[工学]曲柄连杆机构受力分析
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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。
第三节 曲柄连杆机构的受力分析及其平衡导入:① 考研所需② 新教学大纲要求,利用数学方法解决实际工程问题实例 ③ 内燃机中唯一对外传力和动力输出部分 ④ 要想了解受力必须先掌握运动 ⑤ 要想了解运动必须先了解结构一、曲柄连杆机构的运动规律1、机构运动简图图中, L---连杆长度…2、活塞的位移:设曲柄以顺时针角速度ω转动,且当转过α角时,连杆与活塞轨迹线夹角为β,此时活塞从上止点下移x, 则有:x=R+L-OA=R+L-(OC+AC) 又因为:OC=Rcos α AC=Lcos β所以:x=R+L- Rcos α- Lcos β (1)在公式(1)中,α、R 、L 已知,故应将β也转化成已知量,为此令:R/L λ (2)∵ Sin α=BC/R, Sin β=BC/L ∴R=BC/ sin α L=BC/ Sin β∴ λ= R/L=S i nαBC ×BC S i nβ=S i nαS i nβ∴ Sin β=λSin α又 ∵ cos β=β2sin 1- ∴ cos β=αsin λ122-上式中∵λ、α已知∴β可求。
但是,∵β是瞬时变化的,精确得到cos β很麻烦而且,从工程实践角度出发,没必要非常精确,∴根据牛顿二项式将上式展开得:cos β8421αs i n λ421αs i n λ21αs i n λ1884422⨯⨯⨯-⨯⨯-⨯-=…… 而一般来讲,λ=1/3---1/4,且,Sin α<1 若从第三项忽略不计,则cos β≈21sin 122⨯-αλ (3)将(2)、(3)式代入(1)得:x=R+L-R cos α-L(1-αλ22sin 21)= R+L-R cos α-L+αλ22sin 21L 又因为L=λR∴x=R- R cos α+αλ2sin 21R= R (1- cos α+αλ2sin 21)……书中公式,该式还可进一步简化为= R[(1- cos α)+αλ2sin 241⨯]= R[(1- cos α)+λ41(1- cos2α)]=x 1+x 2 x 1= R(1- cos α) x 2= R λ41(1- cos2α)3、活塞的运动速度导入:活塞的平均速度Vm=2R ω/1000π=S ×n ×10-3/30;是对其在0---π内的瞬时速度进行积分再除以π所得,Vm 的大小表明了该发动机的强化程度,而其在某一瞬时的速度可有下式导出:V=αωααd dx dt d d dx dt dx ⨯=⨯==ωr(sin α+1/2λsin2α)=v 1+v 2 4、活塞的加速度a===⨯=αωααd dvdt d d dv dt dv ωRcos α+λcos2α)=a 1+a 2 其中:a 1为第一简谐加速度,a 2为第二加速度5、活塞的运动规律线图由右式可得其运动线图如下(1)、线图(2)、分析①、x线图②、v线图(v指向曲轴轴心为正,离开为负;)③、a线图(3)、结论①、尽管ω大致可以认为是匀速,但活塞的运动速度基本成正弦曲线规律②、由于速度的变化导致加速度也按一定的规律变化,从而产生惯性力,引起发动机的冲击和振动(活塞从上向下时,前半程F j向上;后半程F j向下。