第二章第二章 曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析 •第一节 曲柄连杆机构运动学•第二节 曲柄连杆机构受力分析•第三节 内燃机的转矩动摇与飞轮设计 第一节第一节 曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学 曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学 曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构运动学–内燃机曲柄内燃机曲柄连杆机构的分杆机构的分类和特性参数和特性参数–1、内燃机曲柄、内燃机曲柄连杆机构分杆机构分类–〔〔1〕中心曲柄〕中心曲柄连杆机构杆机构–〔〔2〕偏心曲柄〕偏心曲柄连杆机构目的在于减杆机构目的在于减小膨小膨胀行程活塞行程活塞对气缸的作用力，或在气缸的作用力，或在于减于减轻上止点附近活塞上止点附近活塞对气缸的拍气缸的拍击–〔〔3〕关〕关节曲柄曲柄连杆机构用于少数双杆机构用于少数双列式列式V型及全部三列型及全部三列W型、四列型、四列X型和多型和多列星型内燃机中列星型内燃机中 各种曲柄连杆机构各种曲柄连杆机构 2、特性参数、特性参数 •曲柄半径：曲柄半径：r•连杆杆长度：度：l•曲柄曲柄连杆比：杆比：•偏心距：偏心距：e •偏心率：偏心率： •在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动，且假定其作等速转动。
•1、活塞运动规律•设x为活塞位移〔上止点位置为起点〕，v为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角，β为连杆摆角那么二、中心曲柄连杆机构运动学二、中心曲柄连杆机构运动学 活塞运动规律•整理以上两式后得无量纲化 •对于普通内燃机 ，可把上列各式简化成2、活塞运动规律简化表达式、活塞运动规律简化表达式 其最大误差是， 为0.2% 为0.5% 为1% 三、偏心曲柄连杆机构运动学三、偏心曲柄连杆机构运动学 •普通来说，当偏心率ε>0.1时，其运动情况与中心机构差别较大，需专门处置其运动学特征表现为S>2r，且上、下止点的曲柄转角位置不在特殊位置〔0或180度曲轴转角〕其无量纲运动公式为： 第二节第二节 曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析 •作用在内燃机曲柄连杆机构中的力有缸内气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、支承反力和有效负荷等普通受力分析时忽略摩擦力使受力分析偏于平安所以，在内燃机曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支承反力、有效负荷相平衡 曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析 曲柄连杆机构受力分析曲柄连杆机构受力分析 一、气体作用力一、气体作用力•作用在活塞顶上的气膂力就是内燃机的示功图，示功图可经过任务过程模拟计算〔对新设计内燃机〕或实验方法〔对现有内燃机〕确定。
式中，D为气缸直径； 为气缸内的绝对压力； 为曲轴箱内气体的绝对压力 力的传送与分解力的传送与分解•力的传送情况如下图 •对气缸壁产生侧向力为•连杆力在曲柄销中心产生切向力和法向力•发动机转矩为 AFFlFtFnFlFtFlFcFnFcFhωTTk倾覆力矩为 二、惯性力二、惯性力•要确定曲柄连杆机构的惯性力，必需求先知道其加速度和质量分布前面已求出加速度，下面讨论质量分布问题•1、曲柄连杆机构的质量分布•〔1〕活塞组零件可简单相加，并集中在活塞销中心 1、曲柄连杆机构的质量分布、曲柄连杆机构的质量分布•〔2〕曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的原那么用集中在曲柄半径r处的质量来替代•〔3〕作平面运动的连杆组，根据动力学等效性的普通原那么进展质量换算：•①一切当量质量之和等于连杆组总质量ml•②一切当量质量构成的系统的公共质心与连杆组的质心重合，并按此质心的运动规律运动•③一切当量质量相对经过连杆组质心的轴线的转动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量 连杆质量换算连杆质量换算•往往用大头、小头和质心处的三个质量m1、m2、m3来替代连杆组实践高速机计算阐明，m3与m1、m2相比很小，所以普通简化为两质量系统。
由前两个条件得：• m1=ml(l-l’)/l； m2=mll’/l•所以，曲柄连杆机构的往复质量为• m2 m1•旋转质量为l’l 2、往复惯性力、往复惯性力•单位活塞投影面积的往复惯性力：往复惯性力在曲柄连杆机构中的传送情况与气体作用力很类似，但它不能在内燃机内部自行抵消，所以会引起支反力： 3、旋转惯性力、旋转惯性力旋转惯性力：单位活塞面积旋转惯性力： 三、单缸转矩三、单缸转矩•可以将 和 合成为 ，单缸转矩可计算为： 四、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷四、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷•为了分析轴承副的任务条件，必需知道轴承负荷的大小、方向和作用点在一个任务循环内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表示•作轴颈负荷矢量图时，坐标固定在轴上•作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上 1、曲柄销负荷图、曲柄销负荷图•作用在曲柄销上的载荷 ，除了法向力 和切向力 外，还有连杆大头的旋转质量m2产生的离心力 〔常矢量〕。
FrlFnFtFcp 1、曲柄销负荷图、曲柄销负荷图作用在曲柄销上的载荷 ，除了法向力 和切向力 外，还有连杆大头的旋转质量m2产生的离心力 〔常矢量〕 2、连杆轴承负荷图、连杆轴承负荷图•由于轴颈与轴承上的负荷互为反作用，在任一时辰，它们都大小相等、方向相反，所以对于连杆轴承，将对应 角的负荷 转过 可得连杆轴承负荷β+βFcb 3、主轴颈负荷图、主轴颈负荷图•在任何时辰作用在曲轴某一主轴颈上的负荷决议于此轴颈两侧曲柄销上的负荷 以及曲拐旋转质量的离心力Frc•FCJ=∑FCPi+∑FrciFrcFrc 3、主轴颈负荷图、主轴颈负荷图在任何时辰作用在曲轴某一主轴颈上的负荷决议于此轴颈两侧曲柄销上的负荷 以及曲拐旋转质量的离心力Frc 4、主轴承负荷图、主轴承负荷图•由于轴颈与轴承上的负荷互为反作用，在任一时辰，它们都大小相等、方向相反，所以经过参照系的转换就可从轴颈负荷图得到轴承负荷图•对于主轴承，可将对应 角的主轴颈负荷 顺曲轴旋转方向转过 可得主轴承负荷 主轴承负荷图主轴承负荷图FjbFcj 动力计算用表动力计算用表10203040720 第三节第三节 内燃机的转矩动摇与飞轮设计内燃机的转矩动摇与飞轮设计•一、内燃机的一、内燃机的转矩矩动摇•内燃机的内燃机的总转矩由各缸矩由各缸转矩叠加而成，它矩叠加而成，它即使在即使在稳定工况下也是不断周期性地定工况下也是不断周期性地变化。
化这种种转矩的矩的变化引起化引起倾覆力矩的相覆力矩的相应变化，化，使内燃机使内燃机发生振生振动转矩矩动摇的的缘由主要由主要有两种：有两种：•1、缸内气体、缸内气体压力随曲力随曲轴转角而角而变化化• 2、往复、往复惯性力随曲性力随曲轴转角而角而变化化 内燃机的转矩动摇内燃机的转矩动摇•表征内燃机总转矩变化的目的是不均匀度：式中， 、 和 分别为内燃机总转矩曲线的最大、最小和平均值μ值的大致范围列在表9－1中 表表9－－1 不同缸数四冲程内燃机的不同缸数四冲程内燃机的转矩不矩不均匀度均匀度μ和盈和盈亏功系数功系数ζ缸数转矩不均匀度μ盈亏功系数ζ110～201.1~1.328～150.5~0.83～45～100.2~0.461.5~3.50.06~0.180.6~1.20.01~0.03120.2~0.40.005~0.01 二、飞轮转动惯量确实定二、飞轮转动惯量确实定•μ的存在不仅呵斥倾覆力矩的变化和支反力变化，而且引起转速动摇为理处理这一问题，应加装飞轮所需飞轮转动惯量可以根据运转均匀性要求确定式中，Tm为内燃机阻力矩，假定不随时间而变，因此等于平均转矩；I0为内燃机运动质量总转动惯量。
由动力学根本定律，内燃机转矩T的变化与曲轴角速度ω的动摇之间有如下关系： 飞轮转动惯量确实定飞轮转动惯量确实定•在对应ωmin和ωmax的曲轴转角范围内积分上式，得：式中， 称为盈亏功令：，为一个任务循环的有效功 在中、高速内燃机中，转速动摇不大，因此平均角速度： 飞轮转动惯量确实定飞轮转动惯量确实定•定义:为内燃机的运转不均匀度令： 于是： 式中， 为飞轮转动惯量占内燃机总转动惯量的分数于是有： 飞轮转动惯量确实定飞轮转动惯量确实定•不同用途内燃机对δ的要求：用途δ发电机用1/150~1/200车用1/50实践内燃机飞轮的尺寸常根据阅历选择，然后用实验验证 飞轮转动惯量确实定飞轮转动惯量确实定•飞轮外径受限于飞轮圆周速度，而飞轮圆周速度又受限于资料的强度：材料最大外径圆周速度（m/s）灰铸铁50球墨铸铁70钢飞轮100据统计，车用内燃机飞轮的外径大多是气缸直径的3~4倍。