柴油機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性分析解讀

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1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力特性分析 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 專業(yè)： 院（系）: 完成時(shí)間： 摘要 本文針對(duì)柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性分析，運(yùn)用自己在理論力 學(xué)、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程力學(xué)等科目的知識(shí)，深入的分析了曲柄連桿機(jī) 構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并且用代數(shù)的方法精確地了得出了機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過 程中機(jī)構(gòu)中主要零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和所承愛的力及力矩變化關(guān)系式，并且以 EA111喋油機(jī)為例，進(jìn)行了精確的計(jì)算。從而為設(shè)計(jì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)和減小發(fā)動(dòng) 機(jī)震動(dòng)提供了理論支持。 關(guān)鍵詞：曲柄連桿機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)分析；力學(xué)分析特性 目錄 第1章柴油機(jī)介紹 4 1.1 柴油機(jī)概述 4 1.2 柴油機(jī)系統(tǒng)的

2、機(jī)構(gòu)及工作原理 4 第2章柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)和力析 5 2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型 5 2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 6 2.2.1 活塞位移 2.2.2 活塞的速度 8 2.2.3 活塞的加速度 9 2.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 9 1 .3.1 氣缸內(nèi)工作物質(zhì)的作用力 9 2 .3. 2機(jī)構(gòu)的慣性力 11 2.4 本章小結(jié) 17 第3章 國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 17 9 人們想起柴油車，總會(huì)想起濃煙滾滾、噪音大等等問題，其實(shí)隨著 2003 年第三代電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的發(fā)展， 噪音問題和柴油機(jī)震動(dòng)問題都有了改 善，新一代的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在保障噪音低和

3、震動(dòng)小的前提下，還擁有經(jīng)濟(jì)性好， 動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。這吸引了國(guó)際上有關(guān)大公司對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱情，也大大促進(jìn) 了柴油車在國(guó)外的銷售，如今歐洲柴油車已經(jīng)搶奪了汽油車的半壁江山，而部 分車型，比如路虎在歐洲90%都是柴油版本。 柴油車的優(yōu)點(diǎn)如此突出， 然而振動(dòng)問題和噪聲問題卻日益突出，致使其 零部件磨損加重、噪聲升高、壽命降低、工作條件惡化。柴油機(jī)的曲軸是整個(gè) 發(fā)動(dòng)機(jī)中最重要的零件之一。它的受損及破壞可能引起柴油機(jī)其它零件的損 壞，特別是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的強(qiáng)化與技術(shù)發(fā)展，使曲軸的工作條件愈發(fā)苛刻。曲軸 是柴油機(jī)最重要的零部件之一，它的任務(wù)是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，并向外輸出功率。柴油機(jī)的可靠性和

4、壽命很大程度取決與曲軸的可靠性。 在周期性變化的動(dòng)載荷的作用下，柴油機(jī)的主要零部件在柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈共振，嚴(yán)重影響柴油機(jī)工作的可靠性，在深入研究柴油機(jī)曲柄連桿 機(jī)構(gòu)工作過程與原理基礎(chǔ)上，分析其運(yùn)動(dòng)過程于受力情況。本文針對(duì)柴油機(jī)曲 柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性分析，運(yùn)用自己在理論力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、 工程力學(xué)等科目的知識(shí)，深入的分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)規(guī) 律，并且用代數(shù)的方法精確地了得出了機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)構(gòu)中主要零件的運(yùn) 動(dòng)規(guī)律和所承愛的力及力矩變化關(guān)系式，并且以 EA1113柴油機(jī)為例，進(jìn)行了 精確的計(jì)算。在本文的末尾還將最近幾年在柴油機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀做了一個(gè)大

5、 致的概括和總結(jié)，讓我們可以更好地了解柴油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，從而為設(shè)計(jì)曲柄 連桿機(jī)構(gòu)和減小發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)提供了理論支持。 第1章柴油機(jī)的介紹 1.1 柴油機(jī)概述 柴油機(jī)是用柴油作燃料的內(nèi)燃機(jī)。柴油機(jī)屬于壓縮點(diǎn)火式發(fā)動(dòng)機(jī)，它又常 以主要發(fā)明者狄塞爾的名字被稱為狄塞爾引擎。 柴油機(jī)在工作時(shí)，吸入柴油機(jī)氣缸內(nèi)的空氣，因活塞的運(yùn)動(dòng)而受到較高程 度的壓縮，達(dá)到500?700c的高溫。然后將燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與高 溫空氣混合形成可燃混合氣，自動(dòng)著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂 面上，推動(dòng)活塞并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功。 柴油機(jī)可按不同特征分類：按轉(zhuǎn)速分為高速、中速和低速柴油機(jī)；按燃

6、燒 室的型式分為直接噴射式、渦流室式和預(yù)燃室式柴油機(jī)等；按氣缸進(jìn)氣方式分 為增壓和非增壓柴油機(jī)；按氣體壓力作用方式分為單作用式、雙作用式和對(duì)置 活塞式柴油機(jī)等；按用途分為船用柴油機(jī)、工程機(jī)械柴油機(jī)等。 柴油機(jī)燃料主要是柴油，通常高速柴油機(jī)用輕柴油；中、低速柴油機(jī)用輕 柴油或重柴油。柴油機(jī)用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸，噴入的燃油 呈霧狀，與空氣混合燃燒。因此柴油機(jī)可用揮發(fā)性較差的重質(zhì)燃料或劣質(zhì)燃料， 如原油和渣油等。 1.2 柴油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 (1)結(jié)構(gòu) 柴油機(jī)的基本組成部分包括：曲柄連桿機(jī)構(gòu)；配氣機(jī)構(gòu)及進(jìn)排氣系統(tǒng)；燃 燒與燃料供給系統(tǒng)；潤(rùn)滑系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；起動(dòng)系統(tǒng)； 增壓系

7、統(tǒng)； (2)工作原理 柴油機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的一種，它的工作原理與內(nèi)燃機(jī)中的壓燃機(jī)完全相同。內(nèi) 燃機(jī)的工作過程，就是按照一定的規(guī)律，不斷的將燃料和空氣送入氣缸，并在 氣缸內(nèi)著火燃燒，放出熱能。燃?xì)庠谖諢崃亢螽a(chǎn)生高溫高壓，推動(dòng)著活塞做 功降熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。 燃料的燃燒，必須有充足的氧氣(來自空氣)和一定的溫度條件下才能實(shí) 現(xiàn)。因此，要保證內(nèi)燃機(jī)能夠連續(xù)的工作，就要不斷地將已燃燒做功的廢氣排 出氣缸，然后引進(jìn)新鮮空氣和燃料，并通過壓縮以獲得著火所必需的溫度。 1、進(jìn)氣過程一一將新鮮空氣吸入氣缸，提供燃料燃燒時(shí)所需要的氧氣。燃 燒公斤柴油，理論上需要14.3公斤空氣，但由于柴油與空氣的混合總是

8、很不 均勻，為了使柴油得到充分燃燒，空氣總是要供應(yīng)的富裕些，一公斤柴油往往 要供給20多公斤空氣。 2、壓縮過程一一將吸入氣缸的空氣進(jìn)行壓縮，使其溫度升高。對(duì)柴油機(jī)來 講，壓縮后的溫度，必須超過柴油的自然點(diǎn)溫度（約大于 350攝氏度） 3、燃燒膨脹過程一一將燃料噴入氣缸，與氧氣急劇的氧化作用（即燃燒） 放出大量的熱量，使氣體溫度和壓力急劇上升，推動(dòng)活塞做功。 4、排氣過程一一將膨脹做功后的廢氣排出，以便再吸入新鮮空氣。 上述過程周而復(fù)始的不斷重復(fù)進(jìn)行著，每個(gè)過程依次完成一遍稱為一個(gè)工 作循環(huán)。 第二章 柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)和力分析 2.1曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型 內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式

9、很多，按運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)可分為三類， 即：中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。 1、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這 種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用 并列連桿與叉形連桿的V形內(nèi)燃機(jī)，以及對(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都 屬于這一類。 2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過曲軸的回轉(zhuǎn)中 心，氣缸中心線距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線具有一偏移量 e。這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以 減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程 時(shí)作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)

10、壓力大小比較均勻。 3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu) 其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連 桿的下端不是直接接在曲柄銷上，而是通過副連桿銷裝在主連桿的大頭上，形 成了 “關(guān)節(jié)式”運(yùn)動(dòng)，所以這種機(jī)構(gòu)有時(shí)也稱為“關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)”。在關(guān) 節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個(gè)曲柄可以同時(shí)帶動(dòng)幾套副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使 內(nèi)燃機(jī)長(zhǎng)度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車用 V形內(nèi)燃機(jī)。 2.2曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析 在這兒我們主要討論中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲軸 的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中 應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)

11、，采用并列連桿與叉形連桿的 V形內(nèi)燃機(jī), 以及對(duì)置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示，圖2-1中氣缸中心線通過曲軸中心 O, OB為曲柄，AB為連桿，B為曲柄銷中心，A為連桿小頭孔中心或活塞銷中 心。 當(dāng)曲柄按等角速度。旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄OB上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動(dòng),連桿 AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動(dòng), 其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而連桿小頭與活塞相連，做 往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際分析中，為使問題簡(jiǎn)單化，一般將連桿簡(jiǎn)化為分別集中于連 桿大頭和小頭的兩個(gè)集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣就不需 要對(duì)

12、連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究。 圖2-1曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖 活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值 以及變化規(guī)律對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動(dòng)機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲 柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 2.2.1活塞位移 假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為a ,并按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn) 動(dòng)平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為P ,如圖2-1所示。 當(dāng)口=0 口時(shí)，活塞銷中心A在最上面的位置 A,此位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng) ==180口時(shí)，A點(diǎn)在最下面的位置A2,此位置稱為下止點(diǎn)。 此時(shí)活塞的位移x為： x=A1A= A1O a AO =

13、(r+ l ) -(r cos 二 l cos :) 1 = r[( 1 - cosa) + — (1 - cos P)] (2-1) 九 式中：九一連桿比。 式(2-1)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖2-1可以看出： r sin -- - l sin : r . 即 sin - = sin ：■ = ■ sin ; l 又由于 cos P =由—sin2 P = i1-九2 sin2 u (2-2) 將式(2-2)帶入式(2-1 )得： 1 x= r[1 - cos a + —(1 一 J九2 sin 2 ot )] (2-3) 九 式(2-3)是計(jì)算活塞位移x的精確公式

14、，為便于計(jì)算，可將式(2-3)中 的根號(hào)按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得： 2 2 2 2 _ 14 1 6 6 _ 41 一 九 sin a =1 —九 sin a since -一 九 sin a _ … (2-4 ) 8 16 把式(2-4)代入式(2-3),并利用三角函數(shù)的倍角公式予以化簡(jiǎn)，最后可得 (2-5) x = r (a0 a1 cos： a2 cos2- a4 cos4 % cos6 I 川 11 a[ = _ 1 a2 a4 a6 1 1 3 15 —h 九 4 16 512 工工. 64 256 + 川 III 5 -nun (2-6)

15、1 512 5-hihi 連桿比九是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。采用較大的 九(即較短連桿)，可使發(fā) 動(dòng)機(jī)高度減小，重量減輕，但同時(shí)也使活塞的加速度和連桿的擺角加大，相應(yīng) 的往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力和活塞的測(cè)推力加大。與得失相比，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來 說，更重要的是發(fā)動(dòng)機(jī)的高度和重量上的得益。所以設(shè)計(jì)時(shí)總要選用短連桿。 即使對(duì)于較大的連桿來說，式(2-5)中含九的三次以上個(gè)高次項(xiàng)的數(shù)值也很小， 可略去不計(jì)，即得活塞位移近似式為 x = r(1 -cosa + —sin 2a) (2-7) 2 1.1.2 活塞的速度 將活塞位移公式(2.1 )對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分，即可求得活塞速度v的精確值

16、為 dx dx da ，.一 , sin 2： 、 0 v 二一二一 一二 r (sin- (2-8) dt da dt 2 cos - 將式(2-7)對(duì)時(shí)間t微分，便可求得活塞速度得近似公式為: (2-11) v : r (sin : ? sin 2： ) = r，sin = ?r ■ sin 2： = v1 v2 2 2 從式(2-9)可以看出，活塞速度可視為由v1 = rs since與v2 =(九/2)rcc sin 2a 兩部分簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成 當(dāng)0( =0 或180 ’時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)0( =90 時(shí)，v = r^,此時(shí)活塞得速

17、度等于曲柄銷中心的圓周速度。 1.1.3 活塞的加速度 將式(2-8)對(duì)時(shí)間t微分，可求得活塞加速度的精確值為: dv a = dt 3 ?2 一 dv da 2r cos2-( . sin 2：、 (2-10) r ■ [cos 二 一 3 一] da dt cos: 4 cos : 將式(2.9)對(duì)時(shí)間t為微分，可求得活塞加速度的近似值為： 2 2 2 a 讓 r。(cosa + 九cos2a) = rec cosa+rco 兒cos2u =a1+a2 (2-11) 因此，活塞加速度也可以視為兩個(gè)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)加速度之和，即由 a1 =r62cos口 與22 = rw2

18、 cos2 兩部分組成。 2.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力 作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的慣性力、摩擦阻 力和作用在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。由于摩擦力的數(shù)值較小且變化規(guī)律很難 掌握，受力分析時(shí)把摩擦阻力忽略不計(jì)。而負(fù)載阻力與主動(dòng)力處于平衡狀態(tài)， 無需另外計(jì)算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對(duì)機(jī)構(gòu)構(gòu)件的 作用。計(jì)算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照 EA1113柴油機(jī)。 則由式(2-10)計(jì)算氣壓力Pg如表2-2所示 2.3.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 作用在活塞上的氣體作用力Pg等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活 塞頂面積的乘積，即 二D2 , / 、 Pg

19、 =0(p-p ) (2-12) 4 式中：Pg—活塞上的氣體作用力，N； 9 p一缸內(nèi)絕對(duì)壓力，MPa； p‘一大氣壓力，MPa; D—活塞直徑，mm。 由于活塞直徑是一定的，活塞上的氣體作用力取決于活塞上、下兩面的空 間內(nèi)氣體壓力差p-p\對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，一般取 p，=0.1 MPa , D = 80.985mm,對(duì)于缸內(nèi)絕對(duì)壓力p,在發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)沖程中，計(jì)算結(jié)果如表 2-1所示： 表2-1缸內(nèi)絕對(duì)壓力p計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果/ MPa 進(jìn)氣終點(diǎn)壓力pde pde = (0.75~ 0.90)p 0.08

20、 壓縮終點(diǎn)壓力pco pco - pde ^e 1.46 膨脹終點(diǎn)壓力pex _ pmax pex — j n2 0.45 排氣終點(diǎn)壓力pr ，，一 pr =1.15p 0.115 注：必一平均壓縮指數(shù)，ni=1.32~1.38 ;8一壓縮比，名=9.3; n2—平均膨脹 指數(shù)，n2=1.2~1.30; ; pmax一最大爆發(fā)壓力，pmax=3~5MPa ,取 pmax=4.5 Mpa；此時(shí)壓力角 a=10；15］取 a =13 1 表2-2氣壓力Pg計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 Pg / N 進(jìn)氣終點(diǎn) 77.23 壓縮終點(diǎn) -102.97 膨脹終點(diǎn) 700

21、1.933  排氣終點(diǎn) 1801.968 2.3.2 機(jī)構(gòu)的慣性力 慣性力是由于運(yùn)動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，必須先 知道其加速度和質(zhì)量的分布。加速度從運(yùn)動(dòng)學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量 分布。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很復(fù)雜，必須加以簡(jiǎn)化。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。 1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算 質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)等效性。 質(zhì)量換算的目的是計(jì)算零件 的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，以便進(jìn)一步計(jì)算它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的慣性力。 (1)連桿質(zhì)量的換算 連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)的零件。為了方便計(jì)算，將整個(gè)連桿(包括有關(guān)附 屬零件)的質(zhì)量mL用兩個(gè)換算質(zhì)量m^Dm2來代換，并假設(shè)是明集中作用在連

22、 桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量；m2是集中作用在連桿大頭中心處，并 只沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，如圖 2-2所示： 圖2-2連桿質(zhì)量的換算簡(jiǎn)圖 為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效， 必須滿足下 列三個(gè)條件： ①連桿總質(zhì)量不變，即mL =m1 +m2。 13 W連桿重心G的位置不變，即mill =m2(l -l1) 2 2 ③連桿相對(duì)重心G的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IG不變，即m111 +m2(l-l2)=%。 其中，1連桿長(zhǎng)度，li為連桿重心G至小頭中心的距離。由條件可得下列 換算公式： l —li li mi = mL m2 = mL — l

23、l 用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置 G 0將連桿分成若干簡(jiǎn)單的 幾何圖形，分別計(jì)算出各段連桿重量和它的重心位置， 再按照索多邊形作圖法, 求出整個(gè)連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量 Gi和G2 ,如圖 2-3所示： T女yG1業(yè) 圖2-3索多邊形法[ ] (2)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量mj 活塞(包括活塞上的零件)是沿氣缸中心做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的。它們的質(zhì)量 可以看作是集中在活塞銷中心上，并以 mh表示。質(zhì)量mh與換算到連桿小頭中 心的質(zhì)量mi之和，稱為往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mj ,即mj = mh +m1。 (3)不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量mr 曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖

24、2-4所示： 圖2-4曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量 曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣 性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。為了便于計(jì)算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等 的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為r的連桿軸頸中心處，以mk表示，換算質(zhì)量mk為: c e mk =mg 2mb 一 r 式中：mk一曲拐換算質(zhì)量，kg ； mg 一連桿軸頸的質(zhì)量，kg ； mb——個(gè)曲柄臂的質(zhì)量，kg ； e 一曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離， m。 質(zhì)量mk與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量m2之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量mr,即 m「二 mk m2 由上述換算方法計(jì)算得： 往復(fù)

25、直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量 mj =0.583 kg ,不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量mr =0.467 kg。 2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力 把曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量簡(jiǎn)化為二質(zhì)量 mj和以后，這些質(zhì)量的慣性 力可以從運(yùn)動(dòng)條件求出，歸結(jié)為兩個(gè)力。往復(fù)質(zhì)量 辦的往復(fù)慣性力Pj和旋轉(zhuǎn) 質(zhì)量皿的旋轉(zhuǎn)慣性力R。 (1)往復(fù)慣性力 Pj - -mja - -m(r 2 cos/，r 2cos2： ) - -mjr 2cos- - mjr 2cos2： 15 (2-13) 式中：mj一往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，心； 九一連桿比； r一曲柄半徑，m; 仍一曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，rad /s; a 一曲軸轉(zhuǎn)角。 Pj是沿

26、氣缸中心線方向作用的， 加速度a的方向相反。 其中曲柄的角速度金為: 2 二 n 二 n 0 = =— 60 30 式中：n一曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，r/min ； 已知額定轉(zhuǎn)數(shù)n =5800r /min , 公式（2-13）刖的負(fù)號(hào)表示j萬向與活塞 二 5800 30 (2-14) = 607.07 rad / s ? 16 曲柄半徑r =40.23 mm ,連桿比= =0.25~0.315 ,取九=0.27 ,參照附錄表2: 四缸機(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉(zhuǎn)角1a代入式（2-13）,計(jì)算得往復(fù)慣 性力Pj ,結(jié)果如表2-3所示 表2-3往復(fù)慣性力Pj

27、計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 Pj / N 進(jìn)氣終點(diǎn) -10519.68 壓縮終點(diǎn) 6324.5 膨脹終點(diǎn) -10519.68 排氣終點(diǎn) 6324.51 (2)旋轉(zhuǎn)慣性力 ?葉 (2-15) 2 =-0.467 0.04023 607.07 =-6923.799 N 3、作用在活塞上的總作用力 由前述可知，在活塞銷中心處，同時(shí)作用著氣體作用力 Pg和往復(fù)慣性力 Pj ,由于作用力的方向都沿著中心線，故只需代數(shù)相加，即可求得合力 pZ = Pg+R (2-16) 計(jì)算結(jié)果如表2-4所示。 4、活塞上的總作用力 p分解與傳遞 如圖2-5所示，首先，將以分解成

28、兩個(gè)分力：沿連桿軸線作用的力 K ,和 把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力N , 其中沿連桿的作用力K為： 1 . 、 K-PZ b (2-17) cos戶 而側(cè)向力N為： N = P^tan P (2-18) 表2-4作用在活塞上的總作用力也 四個(gè)沖程 氣壓力 Pg/N 往復(fù)慣性力 Pj/ N 總作用力 P：/N 進(jìn)氣終點(diǎn) 77.23 -10519.681 -10442.45 壓縮終點(diǎn) -102.97 6324.5 6221.54 膨脹終點(diǎn) 7001.933 -10519.681 -3517.747 排氣終點(diǎn) 1801.968 6324.5

29、 8126.478  圖2-5作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩 連桿作用力K的方向規(guī)定如下：使連桿受壓時(shí)為正號(hào)，使連桿受 拉時(shí)為負(fù)號(hào)，缸壁的側(cè)向力N的符號(hào)規(guī)定為：當(dāng)側(cè)向力所形成的反扭矩與曲軸 旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，側(cè)向力為正值，反之為負(fù)值。 當(dāng)a=13 口時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得: l _ r sin 二 sin : 求得 .rsin 二 .40.23 sin13 =arcsin = arcsin = 3.48 l 149 將P分別代入式（2-17）、式（2-18）,計(jì)算結(jié)果如表2-5所示: 表2-5連桿力K、側(cè)向力N的計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 連桿力K/ N 側(cè)向力N /N

30、進(jìn)氣終點(diǎn) -10717.128 -2410.83 壓縮終點(diǎn) 6385.19 1436.356 膨脹終點(diǎn) -3610.278 -812.136 排氣終點(diǎn) 8340.237 1896.923 力K通過連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個(gè)力，即推動(dòng)曲軸 旋轉(zhuǎn)的切向力T , 即 T =Ksin(ct +P) = Pysn"詈) (2-19) cos : 和壓縮曲柄臂的徑向力Z ,即 Z = K cos(a + P)=七竺吃二 (2-20) cos : 規(guī)定力T和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力Z指向曲軸為正。 求得切向力T、徑向力Z見如表2-6所示： 表2-

31、6切向力T、徑向力Z的計(jì)算結(jié)果 四個(gè)沖程 切向力T/ N 徑向力Z/ N 進(jìn)氣終點(diǎn) -3040.242 -10276.856 壓縮終點(diǎn) 1811.355 6122.8789 膨脹終點(diǎn) -1024.17 -346.964 排氣終點(diǎn) 2365.96 7997.61 2.4 本章小結(jié) 本章首先分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，重點(diǎn)分析了活塞的運(yùn)動(dòng)，在此 基礎(chǔ)上分析了每個(gè)工作過程的氣體壓力變化情況， 進(jìn)一步推導(dǎo)出各過程氣體力 的理論計(jì)算公式，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的換算，并根據(jù)一個(gè)給定的柴油機(jī)的 具體結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出了各過程的氣體力，為后面的探討柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)及制造過

32、程提供了理論支持。 第3章 國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 法國(guó)出生的德裔工程師狄塞爾，在1897年研制成功可供實(shí)用的四沖程柴油 機(jī)。由于它明顯地提高了熱效率而引起人們的重視。起初，柴油機(jī)用空氣噴射 燃料，附屬裝置龐大笨重，只用于固定作業(yè)。二十世紀(jì)初，開始用于船舶，1905 年制成第一臺(tái)船用二沖程柴油機(jī)。 1922年，德國(guó)的博施發(fā)明機(jī)械噴射裝置，逐漸替代了空氣噴射。二十世紀(jì) 20年代后期出現(xiàn)了高速柴油機(jī)，并開始用于鉆井。到了 50年代，一些結(jié)構(gòu)性能 更加完善的新型系列化、通用化的柴油機(jī)發(fā)展起來，從此柴油機(jī)進(jìn)入了專業(yè)化 大量生產(chǎn)階段。特別是在采用了廢氣渦輪增壓技術(shù)以后，柴油機(jī)已成為現(xiàn)代動(dòng) 力機(jī)械中

33、最重要的部分。 1956年由德國(guó)的莫勒所發(fā)明油膜式燃燒室。燃燒室位于活塞頂內(nèi)，呈球形 燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強(qiáng)渦流作用下噴涂在燃燒室壁面上，形成 很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后即引燃從壁 面上蒸發(fā)的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒完全，聲輕無煙，并可 使用輕質(zhì)燃料；缺點(diǎn)是低溫時(shí)起動(dòng)較困難。 現(xiàn)在柴油機(jī)發(fā)展過程中常見的應(yīng)用技術(shù)有： 一、渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位于氣缸蓋上，呈球 形或倒鐘形，占總壓縮容積的50?80%,有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮 行程時(shí)，壓入渦流室的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動(dòng)，促使噴入其中的燃料與空氣 混合。著

34、火后混合物流入主燃燒室，形成二次流動(dòng)，進(jìn)一步與主燃燒室內(nèi)的空 氣混合燃燒 二、電控燃油噴射系統(tǒng)帶來更大的功率、更少的碳煙排放、更小的噪音和 更佳的經(jīng)濟(jì)性。此技術(shù)可在cat3508B型柴油機(jī)上見到應(yīng)用。其相關(guān)參數(shù)如表 2-1。 表2-1 3508B型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格 3508B發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)規(guī)格 額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） 1500到 1800 空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） 650 汽缸數(shù)和排列 60 V8缸 缸徑 170毫米（6.7英寸） 行程 190毫米（7.5英寸） 型式 4行程 壓縮比 14 ： 1 空氣吸入方式 渦輪增壓式 冷卻渦輪增壓空氣的方法 單獨(dú)回路后冷器

35、 汽缸排量 4.3升（263立方英寸） 總排量 34.5升（2105立方英寸） 旋轉(zhuǎn)力向（從飛輪端看） 逆時(shí)針方向 燃油 參看操作和保養(yǎng)手冊(cè)保養(yǎng)部分 中“燃油技術(shù)規(guī)格” 吸油方法 電子式單體噴油器 起動(dòng)力法 電啟動(dòng) 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)背壓 2.5千帕（10英寸水柱） 最大容許背壓 5.0千帕（20英寸水柱） 進(jìn)氣的最大阻力 6.2千帕（25英寸水柱） 空氣濾消器 單濾芯 進(jìn)氣門間隙 0.50毫米（ 0.020英寸） 排氣門間隙 1.00毫米（ 0.039英寸） 三、一體式燃燒室比以前的預(yù)燃式燃燒室減少了熱量損失，冷啟動(dòng)變得更 容易，以前選裝的缸體

36、加熱裝置也沒有必要再安裝了。即使在零下 10度，新加 熱塞設(shè)計(jì)能使加熱周期縮短10秒。一體式燃燒室允許更低的壓縮比（18.5 : 1或 19.5: 1對(duì)老機(jī)型的22: 1或23: 1）,可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音和震動(dòng)，進(jìn)而提升 耐久性。 四、最后一種是高壓共軌噴射系統(tǒng)，它的概念有點(diǎn)類似于汽油機(jī)噴射系統(tǒng)， 只不過油軌內(nèi)的壓力提高了 1000^。中央油泵把高壓油送入油軌，在油軌上對(duì) 應(yīng)每缸有相應(yīng)的電磁閥控制燃油進(jìn)入噴嘴。盡管說起來簡(jiǎn)單，但超高壓使系統(tǒng) 建造并不容易。這套系統(tǒng)應(yīng)用在180馬力2.5升V6M和3.3升V8M型上。 五、渦輪增壓。渦輪增壓器的作用是增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，使功率和扭矩 都有

37、較大幅度的增長(zhǎng)。它工作起來就像一臺(tái)微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)，渦輪位于柴油機(jī) 排氣系統(tǒng)上，把排氣能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)把更多的進(jìn)氣送入燃燒 室。增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)沒有任何的機(jī)械連接，因此不會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的能量，其潤(rùn) 滑和冷卻由發(fā)動(dòng)機(jī)上引出的機(jī)油來完成。 六、安全控制智能化。柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求有符合規(guī)格的柴油、機(jī)油、 冷卻水足量的供應(yīng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的暢通， 否則在柴油機(jī)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)各 種事故損壞柴油機(jī)，國(guó)外生產(chǎn)的柴油機(jī)如沃爾沃、卡特兩款柴油機(jī)在電控的基 礎(chǔ)上加裝了智能配件，在機(jī)油不足冷卻水溫度過高、及進(jìn)排氣系統(tǒng)堵塞的情況 下自動(dòng)停車，避免了對(duì)柴油機(jī)的損壞 柴油機(jī)具有熱效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范

38、圍越來越廣。隨著強(qiáng)化程度的 提高，柴油機(jī)單位功率的重量也顯著降低。為了節(jié)能，各國(guó)都在注重改善燃燒 過程，研究燃用低質(zhì)燃油和非石油制品燃料。止匕外，降低摩擦損失、廣泛采用 廢氣渦輪增壓并提高增壓度、進(jìn)一步輕量化、高速化、低油耗、低噪聲和低污 染，都是柴油機(jī)的重要發(fā)展方向。 結(jié)論 1、通過對(duì)國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)發(fā)展概況的研究，在以后的柴油機(jī)設(shè)計(jì)方面給我 們指明了方向，柴油機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的越來越趨向于小型化、全自動(dòng)智能化和混合 燃料方向，能適應(yīng)更惡劣的陸地和海洋環(huán)境，節(jié)約能源，提高效率。 2、通過對(duì)柴油機(jī)機(jī)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，有助于我們更容易的查找、排除驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的故障。通過對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)故障分析，有助于我們?cè)?/p>

39、將來的工作當(dāng)中更 迅速排除柴油機(jī)系統(tǒng)常見故障，從而提供工作效率。 3、通過對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和受力分析，使我們更清楚地認(rèn)識(shí)到故障容易 發(fā)生的部位以及故障原因，有助于我們提前預(yù)防故障的發(fā)生，從而降低故障發(fā) 生的幾率，提高工作效率。 致謝 在此感謝在本篇論文中幫助的老師和同學(xué)們。 感謝你們給我提出的寶貴意 見和建議使我論文的質(zhì)量得到很大的提升。首先特別要感謝的是我的輔導(dǎo)老師 ~~~~老師，感謝你在百忙之中能夠不計(jì)回報(bào)的幫我修改論文中的錯(cuò)誤和不足 之處。其次特別要感謝的是我的 ，感謝你在我準(zhǔn)備論文期間不辭勞苦的幫 助我查找資料以及提供一些非常有用的書籍，報(bào)紙等。 謝謝你們，因?yàn)橛辛四銈儾艜?huì)有

40、了這篇論文成功！ 參考文獻(xiàn): [1]葉 奇.發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)多體動(dòng)力學(xué)建模的若干問題 [J].機(jī)電工程， 2007. 12. [2]尤小梅.發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004. 4. [3]高秀華.內(nèi)燃機(jī)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. 9. [4]楊連生.內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1980. 6. [5]周松鶴.工程力學(xué)（教程篇）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2003. 2. [6]王東華.曲軸強(qiáng)度計(jì)算若干問題的探討[J] .天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002. 3. [7]郝寶林.發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真[J] .哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006. 6 [8]孫恒.機(jī)械原理[M].高等教育出版社，2006.5 [9]施興之.連續(xù)梁計(jì)算計(jì)算曲軸應(yīng)力的研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001. 2. [10]朱和軍，蔣金云.CAD/CA啾件應(yīng)用技術(shù)[j]. 2012.6 [11]韓玉良，于永勝.李宏艷微積分.清華大學(xué)出版社.2012.1 23