【完整版】汽车曲柄连杆机构本科毕业论文设计

第2章 曲柄连杆机构受力分析

研究曲柄连杆机构的受力，关键在于分析曲柄连杆机构中各种力的作用情况，并根据这些力对曲柄连杆机构的主要零件进行强度、刚度、磨损等方面的分析、计算和设计，以便达到发动机输出转矩及转速的要求。

2.1 曲柄连杆机构的类型及方案选择

内燃机中采用曲柄连杆机构的型式很多，按运动学观点可分为三类，即:中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式曲柄连杆机构。

1、中心曲柄连杆机构

其特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对置式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。

2、偏心曲柄连杆机构

其特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。

3、主副连杆式曲柄连杆机构

其特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时带动几套副连杆和活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用V形内燃机[8]。

经过比较，本设计的型式选择为中心曲柄连杆机构。

2.2 曲柄连杆机构运动学

中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示，图2.1中气缸中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。

当曲柄按等角速度?旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，活塞A点沿气缸中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其大头B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与活塞相连，做往复运动。在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[9]。

图2.1 曲柄连杆机构运动简图

活塞做往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究活塞的运动规律。 2.1.1 活塞位移

假设在某一时刻，曲柄转角为?，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离气缸轴线的角度为?，如图2.1 所示。

当?=0?时，活塞销中心A在最上面的位置A1，此位置称为上止点。当?=180?时，A点在最下面的位置A2，此位置称为下止点。

此时活塞的位移x为:

x=A1A=A1O?AO=(r+l)?(rcos??lcos?)

=r[(1?cos?)?式中：?—连杆比。

1?(1?cos?)] （2.1）

式（2.1）可进一步简化，由图2.1可以看出：

rsin??lsin?

r即 sin??sin???sin?

l22??1?sin??1??2sin? （2.2）又由于 cos

将式（2.2）带入式（2.1）得： x=r[1?cos??1?(1??2sin2?)] （2.3）

式（2.3）是计算活塞位移x的精确公式,为便于计算，可将式（2.3）中的根号按牛顿二项式定理展开，得：

111??2sin2??1??2sin2???4sin???6sin6??…

816考虑到?≤ 1∕3，其二次方以上的数值很小，可以忽略不计。只保留前两项，则

122??1??2sin? （2.4） 1??2sin

2将式（2.4）带入式（2.3）得

x?r(1?cos???2sin2?)

（2.5）

2.1.2 活塞的速度

将活塞位移公式（2.1）对时间t进行微分，即可求得活塞速度v的精确值为 v?dxdxda?sin2????r?(si?n?) (2.6) dtdadt2co?s将式（2.5）对时间t微分，便可求得活塞速度得近似公式为：

v?r?(sin???2sin2?)?r?sin??r??2sin2??v1?v2 （2.7）

从式（2.7）可以看出，活塞速度可视为由v1?r?sin?与v2?(?2)r?sin2?两部分简谐运动所组成。

当??0?或180?时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当??90?时，

v?r?，此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。 2.1.3 活塞的加速度

将式（2.6）对时间t微分，可求得活塞加速度的精确值为：

dvdvdacos2??3sin22?2 a????r?[cos????] （2.8）

dtdadtcos?4cos3?将式（2.7）对时间t为微分，可求得活塞加速度的近似值为：

a?r?2(cos???cos2?)?r?2cos??r?2?cos2??a1?a2 （2.9）

因此，活塞加速度也可以视为两个简谐运动加速度之和，即由a1?r?2cos?与

a2?r?2?cos2?两部分组成。

2.2 曲柄连杆机构中的作用力

作用于曲柄连杆机构的力分为：缸内气压力、运动质量的惯性力、摩擦阻力和作用在发动机曲轴上的负载阻力。由于摩擦力的数值较小且变化规律很难掌握，受力分析时把摩擦阻力忽略不计。而负载阻力与主动力处于平衡状态，无需另外计算，因此主要研究气压力和运动质量惯性力变化规律对机构构件的作用。计算过程中所需的相关数据参照EA1113汽油机，如附表1所示。 2.2.1 气缸内工质的作用力

作用在活塞上的气体作用力Pg等于活塞上、下两面的空间内气体压力差与活塞顶面积的乘积，即

Pg??D24(p?p') （2.10）

式中：Pg—活塞上的气体作用力，N； p—缸内绝对压力，MPa； p?—大气压力，MPa； D—活塞直径，mm。

由于活塞直径是一定的，活塞上的气体作用力取决于活塞上、下两面的空间内气体压力差p?p?，对于四冲程发动机来说，一般取p?=0.1MPa，D?80.985mm,对于