柴油机的曲柄连杆机构运动及动力特性分析解读

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1、曲柄连杆机构运动及动力特性分析学生姓名：学号：专业：院（系）: 完成时间：摘要本文针对柴油机曲柄连杆机构运动和动力特性分析，运用自己在理论力 学、高等数学、线性代数、工程力学等科目的知识，深入的分析了曲柄连杆机 构在运动过程中的运动规律，并且用代数的方法精确地了得出了机构在运动过 程中机构中主要零件的运动规律和所承爱的力及力矩变化关系式，并且以 EA111喋油机为例，进行了精确的计算。从而为设计曲柄连杆机构和减小发动 机震动提供了理论支持。关键词：曲柄连杆机构；运动分析；力学分析特性目录第1章柴油机介绍 41.1 柴油机概述41.2 柴油机系统的机构及工作原理4第2章柴油机的运动和力析 52.

2、1 曲柄连杆机构的类型 52.2 曲柄连杆机构运动分析62.2.1 活塞位移2.2.2 活塞的速度82.2.3 活塞的加速度92.3 曲柄连杆机构中的作用力 91 .3.1 气缸内工作物质的作用力 92 .3. 2机构的惯性力112.4 本章小结 17第3章 国内外柴油机的发展现状 179人们想起柴油车，总会想起浓烟滚滚、噪音大等等问题，其实随着2003年第三代电控高压共轨喷射系统的发展，噪音问题和柴油机震动问题都有了改善，新一代的柴油发动机在保障噪音低和震动小的前提下，还拥有经济性好， 动力大等优点。这吸引了国际上有关大公司对柴油发动机的热情，也大大促进 了柴油车在国外的销售，如今欧洲柴油车

3、已经抢夺了汽油车的半壁江山，而部 分车型，比如路虎在欧洲90%都是柴油版本。柴油车的优点如此突出，然而振动问题和噪声问题却日益突出，致使其零部件磨损加重、噪声升高、寿命降低、工作条件恶化。柴油机的曲轴是整个 发动机中最重要的零件之一。它的受损及破坏可能引起柴油机其它零件的损 坏，特别是随着发动机的强化与技术发展，使曲轴的工作条件愈发苛刻。曲轴 是柴油机最重要的零部件之一，它的任务是将活塞的往复运动转换为旋转运 动，并向外输出功率。柴油机的可靠性和寿命很大程度取决与曲轴的可靠性。 在周期性变化的动载荷的作用下，柴油机的主要零部件在柴油机工作转速范围 内发生强烈共振，严重影响柴油机工作的可靠性，在

4、深入研究柴油机曲柄连杆 机构工作过程与原理基础上，分析其运动过程于受力情况。本文针对柴油机曲 柄连杆机构运动和动力特性分析，运用自己在理论力学、高等数学、线性代数、 工程力学等科目的知识，深入的分析了曲柄连杆机构在运动过程中的运动规 律，并且用代数的方法精确地了得出了机构在运动过程中机构中主要零件的运 动规律和所承爱的力及力矩变化关系式，并且以EA1113柴油机为例，进行了精确的计算。在本文的末尾还将最近几年在柴油机领域的发展现状做了一个大 致的概括和总结，让我们可以更好地了解柴油机的发展趋势，从而为设计曲柄 连杆机构和减小发动机震动提供了理论支持。第1章柴油机的介绍1.1 柴油机概述柴油机是

5、用柴油作燃料的内燃机。柴油机属于压缩点火式发动机，它又常 以主要发明者狄塞尔的名字被称为狄塞尔引擎。柴油机在工作时，吸入柴油机气缸内的空气，因活塞的运动而受到较高程 度的压缩，达到500700c的高温。然后将燃油以雾状喷入高温空气中，与高 温空气混合形成可燃混合气，自动着火燃烧。燃烧中释放的能量作用在活塞顶 面上，推动活塞并通过连杆和曲轴转换为旋转的机械功。柴油机可按不同特征分类：按转速分为高速、中速和低速柴油机；按燃烧 室的型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式柴油机等；按气缸进气方式分 为增压和非增压柴油机；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置 活塞式柴油机等；按用途分为船用柴油

6、机、工程机械柴油机等。柴油机燃料主要是柴油，通常高速柴油机用轻柴油；中、低速柴油机用轻 柴油或重柴油。柴油机用喷油泵和喷油器将燃油以高压喷入气缸，喷入的燃油 呈雾状，与空气混合燃烧。因此柴油机可用挥发性较差的重质燃料或劣质燃料， 如原油和渣油等。1.2 柴油机结构及工作原理(1)结构柴油机的基本组成部分包括：曲柄连杆机构；配气机构及进排气系统；燃 烧与燃料供给系统；润滑系统；冷却系统；起动系统；增压系统；(2)工作原理柴油机是内燃机的一种，它的工作原理与内燃机中的压燃机完全相同。内 燃机的工作过程，就是按照一定的规律，不断的将燃料和空气送入气缸，并在 气缸内着火燃烧，放出热能。燃气在吸收热量后

7、产生高温高压，推动着活塞做 功降热能转化为机械能。燃料的燃烧，必须有充足的氧气(来自空气)和一定的温度条件下才能实 现。因此，要保证内燃机能够连续的工作，就要不断地将已燃烧做功的废气排出气缸，然后引进新鲜空气和燃料，并通过压缩以获得着火所必需的温度。1、进气过程一一将新鲜空气吸入气缸，提供燃料燃烧时所需要的氧气。燃 烧公斤柴油，理论上需要14.3公斤空气，但由于柴油与空气的混合总是很不 均匀，为了使柴油得到充分燃烧，空气总是要供应的富裕些，一公斤柴油往往 要供给20多公斤空气。2、压缩过程一一将吸入气缸的空气进行压缩，使其温度升高。对柴油机来 讲，压缩后的温度，必须超过柴油的自然点温度（约大于

8、350摄氏度）3、燃烧膨胀过程一一将燃料喷入气缸，与氧气急剧的氧化作用（即燃烧） 放出大量的热量，使气体温度和压力急剧上升，推动活塞做功。4、排气过程一一将膨胀做功后的废气排出，以便再吸入新鲜空气。上述过程周而复始的不断重复进行着，每个过程依次完成一遍称为一个工 作循环。第二章柴油机的运动和力分析2.1曲柄连杆机构的类型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

9、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

10、，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。 2.2曲柄连杆机构运动分析在这儿我们主要讨论中心曲柄连杆机构，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。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

11、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。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。2.2.1活塞位移假设在某一时刻，曲柄转角为

12、a ,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P ,如图2-1所示。当口=0 口时，活塞销中心A在最上面的位置 A,此位置称为上止点。当=180口时，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 a AO =(r+ l ) -(r cos 二 l cos :)1=r( 1 - cosa) + (1 - cos P)(2-1)九式中：九一连杆比。式(2-1)可进一步简化，由图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

13、 u(2-2)将式(2-2)带入式(2-1 )得：1x=r1 - cos a + (1 一 J九2 sin 2 ot )(2-3)九式(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：2222 _14166 _41 一 九 sin a =1 九 sin a since -一 九 sin a _ (2-4 )816把式(2-4)代入式(2-3),并利用三角函数的倍角公式予以化简，最后可得(2-5)x = r (a0 a1 cos：a2 cos2-a4 cos4% cos6 I 川 11a = _ 1a2a4a611315h九416512工工.6

14、4256+ 川 III5-nun(2-6)15125-hihi连杆比九是一个重要的结构设计参数。采用较大的 九(即较短连杆)，可使发 动机高度减小，重量减轻，但同时也使活塞的加速度和连杆的摆角加大，相应 的往复运动质量的惯性力和活塞的测推力加大。与得失相比，对汽车发动机来 说，更重要的是发动机的高度和重量上的得益。所以设计时总要选用短连杆。即使对于较大的连杆来说，式(2-5)中含九的三次以上个高次项的数值也很小，可略去不计，即得活塞位移近似式为x = r(1 -cosa + sin 2a)(2-7)21.1.2 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

15、dx dx da ，.一, sin 2： 、0v 二一二一 一二 r (sin-(2-8)dt da dt2 cos -将式(2-7)对时间t微分，便可求得活塞速度得近似公式为:(2-11)v : r (sin : sin 2： ) = r，sin = r sin 2： = v1v222从式(2-9)可以看出，活塞速度可视为由v1 = rs since与v2 =(九/2)rcc sin 2a两部分简谐运动所组成当0( =0 或180 时，活塞速度为零，活塞在这两点改变运动方向。当0( =90时，v = r,此时活塞得速度等于曲柄销中心的圆周速度。1.1.3 活塞的加速度将式(2-8)对时间t微分，可求得活塞加速度的精确值为:dv a =dt32 一dv da 2rcos2-( . sin 2：、(2-10)r cos 二一3 一da dtcos:4 cos :将式(2.9)对时间t为微分，可求得活塞加速度的近似值为： 222a 让 r。