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        基于曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)的曲軸設(shè)計

        2017-05-11 17:32:38董建偉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年1期
        關(guān)鍵詞:曲軸

        董建偉

        摘 要:曲軸對發(fā)動機來說很重要。發(fā)動機的大小跟質(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)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進的過程中,曲軸的設(shè)計與改進亦占據(jù)著無可替代的地位。通過對發(fā)動機整體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識,剖析發(fā)動機曲軸在發(fā)動機上的功能,通過計算發(fā)動機運作時熱力學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)的曲線圖像變化直管地觀察曲軸的運動規(guī)律。

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

        1 概述

        曲軸作為發(fā)動機的主要旋件主要的作用就是為了將活塞的上下往復(fù)運動以及飛輪的慣性選擇轉(zhuǎn)化為發(fā)動機的動能,因此它也是整個機械系統(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)動機不少都采整體式曲軸用來提高發(fā)動機結(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)動機缸徑,mm,S-發(fā)動機行程,mm,n-曲軸轉(zhuǎn)速,r/min,Sh-活塞面積,mm2,S-發(fā)動機行程,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,同時汽油機活塞平均速度范圍在12m/s~18m/s之間,經(jīng)過多次取值運算后,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),汽油機熱效率與壓縮比成正比,但是壓縮比的提高會增加機械負(fù)荷,影響汽油機的使用壽命。查閱資得知車用汽油機壓縮比在6~12之間,而使用93號汽油的汽油機壓縮比在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

        壓縮行程起始點的壓力P1值為發(fā)動機進氣終點壓力P0的0.8~0.9,而P0的范圍為0.080~0.092MPa,選定壓縮始點壓強P0=0.091MPa,P1=0.83P0,則始點壓力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,壓縮終點氣體體積Vr=54.79mL,求得Pr=1.25MPa。

        (2)膨脹過程

        2.2.2 理論P-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)動機運行過程比理想的繁雜,它的最高壓力不在上止點,另外點火提前角、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,則具體加熱終點壓力值為

        點火提前角導(dǎo)致壓縮終點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 曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)計算

        中心曲柄連桿機構(gòu)、偏心曲柄連桿機構(gòu)和關(guān)節(jié)曲柄連桿機構(gòu)是最常見的三種曲柄連桿機構(gòu)。其中,中心曲柄連桿機構(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構(gòu)作為曲柄連桿機構(gòu)的類型。在發(fā)動機參數(shù)的計算中,已選?。孔?0.28,且求得連桿長度l=144mm。按照活塞運動時做圓周運動的規(guī)律,每隔10°取一次曲軸轉(zhuǎn)角?椎,運用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)汽油機的缸徑最好在100mm以內(nèi),否則發(fā)動機會容易發(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度和剛度;同時,采取平衡塊措施,曲軸不會使發(fā)動機發(fā)生振動,可以加長發(fā)動機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。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王敬,張蕾,陳希林.基于多體動力學(xué)的發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)平衡性研究[J].內(nèi)燃機,2013(06).

        [2]奚鳴杰,石秀勇,盧學(xué)文,等.發(fā)動機氣缸密封墊壓紋結(jié)構(gòu)對密封性能影響的研究[J].汽車工程,2013(12).

        [3]劉學(xué)榮,張翼,盧鵬,等.發(fā)動機活塞溫度優(yōu)化控制[J].計算機仿真,2013(12).

        [4]王洋.基于ANSYS的495Q發(fā)動機活塞模態(tài)分析[J].湖南農(nóng)機,2013(11).

        [5]黃若,尚文濤,余志毅.Design and study on variable nozzle mixed

        -flow turbocharger[J].Journal of Beijing Institute of Technology,2013 (04).

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