曲柄滑块机构改良设计及动态分析*

李存鹏

(安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽 六安 237011)

曲柄滑块机构改良设计及动态分析*

李存鹏

(安徽国防科技职业学院机械工程系，安徽 六安 237011)

在曲柄滑块机构连杆和曲柄销之间附加偏心轮连杆，使得偏心轮在推动曲柄运动的同时，驱动行星轮机构传送驱动力到外部.通过对改良前后机构的动力特性分析与验证，发现改良过的曲柄滑块机构比传统的曲柄滑块机构有更大的输出扭矩.

曲柄滑块机构；动力特性分析；偏心轮连接器

传统的曲柄滑块机构广泛应用于内燃机上，通过对内燃机机械和热量设计参数的研究，内燃机的机械强度、热效率、自然磨损面质量得到了很大的提高，使其耗油率明显降低内燃机使用寿命明显提高.随着内燃机寿命的提升，如何使内燃机获得更大的推动力已成为目前的研究热点，对其主要机械装置曲柄滑块机构改良，成为有效方法之一[1].

1 传统机构的动力特性分析

图1 机构运动原理图

曲柄滑块机构将活塞的平动转换为曲柄的转动，由燃烧燃油提高气压来推动.同中心曲柄滑块机构是内燃机上的常用机构，如图1所示.在曲柄滑块机构的运动学分析中，确定滑块的位置和相应的速度和效率是必需的.活塞的位移可以由曲柄角坐标表示为[2]

其中：r*为曲柄半径；l*为连杆长度；θ*为曲柄角坐标.如果活塞曲柄角速度恒定，活塞速度可表示为

在活塞速度中引入时间导数，可得到活塞加速度为

确定曲柄滑块机构的动力特性就是确定它受外部合力(气压和惯性力)后输出扭矩总和，作为推动力的气压力在活塞膨胀冲程中没有恒定值.因此，汽缸体积用曲柄角坐标表示为

其中：P3为汽缸内气压；V为压缩冲程结束时汽缸内气体体积；K为系数，柴油机通常取1.3.气压力可用曲柄角坐标表示为

Fg=Api(Pe(θ*)-Patm).

其中：Api为活塞运动范围；Patm为大气压力.为了确定共同的力，动力分析要考虑气压力和惯性力.机构的气压力和惯性力分析如图2所示.

图2 机构的气压力a和惯性力b分析

其中：mB为曲柄质心总和；aB为质心加速度；连杆中心质量用mG3表示；aG3为连杆中心的线加速度；IG3为惯性力矩；α31为角加速度.此时惯性力引起的输出扭矩MInertia=rx∑FInertia，机轴的输出扭矩总和MTotal=Mgas+MInertia.

2 改良机构的动力特性分析

2.1改良机构的原理

改良的曲柄滑块机构和传统曲柄滑块机构相比较，主要体现在连杆和曲柄销之间增加一个附加的链接[3]，如图3所示.这一附加链接称为偏心轮连接器，负责传输气压力到曲柄驱动行星轮机构.为了驱动行星齿轮系，小齿轮固定在偏心轮连接器上.故在这个新系统中有2条传动链，由连杆、偏心轮连接器、曲柄臂组成的传动链为直接传动链，另一条由连杆、偏心轮连接器、齿轮机构组成的传动链为间接传动链.机构的运动轨迹如图4所示.

图3 改良的机构

图4 改良后机构运动轨迹

2.2改良机构的运动学特性

在改良机构中，因为小齿轮和环行齿轮的传动比数及偏心轮连接器的曲线平移转换的因素，环行齿轮以曲柄销一半速度旋转，此时齿轮传动比数和曲柄臂、小齿轮，环行齿轮，行星齿轮相关联，即

改良机构活塞销中心和曲柄旋转中心关系为Spi=rccosθ+lcosβ.其中：rc为曲柄半径；l为连杆长度；β为连杆延长线和汽缸轴线之间的角度，其余弦为

其中：λP为小齿轮半径；e为偏心距；λC=rc/l；λP=rP/l.此时有

分别对时间求导，可得活塞的速度、加速度分别为

2.3改良机构的动力学特性分析

在改良机构中，偏心轮连接器有3个连接件分别是曲柄臂、连杆和环形齿轮.当连杆动作时，其产生的2个力之间存在平面差异：一个力是由偏心轮连接器从连杆传到曲柄臂，另一个力是由小齿轮传到环行齿轮.因此，在机构分析时必须考虑这个平面距离.同时，机构为了平衡偏心轮连接器的重心，使其和曲柄轴相符，第7，8齿轮采用独立式连接，第9齿轮采用楔入式和机轴连接.

(1)气体推动的输出扭矩.作为机械装置的驱动力，气压力在气体膨胀冲程过程中没有恒定值.因此，将汽缸体积、气体压力、气压用曲柄角坐标性能来表示是必需的.机构改良前相关参数同样适用于改良后的机械装置[4].

(ⅱ)间接传动的输出扭矩(见图5).曲柄销中心有关的偏心轮连接器平衡力矩为

间接传动链的输出扭矩为

气压力作用在机轴上的输出总扭矩为

图5 间接传动输出扭矩示意图

图6 改良机构的惯性力示意图

(2)惯性力产生的输出扭矩.假设结点B为承受气压推动力同时传送惯性力到机轴的那个点，那么这个点的力可以分解为垂直方向的力和水平方向的力.惯性力的水平方向分力由直接传动链驱动机轴，垂直方向合力通过齿轮机构输出(这条是间接传动链)[5].惯性力对机轴的影响由下面的方程式组成：

MInertia=M21Inertia+M91Inertia.

作用在机轴上的输出总扭矩由气压力和惯性力组成，即MTotal=Mgas+MInertia.

3 结语

为了比较2个不同机构在运动学和动力特性上的区别，2个机械装置都使用相同的转速2 500转/min、行程和气压力，假设紊乱的旋转质量是有平衡力平稳的，忽略传动链之间的摩擦效果和重力效果，此时2个机构的输出总扭矩、气压力产生的输出扭矩、新机构在不同电力电力传输中的输出扭矩如图7—9所示.

图7 机构合力与总输出扭矩关系曲线

由图7，8可知,当2个机构驱动力相同时，输出扭矩值是有明显差别的，由偏心轮连接器和行星齿轮机构组成的改良机构上的输出扭矩明显增多，开始行程时活塞的慢动作克服了机构的死点缺陷.由图9可以看出总扭矩中的1个扭矩由齿轮机构提供，因此如果这个带偏心轮连接器的机械装置少了，则行星齿轮系系统功率就会降低.

图8 气压力与输出扭矩关系曲线

图9 新机构在不同电力传输中的输出扭矩曲线

[1] 濮良贵,纪名刚.机械设计[M].第7版.北京：高等教育出版社,2001

[2] 师忠秀,王继荣.机械原理课程设计[M].北京：机械工业出版社,2003.

[3] 杨黎明，杨志勤.机构选型与运动设计[M].北京：国防工业出版社,2007.

[4] 周培显.基于PRO/E曲柄滑块机构的运动仿真及分析[J].新技术新工艺，2012(2):26-28.

[5] 苏和平，彭 丹，阚吉顺.偏转双曲柄滑块机构运动特性分析[J].机械传动，2011(9):41-44.

(责任编辑 陈炳权)

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

安徽国防科技职业学院专业带头人资助项目(GFXY20121207)；安徽省模具设计与制造特色专业资助项目(2013TSZY087)

李存鹏(1982-)，男，河北阳原人，安徽国防科技职业学院讲师，硕士，主要从事机械设计与制造研究.

TH69

A

10.3969/j.issn.1007-2985.2014.03.014