第二章曲柄连杆机构受力概要
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第2章 曲柄连杆机构
主要包括曲轴、飞轮等机件。
第2章 曲柄连杆机构 2.1概述 2.1.1曲柄连杆机构的作用和组成
图2-1 桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机曲柄连杆机构的组成
第2章 曲柄连杆机构
2.1概述 2.1.2曲柄连杆机构受力分析
1、气体作用力 在发动机工作循环的每个行程中，气体作用力始终存在且不断变化。作功
大多数湿式缸套压入缸体后，其顶面高出气缸体上平面0.05～0.15mm。这样当紧 固气缸盖螺栓时，可将气缸盖衬垫压得更紧，以保证气缸更好地密封和气缸套更好地定 位。
水冷式气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称为水套。气缸体和气缸盖上的 水套是相互连通的，利用水套中的冷却水流过高温零件的周围而将热量带走。
第2章 曲柄连杆机构
学习目标
●理解曲柄连杆机构的作用和组成 ●知道曲柄连杆机构的受力分析 ●掌握机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组主要零件的构造
和装配连接关系 ●掌握机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组主要零件的检测
和维修方法 ●学会曲柄连杆机构的装配与调整
第2章 曲柄连杆机构
2.1概述 2.1.1曲柄连杆机构的作用和组成
龙门式气缸体其发动机的曲轴轴线高于气缸体下平面。其特点是结构刚度 和强度较好，密封简单可靠，维修方便，但工艺性较差，大中型发动机采用。
隧道式气缸体主轴承孔不分开，其特点是结构刚度最大，其质量也最大， 主轴承的同轴度易保证，但拆装比较麻烦，多用于主轴承采用滚动轴承的组 合式曲轴。
第2章 曲柄连杆机构
造成上述不均匀磨损的原因是：活塞在上止点附近时各道环的背压最大，其 中又以第一道环为最大，以下逐道减小；加之气缸上部温度高，润滑条件差， 进气中的灰尘附着量多，废气中的酸性物质引起的腐蚀等，造成了气缸上部磨 损较大。而圆周方向的最大磨损部位主要是侧向力、曲轴的轴向窜动等造成的。
第2章 曲柄连杆机构 2.1概述 2.1.1曲柄连杆机构的作用和组成
图2-1 桑塔纳2000GSi轿车AJR发动机曲柄连杆机构的组成
第2章 曲柄连杆机构
2.1概述 2.1.2曲柄连杆机构受力分析
1、气体作用力 在发动机工作循环的每个行程中，气体作用力始终存在且不断变化。作功
大多数湿式缸套压入缸体后，其顶面高出气缸体上平面0.05～0.15mm。这样当紧 固气缸盖螺栓时，可将气缸盖衬垫压得更紧，以保证气缸更好地密封和气缸套更好地定 位。
水冷式气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称为水套。气缸体和气缸盖上的 水套是相互连通的，利用水套中的冷却水流过高温零件的周围而将热量带走。
第2章 曲柄连杆机构
学习目标
●理解曲柄连杆机构的作用和组成 ●知道曲柄连杆机构的受力分析 ●掌握机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组主要零件的构造
和装配连接关系 ●掌握机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组主要零件的检测
和维修方法 ●学会曲柄连杆机构的装配与调整
第2章 曲柄连杆机构
2.1概述 2.1.1曲柄连杆机构的作用和组成
龙门式气缸体其发动机的曲轴轴线高于气缸体下平面。其特点是结构刚度 和强度较好，密封简单可靠，维修方便，但工艺性较差，大中型发动机采用。
隧道式气缸体主轴承孔不分开，其特点是结构刚度最大，其质量也最大， 主轴承的同轴度易保证，但拆装比较麻烦，多用于主轴承采用滚动轴承的组 合式曲轴。
第2章 曲柄连杆机构
造成上述不均匀磨损的原因是：活塞在上止点附近时各道环的背压最大，其 中又以第一道环为最大，以下逐道减小；加之气缸上部温度高，润滑条件差， 进气中的灰尘附着量多，废气中的酸性物质引起的腐蚀等，造成了气缸上部磨 损较大。而圆周方向的最大磨损部位主要是侧向力、曲轴的轴向窜动等造成的。
第二章曲柄连杆机构受力分析资料
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• • • •
mc (1/ r ) mi ri
内燃机设计
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连杆质量换算
• 往往用小头、大头和质心处的三个质量m1、 m2、m3来代替连杆组。实际高速机计算表明， m3与m1、m2相比很小，所以一般简化为两 质量系统。由前两个条件得： m1=ml(l-l’)/l； m2=mll’/l • 所以，曲柄连杆机构的往复质量为 m j m p m1 • m2 m1 • 旋转质量为
1, 2
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内燃机设计
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五、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷
• 为了分析轴承副的工作条件，必须知道轴承 负荷的大小、方向和作用点在一个工作循环 内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表 示。 • 作轴颈负荷矢量图时，坐标固定在轴上。 • 作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上。
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• 1、曲柄连杆机构的质量分布
• （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活 塞销中心。
m p m pi
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1、曲柄连杆机构的质量分布
• （2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的 原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。 （3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性 的一般原则进行质量换算： ①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。 ②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组 的质心重合，并按此质心的运动规律运动。 ③所有当量质量相对通过连杆组质心的轴线的转 动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量。
曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支
承反力、有效负荷相平衡。
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曲柄连杆机构受力
• • • •
mc (1/ r ) mi ri
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连杆质量换算
• 往往用小头、大头和质心处的三个质量m1、 m2、m3来代替连杆组。实际高速机计算表明， m3与m1、m2相比很小，所以一般简化为两 质量系统。由前两个条件得： m1=ml(l-l’)/l； m2=mll’/l • 所以，曲柄连杆机构的往复质量为 m j m p m1 • m2 m1 • 旋转质量为
1, 2
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五、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷
• 为了分析轴承副的工作条件，必须知道轴承 负荷的大小、方向和作用点在一个工作循环 内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表 示。 • 作轴颈负荷矢量图时，坐标固定在轴上。 • 作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上。
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• 1、曲柄连杆机构的质量分布
• （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活 塞销中心。
m p m pi
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1、曲柄连杆机构的质量分布
• （2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的 原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。 （3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性 的一般原则进行质量换算： ①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。 ②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组 的质心重合，并按此质心的运动规律运动。 ③所有当量质量相对通过连杆组质心的轴线的转 动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量。
曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支
承反力、有效负荷相平衡。
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曲柄连杆机构受力
曲柄连杆机构受力分析
根椐各种曲轴转角时的每个主轴颈上的累计扭
矩值，即可确定受力情况最为严重的曲柄及其所位
于的曲轴转角。
.Hale Waihona Puke 3．发动机指示功率和平均指示压力
.
计算精度的判断： 根据发动机曲轴的输出扭矩曲线得到的平均扭
矩∑Mm应于公式∑Mm=9549．3Pi/n得到的平均扭矩 值之误差不得大于±2%。Ni为工作过程计算得到的 指标功率。
.
.
.
.
第二节 曲柄连杆机构上的作用力 一、气体压力
.
二、惯性力
.
1．往复惯性力 2．旋转惯性力
.
.
.
三、作用在曲柄连杆机构上的力
.
.
.
四、发动机的扭矩 1．单缸扭矩
发动机的翻倒力矩M’
.
2．多缸机扭矩、各主轴颈和曲柄销扭矩 知道了单缸扭短在一个循环的变化规律,考虑
各缸的着火间隔角将各缸扭矩作移相叠加就得多缸 扭矩。
多缸发动机曲轴的输出扭矩最大值∑Mmax一般 发生在位于曲轴中间的各个主轴颈（而不是靠近功 率输出端的主轴颈上）
.
扭矩不均匀度μ 扭矩不均匀度用来评价发动机曲轴输出扭矩变 化的均匀程度。通常按发动机的最大功率工况计算。
∑Mmax-∑Mmin μ= ————————
∑Mm ∑Mmax、∑Mmin 、∑Mm 为输出扭矩的最大、最小和 平均值。
第二章 曲柄连杆机构受力分析
.
第二章 曲柄连杆机构受力分析
本章分析曲柄连杆机构的运动规律和作用在主要 零件上的力，作为分析计算强度、刚度、振动和磨损 问题的依据。
第一节 曲柄连杆机构运动学 一、中心曲柄连杆机构
1．活塞位移
.
.
02第二章 曲柄连杆机构
2-2. 机体组
水平对置式机体（富士重工 SCX）
2-2. 机体组
（7）按曲轴箱结构形式分类
①平底式（一般式）机体 其特点是 油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同 一高度。这种机体的优点是机体高度 小，重量轻，结构紧凑，便于加工， 曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强 度较差。
②龙门式机体 特点是油底壳安装平 面低于曲轴的旋转中心。它的优点是 强度和刚度都好，能承受较大的机械 负荷；但其缺点是工艺性较差，结构 笨重，加工较困难。
③半球形燃烧室 其结构紧凑，散热面积小，气门直径大，气道比较平直火焰传播距离短，有 利于促进燃料的完全燃烧。
④多球形燃烧室 结构紧凑，散热面积小，火焰传播距离短，气门直径大，气道比较平直，产 生挤气涡流。
⑤蓬形燃烧室 性能与半球形相似，且易组织挤气运动。
柴油机分割式燃烧室形状：
①涡流室燃烧室 主、副燃烧室之间的连接通道与副燃烧室切向连接， 副室形成压缩涡流， 燃料顺气流方向喷射。 ② 预燃室燃烧室主、副燃烧室之间的连接通道不与副燃烧室切向连接，副室形成强紊流， 燃料迎风喷射。
好。 气环：多采用合金铸铁 油环：钢片
2-3. 曲柄连杆机构--活塞组
4）气环的密封机理： 活塞环在自由状态下，由于开口的张开，环的外 径略大于气缸直径；而装入气缸后，由于径向弹 力的作用使环的外圆面与气缸壁贴紧形成所谓的 “第一密封面”，气缸内的高压气体不可能通过 第一密封面泄漏。而在工作条件下，一旦燃气压 力产生，则气环就在燃气压力作用下压紧在环槽 的下端面上，形成所谓的“第二密封面”。高压 气体也不可能通过第二密封面泄漏。进入径向间 隙中的高压气体只能使环的外圆面与气缸壁更加 贴紧。这时漏气的唯一通道就是活塞环的开口端 隙。如果几道活塞环的开口相互错开，那么就形 成了“迷宫式”漏气通道。
汽车构造课件第二章曲柄连杆机构
曲柄连杆机构的优 化设计
提高发动机的输 出功率
降低发动机的燃 油消耗
提高发动机的可 靠性和耐用性
降低发动机的噪 声和振动
提高发动机的环 保性能
提高发动机的经 济性
优化曲柄连杆机构的设计参数，如曲柄半径、连杆长度等 采用先进的材料和制造工艺，提高曲柄连杆机构的强度和耐磨性 优化曲柄连杆机构的运动轨迹，提高发动机的输出功率和燃油经济性
汽车构造课件第二章 曲柄连杆机构
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曲柄连杆机构概述
曲柄连杆机构的运 动学分析
曲柄连杆机构的受 力分析
曲柄连杆机构的优 化设计
曲柄连杆机构的故 障诊断与维护
添加章节标题
曲柄连杆机构概述
连接发动机曲 轴和活塞，实
现动力传递
控制活塞往复 运动，实现发
动机做功
调节发动机转 速和扭矩，实 现发动机性能
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曲柄连杆机构的受力平衡条件是保证发动机正常工作的重要因素 曲柄连杆机构的受力平衡条件主要包括曲柄、连杆、活塞等部件的受力平衡 曲柄连杆机构的受力平衡条件需要满足力矩平衡、力平衡和位移平衡等条件 曲柄连杆机构的受力平衡条件可以通过计算和实验方法进行验证和优化
静力分析：分析曲柄连杆机构在静止状态下的受力情况 动力分析：分析曲柄连杆机构在运动状态下的受力情况 应力分析：分析曲柄连杆机构在受力状态下的应力分布 疲劳分析：分析曲柄连杆机构在长期受力状态下的疲劳寿命 振动分析：分析曲柄连杆机构在振动状态下的受力情况 热力分析：分析曲柄连杆机构在受热状态下的受力情况
优化
保护发动机， 防止活塞撞击 缸壁，延长发
动机寿命
曲柄：连接活塞连杆，传递动力 连杆：连接活塞和曲柄，传递动力 活塞：在气缸内上下运动，压缩气体
第2章 曲柄连杆机构
6、气缸结构形式
无气缸套式： 气缸直 接镗在气缸体上叫做 整体式气缸套 干式气缸套：外壁接 触气缸体的壁面，壁 厚薄，加工困难，拆 装不方便，散热不良。
湿式气缸套：外壁直 接与冷却水接触，壁 较厚，散热好，冷却 均匀，加工容易，拆 装方便，但强度、刚 度低，易漏水。
二、气缸盖与气缸盖衬垫
1)气缸盖的功用： 密封气缸上部，形成燃烧室，提供安装位置。 2)工作条件：
第三节 活塞连杆组
组成：活塞、活塞环、活塞销、连杆。 功用：运动的转变，力及力矩的传递
一、活塞 工作条件：活塞在高温、高压、高速、
润滑不良、化学腐蚀作用 要求：(1) 足够的刚度和强度，传力可靠； (2) 导热性能好，要耐高压、 耐高温、耐磨损； (3) 质量小，减小往复惯性力。 材料：高强度铝合金， (低速柴油机)高 级铸铁或耐热钢。
③ 锥面环 ：断面呈锥形，外圆工作面上加工一个很小的锥面 (0.5°～1.5°)，减小了环与气缸壁的接触面，提高了表面接触 压力，有利于磨合和密封。活塞下行时，便于刮油；活塞上行 时，由于锥面的"油楔"作用，能在油膜上"飘浮"过去，减小磨 损，安装时，不能装反，否则会引起机油上窜。 ④ 梯形环： 断面呈梯形，工作时，环随着活塞受侧压力的方 向不同而不断地改变位置，把沉积在环槽中的积炭挤出去，避 免环被粘在槽中而折断。可以延长环的使用寿命。 梯形环示意图 ⑤ 桶面环 ：外圆为凸圆弧形，上下运动时均能与气缸壁形成 楔形空间，使机油容易进入摩擦面，减小磨损，对气缸表面的 适应性和对活塞偏摆的适应性均较好，有利于密封
6）燃烧室
定义：当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、气缸盖底 面以下所形 成的空间。
要求： 结构紧凑,即面容比要小，以提高热效率，缩短火焰 传播距离，防止不正常燃烧 能在压缩行程终点产生挤气涡流，以提高燃烧速度
第二章_曲柄连杆机构受力分析(冲突_WIN20160317ZJK_20130513224638)
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曲柄连杆机构受力分析
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内燃机设计
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曲柄连杆机构受力分析
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一、气体作用力
• 作用在活塞顶上的气体力就是内燃机的示功 图，示功图可通过工作过程模拟计算（对新 设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机） 确定。
Fg D ( pg p' ) / 4
* /(r ) sin ( / 2) sin 2 (1 2 sin 2 ) 1/ 2
a* a /(r 2 ) cos [cos2 (1 2 sin 2 ) (2 / 4) sin 2 2 ](1 2 sin 2 ) 3/ 2
sin sin
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活塞运动规律
• 整理以上两式后得 x r[(1 1 / ) cos (1 2 sin 2 )1/ 2 / ]
r[sin ( / 2) sin 2 (1 2 sin 2 ) 1/ 2 ]
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第二节 曲柄连杆机构受力分析
• 作用在内燃机曲柄连杆机构中的力有缸内气
体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、支承
反力和有效负荷等。一般受力分析时忽略摩
擦力使受力分析偏于安全。所以，在内燃机
曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支
承反力、有效负荷相平衡。
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2、活塞运动规律简化表达式
• 对于一般内燃机 1 / 3 ，可把上列各式简化 成
x* 1 cos ( / 4)(1 cos2 )
第二章 曲柄连杆机构
第二章曲柄连杆机构§2.1概述一、功用和组成1. 功用：曲柄连杆机构的功用，是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。
2. 组成：曲柄连杆机构的主要零件可以分或三组:机体组、活塞连杆组以及曲轴飞轮组。
二、受力分析1.原因和目的：曲柄连杆机构的工作条件的特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。
由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此它在工作中的受力情况很复杂，其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等。
通过分析受力情况，找出它们对机构的影响，以便采取对应措施，减小不良影响。
2.气体作用力（1）受力分析（2）分析结果：造成各处磨损不均匀。
3. 往复惯性力（1）方向：活塞从上止点向下止点运动时，其速度变化规律是：从零开始，逐渐增大·，临近中间达到最大值，然后又逐渐减小至零。
也就是说，当活塞向下运动时，前半行程惯性力向上，后半行程惯性力向下。
（2）大小：活塞·活塞销和连杆小头的质量越大，曲轴转速越高，则往复惯性力也越大。
（3）分析结果：它使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈受周期性的附加载荷，加快轴承的磨损，未被干衡的变化着的惯性力传到气缸体后，还会引起发动机的振动。
4. 离心力（1）大小：其大小于曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关。
（2）受力分析5. 摩擦力在任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间，必定存在摩擦力，其最大值决定于上述各种力对摩擦面形成的正压力和摩擦因数。
§2.2机体组机体组主要由气缸体、曲柄箱、气缸盖、气缸衬垫、油底壳、发动机支撑等组成。
一、气缸体1.气缸体的结构形式其具体结构形式分为三种，如图2-3所示。
（1）一般式气缸体：发动机的曲轴轴线与气缸体下表面在同一干面上的为一般式气缸体（图2-3a）。
这种气缸体便于机械加工。
（2）龙门式气缸体：有的发动机将气缸体下表面移至曲轴轴叶以下（图2-3b）,称为龙门式气缸体。
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x * [ 1 ( 1 /) 2 2 ] 1 / 2 c o [ 1 2 s (s ) i 2 ] 1 / 2 n /
* si n c( o s s i ) 1 n [2 (s i ) 2 ] n 1 / 2
a * co { s2 ( c so i ) 1 n s [2 (s i) 2 ] n
m c(1/r) m iri
• （3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性 的一般原则进行质量换算：
• ①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。 • ②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组
a r 2 { c [2 c o ( 1 2 s o s 2 ) i ( s 2 n / 4 ) s 2 2 i ] 1 n 2 ( s 2 ) i 3 / 2 }
无量纲化
x * x / r ( 1 1 /) co ( 1 s 2 s2 i ) 1 / 2 n /
* /r ( ) si ( n / 2 ) s2 i ( 1 n 2 s2 i ) 1 / n 2
各种曲柄连杆机构
e
l
r e
(1)中心曲柄连杆机构 （2）偏心曲柄连杆机构
（3）关节曲柄连杆机构
2、特性参数
• 曲柄半径：r • 连杆长度：l
• 曲柄连杆比：r/l
• 偏心距：e
• 偏心率： e/r
l
r
二、中心曲柄连杆机构运动学
• 在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复 运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动， 且假定其作等速转动。
力的传递与分解
• 对气缸壁产生侧向力为
Fc Ftan
• 连杆力为
FLF/cos
• 切向力为
F t Fsin()/co s
• 法向力为
F nFco s()/co s
FC
FL
Fl
r Fn
Ft
力的传递与分解
• 发动机转矩为
TF trFsrin ( c o s
倾覆力矩为
Tk FchT
l
r
Tk
T
2 c2 o (s s i ) 2 } n 1 [ 2 (s i ) 2 ] n 3 /2
偏心曲柄连杆机构运动特点
• 活塞从上止点到下止点曲柄转过的角度大于 １８０度；
• 活塞从下止点到上止点曲柄转过的角度小于 １８０度；
• 活塞行程大于２倍曲柄半径； • 偏心量不大时，可用中心曲柄连杆机构运动
H
γ
γf
φ
H
φf
主副连杆运动曲线
活塞运动规律分析与用途
• １、简谐运动规律：活塞运动可以用简谐函 数表达，可表示为一阶分量和二阶分量；一 阶分量与曲轴同步，二阶分量比曲轴速度快 一倍。
• ２、活塞运动规律的用途： • （１）活塞位移用于示功图（p-φ与p-v）的
转换、气门干涉的校验及动力计算；
• （２）活塞速度用于评价气缸的磨损程度； • （３）活塞加速度用于计算往复惯性力。
*sin(/2)si2 n
a*cosco2s
其最大误差是，
x * 为0.2%
* 为0.5%
a * 为1%
λ≤1/4时活塞运动曲线
λ＞1/4时活塞运动曲线
三、偏心曲柄连杆机构运动学
• 一般来说，当偏心率ε>0.1时，其运动情况与 中心机构差别较大，需专门处理。其运动学 特征表现为S>2r，且上、下止点的曲柄转角 位置不在特殊位置（0或180度曲轴转角）。 其无量纲运动公式为：
曲柄连杆机构受力
P
F
Fj
Fr
曲柄连杆机构受力分析
曲柄连杆机构受力分析
一、气体作用力
• 作用在活塞顶上的气体力就是内燃机的示功 图，示功图可通过工作过程模拟计算（对新 设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机） 确定。
FgD2(pgp')/4
式中，D为气缸直径；p g 为气缸内的绝对压 力； p '为曲轴箱内气体的绝对压力。
公式计算。
四、关节曲柄连杆机构运动学
关节曲柄连杆机构运动学
• 关节曲柄连杆机 构中，主活塞、 主连杆的运动规 律与一般曲柄连 杆机构相同，而 副活塞、副连杆 的运动规律与前 者有差异。
关节曲柄连杆机构主要参数
• γ：其他同中心曲 柄连杆机构， 副连杆相应参 数带有下标f。
• 1、活塞运动规律
• 设x为活塞位移（上止点位置为起点），v 为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角， β为连杆摆角。则
xr lrco s lco s
sin si n
活塞运动规律
• 整理以上两式后得
x r [1 ( 1 /) co ( 1 s 2 s2 i) 1 /n 2 /]
r[s ( i/n 2 ) s2 i( 1 n 2 s2 i) 1 n /2 ]
第二章曲柄连杆机构受力概要
曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构运动学
– 内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数
• 1、内燃机曲柄连杆机构分类
• （1）中心曲柄连杆机构
• （2）偏心曲柄连杆机构。目的在于减小 膨胀行程活塞对气缸的作用力，或在于减 轻上止点附近活塞对气缸的拍击。
• （3）关节曲柄连杆机构。用于少数双列 式V型及全部三列W型、四列X型和多列 星型内燃机中
二、惯性力
• 要确定曲柄连杆机构的惯性力，必须要先知 道其加速度和质量分布。前面已求出加速度， 下面讨论质量分布问题。
• 1、曲柄连杆机构的质量分布
• （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活 塞销中心。
mp mpi
1、曲柄连杆机构的质量分布
• （2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的 原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。
本讲主要内容
曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构受力分析
内燃机的转矩波动与飞轮设计
曲柄连杆机构受力分析
• 作用在内燃机曲柄连杆机构中的力有缸内气 体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、支承 反力和有效负荷等。一般受力分析时忽略摩 擦力使受力分析偏于安全。所以，在内燃机 曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支 承反力、有效负荷相平衡。
a * a / r 2 ( ) c o [2 c ( 1 s 2 s o 2 ) i ( s 2 / n 4 ) s 2 2 ] i 1 n 2 ( s 2 ) i 3 / 2
2、活塞运动规律简化表达式
• 对于一般内燃机 1/3 ，可把上列各式简化 成
x* 1 c o ( s/4 )1 ( co 2 )s
* si n c( o s s i ) 1 n [2 (s i ) 2 ] n 1 / 2
a * co { s2 ( c so i ) 1 n s [2 (s i) 2 ] n
m c(1/r) m iri
• （3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性 的一般原则进行质量换算：
• ①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。 • ②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组
a r 2 { c [2 c o ( 1 2 s o s 2 ) i ( s 2 n / 4 ) s 2 2 i ] 1 n 2 ( s 2 ) i 3 / 2 }
无量纲化
x * x / r ( 1 1 /) co ( 1 s 2 s2 i ) 1 / 2 n /
* /r ( ) si ( n / 2 ) s2 i ( 1 n 2 s2 i ) 1 / n 2
各种曲柄连杆机构
e
l
r e
(1)中心曲柄连杆机构 （2）偏心曲柄连杆机构
（3）关节曲柄连杆机构
2、特性参数
• 曲柄半径：r • 连杆长度：l
• 曲柄连杆比：r/l
• 偏心距：e
• 偏心率： e/r
l
r
二、中心曲柄连杆机构运动学
• 在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复 运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动， 且假定其作等速转动。
力的传递与分解
• 对气缸壁产生侧向力为
Fc Ftan
• 连杆力为
FLF/cos
• 切向力为
F t Fsin()/co s
• 法向力为
F nFco s()/co s
FC
FL
Fl
r Fn
Ft
力的传递与分解
• 发动机转矩为
TF trFsrin ( c o s
倾覆力矩为
Tk FchT
l
r
Tk
T
2 c2 o (s s i ) 2 } n 1 [ 2 (s i ) 2 ] n 3 /2
偏心曲柄连杆机构运动特点
• 活塞从上止点到下止点曲柄转过的角度大于 １８０度；
• 活塞从下止点到上止点曲柄转过的角度小于 １８０度；
• 活塞行程大于２倍曲柄半径； • 偏心量不大时，可用中心曲柄连杆机构运动
H
γ
γf
φ
H
φf
主副连杆运动曲线
活塞运动规律分析与用途
• １、简谐运动规律：活塞运动可以用简谐函 数表达，可表示为一阶分量和二阶分量；一 阶分量与曲轴同步，二阶分量比曲轴速度快 一倍。
• ２、活塞运动规律的用途： • （１）活塞位移用于示功图（p-φ与p-v）的
转换、气门干涉的校验及动力计算；
• （２）活塞速度用于评价气缸的磨损程度； • （３）活塞加速度用于计算往复惯性力。
*sin(/2)si2 n
a*cosco2s
其最大误差是，
x * 为0.2%
* 为0.5%
a * 为1%
λ≤1/4时活塞运动曲线
λ＞1/4时活塞运动曲线
三、偏心曲柄连杆机构运动学
• 一般来说，当偏心率ε>0.1时，其运动情况与 中心机构差别较大，需专门处理。其运动学 特征表现为S>2r，且上、下止点的曲柄转角 位置不在特殊位置（0或180度曲轴转角）。 其无量纲运动公式为：
曲柄连杆机构受力
P
F
Fj
Fr
曲柄连杆机构受力分析
曲柄连杆机构受力分析
一、气体作用力
• 作用在活塞顶上的气体力就是内燃机的示功 图，示功图可通过工作过程模拟计算（对新 设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机） 确定。
FgD2(pgp')/4
式中，D为气缸直径；p g 为气缸内的绝对压 力； p '为曲轴箱内气体的绝对压力。
公式计算。
四、关节曲柄连杆机构运动学
关节曲柄连杆机构运动学
• 关节曲柄连杆机 构中，主活塞、 主连杆的运动规 律与一般曲柄连 杆机构相同，而 副活塞、副连杆 的运动规律与前 者有差异。
关节曲柄连杆机构主要参数
• γ：其他同中心曲 柄连杆机构， 副连杆相应参 数带有下标f。
• 1、活塞运动规律
• 设x为活塞位移（上止点位置为起点），v 为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角， β为连杆摆角。则
xr lrco s lco s
sin si n
活塞运动规律
• 整理以上两式后得
x r [1 ( 1 /) co ( 1 s 2 s2 i) 1 /n 2 /]
r[s ( i/n 2 ) s2 i( 1 n 2 s2 i) 1 n /2 ]
第二章曲柄连杆机构受力概要
曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构运动学
– 内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数
• 1、内燃机曲柄连杆机构分类
• （1）中心曲柄连杆机构
• （2）偏心曲柄连杆机构。目的在于减小 膨胀行程活塞对气缸的作用力，或在于减 轻上止点附近活塞对气缸的拍击。
• （3）关节曲柄连杆机构。用于少数双列 式V型及全部三列W型、四列X型和多列 星型内燃机中
二、惯性力
• 要确定曲柄连杆机构的惯性力，必须要先知 道其加速度和质量分布。前面已求出加速度， 下面讨论质量分布问题。
• 1、曲柄连杆机构的质量分布
• （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活 塞销中心。
mp mpi
1、曲柄连杆机构的质量分布
• （2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的 原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。
本讲主要内容
曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构受力分析
内燃机的转矩波动与飞轮设计
曲柄连杆机构受力分析
• 作用在内燃机曲柄连杆机构中的力有缸内气 体作用力、运动质量惯性力、摩擦力、支承 反力和有效负荷等。一般受力分析时忽略摩 擦力使受力分析偏于安全。所以，在内燃机 曲柄连杆机构中，气体作用力、惯性力与支 承反力、有效负荷相平衡。
a * a / r 2 ( ) c o [2 c ( 1 s 2 s o 2 ) i ( s 2 / n 4 ) s 2 2 ] i 1 n 2 ( s 2 ) i 3 / 2
2、活塞运动规律简化表达式
• 对于一般内燃机 1/3 ，可把上列各式简化 成
x* 1 c o ( s/4 )1 ( co 2 )s