汽车发动机动力学

1、发动机动力学发动机动力学西华大学西华大学交通与汽车工程学院交通与汽车工程学院主讲：童主讲：童 勇勇引引 论论1、汽车发动机的噪声源有哪些？、汽车发动机的噪声源有哪些？2、 “夯土机夯土机”的工作原理是什么？为什么的工作原理是什么？为什么汽车发动机要加装飞轮？汽车发动机要加装飞轮？3、195单缸柴油机的飞轮和单缸柴油机的飞轮和495柴油机的飞柴油机的飞轮相比哪个更大？为什么？轮相比哪个更大？为什么？汽车发动机的噪声排放指标日益严格，结合汽车发动机的噪声排放指标日益严格，结合动力学计算的减振降噪技术日益重要动力学计算的减振降噪技术日益重要往复活塞式内燃机的特征往复活塞式内燃机的特征往复活塞式内燃机

2、的特征之一是往复活塞式内燃机的特征之一是运动的不均匀性运动的不均匀性。单缸机总转矩图单缸机总转矩图本课程研究内容本课程研究内容 发动机（这里主要指内燃机）动力学，发动机（这里主要指内燃机）动力学，主要研究内燃机在稳定主要研究内燃机在稳定工况下，其曲柄连杆机构的运动规律和受力情况，以及这些工况下，其曲柄连杆机构的运动规律和受力情况，以及这些力对内燃机平衡性和振动的影响。力对内燃机平衡性和振动的影响。 内燃机三大经典计算：内燃机三大经典计算：1. 工作工程计算工作工程计算2. 动力学计算动力学计算3. 零部件强度校核计算零部件强度校核计算上止点上止点气缸压力气缸压力 进气行程进气行程压缩行程压缩行

3、程燃烧膨胀行程燃烧膨胀行程排气行程排气行程下止点下止点上止点上止点下止点下止点曲轴转角曲轴转角 / ()CA/ ()CA0 0180180360360540540720720p压力示功图 pdiagrampV压力示功图曲柄连杆机构动力学计算曲柄连杆机构动力学计算曲柄连杆机构动力学计算曲柄连杆机构动力学计算0零部件强度校核零部件强度校核教学安排教学安排学时安排：学时安排：1. 课堂教学课堂教学22学时学时2. 上机计算上机计算10学时学时成绩评定：成绩评定：1. 笔试成绩笔试成绩70%，平时成绩，平时成绩30%参考书目：参考书目：1. 内燃机动力学内燃机动力学 郑启福主编郑启福主编2. 车辆发动

4、机动力学车辆发动机动力学 汪长明主编汪长明主编主要内容主要内容1.发动机的动力学分型发动机的动力学分型2.曲柄连杆运动学曲柄连杆运动学3.曲柄连杆机构动力学曲柄连杆机构动力学4.输出扭矩及曲轴回转不均匀度输出扭矩及曲轴回转不均匀度5.轴颈和轴承负荷轴颈和轴承负荷6.发动机的平衡发动机的平衡、振动及减振、振动及减振第一章第一章 发动机的动力学分型发动机的动力学分型1.1正置式曲柄连杆机构正置式曲柄连杆机构1.2 偏置式曲柄连杆机构偏置式曲柄连杆机构1.3主副连杆式曲柄两杆机构主副连杆式曲柄两杆机构 内燃机：将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。 内

5、燃机整体结构介绍内燃机整体结构介绍内燃机结构：1、机体组：气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖和气缸垫-不动件2、活塞连杆组：由活塞、活塞环、活塞销和连杆-运动件3、配气机构组：由气门组件、配气凸轮、传动机构-运动件 传动方式图例传动方式图例每缸每缸4气门排列方式气门排列方式每缸每缸4气门驱动方式气门驱动方式常用气门顶置配气机构的类型常用气门顶置配气机构的类型气门顶置，下置凸轮轴（气门顶置，下置凸轮轴（OHV）气门顶置，上置凸轮轴（气门顶置，上置凸轮轴（OHC）气门顶置，双摇臂，上置凸轮轴（气门顶置，双摇臂，上置凸轮轴（OHV/OHC）气门顶置，上置气门顶置，上置双双凸轮轴（凸轮轴（OHV/

6、DOHC）4 曲轴飞轮组（曲轴、飞轮、减振器）一、曲轴飞轮组的组成起动爪起动爪正时齿轮正时齿轮主轴瓦主轴瓦皮带轮皮带轮扭转减振器扭转减振器飞轮飞轮飞轮螺栓飞轮螺栓曲轴曲轴桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组气缸排列型式气缸排列型式气缸排列型式（续）气缸排列型式（续）常见气缸的排列形式常见气缸的排列形式（1 1） 直列式：多用于六缸以下的发动机。直列式：多用于六缸以下的发动机。（2 2）V V型式：它缩短了发动机的长度和高型式：它缩短了发动机的长度和高度，多用于八缸以上的发动机。度，多用于八缸以上的发动机。（3 3）对置式：是）对置式：是V V型的特殊形式。型的特殊形式。 结构简

7、单、加工结构简单、加工容易，但发动机容易，但发动机长度和高度较大。长度和高度较大。缩短了机体的长度和高度，缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状复杂，加机的重量；形状复杂，加工困难。六缸以上发动机工困难。六缸以上发动机使用使用高度小，总体布置高度小，总体布置方便。轿车中应用方便。轿车中应用不多不多对置气缸式发动机对置气缸式发动机曲柄连杆的基本型式曲柄连杆的基本型式常见曲柄连杆型式常见曲柄连杆型式A）正置式）正置式 b）偏置式）偏置式 c）主副连杆式）主副连杆式a a ）中心曲柄连杆机构）中心曲柄连杆机构 b b ）偏心曲柄连杆机构）偏心曲柄连杆机构c

8、 c）关节曲柄连杆机构）关节曲柄连杆机构正置式（中心式）曲柄机构正置式（中心式）曲柄机构曲柄连杆机构由活塞和活塞销曲柄连杆机构由活塞和活塞销 A 、连杆、连杆AB、曲柄或曲轴、曲柄或曲轴 BO 以及气缸以及气缸 C 、主轴承、主轴承 O 构成。构成。它在内燃机中的它在内燃机中的作用作用是把活塞是把活塞的往复运动转化为曲轴的旋转的往复运动转化为曲轴的旋转运动。运动。其其特点特点是活塞销运动轨迹与曲是活塞销运动轨迹与曲轴轴线相交，这种机构最为简轴轴线相交，这种机构最为简单，加工容易。单，加工容易。正置式（中心式）曲柄机构正置式（中心式）曲柄机构特征参数特征参数曲柄连杆比曲柄连杆比中心曲柄连杆的几何

9、特性完全中心曲柄连杆的几何特性完全由由特性参数特性参数曲柄连杆比曲柄连杆比 r / l 确定，其中确定，其中 r 为曲柄半径，为曲柄半径，即曲轴主轴颈轴线到连杆轴颈即曲轴主轴颈轴线到连杆轴颈或曲柄销轴线的距离，或曲柄销轴线的距离， l 为连为连杆长度，即连杆大小头孔轴线杆长度，即连杆大小头孔轴线的距离。的距离。汽车发动机汽车发动机曲柄连杆比曲柄连杆比 0.26-0.31正置式（中心式）曲柄机构正置式（中心式）曲柄机构内燃机设计中内燃机设计中三大参数：三大参数：S/D=0.8-1.3（行程（行程/缸径）缸径） r / l=0.26-0.31（曲柄连（曲柄连杆比）杆比）L0/D=1.14-1.50

10、（缸心距（缸心距/缸缸径）径）三大参数的选取三大参数的选取常见曲柄连杆型式常见曲柄连杆型式A）正置式）正置式 b）偏置式）偏置式 c）主副连杆式）主副连杆式a a ）中心曲柄连杆机构）中心曲柄连杆机构 b b ）偏心曲柄连杆机构）偏心曲柄连杆机构c c）关节曲柄连杆机构）关节曲柄连杆机构偏置式曲柄连杆机构偏置式曲柄连杆机构曲轴正偏置曲轴正偏置如图所示，如图所示，其特点其特点是气缸中心线是气缸中心线垂直于曲轴的回转轴线，但不通垂直于曲轴的回转轴线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线过曲轴的回转中心，气缸中心线与曲轴的回转轴线有一偏移量。与曲轴的回转轴线有一偏移量。（向回转方向的偏移为（向回转方向

11、的偏移为正偏置正偏置）这种曲柄连杆机构这种曲柄连杆机构可以减少膨胀可以减少膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力压力，使活塞在膨胀行程与压缩，使活塞在膨胀行程与压缩行程时，作用在气缸壁两侧的侧行程时，作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。压力大小比较均匀。曲轴正偏置曲柄连杆机构曲轴正偏置曲柄连杆机构曲轴正偏置曲轴正偏置 活塞销负偏置活塞销负偏置活塞销正偏置活塞销正偏置偏置式曲柄连杆机构的特征参数偏置式曲柄连杆机构的特征参数曲柄连杆比：曲柄连杆比：偏心率：偏心率：6120Q柴油机柴油机e=+1.0mmBJ492QA汽油机汽油机e=-1.5mm EQ6100Q汽油机汽油机

12、e=-1.6mm CA6102Q汽油机汽油机e=-1.0mmlr /(/ke r或者 )活塞销的正偏置和曲轴的正偏置活塞销的正偏置和曲轴的正偏置一般用于一般用于柴油机柴油机。柴油机的做功冲程柴油机的做功冲程Pmax较大，故较大，故PN较大，为降低最大主推力较大，为降低最大主推力PNmax ，改善活塞和缸套主推力面，改善活塞和缸套主推力面的磨损，将活塞销孔（或者气缸的磨损，将活塞销孔（或者气缸中心线）布置向中心线）布置向次推力面一侧次推力面一侧（叫作正偏置）（叫作正偏置）。压缩冲程时，次推力面的侧向推压缩冲程时，次推力面的侧向推力将有所增大，但其绝对值本身力将有所增大，但其绝对值本身较小，增大一

13、点无所谓。达到较小，增大一点无所谓。达到均均匀气缸两侧磨损匀气缸两侧磨损的效果。的效果。不能用于不能用于正反转发动机正反转发动机。活塞销负偏置活塞销负偏置1 1、定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一、定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一面（图示左侧）偏移面（图示左侧）偏移1mm1mm2mm2mm。2 2、作用作用：使活塞从压缩行程到作功行程柔和：使活塞从压缩行程到作功行程柔和地从气缸的一边过渡到另一边，减轻活塞换地从气缸的一边过渡到另一边，减轻活塞换向时对气缸壁的向时对气缸壁的敲击敲击。 活塞销的负偏置活塞销的负偏置一般用于一般用于高速汽油机高速汽油机。汽油机转速远高于柴油机，且其缸汽油机转速

14、远高于柴油机，且其缸内最大压力远低于柴油机，其左右内最大压力远低于柴油机，其左右主次推力面的主次推力面的磨损不均匀问题不是磨损不均匀问题不是主要问题主要问题。一般不需要采用正偏置。一般不需要采用正偏置。转速过高导致的转速过高导致的上止点位置时活塞上止点位置时活塞的频繁高速换向的频繁高速换向导致的导致的活塞拍击缸活塞拍击缸壁的壁的“敲缸敲缸”噪声噪声，成为主要矛盾。，成为主要矛盾。采用采用负偏置负偏置有利于解决这个问题。有利于解决这个问题。M活塞偏转转矩的形成活塞偏转转矩的形成压缩上止点压缩上止点前后，活塞前后，活塞“先靠后移先靠后移”示意图示意图M活塞合力向下为正活塞合力向下为正进排气上止点进

15、排气上止点前后，活塞前后，活塞“先靠后移先靠后移”示意图示意图活塞合力向下活塞合力向下为正为正M3、原理：因销座偏置，在接近压缩上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边，使活塞倾斜，裙部下端提前换向。而活塞在越过上止点，侧压力反向时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。“先靠后移” 可见偏置销座使活塞换向分成了两可见偏置销座使活塞换向分成了两步，步，第一步第一步是在气体压力较小时进行，是在气体压力较小时进行，且裙部弹性好，有缓冲作用；且裙部弹性好，有缓冲作用；第二步第二步虽气体压力大，但它是个渐变过程。虽气体压力大，但它是个渐变过程。为此，两步过渡使换向冲击

16、力大为减为此，两步过渡使换向冲击力大为减弱。弱。 V型发动机连杆的布置形式型发动机连杆的布置形式并列式并列式主副式主副式叉式叉式主副连杆机构主副连杆机构主副连杆式曲柄连杆机构主副连杆式曲柄连杆机构 在少数多列式大功率高速内在少数多列式大功率高速内燃机中，例如少数双列式燃机中，例如少数双列式 V 形及形及全部三列全部三列 W 形、四列式形、四列式 X 形和形和多列式星形内燃机中，采用关节多列式星形内燃机中，采用关节曲柄连杆机构。这时，内燃机的曲柄连杆机构。这时，内燃机的一列气缸用主连杆与曲柄摇摆运一列气缸用主连杆与曲柄摇摆运动。动。 优点是副连杆大小头轴承均优点是副连杆大小头轴承均无高速滑动其他

17、各列气缸则用副无高速滑动其他各列气缸则用副连杆与主连杆上的连杆与主连杆上的副连杆销副连杆销相连，相连，形成关节式。形成关节式。主副连杆式曲柄连杆机构主副连杆式曲柄连杆机构特征参数：特征参数：1.主曲柄半径比主曲柄半径比2.副曲柄半径比副曲柄半径比3.副连杆长度副连杆长度4.关节半径关节半径5.气缸夹角气缸夹角6.关节角关节角lr /af/ffr lfl第二章第二章 曲柄连杆运动学曲柄连杆运动学在中高速内燃机中，在中高速内燃机中，稳定运转稳定运转时，假定曲轴时，假定曲轴等速转动。等速转动。在一般情况下，连杆摆动所引起的效应可以在一般情况下，连杆摆动所引起的效应可以简化为一定部分的连杆质量随曲柄销

18、转动。简化为一定部分的连杆质量随曲柄销转动。内燃机曲柄连杆机构运动学的基本任务，在内燃机曲柄连杆机构运动学的基本任务，在于确定活塞的运动规律。于确定活塞的运动规律。动力学分析的前提条件动力学分析的前提条件经典动力学分析的经典动力学分析的前提条件前提条件：发动机处于：发动机处于“稳定工况稳定工况”。“稳定工况稳定工况”：在一个完整的曲轴总转矩变在一个完整的曲轴总转矩变化周期内，内燃机曲轴输出的有用功与作业化周期内，内燃机曲轴输出的有用功与作业机具的阻力功相等。机具的阻力功相等。曲轴的回转角速度的变化是比较小的，可视曲轴的回转角速度的变化是比较小的，可视为曲轴作等角速度回转。为曲轴作等角速度回转。

19、中心曲柄连杆机构简图中心曲柄连杆机构简图0曲柄的运动规律曲柄的运动规律nn105. 030/ 活塞位移的求解活塞位移的求解 22222()coscos(1 cos)(1 cos)sinsinsinsincos1 sin1sin(1 cos)(11sin)xA AAOAOrlACCOrllrrlrlxrl AOB在三角形中，由正弦定理得：0活塞位移精确解活塞位移精确解1 222=1 1cos1sinxr 内燃机学第一版教材中：)sin11)(/1 (cos122 rx内燃机学第二版内燃机学第二版中：中：22(1 cos)(11sin)xrl内燃机动力学内燃机动力学中：中：以上公式完全等价。以上公

20、式完全等价。0活塞位移的近似解活塞位移的近似解利用傅立叶级数展开：利用傅立叶级数展开：因为一般内燃机所用的曲因为一般内燃机所用的曲柄连杆机构中：柄连杆机构中：可把公式足够精确地简化可把公式足够精确地简化成：成：或者：或者： 11(1coscos2 )44(1 cos)(1 cos2 )4xrrrxx 1 cos/4 1 cos2xr3/1(1 cos)(1 cos)xrl换句话，活塞约在换句话，活塞约在80-85曲轴转角时，就曲轴转角时，就达到行程的一半，连杆越短，达到行程的一半，连杆越短， 越大，活塞越大，活塞达到行程之半的时刻越提前。达到行程之半的时刻越提前。009021802xrxrxr

21、当时，活塞位移当时，活塞位移当时，活塞位移一阶位移和二阶位移一阶位移和二阶位移11(1coscos2 )44(1 cos)(1 cos2 )4xrrrxx 活塞位移的作图法求解活塞位移的作图法求解绘制活塞位移曲线的作用绘制活塞位移曲线的作用 活塞在上止点附近高速运动，进排气门也在这活塞在上止点附近高速运动，进排气门也在这一区域高速运动，可在同一图纸上，根据配气相位一区域高速运动，可在同一图纸上，根据配气相位角绘制气门升程曲线以及活塞顶部的位移曲线，看角绘制气门升程曲线以及活塞顶部的位移曲线，看是否出现相交，如相交，则会出现运动干涉。后果是否出现相交，如相交，则会出现运动干涉。后果严重。特别是当

22、出现磨损严重的情况时，尤其要特严重。特别是当出现磨损严重的情况时，尤其要特别重视。别重视。问题：问题：一台长期使用的单缸柴油机，手摇起动时，一台长期使用的单缸柴油机，手摇起动时，没有异常，起动后，转速上升到一定时，出现气门没有异常，起动后，转速上升到一定时，出现气门和活塞顶部相碰的异响，为什么？和活塞顶部相碰的异响，为什么？进排气上止点气门升程和活塞位移曲线进排气上止点气门升程和活塞位移曲线排气门升排气门升程程进气门升程进气门升程活塞位移曲活塞位移曲线线校验进排气上止点附近校验进排气上止点附近进排气门是否与活塞发生进排气门是否与活塞发生运动干涉运动干涉活塞的速度活塞的速度 对时间作一次微分对时

23、间作一次微分,可得傅立叶级数形式的活塞运动速度准确可得傅立叶级数形式的活塞运动速度准确公式公式:由上式看出由上式看出,活塞运动速度和活塞位移一样活塞运动速度和活塞位移一样,也是一个很快收敛也是一个很快收敛的无穷级数。将上式对时间作一次微分的无穷级数。将上式对时间作一次微分,可得活塞运动速可得活塞运动速度的近似公式度的近似公式:内燃机在稳定工况时内燃机在稳定工况时, 是一个常数是一个常数,所以所以,活塞运动速度是一个活塞运动速度是一个由两个简谐运动由两个简谐运动 叠加而成叠加而成:124(sin2sin24sin4.)vraaa (sinsin2 )2vr1sinsin 22vrrvv sin(

24、)cosdxdx dvrdtddt活塞的最大速度活塞的最大速度活塞最大速度精确解：活塞最大速度精确解：活塞最大运动速度近似公式活塞最大运动速度近似公式:活塞平均运动速度：活塞平均运动速度： 在内燃机中在内燃机中:222max2max222111( 1 81)1( 1 81)164sin()1coscos1cos1vrvrrLlr 2max1vr 0011(sinsin 2 )22()3030mCvdvrdSnrrSnmax5 15/ ,1.625mmCm s vC活塞最大速度出现的位置活塞最大速度出现的位置活塞最大运动速度活塞最大运动速度 所在位置为所在位置为: 所在位置仅和所在位置仅和 有关

25、有关,连杆愈短连杆愈短, 出现愈早出现愈早.由此可见由此可见,=7482。一般近似计算。一般近似计算时，可认为时，可认为 时，活塞速度达到最大值。时，活塞速度达到最大值。2max1()arccos( 1 81)4vmaxvmaxv+ =90 2max1vr 活塞的加速度活塞的加速度22cos()coscoscosdvdv dadtddtdRdsinsin, 对将其微分得：cosd = cos dcoscosdd223cos()coscoscosar活塞加速度曲线活塞加速度曲线22coscos2a rra =a20(sin2 sin2 )0sin4 sin2 cos0sin(14 cos)0da

26、dR满足上式关系的条件是：sin00 180得或，此时 为任意值；arccos()11或 cos =-则44对于后者，根据 值大小有三种情况：1141180sin04190 2704当时，cos得绝对值大于 ，不成立;当时，与时情况相同；当时，cos 为负值，活塞加速度极值活塞加速度极值第一种情况，当第一种情况，当 时：时：在在 时，即上止点处，活塞加速度极大时，即上止点处，活塞加速度极大值为：值为： 在在 时，即下止点处，活塞加速度极小时，即下止点处，活塞加速度极小值为：值为：第二种情况，当第二种情况，当 时，活塞加速度在曲时，活塞加速度在曲轴一转范围内有四个极值。轴一转范围内有四个极值。其

27、中两个与第一种情况相同，另外还有两个其中两个与第一种情况相同，另外还有两个极小值出现在：极小值出现在： （90270之间），其大小为：之间），其大小为：1012(1)ar22(1)ar143,41arccos()43,421()8ar 218014无量纲位移、速度、加速度无量纲位移、速度、加速度为了便于比较不同大小机构的运动，可引用无量为了便于比较不同大小机构的运动，可引用无量纲参数：纲参数：无量纲速度和加速度：无量纲速度和加速度：无量纲位移：无量纲位移：无量纲加速度：无量纲加速度：/sin1cos112122*x2122*sin12sin2sinv 23222222*sin12sin4sin

28、12coscosa活塞运动规律简化表达活塞运动规律简化表达(1 cos)( /4)(1 cos2 )xx r/sin/2 sin2vv r2/coscos2aa r活塞位移、速度、加速度之间的关系活塞位移、速度、加速度之间的关系活塞活塞离开离开上下止点上下止点作作加速加速运动运动活塞活塞趋向趋向上下止点上下止点作作减速减速运动运动连杆摆动的角位移上式就是连杆角位移的准确公式。上式就是连杆角位移的准确公式。 由此可得连杆角位移的近似公式：由此可得连杆角位移的近似公式： 由上式看出，由上式看出，当当 =90和和270时时，连杆角位移达到最大值连杆角位移达到最大值。 从物理意义来讲，式中正负号表示连

29、杆角位移最大值发生在汽缸中从物理意义来讲，式中正负号表示连杆角位移最大值发生在汽缸中心线两侧。对于常见的心线两侧。对于常见的 值来说，值来说， 值一般不超过值一般不超过18。sin( sin)arc221sin(1sin)62max1(1)6 sinsinsinsinrlAOB在三角形中，由正弦定理得：0连杆摆动的角速度将连杆摆角对时间作一次微分，得：将连杆摆角对时间作一次微分，得：得连杆角速度的准确公式：得连杆角速度的准确公式： 对时间做一次微分，得连杆角速度的近似公式：对时间做一次微分，得连杆角速度的近似公式： 由上式看出，曲轴旋转一周时，由上式看出，曲轴旋转一周时，在在 处，连杆角速度出

30、现最处，连杆角速度出现最大值；大值；dddddtddtd22coscoscos1sin22223(cossincos )61cos (1sin)20180和偏置式曲柄连杆运动学偏置式曲柄连杆运动学一一 上、下止点位置上、下止点位置 由直角三角形由直角三角形 可知：可知：12sin1sin1eklreklrekr偏心率：A EOA EO和12(二二) )活塞行程活塞行程 由右图的直角三角形由右图的直角三角形 可知：可知： 则活塞行程为：则活塞行程为： AEOAEO和222222221()(1)1()(1)A ElrerkA Elrerk222211(1)(1)SA EA ERkk22112 (1

31、 )2kSRRS0.002 0.02 ,2SRRSR 所以12三三. 连杆摆角连杆摆角 由图可知，由图可知， 于是连杆摆于是连杆摆角可由角可由 求出：求出： 由上式看出，当由上式看出，当 =0=0，即连杆，即连杆中心线和汽缸中心线重叠时，中心线和汽缸中心线重叠时，sinsin=k=k；而而当当=90=90和和270270时，时，出现最大值；出现最大值；sinsin(sin)BDBCeRkRABLLkABDsinBCRm a xa rc s in(1)k12四四. 活塞位移、速度和加速度活塞位移、速度和加速度 由图中由图中 的几何关系，可以求出某瞬时活塞位移的准的几何关系，可以求出某瞬时活塞位移

32、的准确确 公式：公式： 由上式可知：由上式可知： 用这个关系代入前式，并将两个根号按二项式定理展开级数。整理后用这个关系代入前式，并将两个根号按二项式定理展开级数。整理后略去高略去高 次项，可得活塞的近似公式：次项，可得活塞的近似公式：将式将式2-37分别对时间做一次微分和两次微分，可得活塞速度和加速度的分别对时间做一次微分和两次微分，可得活塞速度和加速度的近似公式：近似公式：由此可以看出，由此可以看出，由于偏心距的影响，偏置式机构的活塞位移、速度和加由于偏心距的影响，偏置式机构的活塞位移、速度和加速度近似公式，比正置式机构的相应公式均多了括号内的最后一项。速度近似公式，比正置式机构的相应公式

33、均多了括号内的最后一项。而该项的最大值是而该项的最大值是 k ，在内燃机工程中，通常，在内燃机工程中，通常 k=0.010.06,因该项值很小，可忽略不计，这样，在近似计算中就可把偏置式机因该项值很小，可忽略不计，这样，在近似计算中就可把偏置式机构的运动规律按正置式机构来处理。构的运动规律按正置式机构来处理。2222()1(1)(coscos)11(1)(coscos)xA EAEA EDEADRkRLRkABDBOC和222cos1sin1(sin)k(1 cos)(1 cos2 )cos4xRk2sinsin 2cos2coscos 2sinvRkaRk主、副连杆机构运动学主、副连杆机构运

34、动学（一）副活塞位移：（一）副活塞位移： 由图可知：副活塞位移为：由图可知：副活塞位移为： 上式就是副活塞位移的精确确公式，其中上式就是副活塞位移的精确确公式，其中 是副活塞上止点到是副活塞上止点到曲轴回转中心的距离。曲轴回转中心的距离。coscos()coscoscos()cosffffffffffffffxA OA OA OOFFCCAA OOBBDA DA ORrlfA O主副缸活塞运动曲线主副缸活塞运动曲线第三章第三章 曲柄连杆动力学曲柄连杆动力学作用在内燃机曲柄连杆机构中的力，分为作用在内燃机曲柄连杆机构中的力，分为缸内气体缸内气体作用力、运动质量惯性力、重力、摩擦力、支承反作用力、

35、运动质量惯性力、重力、摩擦力、支承反力和有效负荷力和有效负荷等。等。因为内燃机中重力、摩擦力数值与气体力以及惯性因为内燃机中重力、摩擦力数值与气体力以及惯性力相比较小，一般作受力分析时都把各零件之间的力相比较小，一般作受力分析时都把各零件之间的摩擦力忽略不计摩擦力忽略不计。内燃机中，内燃机中，气体作用力、惯性力与支承反力、有效气体作用力、惯性力与支承反力、有效负荷相平衡负荷相平衡概述：曲柄连杆受力情况概述：曲柄连杆受力情况曲柄连杆机构受的力主曲柄连杆机构受的力主要有要有气体力气体力PgPg，往复惯，往复惯性力性力P Pj j，旋转离心力，旋转离心力P Pr r和和摩擦力摩擦力F F。PgPjP

36、rF3.1、曲柄连杆的质量换算、曲柄连杆的质量换算 惯性力的大小决定于运动零件的加速度和质量分布惯性力的大小决定于运动零件的加速度和质量分布实际曲柄连杆机构具有复杂的分布质量，但可实际曲柄连杆机构具有复杂的分布质量，但可以根据以根据动力学等效性原则动力学等效性原则用几个适当配置的集用几个适当配置的集中质量中质量(质点质点)代替原来的系统。代替原来的系统。曲柄连杆机构的所有运动零件可按曲柄连杆机构的所有运动零件可按运动性质运动性质不不同分为三组同分为三组1. 沿气缸轴线往复运动的零件沿气缸轴线往复运动的零件2. 匀速转动的曲柄组质量匀速转动的曲柄组质量3. 作平面运动的连杆组质量作平面运动的连杆

37、组质量1 活塞组的质量活塞组的质量 换算换算包括活塞、活塞环、活塞销以及装在其上附件的质量，即包括活塞、活塞环、活塞销以及装在其上附件的质量，即是沿气缸中心线作往复运动零件的质量。可以认为是沿气缸中心线作往复运动零件的质量。可以认为 mp，集，集中于活塞销轴线的中心，因为活塞销中心线是活塞组的传中于活塞销轴线的中心，因为活塞销中心线是活塞组的传力点。力点。2 ，曲柄组的质量换算，曲柄组的质量换算曲轴在绕轴线曲轴在绕轴线 O 旋转时，曲旋转时，曲柄销、一部分曲柄臂（图上绘柄销、一部分曲柄臂（图上绘有阴影的部分）以及装在其上有阴影的部分）以及装在其上的其它附件的不平衡质量将产的其它附件的不平衡质量

38、将产生不平衡离心惯性力，这些曲生不平衡离心惯性力，这些曲衡质量将产生不平衡离心惯性衡质量将产生不平衡离心惯性力，这些曲柄上的不平衡质量力，这些曲柄上的不平衡质量应按离心力相等的条件换算到应按离心力相等的条件换算到曲柄销中心处。曲柄销中心处。3 连杆组的质量换算连杆组的质量换算包括连杆体、连杆小头衬套、连杆包括连杆体、连杆小头衬套、连杆盖以及连杆螺栓等的质量。连杆作盖以及连杆螺栓等的质量。连杆作复合平面运动，为了计算简便，将复合平面运动，为了计算简便，将连杆质量连杆质量 mL简化为大、小头处的简化为大、小头处的两个集中质量，如图所示。两个集中质量，如图所示。 m1 是是假设集中在连杆小头中心处并

39、只作假设集中在连杆小头中心处并只作往复运动的质量，往复运动的质量， m2是假设集中在是假设集中在大头中心处并只作旋转运动的质量。大头中心处并只作旋转运动的质量。替代后的质量系统替代后的质量系统应与原连杆的质应与原连杆的质量系统在力学上是等效的（即动力量系统在力学上是等效的（即动力学等效原则）学等效原则），则须满足下列条件：，则须满足下列条件：实际上，双质量系统不能同实际上，双质量系统不能同时完全满足上述三个等效条时完全满足上述三个等效条件，一般只按前两个条件算件，一般只按前两个条件算出：出：120.2 0.30.7 0.8LLmmmm 在连杆组质量换算中，必须确定连杆质量数值和重在连杆组质量换

40、算中，必须确定连杆质量数值和重心位置，通常采用作图法和实测法两种。心位置，通常采用作图法和实测法两种。 1）. 索多边形作图法（只有图纸没有实物时采用）索多边形作图法（只有图纸没有实物时采用）： 连杆质量和重心位置的确定：连杆质量和重心位置的确定：2）. 专用天平称重法专用天平称重法：2121LmLLmLLL4 曲柄连杆机构的质量换算结果曲柄连杆机构的质量换算结果作作往复直线运动往复直线运动的的质量质量 mj ，集中作用在活塞销中心。集中作用在活塞销中心。作作旋转运动旋转运动的的不平衡质量不平衡质量 mr，集中作用于曲柄销中心。集中作用于曲柄销中心。3.2、正置式曲柄连杆机构力的合成与分解、正

41、置式曲柄连杆机构力的合成与分解（ l ）往复惯性力往复惯性力 Fj ( N ）它是往复运动的质量它是往复运动的质量mj，与，与活塞加速度活塞加速度 a 的乘积，方向的乘积，方向始终沿气缸中心线与活塞加始终沿气缸中心线与活塞加速度方向相反：速度方向相反：1 , 惯性力惯性力222/4/4coscos2jjjfFDm RD 单位活塞面积的往复惯性力：单位活塞面积的往复惯性力：( 2 ）旋转惯性力旋转惯性力 Fr( N ) ，它是以曲柄角，它是以曲柄角速度旋转的离心力，则速度旋转的离心力，则22/4rrfm RD单位面积旋转惯性力：单位面积旋转惯性力：2 ,气体作用力气体作用力活塞顶的气体压力由示功

42、图可知，气体作用力活塞顶的气体压力由示功图可知，气体作用力是活塞上下压力差：是活塞上下压力差：42ppDFgg3、沿气缸中心线的总作用力、沿气缸中心线的总作用力F气体作用力气体作用力往复惯性力往复惯性力4、总作用力、总作用力F的传递的传递 连杆力连杆力 FK 传至曲柄销中心再分传至曲柄销中心再分解为垂直于曲柄的切向力解为垂直于曲柄的切向力FT（ N ）和沿曲柄半径的径向力和沿曲柄半径的径向力FZ：5、输出转矩、输出转矩倾覆力矩倾覆力矩6、倾覆力矩（翻转力偶矩）、倾覆力矩（翻转力偶矩）6、倾覆力矩（翻转力偶矩）、倾覆力矩（翻转力偶矩）倾覆力矩倾覆力矩对连杆、曲柄：对连杆、曲柄：受压应力为正受压应

43、力为正受拉应力为负受拉应力为负7、受力方向正负的约定、受力方向正负的约定8、小结、小结气体作用力气体作用力Fg1. 与发动机转速与发动机转速n无关，与负无关，与负荷大小有关荷大小有关2. 脉冲性，以脉冲性，以720CA为周期为周期3. 最大值周期仅占最大值周期仅占1/51/6，主要影响发动机主要影响发动机受力零部件受力零部件的可靠性的可靠性4. 为机构为机构受力零部件的振动力受力零部件的振动力源源，但在机体上互相抵消，但在机体上互相抵消，只使机体产生拉伸或压缩应只使机体产生拉伸或压缩应力，并不传至机体之外的支力，并不传至机体之外的支架上，架上，不引起整机的振动不引起整机的振动 往复惯性力往复惯

44、性力Fj1. 以以360CA为周期，只有为周期，只有转速转速n有关，与负荷大小无关有关，与负荷大小无关2. 影响输出功率的影响输出功率的瞬时值瞬时值，不影响，不影响其平均值，其平均值，不对外做功不对外做功3. 是以自由力形式出现，它通过轴是以自由力形式出现，它通过轴承传至机体，作用在发动机支架承传至机体，作用在发动机支架上，上，引起发动机整机上下振动引起发动机整机上下振动4. 与气体力同一数量级，较大绝对与气体力同一数量级，较大绝对值占一半周期以上，主要影响值占一半周期以上，主要影响发发动机使用寿命动机使用寿命5. 做功冲程开始阶段，对气体压力做功冲程开始阶段，对气体压力起到一定起到一定消减作

45、用消减作用，有效降低了，有效降低了受力零部件的最大机械负荷，受力零部件的最大机械负荷，有有利于发动机可靠性的提高利于发动机可靠性的提高旋转惯性力旋转惯性力Fr1.与转速有关，与转速有关，360CA为周期，引起发动机上下左右各为周期，引起发动机上下左右各方向振动，易于平衡。方向振动，易于平衡。输出扭矩输出扭矩 T1.作用于作用于曲轴曲轴，与阻力矩方向相反，与阻力矩方向相反，平均值平均值大小相等大小相等倾覆力矩倾覆力矩 TN1.作用于作用于机体机体，产生使发动机沿阻力矩方向翻转倾覆的趋，产生使发动机沿阻力矩方向翻转倾覆的趋势。势。2.大小与方向均与阻力矩相等，无法平衡，大小与方向均与阻力矩相等，无

46、法平衡，只能传至支承只能传至支承,靠地脚螺钉承受靠地脚螺钉承受。综上所述综上所述，发动机发出扭矩，发动机发出扭矩 T ，而倾覆力矩，而倾覆力矩 TN 、往复惯性力往复惯性力 Fj 和旋转惯性力和旋转惯性力 Fr 通过发动机机体传通过发动机机体传至支架，使支架受力并产生振动。至支架，使支架受力并产生振动。上机作业安排上机作业安排 演示演示1. 正置式曲柄连杆机构运动学计算正置式曲柄连杆机构运动学计算2. 绘出活塞的位移、速度、加速度曲线（最好在一绘出活塞的位移、速度、加速度曲线（最好在一张图上）张图上）3. 根据发动机工作过程计算出发动机示功图（即气根据发动机工作过程计算出发动机示功图（即气体力

47、体力Fg-）4. 曲柄连杆机构的质量换算曲柄连杆机构的质量换算5. 往复惯性力往复惯性力Fj和旋转惯性力和旋转惯性力Fr的计算的计算6. 里的合成与分解，绘出里的合成与分解，绘出FN、FK、FT、FZ、T与曲与曲轴转角轴转角之间的关系图。之间的关系图。7. 为下一步轴承和轴颈载荷以及主轴承理论磨损图为下一步轴承和轴颈载荷以及主轴承理论磨损图的计算做准备的计算做准备第四章第四章 输出转矩及其曲轴回转不均匀度输出转矩及其曲轴回转不均匀度4-1 曲柄排列和发火顺序的选择曲柄排列和发火顺序的选择1、曲柄排列、曲柄排列气缸序号：气缸序号：从曲轴自由端向飞轮端编号从曲轴自由端向飞轮端编号直列四缸机曲柄排列

48、及曲柄端面图直列四缸机曲柄排列及曲柄端面图2、曲柄夹角的选定、曲柄夹角的选定3、发火顺序的选定、发火顺序的选定一定的曲柄排列形式，决定了可能的一定的曲柄排列形式，决定了可能的发火顺序发火顺序。一定的曲柄排列形式，决定了一定的一定的曲柄排列形式，决定了一定的平衡性平衡性。设计时，首先保证设计时，首先保证良好的平衡性良好的平衡性确定曲柄排列形式，确定曲柄排列形式，然后使然后使发火间隔角尽可能均匀发火间隔角尽可能均匀来确定发火顺序。来确定发火顺序。选取原则：选取原则：1.机械负荷、热负荷尽可能地小机械负荷、热负荷尽可能地小2.相邻气缸发火间隔尽可能大相邻气缸发火间隔尽可能大以使：以使：1.曲轴轴颈、

49、轴承的机械负荷（冲击载荷）下降曲轴轴颈、轴承的机械负荷（冲击载荷）下降2.相邻受热件的热负荷下降相邻受热件的热负荷下降3.避免抢气和排气干扰避免抢气和排气干扰4.曲轴扭振下降曲轴扭振下降内燃机的发火顺序内燃机的发火顺序内燃机的曲柄排列和发火顺序对发动机的动内燃机的曲柄排列和发火顺序对发动机的动力性能和工作状态及曲轴的负荷都有着直接力性能和工作状态及曲轴的负荷都有着直接关联，并影响到发动机的平衡、轴承负荷、关联，并影响到发动机的平衡、轴承负荷、扭转振动等等扭转振动等等直列式发动机的发火顺序直列式发动机的发火顺序1. 各缸发火间隔尽可能均匀各缸发火间隔尽可能均匀2. 发动机有较好的平衡性发动机有较

50、好的平衡性3. 尽量避免相邻气缸连续发火尽量避免相邻气缸连续发火4. 柴油机轴系有较小的扭转振动柴油机轴系有较小的扭转振动5. 考虑对排气管分支的影响考虑对排气管分支的影响返回曲拐的布置曲拐的布置（1）一般规律）一般规律 1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。转平稳。 2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。动机的前半部和后半部交替进行。 3）V型发动机左右气缸尽量交替作功。型发动机左右气缸尽量交替作功。 4）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作）曲拐布置尽可能对称、均

51、匀以使发动机工作平衡性好。平衡性好。（2）常见曲轴曲拐的布置）常见曲轴曲拐的布置1 1）四冲程四缸发动机）四冲程四缸发动机曲拐布置曲拐布置四个曲拐在同一平面内，四个曲拐在同一平面内，点火间隔：点火间隔：1802）四冲程四缸发动机）四冲程四缸发动机点火顺序点火顺序点火顺序：各缸完成同名行程的次序。点火顺序：各缸完成同名行程的次序。常用顺序：常用顺序：1-3-4-2另一发火次序：另一发火次序：1-2-4-33）直列四冲程六缸发动机曲轴）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置曲拐布置1.62.53.41.63.42.51-5- 3-6-2-41-4-2-6-3-5各缸发火间隔角尽可能均匀，各缸发火间隔角尽

52、可能均匀，各缸在每个工各缸在每个工作循环的曲轴转角周期内依次发火完毕，且作循环的曲轴转角周期内依次发火完毕，且发火间隔角尽可能相等。发火间隔角尽可能相等。希望达到：希望达到：1. 各缸均匀输出功率各缸均匀输出功率2. 曲轴运转平衡曲轴运转平衡3. 发动机工作柔和发动机工作柔和4、各缸发火间隔角的选定、各缸发火间隔角的选定4.2 输出转矩和曲轴回转不均匀性输出转矩和曲轴回转不均匀性 1、多缸机输出转矩、多缸机输出转矩 多缸内燃机，其总转矩等于各气缸转矩之和。多缸内燃机，其总转矩等于各气缸转矩之和。 对于发火间隔均匀的内燃机来说，总转矩应该是将各缸的对于发火间隔均匀的内燃机来说，总转矩应该是将各缸

53、的扭矩曲线错开一个相当于发火间隔角扭矩曲线错开一个相当于发火间隔角然后进行叠加的结果。然后进行叠加的结果。 例如例如四冲程的六缸机四冲程的六缸机，它的发火间隔顺序为，它的发火间隔顺序为 1 一一 5 一一 3 一一 6 一一 2 一一 4 ，发火间隔角，发火间隔角= 720 6 = 120 , 设设 M为一为一个气缸在曲柄转角为个气缸在曲柄转角为 时的扭矩，则在该时的扭矩，则在该 时的总转矩时的总转矩 Ms为：为：已知解放已知解放Q柴油机的发火顺序为柴油机的发火顺序为，当第一当第一缸处于下列曲轴位置时，所对应的扭矩值如表所列：缸处于下列曲轴位置时，所对应的扭矩值如表所列：曲拐位置（曲拐位置（C

54、A）30150270390510630扭矩值扭矩值M(N.m)-174.570.24-110.58712.098.03-84.14当当第一缸处于第一缸处于270CA时，将此刻其余各缸的扭矩值及此刻的合成扭矩值填入时，将此刻其余各缸的扭矩值及此刻的合成扭矩值填入下表中。下表中。汽缸号汽缸号合成扭合成扭矩矩N.m扭矩值扭矩值N.m-110.58将将 = 0 720 间隔点的间隔点的 Ms 求出后，就可画出内燃求出后，就可画出内燃机的总转矩图。机的总转矩图。实际上，对于发火均匀的内燃机来说，其中转矩曲线是以实际上，对于发火均匀的内燃机来说，其中转矩曲线是以发火间隔角发火间隔角为周期循环变化的。对于四

55、冲程六缸机，只为周期循环变化的。对于四冲程六缸机，只要将要将 = 0 到到 = 120 间的各缸转矩曲线进行叠加，间的各缸转矩曲线进行叠加，就可得到就可得到 = 0 120 之间的总转矩曲线。之间的总转矩曲线。四冲程四缸机总扭矩曲线四冲程四缸机总扭矩曲线不同缸数总扭矩曲线不同缸数总扭矩曲线多缸机扭矩特征多缸机扭矩特征1.对同一台内燃机来说，转矩不均匀系数随发动机对同一台内燃机来说，转矩不均匀系数随发动机工况的变化而变化。工况的变化而变化。2.转矩不均匀系数产随缸数的增加而急剧减少。转矩不均匀系数产随缸数的增加而急剧减少。3.从动力学角度看，增加缸数和使各缸发火间隔均从动力学角度看，增加缸数和使

56、各缸发火间隔均匀，是改善发动机输出转矩均匀性的重要途径。匀，是改善发动机输出转矩均匀性的重要途径。4.对于发火均匀的多缸机，总转矩曲线是以发火间对于发火均匀的多缸机，总转矩曲线是以发火间隔角为周期循环变化的。隔角为周期循环变化的。由发动机即使在稳定工况由发动机即使在稳定工况下运转，其输出转矩也不下运转，其输出转矩也不是常数。是常数。为了评价内燃机总转矩变为了评价内燃机总转矩变化的均匀程度，通常用化的均匀程度，通常用转转矩不均匀度矩不均匀度来表示，并有来表示，并有2、输出转矩的不均匀度、输出转矩的不均匀度输出转矩的不均匀度输出转矩的不均匀度缸数缸数12346812不均匀度不均匀度18.313.6

57、7.68.430.860.333、曲轴回转的不均匀度、曲轴回转的不均匀度功率平衡功率平衡 根据能量守恒定律，作用在机根据能量守恒定律，作用在机械上的力在任一时间间隔内所作械上的力在任一时间间隔内所作的功，应等于机械动能的增量，的功，应等于机械动能的增量，即即: 机械在外力作用下的运动分为机械在外力作用下的运动分为启动、启动、 稳定运转和停车稳定运转和停车三个阶段，三个阶段，如图所示：如图所示： 为了实现一个尽可能匀速稳定为了实现一个尽可能匀速稳定运转，在结构上或机构设计方面运转，在结构上或机构设计方面采取相关措施，则称其为采取相关措施，则称其为功率平功率平衡衡。 内燃机的转矩在任一瞬间，都与加

58、在曲轴上的阻力矩及所内燃机的转矩在任一瞬间，都与加在曲轴上的阻力矩及所有运动质量的惯性力矩相平衡，用公式表示为有运动质量的惯性力矩相平衡，用公式表示为3、曲轴回转的不均匀度、曲轴回转的不均匀度曲轴旋转的不均匀性，会使内燃机与它带动的从动曲轴旋转的不均匀性，会使内燃机与它带动的从动件之间产生冲击，影响工作的可靠性和使用寿命，件之间产生冲击，影响工作的可靠性和使用寿命，并产生噪声；使曲轴产生振动；使监控和测试的仪并产生噪声；使曲轴产生振动；使监控和测试的仪器工作不稳定。器工作不稳定。因此，必须对曲轴的旋转不均匀度因此，必须对曲轴的旋转不均匀度进行限制，对于进行限制，对于汽车、工程机械用内燃机，汽车

59、、工程机械用内燃机， 一般限定在一般限定在 1 / 40 l / 50 之间。之间。当当确定后，可选择具有适当转动惯量确定后，可选择具有适当转动惯量 IM 的飞轮来的飞轮来使之满足要求，具体方法如下。使之满足要求，具体方法如下。1、飞轮的作用、飞轮的作用4.3 飞轮的作用和飞轮矩的计算飞轮的作用和飞轮矩的计算据图据图 求出曲线角速度从求出曲线角速度从 min 变化至变化至 max 时所对应时所对应的总扭矩曲线与阻力矩曲的总扭矩曲线与阻力矩曲线之间所包围的面积，此线之间所包围的面积，此面积所代表的功通常称为面积所代表的功通常称为盈亏功盈亏功 Ws ，并有，并有由于物体在任意两个瞬时由于物体在任意

60、两个瞬时之间动能的变化等于作用之间动能的变化等于作用于该物体上的力或力矩在于该物体上的力或力矩在这个过程中所做的功，则这个过程中所做的功，则有有2、飞轮矩的计算、飞轮矩的计算I0主要由三部分组成：飞轮的转动惯量主要由三部分组成：飞轮的转动惯量IM ，曲柄连杆机构旋，曲柄连杆机构旋转质量的转动惯量及往复质量相当的转动惯量，其余机件转质量的转动惯量及往复质量相当的转动惯量，其余机件（如驱动辅助系统及辅助机构）的转动惯量，其中第三项作（如驱动辅助系统及辅助机构）的转动惯量，其中第三项作用较小，可忽略不计。对于汽车、工程机械用内燃机来说，用较小，可忽略不计。对于汽车、工程机械用内燃机来说， IM占总的