内燃机动力学曲柄连杆机构动力学多体动力学.ppt

曲柄连杆机构动力学 ——Xiao Peng 曲柄连杆机构中的 主要作用力 气体作用力 运动质量的惯性力 外界负载对内燃机运动的反作用力 曲柄连杆机构运动件的质量换算 活塞组 曲轴组 连杆组 复杂的质量系统 动力学上 相当 运动质量的 简化： 活塞组 纯粹 往复直线运动 零件的总称 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 曲轴组 纯粹 回转运动 零件的总称 包括 曲轴定时齿轮、止推片、曲轴、平衡重 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 确定曲轴质量时，只考虑其中 不平衡部分 的质量 目的：把单位曲柄不平衡质量 换算成 集中于 曲柄半径R处（曲柄销中心） 的质量mk 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 曲柄销 曲柄臂 换算到 曲柄半径R处 的整个曲柄组的旋转质量为 单位曲拐 = 一个曲柄销 + 两个曲柄臂 连杆组 作复合平面运动 的零件 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 连杆组总质量mc 活塞销处作往复运动 的质量m1 曲柄销处作旋转运动 的质量m2 动力效应 相同 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 （3）系统对质心的转动惯量不变 即： 因为转换后的双质量系统的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 综合 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复运动质量mj 和集中于曲柄销中心的旋转质量mr 来代替，即： 中心式曲柄连杆机构的作用力和力矩 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 =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 中心式曲柄连杆机构的惯性力 往复惯性力 方向： 与加速度方向相反 总的往复惯性力 各力的对比关系图 离心惯性力 方向： 总是沿着曲柄半径方向向外 大小：为定值 中心式曲柄连杆机构中力的传递及作用效果分析 活塞销处的总作用力 总作用力的传递 λ的大小对活塞位移曲线的影响 活塞位移的近似表达式 λ的值越大，活塞位移曲线越丰满 连杆作用力K方向规定： 缸壁侧压力N正负号规定： 使连杆受拉时为正，受压时为负 当侧压力N所形成的反力矩与曲轴旋转方向相反时，侧压力为正值，反之为负 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T和沿曲柄半径的径向力Z 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（单缸指示转矩），它使内燃机克服外界阻力矩而旋转，大小为 将K’’分成分解成 沿气缸中心线的力P’ ∑和 垂直于气缸中心线的力N’ 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 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。 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线产生纵摇振动的最重要的内在激励因素 将K’’分成分解成 沿气缸中心线的力P’ ∑和 垂直于气缸中心线的力N’ P’∑分解成作用于主轴承上的气体作用力P’g和往复惯性力P’j， 作用于汽缸盖上的气体作用力Pg和作用于主轴承上的气体作用力P’g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 传递给主轴承上的往复惯性力P’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 是引起内燃机垂直振动的主要激励力之一 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 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） 综合 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