曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析

重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析4.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的組成摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、大小頭軸承、曲軸等組成。4.1.1 活塞組合活塞組合由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、活塞銷擋圈等組成，見圖4-1。它的功能是：1）承受氣缸中可燃混合氣燃燒產(chǎn)生的壓力，并將作用力通過活塞銷傳給連桿，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。2）活塞頂部與氣缸蓋組成燃燒室。圖4-1 活塞組合1活塞 2活塞銷 3擋圈 4氣環(huán) 5油環(huán)3）通過安裝在其上的活塞環(huán)，保證氣缸的密封性。4.1.1.1 四行程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞四行程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的頂面呈平面形，且對(duì)應(yīng)于進(jìn)、排氣門之處加工有凹坑，以避免在運(yùn)動(dòng)中與進(jìn)、排氣門相干涉，在頂面有“IN”標(biāo)記表示進(jìn)氣側(cè)，保證活塞安裝時(shí)的方向。在活塞槽部通常設(shè)有兩道氣環(huán)、一道油環(huán)。在油環(huán)槽周圍，設(shè)置有許多回油小孔，安裝油環(huán)后，能刮去缸壁上多余的潤(rùn)滑油（見圖4-2）。有些活塞在油環(huán)槽下再加工一個(gè)較淺的環(huán)形槽，其上也加工回油小孔。四行程發(fā)動(dòng)機(jī)活塞所有環(huán)槽上都無需有定位銷孔，原因是四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸上無氣口，活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。為適應(yīng)活塞在高溫、高壓、高速條件下工作，活塞通常多采用質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性好的高鋁合金來制造。有些活塞表面還進(jìn)行鍍錫處理，以提高其磨合性。圖4-2 四行程汽油機(jī)的活塞1氣門坑 2回油孔 3裙部缺口4.1.1.2 活塞環(huán) 四行程活塞裙部較短，并無需做有缺口，因四行程發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣道沒有氣缸蓋上。但有時(shí)為避免與曲軸相撞，并為增加裙部彈性及減小活塞質(zhì)量，在受力不大的沿銷孔方向兩側(cè)，從底部各開一個(gè)淺而長(zhǎng)的圓弧形缺口。活塞環(huán)的功能是：1）密封氣缸與活塞間的間隙，防止漏氣。2）刮去氣缸壁上多余的機(jī)油。3）把活塞的熱量傳遞給氣缸體散發(fā)。活塞環(huán)應(yīng)具有良好的密封性，在高溫、高壓、和高速的工況下，具有良好的彈度、彈性和耐磨性；此外，并應(yīng)有良好的磨合性與加工性。為適應(yīng)這些要求，活塞環(huán)的材料多選用合金鑄鐵?；钊h(huán)的自由狀態(tài)是非圓形的，且具有切口，以適應(yīng)裝入氣缸后恰好成為圓形，與氣缸貼合。切口的形式如圖4-3所示，其中直切口比搭接口的密封性差，但工藝性好；斜切口介于兩者之間?；钊h(huán)按其用途不同，可分為氣環(huán)和油環(huán)兩類。圖4-3 活塞環(huán)的切口形式（a）直切口 （b）搭切口 （c）斜切口 （d）半圓切口（1）氣環(huán) 氣環(huán)的主要功能是密封活塞與氣缸之間的間隙，防止燃?xì)饴┤肭S箱，同時(shí)，氣環(huán)將活塞頭部的大部分熱量傳遞給氣缸壁，幫助活塞散熱。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣環(huán)斷面有梯形環(huán)和矩形環(huán)兩種。梯形環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是：不易膠結(jié)和卡死，并有較好密封效果。缺點(diǎn)是：內(nèi)錐面的加工比較困難。一般在溫度較高，潤(rùn)滑油容易形成積炭或膠狀物時(shí)，第一環(huán)槽裝用梯形環(huán)。矩形環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是：工藝性和傳熱性都較好。但其磨合性及對(duì)氣缸的適應(yīng)性較差，抗積炭、抗膠結(jié)的能力也較差，不宜用作第一道環(huán)。（2）油環(huán) 油環(huán)的主要功能是刮去氣缸壁上多余的潤(rùn)滑油，使氣缸壁上形成一層均勻的油膜，它主要用在四行程發(fā)動(dòng)機(jī)上。油環(huán)可分為普通油環(huán)和組合油環(huán)兩類。圖4-4 油環(huán)的刮油情形1活塞 2活塞環(huán) 3回油孔1）普通油環(huán)：它的外圓柱面中間，加工一個(gè)環(huán)槽，使得油環(huán)和氣缸的接觸面積減小，從而增大接觸比壓，加強(qiáng)刮油能力和密封性。環(huán)沿圓周加工有許多回油槽和回油孔，以便使油環(huán)從氣缸壁上刮下的潤(rùn)滑油流入活塞上的回油孔而進(jìn)入曲軸箱，見圖4-4。2）組合油環(huán)：由兩個(gè)刮片和一個(gè)彈簧脹圈組成，彈簧脹圈在兩個(gè)刮片中間。兩個(gè)刮片由薄鋼帶制成，能分別動(dòng)作，對(duì)氣缸有較好的適應(yīng)性。組合油環(huán)的刮油能力較強(qiáng)，但制造較困難。4.1.1.3 活塞銷活塞銷的功能是連接活塞和連桿，將活塞承受的力傳遞給連桿?；钊N通常制成空心圓柱狀，一般摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)都采用浮動(dòng)式配合，即在工作狀況下活塞銷能自由緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，以使磨損均勻?；钊N在潤(rùn)滑不良的工作條件下，承受很大的沖擊載荷，所以活塞銷應(yīng)具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，表面有較高的硬度，中心有良好的韌性。大多數(shù)活塞銷都采用鎳鉻合金鋼來制造。4.1.2 連桿連桿的功能是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。它是活塞和曲軸之間重要的連接零件。連桿的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，和活塞銷連接的部分叫連桿小頭，和曲柄銷連接的部分叫連桿大頭，中間是連桿桿身。在整體式曲軸的發(fā)動(dòng)機(jī)上，連桿大頭呈有帶連桿蓋的結(jié)構(gòu)，該蓋用螺栓連接在桿身上，連桿桿身的橫截面為“I”型，其抗彎能力較強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿結(jié)構(gòu)相近。由于連桿作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)，桿身受拉力和壓力及彎矩的影響，大小軸承工作表面承受很大的比壓，易于磨損。因此，連桿要有足夠的剛度和強(qiáng)度，連桿質(zhì)量應(yīng)盡可能輕，以減少慣性力。連桿的大小頭要具有一定的剛度，不致過分變形而影響軸承的工作。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，連桿隨同活塞一起作高速運(yùn)動(dòng)，承受著交變應(yīng)力，因此，要求連桿有較高的抗疲勞強(qiáng)度和耐磨性能。連桿大都是用低碳合金鋼模鍛而成。摩擦面進(jìn)行滲碳淬火并研磨，具有較高的尺寸精度、位置精度以及較小的表面粗糙度。4.1.3 曲軸曲軸的功能是將來自連桿的作用力轉(zhuǎn)變成扭矩，最后輸出發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，并用部分動(dòng)力驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)和附件。曲軸受力情況很復(fù)雜，直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、使用壽命和制造成本。因此，它應(yīng)有較好的工作均勻性、良好的平衡性、足夠的剛度和強(qiáng)度。4.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)4.2.1 內(nèi)燃機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的分類和特性參數(shù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的任務(wù)是將活塞A（圖4-5）的往復(fù)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄OB的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)中基本上采用三種曲柄連桿機(jī)構(gòu)：中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)；偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。圖4-5 曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖a）中心曲柄連桿機(jī)構(gòu) b）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu) c）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)1）中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖4-5a）：其氣缸軸線通過曲軸軸線。這種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性完全由連桿比= r / l確定，其中r為曲柄半徑，l為連桿長(zhǎng)度（連桿大小頭孔中心間距離）。2）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖4-5b）：其氣缸軸線偏離曲軸軸線。這種機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)除連桿比外，還有偏心率= e / r，其中e為氣缸軸線偏離相對(duì)曲軸軸線的偏移量。3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖4-5c）：主連桿（圖中的左連桿）與曲軸構(gòu)成中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，副連桿（圖中的右連桿）大頭與主連桿體上某點(diǎn)相連。這種機(jī)構(gòu)的特性參數(shù)有主連桿比= r / l，副連桿比f = r / lf ，半徑比= rf / r，氣缸夾角及關(guān)節(jié)角f等。下面主要介紹中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)。4.2.2 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)氣缸、活塞銷、曲軸中心線位于同一平面的機(jī)構(gòu)稱為中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)（圖4-6）。它在運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，曲柄OB作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連桿AB做平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)。圖4-6 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖曲柄轉(zhuǎn)角是從氣缸中心線順著曲柄運(yùn)動(dòng)方向量度的。當(dāng)=0時(shí)，圖中A和B點(diǎn)表示活塞和曲柄銷在上止點(diǎn)位置；當(dāng)=1800時(shí)，活塞和曲柄銷位于下止點(diǎn)位置（A 及B點(diǎn)）。 1、活塞位移 （41）式中 連桿擺動(dòng)角；= r / l 曲柄半徑/連桿長(zhǎng)度比，它是一個(gè)重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。由AOB有 cos可按泰勒級(jí)數(shù)展開成如下的級(jí)數(shù)： 因?yàn)閷?shí)用上1/3，所以計(jì)算中可以忽略數(shù)值微小的高次項(xiàng)，而取將它代入式（41），且由，得 （42）2、活塞速度、最大活塞速度和平均活塞速度將式（42）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可得活塞速度 （43）式中 w 曲柄作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度（rad/s）。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為n(r/min)時(shí)將式（43）對(duì)求導(dǎo)：令，有即 由此解得最大活塞速度的曲柄轉(zhuǎn)角 把它代入（43）便可得出vmax。平均活塞速度為 （m/s）式中 s 活塞行程，s=2r，（m）。vmax和vm是影響活塞和氣缸磨損的重要指標(biāo)。氣缸的磨損圖常聯(lián)系vmax作分析。在常用的值范圍內(nèi)，vmax/vm1.63，不必解復(fù)雜方程求vmax 。3、活塞加速度、最大加速度將式（43）對(duì)t求導(dǎo)，得活塞加速度 （44）上述x、v、j的近似式都是由兩個(gè)諧量合成，一階諧量與曲柄旋轉(zhuǎn)同步變化，二階諧量的變化頻率是曲柄旋轉(zhuǎn)圓頻率的二倍，即2w 。將式（44）對(duì)求導(dǎo)：令，有 由sin=0,即=00或1800得正、負(fù)最大加速度： 由（1+4cos）=0，即當(dāng)時(shí)（僅當(dāng)1/4），得第二個(gè)負(fù)最大加速度，即4、連桿的運(yùn)動(dòng)連桿在擺動(dòng)平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)由隨活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和繞活塞銷的擺動(dòng)所合成。連桿相對(duì)于氣缸中心線的擺動(dòng)角當(dāng)=900或2700時(shí)，具有最大值 將rsin=Lsin對(duì)t求導(dǎo)得于是得連桿擺動(dòng)角速度 角加速度為：當(dāng)=900或2700時(shí)，角加速度具有最大值4.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的作用力作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力包括：缸內(nèi)氣體壓力、機(jī)構(gòu)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。由于摩擦力數(shù)值較小，變化規(guī)律復(fù)雜，所以在作受力分析時(shí)，一般都把摩擦力忽略不計(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，只需主要研究氣體壓力和運(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，尤其是對(duì)曲軸和軸承的作用即可。4.3.1 氣體壓力氣缸內(nèi)氣體壓力Pg是內(nèi)燃機(jī)對(duì)外作功的主動(dòng)力，它隨活塞行程S（或曲柄轉(zhuǎn)角）的變化關(guān)系為Pg=f(x)，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的示功圖決定。氣缸內(nèi)工質(zhì)作用在活塞上的總壓力為：式中 Pg 缸內(nèi)絕對(duì)壓力，bar(1bar=1105Pa); P0 大氣壓力，一般取P0=1bar； Fh 活塞面積，cm 2 。4.3.2 機(jī)構(gòu)的慣性力機(jī)構(gòu)的慣性力是由于運(yùn)動(dòng)不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實(shí)際活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)離散成用往復(fù)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mj和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量mr的動(dòng)力學(xué)等效的當(dāng)量系統(tǒng)來代換。經(jīng)簡(jiǎn)化后，整個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)變成了由只有剛性而無質(zhì)量的桿件連接的兩個(gè)集中質(zhì)量：往復(fù)質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 對(duì)于并列連桿式V型發(fā)動(dòng)機(jī) 式中 mp 沿氣缸軸線作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的集總在活塞銷中心的活塞組質(zhì)量（包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷及其卡環(huán)）； m1 連桿組離散到活塞銷中心的質(zhì)量； m2 連桿組離散到曲柄銷中心的質(zhì)量；mcr 曲拐不平衡部分集總到曲柄銷中心的質(zhì)量，是曲柄銷質(zhì)量與兩個(gè)曲柄臂不平衡部分換算到曲柄銷中心的質(zhì)量和。求得了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)質(zhì)量mj和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr，就可以計(jì)算往復(fù)慣性力Pj和旋轉(zhuǎn)慣性力（離心力）kr 。1、往復(fù)慣性力往復(fù)慣性力Pj總是沿著氣缸軸線作用，其方向與加速度方向相反。Pj在上止點(diǎn)時(shí)為負(fù)，方向向上；在下止點(diǎn)時(shí)為正，方向向下。2、旋轉(zhuǎn)慣性力在勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，其大小不變，沿曲柄方向向外作用于曲柄銷中心。將其沿作用線移至曲軸中心O點(diǎn)，可分解成水平和垂直兩個(gè)分量：這些分量隨簡(jiǎn)諧變化，若不能經(jīng)平衡加以抵消，則由發(fā)動(dòng)機(jī)支承承受，從而使其發(fā)生振動(dòng)。4.3.3 作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力氣體壓力與往復(fù)慣性力兩者作用在氣缸中心線上，將往復(fù)慣性力也用單位活塞面積的力來計(jì)量，則合成的單位活塞面積的力為：設(shè)合成力P作用在活塞銷中心，它可分解為兩個(gè)力：垂直氣缸中心線將活塞壓向缸壁的側(cè)壓力沿連桿軸線作用的連桿力將PL乘活塞面積就得壓縮或拉伸連桿的工作載荷，但由于連桿組是按大、小頭兩個(gè)質(zhì)量近似換算的，嚴(yán)格說來，PL不是精確的連桿拉壓?jiǎn)挝幻娣e負(fù)荷。將PL沿作用線移至圖4-6中的B點(diǎn)，則可進(jìn)一步分解為：切向力 徑向力 4.3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩如圖4-7所示，將徑向力k沿