【已】曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動及動力特性分析

1、青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系2015屆畢業(yè)論文曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動及動力特性分析 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 專 業(yè)： 班 級： 年 月 日 目錄前 言11. 柴油機(jī)的介紹11.1 柴油機(jī)概述11.2 柴油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理22. 柴油機(jī)的運(yùn)動和力分析22.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型22.1.1 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)22.1.2 偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)32.1.3 主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)32.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析32.2.1 活塞位移42.2.2 活塞的速度52.2.3 活塞的加速度52.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力52.3.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力62.3.2 機(jī)構(gòu)的慣性力72.4 本章小結(jié)123. 國內(nèi)

2、外柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀12結(jié)論14參考文獻(xiàn)14致 謝16摘 要：本文針對柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動和動力特性分析，運(yùn)用自己在理論力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程力學(xué)等科目的知識，深入的分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中的運(yùn)動規(guī)律，并且用代數(shù)的方法精確地了得出了機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中機(jī)構(gòu)中主要零件的運(yùn)動規(guī)律和所承愛的力及力矩變化關(guān)系式，并且以EA1113柴油機(jī)為例，進(jìn)行了精確的計算。從而為設(shè)計曲柄連桿機(jī)構(gòu)和減小發(fā)動機(jī)震動提供了理論支持。 關(guān)鍵詞：曲柄連桿機(jī)構(gòu)，運(yùn)動分析，力學(xué)分析特性前 言人們想起柴油車，總會想起濃煙滾滾、噪音大等等問題，其實(shí)隨著2003年第三代電控高壓共軌噴射系統(tǒng)的發(fā)展，噪音問題和柴油機(jī)震動問題都有

3、了改善，新一代的柴油發(fā)動機(jī)在保障噪音低和震動小的前提下，還擁有經(jīng)濟(jì)性好，動力大等優(yōu)點(diǎn)。這吸引了國際上有關(guān)大公司對柴油發(fā)動機(jī)的熱情，也大大促進(jìn)了柴油車在國外的銷售，如今歐洲柴油車已經(jīng)搶奪了汽油車的半壁江山，而部分車型，比如路虎在歐洲90都是柴油版本。柴油車的優(yōu)點(diǎn)如此突出， 然而振動問題和噪聲問題卻日益突出，致使其零部件磨損加重、噪聲升高、壽命降低、工作條件惡化。柴油機(jī)的曲軸是整個發(fā)動機(jī)中最重要的零件之一。它的受損及破壞可能引起柴油機(jī)其它零件的損壞，特別是隨著發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化與技術(shù)發(fā)展，使曲軸的工作條件愈發(fā)苛刻。曲軸是柴油機(jī)最重要的零部件之一，它的任務(wù)是將活塞的往復(fù)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并向外輸出功率。

4、柴油機(jī)的可靠性和壽命很大程度取決與曲軸的可靠性。在周期性變化的動載荷的作用下，柴油機(jī)的主要零部件在柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈共振，嚴(yán)重影響柴油機(jī)工作的可靠性，在深入研究柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)工作過程與原理基礎(chǔ)上，分析其運(yùn)動過程于受力情況。1本文針對柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動和動力特性分析，運(yùn)用自己在理論力學(xué)、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程力學(xué)等科目的知識，深入的分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中的運(yùn)動規(guī)律，并且用代數(shù)的方法精確地了得出了機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中機(jī)構(gòu)中主要零件的運(yùn)動規(guī)律和所承愛的力及力矩變化關(guān)系式，并且以EA1113柴油機(jī)為例，進(jìn)行了精確的計算。在本文的末尾還將最近幾年在柴油機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀做了一個大致

5、的概括和總結(jié)，讓我們可以更好地了解柴油機(jī)的發(fā)展趨勢，從而為設(shè)計曲柄連桿機(jī)構(gòu)和減小發(fā)動機(jī)震動提供了理論支持。1. 柴油機(jī)的介紹1.1 柴油機(jī)概述柴油機(jī)是用柴油作燃料的內(nèi)燃機(jī)。柴油機(jī)屬于壓縮點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)，它又常以主要發(fā)明者狄塞爾的名字被稱為狄塞爾引擎。柴油機(jī)在工作時，吸入柴油機(jī)氣缸內(nèi)的空氣，因活塞的運(yùn)動而受到較高程度的壓縮，達(dá)到500700的高溫。然后將燃油以霧狀噴入高溫空氣中，與高溫空氣混合形成可燃混合氣，自動著火燃燒。燃燒中釋放的能量作用在活塞頂面上，推動活塞并通過連桿和曲軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功。 柴油機(jī)可按不同特征分類：按轉(zhuǎn)速分為高速、中速和低速柴油機(jī)；按燃燒室的型式分為直接噴射式、渦流室式和

6、預(yù)燃室式柴油機(jī)等；按氣缸進(jìn)氣方式分為增壓和非增壓柴油機(jī)；按氣體壓力作用方式分為單作用式、雙作用式和對置活塞式柴油機(jī)等；按用途分為船用柴油機(jī)、工程機(jī)械柴油機(jī)等。柴油機(jī)燃料主要是柴油，通常高速柴油機(jī)用輕柴油；中、低速柴油機(jī)用輕柴油或重柴油。柴油機(jī)用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸，噴入的燃油呈霧狀，與空氣混合燃燒。因此柴油機(jī)可用揮發(fā)性較差的重質(zhì)燃料或劣質(zhì)燃料，如原油和渣油等。31.2 柴油機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理(1)結(jié)構(gòu)柴油機(jī)的基本組成部分包括：曲柄連桿機(jī)構(gòu)；配氣機(jī)構(gòu)及進(jìn)排氣系統(tǒng)；燃燒與燃料供給系統(tǒng)；潤滑系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；起動系統(tǒng)； 增壓系統(tǒng)；(2)工作原理柴油機(jī)是內(nèi)燃機(jī)的一種，它的工作原理與內(nèi)燃機(jī)中的

7、壓燃機(jī)完全相同。內(nèi)燃機(jī)的工作過程，就是按照一定的規(guī)律，不斷的將燃料和空氣送入氣缸，并在氣缸內(nèi)著火燃燒，放出熱能。燃?xì)庠谖諢崃亢螽a(chǎn)生高溫高壓，推動著活塞做功降熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。燃料的燃燒，必須有充足的氧氣（來自空氣）和一定的溫度條件下才能實(shí)現(xiàn)。因此，要保證內(nèi)燃機(jī)能夠連續(xù)的工作，就要不斷地將已燃燒做功的廢氣排出氣缸，然后引進(jìn)新鮮空氣和燃料，并通過壓縮以獲得著火所必需的溫度。1、進(jìn)氣過程將新鮮空氣吸入氣缸，提供燃料燃燒時所需要的氧氣。燃燒公斤柴油，理論上需要14.3公斤空氣，但由于柴油與空氣的混合總是很不均勻，為了使柴油得到充分燃燒，空氣總是要供應(yīng)的富裕些，一公斤柴油往往要供給20多公斤空氣。2、

8、壓縮過程將吸入氣缸的空氣進(jìn)行壓縮，使其溫度升高。對柴油機(jī)來講，壓縮后的溫度，必須超過柴油的自然點(diǎn)溫度（約大于350攝氏度）3、燃燒膨脹過程將燃料噴入氣缸，與氧氣急劇的氧化作用（即燃燒）放出大量的熱量，使氣體溫度和壓力急劇上升，推動活塞做功。4、排氣過程將膨脹做功后的廢氣排出，以便再吸入新鮮空氣。上述過程周而復(fù)始的不斷重復(fù)進(jìn)行著，每個過程依次完成一遍稱為一個工作循環(huán)。42. 柴油機(jī)的運(yùn)動和力分析2.1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型 內(nèi)燃機(jī)中采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的型式很多，按運(yùn)動學(xué)觀點(diǎn)可分為三類，即:中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)。2.1.1 中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲

9、軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的V形內(nèi)燃機(jī)，以及對置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。2.1.2 偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是氣缸中心線垂直于曲軸的回轉(zhuǎn)中心線，但不通過曲軸的回轉(zhuǎn)中心，氣缸中心線距離曲軸的回轉(zhuǎn)軸線具有一偏移量e。這種曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以減小膨脹行程中活塞與氣缸壁間的最大側(cè)壓力，使活塞在膨脹行程與壓縮行程時作用在氣缸壁兩側(cè)的側(cè)壓力大小比較均勻。 2.1.3 主副連桿式曲柄連桿機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是內(nèi)燃機(jī)的一列氣缸用主連桿，其它各列氣缸則用副連桿，這些連桿的下端不是直接接在曲柄銷上，而是通過副連桿銷

10、裝在主連桿的大頭上，形成了“關(guān)節(jié)式”運(yùn)動，所以這種機(jī)構(gòu)有時也稱為“關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)”。在關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中，一個曲柄可以同時帶動幾套副連桿和活塞，這種結(jié)構(gòu)可使內(nèi)燃機(jī)長度縮短，結(jié)構(gòu)緊湊，廣泛的應(yīng)用于大功率的坦克和機(jī)車用V形內(nèi)燃機(jī)。2.2 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析在這兒我們主要討論中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是氣缸中心線通過曲軸的旋轉(zhuǎn)中心，并垂直于曲柄的回轉(zhuǎn)軸線。這種型式的曲柄連桿機(jī)構(gòu)在內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用最為廣泛。一般的單列式內(nèi)燃機(jī)，采用并列連桿與叉形連桿的V形內(nèi)燃機(jī)，以及對置式活塞內(nèi)燃機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)都屬于這一類。5中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖2-1所示，圖2-1中氣缸中心線通過曲軸中心O，OB為曲柄，AB為連桿

11、，B為曲柄銷中心，A為連桿小頭孔中心或活塞銷中心。當(dāng)曲柄按等角速度旋轉(zhuǎn)時，曲柄OB上任意點(diǎn)都以O(shè)點(diǎn)為圓心做等速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，活塞A點(diǎn)沿氣缸中心線做往復(fù)運(yùn)動，連桿AB則做復(fù)合的平面運(yùn)動，其大頭B點(diǎn)與曲柄一端相連，做等速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，而連桿小頭與活塞相連，做往復(fù)運(yùn)動。在實(shí)際分析中，為使問題簡單化，一般將連桿簡化為分別集中于連桿大頭和小頭的兩個集中質(zhì)量，認(rèn)為它們分別做旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動，這樣就不需要對連桿的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行單獨(dú)研究。圖2-1 曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖活塞做往復(fù)運(yùn)動時，其速度和加速度是變化的。它的速度和加速度的數(shù)值以及變化規(guī)律對曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及發(fā)動機(jī)整體工作有很大影響，因此，研究曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律的主

12、要任務(wù)就是研究活塞的運(yùn)動規(guī)律。 2.2.1 活塞位移假設(shè)在某一時刻，曲柄轉(zhuǎn)角為，并按順時針方向旋轉(zhuǎn)，連桿軸線在其運(yùn)動平面內(nèi)偏離氣缸軸線的角度為，如圖2-1 所示。當(dāng)=時，活塞銷中心A在最上面的位置A1，此位置稱為上止點(diǎn)。當(dāng)=180時，A點(diǎn)在最下面的位置A2，此位置稱為下止點(diǎn)。此時活塞的位移x為:x=(r+) = （2-1）式中：連桿比。式（2-1）可進(jìn)一步簡化，由圖2-1可以看出：即 又由于 （2-2）將式（2-2）帶入式（2-1）得： x= （2-3）式（2-3）是計算活塞位移x的精確公式,為便于計算，可將式（2-3）中的根號按牛頓二項(xiàng)式定理展開，得： （2-4）把式(2-4)代入式(2-3

13、)，并利用三角函數(shù)的倍角公式予以化簡，最后可得 （2-5） （2-6）連桿比是一個重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。采用較大的 (即較短連桿)，可使發(fā)動機(jī)高度減小，重量減輕，但同時也使活塞的加速度和連桿的擺角加大，相應(yīng)的往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量的慣性力和活塞的測推力加大。與得失相比，對汽車發(fā)動機(jī)來說，更重要的是發(fā)動機(jī)的高度和重量上的得益。所以設(shè)計時總要選用短連桿。6即使對于較大的連桿來說，式(2-5)中含的三次以上個高次項(xiàng)的數(shù)值也很小，可略去不計，即得活塞位移近似式為 （2-7）2.2.2 活塞的速度 將活塞位移公式（2.1）對時間t進(jìn)行微分，即可求得活塞速度的精確值為 (2-8)將式（2-7）對時間微分，便可求得活塞

14、速度得近似公式為： （2-9）從式（2-9）可以看出，活塞速度可視為由與兩部分簡諧運(yùn)動所組成。當(dāng)或時，活塞速度為零，活塞在這兩點(diǎn)改變運(yùn)動方向。當(dāng)時，此時活塞得速度等于曲柄銷中心的圓周速度。2.2.3 活塞的加速度 將式（2-8）對時間微分，可求得活塞加速度的精確值為： （2-10）將式（2.9）對時間為微分，可求得活塞加速度的近似值為： （2-11）因此，活塞加速度也可以視為兩個簡諧運(yùn)動加速度之和，即由與兩部分組成。2.3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的作用力作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的力分為：缸內(nèi)氣壓力、運(yùn)動質(zhì)量的慣性力、摩擦阻力和作用在發(fā)動機(jī)曲軸上的負(fù)載阻力。由于摩擦力的數(shù)值較小且變化規(guī)律很難掌握，受力分析時把

15、摩擦阻力忽略不計。而負(fù)載阻力與主動力處于平衡狀態(tài)，無需另外計算，因此主要研究氣壓力和運(yùn)動質(zhì)量慣性力變化規(guī)律對機(jī)構(gòu)構(gòu)件的作用。7計算過程中所需的相關(guān)數(shù)據(jù)參照EA1113柴油機(jī)。則由式（2-10）計算氣壓力如表2-2所示。2.3.1 氣缸內(nèi)工質(zhì)的作用力 作用在活塞上的氣體作用力等于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差與活塞頂面積的乘積，即： （2-12）式中：活塞上的氣體作用力，； 缸內(nèi)絕對壓力，； 大氣壓力，； 活塞直徑，。由于活塞直徑是一定的，活塞上的氣體作用力取決于活塞上、下兩面的空間內(nèi)氣體壓力差，對于四沖程發(fā)動機(jī)來說，一般取=0.1，,對于缸內(nèi)絕對壓力，在發(fā)動機(jī)的四個沖程中，計算結(jié)果如表2-1

16、所示： 表2-1 缸內(nèi)絕對壓力計算結(jié)果四個沖程終點(diǎn)壓力計算公式計算結(jié)果/進(jìn)氣終點(diǎn)壓力0.08壓縮終點(diǎn)壓力1.46膨脹終點(diǎn)壓力0.45排氣終點(diǎn)壓力0.115注：平均壓縮指數(shù)，=1.321.38；壓縮比，=9.3；平均膨脹指數(shù)，=1.21.30；最大爆發(fā)壓力，=35，取=4.5；此時壓力角=，取=。表2-2 氣壓力計算結(jié)果四 個 沖 程/進(jìn)氣終點(diǎn)77.23壓縮終點(diǎn)-102.97膨脹終點(diǎn)7001.933排氣終點(diǎn)1801.9682.3.2 機(jī)構(gòu)的慣性力慣性力是由于運(yùn)動不均勻而產(chǎn)生的，為了確定機(jī)構(gòu)的慣性力，必須先知道其加速度和質(zhì)量的分布。加速度從運(yùn)動學(xué)中已經(jīng)知道，現(xiàn)在需要知道質(zhì)量分布。實(shí)際機(jī)構(gòu)質(zhì)量分布很

17、復(fù)雜，必須加以簡化。為此進(jìn)行質(zhì)量換算。（1）機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量換算質(zhì)量換算的原則是保持系統(tǒng)的動力學(xué)等效性。質(zhì)量換算的目的是計算零件的運(yùn)動質(zhì)量，以便進(jìn)一步計算它們在運(yùn)動中所產(chǎn)生的慣性力。8 1)連桿質(zhì)量的換算連桿是做復(fù)雜平面運(yùn)動的零件。為了方便計算，將整個連桿（包括有關(guān)附屬零件）的質(zhì)量用兩個換算質(zhì)量和來代換，并假設(shè)是集中作用在連桿小頭中心處，并只做往復(fù)運(yùn)動的質(zhì)量；是集中作用在連桿大頭中心處，并只沿著圓周做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的質(zhì)量，如圖2-2所示：圖2-2 連桿質(zhì)量的換算簡圖為了保證代換后的質(zhì)量系統(tǒng)與原來的質(zhì)量系統(tǒng)在力學(xué)上等效，必須滿足下列三個條件： 連桿總質(zhì)量不變，即。 連桿重心的位置不變，即。 連桿相對重

18、心G的轉(zhuǎn)動慣量不變，即。其中，連桿長度，為連桿重心至小頭中心的距離。由條件可得下列換算公式：用平衡力系求合力的索多邊形法求出重心位置。將連桿分成若干簡單的幾何圖形，分別計算出各段連桿重量和它的重心位置，再按照索多邊形作圖法，求出整個連桿的重心位置以及折算到連桿大小頭中心的重量和 ，如圖2-3所示：圖2-3 索多邊形法22）往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量活塞（包括活塞上的零件）是沿氣缸中心做往復(fù)直線運(yùn)動的。它們的質(zhì)量可以看作是集中在活塞銷中心上，并以表示。質(zhì)量與換算到連桿小頭中心的質(zhì)量之和，稱為往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量，即。 3）不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量曲拐的不平衡質(zhì)量及其代換質(zhì)量如圖2-4所示： 圖2-4 曲拐的不平衡質(zhì)量

19、及其代換質(zhì)量曲拐在繞軸線旋轉(zhuǎn)時，曲柄銷和一部分曲柄臂的質(zhì)量將產(chǎn)生不平衡離心慣性力，稱為曲拐的不平衡質(zhì)量。9 為了便于計算，所有這些質(zhì)量都按離心力相等的條件，換算到回轉(zhuǎn)半徑為的連桿軸頸中心處，以表示，換算質(zhì)量為：式中：曲拐換算質(zhì)量，； 連桿軸頸的質(zhì)量，； 一個曲柄臂的質(zhì)量，；曲柄臂質(zhì)心位置與曲拐中心的距離，。質(zhì)量與換算到大頭中心的連桿質(zhì)量之和稱為不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量，即由上述換算方法計算得：往復(fù)直線運(yùn)動部分的質(zhì)量=0.583，不平衡回轉(zhuǎn)質(zhì)量=0.467。（2）曲柄連桿機(jī)構(gòu)的慣性力把曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動件的質(zhì)量簡化為二質(zhì)量和后，這些質(zhì)量的慣性力可以從運(yùn)動條件求出，歸結(jié)為兩個力。往復(fù)質(zhì)量的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量

20、的旋轉(zhuǎn)慣性力。1）往復(fù)慣性力 （2-13）式中：往復(fù)運(yùn)動質(zhì)量，； 連桿比； 曲柄半徑，； 曲柄旋轉(zhuǎn)角速度，； 曲軸轉(zhuǎn)角。是沿氣缸中心線方向作用的，公式（2-13）前的負(fù)號表示方向與活塞加速度的方向相反。其中曲柄的角速度為： （2-14）式中：曲軸轉(zhuǎn)數(shù)，；已知額定轉(zhuǎn)數(shù)=5800，則；曲柄半徑=40.23，連桿比=0.250.315，取=0.27，參照附錄表2：四缸機(jī)工作循環(huán)表，將每一工況的曲軸轉(zhuǎn)角代入式（2-13），計算得往復(fù)慣性力，結(jié)果如表2-3所示表2-3 往復(fù)慣性力計算結(jié)果四 個 沖 程/進(jìn)氣終點(diǎn)-10519.68壓縮終點(diǎn)6324.5膨脹終點(diǎn)-10519.68排氣終點(diǎn)6324.512）旋轉(zhuǎn)

21、慣性力 （2-15） （3）作用在活塞上的總作用力由前述可知，在活塞銷中心處，同時作用著氣體作用力和往復(fù)慣性力，由于作用力的方向都沿著中心線，故只需代數(shù)相加，即可求得合力 （2-16）計算結(jié)果如表2-4所示。（4）活塞上的總作用力分解與傳遞如圖2-5所示，首先，將分解成兩個分力：沿連桿軸線作用的力，和把活塞壓向氣缸壁的側(cè)向力，其中沿連桿的作用力為： （2-17）而側(cè)向力為： （2-18）表2-4 作用在活塞上的總作用力四個沖程氣壓力/往復(fù)慣性力/總作用力/進(jìn)氣終點(diǎn)77.23-10519.681-10442.45壓縮終點(diǎn)-102.976324.56221.54膨脹終點(diǎn)7001.933-10519

22、.681-3517.747排氣終點(diǎn)1801.9686324.58126.478圖2-5 作用在機(jī)構(gòu)上的力和力矩連桿作用力的方向規(guī)定如下：使連桿受壓時為正號，使連桿受拉時為負(fù)號，缸壁的側(cè)向力的符號規(guī)定為：當(dāng)側(cè)向力所形成的反扭矩與曲軸旋轉(zhuǎn)方向相反時，側(cè)向力為正值，反之為負(fù)值。當(dāng)=時，根據(jù)正弦定理，可得：求得 將分別代入式（2-17）、式（2-18），計算結(jié)果如表2-5所示:表2-5 連桿力、側(cè)向力的計算結(jié)果四個沖程連桿力/側(cè)向力/進(jìn)氣終點(diǎn)-10717.128-2410.83壓縮終點(diǎn)6385.191436.356膨脹終點(diǎn)-3610.278-812.136排氣終點(diǎn)8340.2371896.923力通過

23、連桿作用在曲軸的曲柄臂上，此力也分解成兩個力，即推動曲軸旋轉(zhuǎn)的切向力，即 （2-19）和壓縮曲柄臂的徑向力，即 （2-20）規(guī)定力和曲軸旋轉(zhuǎn)方向一致為正，力指向曲軸為正。求得切向力、徑向力見如表2-6所示:表2-6 切向力、徑向力的計算結(jié)果四個沖程切向力/徑向力/進(jìn)氣終點(diǎn)-3040.242-10276.856壓縮終點(diǎn)1811.3556122.8789膨脹終點(diǎn)-1024.17-346.964排氣終點(diǎn)2365.967997.612.4 本章小結(jié)本章首先分析了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，重點(diǎn)分析了活塞的運(yùn)動，在此基礎(chǔ)上分析了每個工作過程的氣體壓力變化情況，進(jìn)一步推導(dǎo)出各過程氣體力的理論計算公式，進(jìn)行了機(jī)

24、構(gòu)中運(yùn)動質(zhì)量的換算，并根據(jù)一個給定的柴油機(jī)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算出了各過程的氣體力，為后面的探討柴油機(jī)的運(yùn)動及制造過程提供了理論支持。3. 國內(nèi)外柴油機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀法國出生的德裔工程師狄塞爾，在1897年研制成功可供實(shí)用的四沖程柴油機(jī)。由于它明顯地提高了熱效率而引起人們的重視。起初，柴油機(jī)用空氣噴射燃料，附屬裝置龐大笨重，只用于固定作業(yè)。二十世紀(jì)初，開始用于船舶，1905年制成第一臺船用二沖程柴油機(jī)。1922年，德國的博施發(fā)明機(jī)械噴射裝置，逐漸替代了空氣噴射。二十世紀(jì)20年代后期出現(xiàn)了高速柴油機(jī)，并開始用于鉆井。到了50年代，一些結(jié)構(gòu)性能更加完善的新型系列化、通用化的柴油機(jī)發(fā)展起來，從此柴油機(jī)進(jìn)入了

25、專業(yè)化大量生產(chǎn)階段。特別是在采用了廢氣渦輪增壓技術(shù)以后，柴油機(jī)已成為現(xiàn)代動力機(jī)械中最重要的部分。1956年由德國的莫勒所發(fā)明油膜式燃燒室。燃燒室位于活塞頂內(nèi)，呈球形。燃料噴向燃燒室壁面，大部分燃油在強(qiáng)渦流作用下噴涂在燃燒室壁面上，形成很薄的油膜，小部分燃油霧化分布在燃燒室空間并首先著火，隨后即引燃從壁面上蒸發(fā)的燃料。這種燃燒室可使工作過程柔和，燃燒完全，聲輕無煙，并可使用輕質(zhì)燃料；缺點(diǎn)是低溫時起動較困難。10 現(xiàn)在柴油機(jī)發(fā)展過程中常見的應(yīng)用技術(shù)有：一、渦流式燃燒室由渦流室和主燃燒室組成。渦流室位于氣缸蓋上，呈球形或倒鐘形，占總壓縮容積的5080，有切向通道與主燃燒室相通。在壓縮行程時，壓入渦流

26、室的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流運(yùn)動，促使噴入其中的燃料與空氣混合。著火后混合物流入主燃燒室，形成二次流動，進(jìn)一步與主燃燒室內(nèi)的空氣混合燃燒。10 二、電控燃油噴射系統(tǒng)帶來更大的功率、更少的碳煙排放、更小的噪音和更佳的經(jīng)濟(jì)性。此技術(shù)可在cat3508B型柴油機(jī)上見到應(yīng)用。其相關(guān)參數(shù)如表2-1。表2-1 3508B型發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格3508B型發(fā)動機(jī)技術(shù)規(guī)格額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）1500到1800空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）650汽缸數(shù)和排列60°V型8缸缸徑170毫米（6.7英寸）行程190毫米（7.5英寸）型式4行程壓縮比141空氣吸入方式渦輪增壓式冷卻渦輪增壓空氣的方法單獨(dú)回路后冷器汽缸排量4.3升（26

27、3立方英寸）總排量34.5升（2105立方英寸）旋轉(zhuǎn)方向（從飛輪端看）逆時針方向燃油參看操作和保養(yǎng)手冊保養(yǎng)部分中“燃油技術(shù)規(guī)格”吸油方法電子式單體噴油器起動方法電啟動排氣系統(tǒng)設(shè)計背壓2.5千帕（10英寸水柱）最大容許背壓5.0千帕（20英寸水柱）進(jìn)氣的最大阻力6.2千帕（25英寸水柱）空氣濾清器單濾芯進(jìn)氣門間隙0.50毫米（0.020英寸）排氣門間隙1.00毫米（0.039英寸）三、一體式燃燒室比以前的預(yù)燃式燃燒室減少了熱量損失，冷啟動變得更容易，以前選裝的缸體加熱裝置也沒有必要再安裝了。即使在零下10度，新加熱塞設(shè)計能使加熱周期縮短10秒。一體式燃燒室允許更低的壓縮比(18.5：1或19.5

28、：1對老機(jī)型的22：1或23：1)，可以降低發(fā)動機(jī)的噪音和震動，進(jìn)而提升耐久性。四、最后一種是高壓共軌噴射系統(tǒng)，它的概念有點(diǎn)類似于汽油機(jī)噴射系統(tǒng)，只不過油軌內(nèi)的壓力提高了1000倍。中央油泵把高壓油送入油軌，在油軌上對應(yīng)每缸有相應(yīng)的電磁閥控制燃油進(jìn)入噴嘴。盡管說起來簡單，但超高壓使系統(tǒng)建造并不容易。這套系統(tǒng)應(yīng)用在180馬力2.5升V6機(jī)和3.3升V8機(jī)型上。五、渦輪增壓。渦輪增壓器的作用是增加發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，使功率和扭矩都有較大幅度的增長。它工作起來就像一臺微型航空發(fā)動機(jī)，渦輪位于柴油機(jī)排氣系統(tǒng)上，把排氣能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動能，驅(qū)動壓縮機(jī)把更多的進(jìn)氣送入燃燒室。增壓器與發(fā)動機(jī)沒有任何的機(jī)械連接，因此不會消耗發(fā)動機(jī)的能量，其潤滑和冷卻由發(fā)動機(jī)上引出的機(jī)油來完成。六、安全控制智能化。柴油機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求有符合規(guī)格的柴油、機(jī)油、冷卻水足量的供應(yīng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的暢通，否則在柴油機(jī)運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)各種事故損壞柴油機(jī)，國外生產(chǎn)的柴油機(jī)如沃爾沃、卡特兩款柴油機(jī)在電控的基礎(chǔ)上加裝了智能配件，在機(jī)油不足冷卻水溫度過高、及進(jìn)排氣系統(tǒng)堵塞的情況下自動停車，避免了對柴油機(jī)的損壞。11 柴油機(jī)具有熱效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范