内燃机动力学 曲柄连杆机构 动力学 多体动力学[高教课堂]

1、 曲柄连杆机构动力学曲柄连杆机构动力学 Xiao Peng 1教学运用 曲柄连杆机构中的曲柄连杆机构中的 主要作用力主要作用力 l气体作用力 l运动质量的惯性力 l外界负载对内燃机运动的反作用力 2教学运用 曲柄连杆机构运动件的质量换算曲柄连杆机构运动件的质量换算 l活塞组 l曲轴组 l连杆组 复杂的质量系统 动力学上 相当 运动质量的 简化简化： 3教学运用 活塞组活塞组 l纯粹 往复直线运动往复直线运动 零件的总称 l包括 活塞、活塞环、活塞销以及它们的紧固 元件 活塞组质量mp 近似地 集中在 活塞销中心处 4教学运用 曲轴组曲轴组 l纯粹 回转运动回转运动 零件的总称 l包括 曲轴定时

2、齿轮、止推片、曲轴、平衡重 l对于 与曲轴中心线对称的部分的平衡质量， 其产生的离心惯性力互相抵消，可不予考虑 l确定曲轴质量时，只考虑其中 不平衡部分不平衡部分 的 质量 5教学运用 l目的：把单位曲柄不平衡质量 换算成 集 中于 曲柄半径曲柄半径R处处（曲柄销中心） 的质 量mk l原则：转换后集中质量mk所产生的旋转 惯性力与转换前不平衡质量产生的离心 惯性力 相等相等 6教学运用 l曲柄销 l曲柄臂 mmR ? 2 2 mRmR R mmR 7教学运用 l换算到 曲柄半径R处 的整个曲柄组的 旋转质量为 R mmmmm RR k 22 l单位曲拐 = 一个曲柄销 + 两个曲柄臂 8教学

3、运用 连杆组连杆组 l作复合平面运动复合平面运动 的零件 l包括 连杆体、连杆小头衬套、连杆盖、连 杆螺栓和螺母、连杆轴承 l连杆组总质量mc l活塞销处作往复运动往复运动 的质量m1 l曲柄销处作旋转运动旋转运动 的质量m2 动力效应 相同 9教学运用 为此应满足的三个条件为此应满足的三个条件 （1）质量不变 （2）系统的质心位置不变 c21ci , mmmmm 0- 0 12 i bmam lm i c2c1 ,m L b mm L a m? 10教学运用 （3）系统对质心的转动惯量不变 即： e 2 i Ilm i 因为转换后的双质量系统的质量分布质量分布相对 于换算前的质心离曲轴中心线

4、更远，所以换 算后的转动惯量要比原系统的转动惯量要大 一些，所以第三个条件得不到满足 但一般情况下，换算前后的转动惯量相差不大 11教学运用 主副连杆式曲柄连杆机构机构的主副连杆式曲柄连杆机构机构的 质量换算质量换算 l首先用两个质量me1、 me2代替原副连杆原副连杆的质量me ee2 ee1 m l d m m l c m ? 12教学运用 l将m e2看做是 集中在主连杆 上的副连杆销 中心 l在主连杆上主连杆上进 行质量换算， 得： L rL m L b mm L r m L a mm ee e 2LL2 e 2LL1 cos- , cos ? 13教学运用 综合综合 l对于中心（或偏

5、心式） 曲柄连杆机构，实际系 统可用 集中于活塞销中心的往集中于活塞销中心的往 复运动质量复运动质量mj 和集中于曲柄销中心的旋集中于曲柄销中心的旋 转质量转质量mr 来代替，即： 2kr1pj ,mmmmmm? 14教学运用 l对于主副连杆式曲柄 连杆机构，实际系统 可用 集中于副缸活塞销中集中于副缸活塞销中 心的往复运动质量心的往复运动质量mej ， 集中于主缸活塞销中集中于主缸活塞销中 心的往复运动质量心的往复运动质量mLj ，以及 集中于曲柄销中心作集中于曲柄销中心作 旋转运动的旋转质量旋转运动的旋转质量 mr 来代替，如图所示： 15教学运用 ) cos- ( ) cos ( e 2

6、LkL2kr e 2LLpL1LpLj e1epej L rL m L b mmmmm L r m L a mmmmm mmm e e ? ? ? 16教学运用 中心式曲柄连杆机构的中心式曲柄连杆机构的 作用力和力矩作用力和力矩 内燃机中的基本作用力 气缸内的气体压力p 曲柄连杆机构运动时 产生的惯性力 )p-(p 4 2 g D P =换算质量后的各个质量相应的运动加速度 作用在活塞上的气体作用力 17教学运用 中心式曲柄连杆机构的惯性力中心式曲柄连杆机构的惯性力 l往复惯性力 方向： 与加速度方向相反 总的往复惯性力 jIIjI 2 j 2 j 2 jjj 2cos-cos- )2cosc

7、os(- PP RmRm RmamP ? ? ? ? 1pj mmm 18教学运用 各力的对比关系图各力的对比关系图 19教学运用 l离心惯性力 2kr mmm 方向： 总是沿着曲柄半径方向向外 2 rr RmP 大小：为定值 20教学运用 中心式曲柄连杆机构中中心式曲柄连杆机构中 力的传递及作用效果分析力的传递及作用效果分析 l活塞销处的总作用力 jg PPP l总作用力的传递 cos P K tan PN 21教学运用 l的大小对活塞位移曲线的影响 l活塞位移的近似表达式 l的值越大，活塞位移曲线越丰满 )sin 2 1 co-1 ( 2 sRx 22教学运用 l连杆作用力K方向规定： l

8、缸壁侧压力N正负号规定： 使连杆受拉受拉时为正正，受压受压时为负负 当侧压力N所形成的反力矩与曲轴旋转方 向相反相反时，侧压力为正正值，反之为负 ？ 23教学运用 l力沿连杆传递到曲柄销时， 得力K=K，再将它分解成垂 直于曲柄的切向力切向力T和沿曲柄 半径的径向力径向力Z cos )(sin )(sin PKT cos )cos( )cos( PKZ 24教学运用 因为 所以可得，切向力T和径向力Z 随转角变 化的关系曲线： 如图2-10 22 sin-1cosarc 25教学运用 l沿曲柄半轴，径向 力Z传至曲轴中心 Z=Z，切向力T传至 曲轴中心T和反作 用力T，T与T形 成力偶M1（单

9、缸指 示转矩），它使内 燃机克服外界阻力 矩而旋转，大小为 RPTRM cos )(sin 26教学运用 P P KKP cos cos coscos N P KKN sin cos sinsin 将K分成分解成 沿沿气缸中心线的力P 和 垂直于垂直于气缸中心线的 力N 27教学运用 l曲柄连杆机构中 力的作用效果 缸壁侧推力N和传递到曲轴中 心的力N产生了一个力偶矩 MN1（倾覆力矩），大小为 1 1 - )cos(Lcostan- - M RP NAM N 28教学运用 l上式说明一个气缸发出的指示转矩M1， 与倾覆力矩MN1大小相等，方向相反。 l倾覆力矩MN1通过机体传到发动机的安 装

10、支架上，它是引起发动机绕曲轴中心曲轴中心 线线产生纵摇振动的最重要最重要的内在激励因 素 29教学运用 P P KKP cos cos coscos N P KKN sin cos sinsin 将K分成分解成 沿沿气缸中心线的力P 和 垂直于垂直于气缸中心线的 力N 30教学运用 lP分解成作用于主轴承上主轴承上的气体作用力Pg 和往复惯性力Pj， jg PPP jg PPPP jg ,? ? 作用于汽缸盖上汽缸盖上的气体作用力Pg和作用于主主 轴承上轴承上的气体作用力Pg大小相等，方向相 反，在机体内抵消，造成机体拉伸或压缩， 不传至发动机体外 31教学运用 l传递给主轴承上的往复惯性力P

11、j以自 由力的形式出现，通过轴承传至机体 ，作用在发动机的安装支架上 l是引起内燃机垂直振动的主要激励力 之一 32教学运用 l集中于曲柄销中心作旋转运动的旋转质量 mr中所产生的旋转惯性力Pr也通过轴承传 至机体，作用在发动机的安装支架上 l分解成平行于气缸中心 线的分量PrV（引起垂直 振动）和垂直于气缸中 心线的分量PrH （引起横 向振动） sin cos H V rr rr PP PP 33教学运用 综合综合 l内燃机缸内的气体压力和往复运动惯性力 经 曲柄连杆机构的传递，产生内燃机的输出扭矩 （驱动负载对外做功）。在力的传递过程中产 生反扭矩、旋转惯性力，最终传至机体，引起 振动

12、34教学运用 偏心式曲柄连杆机构的偏心式曲柄连杆机构的 作用力和力矩作用力和力矩 l与中心式曲柄连杆机构区别不大 l其中往复惯性力的区别在于往复运动件的加速 度不同，总的往复惯性力为 jIIjI 2 j 2 j 2 jjj 2cos-)sincos(- )sin2coscos(- PP RmkRm kRmamP l连杆比和相对偏心量k的数值相对很小，可 以忽略 l对于气体作用力和旋转惯性力，与中心式连 杆机构没什么区别 35教学运用 l此时反力矩 MN= NA+ P ge = -(TR- P ge) l曲柄偏心时，作用力的 分解与传递 l作用在主轴承上的P （ P = P = P g+ P j

13、 ）不 通过气缸中心线，而气 体作用力P g通过气缸中 心线，这样就多形成了 一个反力偶矩P ge 36教学运用 l活塞销偏心时，作用力 的分解与传递 l作用在主轴承上的气体 压力中心相对于活塞销 中心线（传力点）有一 偏心量e，因此也形成了 一个反力偶矩P ge l此时反力矩 MN= NA+ P ge = -(TR- P ge) l与曲轴偏心时的结果一样 37教学运用 主副连杆式曲柄连杆机构的主副连杆式曲柄连杆机构的 作用力和力矩作用力和力矩 l与中心式曲柄连杆机构不完全相同 l主缸除了受到本身本身的气体作用力和往复惯性力 外，还受到了副缸副缸的气体作用力和往复惯性力 38教学运用 副缸活塞上的作用力副缸活塞上的作用力 分解与传递分解与传递 l分解成 沿沿连杆轴线方向的连杆 作用力Ke和垂直于垂直于连杆 轴线方向的缸壁侧压力 Ne eee tan PN e e e cos P K 39教学运用 e可通过下式求得 )-(sinsinsinrRl ee Ke沿着副连杆轴线传至 副连杆销C，在曲柄 销B处产生大小相等 ，方向相反的两个Ke 和Ke 40教学运用 lKe对曲柄销中心B的 作用，相当于一个