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

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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：摘摘 要要 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(guò)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(guò)程中機(jī)構(gòu)中主要零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和所承愛(ài)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。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2目錄目錄第 1 章柴油機(jī)介紹. .4 1.1 柴油機(jī)概述.41.2 柴油機(jī)

2、系統(tǒng)的機(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.52.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析.62.2.1 活塞位移. 72.2.2 活塞的速度 .82.2.3 活塞的加速度 .9 2.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力.92.3.1 氣缸內(nèi)工作物質(zhì)的作用力. 92 .3. 2 機(jī)構(gòu)的慣性力.112.4 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 3前前 言言人們想起柴油車，總會(huì)想起濃煙滾滾、噪音大等等問(wèn)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(wèn)題和柴油機(jī)震動(dòng)問(wèn)題都有了改善，新一代的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在保障噪音低和震動(dòng)小的前提下，還擁有經(jīng)濟(jì)性好，動(dòng)力

3、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(wèn)題和噪聲問(wèn)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

4、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(guò)程與原理基礎(chǔ)上，分析其運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guò)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(guò)程中機(jī)構(gòu)中主要零件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和所承愛(ài)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)

5、和減小發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)提供了理論支持。4第第 1 1 章章 柴油機(jī)的介紹柴油機(jī)的介紹1.11.1 柴油機(jī)概述柴油機(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500700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(guò)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

6、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。1.21.2柴油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理柴油機(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)

7、完全相同。內(nèi)燃機(jī)的工作過(guò)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。5燃料的燃燒，必須有充足的氧氣（來(lái)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(guò)壓縮以獲得著火所必需的溫度。1、進(jìn)氣過(guò)程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。

8、2、壓縮過(guò)程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(lái)講，壓縮后的溫度，必須超過(guò)柴油的自然點(diǎn)溫度（約大于 350 攝氏度）3、燃燒膨脹過(guò)程將燃料噴入氣缸，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(guò)程將膨脹做功后的廢氣排出，以便再吸入新鮮空氣。上述過(guò)程周而復(fù)始的不斷重復(fù)進(jìn)行著，每個(gè)過(guò)程依次完成一遍稱為一個(gè)工作循環(huán)。第二章第二章 柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)和力分析柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)和力分析 2.12.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型型 內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，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

9、桿機(jī)構(gòu)。1 1、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線通過(guò)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 2、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)6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(guò)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)壓力大小比較均勻。 3 3、主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)、主副連桿式曲柄連

10、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(guò)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)。2.22.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析曲柄連桿機(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(guò)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)

11、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(guò)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 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(wèn)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)連桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究

12、。7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。 2.2.12.2.1 活塞位移活塞位移假設(shè)在某一時(shí)刻，曲柄轉(zhuǎn)角為，并按順時(shí)針?lè)较蛐D(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，如圖 2-1 所示。當(dāng)=時(shí)，活塞銷中心 A 在最上面的位置 A1，此位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng)0=180 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=(r+ )AA1AOOA1l)coscos(lr = （2-)cos1

13、(1)cos1(r1）式中：連桿比。式（2-1）可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，由圖 2-1 可以看出：8sinsinlr即 sinsinsinlr又由于 （2-222sin1sin1cos2）將式（2-2）帶入式（2-1）得： x= （2-)sin1(1cos122r3）式（2-3）是計(jì)算活塞位移 x 的精確公式,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(kāi)，得： （2-6642222sin161sin81sin1sin14）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01246(coscos2cos4cos6xr aaaaa （2-13523465111154165

14、1213642561512aaaa 6）連桿比是一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。采用較大的 (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(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，式(2-5)中含的三次以上個(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 （2-7）)sin2cos1 (2 rx92.2.22.2.2 活塞的速度活塞的速度 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 的精確值v為 (2-8)v)cos

15、2sin2(sinrdtdadadxdtdx將式（2-7）對(duì)時(shí)間 微分，便可求得活塞速度得近似公式為：t （2-212sin2sin)2sin2(sinvvrrrv9）從式（2-9）可以看出，活塞速度可視為由與sin1rv 兩部分簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)所組成。2sin)2(2rv 當(dāng)或時(shí)，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng) 0180時(shí)，此時(shí)活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。 90rv 2.2.32.2.3 活塞的加速度活塞的加速度 將式（2-8）對(duì)時(shí)間 微分，可求得活塞加速度的精確值為：t （2-cos2sin4cos2coscos3232rdtdadadvdtdva10）將式（2.9）對(duì)時(shí)間 為

16、微分，可求得活塞加速度的近似值為：t （2-212222coscos)2cos(cosaarrra11）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，即由與兩部分組成。cos21ra 2cos22ra 2.32.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力曲柄連桿機(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10狀態(tài)，無(wú)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(guò)程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照 EA1113 柴油機(jī)。則由式

17、（2-10）計(jì)算氣壓力如表 2-2 所示。gP2.3.12.3.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與gP活塞頂面積的乘積，即 （2-12）)(42ppDPg式中：活塞上的氣體作用力，；gPN 缸內(nèi)絕對(duì)壓力，；pMPa 大氣壓力，；pMPa 活塞直徑，。Dmm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，對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，一般取=0.1，pppMPa,對(duì)于缸內(nèi)絕對(duì)壓力，在發(fā)動(dòng)機(jī)的四個(gè)沖程中，計(jì)算結(jié)果如mmD985.80p表 2-1 所示： 表 2-1 缸內(nèi)絕對(duì)壓力計(jì)算結(jié)果p四個(gè)沖程終點(diǎn)壓力計(jì)

18、算公式計(jì)算結(jié)果/MPa進(jìn)氣終點(diǎn)壓力dep)90. 075. 0(ppde0.08壓縮終點(diǎn)壓力cop1nedecopp1.46膨脹終點(diǎn)壓力exp2maxnexpp0.45排氣終點(diǎn)壓力rp15. 1ppr0.11511注：平均壓縮指數(shù)，=1.321.38；壓縮比，=9.3；平均膨1n1n2n脹指數(shù)，=1.21.30；最大爆發(fā)壓力，=35，取2nmaxpmaxpMPa=4.5；此時(shí)壓力角=，取=。maxpMPa151013表 2-2 氣壓力計(jì)算結(jié)果gP四 個(gè) 沖 程/gPN進(jìn)氣終點(diǎn)77.23壓縮終點(diǎn)-102.97膨脹終點(diǎn)7001.933排氣終點(diǎn)1801.9682.3.22.3.2 機(jī)構(gòu)的慣性力機(jī)構(gòu)的

19、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 1、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量換算、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)量用兩個(gè)換算質(zhì)量和來(lái)代換，并假設(shè)是集中作用Lm1m2m1m在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量；是集中作用在連桿大頭中心2m處，并只沿著

20、圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量，如圖 2-2 所示：12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(lái)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： 連桿總質(zhì)量不變，即。21mmmL 連桿重心的位置不變，即。G)(1211llmlm 連桿相對(duì)重心 G 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，即。GIGIllmlm222211)(其中， 連桿長(zhǎng)度，為連桿重心至小頭中心的距離。由條件可得下列l(wèi)1lG換算公式：lllmmL11llmmL12用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置。將連桿分成若干簡(jiǎn)單G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

21、重量和 1G2G，如圖 2-3 所示：13圖 2-3 索多邊形法2（2 2）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量）往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量jm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，并以表示。質(zhì)量與換算到連桿小頭hmhm中心的質(zhì)量之和，稱為往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，即。1mjm1mmmhj（3 3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量rm曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖 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)

22、半徑為 的連桿軸頸中心處，以表示，換算質(zhì)量rkm為：kmremmmbgk2式中：曲拐換算質(zhì)量，；kmkg14 連桿軸頸的質(zhì)量，；gmkg 一個(gè)曲柄臂的質(zhì)量，；bmkg曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離，。em質(zhì)量與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量，km2mrm即2mmmkr由上述換算方法計(jì)算得：往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量=0.583，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量=0.467。jmkgrmkg2 2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力、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)量和后，這些質(zhì)量的慣性jmrm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)量的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)jmjP質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)慣性力。rmrP（

23、1 1）往復(fù)慣性力）往復(fù)慣性力 2coscos)2coscos(2222rmrmrrmamPjjjj（2-13）式中：往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，；jmkg 連桿比； 曲柄半徑，；rm 曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，；srad / 曲軸轉(zhuǎn)角。是沿氣缸中心線方向作用的，公式（2-13）前的負(fù)號(hào)表示方向與活jPjP塞加速度的方向相反。a其中曲柄的角速度為： （2-14）30602nn15式中：曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，；nmin/r已知額定轉(zhuǎn)數(shù)=5800，則；nmin/r07.607305800srad /曲柄半徑 =40.23，連桿比=0.250.315，取=0.27，參照附錄表rmm2：四缸機(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉(zhuǎn)角代入式（2-

24、13） ，計(jì)算得往復(fù)慣性力，結(jié)果如表 2-3 所示jP表 2-3 往復(fù)慣性力計(jì)算結(jié)果jP四 個(gè) 沖 程/jPN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 2）旋轉(zhuǎn)慣性力）旋轉(zhuǎn)慣性力 （2-15）2rmPrr 799.692307.60704023. 0467. 02N3、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)作用著氣體作用力和往復(fù)慣性力gP，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jP （2-16）jgPPP計(jì)算結(jié)果如表 2-4 所示。4、活塞上的總作用力分解與傳遞P如圖 2-5 所示，首先，將分解成兩個(gè)

25、分力：沿連桿軸線作用的力，PK和把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力，N16其中沿連桿的作用力為：K （2-17）cos1 PK而側(cè)向力為：N （2-18）tan PN表 2-42-4 作用在活塞上的總作用力P四個(gè)沖程氣壓力/gPN往復(fù)慣性力/jPN總作用力/PN進(jìn)氣終點(diǎn)77.23681.1051945.10442壓縮終點(diǎn)-102.976324.554.6221膨脹終點(diǎn)7001.933681.10519747.3517排氣終點(diǎn)1801.9686324.5478.8126圖 2-5 作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩連桿作用力的方向規(guī)定如下：使連桿受壓時(shí)為正號(hào)，使連桿受K拉時(shí)為負(fù)號(hào)，缸壁的側(cè)向力的符號(hào)規(guī)定為：當(dāng)側(cè)向力所

26、形成的反扭矩與曲N軸旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，側(cè)向力為正值，反之為負(fù)值。17當(dāng)=時(shí)，根據(jù)正弦定理，可得：13sinsinrl求得 48. 314913sin23.40arcsinsinarcsinlr將分別代入式（2-17） 、式（2-18） ，計(jì)算結(jié)果如表 2-5 所示:表 2-5 連桿力、側(cè)向力的計(jì)算結(jié)果KN四個(gè)沖程連桿力/KN側(cè)向力/NN進(jìn)氣終點(diǎn)128.1071783.2410壓縮終點(diǎn)6385.191436.356膨脹終點(diǎn)278.3610136.812排氣終點(diǎn)8340.2371896.923力通過(guò)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K軸旋轉(zhuǎn)的切向力，T即 （2-19）cos)si

27、n()sin(PKT和壓縮曲柄臂的徑向力，即Z （2-20）cos)cos()cos(PKZ規(guī)定力和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力指向曲軸為正。TZ求得切向力、徑向力見(jiàn)如表 2-6 所示:TZ表 2-6 切向力、徑向力的計(jì)算結(jié)果TZ四個(gè)沖程切向力/TN徑向力/ZN進(jìn)氣終點(diǎn)242.3040856.10276壓縮終點(diǎn)1811.3556122.8789膨脹終點(diǎn)17.1024964.34618排氣終點(diǎn)2365.967997.612.42.4 本章小結(jié)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(guò)程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過(guò)程氣體力的理論計(jì)算公式，進(jìn)行

28、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(guò)程的氣體力，為后面的探討柴油機(jī)的運(yùn)動(dòng)及制造過(guò)程提供了理論支持。第第3 3章章 國(guó)內(nèi)外柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀國(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(kāi)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(kāi)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

29、化的柴油機(jī)發(fā)展起來(lái)，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(guò)程柔和，燃燒完全，聲輕無(wú)煙，并可使用輕質(zhì)燃料；缺點(diǎn)是低溫時(shí)起動(dòng)較困難?，F(xiàn)在柴油機(jī)發(fā)展過(guò)程中常見(jiàn)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5080，有切向通道與主燃燒

30、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19二、電控燃油噴射系統(tǒng)帶來(lái)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(jiàn)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型發(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60V型8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141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)回路后冷器汽缸排量

31、4.3升（263立方英寸）總排量34.5升（2105立方英寸）旋轉(zhuǎn)方向（從飛輪端看）逆時(shí)針?lè)较蛉加蛥⒖床僮骱捅ｐB(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)方法電啟動(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）空氣濾清器單濾芯進(jìn)氣門(mén)間隙0.50毫米（0.020英寸）排氣門(mén)間隙1.00毫米（0.039英寸）20三、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，以前選裝的缸體加熱裝置也沒(méi)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

32、.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(guò)油軌內(nèi)的壓力提高了1000倍。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(shuō)起來(lái)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V6機(jī)和3.3升V8機(jī)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，使功率和扭矩都有較大幅度的增長(zhǎng)。它工作起來(lái)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(méi)有

33、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(lái)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(guò)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(guò)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)用范圍越來(lái)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(guò)程，研究燃用低質(zhì)燃油和非石油制品燃料。此外，降低摩擦損失、廣泛采用廢氣渦輪增壓并提高

34、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)論結(jié)論1、通過(guò)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(lái)越趨向于小型化、全自動(dòng)智能化和混21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(guò)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(guò)對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)故障分析，有助于我們?cè)趯?lái)的工作當(dāng)中更迅速排除柴油機(jī)系統(tǒng)常見(jiàn)故障，從而提供工作效率。3、通過(guò)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

35、率，提高工作效率。致謝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(jiàn)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(shū)籍，報(bào)紙等。謝謝你們，因?yàn)橛辛四銈儾艜?huì)有了這篇論文成功！參考文獻(xiàn)：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(wèn)題J機(jī)電工程，2007122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)，200443高秀華內(nèi)燃機(jī)M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，200594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，198065周松鶴工程力學(xué)（教程篇）M北京：機(jī)械工業(yè)出版社200326王東華曲軸強(qiáng)度計(jì)算若干問(wèn)題的探討J天津大學(xué)學(xué)報(bào)，200237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)，200668孫恒 .機(jī)械原理M.高等教育出版社，2006 . 5229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)，2001210 朱和軍, 蔣金云.CAD/CAM 軟件應(yīng)用技術(shù)j. 2012.611 韓玉良, 于永勝.李宏艷微積分.清華大學(xué)出版社.2012.1