曲柄连杆机构解析
论述曲柄连杆机构的功用、组成和类型
论述曲柄连杆机构的功用、组成和类型
曲柄连杆机构是机械传动中常用的一种机构，它可以将连续圆周
运动变成间断直线运动或者间断直线运动变成连续圆周运动，是支持
现代机械加工、运输和工业生产的关键。
曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞三个部分组成。
曲柄是一个弯
曲的轴，一般用于将旋转运动转化为直线运动。
连杆是曲柄的一端与
活塞的另一端连接的结构物，它可以将曲柄的旋转运动转化为活塞的
往复直线运动，或将活塞的往复直线运动转化为曲柄的旋转运动。
而
活塞就是连接到连杆上的一个移动元件，一般用于将压力进行转移或
从某个位置移动到另一个位置。
曲柄连杆机构有多种类型，包括曲柄机构、连杆机构、滑块机构
和齿轮机构等。
其中曲柄机构主要用于流体机械中，例如内燃机和蒸
汽机，用于将往复的活塞运动转化为旋转的轴运动。
连杆机构多用于
挖掘机、吊车、升降车等工程机械中，用于将往复的活塞运动转化为
连杆的直线运动。
滑块机构则是钳工和铣工机械等精密机械中常用结构，用于将往复的活塞运动转化为滑块的直线运动。
而齿轮机构主要
用于变速箱和传动系统中，用于将旋转的动力从一个轴传到另一个轴。
总的来说，曲柄连杆机构已经成为现代机械制造中不可缺少的一
部分，其功用和组成结构的高效协调性，有力地推动了现代化工业的
发展。
第二章 曲柄连杆机构动力学分析
mCA mCB m mC mCA l A mCB l B m l2 m l2 I CA A CB B
mCA I /( Ll A ) mCB I /( Ll B ) m m I /(l l ) C A B
通常 Δ m 较小。为确定 mCA、mCB 需要知道连杆组的质心位置， 为此可用天平称量法、力学索多边形法确定质心，现在的三维CAD 软件也有此功能。 最后可得出整个曲柄连杆机构的换算质量： 往复运动质量
cos vmax
L
1
L R 1 2 1 R R 1 2 cos
2 2
由近似式可得出活塞平均速度
cm
1
0
Sn R (sin sin 2 )d R 2 30
2
活塞的最大速度和平均速度之比是反映活塞运动交变程度的一个 指标：
v max R 1 2 2 1 2 cm 2 R
1 sin 1 2 2 L cos 1 sin 2 （近似式）
2 2
L
cos
（精确式）
在α =0º 或180º 时达到极值： Le 连杆摆动角加速度ε L： sin 2 2 L 1 3/ 2 2 2 1 sin
Le 2 1 2
在曲柄连杆机构运动学计算中，通常将活塞的位移、速度和加速度 分别除以R、Rω 、Rω 2，无量纲化，写成 无量纲位移（活塞位移系数）： x 1 x 1 cos 1 1 2 sin 2 R （精确式）
x 1 cos
用近似式计算加速度在α =0º 、180º 时没有误差，在α =90º 、270º 时误差最大。以λ =0.32时为例，相对误差约为 5.3%
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
.
.
第一章_曲柄连杆机构的运动与受力分析
此惯性力作用于活塞销上，并通过活塞销作用于连杆，进而 传递到曲轴、机体mhx j （1-26）
此惯性力作用于连杆小头上，并通过连杆作用于曲轴，再传 到机体。 在进行曲柄连杆机构总体受力分析时（对机体、被曲轴驱动 的轴系…），考虑整个活塞组件的往复惯性力：
1.2.1 气体作用力 作用于活塞顶上的气体作用力： Pg ( pg p0 ) Fh （式中，Fh是活塞投影面积）
pg p0 时， Pg 是正值，其作用方向是活塞下行方向。 2 以 F cm 与 为单位，则： p0 以bar为单位， h 若 pg
当
Pg 10 pg p0 Fh
dv d sin d cos d j r cos sin 2 dt dt cos dt cos dt
将式（1-6）代入上式，得：
2 cos cos 2 j r 2 cos cos
e arcsin
d cos 角速度： l dt cos cos 1 （1-13） 2 2 2 1 sin
角速度极值： le
d dt
sin d sin d l l cos 角加速度： cos 2 dt cos dt
dx d 1 d v r sin sin dt dt dt d cos d 将式（1-3）对时间求导，得： （1-6） dt cos dt d 代入上式，且记曲轴角速度：
活塞速度： 可得： v r
（1-10）（精确式）
将式（1-8）对时间求导，得：
j r 2 cos cos2
第二章 曲柄连杆机构的介绍
第二章曲柄连杆机构的介绍2.1 曲柄连杆机构的功能曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后产生的气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。
具有以下功能：（1）将气体的压力变为曲轴的转矩；（2）将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动；（3）把燃烧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。
2.2 曲柄连杆机构的类型曲柄连杆机构的型式很多，按运动学可分为以下三类：中心曲柄连杆机构、偏心曲柄连杆机构和主副连杆式心曲柄连杆机构。
中心曲柄连杆机构的特点是气缸中心线通过曲轴的旋转中心，并垂直于曲柄的回转轴线。
这种型式的曲柄连杆机构在内燃机中应用最为广泛。
一般的单列式内燃机，采用并列连杆与叉形连杆的V形内燃机，以及对叠式活塞内燃机的曲柄连杆机构都属于这一类。
偏心曲柄连杆机构的特点是气缸中心线垂直于曲轴的回转中心线，但不通过曲轴的回转中心，气缸中心线距离曲轴的回转轴线具有一偏移量e。
这种曲柄连杆机构可以减小膨胀行程中活塞与气缸壁间的最大侧压力，使活塞在膨胀行程与压缩行程时作用在气缸壁两侧的侧压力大小比较均匀。
主副连杆式曲柄连杆机构的特点是内燃机的一列气缸用主连杆，其它各列气缸则用副连杆，这些连杆的下端不是直接接在曲柄销上，而是通过副连杆销装在主连杆的大头上，形成了“关节式”运动，所以这种机构有时也称为“关节曲柄连杆机构”。
在关节曲柄连杆机构中，一个曲柄可以同时套上几副连杆和活塞，这种结构可使内燃机长度缩短，结构紧凑，广泛的应用于大功率的坦克和机车用V形内燃机。
2.3 曲柄连杆机构的研究方法运用理论分析和计算机数值仿真相结合的方法，通过对曲柄连杆机构运动过程的模拟，完成一个工作周期内的仿真，得到曲轴在实际工作周期内的动态边界条件，继而运用VS软件得到几种不同的曲柄连杆机构以及其在实际工作的运动规律，并对这几种曲柄连杆机构的运动规律进行参数化分析，从而由运行规律推导出其精确公式或近似式。
第三章曲柄机构受力分析
第三章曲柄机构受力分析3.1曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构的任务是将活塞的往复运动转化为曲柄的旋转运动，在往复活塞式汽车发动机中基本上采用两种曲柄连杆机构；中心曲柄连杆机构；偏心曲柄连杆机构。
（l）、中心曲柄连杆机构：其气缸轴线通过曲轴轴线。
这种机构的运动特性完确定，其中r为曲柄半径，L为连杆长度（连杆大小头孔中心间距全由连杆比λ=rι离）（2）、偏心曲柄连杆机构：其气缸轴线偏离曲柄轴线。
这种机构的特性参数除连杆比λ，还有偏心率ξ=℮，其中ℯ为气缸轴线相对曲轴轴γ线的偏移量。
下面讨论应用最广泛的中心曲柄连杆结构的运动学。
3.1.1中心曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构在汽车发动机中应用最广泛。
机构简图如图3一1所示。
它在运动时，活塞A作往复直线运动，曲柄OB作旋转运动，连杆AB作平面复合运动。
研究曲柄连杆机构图运动学的重点是研究活塞的运动规律，因为曲柄的运动状态比较简单，连杆的运动虽然较复杂，但可把它看成一部分随活塞A运动，另一部分随连杆轴径B运动，其运动所引起的其他后果对我们所研究的问题影响较小。
图3一2中，O点表示曲轴中心，A点表示活塞销中心位置、也就是活塞的位置，OB表示曲柄半径:，AB表示连杆长度l。
曲柄转角α是从气缸轴线顺着曲柄转动方向度量。
当α二0º时，对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在上止点位置；当α﹦180º时，对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在下止点位置。
β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度，称为连杆摆动角，逆时针为正、顺时针为负。
下面分别研究曲柄、活塞和连杆的运动规律：1、曲柄运动通常近似地认为汽车发动机中曲柄是作匀谏转动，其转角α=360π60t=6nt度。
式中t表示时间，n表示汽车发动机转速（转/分）。
角速度ω=dαdt =πn30弧度/秒≈常数。
因为认为曲柄是作匀速转动，所以ω一个参数确定了曲轴的运动状态。
2、活塞位移从图3一2可知，活塞位移：Χ=ΑΑ=ΑΟ−ΑΟ=ΑΟ−ΑC−CO=r+L−r cosα−L cosβ=r1+1λ−cosα+1λcosβ由上式知，位移x与r有关，不同型号的汽车发动机r是不一样的，为了便于比较分析不同大小汽车发动机活塞位移变化规律，常引用无量纲位移（又称位移系数）χ=χr，即用χ与r的相对值表示变化规律。
简述曲柄连杆机构的作用与组成
简述曲柄连杆机构的作用与组成
曲柄连杆机构是一种广泛应用于机械装置中的传动机构，它的作用是将旋转运动转化为往复运动，或者将往复运动转化为旋转运动。
在各种机械设备中，如发动机、压缩机、液压泵等，都能看到曲柄连杆机构的身影。
曲柄连杆机构主要由曲柄、连杆、轴承、活塞等部件组成。
这些部件各自承担着不同的功能，共同完成整个机构的运转。
1.曲柄：曲柄是曲柄连杆机构的核心部件，它与连杆相连，负责将旋转运动传递给连杆。
曲柄的设计需要考虑到强度、刚度和轻量化等因素，以承受来自活塞的高压力和冲击力。
2.连杆：连杆的作用是将曲柄的旋转运动转化为活塞的往复运动。
连杆的设计需要考虑到材料的选择、杆长和杆径的合理搭配，以确保其在承受高压力的同时，具有良好的运动平稳性和较长的使用寿命。
3.轴承：轴承是曲柄连杆机构中用于支撑和定位曲柄、连杆的重要部件。
轴承的选择需要根据工作条件和使用要求来确定，以保证其在高速、高负荷工况下具有良好的润滑性能和耐磨性。
4.活塞：活塞是曲柄连杆机构的终端执行部件，负责完成实际的作业任务。
活塞的设计需要考虑到材料、尺寸和冷却等方面的因素，以确保其在高温、高压等恶劣环境下具有良好的性能。
曲柄连杆机构在各类机械设备中的应用具有显著的优势，如高效、节能、紧凑和耐用等。
随着科技的不断进步，曲柄连杆机构的设计和制造技术也在不断提高，使其在更广泛的领域发挥更大的作用。
总之，曲柄连杆机构是一种重要的机械传动装置，它通过各部件的协同作用，实现了旋转运动与往复运动的相互转换。
图解汽车发动机技术4-发动机曲柄连杆机构
图解汽车发动机技术4-发动机曲柄连杆机构曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。
其功能是将活塞的往返运动转变为曲轴的旋转运动，同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱动汽车车轮转动。
曲柄连杆机构由活塞连杆组、曲轴飞轮组的零件组成。
1. 活塞连杆组活塞的主要功用是承受燃烧气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。
此外活塞顶部与汽缸盖、汽缸壁共同组成燃烧室。
活塞环分气环和油环两种。
气环的主要功用是密封和传热。
油环的主要功用是刮除飞溅到汽缸壁上多余的机油，并在汽缸壁上涂布一层均匀的油膜。
连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。
习惯上常常把连杆体、连杆盖和连杆螺栓合起来称作连杆，有时也称连杆体为连杆。
连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。
2. 曲轴飞轮组曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。
曲轴基本上由若干个单元曲拐构成。
一个曲柄销，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐。
单缸发动机的曲轴只有一个曲拐，多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与汽缸数相同，V型发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数的一半。
将若干个单元曲拐按照一定的相位连接起来再加上曲轴前、后端便构成一根曲轴。
多缸发动机具有两个平衡轴用以补偿惯性力。
这两个轴安装在曲轴箱中。
上平衡轴由曲轴通过齿形带驱动。
上平衡轴末端的一个齿轮驱动下平衡轴。
平衡轴固定在曲轴箱离合器侧的两个定位孔中。
3. 发动机工作顺序与曲轴曲拐布置四冲程直列四缸发动机发火间隔角为720°/4=180°。
四个曲拐在同一平面内。
发动机工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3。
V型6缸发动机，面对发动机冷却风扇，右侧气缸用R表示，从前向后气缸号依次为R1、R2、R3；左侧气缸用L表示，从前至后气缸号依次为L1、L2、L3。
V型6缸发动机的发火间隔角仍然为120度，三个曲拐互成120°，工作顺序为R1-L3-R3-L2-R2-L1。
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按燃料燃 烧位置分
内燃 式发 动机
按燃烧 类型分
按内部运 动类型分
间歇 燃烧 式发 动机
往复 活塞 式发 动机
外燃 式发 动机
连续 燃烧 式发 动机
转子 式发 动机
汽 按使用燃料分 油
机
柴 油 机
按工作循环分
二冲 程机
水 冷 按冷却方式分 式 发 动 机
四冲 程机
风 冷 式 发 动 机
气
气
门
门
示功图
2、压缩冲程
进气冲程结束后， 进、排气门均关 闭；曲轴继续带 动活塞由下止点 向上止点运动， 容积逐渐减小， 可燃混合气压缩， 压力温度逐渐升 高。
活塞运动
示功图
压缩终了，缸内：P=0.6～1.5Mpa，T=600～700K 。
3、做功冲程
活塞运行到上止 点，进、排气门 仍然关闭；点火 装置产生电火花， 点燃混合气。缸 内温度、压力骤 然升高，燃烧膨 胀后的气体，推 动活塞通过连杆 带动曲轴旋转作 功。
活塞顶离曲轴回转中 心最近处为下止点。
在上、下止点处，活 塞的运动速度为零。
3．活塞行程
上、下止点间的距离 S 称为活塞行程。 曲轴的回转半径 R 称为曲柄半径。显然，曲轴每回转 一周，活塞移动两个活塞行程。 对于气缸中心线通过曲轴回转中心的发动机，其 S＝ 2R 。
4．气缸工作容积
活塞从一止点至另一止点所扫过的容积（单位为L或
与汽油机比，柴油机每一 工作循环也经历进、压、 功、排。但柴油密度、粘 性大，难蒸发，自燃点低， 混合气形成方式、着火方 式不同。混气形成在压缩 上止点前某时刻、缸内边 喷、边混、边烧，喷、混、 烧没明显界限。结构、工 作过程图1.7所示。
升），如下图所示。
Vh
D2 4
S
10 6 (L)
5．发动机排量
内燃机所有气缸工作容积的总和称为内燃机排量。 发动机排量＝气缸工作容积×汽缸数
6．燃烧室容积 活塞位于上止点时，活塞顶面以上气缸盖底面以下所形 成的空间称为燃烧室，其容积称为燃烧室容积，也叫压 缩容积。
7．气缸总容积 气缸总容积＝气缸工作容积+燃烧室容积。
活塞运动
示功图
作功时缸内：Pmax=3～5Mpa，Tmax=2200～2800K； 作功终了时缸内：P=0.3～0.5Mpa，T=1300～1600K。
4、排气冲程
此时，排气门 打开，进气关 闭，曲轴旋转， 带动活塞向上 止点运动，废 气从排气门排 出气缸外，至 上止点排气门 关闭。
活塞运动
示功图
排气终了，缸内： P=0.102～0.120Mpa，T=900～1200K
表1.1 单缸四冲程汽油机的工作过程
曲轴转角 （°）
冲程
活塞 气 门 状 态 运动
进气门 排气门
气缸内压力、温度
压力（MPa）
温度（K）
0~180 进气 向下 开启 关闭
进气结束： 0.08~0.90 （0.80~0.95）
第1章 发动机的基础知识
第1章 发动机的基础知识
学习目标 熟悉发动机类型、总体结构及基本原理、基本术语； 了解工程热力学基础、发动机热力循环和性能指标、 产品型号，影响发动机工作性能的主要因素； 掌握汽车发动机型号编制规则、发动机工作原理。 初步掌握汽车发动机修理预备知识
1.1 发动机的总体构造及基本原理
柴油机则包括机体、曲柄连杆、配气、燃油供 给、冷却、润滑、起动等机构系统。
1.1.3 发动机的基本术语
动态演示
1.1.3 发动机的基本术语
1．工作循环
往复活塞式发动机的工作循环是由进气、压缩、作功和 排气等组成的封闭过程。周而复始地进行这些过程，发 动机才能持续地作功。
2．上、下止点
活塞顶离曲轴回转中 心最远处为上止点；
8．压缩比
压缩比＝气缸总容积与燃烧室容积之比。
压缩比表示缸内气体被压缩的程度，或缸内燃气膨胀的倍数。
柴高（ = 16~22），汽油发动机较低（或者 = 6~9，轿车 =
9~11）。 ※压缩比≠气缸压力
9．工况 发动机在某一时刻的运行状况简称工况，以该时 刻发动机输出的有效功率和曲轴转速表示。曲轴 转速即为发动机转速。
进气结束：370~440 （320~350）
180~360 压缩 向上 360~540 做功 向下 540~720 排气 向上
关闭 关闭 关闭
关闭 关闭 开启
压缩结束： 0.6~1.5（3~5）
压缩结束：600~700 （800~1 000）
最大压力：3~5 （5~10）做功结
束：0.3~0.5 （0.2~0.4）
按气门配置位置分 顶
侧
置
置
式
式
直 按气缸排列方式分 列
式
V 形
气
缸
单
多
按气缸数量分
缸
缸
机Leabharlann 机1.1.2 发动机的总体构造
内燃机种类繁多，结构形式、具体构造多种多 样，但其基本工作原理一致，为完成热功转换 所需的总体功能、基本结构则大同小异。
汽油机由机体、曲柄连杆机构、配气机构、燃 油供给系统、冷却系统、润滑系统、点火系统、 起动系统等部分组成。
完成进气、压缩、作功和排气等四个过程；即在一个活塞行程
内只进行一个过程。
进气终了，缸内：
1、进气冲程
P=0.074～0.093Mpa， T=353～403K
此时，排气门关， 进气打开，曲轴旋 转，带动活塞向下 止点运动，产生吸 力，将空气和汽油 吸入气缸，并在气 缸内进一步形成可 燃混合气。
活塞运动
10．负荷率
发动机在某一转速下发出的有效功率与相同转速 下所能发出的最大有效功率的比值称为负荷率， 以百分数表示。负荷率通常简称负荷。
1.1.4 单缸四冲程发动机的工作原理
动画演示
1、进气冲程 2、压缩冲程 3、作功冲程 4、排气冲程
1.1.4 单缸四冲程发动机的工作原理
四冲程往复活塞式发动机，在四个活塞行程（曲轴转两圈——720°）内
1.1.1 发动机的分类
一、 发动机的定义 能量转换、由多机构、多系统构成的复杂机器。
二、发动机的分类
按其结构特征不同可分为：汽油、柴油及多燃料 发动机；点燃式与压燃式发动机；化油器式与喷 射式发动机；单缸与多缸发动机；水冷式与风冷 式发动机；四冲程与二冲程发动机；双气门与多 气门发动机；顶置式气门与侧置式气门发动机； 单排直列与V形排列式发动机。
排气结束： 0.11~0.115 （0.11~0.115）
最高温度：2 000~2 800 （1 800~2 200）做功结
束：1 300~1 600（1 200~1 500）
排气结束：900~1 200 （800~1 000）
注：括号内的数字表示柴油机对应冲程的压力与温度。
2．单缸四冲程柴油机的工作过程