 通用化等指标的实现或车体 对发动机的宽度有特殊限制和要求时 其他夹角形式也往往被采用 60 夹角 就是一个典型特例 此时 若采用平面四曲拐的镜面对称曲轴和并列连杆结构 设计其发火顺序为 L1 R4 L3 R2 L4 R1 L2 R3 则该机的发火间隔角 为 60 120 相间发火 我们通过对发动机曲柄连杆机构运动学及动力学分析以便于后续的对平衡 机构进行改进设计来控制发动机的振动 不仅可以最大限度地减小发动机工作 时的噪声 改善工作环境 而且可以确保发动机的安装位置 保证与其安装配 套的其它零部件的连接可靠 从而保证发动机的安全运行 以及延长其使用寿 命 1 21 2 国内外的研究现状国内外的研究现状 1882 年德国人狄赛尔 Rudolf Diesel 提出了柴油机工作原理 1896 年 制造了第一台四冲程柴油机 一百多年来 柴油机技术得以全面的发展 应用 领域越来越广泛 所以改进柴油机的设计显的尤为重要 而对发动机的动力学 分析则是改进设计的重要依据 由于整个动力学计算应在一个工作循环内每隔一定的曲轴转角计算一次 所以比较繁琐 由于目前计算机的应用非常普遍 只要排好程序 就能既快又 准确的求出所需要的结果 随着电子计算机技术的不断发展 电子计算机辅助 设计 CAD 是当前设计技术发展的一个重要方向 飞轮的设计就是通过 CAD 来 实现 随着现代化技术的不断发展 各个工农业部门中迫切需要大量的高速 高效 高精度 重载 大功率和高度自动化的内燃机 而要实现这一目标 其 中首要任务是进行动态设计 研究内燃机在实际工作状态下的受力变化 运动 情况及其动态行为 动态设计方法是近年来提出的新的设计方法 长期以来普 遍采用的静态设计方法 所谓静态设计是指在机械设计时 只考虑静态载荷和 静态特性 待产品试制出来以后再作动载荷和动态测试 如果发现有不合要求 之处再采用补救措施进行修正 这种方法对一些局部问题可能有效 但对于一 些涉及全局性的复杂重大问题 即使能补救 也可能效果不大 甚至无法补救 最终造成重大返工事故 造成人力和财力的浪费 对于动态特性起决定性因素 的机械 必须在设计 制造 管理等各个阶段采取综合性技术措施 直接的早 期的考虑动力学问题 进行动力学设计分析 例如 高速旋转机械可以用静态 方法设计 而在制造出来后除了通过动平衡减少振动外 还要使动转速避开共 振的临界转速 但是随着转速的提高和柔性转子出现 就必须采用全方位的综 合措施 不仅在设计时要认真的进行动力分析 而且在运行过程中还要进行状 态监测和故障诊断 及时维护 排除故障 避免重大事故发生 因而 动力学 分析作为动态设计的基础 在机械动态设计中发挥着重要作用 动力学分析有 着如此广阔的前景 致力于该领域的研究定会有广阔的发展空间 动态设计是一门综合各种学科理论与实验技术的边缘科学 动态设计分析 技术可分为两类基本问题 一是动态分析 即在已知系统模型 外部激励载荷 和系统工作条件的基础上分析研究系统动态特征 二是以动态性能满足为目标 建立系统模型 这是动态修改 优化 再设计过程 可见动态设计较之动态分 析具有更高的水平 难度更大 在现阶段 工程上一般将动态设计问题转化为 动态分析来处理 统称为动态设计 由动态设计研究的两类基本问题可知 动态设计与机械系统建模分析理论 密切相关 在 20 世纪 80 年代以前 机械系统理论模型和实验模型的发展是独 立的 大多只是用实验得到的数据来验证或较核由计算模型得到的结果 而理 论模型往往只能针对较简单的系统进行演示和验证 不能真正用于工程实践当 中 20 世纪 90 年代以来 随着计算机技术的发展和一些基础理论的进步 例 如 机械系统有限元建模 大型机械结构实验模态分析方法建模等机械系统的 理论建模 实验建模和计算机辅助混合建模的方法和技术都逐步走向实用 并 相继在航空 航天 航海 建筑等工业领域得到了应用 我国机械工业的综合水平落后于世界先进水平二十余年 其中的关键问题 之一就是设计水平落后 目前 我国的机械设计基本停留在静态设计阶段 甚 至还存在大量类比设计 然而 动态设计的发展及其在各个领域的应用已经体 现了它的活力和无限的发展前景 从事该方向的学习和研究有着广阔的发展空 间 1 31 3 本设计所做的工作本设计所做的工作 发动机是国民经济各部门中使用最广泛的动力机械之一 目前 我国的汽 车 拖拉机 坦克中 几乎都采用汽油机和柴油机作为动力 而对发动机要求 的不断提高 也使得发动机不断朝高速 轻型 大功率方向发展 由此而产生 的振动问题日益严重 为了使发动机的振动减至最低 我们必须对发动机采取 平衡措施 而要对发动机采取适当的平衡措施 我们必须首先对它进行运动学 和动力学分析 找出引起发动机振动的不平衡的力和力矩 这就是本次设计所 要研究的问题 发动机工作时 其内部产生的往复惯性力 旋转惯性力及倾倒力矩等 都 是曲轴转角的周期性函数 在一个周期内 这些力或力矩或大小在变 或方向 在变 或大小 方向都在变 它们通过曲轴轴承和机体传给支架 使发动机整 体产生振动 为减小发动机工作时的振动 确保发动机的安装位置 并保证与 其安装配套的其他零部件的连接可靠 我们必需对发动机的振动加以控制 因 此需要对发动机曲柄连杆机构进行运动学分析和动力学分析 此次研究主要从减小或消除振动激励出发 并根据某 8V150 发动机的具体 结构进行发动机的运动学分析 动力学分析 对引起发动机振动的各力及力矩 的幅值大小 相位变化规律作进一步的分析计算 得出发动机工作时其内部产 生的往复惯性力 旋转惯性力及倾覆力矩等不平衡力或力矩是引起发动机振动 的主要原因 从而进行后续的通过引用及改进平衡重 平衡轴等方法来尽可能 使导致它振动的不平衡的力及力矩减至最低限度 从而使发动机工作时产生的 振动及传到支架的振动减至最低限度 以改善发动机的工作环境 提高发动机 使用寿命 改善车辆的舒适性 2 2 内燃机的工作原理内燃机的工作原理 2 12 1 概述概述 2 1 1 发动机简介 发动机是国民经济各部门中使用最广泛的动力机械之一 目前 我国的汽 车 拖拉机 坦克中 几乎都采用汽油机和柴油机作为动力 发动机是将某种能量转化为机械能的一种机器 从燃烧方式上可分为外燃 机 例如蒸汽机 和内燃机 内燃机是将燃料 汽油 柴油 煤气等 在其燃烧室中燃烧所产生的热能 直接转化为机械能的一种动力机械 内燃机分为旋转式 主要用于航空方面 和活塞式两大类 活塞式内燃机又分为往复活塞式和旋转活塞式两种 往复活 塞式内燃机广泛应用在交通运输 工程机械 农业机械 小型发电机设备等方 面 由于往复活塞式内燃机应用最广 因此又将往复活塞式内燃机简称为内燃 机 2 1 2 内燃机的分类 1 按所用燃料分 柴油机 汽油机和煤气机 2 按冲程数分 四冲程和二冲程内燃机 四冲程内燃机由四个冲程 曲 轴旋转两周 完成一个工作循环 二冲程内燃机由两个冲程 曲轴旋转一周 完成一个工作循环 3 按气缸数分 单缸和多缸内燃机 4 按气缸排列形式分 直列立式 直列卧式和 V 型及 W 型内燃机 5 按冷却方式分 水冷式和风冷式内燃机 6 按进气方式分 增压式和非增压式内燃机 7 按着火方式分 压燃式和点燃式内燃机 8 按用途分 固定式和移动式内燃机 2 22 2 发动机的工作原理发动机的工作原理 2 2 1 四冲程内燃机的工作循环 四冲程内燃机由进气冲程 压缩冲程 作功冲程和排气冲程组成一个工作 循环 第一冲程 活塞由上止点移动到下止点 即曲轴的曲柄由转到 在0 180 这个冲程中 进气门打开 新鲜空气被吸入气缸 因此 第一冲程又称为进气 冲程 第二冲程 活塞由下止点移动到上止点 即曲轴的曲柄由转到 180 360 在这个冲程中 气缸内的气体被压缩 故称为压缩冲程 第三冲程 活塞再由上止点移动到下止点 即曲轴的曲柄由转到 360 540 在这个冲程中 燃气膨胀作功 所以又称为工作冲程或作功冲程 第四冲程 活塞再由下止点移动到上止点 即曲轴的曲柄由转到 540 720 在这个冲程中 排气门打开 燃烧后的废气经排气门排出气缸 又称排气冲程 2 2 2 四冲程式柴油机工作过程分析 四冲程式柴油机工作过程包括进气过程 压缩过程 燃烧过程 膨胀作功 过程和排气过程 1 进气过程 进气过程是由进气门开始开启到进气门关闭为止 为了获得较多的充气量 活塞到达上止点前进气门就开始开启 当活塞到达上止点时 进气门和进气座 之间已有一定的通道面积 活塞由上止点下行不久 气缸内的压力很快低于大 气压力 形成了真空 空气在大气压力作用下经空气滤清器 进气管道 进气 门冲入气缸 当活塞到达下止点时 空气还具有较大的流动惯性继续向气缸内 充气 为了充分利用气体流动的动量使更多的气体冲入气缸 进气门在下止点 之后才关闭 在进气门关闭之前 由于气体流动惯性的作用使 使气缸内的气体压力有 所回升 但由于气体流动的节流损失 气缸内的压力仍低于外界的大气压力 P0 进气终点压力 Pa约为 0 8 0 95 P0 冲入气缸的空气与燃烧室气壁及活塞顶 等高温机件的接触 以及与上一循环没有排净而留在气缸内残余废气的混合 使进气温度升高 进气终点温度 Ta可达 300K 340K 2 压缩过程 压缩过程是由进气门关闭到活塞移动到上止点为止 进气门关闭之后 随 着活塞向上移动 气缸内气体被压缩 使气体的压力和温度上升 在压缩过程 初期 气缸内的气体温度低于气缸壁的温度 气缸壁向气体传热 随着压缩过程的进行 因此压缩终了的压力和温度较高 压缩终点的压力 Pc达 3 5MPa 压缩温度 TC达 750 950K 3 燃烧过程 在活塞到达上止点前 100 350 CA 曲柄转角 时 柴油在高压 10 20MPa作用 下 由喷油器喷入燃烧室 并与运动着的压缩气体迅速混合 组成了可燃混合 气 由于此时压缩气体的温度已超过了柴油的自然温度 约 600K 柴油与空 气中的氧气在高温作用下 经过化学反应形成第一火焰中心 火焰从着火中心 向未燃烧的可燃混合气传播 使之迅速燃烧 燃烧室的压力和温度急剧升高 再活塞运动到上止点之后 气缸内达到最高压力 最大爆发压力 Pz约为 6 9MPa 最高温度 Tz约为 1800 2200K 由于形成的混合气不太均匀 尚有少数柴 油没有氧化燃烧 将在膨胀过程中继续混合燃烧 并且在膨胀过程中某点结束 燃烧过程是从柴油喷入燃烧室开始 到燃料燃烧结束为止 因此 燃烧开始和 压缩终了是同时进行的 4 膨胀作功过程 活塞到达压缩上止点时 随着曲轴的旋转 活塞下移 燃气开始膨胀作功 因此 燃烧过程和膨胀作功过程也是同时进行的 在气缸内达到最大爆发压力 时 还有少部分在膨胀过程中边混合边燃烧 这种燃烧现象称之为后燃 随着燃气膨胀作功过程的进行 气缸内气体压力和温度下降 在排气门开 启时 气缸内压力 Pb约为 0 5MPa 到下止点时 Pb约为 0 3MPa Tb约为 1000 1200K 膨胀作功过程是从上止点开始到排气门开使开启为止 5 排气过程 如果活塞到达排气下止点时排气门才开始开启 随着曲轴的旋转 活塞由 下止点上移 由于此时的排气门通道面积太小 气缸内的压力仍然较高 就会 增加排气过程消耗的负功 所以 缸内的压力大与外界大气压力和排气管道中 的压力 活塞到达排气上止点时 排气门没有关闭 而是在上止点之后 100 350 CA 关闭 因为活塞到达排气上止点时 废气还存在流动惯性 利用气体流 动的惯性将留在燃烧室的残余废气排出一部分 排气上止点压力 Pv约为 0 105 0 12MPa 排气温度 Tv约为 700 900K 6 进气和排气重叠过程 在排气门关闭之前 进气门已经开启 所以有一段时间进 排气门处于同 时处于开启状态 成为气门叠开期 所对应的曲轴转角称为气门重叠角 2 32 3 多缸内燃机工作顺序多缸内燃机工作顺序 2 3 1 多缸内燃机工作顺序 多缸内燃机的各缸工作顺序由内燃机的工作平稳性和结构所决定 从内燃 机工作平稳性要求 内燃机的曲轴做成对称 各缸膨胀作功过程依次进行 一 各缸的作功间隔角要尽量均衡 以使发动机运转平衡 各缸尽量交替 作功 二 连续作功的两缸相隔尽量远些 最好是在发动机前半部和后半部交替 进行 这样一方面可减少主轴承连续承载 另一方面可避免相邻两缸进气门同 时开启而发生抢气现象 可使各缸进气分配较均匀 三 V 形发动机左右两排气缸交替进行 四 曲拐布置尽可能对称 均匀 以使发动机工作平衡性好 2 3 2 某 8V 发动机工作顺序分析 某 8V 发动机 其为中心曲柄 平面曲拐 并列连杆 V 形夹角为 600 根 据工作顺序的一般规律 某 8V 发动机的发火顺序应为 左 1 3 4 2 1 右 4 2 1 3 其发火间隔角应为 600 1200 600 1200 600 1200 600 1200工作循环表 见表 2 1 表 2 1 V8发动机工作循环示意图 缸 数 转角 左 1左 2左 3左 4右 1右 2右 3右 4 00 600 排气进气作功压缩 600 1800 作功排气压缩进气 1800 24 00 进气压缩排气作功 2400 36 00 排气进气作功压缩 压缩作功进气排气 3600 420 0 4200 54 00 进气压缩排气作功 5400 600 0 作功排气压缩进气 6000 720 0 压缩作功进气排气 排气进 气 作功压 缩 3 3 对曲柄连杆机构进行运动学分析对曲柄连杆机构进行运动学分析 内燃机的运动机构的基本形式是曲柄连杆机构 它由活塞 连杆和曲轴三 大基本构件所组成 曲柄连杆机构运动学主要研究分析三大基本构件的位移 速度 加速度和曲柄转角及各种几何参数之间的关系 3 13 1 活塞 连杆运动规律的概述活塞 连杆运动规律的概述 图 3 1 是中心曲柄连杆机构运动学分析简图 图中气缸中心线通过曲轴中 心 O OB 为曲柄 AB 为连杆 B 为连杆轴颈或曲柄销中心 A 为连杆小头孔或活塞销 中心 A1为活塞运动上止点 A2为活塞运动下止点 令 为曲柄连杆比 则 sin sin L R 3 1 其中 R 为曲柄半径 L 为连杆长度 中心曲柄连杆机构运动学分析简图如图 3 1 所示 图 3 1 曲柄连杆机构示意图 当曲柄作等角速度旋转时 曲柄 OB 上任意一点都有以 O 点为圆心作等速 旋转运动 A 点 即活塞 沿气缸中心线作往复运动 而连杆 AB 则进行复杂的 平面运动 其大头与曲柄的连杆轴颈 即 B 点 一样 作等速的旋转运动 而 连杆小头则和活塞一样作往复运动 所以连杆本身的运动是一种旋转运动和往 复运动而合成的复杂的平面运动 在某一时刻 曲柄转角为 并且按顺时针方向旋转 连杆轴线在其摆动 平面内偏离气缸中心线的角度为 在曲柄旋转方向上的偏离角为正 反之为 负 曲柄半径与连杆长度的比值为 曲柄的角速度为 LR rad s 30 n 3 2 曲柄上连杆轴颈中心点的切向速度和向心加速度分别为 m s RVt 3 3 m s2 2 Ran 3 4 3 23 2 活塞的位移 速度和加速度活塞的位移 速度和加速度 3 2 1 活塞的位移 由图 3 1 可得出 活塞行程 S 故活塞位移 12 2A AR 22 1 cos 1 cos 1 cos 11sin RLRL 3 5 傅里叶级数形式 3 0124 coscos2cos4 R 6 其中 1 4 3 64 5 256 0 2 5 1 1 4 16 15 512 2 3 5 64 3 256 4 3 5 3 2 2 活塞的速度 将式 3 6 对时间作一次微分 得傅里叶级数形式活塞运动速度准确公式 3 7 124 cos2sin24sin4 ddd vR dtddt 由上式看出 活塞速度和位移一样 也是一个很快收敛的无穷级数 将式 3 5 对时间作一次微分 得活塞运动速度近似公式 3 8 1 sinsin2 sinsin2 22 vRRR 活塞运动速度曲线如图 3 2 所示 25000 20000 15000 10000 5000 0 5000 10000 15000 20000 25000 0 54 108 162 216 270 324 378 432 486 540 594 648 702 系列1 系列2 系列3 图 3 2 活塞运动速度曲线 f 最大速度 平均速度 2 max 1vR 30 m sn C 3 2 3 活塞的加速度 将活塞速度准确公式 3 5 对时间作一次微分 得活塞加速度准确公式 用傅里叶级数形式表示 R 3 9 a 2 124 cos4cos216cos a 显然活塞加速度也是一个很快收敛的无穷级数 将活塞速度近似公式 3 8 对时间作一次微分 可得加速度近似公式 3 10 2 cos cos2 aR 22 coscos2RR 活塞加速度极大值和极小值 对分析 f 曲线变化规律是重要的 活a 塞加速度极大值和极小值所在曲柄转角 可用求极值法得到 令式 3 9 对曲 柄转角作一次微分 并使它等于零 d d 0 得 a sin 4 0 sincos sin 1 4 0 满足上式关系的条件为 sin得或 此 a cos0 0 180 时为任意值 或 cos 1 4 则对于后者 根据值大 4 1arccos 小有三种情况 当 1 4 时 cos的绝对值大于 1 不成立 当 1 4 时 与 sin 0 时情况相同 180 当 1 4 时 cos为负值 90 270 以上分析结合式 2 19 看 活塞的加速度极值的大小和位置有两种情况 第一种情况 当 1 4 时 活塞加速度在曲轴一转范围内有两个极值 在处 即上止点处 活塞加速度极大值为 1 0 3 11 1 2 1 a aR 在处 即下止点处 活塞加速度极小值为 2 180 3 12 2 2 1 R 第二种情况 当 1 4 时 活塞加速度在曲轴一转范围内有四个极值 其 中两个与第一种情况相同 另外还有两个极小值出现在处 3 4 arccos 1 4 其大小为 3 13 3 4 2 1 8 R 利用托列作图法 求出活塞的加速度和位移关系曲线 如图 af 3 3 4 4 对曲柄连杆机构进行动力学分析对曲柄连杆机构进行动力学分析 曲柄连杆机构动力学主要研究三大基本构件所受各种作用力 各作用力之 间的相互关系 曲柄连杆机构运动时所产生的惯性力 与各运动部件的质量成 正比 所以在分析曲柄连杆作用力前 应先确定各运动件的质量 5 5 对对 8V1508V150 发动机发动机进行综合分析进行综合分析 5 15 1 单缸机受力分析单缸机受力分析 发生在汽缸内的气体压力除了作用在活塞顶驱动曲柄连杆机构运动外 还 均匀地作用在汽缸盖和汽缸壁上 汽缸壁受到气