[工学]曲柄连杆机构受力分析

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1、第二章曲柄连杆机构受力分析第一节曲柄连杆机构运动学第二节曲柄连杆机构受力分析第三节内燃机的转矩波动与飞轮设计7/11/20211内燃机设计第一节曲柄连杆机构运动学7/11/20212内燃机设计曲柄连杆机构运动学7/11/20213内燃机设计曲柄连杆机构运动学内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数1、内燃机曲柄连杆机构分类（1）中心曲柄连杆机构（2）偏心曲柄连杆机构。目的在于减小膨胀行程活塞对气缸的作用力，或在于减轻上止点附近活塞对气缸的拍击。（3）关节曲柄连杆机构。用于少数双列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型内燃机中7/11/2021

2、4内燃机设计各种曲柄连杆机构7/11/20215内燃机设计2、特性参数曲柄半径：r连杆长度：l曲柄连杆比：偏心距：e偏心率：7/11/20216内燃机设计在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动，且假定其作等速转动。1、活塞运动规律设x为活塞位移（上止点位置为起点），v为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角，β为连杆摆角。则二、中心曲柄连杆机构运动学7/11/20217内燃机设计活塞运动规律整理以上两式后得无量纲化7/11/20218内燃机设计对于一般内燃机，可把上列各式简化成2、活塞运动规律简化表达式其最

3、大误差是，为0.2%为0.5%为1%7/11/20219内燃机设计三、偏心曲柄连杆机构运动学一般来说，当偏心率ε>0.1时，其运动情况与中心机构差别较大，需专门处理。其运动学特征表现为S>2r，且上、下止点的曲柄转角位置不在特殊位置（0或180度曲轴转角）。其无量纲运动公式为：7/11/202110内燃机设计第二节曲柄连杆机构受力分析作用在内燃机曲柄连杆机构中的力有缸内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、支承反力和有效负荷等。一般受力分析时忽略摩擦力使受力分析偏于安全。所以，在内燃机曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支承反力、有效负荷相

4、平衡。7/11/202111内燃机设计曲柄连杆机构受力分析7/11/202112内燃机设计曲柄连杆机构受力分析7/11/202113内燃机设计一、气体作用力作用在活塞顶上的气体力就是内燃机的示功图，示功图可通过工作过程模拟计算（对新设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机）确定。式中，D为气缸直径；为气缸内的绝对压力；为曲轴箱内气体的绝对压力。7/11/202114内燃机设计力的传递与分解力的传递情况如图所示对气缸壁产生侧向力为连杆力在曲柄销中心产生切向力和法向力发动机转矩为AFFlFtFnFlFtFlFcFnFcFhωTTk倾覆力矩为7/1

5、1/202115内燃机设计二、惯性力要确定曲柄连杆机构的惯性力，必须要先知道其加速度和质量分布。前面已求出加速度，下面讨论质量分布问题。1、曲柄连杆机构的质量分布（1）活塞组零件可简单相加，并集中在活塞销中心。7/11/202116内燃机设计1、曲柄连杆机构的质量分布（2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。（3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性的一般原则进行质量换算：①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组的质心重合，并按此质心的运动规律运动。③所有当量

6、质量相对通过连杆组质心的轴线的转动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量。7/11/202117内燃机设计连杆质量换算往往用大头、小头和质心处的三个质量m1、m2、m3来代替连杆组。实际高速机计算表明，m3与m1、m2相比很小，所以一般简化为两质量系统。由前两个条件得：m1=ml(l-l’)/l；m2=mll’/l所以，曲柄连杆机构的往复质量为m2m1旋转质量为l’l7/11/202118内燃机设计2、往复惯性力单位活塞投影面积的往复惯性力：往复惯性力在曲柄连杆机构中的传递情况与气体作用力很相似，但它不能在内燃机内部自行抵消，所以会引起

7、支反力：7/11/202119内燃机设计3、旋转惯性力旋转惯性力：单位活塞面积旋转惯性力：7/11/202120内燃机设计三、单缸转矩可以将和合成为，单缸转矩可计算为：7/11/202121内燃机设计四、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷为了分析轴承副的工作条件，必须知道轴承负荷的大小、方向和作用点在一个工作循环内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表示。作轴颈负荷矢量图时，坐标固定在轴上。作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上。7/11/202122内燃机设计1、曲柄销负荷图作用在曲柄销上的载荷，除了法向力和切向力外，还有连杆大头的旋转质量m2产

8、生的离心力（常矢量）。FrlFnFtFcp7/11/202123内燃机设计1、曲柄销负荷图作用在曲柄销上的载荷，除了法向力和切向力外，还有连杆大头的旋转质量m2产生的离心力（常矢量）。7/11