【正文】 活塞位移?R 活塞速度將活塞的位移 x 對時間求導(dǎo)數(shù)，即得活塞的速度 v。 (43)dtxtv???)2sin(i????r活塞平均速度 )/(30smSnCWD175 柴油機(jī)的活塞速度曲線如圖 42 所示?？梢娀钊俣入S曲軸轉(zhuǎn)角成正弦規(guī)律變化。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析27圖 42 額定工況點單工作循環(huán)活塞速度 活塞加速度將活塞的速度 v 對時間求導(dǎo)數(shù)，即得活塞的加速度 j (44)dtvtj???)2cos(2????rWD175 柴油機(jī)的活塞加速度曲線如圖 43 所示，由圖 43 可見，活塞的加速度隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系曲線近似為弦函數(shù)曲線。圖 4 3 額定工況點單工作循環(huán)活塞加速度 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力分析研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)的受力，主要在于闡明曲柄連桿機(jī)構(gòu)中各種力的作用情況，從而分析內(nèi)燃機(jī)的平衡情況及輸出轉(zhuǎn)矩合轉(zhuǎn)速的均勻情況。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析28當(dāng)內(nèi)燃機(jī)工作時，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力有：（1） 氣缸中氣體壓力；（2） 運動質(zhì)量的慣性力；（3） 外界負(fù)荷對內(nèi)燃機(jī)的阻力；（4） 相對運動件表面的摩擦力等。 以上各力中摩擦力比其他力小很多，故在進(jìn)行受力分析時一般不予考慮。 氣體壓力和慣性力是曲柄連桿機(jī)構(gòu)中最主要的也是數(shù)值最大的力，它們應(yīng)當(dāng)與每一瞬時的外界反作用力相平衡，同時也是曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件受載的主要原因。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析主要是研究氣體壓力和慣性力的作用情況 [21]。 氣體壓力的作用作用在活塞上總的氣體壓力 等于活塞上下倆側(cè)空間內(nèi)的氣體壓力差與活塞頂面積gF的乘積： （45）??639。2104???pDgg?式中 —— 氣缸直徑（mm） ；D —— 氣缸內(nèi)的氣體壓力（kPa） ；gp —— 曲柄箱內(nèi)的氣體壓力（kPa） 。39。 對于一定的內(nèi)燃機(jī)， 值是一定的，故作用在活塞上總的氣體壓力完全取決于活塞上下兩面氣體壓力差（ ） ，即分別取決于 和 的變化規(guī)律。gp39。 gp39。 慣性力的作用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力有兩種：一種是由往復(fù)運動質(zhì)量 所產(chǎn)生的慣性力，簡稱往jm復(fù)慣性力，以 表示；二是由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 所產(chǎn)生的慣性力，簡稱旋轉(zhuǎn)慣性力或離心力，jFrm以 表示，如圖 44 表示 [22]。r柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析29圖 44 代替曲柄連桿機(jī)構(gòu)的簡化質(zhì)量系統(tǒng)和慣性力 為集中在連桿軸頸中心處并作旋轉(zhuǎn)運動的質(zhì)量，它等于簡化到曲柄半徑處的曲柄rm不平衡質(zhì)量與連桿組簡化到大端的一部分質(zhì)量之和。 為集中到活塞銷中心處并作往復(fù)jm直線運動的質(zhì)量，它等于活塞組質(zhì)量與簡化到連桿小端的連桿組質(zhì)量之和。(1) 往復(fù)慣性力當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動時，往復(fù)運動質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力等于： (46)??2122coscosjjjjjjj FRmaF?????????式中 —— 往復(fù)慣性力；j —— 往復(fù)運動質(zhì)量；jm —— 曲柄半徑；R ；??cos21Fjj??。?2jj柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析30 圖 45 活塞往復(fù)慣性力 的方向與活塞加速度方向相反（公式中負(fù)號表示） 。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速一定時， 大小jF ?不變，上式中=常數(shù)2?Rmj? 當(dāng) 時（活塞位于上止點位置） ，往復(fù)慣性力 的絕對值為最大，其值為：0?? jF?????12maxFjj由式（46 ）看出， 的變化情況與加速度的變化情況相似，也是由倆部分組成的。j稱為一級往復(fù)慣性力（簡稱一級慣性力） ，它是曲軸轉(zhuǎn)角的余弦函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，1jF它變化一個周期； 稱為二級往復(fù)慣性力（簡稱二級慣性力） ，它是曲軸轉(zhuǎn)角二倍的曲2jF線函數(shù)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周，它變化兩個周期。(2) 旋轉(zhuǎn)慣性力當(dāng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運動時，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣性力（離心力）的大小為： （47）2?RmFrr??當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)速一定時， 的大小一定，其方向則始終沿曲柄方向向外。r 作用在活塞上的合力及其分解WD175 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力和力矩如圖 46 所示 [23]。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析31圖 46 作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的力和力矩 (1) 作用于活塞上的合力 作用于活塞上的氣體壓力 和慣性力 ，由于作用方向都是沿氣缸中心線，故作gFj用于活塞上的合力 是氣體壓力與往復(fù)慣性力的代數(shù)和(2)： （48）jgF?? 合力將在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生一系列的力和力矩，如圖 46 所示。(2) 合力 的分解F由于連桿的擺動， 除了對連桿產(chǎn)生拉壓力 以外，還對氣缸壁產(chǎn)生側(cè)向力 ，這1 cF時可得 （49）?cos/1F? （410）tanc力 使氣缸在連桿傾斜時受到活塞的側(cè)向推壓，故稱為側(cè)向力。cF連桿力 使連桿軸承受載，并在曲柄銷中心產(chǎn)生切向力 和 ：1 tFn????cosin??Ftn法向力 使曲柄受彎曲，并使主軸承 受載。切向力 與 構(gòu)成力偶 ，這個力偶nFOtF39。tT使內(nèi)燃機(jī)曲軸得以克服外界力矩而旋轉(zhuǎn)，它即為內(nèi)燃機(jī)一個氣缸所發(fā)出的指示轉(zhuǎn)矩，其值為：柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析32????cosin??FRTt 同時，力 又和 合成為 。從圖（48）中可以看出 和 與 大小相等方向39。nF39。t39。1 39。1F39。1平行。下式表 又可分解為沿氣缸中心線方向的 和垂直于氣缸中心線的 兩個分力，并39。1 39。 39。c以示： FF???coss139。139。 ccini39。39。由此看出作用在氣缸壁上的側(cè)壓力 和作用在主軸頸軸承上的側(cè)壓力 大小相等而c 39。cF方向相反，這樣就構(gòu)成了一個與方向相反的力偶 ，其值為kT????RFRFhTck??????????osinsintata上式說明， 和 構(gòu)成的反力矩 與 所產(chǎn)生的指示扭矩 大小相等，但方向相反。c39。 kTt T也就是說當(dāng)內(nèi)燃機(jī)曲軸向外輸出力矩 時也受到一個與外界輸出力矩大小相同的反作用力矩 。它使內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生傾覆，故稱之為傾覆力矩。這一力矩不可能在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部平衡掉，kT而只能由內(nèi)燃機(jī)支承來承受，因而它是使內(nèi)燃機(jī)整機(jī)不平衡的因素。圖 47 額定工況單工作循環(huán)活塞與氣缸間的摩擦力額定工況點活塞與缸套之間的摩擦力如圖 47 所示，圖中出現(xiàn)階越是因為活塞運動方向改變，摩擦力方向也發(fā)生改變所致 [24]。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析33額定工況點 R175 單循環(huán)輸出扭矩如圖 48 所示。圖 48 額定工況下 WD175 柴油機(jī)輸出扭矩圖曲柄銷的切向、徑向及合力如圖 4410 所示。 (a) 曲柄銷所受切向力 (b) 曲柄銷所受徑向力圖 49 曲柄銷中心切向、徑向受力特性曲線圖 410 曲柄銷中心所受合力特性曲線 圖 49 (a)所示，曲柄銷所受切向力是由連桿的所受力所傳遞過去的，此力對主軸頸中心簡化后將得到一力偶，即柴油機(jī)的指示扭矩。49 (b)為曲柄銷中心所受徑向力曲線，該力沿曲柄臂傳到主軸頸，再傳到軸承上。圖 410 為兩力的合力曲線關(guān)系。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析34 小結(jié)本章對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動情況和受力情況做了詳細(xì)、全面的分析，研究了氣體壓力和慣性力的作用情況，為分析內(nèi)燃機(jī)的平衡情況及輸出轉(zhuǎn)矩合轉(zhuǎn)速的均勻情況提供理論依據(jù)。 第 5 章 結(jié)論對柴油發(fā)動機(jī)的熱力學(xué)過程進(jìn)行了分析；建立了其工作過程的具有氣、固耦合的動力學(xué)模型；用 Matlab 語言編制仿真軟件，對柴油發(fā)動機(jī)的工作過程受力特征，及動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。柴油發(fā)動機(jī)額定工況點運轉(zhuǎn)不均勻度為 %，滿足一般使用場合。油門開度為 30%～100%，轉(zhuǎn)速為 1200r/min～3400r/min 的工況內(nèi)，運轉(zhuǎn)不均勻度為%～,平均為 %；燃油消耗率為 ～；機(jī)械效率為%～81%；輸出功率為 ～，絕大多數(shù)工況下的經(jīng)濟(jì)性、動力性較好。但熱效率和機(jī)械效率有進(jìn)一步提高的潛力，這需要利用本設(shè)計對柴油發(fā)動機(jī)的特性進(jìn)行全面、深入的分析，由于時間所限，本設(shè)計沒有展開這方面的工作。柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析35謝 辭本課題是在惠民電大任光利老師的細(xì)心指導(dǎo)下完成的。任老師為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵，他淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，一絲不茍的作風(fēng)，踏踏實實的精神使我終身受益。在畢業(yè)設(shè)計完成之際，謹(jǐn)向任老師致以最崇高的敬意和衷心的感謝！ 謹(jǐn)向其他幫助和關(guān)心我的老師和同學(xué)表示誠摯的謝意！最后，感謝惠民電大為我的畢業(yè)設(shè)計提供優(yōu)越的條件！對辛勤培養(yǎng)我的各位老師表示最誠懇的敬意和感激之情！柴油發(fā)動機(jī)及其曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力分析36參考文獻(xiàn)[1] 周龍保，劉巽俊，：機(jī)械工業(yè)出版社，2022，7：36～38.[2] ：機(jī)械工業(yè)出版社，2022：53～58.[3] .北京：北京理工大學(xué)出版社，1990：75～76.[4] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988：4951.[5] 陸耀祖，田維鐸主編. 內(nèi)燃機(jī)構(gòu)造與原理. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1986：134～139.[6] ：中國鐵道出版社，1992，4：18～20.[7] .武昌：華中工學(xué)院出版社，1984：43～45.[8] 鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)院編 .：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計出版社，1981：138～142.[9] 宋守信主編 . 內(nèi)燃機(jī)增壓技術(shù). 上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1993：116～124.[10] （1~5 ）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991：63～64. 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