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1、第五章 往复活塞式机械的结构分析,第一节 往复活塞式机械的功能与分类,往复活塞式机械：,往复活塞式机械：1、往复活塞式发动机，内燃机：产生驱动功率的热力原动机。驱动装置，2、往复活塞式压缩机和泵：对流体增压和输送的工作机械。耗能装置。结构基本相似，工作过程相反。,一、往复活塞式发动机分类,二、活塞式压缩机和泵的分类：,第二节 总体结构和主要部件,往复活塞式机械，包括热力发动机，即内燃机,包括柴油机,汽油机和气体发动机，压缩机和泵，基本构造相同，由下列主体机构和辅助系统组成。主体机构,包括气缸体、气缸盖、活塞、连杆、曲轴和飞轮。气缸体中空的圆筒形部分称为气缸，其中装有活塞，气缸盖封闭其上部。活塞
2、通过连杆与曲轴相连，可使活塞沿气缸中心线的往复运动转变成曲轴的旋转运动或相反。,1油水分离器，2喷油泵和调速器，3柴油滤清器，4空气滤清器，5空气压缩机，6进气管，7节温器，8风扇，9充电发电机，10供油自动提前器,YC615QC型柴油机右侧视图,32节温器，33气门摇臂，34喷油器，35气门组件，36推杆，37活塞组件，38挺柱，39连杆组件，40机油集滤器。,YC6105QC型柴油机横剖面图,辅助系统有：配气机构：空气滤清器、进排气管、进排气道、进排气门、进排气凸轮轴、挺杆、摇臂及消声器 燃料供给系统：喷油泵和调速器、供油自动提前器、喷油器、柴油滤清器、油水分离器、输油泵和柴油管路等 润滑
3、系统：机油泵、机油精滤器、机油粗滤器、分流离心式机油滤清器、油底壳及润滑油道等 冷却系统：风扇、水泵、节温器、出水管总成 起动操纵与电器系统：直流起动电机、充电发电机、各类传感器、操纵机构、空气压缩机,汽油机在构造上与柴油不同之处主要是燃料供给系统，因为汽油机可燃混合气的形成和燃烧方式与柴油机不同。汽油机没有喷油泵和喷油器，而是设有化油器和汽油泵的燃油系统，或汽油喷射燃油系统，还设有点火系统（包括火花塞、分电器、点火线圈及电源设备）。,曲柄连杆机构活塞式压缩机和泵与往复活塞式热力发动机 在主要零部件 基本相同。差别在阀：往复活塞式热力发动机：强制阀 往复活塞式压缩机：自动阀,二、主要零部件 1
4、、活塞组：活塞、活塞环、活塞销及其固定件。,1活塞2气环3油环4活塞销5卡环6连杆A活塞头部B活塞顶部C活塞环槽部D活塞裙部E活塞销座,活塞:头部：顶部和环部 活塞顶部的直径比裙部小。裙部：起导向和承受连杆传给的侧压力的作用。,活塞环：是装在活塞环槽的开口弹性金属环，分为气环和油环。气环：主要起密封和散热作用，防止缸内高温高压燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶吸收热量的一部分传给气缸套。23道油环：起刮油和铺油的作用。上行铺油 下行刮油,活塞销：活塞和连杆的连接零件。受力：气缸压力、活塞组和连杆惯性力。对活塞销的要求：重量轻、刚性好，表面硬而耐磨，内韧而耐冲击。因此，大多数活塞销做成空心，减少惯性力。
5、活塞销用低碳合金钢、表面经渗碳和精磨而成。活塞销与销座孔为过渡配合 活塞销与连杆小头轴承孔为动配合,连杆作用：把活塞和曲轴连接起来，使活塞的往复运动与曲轴的旋轴运动相互转换，并将活塞所受的气体压力传给曲轴。组成：连杆小头（包括衬套轴承）、杆身和大头（包括大端盖、连杆螺栓及连杆瓦）等，,连杆小头：连杆与活塞销相连的部分。一般为圆筒形，与杆身连成一体。为了减少磨损、维修方便，小头都镶有铜衬套。杆身：断面形状大多数是“工”字形，其翼面的长轴安排在连杆摆动平面内，且断面尺寸由小头向大头逐渐增大。优点：a.抗弯断面模数大，抗弯曲能力强。b.抗弯强度大。c.使连杆传力及应力均匀分布。连杆大头：连杆与曲轴相
6、连部分，曲柄销在连杆大头轴承中作相对高速旋转。整体式结构、剖分式结构,曲轴:通过连杆将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动.,作用：通过连杆将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动。受力：气体压力、活塞连杆组的惯性力和扭力作用。结果：产生相应的扭矩、弯曲、压缩和拉伸应力及变形；高速旋转的主轴颈和连杆轴颈（曲柄销）遭受到严重的摩擦和磨损。,气缸体、气缸套和气缸盖三个主要固定件 机体：由气缸体、曲轴箱和机座或油底壳及主轴承盖等组成。气缸体和曲轴箱常铸成一体，气缸体的上半部内腔装有活塞往复运动导向和容纳工质的圆柱形空腔，称为气缸。气缸体的下半部分支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴和连杆的运动空间。气缸体的顶部
7、与气缸盖连接，底部与机座或油底壳连接。气缸体结构形式一般分为三种：平分式气缸体，其刚度较差；龙门式气缸体，其刚度较好；隧道式气缸体，其刚度最好。,气缸套气缸体中的气缸套内壁是活塞的导向面。由于气缸直接受高温、高压燃气的作用，且活塞在气缸中高速往复滑动，所以缸壁磨损较大，容易损坏，降低气缸的寿命。常用的气缸套有干、湿两种。干式气缸套的外壁不直接与冷却水接触，缸套的壁厚很薄，滑动配合装入气缸体孔座。湿式气缸套壁较厚，外壁直接与冷却水接触，其上、下端的外圆表面的两道凸出圆环装有橡胶圈用以密封冷却水。其冷却效果好。气缸盖 气缸盖的底面和活塞顶与气缸等共同组成燃烧空间；气缸盖上设有进排气道，并装有配气机
8、构的进气和排气阀组件、摇臂、摇臂座等，还装有喷油器或火花塞。多缸发动机的气缸盖结构形式有单体式、分段式和整体式三种。单体式多用于大型发动机。,第三节 曲柄连杆机构的动力学,曲柄连杆机构的运动学和动力学是分析研究往复活塞式动力机械在稳定工况下曲柄连杆机构运动中所受的各种作用力和它们互相间的关系。它可作为往复活塞式动力机械振动计算和平衡分析的基础，也为其总体设计提供理论和数值分析的依据。1)惯性力；2)流体作用力；3)相对运动表面间所产生的摩擦力 进行动力学分析是为强度、刚度和磨损计算以及基础设计提供依据，确定所需的飞轮矩，寻求内燃机、泵、压缩机平衡的有效途径。,一、曲柄连杆机构的运动关系1、活塞
9、位移,曲柄半径与连杆长度比,2、活塞的速度,=00，1800时，V=0。,=900，V=r。,3、活塞的加速度,a=,在活塞运动加速度出现最大值和最小值时，曲柄转角分别为=00（上止点）和=1800（下止点）。,a max=,a min=,a r=,4、曲柄销中心的加速度,5、连杆的运动,连杆的运动可视为由两部分运动合成，小端A随活塞销沿气缸中心线作往复运动，而大端B随曲柄半径作圆周运动，通常用连杆相对于气缸中心线摆动的角位移摆角来表示连杆的运动。,连杆摆角的近似公式,近似公式,连杆摆动的角速度,摆动的角加速度,近似公式,二、曲柄连杆机构的动力学往复活塞式动力机械工作时，作用在曲柄连杆机构上的
10、力主要有：（1）运动件的惯性力；（2）气缸中的气体压力；（3）构件相对运动时接触面产生的摩擦力；而（4）运动件的重力；相对较小，可忽略对于整个机器而言，还有（5）负荷的反作用扭矩及机构的支承反力,1、惯性力曲柄连杆机构中的惯性力来自三个方面：一、活塞组件往复运动产生的惯性力；二、曲柄不平衡质量回转运动产生的离心惯性 力；三、连杆运动产生的惯性力。运动件惯性力的大小等于其质量和加速度的乘积，且惯性力的方向同加速度的方向相反。,其中连杆惯性力的分析最为复杂。这不仅是由于连杆本身的运动形态复杂，而且还由于它是活塞和曲柄之间的中间传动件。连杆的惯性力要先通过活塞、曲柄这两个运动件，才传到固定支承上，如
11、气缸壁，主轴承座等。研究连杆惯性力，很重要的是要找出它在连杆大小两头的表现，也就是要找出它传给活塞和曲柄之力的大小与方向。通常采用质量替代系统。,原则：1)、代替系统的总质量要等于原来连杆的总质量。2)、代替系统的质心位置要与原来连杆的质心位置相重合。3)、代替系统对于质心的转动惯性应等于原来连杆的转动惯量。将运动零件的质量简化为两类：、集中在C点作往复运动的质量mp，包括活塞、十字头部件、连杆部件的小部分质量；、集中在D点作旋转运动的质量mr，包括曲拐、曲柄、连杆部件大部分质量。,往复惯性力 I,一阶往复惯性力 II,二阶往复惯性力 III,通常，,所以，,往复惯性力 Ir,2、气体力,压缩
12、过程1-2,膨胀过程3-4,吸气过程为ps的等压过程。,排气过程为pd的等压过程。,在动力计算中，凡是使连杆受拉伸的力都取正值，使连杆受压缩的力取负值。因此，轴侧气缸容积中的气体力取正值，而盖侧气缸容积中的气体力取负值。,3、摩擦力f在压缩机中，活塞与气缸壁、活塞杆与填函、十字头与滑道的相对运动产生往复摩擦力；活塞销(或十字头销)与连杆小头、曲柄销与连杆大头、主轴颈与主轴承之间产生旋转摩擦力。摩擦力的大小随转角而变化，难以精确计算。其值比惯性力、气体力小得多，可按经验认可的摩擦功率值估算，并视为定值。往复摩擦力fP的正负也按往复惯性力的规则确定，向轴行程(0180o)，往复摩擦力取正值；向盖行
13、程(180 360o)取负值，止点处fP0。,4、活塞力FpFp=I+Fg+fP,1轴侧气体力，2-盖侧气体力，3-惯性力；4-往复摩擦力；5-活塞力,5、连杆力Fc与侧向力Fn,7、阻力矩 切向力T,阻力矩M1,摩擦阻力矩M2,总阻力矩Mr,8主轴承上的作用力 连杆力的另一作用是曲轴的主轴颈向主轴承作用一个力。9各力对机械的作用 气体力 气缸中的气体力既作用在运动的活塞上，也作用在静止的气缸盖(或气缸座)，且大小相等，方向相反；气体力通过机身传到主轴承，与经运动机构传到主轴承上的活塞力中的气体力相抵消。因此，气体力不传到机器外面，它只使气缸、中体、机身及相关的螺栓等受到交变的拉伸或压缩，往往
14、称其为内力。,往复摩擦力 因摩擦力成对出现，一条途径是经运动部件传到主轴承上，另一途径是通过气缸壁和机身传到主轴承上，所以它不传到机器外面，它也是内力。惯性力 作用在主轴承上的活塞力，其气体力和往复摩擦力人已在机器内部自动平衡，而往复惯性力未被平衡，能通过主轴承和机体传到基础，习惯上称为外力，或称为自由力。惯性力的数值和方向是随曲柄转角周期地变化，因此导致机器和基础振动。旋转惯性力，也作用在主轴承上，它的大小不变，但方向随曲柄转角周期地变化，也是自由力，也能引起机器和基础振动。为减小机器振动，应尽可能平衡惯性力。,侧向力与倾覆力矩 侧向力与主轴颈作用于主轴承上的垂直分力，大小相等，方向相反，在
15、机器内构成了一个力矩，习惯上称为倾覆力矩。计算表明：倾覆力矩和阻力矩大小相等，方向相反。但倾覆力矩是作用在静止的机身上，而阻力矩是作用在曲轴上，因此不能相互抵消。同理，机身上的旋转摩擦力矩和曲轴上的旋转摩擦力矩大小相等，方向相反，也不能相互抵消。倾覆力矩的数值周期变化，属自由力矩，也要引起机器的振动。阻力矩 作用于压缩机曲柄销上的阻力矩和旋转摩擦力矩阻止曲轴旋转，实质上就是压缩机所耗的功。机器在每分钟的转数是不变，在压缩机一转中，阻力矩、旋转摩擦力矩之和所耗功与驱动力矩射d供给的功相等。但阻力矩是随转角。周期地变化，而驱动力矩一般是不变的，则它们在一转中的每一瞬时是不相等的，因此曲轴加速或减速。,往复活塞式机械的惯性力平衡,立式单缸惯性力平衡,立式双缸惯性力平衡,V型双缸惯性力平衡,
