基于曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)的曲軸設(shè)計

董建偉

摘 要：曲軸對發(fā)動機(jī)來說很重要。發(fā)動機(jī)的大小跟質(zhì)量，甚至于可靠性和壽命都受到了曲軸尺寸的影響。在發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進(jìn)的過程中，曲軸的設(shè)計與改進(jìn)亦占據(jù)著無可替代的地位。通過對發(fā)動機(jī)整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，剖析發(fā)動機(jī)曲軸在發(fā)動機(jī)上的功能，通過計算發(fā)動機(jī)運(yùn)作時熱力學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)的曲線圖像變化直管地觀察曲軸的運(yùn)動規(guī)律。

關(guān)鍵詞：曲柄連桿機(jī)構(gòu)；曲軸；P-V圖；動力學(xué)計算

1 概述

曲軸作為發(fā)動機(jī)的主要旋件主要的作用就是為了將活塞的上下往復(fù)運(yùn)動以及飛輪的慣性選擇轉(zhuǎn)化為發(fā)動機(jī)的動能，因此它也是整個機(jī)械系統(tǒng)的動力源。在設(shè)計曲軸的時候需要注意跟整車性能相匹配。這也為如何設(shè)計出質(zhì)量優(yōu)良的曲軸提供了方向。因此，如何設(shè)計出符合結(jié)合當(dāng)代環(huán)保的觀點(diǎn)的曲軸，具有十分重大的研究意義。

曲軸的前端（又名自由端），若干個由主軸頸、連桿軸頸和曲柄組成的曲拐，曲軸的后端（也被稱為功率輸出端），都是曲軸的基本結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

整體式曲軸和組合式曲軸是最常見的兩種類型。整體式曲軸的各曲拐及前后端為一個整體，其剛性好。當(dāng)代的汽車發(fā)動機(jī)不少都采整體式曲軸用來提高發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的緊湊性。組合式曲軸的各曲拐用連接件銜接成一體，使用時必須搭配隧道式氣缸體。它的制造成本低，因此便于系列化生產(chǎn)。

2 參數(shù)計算分析

2.1 發(fā)動機(jī)的基本參數(shù)

（1）平均有效壓力Pm的確定：

式中：Vf-氣缸工作容積（單缸），4Vf=1.6L，pem-平均有效壓力，kPa，Pm-發(fā)動機(jī)有效功，81kW，n-曲軸轉(zhuǎn)速，r/min，i-氣缸數(shù)，值為4，？子-沖程數(shù)，值為4，可以求得平均有效壓力pm=1.05MPa

（2）缸徑D、活塞行程S、活塞平均速度cm的確定

式中：D-發(fā)動機(jī)缸徑，mm，S-發(fā)動機(jī)行程，mm，n-曲軸轉(zhuǎn)速，r/min，Sh-活塞面積，mm2，S-發(fā)動機(jī)行程，m，cm-活塞平均速度，m/s。

查閱資料得知，S/D的取值范圍為0.7～1.0，同時汽油機(jī)活塞平均速度范圍在12m/s～18m/s之間，經(jīng)過多次取值運(yùn)算后，最終取定S/D=0.95。圓整得缸徑D=81mm，行程S=77mm。圓整后求得活塞平均速度cm=14.8m/s。

（3）角速度？棕的計算及曲軸半徑rq的計算

帶入已知數(shù)據(jù)，圓整后得到角速度？棕=607 rad/s，曲軸半徑rq=40.5mm。

（4）氣缸中心距及其與缸徑的比值Lx /D、曲柄半徑與連桿長度比值？姿=rq/l的計算

式中：l-連桿長度，mm，rq-曲軸半徑，mm。

根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)，選取=0.28。帶入已求數(shù)據(jù)，通過計算得到氣缸中心距Lx=1.18D=94mm，連桿長度l=144mm。

（5）壓縮比？著的選取

一定范圍內(nèi)，汽油機(jī)熱效率與壓縮比成正比，但是壓縮比的提高會增加機(jī)械負(fù)荷，影響汽油機(jī)的使用壽命。查閱資得知車用汽油機(jī)壓縮比在6～12之間，而使用93號汽油的汽油機(jī)壓縮比在7.5～9.0之間，??？著=8.3。

（6）氣體體積Vq及燃燒室容積Vr的計算，？著=V1/Vr=1+Vf /Vr

式中：V1-氣體體積，mL，Vr-燃燒室容積，mL

根據(jù)已知條件，將數(shù)據(jù)帶入上述公式后得到氣體體積Vr=54.79mL，V1=454.76mL。

2.2 P-V圖的繪制

2.2.1 P-V圖參數(shù)計算

（1）壓縮行程

壓縮行程起始點(diǎn)的壓力P1值為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣終點(diǎn)壓力P0的0.8～0.9，而P0的范圍為0.080～0.092MPa，選定壓縮始點(diǎn)壓強(qiáng)P0=0.091MPa，P1=0.83P0，則始點(diǎn)壓力P1=0.075MPa將壓縮過程簡化為絕熱過程，此過程的絕熱指數(shù)一般在1.32～1.38之間，最終確定取絕熱指數(shù)n1=1.33。由熱力學(xué)知識可知： 初始狀態(tài)下P1=0.075MPa，V1=454.76mL，壓縮終點(diǎn)氣體體積Vr=54.79mL，求得Pr=1.25MPa。

（2）膨脹過程

2.2.2 理論P(yáng)-V圖與實際P-V圖的繪制

根據(jù)絕熱壓縮過程初始和終了的體積與壓力、絕熱膨脹過程初始和終了的體積與壓力，取20個值；壓縮增壓過程和膨脹減壓過程各取11個值，并根據(jù)數(shù)值用excel軟件畫出P-V圖如圖1所示。

3 理想P-V圖向?qū)嶋HP-V圖的轉(zhuǎn)化

實際上，發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程比理想的繁雜，它的最高壓力不在上止點(diǎn)，另外點(diǎn)火提前角、排氣提前角都需要修正，所以曲線圖也需要做一些適當(dāng)?shù)男拚?/p>

最大爆發(fā)壓力：實際壓力一般為理論值的2/3，則具體加熱終點(diǎn)壓力值為

點(diǎn)火提前角導(dǎo)致壓縮終點(diǎn)的壓力相對于原來提高，取原來的3/2；排氣提前角導(dǎo)致在膨脹終點(diǎn)壓力小于原先的壓力，取原來的2/3。調(diào)整后的得到數(shù)據(jù)記錄在附表2中，實際P-V圖如圖2所示。

4 曲柄連桿機(jī)構(gòu)動力學(xué)計算

中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)、偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)是最常見的三種曲柄連桿機(jī)構(gòu)。其中，中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)用的頻率最高，并且最常見，所以本次設(shè)計選擇中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為曲柄連桿機(jī)構(gòu)的類型。在發(fā)動機(jī)參數(shù)的計算中，已選??？姿=0.28，且求得連桿長度l=144mm。按照活塞運(yùn)動時做圓周運(yùn)動的規(guī)律，每隔10°取一次曲軸轉(zhuǎn)角？椎，運(yùn)用Excel軟件分別計算得出活塞的位移、速度和加速度分別相對應(yīng)的數(shù)值，并用繪制出它們分別對應(yīng)的曲線圖。

4.1 活塞位移量X

由活塞位移公式為：

其中：r-曲柄半徑，已求得數(shù)值為40.5mm，？姿-連桿比，已取為0.28，？椎、？茁-曲軸轉(zhuǎn)角，單位為度（°）因為連桿比小于1/3，因此活塞位移公式可以簡化為：

經(jīng)計算后，得活塞位移量，運(yùn)用Excel軟件算出活塞位移的數(shù)據(jù)記錄在附錄3，作出圖如圖3所示。

4.2 活塞速度V

由資料可知，活塞速度公式為：

其中：r-曲柄半徑，已求得數(shù)值為40.5mm；？姿-連桿比，已取為0.28，？椎-曲軸轉(zhuǎn)角，單位為度（°）

運(yùn)用Excel算出各轉(zhuǎn)角時刻的活塞速度數(shù)據(jù)，記錄在附錄3中，并作出圖如圖4。

5 結(jié)束語

通過本設(shè)計取得的主要結(jié)論有：（1）汽油機(jī)的缸徑最好在100mm以內(nèi)，否則發(fā)動機(jī)會容易發(fā)生爆震。（2）曲軸在結(jié)構(gòu)上是采用整體式能保證其擁有足夠的強(qiáng)度和剛度；同時，采取平衡塊措施，曲軸不會使發(fā)動機(jī)發(fā)生振動，可以加長發(fā)動機(jī)和曲軸自身的使用壽命。（3）連桿以及活塞的部分尺寸影響著曲軸的尺寸。（4）往復(fù)慣性力只與缸徑、初始?xì)鈮阂约八矔r氣壓有關(guān)。（5）雖然裝配式的平衡塊更加容易更換損壞件，但是容易因為旋轉(zhuǎn)而導(dǎo)致曲軸的磨損加劇。對裝配時候的螺絲要求很高。

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