曲柄连杆机构运动及动力特性分析
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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EA1113柴油机为例,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.......................... .. (4)1.1柴油机概述 (4)1.2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 (5)2.1曲柄连杆机构的类型 (5)2.2曲柄连杆机构运动分析 (6)2.2.1活塞位移 (7)2.2.2活塞的速度 (8)2.2.3活塞的加速度 (9)2.3曲柄连杆机构中的作用力 (9)2.3.1气缸内工作物质的作用力 (9)2.3.2机构的惯性力 (11)2.4本章小结 (17)第3章国内外柴油机的发展现状 (17)前言人们想起柴油车,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。
第三章曲柄机构受力分析3.1曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构的任务是将活塞的往复运动转化为曲柄的旋转运动,在往复活塞式汽车发动机中基本上采用两种曲柄连杆机构;中心曲柄连杆机构;偏心曲柄连杆机构。
(l)、中心曲柄连杆机构:其气缸轴线通过曲轴轴线。
这种机构的运动特性完确定,其中r为曲柄半径,L为连杆长度(连杆大小头孔中心间距全由连杆比λ=rι离)(2)、偏心曲柄连杆机构:其气缸轴线偏离曲柄轴线。
这种机构的特性参数除连杆比λ,还有偏心率ξ=℮,其中ℯ为气缸轴线相对曲轴轴γ线的偏移量。
下面讨论应用最广泛的中心曲柄连杆结构的运动学。
3.1.1中心曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构在汽车发动机中应用最广泛。
机构简图如图3一1所示。
它在运动时,活塞A作往复直线运动,曲柄OB作旋转运动,连杆AB作平面复合运动。
研究曲柄连杆机构图运动学的重点是研究活塞的运动规律,因为曲柄的运动状态比较简单,连杆的运动虽然较复杂,但可把它看成一部分随活塞A运动,另一部分随连杆轴径B运动,其运动所引起的其他后果对我们所研究的问题影响较小。
图3一2中,O点表示曲轴中心,A点表示活塞销中心位置、也就是活塞的位置,OB表示曲柄半径:,AB表示连杆长度l。
曲柄转角α是从气缸轴线顺着曲柄转动方向度量。
当α二0º时,对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在上止点位置;当α﹦180º时,对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在下止点位置。
β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度,称为连杆摆动角,逆时针为正、顺时针为负。
下面分别研究曲柄、活塞和连杆的运动规律:1、曲柄运动通常近似地认为汽车发动机中曲柄是作匀谏转动,其转角α=360π60t=6nt度。
式中t表示时间,n表示汽车发动机转速(转/分)。
角速度ω=dαdt =πn30弧度/秒≈常数。
因为认为曲柄是作匀速转动,所以ω一个参数确定了曲轴的运动状态。
2、活塞位移从图3一2可知,活塞位移:Χ=ΑΑ=ΑΟ−ΑΟ=ΑΟ−ΑC−CO=r+L−r cosα−L cosβ=r1+1λ−cosα+1λcosβ由上式知,位移x与r有关,不同型号的汽车发动机r是不一样的,为了便于比较分析不同大小汽车发动机活塞位移变化规律,常引用无量纲位移(又称位移系数)χ=χr,即用χ与r的相对值表示变化规律。
第一章绪论1.1内燃机概述汽车自19世纪诞生至今,已经有100多年的历史了。
汽车工业从无到有,以惊人的速度在发展着,汽车工业给人类的近代文明带来翻天覆地的变化,在人类的文明进程中写下了宏伟的篇章。
汽车工业是衡量一个国家是否强大的重要标准之一,而内燃机在汽车工业中始终占据核心的地位。
内燃机是将燃料中的化学能转变为机械能的一种机器。
由于内燃机的热效率高(是当今热效率最高的热力发动机)、功率范围广、适应性好、结构简单、移动方便、比质量(单位输出功率质量)轻、可以满足不同要求等特点,已经广泛的应用于工程机械、农业机械、交通运输(陆地、内河、海上和航空)和国防建设事业当中。
因此,内燃机工业的发展对整个国民经济和国防建设都有着十分重要的作用。
1.1.1世界内燃机简史内燃机的出现和发明可以追溯到1860年,来诺伊尔(J.J.E.Lenoir1822~1900年)首先发明了一种叫做大气压力式的内燃机,这种内燃机的大致工作过程是:空气和煤气在活塞的上半个行程被吸入气缸内,然后混合气体被火花点燃;后半个行程是膨胀行程,燃烧的煤气推动着活塞下行,然后膨胀做功;活塞上行时开始排气。
这种内燃机和现代主流的四冲程内燃机相比,在燃烧前没有压缩行程,但基本思想已经有了雏形。
这种内燃机的热效率低于5%,最大功率只有4.5KW,1860~1865年间,共生产了约5000台。
1867年奥拓(Nicolaus A.Otto,1832~1891年)和浪琴(Eugen Langen,1833~1895年)发明了一种更为成功的大气压力式内燃机。
这种内燃机是利用燃烧所产生的缸内压力,随着缸内压力的升高,在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构,他们的动量将使得缸内产生真空,然后大气压力推动活塞内行。
齿条则通过滚轮离合器和输出轴相啮合,然后输出功率。
这种发动机的热效率可以达到11%,共生产了近5000台。
由于煤气机必须使用气体燃料,而当时的气体燃料的来源非常困难,这从某种意义上讲就阻碍了煤气机的进一步发展。
汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析摘要:本文对汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性进行分析,创建D6114B发动机的仿真动力学模型,利用ANSYS有限元分析软件软件得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据,分别对活塞、曲轴、连杆的受力进行分析,研究进油口、润滑油槽位置布置,为发动机机械构造设计提供参考。
关键字:发动机;曲柄连杆机构;动力学曲柄连杆机构的动力学特性对于汽车发动机的可靠性、振动效果、噪声等有很大关联,利用机械系统动力学有限元分析平台(ANSYS)创建D6114B发动机的仿真动力学模型,分析发动机曲柄连杆机构的曲轴、连杆的模态数据,对准确的掌握D6114B发动机曲柄连杆机构的零部件动力学特性具有一定的参考价值。
1. 汽车发动机曲柄连杆机构动力学模型汽车发动机曲柄连杆机构是由缸体、曲轴、连杆、飞轮活塞,构成。
上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构如图1所示图1上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构图缸体与曲轴连接铰链中有一条为转动铰链,其余为圆柱铰链,飞轮与曲轴固定,连接杆与曲轴之间的连接采用转动铰链,其大头一端连接曲轴,小头一端连接活塞,活塞与缸体之间采用圆柱铰链连接。
利用以上模型的各个部件的几何位置参数和质量参数建立CAD数据模型,传入给机械系统动力学有限元分析平台(ANSYS)进行分析和计算,活塞1-8作用在各缸体气压力学特性输入ANSYS如图1所示:图1 发动机各缸气体压力特性得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据结果如表1所示模态阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10频率124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1841.1 947.2模态阶数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20频率1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 17451862.5 2394.92. 曲柄连杆机构动力学分析当对活塞逐级施加压力0-12/104pa,对应曲轴转速2200r/min,活塞运动其对气缸的侧推力在-7804~6960N之间周期性变化,侧推力对汽缸壁的磨损影响很大。
总结曲柄连杆机构知识点一、曲柄连杆机构的结构原理1.曲柄连杆机构的基本结构及工作原理曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞组成,是将旋转运动转换为直线运动的重要机构。
当曲柄进行旋转运动时,连杆受到曲柄的驱动而进行周期性的往复运动,从而带动活塞在缸体内做往复运动。
曲柄连杆机构常用于内燃机中,将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动,从而驱动汽缸内的工作介质进行工作。
2.曲柄连杆机构的分类曲柄连杆机构根据曲柄与连杆的相对位置和连接方式可以分为直线型曲柄连杆机构、旋转型曲柄连杆机构、曲柄与连杆垂直的曲柄连杆机构等。
这些不同类型的曲柄连杆机构在结构上有所差异,但其基本工作原理是相似的,都是通过曲柄的旋转运动将活塞做往复运动。
3.曲柄连杆机构的优缺点曲柄连杆机构具有结构简单、运动平稳、传动效率高等优点,适用于很多工程领域。
但是也存在一些缺点,比如体积较大、重量较重、制造成本高等,因此在一些特殊情况下可能不适用。
二、曲柄连杆机构的运动分析1.曲柄连杆机构的运动轨迹分析曲柄连杆机构中曲柄的运动轨迹是一个圆周,而连杆的运动轨迹是一个椭圆。
在曲柄连杆机构中,连杆在曲柄的带动下进行往复运动,其运动轨迹是连杆机构设计中需要重点考虑的问题之一。
2.曲柄连杆机构的速度和加速度分析曲柄连杆机构中的速度和加速度分析是设计和计算的重要内容。
通过对曲柄连杆机构的速度和加速度进行分析,可以确定连杆的运动规律,为机构的设计和优化提供依据。
3.曲柄连杆机构的动力分析曲柄连杆机构的动力分析是指针对机构的动力传递和能量转换进行的分析。
通过对曲柄连杆机构的动力分析,可以确定机构的工作性能和能量损失情况,为机构的优化设计提供技术支持。
三、曲柄连杆机构的设计计算1.曲柄连杆机构设计的基本原则曲柄连杆机构的设计需要遵循一定的原则,包括结构合理、运动平稳、传动效率高等。
在设计曲柄连杆机构时,需要充分考虑这些原则,确保机构能够满足工程需求。
2.曲柄连杆机构设计的计算方法曲柄连杆机构的设计计算方法主要包括曲柄长度的设计、连杆长度的设计、活塞行程的设计等。
曲柄连杆机构运动分析曲柄连杆机构运动分析四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动是较复杂的机械运动。
曲轴做旋转运动,连杆做平动,活塞是直线往复运动。
在用Pro/Engineer 做曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示[20]:(1)设置曲轴、连杆和活塞的连接。
为使机构能够按照预定的方式运动,须分别在曲轴与机体之间、连杆与曲轴之间、活塞与连杆之间添加销钉。
在活塞与机体之间添加滑动杆连接。
(2)定义伺服电动机。
利用伺服电动机驱动曲轴转动。
(3)建立运动分析。
(4)干涉检验与视频制作。
(5)获取分析结果。
7.1 活塞及连杆的装配7.1.1 组件装配的分析与思路活塞组件主要包括活塞、活塞销和活塞销卡环,连杆由连杆体和连杆盖两部分组成,将活塞组与连杆组分别组装,工作时用螺栓和螺母将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起,用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起[21]。
7.1.2 活塞组件装配步骤1、向组件中添加活塞新建组件文件,运用【添加元件】,将活塞在缺省位置,完成装配。
2、向组件中添加活塞销卡环(1)在“约束类型”中选择“对齐”选项,将卡环中心轴与活塞销孔中心轴对齐;(2)选择“匹配”选项,将卡环外圆曲面与卡环槽曲面相匹配,完成两个活塞销卡环的装配。
3、向组件中添加活塞销(1)选择“对齐”选项,将活塞销中心轴与活塞销座孔的中心轴对齐;(2)选择“匹配”选项,将活塞销端面与卡环端面相匹配,完成活塞销的装配。
装配结果如图7.1所示:图7-1 活塞组装配结果Figure7-1Piston assembly results7.1.3 连杆组件的装配步骤1、向组件中添加连杆体新建组件文件,运用【添加元件】,将连杆体添加在“缺省”位置,完成连杆体的装配。
2、向组件中添加连杆衬套(1)选择“插入”选项,将连杆衬套的外侧圆柱面与连杆小头孔内侧圆柱面以插入的方式相配合。
(2)选择“对齐”选项,将连杆衬套的中心轴和连杆小头孔的中心轴对齐,完成连杆衬套的装配。