汽车发动机载荷谱及其应用

车用发动机曲柄连杆机构的结构形式主要有中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆机构。

中心曲柄连杆机构的气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲轴的回转轴线，在车用发动机中应用得最为广泛。一般直列式发动机、采用并列连杆与叉形连杆的V型发动机都属于这种类型，如图9－1所示。

在主副连杆机构的V型发动机中，其主缸结构为中心曲柄连杆机构，副缸的连杆（副连杆）下端不是直接连接在曲柄销上，而是通过副连杆销安装在主缸的主连杆上，形成关节式的运动。这种结构可使发动机长度缩短、结构紧凑。

图9－1　直列式曲柄连杆机构与主副连杆机构

中心曲柄连杆机构运动简图如图9－2所示。机构工作时，活塞A做往复直线运动，点A表示活塞销中心位置，曲柄做旋转运动，点O为曲轴旋转中心，点B为曲柄销中心。连杆的长度为L，曲柄的旋转半径为R，令λ＝R/L，称为连杆比。α为曲轴转角，从气缸轴线顺着曲柄旋转方向度量。当α＝0°时，对应的点A1表示活塞在上止点位置；当α＝180°时，对应的点A2表示活塞在下止点位置。β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度，称为连杆摆角，逆时针为正，顺时针为负。

图9－2　中心曲柄连杆机构运动简图

通常可认为发动机的曲柄做匀速转动，这样曲轴转角（rad）为

式中，t——时间，s；

n——发动机转速，r/min；

曲柄角速度（rad/s）为

下面分析活塞的运动规律。

1.活塞位移

由图9－2可知，活塞位移为

由△ABO中可知，L sinβ＝R sinα

对于一般发动机，λ在1/3.5～1/4.5之间，λ4以上各项数值很小，取

代入式（9－1）并整理，可得活塞位移公式：

式（9－2）也可写为

式中，x1——一阶位移，x1＝R（1－cosα）；

x2——二阶位移，。(www.xing528.com)

活塞位移x及x1和x2随曲轴转角的变化规律如图9－3所示。从图中可看出，活塞位移可认为由两个简谐运动组成，x1是由于曲轴的旋转使活塞产生的位移，在2π的范围内变化一个周期；x2则是由于连杆的摆动产生的附加位移，在π范围内变化一个周期。

图9－3　活塞位移曲线

2.活塞速度

将式（9－2）对时间求导数，可得出活塞速度v与曲轴转角α的关系式：

式（9－3）即活塞速度公式，也可写为

式中，v1——一阶速度，v1＝Rωsinα；

v2——二阶速度，。

为了便于研究，规定活塞向曲轴中心点O运动时为正。活塞速度v及v1和v2随曲轴转角的变化规律如图9－4所示。从图9－4和式（9－3）可看出，活塞速度也可看成由两个简谐运动组成，v1是因曲轴的旋转而产生的速度，变化周期为2π；v2是因连杆的摆动产生的附加速度，变化周期为π；v的变化周期为2π，在α＝0和α＝π时，即当活塞在上、下止点时，活塞速度等于零。

图9－4　活塞速度曲线

受二阶速度的影响，活塞最高速度vmax不在时，而是移向上止点方向。在实际应用中，评定活塞速度不采用vmax，而是采用活塞的平均速度Cm：

式中，S——活塞行程，m；

n——发动机转速，r/min；

Cm的大小受发动机工作可靠性的限制，一般车用发动机的Cm为8～15 m/s。

3.活塞加速度

将式（9－3）对时间求导数，可得出活塞加速度j与曲轴转角α的关系式：

式（9－5）即活塞加速度公式，也可写为

式中，j1——一阶加速度，j1＝Rω2cosα；

j2——二阶加速度，j2＝λRω2cos（2α）。

与活塞速度一样，规定加速度方向指向曲轴中心点O时为正。活塞加速度j及j1和j2随曲轴转角的变化规律如图9－5所示。由图9－5和式（9－5）可看出，一阶加速度j1的变化周期为2π；二阶加速度j2的变化周期为π；j的变化周期为2π，在α＝0时，加速度达到最大值，此时，jmax＝Rω2（1＋λ）。

图9－5　活塞加速度曲线

一般高速发动机的最大加速度：汽油机为（500～1 500）g，柴油机为（200～800）g，g为重力加速度。