內燃機動力學 曲柄連桿機構 動力學 多體動力學PPT課件02

曲柄連桿機構動力學Xiao Peng曲柄連桿機構中的 主要作用力 氣體作用力 運動質量的慣性力 外界負載對內燃機運動的反作用力曲柄連桿機構運動件的質量換算 活塞組 曲軸組 連桿組復雜的質量系統(tǒng)動力學上 相當運動質量的 簡化簡化：活塞組 純粹 往復直線運動往復直線運動 零件的總稱 包括 活塞、活塞環(huán)、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曲軸組 純粹 回轉運動回轉運動 零件的總稱 包括 曲軸定時齒輪、止推片、曲軸、平衡重 對于 與曲軸中心線對稱的部分的平衡質量，其產生的離心慣性力互相抵消，可不予考慮 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 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mk 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 曲柄銷l曲柄臂mmR?2 2 mRmRRmmR 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+兩個曲柄臂連桿組 作復合平面運動復合平面運動 的零件 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(wèi)連桿組總質量mcl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 相同為此應滿足的三個條件（1）質量不變（2）系統(tǒng)的質心位置不變c21ci ,mmmmm0-012ibmamlmic2c1,mLbmmLam?（3）系統(tǒng)對質心的轉動慣量不變即：e2iIlmi因為轉換后的雙質量系統(tǒng)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(tǒng)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主副連桿式曲柄連桿機構機構的質量換算 首先用兩個質量me1、me2代替原副連桿原副連桿的質量meee2ee1mldmmlcm?將me2看做是集中在主連桿上的副連桿銷中心 在主連桿上主連桿上進行質量換算，得：LrLmLbmmLrmLammeee2LL2e2LL1cos-,cos?綜合 對于中心（或偏心式）曲柄連桿機構，實際系統(tǒng)可用集中于活塞銷中心的往集中于活塞銷中心的往復運動質量復運動質量mj和集中于曲柄銷中心的集中于曲柄銷中心的旋轉質量旋轉質量mr來代替，即：2kr1pj,mmmmmm?對于主副連桿式曲柄連桿機構，實際系統(tǒng)可用集中于副缸活塞銷中集中于副缸活塞銷中心的往復運動質量心的往復運動質量mej，集中于主缸活塞銷中集中于主缸活塞銷中心的往復運動質量心的往復運動質量mLj，以及集中于曲柄銷中心作集中于曲柄銷中心作旋轉運動的旋轉質量旋轉運動的旋轉質量mr來代替，如圖所示：)cos-()cos(e2LkL2kre2LLpL1LpLje1epejLrLmLbmmmmmLrmLammmmmmmmee?中心式曲柄連桿機構的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中心式曲柄連桿機構的慣性力 往復慣性力方向：與加速度方向相反總的往復慣性力jIIjI2j2j2jjj2cos-cos-)2coscos(-PPRmRmRmamP?1pjmmm各力的對比關系圖各力的對比關系圖 離心慣性力2krmmm方向：總是沿著曲柄半徑方向向外2rrRmP 大小：為定值中心式曲柄連桿機構中力的傳遞及作用效果分析 活塞銷處的總作用力jgPPPl總作用力的傳遞cosPKtan PN 的大小對活塞位移曲線的影響 活塞位移的近似表達式 的值越大，活塞位移曲線越豐滿)sin21co-1(2sRx 連桿作用力K方向規(guī)定：l缸壁側壓力N正負號規(guī)定：使連桿受拉受拉時為正正，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？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(PKZ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-1cosarc 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)(sinPPKKPcoscoscoscos 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N 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-MRPNAMN 上式說明一個氣缸發(fā)出的指示轉矩M1，與傾覆力矩MN1大小相等，方向相反。傾覆力矩MN1通過機體傳到發(fā)動機的安裝支架上，它是引起發(fā)動機繞曲軸曲軸中心線中心線產生縱搖振動的最重要最重要的內在激勵因素PPKKPcoscoscoscos 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N P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和作用于主主軸承上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(fā)動機體外 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(fā)動機的安裝支架上 是引起內燃機垂直振動的主要激勵力之一 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(fā)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）和垂直于氣缸中心線的分量PrH（引起橫向振動）sincosHVrrrrPPPP綜合 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，引起振動偏心式曲柄連桿機構的作用力和力矩 與中心式曲柄連桿機構區(qū)別不大 其中往復慣性力的區(qū)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力，與中心式連桿機構沒什么區(qū)別 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 gel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 ge 此時反力矩MN=NA+P ge=-(TR-P ge)與曲軸偏心時的結果一樣主副連桿式曲柄連桿機構的作用力和力矩 與中心式曲柄連桿機構不完全相同 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副缸活塞上的作用力分解與傳遞 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 PNeeecosPKe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Ke Ke對曲柄銷中心B的作用，相當于一個作用力Ke，和一個力矩Ke rsin(-e-)，該力矩由主連桿承受 該力矩在A、B兩點產生垂直于主缸中心線的兩個大小相等、方向相反的兩個力NeLcos)-(sineeerKN 對于主連桿上任一斷面承受的附加彎矩MAB的大小eeerrPrKMcos)-(sinLdLd)-(sineeABd主連桿上任一斷面到主連桿小頭的距離