重慶工學(xué)院畢業(yè)論文 曲柄連桿機構(gòu)的受力分析4 曲柄連桿機構(gòu)的受力分析4.1 曲柄連桿機構(gòu)的組成摩托車發(fā)動機的曲柄連桿機構(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)動機活塞四行程發(fā)動機活塞的頂面呈平面形，且對應(yīng)于進、排氣門之處加工有凹坑，以避免在運動中與進、排氣門相干涉，在頂面有“IN”標(biāo)記表示進氣側(cè)，保證活塞安裝時的方向。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滑油（見圖4-2）。有些活塞在油環(huán)槽下再加工一個較淺的環(huán)形槽，其上也加工回油小孔。四行程發(fā)動機活塞所有環(huán)槽上都無需有定位銷孔，原因是四行程發(fā)動機的氣缸上無氣口，活塞環(huán)運動時不會產(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。有些活塞表面還進行鍍錫處理，以提高其磨合性。圖4-2 四行程汽油機的活塞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)動機的進、排氣道沒有氣缸蓋上。但有時為避免與曲軸相撞，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)，從底部各開一個淺而長的圓弧形缺口?；钊h(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油。3）把活塞的熱量傳遞給氣缸體散發(fā)?；钊h(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，防止燃氣漏入曲軸箱，同時，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)動機的氣環(huán)斷面有梯形環(huán)和矩形環(huán)兩種。梯形環(huán)的優(yōu)點是：不易膠結(jié)和卡死，并有較好密封效果。缺點是：內(nèi)錐面的加工比較困難。一般在溫度較高，潤滑油容易形成積炭或膠狀物時，第一環(huán)槽裝用梯形環(huán)。矩形環(huán)的優(yōu)點是：工藝性和傳熱性都較好。但其磨合性及對氣缸的適應(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)動機上。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滑油流入活塞上的回油孔而進入曲軸箱，見圖4-4。2）組合油環(huán)：由兩個刮片和一個彈簧脹圈組成，彈簧脹圈在兩個刮片中間。兩個刮片由薄鋼帶制成，能分別動作，對氣缸有較好的適應(yīng)性。組合油環(huán)的刮油能力較強，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)動機都采用浮動式配合，即在工作狀況下活塞銷能自由緩慢轉(zhuǎn)動，以使磨損均勻。活塞銷在潤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)直線運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動。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)動機上，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。這種結(jié)構(gòu)與汽車發(fā)動機的連桿結(jié)構(gòu)相近。由于連桿作平面復(fù)合運動，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)動機運轉(zhuǎn)時，連桿隨同活塞一起作高速運動，承受著交變應(yīng)力，因此，要求連桿有較高的抗疲勞強度和耐磨性能。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)動機的功率，并用部分動力驅(qū)動配氣機構(gòu)和附件。曲軸受力情況很復(fù)雜，直接影響到發(fā)動機的可靠性、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、足夠的剛度和強度。4.2 曲柄連桿機構(gòu)運動學(xué)4.2.1 內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)的分類和特性參數(shù)曲柄連桿機構(gòu)的任務(wù)是將活塞A（圖4-5）的往復(fù)移動轉(zhuǎn)化為曲柄OB的旋轉(zhuǎn)運動。在往復(fù)活塞式內(nèi)燃機中基本上采用三種曲柄連桿機構(gòu)：中心曲柄連桿機構(gòu)；偏心曲柄連桿機構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)。圖4-5 曲柄連桿機構(gòu)簡圖a）中心曲柄連桿機構(gòu) b）偏心曲柄連桿機構(gòu) c）關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)1）中心曲柄連桿機構(gòu)（圖4-5a）：其氣缸軸線通過曲軸軸線。這種機構(gòu)的運動特性完全由連桿比= r / l確定，其中r為曲柄半徑，l為連桿長度（連桿大小頭孔中心間距離）。2）偏心曲柄連桿機構(gòu)（圖4-5b）：其氣缸軸線偏離曲軸軸線。這種機構(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曲軸軸線的偏移量。3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)（圖4-5c）：主連桿（圖中的左連桿）與曲軸構(gòu)成中心曲柄連桿機構(gòu)，副連桿（圖中的右連桿）大頭與主連桿體上某點相連。這種機構(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構(gòu)的運動學(xué)。4.2.2 中心曲柄連桿機構(gòu)的運動學(xué)氣缸、活塞銷、曲軸中心線位于同一平面的機構(gòu)稱為中心曲柄連桿機構(gòu)（圖4-6）。它在運動時，活塞作往復(fù)直線運動，曲柄OB作旋轉(zhuǎn)運動，連桿AB做平面復(fù)合運動。圖4-6 中心曲柄連桿機構(gòu)簡圖曲柄轉(zhuǎn)角是從氣缸中心線順著曲柄運動方向量度的。當(dāng)=0時，圖中A和B點表示活塞和曲柄銷在上止點位置；當(dāng)=1800時，活塞和曲柄銷位于下止點位置（A 及B點）。 1、活塞位移 （41）式中 連桿擺動角；= r / l 曲柄半徑/連桿長度比，它是一個重要結(jié)構(gòu)參數(shù)。由AOB有 cos可按泰勒級數(shù)展開成如下的級數(shù)： 因為實用上1/3，所以計算中可以忽略數(shù)值微小的高次項，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）對時間t求導(dǎo)，可得活塞速度 （43）式中 w 曲柄作勻速轉(zhuǎn)動的角速度（rad/s）。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為n(r/min)時將式（43）對求導(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）對求導(dǎo)：令，有 由sin=0,即=00或1800得正、負最大加速度： 由（1+4cos）=0，即當(dāng)時（僅當(dāng)1/4），得第二個負最大加速度，即4、連桿的運動連桿在擺動平面內(nèi)的運動由隨活塞的往復(fù)運動和繞活塞銷的擺動所合成。連桿相對于氣缸中心線的擺動角當(dāng)=900或2700時，具有最大值 將rsin=Lsin對t求導(dǎo)得于是得連桿擺動角速度 角加速度為：當(dāng)=900或2700時，角加速度具有最大值4.3 曲柄連桿機構(gòu)上的作用力作用于曲柄連桿機構(gòu)上的力包括：缸內(nèi)氣體壓力、機構(gòu)運動質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動機曲軸上的負載阻力。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，一般都把摩擦力忽略不計。而負載阻力與主動力處于平衡狀態(tài)，無需另外計算，因此，只需主要研究氣體壓力和運動質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對機構(gòu)構(gòu)件的作用，尤其是對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)燃機對外作功的主動力，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)動機的示功圖決定。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 機構(gòu)的慣性力機構(gòu)的慣性力是由于運動不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機構(gòu)的慣性力，通常將連續(xù)分布質(zhì)量的實際活塞曲柄連桿機構(gòu)離散成用往復(fù)運動質(zhì)量mj和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量mr的動力學(xué)等效的當(dāng)量系統(tǒng)來代換。經(jīng)簡化后，整個曲柄連桿機構(gòu)變成了由只有剛性而無質(zhì)量的桿件連接的兩個集中質(zhì)量：往復(fù)質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 對于并列連桿式V型發(fā)動機 式中 mp 沿氣缸軸線作往復(fù)運動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。求得了曲柄連桿機構(gòu)的往復(fù)質(zhì)量mj和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量mr，就可以計算往復(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在上止點時為負，方向向上；在下止點時為正，方向向下。2、旋轉(zhuǎn)慣性力在勻速旋轉(zhuǎn)時，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，可分解成水平和垂直兩個分量：這些分量隨簡諧變化，若不能經(jīng)平衡加以抵消，則由發(fā)動機支承承受，從而使其發(fā)生振動。4.3.3 作用在曲柄連桿機構(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、小頭兩個質(zhì)量近似換算的，嚴(yán)格說來，PL不是精確的連桿拉壓單位面積負荷。將PL沿作用線移至圖4-6中的B點，則可進一步分解為：切向力 徑向力 4.3.4 發(fā)動機的扭矩如圖4-7所示，將徑向力k沿