第一节 活塞、连杆的运动及其作用力

1、船舶推进轴系产生：船舶推进轴系产生：（1 1）扭转振动）扭转振动（2 2）纵向振动）纵向振动（3 3）回旋）回旋( (横向横向) )振动振动 振动危害：振动危害：（1 1）机件磨损增加或损坏）机件磨损增加或损坏（2 2）降低柴油机经济性和可靠性）降低柴油机经济性和可靠性（3 3）引起船体水平、垂向振动（对底脚螺栓、）引起船体水平、垂向振动（对底脚螺栓、贯穿螺栓影响大，对气缸盖影响小）贯穿螺栓影响大，对气缸盖影响小）（4 4）影响船员工作条件，损害船员健康）影响船员工作条件，损害船员健康一一 活塞的运动活塞的运动1 1活塞的位移活塞的位移 x=R(1-cosx=R(1-cos )+L(1-cos

2、)+L(1-cos ) )RsinRsin =Lsin=Lsin 式中式中: : 曲轴转角曲轴转角; ; 连杆摆角连杆摆角; ; R/LR/L连杆比，一般低速机为连杆比，一般低速机为1/31/31/51/5经简化，经简化， 得：得：xR(1-cosxR(1-cos )+(1-cos2)+(1-cos2 )R )R /4/4x=xx=x1 1+x+x2 2x x1 1= (1-cos= (1-cos ) R) Rx x2 2= (1-cos2= (1-cos2 )R )R /4/4=0=0时时, ,x=0(x=0(即活塞在上止点即活塞在上止点) )=180=180时时, ,x=2R=S(x=2R

3、=S(即活塞在下止点即活塞在下止点) )=90=90或或270270时时, ,x=R+ x=R+ R R ，即活塞不即活塞不在行程中央，而在在行程中央，而在 9090或或 270270的某一的某一位置时位置时X XR R2R2 2活塞的速度活塞的速度 XX* *sinsin * *R R + (2)sin2+ (2)sin2 * *R R /4/4x=xx=x1 1+x+x2 2xx1 1=* *sinsin * * R Rxx2 2= (2)sin2= (2)sin2 * *R R /4/4 =0=0( (上止点上止点) )或或 =180=180( (下止点下止点),),x =0 x =0，

4、最大速度最大速度xxmaxmax出现在出现在9090的某一位置的某一位置 3 3 活塞的加速度活塞的加速度 XX2 2coscos * *R R + (2)+ (2) 2 2cos2cos2 * *R R /4/4 XX xx1 1xx2 2xx 1 1=2 2coscos * *R R ，是一次曲柄的向心加速是一次曲柄的向心加速度在气缸中心线的投影度在气缸中心线的投影 xx2 2= (2)= (2) 2 2cos2cos2 * *R R /4/4，是二次曲柄，是二次曲柄的向心加速度在气缸中心线的投影的向心加速度在气缸中心线的投影=0=0时时, , xxmaxmax=R=R2 2 (1+),

5、(1+),方向向下，方向向下，最大最大=180=180时时, , x= -Rx= -R2 2(1-)(1-)，方向向上方向向上9090或或270270的某个位置的某个位置x =0(x =0(此此时活塞速度最大时活塞速度最大) )摆角摆角 =sin=sin-1-1(sin(sin ) ) 摆动角速度摆动角速度 =cos=cos secsec摆动角加速度摆动角加速度 =-(1-=-(1-2 2)2 2sinsin secsec3 3 由上述公式可知由上述公式可知: :1 1）=90=90和和270270时时, , 连杆在气缸中心线两侧连杆在气缸中心线两侧的摆角的摆角的绝对值达到最大值的绝对值达到最

6、大值2 2）=0=0和和180180、=0=0时时, , 连杆摆动角速度连杆摆动角速度最快最快, ,其数值相等其数值相等, ,方向相反方向相反3 3）=90=90和和=270=270时时, , 达到最大值达到最大值三、三、 曲柄连杆机构的气体力和惯性力曲柄连杆机构的气体力和惯性力1.1.气体力气体力F Fg g作用在燃烧室部件上，方向沿气缸中心线作用在燃烧室部件上，方向沿气缸中心线向下，与柴油机工作过程和负荷有关，与运动向下，与柴油机工作过程和负荷有关，与运动部件质量无关部件质量无关2.2.曲柄连杆机构惯性力曲柄连杆机构惯性力1 1）类型及影响因素）类型及影响因素（1 1）类型：）类型：活塞组

7、件往复运动所产生的往活塞组件往复运动所产生的往复惯性力；复惯性力；曲柄不平衡回转质量回转运动所曲柄不平衡回转质量回转运动所产生的回转惯性力（离心力）；产生的回转惯性力（离心力）；连杆运动所连杆运动所产生的惯性力（小端往复惯性力，大端离心惯产生的惯性力（小端往复惯性力，大端离心惯性力，杆身连杆力偶）性力，杆身连杆力偶）（2 2）影响因素：和运动件的质量及运动时的）影响因素：和运动件的质量及运动时的加速度有关，与加速度有关，与2 2成正比，与负荷无关。成正比，与负荷无关。为防曲柄连杆机构惯性力过大而引起机件损为防曲柄连杆机构惯性力过大而引起机件损伤和机器强烈振动，柴油机不易超速运行伤和机器强烈振动

8、，柴油机不易超速运行2 2）往复惯性力）往复惯性力F Fj j=-m=-mj jx x,=-m=-mj jw w2 2coscos * *R R-m-mj j(2w)(2w)2 2coscos（2 2 ） R/4R/4（1 1） F Fj j与与x x,方向相反，作用线与气缸中心方向相反，作用线与气缸中心线平行线平行（2 2） F Fj j由由F Fj1j1和和F Fj2j2组成，为两个回转质量为组成，为两个回转质量为m mj j/2/2，回转半径分别为回转半径分别为R R和和 R/4R/4的曲柄自上的曲柄自上止点起同步反向，分别以角速度止点起同步反向，分别以角速度 和和2 2 回转回转产生的

9、离心力的合力产生的离心力的合力3)3)离心惯性力离心惯性力F FR R=-m=-mR R 2 2 R R 与向心加速度方向相反与向心加速度方向相反, ,永远是离心的。它永远是离心的。它的作用线与曲柄中心线重合的作用线与曲柄中心线重合, ,并随曲柄按角速并随曲柄按角速度度回转回转0o60o120o180o240o300o360o气体力Fg合力P惯性力FjPPNPTPTNTFRTTNPTPNPHFFbML四、曲柄连杆机构作用力分析四、曲柄连杆机构作用力分析 1 1合力合力F FF=FF=Fg g+F+Fj j，作用在气缸中心线连杆小端处。作用在气缸中心线连杆小端处。低速、增压柴油机连杆始终受压，四

10、冲程中、低速、增压柴油机连杆始终受压，四冲程中、高速机换气上止点附近连杆受拉伸。高速机换气上止点附近连杆受拉伸。F F分解合分解合成为：柴油机输出转矩、倾覆力矩、作用在主成为：柴油机输出转矩、倾覆力矩、作用在主轴承上的力轴承上的力2 2活塞销处的作用力活塞销处的作用力1 1）侧推力）侧推力F FFtgFtg，对主轴承产生倾覆力矩对主轴承产生倾覆力矩M Md d=F=FN N* *H, H, 作用在机体上作用在机体上2 2）连杆推力）连杆推力F FL L=F/cos=F/cos注：短连杆二者均增大注：短连杆二者均增大 3 3 曲柄销处的作用力曲柄销处的作用力1 1）F FL L在曲柄销处分解为切

11、向作用力在曲柄销处分解为切向作用力T T、法（径）法（径）向作用力向作用力Z Z 2 2）主轴承受力主轴承受力Z ZF FR R高负荷高负荷Z Z最大，低速最大，低速F FR R最小，低速高负最小，低速高负荷时主轴承受力最大；低负荷荷时主轴承受力最大；低负荷Z Z最小，高速最小，高速F FR R最大，高速低负荷时主轴承受力最小最大，高速低负荷时主轴承受力最小4 4柴油机的输出力矩柴油机的输出力矩T T* *R R与倾覆力矩与倾覆力矩M MD D1 1）回转力矩与倾覆力矩大小相等而方向相回转力矩与倾覆力矩大小相等而方向相反，但作用在不同部件上，前者作用在反，但作用在不同部件上，前者作用在曲轴上（引起曲轴扭转振动），后者作曲轴上（引起曲轴扭转振动），后者作用在柴油机机体上（将引起柴油机左右用在柴油机机体上（将引起柴油机左右振动），而不能相互抵消振动），而不能相互抵消2 2）在柴油机一个工作循环中，总切向力和）在柴油机一个工作循环中，总切向力和输出力矩要变化次，转动角速度必然输出力矩要变化次，转动角速度必然是次，而且在一个工作循环中将波动是次，而且在一个工作循环中将波动次次五、曲轴回转不均匀度、曲轴回转不均匀度1.1.定义：曲轴回转最大角速度与最小角速定义：曲轴回转最大角速度与最小角速度之差与平均角速度之比度之差与平均角速度之比2.2.原因：动力输出不均（四冲程机相对大）原因：