论文曲轴偏置在增强发动机扭矩和功率方面的研究.doc

. 山东农业大学毕 业 论 文 曲轴偏置在增强发动机扭矩和功率方面的研究 院 部 专业班级 届 次 学生姓名 学 号 指导教师 二一一年六月十日装订线. . 目录摘要IAbstractII引言11曲柄连杆机构的运动学分析.11.1中心曲柄连杆机构运动学分析21.2曲轴偏置式曲柄连杆机构的运动学分析31.3直列式中心曲轴连杆机构的缺点分析41.3.1 死点位置布置不合适41 .3.2活塞运动时最高点和最低点与死点重合41.4曲轴偏置对发动机的影响51.4.1曲轴偏置对发动机各机构运动的影响51.4.2曲轴偏置对发动机四个行程的影响51.4.3 曲轴偏置对发动机燃烧效率、平均有效压力和充气效率的影响62曲轴偏置式曲柄连杆机构上的作用力分析72.1直列式曲柄连杆机构的作用力分析72.2直列式曲轴正置发动机传动效率分析92.3曲轴偏置式曲柄连杆机构的作用力分析112.4中心和偏置式发动机传动效率对比分析133曲柄偏置量的计算方法.143.1方法一：用最大传动效率时的曲轴偏置量.143.2 检验方法一的实用性153.3方法二 采用40°压力角的曲轴偏置量计算方法164曲轴偏置式发动机作用力分析184.1切向力分析184.2侧向力分析195结束语20参考文献. 21致谢. 22ContentsAbstract.iiIntroduction11 Kinematics analysis of crank rod system.2 1.1 Kinematics analysis of center crank rod system.21.2 Kinematics analysis of crankshaft offset type of crank rod system.3 1.3 Inline type center of crankshaft linkage mechanism analysis and shortcomings.4 1.3.1 Dead spots arrangement inappropriate position.4 1.3.2 Piston motion with high and low coin side dead spots .4 1.4 The impact of engine crankshaft offset . 5 1.4.1 The influence of engine crankshaft offset various agencies movement.5 1.4.2 The impact of crankshaft offset four stroke engines.51.4.3 The influence of crankshaft bias on engine combustion efficiency, average effective stress and the charging efficiency.62 The crankshaft offset type of crank rod system force analysis.6 2.1 Inline type of crank rod system force analysis.6 2.2 Inline type crankshaft is buy engines transmission efficiency analysis.9 2.3 Crankshaft offset type of crank rod system force analysis .11 2.4 Center and offset type engine transmission efficiency comparative analysis.133 Crank offset calculation methods.13 3.1 Method1: With maximum transmission efficiency of the crankshaft offset .13 3.2 The practicability of inspection method one. 14 3.3 Method 2: By 40 ° of pressure Angle crankshaft offset calculation method.164 The crankshaft offset type engine force analysis.18 4.1 Tangential force analysis .18 4.2 Lateral force analysis .195 Conclusion .20References.21Acknowledgement22曲轴偏置在增强发动机扭矩和功率的研究作者： 指导教师：（ 讲师）【摘要】本文主要研究了曲轴偏置在发动机上的应用及对发动机扭矩和功率的影响。曲轴偏置主要应用到发动机的设计改进方面，可以将运动死点位置移开使之不与上下止点重合；可以有效的利用曲柄滑块机构的急回特性，增大做工行程曲轴转角，减小排气行程曲轴转角。主要在理论上分析了在燃烧室爆发最大压力时确保较大传动效率的的合理偏置距离和偏置率。并检验在这种情况下发动机的切向力和侧向力，以确保发动机的稳定性。该技术并未得到应有的足够重视，对这方面的研究不是很多，相信以后随着发动机技术的进一步发展，曲轴偏置会去的长足发展。关键词： 曲轴偏置; 发动机; 扭矩; 功率The study of crankshaft in enhancement engine torque and powerAuthor: Supervisor: （ lecturer）Abstract This paper mainly studies the crankshaft bias in the application of the engine and engine torque and power influence. The crankshaft bias mainly applied to the design of the engine, can improve the sports dead spots to no open position and fluctuation check point coincidence; Can improve the transmission efficiency and reduce the height of the engine; Can the effective utilization of slider-crank mechanism is urgent, increase the trip back to characteristics of the crankshaft work corner, reduce exhaust stroke crankshaft corner.Due to the limit of the experimental conditions, the theoretical analyses. Mainly analyzes theoretically in the combustion chamber erupted when the maximum pressure to ensure greater transmission efficiency of the reasonable offset distance and offset rate. And inspection in this case the engine cut to force and lateral force, to ensure the stability of the engine.Key words: the crankshaft offset; engine; torque ; power引言曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。但是内燃机曲柄连杆机构存在一个致命弱点却无人问津，即内燃机燃烧过程气缸压力处于最高区域时，曲柄力臂值很小，使内燃机扭矩值Me不大。而影响Me值的主要是曲柄连杆机构。内燃机的瞬时力矩，取决于燃烧时的连杆轴向力和回转中心至连杆轴钱及其延长线的垂直距离即力臂。连杆力与力臂之积就是力矩。连杆力和力臂皆是变量。要获得较大的力矩，必须同时有较大的连杆力和较大的力臂。然而气缸压力最大时，力臂值很小，力臂得不到充分利用，相反，力臂最大时，气缸压力又很小，压力又得不到充分利用。由此，笔者想到了可以通过改变曲轴与气缸中心线的位置来使得在气缸压力最大的同时有较大的力臂。这就是曲轴偏置技术的最初想法和目的。现在曲轴偏置技术有了较大发展，但目前并未得到广泛应用，只有本田飞度i-DSIM、丰田1SZ-FE和日产LIVINA骊威等款发动机采用了曲轴偏置式设计。国内有裘澄立专利1（ZL01256936.4）和杨德平等专利2（89205287）。本文主要工作内容如下：（1）介绍了直列式和直列曲轴偏置式曲柄连杆机构运动学分析和机械传动效率的对比及原因分析；（2）曲轴偏置式发动机动力学分析；（3）对于不同情况下两种偏置方法对比分析；（4）曲轴偏置量的求法。1曲柄连杆机构的运动学分析1.1中心曲柄连杆机构运动学分析3图1-1 中心曲柄连杆机构简图如图一所示：是曲柄转角，指从汽缸中心线顺着曲柄转动方向度量的。是连杆摆动角。=r/l 即曲柄半径与连杆长度之比。可以求出活塞位移 X=r+l-rcos-lcos =r(1+1/)-(cos+cos/) （1-1） 在ABO中 sin=r/lsin=sin 带入解得 （1-2）求导可得速度 (1-3)再求导可得加速度 （1-4）1.2曲轴偏置式曲柄连杆机构的运动学分析图1-2曲轴偏置式曲柄连杆机构简图 上止点曲轴转角 下止点曲轴转角 活塞从上止点到下止点的曲轴转角。从下止点到上止点的曲柄转角小于180° 4 。记偏心率为，则活塞行程为 （1-5）由于方括号里的数值大于1，所以。活塞位移 （1-6）活塞速度 （1-7）活塞加速度 （1-8）1.3直列式中心曲轴连杆机构的缺点分析1.3.1 死点位置布置不合适 这是曲柄连杆机构中的一个特殊位置。连杆轴线、曲柄中心线二者重合在一起，并通过曲轴回转中心时，此时活塞顶点的位置既是死点。为了分析方便计算，常以此连杆小端中心位置来代替活塞死点位置。曲柄连杆机构有两个死点，即上死点和下死点。1 .3.2活塞运动时最高点和最低点与死点重合活塞向上运动时活塞顶面(或连杆小端中心)所能达到的最高位置;也就是压缩行程或排气行程活塞的最高位置，叫做最高点。在运动分析时一般采用连杆小端中心的最高位置做为最高点。反之活塞下行时顶面所能达到的最低位置，就叫做最低点。同样，在运动分析时一般采用连杆小端中心的最低点位置做为最低点。现在的内燃机都是上死点与最高点重合，下死点与最低点重合。统称为上死点、上止点;下死点、下止点。 当然曲柄连杆机构是一个典型的机械结构，对它的研究与分析已达完美程度。但就曲柄连杆机构的运动规律与气缸中混合气燃烧过程相匹配的完善程度如何，这个匹配能否获得最大力矩，这便是一个特别值得研究的课题。这就是曲轴偏置构想的提出原因。1.4曲轴偏置对发动机的影响1.4.1曲轴偏置对发动机各机构运动的影响通过以上计算可以看出，和中心曲柄连杆机构相比，曲柄偏置式曲柄连杆机构的活塞位移，速度，加速度，的表达式只是多出了一因子。而这个因子将对各个因素产生不同的影响。（1)活塞行程活塞行程加大，这样与原发动机相比，既可以减小发动机的高度，将发动机座的更加紧凑小巧，又可以加大发动机的排量，增大做工体积。如不想增大排量，可将曲轴适量上移，更加减小发动机的垂直高度。（2）活塞位移因为多了因子,当在（0°-180°）和（360°-540°）时，即在活塞下行时位移减小。反之上行时位移减慢。活塞上行过程速度较中心式快，压缩行程。切向力相差不大，耗功基本不变。活塞运动速度越快泄露越少，热损失和可燃气体损失降低，有利于提高最高温度、最高压力和循环的热效率。（3）活塞速度如果对活塞位移影响对发动机的功率及扭矩影响不大的话，速度的变化则会对其产生直接的影响。具体影响见下一小结。（4）活塞加速度变化不大，在进行连杆设计和进行强度校核时使用该数据。在计算计算发动机的旋转质量时有影响，因为曲轴重量较大切位置发上了较大变化，需要进行重新的质量布置。1.4.2曲轴偏置对发动机四个行程的影响（1）进气行程活塞下行速度较慢，导致充气效率降低，但由于下行时间较长，可时间充气。再配合以机械增压或者废弃涡轮增压，可以消除进气行程活塞下行慢的不利影响。（2）压缩行程活塞上行过程速度较中心式快。切向力相差不大，耗功基本不变。活塞运动速度越快泄露越少，热损失和可燃气体损失降低，有利于提高最高温度、最高压力和循环的热效率。（3）做工行程活塞行程增大，导致气缸排量增加、压缩比提高。使压缩终了温度、压强更高，循环热效率和平均压力得到提高。做功行程时问延长，有利于燃料的充分燃烧，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。活塞行程增大。还可以恢复在高原使用的内燃机的功率，改善因为进气密度下降燃烧恶化情况下的动力性能和经济性能。活塞行程、压缩比增大虽然也可在中心式的基础上用加长气缸行程的方式获得，但带来了增加制造成本和发动机布置的困难。（4）排气行程活塞速度较快，通过增大排气提前角，使得排气速度增加且不超过能产生涡流时的速度，在排气门截面不变的情况下，超临界排气时期有利于废气的排除。自由排气阶段，偏置式发动机切向力小于中心式发动机，耗功少；强制排气阶段，切向力达到负向峰值，偏置式发动机绝对值大于中心式发动机。但是，偏置式发动机排气行程开始的时候曲轴早巳转过中心式发动机下止点的位置，此时缸内气压虽然较大气压高，就活塞做功而言，作用不大，大部分废气在此压力的作用下可迅速自缸内排出，还可防止发动机过热，从而导致功率损失不大 5 。 1.4.3 曲轴偏置对发动机燃烧效率、平均有效压力和充气效率的影响（1） 燃烧效率燃烧效率提高。在做功过程开始的一定时间内，同样轴转角的情况下，偏置式发动机活塞位较小，燃烧室容积改变相对较小，如燃速度不变(燃烧速度应该有所增加，因缸内压力、温度有所增加)，则偏移式与中心式比较气缸内燃烧更接近等容燃，而在内燃机三种理论燃烧形式中，等燃烧热效率最高。故偏置式发动机的循热效率高于中心式发动机。（2） 平均有效压力平均有效压力提高。做功行程，偏置式发动机的切向力大于中心式发动机的切向力，燃烧结束做功开始，达到峰值，加之活塞运动速度减慢，使活塞下压力作用在曲轴上的时间更大更长，平均有效压力得到提高，而且，切向力的大小与连杆和曲柄所成夹角的正弦成正比，曲柄偏置式发动机下行速度变慢，连杆和曲柄的夹角在以为中心的某一区间内的时间更长，扭矩得到更好的释放，使发动机扭矩和功率都有所提高。 （3）充气效率 充气效率提高。活塞下行速度降低，在同等发动机转速和相同活塞行程下，进气时间增加，适当调整配气相位，能使充其量得到提高，在残余废气相等的情况下，充气效率有所提高。2曲轴偏置式曲柄连杆机构上的作用力分析2.1直列式曲柄连杆机构的作用力分析作用在曲柄连杆上的力主要有气体压力和惯性力，两者作用在气缸中心线上，将往复惯性力也用单位活塞棉机的力来计算，则合成的单位活塞面积的里为 （2-1）其中 缸内绝对压力 往复惯性力 活塞销处往复惯性力 活塞面积设合成力p作用在活塞销中心，它可分解为两个力;垂直气缸中心线将活塞压向缸壁的侧压力 （2-2） 图2-1 直列式曲柄连杆机构受力图 沿连杆轴线作用的连杆力 （2-3）将乘活塞面积就得压缩或拉伸连杆的工作载荷。但出于连杆组是按大、小头两个质量近似换算的，严格说来，不是精确的连杆拉压单位面积负荷。将沿作用线移至作用在B点，可进一步分解为:切向力 （2-4）径向力 （2-5）这里主要讨论切向力，因为切向力是影响扭矩的主要因素。在三角形AOB中 所以 按照牛顿二项式定理展开可得 将其带入切向力t的公式 （2-6） (2-7)用excel的描点法绘出在（0-）内t/p关于转角的曲线如下 图2-2 t/p关于转角的曲线2.2直列式曲轴正置发动机传动效率分析缸内最高压力出现在等于14°时，而由图可以看到，效率最高时的曲轴转角为（60°-85°）。此时燃烧进入后期，缸内压力已过峰值。缸内压力随曲柄转角的变化如图2-3所示6图2-3 缸内压力随曲柄转角的变化对应的垂直气缸中心线将活塞压向缸壁的侧压力，沿连杆轴线作用的连杆力，切向力，径向力随曲轴转角的变化规律如图2-47所 图2-4 在一次循环中的变化观察切向力（图2-4下半部分的实线）会发现在缸内爆发最大压力的范围内（据王老师所讲为过上止点14°附近）作用于曲柄上的切向力并不是很大。进而扭矩不是很大，这是燃烧室爆发能量最高的区域，切向力t对于角速度的积分为转化为扭矩的能量，若发动机在四个行程中角速度变化不大，则可以用t对于转角的积分来代替对于角速度的积分来求实际应用的能量和浪费掉的能量之比。在图2-4中（360°，390°)范围内，能量主要转化为了径向力作用在曲轴及曲轴与箱体的连接处。在能量最高爆发区转化率不高严重制约了总体的能量转化。这主要是由于由于曲轴转角较小，作用力主要转变成了径向力。这不仅不是有利的而且是有害的，不仅减小了在缸内压力最大时的扭矩而且对曲轴有很大的伤害，要求曲轴本身和曲轴与箱体的接触处需要很大的强度来抗磨损。又要有足够的润滑来散热和保证运转。为解决在气缸能量最高的爆发区转化率不高，扭矩偏小的问题，我们可以从切向力公式入手。此时主要是由于较小，导致小，因此可以通过改变来改变力和能量的转化率。猜想可以采用将曲轴的位置相对于气缸中心线左移一段距离e，改变，继而改变切向力t。下一节将从理论上讨论曲轴偏置时的切向力和径向力的情况。图2-5曲轴偏置式曲柄连杆机构的作用力2.3曲轴偏置式曲柄连杆机构的作用力分析气体压力与往复惯性力两者作用在气缸中心线上，将往复惯性力也作用于在单活塞面积的力来计算，则合成的单位活塞面积的力为 （2-8）设合成力作用在活塞中心，可以分解成两个力：垂直气缸中心线将活塞压力压向缸壁的侧压力 沿连杆轴线作用的连杆力 将气缸作用在活塞上的力研作用线移至B点，可分解为切向力和径向力图2-6 修正角c切向力 （2-9）径向力 （2-10）有图中的集合关系可以得到因为主要是研究做工阶段的切向力，所以可以简化为在之间的切向力情况 （2-11）由于曲轴转角此时不再与为偏置时的气缸内压力对应，所以应对曲轴转角进行校正。此时的应当等于正常的曲轴转角-图中cc用几何关系求为 （2-11）此时 （2-12） （2-13）2.4中心和偏置式发动机传动效率对比分析图2-7 偏置和中心式发动机t/p对比图令=0.25,令=0.258利用excel描点法绘出正常时的切向力和偏移时的切向力与p之比在（0-）范围内的曲线图如下可以看出，在采用曲轴偏置时，在发动机气缸爆发最大压力时（0-30°）即图中（0-0.52）的传动效率有了显著提高。3曲柄偏置量的计算方法3.1方法一：用最大传动效率时的曲轴偏置量在气缸爆发最大压力时曲轴曲柄的传动效率达到最高值。 此时曲轴与曲柄的角度为90°，曲柄传来的力完全分解为切向力t ，此时及在此附近时可以达到最理想的传动效果和最佳的能量利用率。但是此时也会有很多问题，比如由此造成的气缸偏磨现象会比较严重，需要对缸套进行重新设计，加强强度。还有就是发动机的平衡问题需要重新设计考虑。对于这些问题此处不多做讨论，因为这些可以通过其他方面的工艺和配套改进进行与曲轴偏置配套。此处只讨论在理论状况下，将曲轴曲柄的传动效率达到最高。当未偏置时曲轴转角为14°9时发动机缸内有最大压力。此时易求出 （3-1）由于较小，可认为 又 可以认为 （3-2）当采用曲轴偏置时，不影响或极少影响气缸内的燃烧情况，连杆与气缸中心线夹角为时仍可以爆发出最大压力10。此时的曲轴转角为有图可得偏移量 （3-3）3.2 检验方法一的实用性易用式（2-15）来求 （3-4）图3-1 修正角度c示意图 （3-5） 令。可以求得 （3-6） 所以 （3-7）将和c的值带入式（2-13）可得与曲轴转角的折线图如下图3-2 与曲轴转角的折线图用excel绘出偏置率e与的关系图如下图3-3 偏置率e与的关系图通过以上的例子和散点图可以发现，此时虽然传动效率高但是曲轴偏置率过高，对发动机的平稳性影星较大。因此可考虑不用如此大的曲轴偏置率，虽然传动效率稍有降低，但是可以在传动效率和平稳性之间寻求一种平衡。3.3方法二 采用40°压力角的曲轴偏置量计算方法根据曲轴曲柄传动的效率要求，在压力角为40°以上可以认为是较高效率的传动，故可以采用在压力角40°来确定曲轴偏置量。11此时曲轴转角修正值很小可以认为与直列时的曲轴转角相等。图3-4 方法二的修正角由几何关系可得 （3-8） （3-9） （3-10） 修正将这些值带入公式（2-13） （3-11）可得以下曲线 图3-5 方法二的曲轴转角与传动系数关系可以看到，在采用40°压力角时，传动效率虽不如方法一最大压力角的传动效率大，但是很好的控制了曲轴偏置量。在曲轴偏置量不是很大时可以有较高的传动效率。4曲轴偏置式发动机作用力分析4.1切向力分析 图4-1 中心与偏置循环过程中的切向力曲线12在进气和压缩行程，切向力相差不大。做功行程，燃烧结束做功开始，达到蜂值，偏置式发动机的切向力较中心式发动机的切向力大517。排气行程在强制排气阶段切向力达到负向峰值，偏置式发动机绝对值大干中心式发动机，自由排气阶段，偏置式发动机小于中心式发动机。4.2侧向力分析图4-2 不同偏置时的侧压力曲线13 侧压力是偏置式发动机最大的负面影响。因为连杆摆角始终为负，侧压力始终存在，且大部分时间集中作用在一个方向。考虑到无论正负均对缸壁造成摩擦且与压力绝对值成正比，分析时取绝对值。进气行程，开始偏置式发动机侧压力大于中心式发动机，随着缸内压力增大，二者相差不大，摩擦耗功亦没有太大的差别。（1）进气行程，开始偏置式发动机侧压力大于中心式发动机，随着缸内压力增大，偏置式发动机饲压力减小并一直小于中心式发动机。压缩行程偏置式发动机侧压力一直小于中心式发动机，到压缩终了二者相等。做功行程馆置式发动机与中心式发动机同时达到峰值但符号相反。在自由排气阶段，偏置式发动机远小于中心式发动机，强制排气阶段偏置式发动机饲压力大于中心式发动机。（2）压缩行程，偏置式发动机翻压力一直大于中心式发动机，到压缩终了二者相等。偏置式发动机功耗较中心式发动机大。（3）做功行程，偏置式发动机与中心式发动机同时达到峰值且数值相差不大，总的来说，倔置式发动机比中心式发动机摩擦耗功小，缸壁磨损分布相对较为均衡，但偏置式发动机侧压力曲线变化较为突然。造成对缸壁瞬间冲击加划，正压力较大，磨损严重，必须在现有基础上。针对磨损加剧处增强缸壁硬化处理，才能保证发动机的工作可靠性。但是通过改变片质量的大小可以使这一现象明显地得到改善14。（4）排气行程，偏置式发动机侧压力大于中心式发动机，偏置式发动机排气过程耗功略大于中心式发动机。从循环全过程来看，偏置式发动机摩擦耗功小于中心式发动机。5结束语与中心式发动机相比，偏置式发动机运动特征为：活塞行程增加、上行速度加快、下行速度降低。力的特征为：切向力和侧压力都加大。发动机理论特征15表现为：压缩比、充气效率、燃气作用时间都有所提高。以上特征从理论上看，对提高发动机的动力性和经济性都有好处。所带来的负面影响，虽不容忽视，但经过工艺改善，以及试验调整，也应该可以克服，曲轴偏置式发动机在动力性和经济性的提升，仍有较大的空间，应加强对曲轴偏置式发动机的理论和实验研究。在整个的设计过程中，由于水平有限，实验条件有限，对发动机功率的分析研究不甚详细，争取在以后的学习中不断的完善。参考文献1 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Malpress and D.R. Buttsworth ,A New Internal Combustion Engine Configuration: Opposed Pistons with Crank Offset. 16' Australasian Fluid Mechanics Conference Crown Plaza, Gold Coast, Australia. 2007.77Sam D. Haddad. AN ANALYTICAL STUDY OF OFFSET PISTON AND CRANKSHAFT DESIGNS AND THE EFFECT OF OIL FILM ON PISTON SLAP EXCITATION IN A DIESEL ENGINE. Mech Mach Theory.19958徐兀，汽车发动机现在设计.人民交通出版社，1995.8：48.9何仁财，邹文楠，程胜国. 曲轴设计中受力分析.中国高新技术企业2010年第3期(总第138期). 2010.310王三民. 机械原理与设计课程设计M. 北京：机械工业出版社，200511周龙保内燃机学北京机械工业出版社1999.3: 7782.12田丰果,睢娟.曲轴偏置式发动机力学分析研究.数字技术与应用.2009.1113田丰果,睢娟.曲轴偏置式发动机力学分析研究.数字技术与应用.2009.1114李中时，黄顺成，乌恩巴图，关于内燃机曲柄连杆机构理论的研究.内蒙古农牡学院学报,1993.3.15陆际清,孟嗣宗.汽车发动机设计 清华大学出版社 1990：107致谢在我即将完成四年学士学习之际，我衷心地感谢各位老师在这期间给予的关心、帮助和关怀。导师渊博的学识、严谨的科学作风、平易近人的处世以及卓有成效的研究方法 将使我终生受益，这不但使我学会了科学的研究方法，更使我学会了怎样做人。在此，谨向恩师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢。在课题的研究和论文撰写过程中，得到了苏国秀老师无微不至的关怀和指导，在此对你们表示衷心的感谢。最后，向参加我论文评审和答辩的老师和专家们表示感谢。王昌民 2011年6月10日