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 peng1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 曲轴定时齿轮、止推片、曲轴、平衡重l对于 与曲轴中心线对

2、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mkl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 mrmrrmmr 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rmmmmmrr k22l单位曲拐 = 一个曲柄销 + 两个曲柄臂8教学运用连杆组连杆组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

3、母、连杆轴承l连杆组总质量mcl活塞销处作往复运动往复运动的质量m1l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 , mmmmm0- 012ibmamlmic2c1,mlbmmlam?10教学运用（3）系统对质心的转动惯量不变即：e2iilmi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

4、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meee2ee1mldmmlcm?12教学运用l将me2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：lrlmlbmmlrmlammeee2ll2e2ll1cos-,cos?13教学运用综合综合l对于中心（或偏心式）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

5、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(e2lkl2kre2llpl1lplje1epejlrlmlbmmmmmlrmlammmmmmmmee?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-(p42gdp=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

6、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jiiji2j2j2jjj2cos-cos-)2coscos(-pprmrmrmamp?1pjmmm18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2krmmm方向：总是沿着曲柄半径方向向外2rrrmp 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jgpppl总作用力的传递cospktan pn21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)sin21c

7、o-1 (2srx22教学运用l连杆作用力k方向规定：l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zcos)(sin)(sinpktcos)cos()cos(pkz24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2-1022sin-1cosarc25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（单缸指示

8、转矩），它使内燃机克服外界阻力矩而旋转，大小为rptrmcos)(sin26教学运用ppkkpcoscoscoscos npkknsincossinsin 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n27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11-)cos(lcostan-mrpnamn28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

9、教学运用ppkkpcoscoscoscos npkknsincossinsin 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n30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，jgpppjgppppjg,?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pj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

10、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）sincoshvrrrrpppp33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jiiji2j2j2jjj2cos-)s

11、incos(-)sin2coscos(-pprmkrmkrmampl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 ）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 ge36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 gel此时反力矩mn= na+

12、 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neeeetan pneeecospk39教学运用e可通过下式求得)-(sinsinsinrrleeke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ke40教学运用lke对曲柄销中心b