第２７卷第１１期 计算机仿真 ２０１０年１１月
文章编号：１００６—９３４８（２０１０）ｌ１—０２７８—０５
发动机曲柄连杆机构动力学仿真分析平台研究
杜爱民 ，杜玉彪 ，楼狄明 ，黄晓东
（１．同济大学汽车学院，上海２０１８０４；２．长沙中联重工科技发展股份有限公司，湖南长沙４１０２０５）
摘要：在研究发动机结构问题时，为更广泛地对各种类型发动机曲柄连杆机构进行快速准确的运动学和动力学性能分析，提 出了搭建曲柄连杆机构动力学仿真分析平台，基于机械系统仿真分析软件ＭＳＣ．ＡＤＡＭＳ的动力学分析原理，并采用平台流 程实现了对某发动机曲柄连杆机构的多刚体和多柔体系统动力学仿真分析，得到了零部件的运动学和动力学优化结果，为 机构的优化设计以及后续整机振动噪声的分析预测提供了依据，同时也验证了仿真分析流程的合理性，为建立数字化发动 机的整机仿真分析平台提供了借鉴。 关键词：仿真分析平台；曲柄连杆机构；动力学分析；多刚体；多柔体 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标识码：Ｂ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ Ｃｒａｎｋ ａｎｄ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
ＤＵ Ａｉ—ｍｉｎ ，ＤＵ Ｙｕ—ｂｉａｏ ，ＬＯＵ Ｄｉ—ｍｉｎｇ ，Ｈｕａｎｇ Ｘｉａｏ—ｄｏｎｇ
（（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｚｏｏｍｌｉｏｎ Ｈｅａｖｙ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｈｕｎａｎ ４１０２０５，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｒａｎｋ ａｎｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｄｉｖｅｒｓｉ—
曲柄连杆机构的结构分析及其应用
张再宇
摘要：机械机构是社会实践活动中不可缺少的重要组成部分，曲柄连杆机构更是机械机构中不可或缺重要的组成部分；由此对曲柄连杆机构进行了研究，用曲柄和连杆来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄滑块机构。曲柄连杆机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆，分别由曲柄连杆机构的结构特点、工作特点、设计难点，曲柄滑块机构的应用范围及其应用实例，以及曲柄连杆机构的最新动态，国内外研究现状进行了调查。
关键词：曲柄滑块；动力学运动分析；连杆
引言：
制造业是一个国家经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家的经济实力、科技水平和国防实力。曲柄连杆机构是机械机构重要的组成部分。曲柄连杆机构由于可以实现旋转运动与直线运动之间的变换，并可以实现急回运动，所以在机械设备中得到广泛的应用，如冲压机械、惯性筛、自动送料机构、冲床、剪床和往复活塞式发动机等。随着机械工业化的发展，机械优化设计方法越来越受到设计者的重视，采用优化设计方法能有效地提高设计效率和设计的精度要求，而曲柄连杆又是现代机械设备常用的一种传动设备，本文对该机构进行了以下研究：
1. 曲柄连杆机构特点
1.1 曲柄连杆机构的工作特点与设计难点
曲柄连杆机构是内燃机中的主要受力部件，曲柄连杆机构的工作环境非常恶劣，曲柄连杆机构面临的是高温、高压、高速、和化学腐蚀。曲柄每转一周（二冲程内燃机）或者两周（四冲程内燃机）为一个变化周期。实际上，内燃机的工况是不断变化的，特别是作为车用动力时。因此，作用在曲柄连杆机构上的力是随着工况的不断变化而变化的。内燃机的工况一般由转速和功率来衡量。内燃机曲柄连杆机构的设计是为了解决工作过程中惯性力的平衡以及改进结构来减少活塞对汽缸壁的侧压力，并且降低内燃机内的振动，但内燃机工作环境的瞬变使得这些都非常困难。在工作过程中，活塞顶部受力变化十分复杂，上下运动时活塞对汽缸壁产生很大的侧压力，这样就降低了内燃机的工作效率，活塞环也容易磨损；连杆做复杂的平面运动并且质量较大，平面运动产生的惯性力也不能忽视，连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响；曲轴飞轮的模态对内燃机的布置方式和工作场合的约束因素较多，设计难点较大。传统的方法是对结构进行简化计算并与样机试验结合进行设计。这种方法得到的结构存在着很大的误差，且劳动强度大，开发周期长，浪费人力和物力。现在设计都是借助计算机辅助设计手段，降低劳动强度，缩短开发周期。但仍有一些难题无法解决，如机构连接处动摩擦和零件变形等，有待进一步完善。
第二章：曲柄连杆机构受力分析
2-1写出中心曲柄连杆机构活塞的运动规律表达式，并说出位移、速度和加速度的用途。
答：X = r[(1-cosα)+ λ/4(1-cos2α)] = XⅠ+XⅡ;
V = rω(sinα+sin2α*λ/2) = vⅠ+vⅡ;
a = rω2(cosα+λcos2α) = aⅠ+aⅡ;
用途：
1）活塞位移用于P-φ示功图与P-V示功图的转换，气门干涉的校验及动力计算；
2）活塞速度用于计算活塞平均速度Vm= =18 m/s，用于判断强化程度及计算功率，计算最大素的Vmax，评价汽缸的磨损；
3）活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行平衡分析及动力计算。
2-2气压力Pg和往复惯性力Pj的对外表现是什么？有什么不同？
答：气压力Fg的对外表现为输出转矩，而Fj的对外表现为有自由力产生使发动机产生的纵向振动。 不同：除了上述两点，还有
Fjmax < Fgmax
Fj总是存在，但在一个周期内其正负值相互抵消，做功为零；Fg是脉冲性，一个周期内只有一个峰值。
2-3 解：连杆力：；侧向力：；
曲柄切向力：；径向力：；
证明：输出力矩：；
翻倒力矩：
==.
所以翻倒力矩与输出力矩大小相等方向相反。
2-4 解：1，假设每一缸转矩都一样，是均匀的，仅仅是工作时刻即相位不同。如果第一缸的转矩为，则第二缸的转矩为，；
第一主轴颈所受转矩；
第二主轴颈所受转矩；
第三主轴颈所受转矩；
第３７卷第６期 ２００９年ｌ１月 石 油 钻 探 技 术 ＰＥｑ、Ｒ（）Ｉ ＥＵＭ ＤＲＩＩ Ｉ ＩＮＧ ＴＥＣＩＩＮ１ＱＵＥＳ Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．６ ＮＯＶ．，２００９
．．设备与工具
钻井泵曲柄连杆机构的受力分析研究
张洪生 迟 明 李向荣 张华光
（１．兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 ７３００５０；２．中国石油长庆油田分公司油气工艺技术研究院，陕西西安７１００２１）
摘要：钻井泵的动力传递一般都由对心式曲柄连杆机构实现，曲柄连杆机构在高压条件下做变速运动，受力 极其复杂。从活塞力、惯性力、摩擦力和力矩等方面对传动机构进行了受力分析，并给出了相关的计算公式。通过 动力计算分析，确定了钻井泵动力端机构中的作用力、惯性力及惯性力矩，从而为钻井泵零部件强度、刚度及稳定 性校核提供了理论依据。 关键词：钻井泵；曲柄连杆；受力分析；校核
中图分类号：ＴＥ９２６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１。Ｏ卜Ｏ８９０（２００９）０６—００７０—０４
曲柄连杆机构在钻井泵动力端的功用是，把原动
机的旋转运动转变为活塞（柱塞）的往复运动，从而把
原动机的机械能传递给被输送的液体。曲柄连杆机
构在高压下做变速运动，因而受力极其复杂，有活塞
力、运动构件质量力（包括构件惯性力和重力）、摩擦
力以及作用在曲轴上的驱动力等。其中摩擦力与许
多因素相关，很难精确计算，一般情况下因与活塞力
比较，其很小，可以忽略不计。上述各种力作用在动
力端的各有关零件上，使它们受到不同形式的载荷，
产生变形、磨损和振动。因此，分析传动端曲柄连杆
机构的受力情况，是钻井泵设计的基础和关键环节。
ｌ钻井泵工作原理
３ＮＢ２２００型钻井泵动力端结构总成见图１。 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７
Ｉ曲轴；２传动轴总成；３．连杆；４动力端搁糟系统；５十字头；６介杆；７机壳
图１ ３ＮＢ２２００型钻井泵动力端总成
钻井泵动力端主要由传动轴总成、曲轴总成、润
