基于热力耦合的汽油机曲柄连杆机构结构分析
发动机曲柄连杆机构组成作用和受力分析
发动机曲柄连杆机构组成作用和受力分析发动机的曲柄连杆机构是发动机最重要的机构，它的重要性体现在在三点：缸体和缸盖组成发动机工作的基础部件；实现活塞的往复直线运动和曲轴旋转动行的转变；保证气缸的密封，这是发动机正常工作的重要保证！发动机曲柄连杆机构的机体组是发动机工作的基础很多人将曲柄连杆机构的组成分为三部分：机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。
机体组包括缸体、缸盖、缸垫、缸套和油底壳等，它们是发动机工作的基础部件，如在缸体和缸盖内设有润滑油道和冷却水道，并在缸体上安装有润滑系统的机油泵，机油滤清器和冷却系统的循环水泵。
发动机配气机构基本全部在缸盖安装。
活塞连杆组包括活塞、连杆、活塞环、活塞销、连杆等。
曲轴飞轮组包括曲轴、连杆轴承、主轴承、止推垫、飞轮等。
活塞连杆组和曲轴飞轮组实现活塞的往复直线运动和曲轴旋转动行的转变：在做功冲程中，活塞带动曲轴做旋转运动，对外输出动力。
而在进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动，为做功冲程做好准备。
曲柄连杆机构的活塞连杆组和曲轴飞轮组曲柄连杆机构一个非常重要的作用是保证气缸的密封性能，建立足够的气缸压力，它是发动机正常工作的保证。
气缸的密封需要缸套、活塞和活塞环的良好配合实现。
良好的配合间隙保证了气缸内的高压燃汽不会窜入油底壳，油底壳的机油不会窜入气缸参与燃烧。
曲柄连杆机构的活塞，活塞环和缸套磨损后，配合间隙增大，气缸的密封性能下降，气缸内的燃汽窜入油底壳，加速机构的变质，发动机动力下降。
同时油底壳机油进入气缸参与燃烧，发动机冒蓝烟，加速机油的消耗和发动机内部积碳的生成。
曲柄连杆机构主要承受气体作用力、往复惯性力、旋转离心力及机件摩擦力的作用。
并且高温、高速、高压、存在腐蚀和润滑困难。
发动机工作时，曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。
EA113汽油机曲柄连杆机构技术报告
EA113汽油机曲柄连杆机构技术报告一、引言。
EA113汽油机曲柄连杆机构是一种关键的发动机部件，它负责将活塞的上下运动转化为曲轴的旋转运动。
为了确保该机构的正常运行和性能，我们进行了一次自查，以发现潜在的问题并采取相应的措施进行修复。
二、自查内容及结果。
1. 检查曲柄连杆的连接情况，我们仔细检查了曲柄连杆与曲轴、活塞销等部件的连接情况。
经过检查，发现连接紧固件存在松动的情况，我们立即进行了紧固处理，确保连接牢固可靠。
2. 检查曲柄连杆的磨损情况，我们对曲柄连杆的表面进行了检查，发现存在一些磨损和疲劳裂纹的迹象。
为了避免进一步的损坏，我们决定更换这些受损的曲柄连杆，并采取措施减少磨损。
3. 检查曲柄连杆的润滑情况，我们检查了曲柄连杆的润滑情况，发现润滑油的污染程度较高。
我们立即更换了润滑油，并加强了润滑系统的维护，以确保曲柄连杆得到充分的润滑。
4. 检查曲柄连杆的平衡情况，我们对曲柄连杆进行了平衡检查，发现存在一些不平衡的情况。
为了避免不平衡对发动机的影响，我们采取了平衡校正措施，以确保曲柄连杆的平衡性能。
三、问题分析。
通过自查，我们发现了曲柄连杆机构存在的一些问题，主要包括连接紧固件松动、磨损和疲劳裂纹、润滑油污染以及平衡不良等。
这些问题可能会导致曲柄连杆的失效、性能下降和发动机故障等严重后果。
四、解决措施。
针对上述问题，我们采取了以下解决措施：1. 加强连接紧固件的检查和维护，确保连接牢固可靠；2. 更换受损的曲柄连杆，并采取措施减少磨损；3. 加强润滑系统的维护，定期更换润滑油，确保曲柄连杆得到充分的润滑；4. 进行曲柄连杆的平衡校正，确保其平衡性能。
五、结论。
通过本次自查，我们发现了EA113汽油机曲柄连杆机构存在的问题，并采取了相应的解决措施。
我们相信，通过这些措施的实施，曲柄连杆机构的运行和性能将得到有效的改善，从而保障发动机的正常工作和可靠性。
六、建议。
为了进一步提升EA113汽油机曲柄连杆机构的性能和可靠性，我们建议在日常维护中加强对该机构的检查和维护，定期更换润滑油，并进行平衡校正。
曲柄连杆机构的结构
曲柄连杆结构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。
它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。
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。
发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。
无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。
要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备一些机构和系统。
曲柄连杆机构的结构组成包括：机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组。
1、工作原理：将活塞的往复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。
2、作用：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。
3、组成：曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成。
发动机曲柄连杆机构的主要组成及各零件的功能
发动机曲柄连杆机构的主要组成及各零件的功能一、引言发动机曲柄连杆机构是内燃机中的关键部件之一，其主要作用是将来自活塞的往复运动转化为连续的旋转运动，驱动发动机的工作。
本文将对发动机曲柄连杆机构的主要组成及各零件的功能进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、发动机曲柄连杆机构的主要组成发动机曲柄连杆机构由曲轴、连杆和曲轴箱等组成。
2.1 曲轴曲轴是发动机曲柄连杆机构中最重要的部件之一，其功能是将活塞的往复运动转化为连续的旋转运动。
曲轴通常由一根中空的钢铁或铸铁制成，其上具有一系列曲轴肩和连杆肩。
曲轴肩通常用于安装连杆，连杆肩则用于与曲轴箱相连接。
2.2 连杆连杆是发动机曲柄连杆机构中的关键构件，其作用是将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动。
连杆由钢铁制成，具有一段连接活塞的小头和一段连接曲轴的大头。
2.3 曲轴箱曲轴箱是发动机曲柄连杆机构中的外壳部分，其主要功能是保护曲轴和连杆，同时起到润滑曲轴和连杆的作用。
曲轴箱的结构通常较复杂，包括进气和排气通道、油路系统等。
三、各零件的功能及工作原理3.1 曲轴的功能及工作原理曲轴是发动机曲柄连杆机构中最重要的部件之一，其主要功能是将活塞的往复运动转化为连续的旋转运动。
当活塞下行时，曲轴通过连杆将其沿着曲轴轴线方向转化为旋转运动；当活塞上行时，曲轴依然通过连杆将其转化为相反方向的旋转运动。
这样，曲轴就可以为发动机提供连续稳定的动力。
3.2 连杆的功能及工作原理连杆是发动机曲柄连杆机构中的关键构件，其作用是将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动。
当曲轴旋转时，连杆通过小头连接活塞，将曲轴的旋转运动转化为活塞的上下往复运动。
这样，连杆就实现了将曲轴产生的旋转动能转变为活塞的往复运动，并传递给其他部件。
3.3 曲轴箱的功能及工作原理曲轴箱是发动机曲柄连杆机构中的外壳部分，其主要功能是保护曲轴和连杆，并起到润滑曲轴和连杆的作用。
曲轴箱内设置有油泵，通过油泵将机油送到曲轴箱中，以保证曲轴和连杆的润滑。
汽油机曲柄连杆机构结构设计与有限元分析_王治平
第29卷 第6期新乡学院学报（自然科学版） 2012年12月 V ol. 29 No. 6 Journal of Xinxiang University(atural Science Edition) Dec. 2012收稿日期：2012-09-12修回日期：2012-10-08 作者简介：王治平(1957-)，男，安徽潜山人. 副教授，研究方向：数字化汽车设计. E-mail: ahjdwzp@.汽油机曲柄连杆机构结构设计与有限元分析王治平（安徽机电职业技术学院 汽车工程系，安徽 芜湖 241000）摘 要：根据力学分析结果和强度要求设计了内燃机曲柄连杆机构结构，并建立该机构三维数字化虚拟装配模型，结合有限元理论及其分析软件ANSYS ，模拟分析了曲柄连杆机构装配体热力耦合，结果表明，数字化模型结合装配体有限元分析，可解决曲柄连杆机构结构强度评价问题，有助于缩短汽油机开发周期和减少成本.关键词：结构设计；强度理论；曲柄连杆机构；有限元分析；热力耦合中图分类号：TK413.3 文献标志码：A 文章编号：1674–3326(2012)06–0543–03Structure Design and Finite Element Analysis of Crankshaft andConnecting Rod Mechanism of Gasoline EngineWANG Zhi-ping(Department of Automobile Engineering, Anhui Technical College of Mechanical andElectrical Engineering, Wuhu 241002, China)Abstract: Aiming at crankshaft and connecting mechanism of internal combustion engine, structure is designedon the basis of mechanics analysis and strength theory. Three-dimensional digitalized virtual assembly model ofthe structure is built. Combined with finite element theory and ANSYS, thermodynamics coupling simulationanalysis on the crankshaft and connecting mechanism is carried out. The result indicates that strength estimationproblems of crankshaft and connecting mechanism could be solved through digitalized model and finite elementanalysis of assembly, so that development cycle could be shortened and development cost could be saved.Key words: structure design; strength theory; crankshaft and connecting mechanism; finite element analysis;thermo mechanical coupling0 引言曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环的两大机构之一. 以往对于内燃机曲柄连杆机构的力学分析和热分析都是分开研究的，有时仅分析其应力，不作热分析；有时仅作热分析而不作应力分析，因而不能很好地反映其实际工况.本文结合机械强度理论和有限元装配体分析软件，依据强度理论进行结构设计，分析其载荷情况，最后进行装配体热力耦合有限元分析.1 曲柄连杆结构设计在运动学分析的基础上，可把曲柄、连杆、曲轴等简化成曲柄连杆机构(见图1). 活塞在运动过程中主要受到往复惯性力F j 、离心惯性力F R 、活塞作用力F r 和推动力F .由运动学关系知，活塞行程和曲轴转角之间的关系为 1z [(1cos )4(1cos 2)]S R a l a -»-+-.(1)图1 曲柄连杆机构Fig. 1 Rankshaft-connectingmechanism新乡学院学报（自然科学版） ·544· 其中：S z 为活塞位移；R 为活塞半径；λ=R /L 为活塞半径和连杆长度之比；α为曲轴转角. 由位移、速度和加速度关系并由(1)式变化可得活塞加速度zS &&为 z 2(cos cos 2)S R w a l a =+&&. (2) 由动力学关系式可知，往复惯性力F j 为21j B z B [(1cos )4(1cos 2)]F m Sm R w a l a -=-=--+-&&. (3) 离心力F R 为 2R A F m R w =-. (4)作用在活塞上的推动力F 为r j F F F =+. (5)其中m B 为活塞质量，m A 为连杆质量，F r 为活塞顶部作用力.由于气体燃烧产生的压力和温度的影响，由(5)式和(4)式得到活塞受到的相应主应力为/F A s =s1， (6)R 1/F A s s =-=s2s3. (7)根据(6)式和(7)式计算铝合金活塞受到的主应力. 由第二强度理论验证可得，活塞结构满足设计要求()[]u s s s s --£s1s2s3， (8)其中：σs1、σs2、σs3为活塞在三个方向的主应力；A 、A 1为活塞横截面、竖截面面积；[σ]为活塞的允许应力.由图1的受力关系，可把活塞上的推动力分解为沿连杆方向的力F w 和垂直连杆方向的力N 1，w /cos F F b =， (9)1tan N F b =. (10)按照(9)式计算材料为45号钢的连杆主应力. 根据第一强度理论验证，可得连杆结构满足设计要求w 2/()/(cos )[]F bh F bh s b s ==£r2. (11)其中σr2为连杆的拉压应力，[σ2]为连杆的允许应力，b 为截面最大宽度，h 为截面最大厚度，β为连杆和活塞竖直方向的夹角. 推力驱动可使F w 分解为连杆轴颈上的径向力R 1和切向力T 1，1w cos()cos()cos R F F a b a b b =+=+， (12)1w sin()sin()cos T F F a b a b b =+=+. (13)因此，由(13)式知，作用于曲轴上的弯矩M 1为11w sin()sin()cos M T R RF RF a b a b b ==+=+. (14)曲轴主要受到弯矩和径向力作用，其最大正应力σmax 和最大切应力τmax 为max 1q2M W s s ==， (15)max 1z z q1q3)()2R S I b t s s *==-. (16)可根据(15)式、(16)式和第四强度理论验证材料为球铁的曲轴满足设计要求4[]s s =£r4. (17)其中：W 为曲轴截面系数；σr4为曲轴应力；σq1、σq2、σq3分别为曲轴三个方向上的主应力；[σ4]为曲轴需要应力；b 为曲轴截面宽度；S *z 为曲轴截面对中性轴的静矩；I Z 为曲轴截面对中性轴的惯性矩.2 曲柄连杆机构装配体有限元分析载荷的确定曲柄连杆机构载荷主要是气缸内燃烧过程中产生的气体作用在活塞上表面的高温和高压，燃烧过程中活塞上表面的平均温度T m 和平均放热系数m a 分别为720720m g g g 00d d T T a aa a =òò， (18) 7201m g 0720d a a a -=ò， (19)其中：g a 为瞬时放热系数，可由Eichelberg 经验公式g m 0.85)=+a C 计算得到；T g 为燃烧的瞬时温度(℃)，且有g ()T PV mR =；P 为燃烧的瞬时压强(MPa)；V 为气体容积(m 3)；R 为常数；m 为气体质王治平：汽油机曲柄连杆机构结构设计与有限元分析 ·545·量(kg)；C m 为活塞平均速度(m/s). 燃烧过程中作用在活塞上表面的压力为：2n π4F D P =. (20)其中F n 为活塞顶的气体作用力，D 为活塞直径.3 曲柄连杆机构热力耦合分析3.1 曲柄连杆机构装配体三维建模曲柄连杆机构由活塞、活塞销、连杆衬套、连杆、连杆瓦盖、连杆轴瓦、连杆螺母、曲轴等组成. 可以在CATIA V5中建立其数字化模型，并装配起来.3.2 装配体热力耦合分析以设计的某型号汽油机及其对应工况为例，可按下述步骤实现热力耦合分析功能：1)把在CATIA 中装配好的模型导入ANSYS12.1中；2)对于曲柄连杆机构三维实体模型，可选solid45、solid69、solid70、solid239、solid185等单元类型；经实践结果分析，最终选择solid185对应的型函数如下：1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)u u s t r u s t r u s t r u s t r -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)u s t r u s t r u s t r u s t r --+++-++++++-++， (21)1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)v v s t r v s t r v s t r v s t r -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)v s t r v s t r v s t r v s t r --+++-++++++-++， (22)1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)u w s t r w s t r w s t r w s t r -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)w s t r w s t r w s t r w s t r --+++-++++++-++， (23)1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)x x x x x s t r s t r s t r s t r q q q q q -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)x x x x s t r s t r s t r s t r q q q q --+++-++++++-++， (24)1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)y y y y y s t r s t r s t r s t r q q q q q -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)y y y y s t r s t r s t r s t r q q q q --+++-++++++-++， (25)1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)z z z z z s t r s t r s t r s t r q q q q q -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)z z z z s t r s t r s t r s t r q q q q --+++-++++++-++， (26)1I J K L 8[(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)T T s t r T s t r T s t r T s t r -=---++--+++-+-+-+M N O P (1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)T s t r T s t r T s t r T s t r --+++-++++++-++. (27)其中：u 为x 方向的位移；v 为y 方向的位移；w 为z 方向的位移；θx 为绕x 轴的转角；θy 为绕y 轴的转角；θz 为绕z 轴的转角；T 为温度场；s 、t 、r 为空间方向上的三个基本函数单元；I 、J 、K 、L 、M 、N 、O 、P 为单元体的八个节点；u I 、u J 、u K 、u L 、u M 、u N 、u O 、u P 分别为x 方向位移在八个节点的分量；v I 、v J 、v K 、v L 、v M 、v N 、v O 、v P 分别为y 方向位移在八个节点的分量；w I 、w J 、w K 、w L 、w M 、w N 、w O 、w P 分别为z 方向位移在八个节点的分量；θx I 、θx J 、θx K 、θx L 、θx M 、θx N 、θx O 、θx P 分别为x 轴旋转角在八个节点上的分量；θy I 、θy J 、θy K 、θy L 、θy M 、θy N 、θy O 、θy P 分别为y 轴旋转角在八个节点上的分量；θz I 、θz J 、θz K 、θz L 、θz M 、θz N 、θz O 、θz P 分别为z 轴旋转角在八个节点上的分量；T I 、T J 、T K 、T L 、T M 、T N 、T O 、T P 分别为温度场在八个节点的分量. 3)设置连接. 活塞和活塞销、活塞销和连杆小头以及连杆大头和曲轴主轴颈是转动副连接；考虑到汽油机的实际润滑情况，在活塞和气缸、活塞和活塞销之间设置摩擦连接，而在活塞销和连杆衬套、连杆衬套和连杆、连杆和曲轴、曲轴和机架之间由于是液体动压润滑，均设置为无摩擦连接；4)选择自动划分网格；5)通过(18)式和(19)式计算可知，活塞上表面的平均温度T 0=300 ℃、活塞平均放热系数a g =175 W/m 2·℃；求解曲柄连杆机构装配体温度场；导入上面求解的温度场；求解的热应力场见图2，对应的应变场图略. （下转第551页）图2 装配体热应力场 Fig. 2 Thermal stress field of assembly张美玲：体育教师参与农村公共体育服务的可行性研究 ·551·农村体育服务的关键. 农村学校体育教师参与农村公共体育服务工作是可行的，它有助于推动农村公共体育事业的快速发展.参考文献：[1] 齐立斌，李泽群，曹庆荣，等.关于农村公共体育服务体系的几个理论问题的思考[J].体育科研，2009，30(6)：59-62.[2] 卢文云，梁伟，孙丽，等.新农村背景下西部农村公共体育服务供给现状、问题及对策研究[J].体育科学，2010，30(2)：11-19.[3] 陈新生，楚继军.城市社区休闲体育公共服务的现状与对策[J].西安体育学院学报，2011，28(1)：29-33.[4] 王海宏，杨建国，王剑，等.农村公共体育服务的影响因素及发展趋势研究[J].天中学刊，2009，24(2)：58-60.[5] 黄亮，刘岚，吴玉华.赣州农村地区公共体育公共服务现状调查与分析[J].山西师大体育学院学报，2010，25(6)：37-40.【责任编辑 黄艳芹】（上接第545页）在前述步骤1)～5)的基础上，计算(20)式可得活塞上表面施加压力P =4.5 MPa ，在曲轴上施加弯矩M 1=217 N ·m. 用求解器可得装配体热力耦合应力场见图3和应变场见图4. 由图3和图4可分别读出装配体最大应力和最大应变数值及其位置. 分析结果表明，最大应力一般出现在活塞销附近，最大应变出现在活塞顶的高温高压区.图3 装配体热力耦合应力Fig. 3 Thermodynamics coupling stress of assembly 图4 装配体热力耦合应变Fig. 4 Thermodynamics coupling strain of assembly4 结论基于CATIA 和ANSYS12.1软件的无缝链接，可将材料力学强度理论、装配体三维建模及虚拟装配技术、多场耦合技术与装配体有限元分析技术结合起来，将曲柄连杆机构视为装配体，实现其热力耦合分析功能，高效地解决曲柄连杆机构结构设计的强度评价问题，显著提高其结构设计质量、缩短研发周期. 参考文献：[1] 唐开元，欧阳光耀.高等内燃机学[M].北京：国防工业出版社，2008：201-345.[2] 张继春，李兴虎，马凡华.CA488活塞的强度分析及结构改进[J].机械强度，2007，29(3)：501-506.[3] 刘鸿文.材料力学[M].4版.北京：高等教育出版社，2003：212-251.[4] 徐玉梁，付光琦，祖炳锋，等.基于虚拟方法的发动机曲柄连杆机构优化设计[J].机械科学与技术，2008，27(1)：88-91.[5] 赵红，张铁柱，张洪信，等.三缸CPICP 曲柄连杆机构的优化[J].河南科技大学学报：自然科学版，2008，29(5)：16-21.【责任编辑 黄艳芹】。
曲柄连杆机构
主轴承同轴度易保 证，主轴承用滚动 轴承。
应用：负荷较大 的柴油机。
二、油底壳
1.功用：贮存和冷却机油并封闭曲轴箱。 2.构造：（1）用薄钢板冲压而成。 （2） 内部设有稳油挡板，以防止汽车振动时 油底壳油面产生较大的波动。
（3）最低处有放油塞曲轴箱与油底壳之间有 密封衬垫。
三、气缸套
B
0.05~0.15 mm
密封：
上部：缸套顶面高出缸体 0.05mm～0.15mm，当气缸 盖螺栓拧紧后，缸套与缸体 凸台接合处、缸套与缸垫接 合处，承受较大的压紧力。
0.05~0.15mm
1）下部：1～3个耐热耐油的橡胶密封圈。
四、气缸盖 1、结构：气缸盖上有冷却水套、燃烧室、 进排气门道、气门导管孔和进排气门座、火 花塞孔（汽油机）或喷油器座孔。
1.目的：解决成本与寿命之间的矛盾。 气缸内镶了用耐磨的高级铸铁材料制成的气 缸套，而缸体则可用价廉的普通铸铁或质量 轻的铝合金制成，这样，既延长了使用寿命， 又节省了好材料。
2.型式 （1） 干式缸套1~3mm
定义：其外表面不直接
与冷却水接触。
特点：
1) 壁 厚 较 薄 （ 1mm ～ 3mm）； 2) 与 缸 体 承 孔 过 盈 配 合 ； 3)不易漏水漏气。
定义：主轴承座孔
中心线位于曲轴箱 分开面上。
特点：刚度小，前
后端呈半圆形，与 油底壳接合面的密 封较困难。
应用：中小型发动 机。
（2） 龙门式 定义：主轴承座 孔中心线高于曲 轴箱分开面。
特点：刚度较大，
油底壳前后端为 一平面，密封简 单可靠。
应用：大中型发 动机。
（3） 隧道式 定义：主轴承座孔 不分开。
《曲柄连杆结构》课件
在泵中，曲柄连杆结构用于驱动活 塞进行往复运动，实现液体的吸入 和排出。
曲柄连杆结构的基本组成
01
02
03
曲轴
曲轴是曲柄连杆结构中的 关键部件，其形状通常为 弯曲的轴，具有曲拐或曲 轴臂。
连杆
连杆是连接活塞和曲轴的 部件，通常由钢或铸铁制 成，具有一定的长度和刚 度。
活塞
活塞是曲柄连杆结构中的 另一个关键部件，通常由 金属或合成材料制成，具 有一定的重量和尺寸。
特点
具有高效率、高可靠性、低维护 成本等优点，广泛应用于内燃机 、压缩机、泵等机械设备中。
曲柄连杆结构的应用领域
内燃机领域
曲柄连杆结构是内燃机中的核心 部分，用于将活塞的直线运动转 化为曲轴的旋转运动，从而输出
动力。
压缩机领域
在压缩机中，曲柄连杆结构用于驱 动活塞往复运动，从而实现对气体 的压缩。
结构设计优化
总结词
结构设计优化是提高曲柄连杆工作性能的重要手段，通过对曲柄连杆的结构进行优化设计，可以减小应力集中、 提高疲劳强度和降低振动。
详细描述
结构设计优化主要包括对曲柄连杆的形状、尺寸和连接方式等进行优化设计。通过改变曲柄连杆的形状和尺寸， 可以改善应力分布，减小应力集中；通过优化连接方式，可以提高曲柄连杆的刚度和稳定性。
表面处理工艺需要根据曲柄连杆的工作条件和使用要求进行选择和优化，以确保其性能和使 用寿命。
06
曲柄连杆的应用实例
内燃机中的曲柄连杆机构
总结词
内燃机中的曲柄连杆机构是实现能量转换的 核心部件，通过曲柄连杆机构将活塞的往复 运动转化为旋转运动，从而输出动力。
详细描述
内燃机中的曲柄连杆机构由曲轴、连杆和活 塞组成，通过曲轴的旋转运动带动连杆转动 ，连杆推动活塞在气缸内往复运动，完成吸 气、压缩、做功和排气四个冲程，实现内燃 机的运转。
曲柄连杆机构
汽油机燃烧室由活塞顶部、气缸壁和气缸盖低部构成;其形状主要取决于气缸盖下 方的凹陷空间;基本要求是结构紧凑、面容比小;进气阻力小;能产生进气涡流..常见的形 式有;楔形、浴盆形、半球形 、多球形 、篷形..
三、气缸衬垫
气缸衬垫气缸垫装在气缸盖和气缸体之间;其功用是保证气缸盖与气缸体接触面 之间的密封;防止漏气;漏水和漏油..按材料分为金属-石棉衬垫、金属-复合材料衬垫 和全金属衬垫..
气环的功用是保证气缸与活塞间的密封性;防止漏气;并且要把活塞顶部吸收的大部分 热量传给气缸壁;由冷却水带走..
气环与活塞一起装入气缸后;外表面紧贴在气缸壁上;形成第一密封面;被封闭的气体不能 通过环周与气缸之间;便进入了环与环槽的空隙;一方面把环压到环槽端面形成第二密封面;同 时;作用在环背的气体压力又大大加强了第一密封面的密封作用..
连杆
连杆由小头;杆身和大头包括连杆盖三个部分构成 ..连杆小头用来安装活塞销;以连 接活塞..连杆杆身常做成“工”字形断面;抗弯强度好;重量轻..连杆大头与曲轴的连杆 轴颈相连;有整体式和分开式两种;一般都采用分开式..
集油孔 油道
1-小头；2-杆身；3-大头；4、9-装配记号朝前；5-螺母；6-连杆盖 ；7-连杆螺栓；8-轴瓦；10-连杆体；11-衬套；12-集油孔
湿气缸套的外壁直接与冷却水接触;壁较厚;一般为5～8mm..它散热良好;冷却均匀;铸造 方便;但机体刚度差;易漏水..
凸缘
水套 气缸体
水套 气缸套
气缸体
气缸套 橡胶密封圈
二、气缸盖
气缸盖安装在气缸体的上面;从上部密封气缸并构成燃烧室;一般采用灰铸铁或铝合 金铸成 ;分为整体式、分块式和单体式..水冷发动机的气缸盖上有水套、燃烧室、进排气 门道、气门导管孔和进排气门座、火花塞孔或喷油器孔..
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基于热力耦合的汽油机曲柄连杆机构结构分析高洪1，胡静丽2，张海涛1，柳剑玲2，李玲纯1（1.安徽工程大学机械与汽车工程学院 安徽芜湖 241000）（2.芜湖市质量技术监督局，安徽 芜湖 241000） 摘要：基于能量守恒、质量守恒和理想气体状态方程，建立汽油机作功行程气体质量、温度、压力随曲轴转角的函数关系求解模型。
在此基础上，将曲柄连杆机构视为装配体，基于单区模型对该装配体进行热力学分析，基于多体动力学对该装配体进行机械负荷分析。
最后在ANSYS12.1软件中实现该装配体的热力耦合分析。
上述方法可用于解决曲柄连杆机构结构设计的强刚度评价问题，有助于缩短汽油机开发周期和减少成本。
主题词：汽油机；装配体；热负荷；机械负荷；热力耦合；结构分析1 引言对内燃机曲柄连杆机构的结构设计强刚度评价，一般有实验法和理论分析法两种。
实验法固然可靠，但周期长耗资大；而理论分析法则一般对活塞作热力学分析，对连杆曲轴等只作单一机械负荷分析[1~3]。
我们认为，从内燃机工作实际看，曲柄连杆机构应是机械负荷与热负荷耦合作用的。
因此本文将多场耦合技术与装配体有限元分析技术结合，提出了基于热力耦合分析的汽油机曲柄连杆机构结构分析方法，可用于解决曲柄连杆机构结构设计的强刚度评价问题。
对内燃机工作过程的数值模拟，一般有单区（Single-Zone ）模型、双区模型、多区（Multi-Zone ）模型等。
单区模型满足基本假设，即系统内各参数不随空间坐标而变化，只随曲轴转角而变化，其对应的数学模型为常微分方程组。
而双区模型、多区模型则是单区模型的推广，前者用于排气污染分析和预测，后者则是将系统划分为n （n ≥3）个互相独立的子区，每个子区内各自满足单区模型基本假设，通过联立n 组微分方程可得燃烧室内各参数的数值解。
因讨论的目标是曲柄连杆机构各零件的强刚度问题，只涉及汽油机负荷、速度等运行特性并不计算有害排放物，故热力学分析中采用单区模型；机械负荷分析中则依据多体动力学进行。
最后在ANSYS12.1软件中实现曲柄连杆机构装配体的热力耦合分析。
2 作功行程气体质量、温度、压力随曲轴转角的关系四冲程汽油机工作过程是包含物理、化学、流动、传热、传质的复杂过程，一般由能量守恒方程、质量守恒方程和理想气体状态方程把整个过程联系起来：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧=+=-+-+++=mRT pV d dm d dm d dm u h d dm u h d dm d dV p d dQ d dQ mc d dT e s e e s s W B v ϕϕϕϕϕϕϕϕϕ)]()([1 （1） 其中，ϕ为曲轴转角，Q B 为燃料在气缸内燃烧放出的热量，Q W 为通过气缸壁面传入或传出的热量，h S 为进气门处工质的比焓，h e 为排气门处工质的比焓，u 为工质的比内能，c v 为定容过热比热容，m 为气缸内工质质量，m s 为流入气缸的质量，m e 为流出气缸的质量，R 为气体常数，p 为气缸内工质压力，V 为气缸工作容积，T 为气缸内工质温度。
对四冲程汽油机，当曲轴转角ϕ∈[0，4π]时，曲柄连杆机构依次经历进排气门叠开、进气、压缩、作功（燃烧、膨胀）、排气这些不同过程。
其中，在作功阶段活塞顶压力最大，温度最高，如果曲柄连杆机构在此阶段的强刚度分析结果不愈限，则可认为设计符合工程要求。
而在作功阶段进排气门处于关闭状态，气缸内工质质量保持不变，即ϕd dm s 、ϕd dm e 和ϕd dm均为0。
故（1）式可化简为：⎪⎩⎪⎨⎧=++=m RT pV d dV p d dQ d dQ m c d dT W B v )(1ϕϕϕϕ （2） 考虑到作功行程活塞往下止点运动气缸容积增大，不难将V 随曲轴转角ϕ的变化率表达式具体化；考虑到气缸周壁的传热过程和燃烧放热过程不难将单位曲轴转角的换热量ϕd dQ W 和气缸内燃料燃烧的瞬时燃烧放热率ϕd dQ B 具体化[1]。
至此，使用数值方法[4]求解式（2），可得到作功行程三个基本参数，即气缸内质量m 、压力p 、温度T 和曲轴转角ϕ的函数关系。
3 曲柄连杆机构温度场分析曲柄连杆机构温度场分析可基于温度T 随曲轴转角ϕ的关系展开。
内燃机在工作过程中主要是燃烧阶段产生的热量，对于曲柄连杆机构而言，活塞是主要受热零件，对其影响最大，也最容易损坏。
活塞上表面受热通过对流传递到活塞底部、通过活塞销传递到连杆。
活塞内部热量传递可用下述偏微分方程描述。
0222222=∂∂+∂∂+∂∂zT y T x T （3） 上式中，因活塞表面分别与高温气体和冷却介质接触，并通过对流换热达到平衡，因此边界条件可以写为：0)()(=-+∂∂Γm T T nT αλ （4） 式中,T m 为周围介质温度，α为换热系数，Γ,n 为活塞边界和边界法向。
由于引起热应力的温度变化可以视为一种载荷，可以使用有限元法求解式（3），（4）对应的偏微分方程，最终得到热应力场数值解[2]。
考虑到活塞与连杆之间的热对流，不难给出连杆热力学分析的边界条件。
4 曲柄连杆机构装配体有限元分析中载荷的确定基于压力p 随曲轴转角ϕ的关系，依据多体动力学可以求出将曲柄连杆机构视为整体时作用在该系统上的外力，即作用在活塞顶的气体作用力，作用在曲轴上的工作阻力（矩）。
同时还应考虑作用在活塞和连杆上的惯性力。
活塞所受的压力是随着曲轴转角而变化的，受到气体作用力和往复惯性力分别为：p D F n 42π= （5）)2cos (cos 2ϕλϕω+-=r m F j j （6）其中F n 为活塞顶气体作用力，F j 为活塞往复惯性力，D 为活塞直径，m j 为往复质量，ω为曲轴角速度。
作用在连杆上的惯性力可依据文献[5]确定，不赘述。
曲轴在工作过程中还受到阻力矩M cp 的作用，其平均值为：nP M i cp 9550= （7） 其中P i 为内燃机功率，n 为转速。
5 曲柄连杆机构热力耦合分析的软件实现5.1曲柄连杆机构装配体三维建模曲柄连杆机构由活塞、活塞销、连杆衬套、连杆、连杆瓦盖、连杆轴瓦、连杆螺母、曲轴等组成。
可以在CATIA V5中使用特征建立其数字化模型，并装配起来。
5.2装配体热力耦合分析在ANSYS 中的实现[6]以设计的某型号汽油机及其对应工况为例，可按下述步骤实现：1）把在CATIA 中装配好的模型导入ANSYS12.1中；2）在工程材料选项中选择装配体各零件材料（在模型分析时活塞选择铝合金，连杆选择45号钢，曲轴选择球铁）。
3）设置连接。
活塞和活塞销是转动副连接，活塞销和连杆也是转动副连接，连杆和曲轴是通过螺钉固定连接，机架和曲折的转动副连接。
同时考虑到汽油机的润滑实际情况，在活塞和气缸之间、活塞和活塞销之间设置摩擦连接，而在活塞销和连杆衬套之间、连杆衬套和连杆之间、连杆和曲轴之间、曲轴和机架之间因是液体动压润滑均设置为无摩擦的连接。
4）选择自动划分网格。
5）活塞上表面的温度设置为T 0（300︒C ），活塞的热对流系数为α（175W/m 2℃）。
连杆的热对流系数为60.5 W/m 2℃，外界温度设置为80︒C ，求解曲柄连杆机构装配体温度场。
导入上面求解的温度场，求解的热应力场如图1所示，对应的应变场图略。
在前述步骤1）～5）基础上，在活塞上表面施加压力p （4.5M Pa ），在曲轴上施加阻力矩M cp(217N.m)。
由转速n （5000rpm ），活塞质量、连杆质量等可推算曲轴角速度ω和构件惯性力，使用求解器，可得装配体热力耦合应力场如图2所示，装配体热力耦合应变场如图3所示。
由图2和图3，可分别读出装配体最大应力和最大应变的数值及其所在位置。
分析结果显示，一般最大应力出现在活塞销附近，最大应变出现在活塞顶的高温高压区。
6 结论基于CATIA 和ANSYS12.1软件的无缝连接，可以将装配体三维建模技术、多场耦合技术与装配体有限元分析技术结合起来，将曲柄连杆机构视为装配体实现其热力耦合分析，从而高效的解决曲柄连杆机构结构设计的强刚度评价问题，显著提高其结构设计质量、缩短其研发图1装配体热应力场图2装配体热力耦合应力场图3装配体热力耦合应变场周期。
参考文献[1]朱访君，吴坚。
内燃机工作过程数值计算及其优化[M]。
北京：国防工业出版社，1997。
[2]高秀华，郭建华。
内燃机[M]。
北京：化学工业出版社，2006。
[3]周龙保，高宗英等。
内燃机学[M]。
北京：机械工业出版社，1998。
[4]高洪，吕新生。
偏心齿轮机构传动比函数的研究[J]，机械传动，2002,4,pp15～16。
[5]洪嘉振，杨长俊。
理论力学（第2版）[M]。
北京：高等教育出版社，2002。
[6]尚晓江，邱峰，赵海峰。
ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M]。
北京：中国水利水电出版社，2008【作者简历】：高洪(1963-)，男，安徽枞阳县人。
教授/博士/硕导，安徽工程大学车辆工程系主任。
已发表论文30余篇，获授权专利7项，主持省厅级课题2项。
主要研究方向：数字化汽车设计与制造，多体系统机构动力学等。