曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改良設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)分析*

李存鵬

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 六安 237011)

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改良設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)分析*

李存鵬

(安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽 六安 237011)

在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連桿和曲柄銷之間附加偏心輪連桿，使得偏心輪在推動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)行星輪機(jī)構(gòu)傳送驅(qū)動(dòng)力到外部.通過對(duì)改良前后機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性分析與驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)改良過的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)比傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)有更大的輸出扭矩.

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；動(dòng)力特性分析；偏心輪連接器

傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)上，通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)械和熱量設(shè)計(jì)參數(shù)的研究，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、熱效率、自然磨損面質(zhì)量得到了很大的提高，使其耗油率明顯降低內(nèi)燃機(jī)使用壽命明顯提高.隨著內(nèi)燃機(jī)壽命的提升，如何使內(nèi)燃機(jī)獲得更大的推動(dòng)力已成為目前的研究熱點(diǎn)，對(duì)其主要機(jī)械裝置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改良，成為有效方法之一[1].

1 傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理圖

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將活塞的平動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)，由燃燒燃油提高氣壓來推動(dòng).同中心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)上的常用機(jī)構(gòu)，如圖1所示.在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中，確定滑塊的位置和相應(yīng)的速度和效率是必需的.活塞的位移可以由曲柄角坐標(biāo)表示為[2]

其中：r*為曲柄半徑；l*為連桿長(zhǎng)度；θ*為曲柄角坐標(biāo).如果活塞曲柄角速度恒定，活塞速度可表示為

在活塞速度中引入時(shí)間導(dǎo)數(shù)，可得到活塞加速度為

確定曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性就是確定它受外部合力(氣壓和慣性力)后輸出扭矩總和，作為推動(dòng)力的氣壓力在活塞膨脹沖程中沒有恒定值.因此，汽缸體積用曲柄角坐標(biāo)表示為

其中：P3為汽缸內(nèi)氣壓；V為壓縮沖程結(jié)束時(shí)汽缸內(nèi)氣體體積；K為系數(shù)，柴油機(jī)通常取1.3.氣壓力可用曲柄角坐標(biāo)表示為

Fg=Api(Pe(θ*)-Patm).

其中：Api為活塞運(yùn)動(dòng)范圍；Patm為大氣壓力.為了確定共同的力，動(dòng)力分析要考慮氣壓力和慣性力.機(jī)構(gòu)的氣壓力和慣性力分析如圖2所示.

圖2 機(jī)構(gòu)的氣壓力a和慣性力b分析

其中：mB為曲柄質(zhì)心總和；aB為質(zhì)心加速度；連桿中心質(zhì)量用mG3表示；aG3為連桿中心的線加速度；IG3為慣性力矩；α31為角加速度.此時(shí)慣性力引起的輸出扭矩MInertia=rx∑FInertia，機(jī)軸的輸出扭矩總和MTotal=Mgas+MInertia.

2 改良機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

2.1改良機(jī)構(gòu)的原理

改良的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)相比較，主要體現(xiàn)在連桿和曲柄銷之間增加一個(gè)附加的鏈接[3]，如圖3所示.這一附加鏈接稱為偏心輪連接器，負(fù)責(zé)傳輸氣壓力到曲柄驅(qū)動(dòng)行星輪機(jī)構(gòu).為了驅(qū)動(dòng)行星齒輪系，小齒輪固定在偏心輪連接器上.故在這個(gè)新系統(tǒng)中有2條傳動(dòng)鏈，由連桿、偏心輪連接器、曲柄臂組成的傳動(dòng)鏈為直接傳動(dòng)鏈，另一條由連桿、偏心輪連接器、齒輪機(jī)構(gòu)組成的傳動(dòng)鏈為間接傳動(dòng)鏈.機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示.

圖3 改良的機(jī)構(gòu)

圖4 改良后機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2改良機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性

在改良機(jī)構(gòu)中，因?yàn)樾↓X輪和環(huán)行齒輪的傳動(dòng)比數(shù)及偏心輪連接器的曲線平移轉(zhuǎn)換的因素，環(huán)行齒輪以曲柄銷一半速度旋轉(zhuǎn)，此時(shí)齒輪傳動(dòng)比數(shù)和曲柄臂、小齒輪，環(huán)行齒輪，行星齒輪相關(guān)聯(lián)，即

改良機(jī)構(gòu)活塞銷中心和曲柄旋轉(zhuǎn)中心關(guān)系為Spi=rccosθ+lcosβ.其中：rc為曲柄半徑；l為連桿長(zhǎng)度；β為連桿延長(zhǎng)線和汽缸軸線之間的角度，其余弦為

其中：λP為小齒輪半徑；e為偏心距；λC=rc/l；λP=rP/l.此時(shí)有

分別對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得活塞的速度、加速度分別為

2.3改良機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性分析

在改良機(jī)構(gòu)中，偏心輪連接器有3個(gè)連接件分別是曲柄臂、連桿和環(huán)形齒輪.當(dāng)連桿動(dòng)作時(shí)，其產(chǎn)生的2個(gè)力之間存在平面差異：一個(gè)力是由偏心輪連接器從連桿傳到曲柄臂，另一個(gè)力是由小齒輪傳到環(huán)行齒輪.因此，在機(jī)構(gòu)分析時(shí)必須考慮這個(gè)平面距離.同時(shí)，機(jī)構(gòu)為了平衡偏心輪連接器的重心，使其和曲柄軸相符，第7，8齒輪采用獨(dú)立式連接，第9齒輪采用楔入式和機(jī)軸連接.

(1)氣體推動(dòng)的輸出扭矩.作為機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)力，氣壓力在氣體膨脹沖程過程中沒有恒定值.因此，將汽缸體積、氣體壓力、氣壓用曲柄角坐標(biāo)性能來表示是必需的.機(jī)構(gòu)改良前相關(guān)參數(shù)同樣適用于改良后的機(jī)械裝置[4].

(ⅱ)間接傳動(dòng)的輸出扭矩(見圖5).曲柄銷中心有關(guān)的偏心輪連接器平衡力矩為

間接傳動(dòng)鏈的輸出扭矩為

氣壓力作用在機(jī)軸上的輸出總扭矩為

圖5 間接傳動(dòng)輸出扭矩示意圖

圖6 改良機(jī)構(gòu)的慣性力示意圖

(2)慣性力產(chǎn)生的輸出扭矩.假設(shè)結(jié)點(diǎn)B為承受氣壓推動(dòng)力同時(shí)傳送慣性力到機(jī)軸的那個(gè)點(diǎn)，那么這個(gè)點(diǎn)的力可以分解為垂直方向的力和水平方向的力.慣性力的水平方向分力由直接傳動(dòng)鏈驅(qū)動(dòng)機(jī)軸，垂直方向合力通過齒輪機(jī)構(gòu)輸出(這條是間接傳動(dòng)鏈)[5].慣性力對(duì)機(jī)軸的影響由下面的方程式組成：

MInertia=M21Inertia+M91Inertia.

作用在機(jī)軸上的輸出總扭矩由氣壓力和慣性力組成，即MTotal=Mgas+MInertia.

3 結(jié)語(yǔ)

為了比較2個(gè)不同機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力特性上的區(qū)別，2個(gè)機(jī)械裝置都使用相同的轉(zhuǎn)速2 500轉(zhuǎn)/min、行程和氣壓力，假設(shè)紊亂的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量是有平衡力平穩(wěn)的，忽略傳動(dòng)鏈之間的摩擦效果和重力效果，此時(shí)2個(gè)機(jī)構(gòu)的輸出總扭矩、氣壓力產(chǎn)生的輸出扭矩、新機(jī)構(gòu)在不同電力電力傳輸中的輸出扭矩如圖7—9所示.

圖7 機(jī)構(gòu)合力與總輸出扭矩關(guān)系曲線

由圖7，8可知,當(dāng)2個(gè)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力相同時(shí)，輸出扭矩值是有明顯差別的，由偏心輪連接器和行星齒輪機(jī)構(gòu)組成的改良機(jī)構(gòu)上的輸出扭矩明顯增多，開始行程時(shí)活塞的慢動(dòng)作克服了機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)缺陷.由圖9可以看出總扭矩中的1個(gè)扭矩由齒輪機(jī)構(gòu)提供，因此如果這個(gè)帶偏心輪連接器的機(jī)械裝置少了，則行星齒輪系系統(tǒng)功率就會(huì)降低.

圖8 氣壓力與輸出扭矩關(guān)系曲線

圖9 新機(jī)構(gòu)在不同電力傳輸中的輸出扭矩曲線

[1] 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第7版.北京：高等教育出版社,2001

[2] 師忠秀,王繼榮.機(jī)械原理課程設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[3] 楊黎明，楊志勤.機(jī)構(gòu)選型與運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007.

[4] 周培顯.基于PRO/E曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及分析[J].新技術(shù)新工藝，2012(2):26-28.

[5] 蘇和平，彭 丹，闞吉順.偏轉(zhuǎn)雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2011(9):41-44.

(責(zé)任編輯 陳炳權(quán))

Slider￣CrankMechanismOptimalDesignandDynamicAnalysis

LI Cunpeng

(An’hui National Defence Vocational College,Liuan 237011,An’hui China)

Based on the slider￣crank mechanism between the connecting rod was used and crank pin,additional eccentric connecting rod was used on institutional improvement,which made the eccentric wheel drive the crank movement while driving planetary gear transmission to the external driving force.Through the analysis of the dynamic characteristics of institutions before and after improvement,the improved slider￣crank mechanism has a bigger output torque than the traditional slider￣crank mechanism.

slider￣crank mechanism;dynamic characteristics analysis;eccentric connector

1007-2985(2014)03-0064-05

2013-12-25

安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院專業(yè)帶頭人資助項(xiàng)目(GFXY20121207)；安徽省模具設(shè)計(jì)與制造特色專業(yè)資助項(xiàng)目(2013TSZY087)

李存鵬(1982-)，男，河北陽(yáng)原人，安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究.

TH69

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.03.014