曲柄连杆机构的动力分析.pdf

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1、EquipmentManufactringTechnologyNo.5，2010曲柄连杆机构的动力分析穆帅（天津工业大学机电学院，天津300160）摘要：曲柄连杆机构是往复式内燃机的主要工作机构。动力学仿真结果的分析，发现曲柄连杆机构偏心距及曲轴质心位置对机构中的动态力有较大影响。笔者在曲柄连杆机构理论分析的基础上，利用多体动力学理论、三维造型软件Pro/E对曲柄连杆机构的动力学问题进行了编程计算和虚拟样机仿真模拟分析，对今后同类型的研究乃至更大规模的仿真分析积累了一些经验。关键词：曲柄连杆机构；动力分析；多体动力学；仿真分析中图分类号：TH113文献

2、标识码：A文章编号：1672-545X（2010）05-0012-02曲柄连杆机构是往复式内燃机的主要工作机构，是发动的β值取正值；机实现工作循环、完成能量转换的主要运动零件。w———曲轴旋转角速度，顺时针方向为正。1.2偏心式曲柄连杆机构1曲柄连杆机构的运动分析偏心式曲柄连杆机构的特点和应用（取内燃机为例）：（1）当R、y的值相同时，偏心式曲柄连杆机构内燃机的活塞做功行程较大；曲柄连杆机构在做功冲程，将燃料燃烧产生的热能推动（2）当e＞0时（图示情况），（a2-a1）＞180°，增加了进气活塞往复运动、曲轴旋转运动，而转变为机械能，对外输出动时间；力

3、；在其他冲程，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带（3）当e＞0时，由于βmax（最大爆发压力出现时的连杆摆动活塞上下运动，为下一次做功创造条件。角）在膨胀过程中减小，活塞侧压力随之减小，提高了内燃机曲柄连杆机构有中心式和偏心式两种形式，的机械效率；1.1中心式曲柄连杆机构（4）在e＜0的条件下，偏心式曲柄连杆机构在膨胀行程中心式曲柄连杆机构是指中心线通过曲轴的旋转中心，开始的时候，其气缸容积的变化速度较大，可使p2减小些，有偏心式是指曲轴的旋转中心偏离中心线一段距离。其结构如利于改善零件的受力情况；图1所示。（5）偏心式曲柄连杆机构不能翻转，适用于

4、小型柴油机，卧式柴油机采用偏心式曲柄连杆机构可以稍微降低整机高度。AA11活塞在气体压力的作用下，作往复运动，通过连杆将活塞xyxyAA的往复运动转化为曲轴的旋转运动，Al、A2分别为活塞上止SS点和下止点。在对连杆机构进行运动学、动力学分析时，通常1β+S1A2近似地认为曲轴作匀速旋转运动，以此为条件来推导机构的RAα1β2运动规律。2BB1S1αBαBR2曲柄连杆机构的动力分析oo1αo2ωeωB2B2曲柄连杆机构的动力分析，是内燃机结构设计的基础。主x要分析曲柄连杆机构中载荷的分布情况，并从中找出产生内燃（a）中心式曲柄连杆机构（b）偏心式曲柄连

5、杆机构机振动、曲轴旋转不均匀和不平衡惯性力的原因，从而确定改图1曲柄连杆机构结构善内燃机动力性能的措施。动力分析还为内燃机主要零件的的强度、刚度、磨损、震动和轴承负荷等计算提供必要的数据。图中，偏心式曲柄连杆机构和中心式曲柄连杆机构，在工作过L———连杆长度，指连杆大、小头孔中心的距离；程中大致相同，不同之处主要有：R———曲柄半径，指曲柄中心与曲轴旋转中心的距离；（1）对于偏心式曲柄连杆机构，当活塞运行到上止点位置α———曲轴转角，指曲轴偏离中心线的角度；时，连杆中心线并不与活塞中心线重合，而是有一个夹角，然β———连杆摆角，指连杆中心线在其摆动平面

6、内偏离气缸后随着曲轴的运动夹角先变小至零然后再变大，可见偏心式中心线的角度，顺曲轴转向而向右偏离气缸中心线机构可以减少活塞侧压力；收稿日期：2010-02-19作者简介：穆帅（1986—），男，天津武清区人，大学本科生，研究方向：机械工程及自动化。12《装备制造技术》2010年第5期（2）由于偏心距的影响，在气体压力的作用下，内燃机的机体受到侧倾力矩和偏心力矩的共同作用，内燃机的侧倾力矩脚是两者的合力；因为偏心式曲柄连杆机构能够减小由气体压力作用而产生的活塞侧压力，所以在曲轴输出扭矩相等的前提下，偏心式曲柄连杆机构内燃机的侧倾力矩小于曲轴输出扭矩；（3

7、）在往复惯性力的作用下，内燃机的机体也受到侧倾力矩的作用，但力矩时增时减。因此当内燃机的往复惯性压力大于燃气压力时(在进气和排气行程)，偏心式曲柄连杆机构就不能发挥减小活塞侧压力的优点了。通过理论的分析，可以得到曲柄连杆机构间的很多运动图2装配模型和动力关系式，它们都是关于曲柄连杆机构的动力学理论分在机构装配完成后，可对装配机构进行简单的机构运动析，以及计算曲轴转角和连杆与活塞中心线夹角β的解析式，仿真，以在前期发现机构运动是否正确，以及零件间是否存在这些公式的计算十分复杂，过去通常采用解析式的简化式进干涉现象。行计算，或者采用图解法求得近似解。这些近

8、似解往往和真实情况存在误差，不能很好地指导工程设计人员进行计算。近年4曲柄连杆机构刚体模型的转