第二章曲柄连杆机构受力分析解读
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第二章 曲柄连杆机构
6）桶间梯形环：现代高速柴油机广泛使用。 7）开槽环：开槽内储存对润滑油有较强吸附能力 的多孔性氧化铁。有利于润滑、磨合和密封。 8）顶岸环：有利于密封，有利于降低HC排放。
（二）油环 1、作用 1）刮掉缸壁上多余的机油，并且均匀分布缸壁 上的机油。 2）辅助密封。 2、分类（图2-33） 1）普通油环（整体式油环） 2）组合式钢片油环
一、机体
1、工作条件和材料 1）气缸工作条件： 气缸受到高温、高压的冲击；受到腐蚀； 活塞在气缸里作高速运动而受到磨损等。 2）要求：足够的强度、刚度，耐磨损、腐蚀， 结构紧凑，质量轻。 3）材料：高强度灰铸铁 或铝合金。 但是为了降低成本，通常是机体用灰铸铁， 气缸孔用优质合金铸铁，而采用气缸套。
（ 3 ）活塞销座 A、作用：支承活塞销，将活塞顶部气体作用 力经过活塞销传给连杆。 B、活塞销偏移布置（图2-25） 目的：为了减少活塞在上下往复运动时敲击 气缸的噪音与磨损。 （4）裙部的表面处理 汽油机：常用镀锡方法 柴油机：一般是磷化，还有的用涂石墨。
6、活塞在气缸内的安装注意事项 1）按照活塞顶部的指定标记安装（注意喷 油方向、气门方向） 2）同台发动机的活塞质量差不能超过10g， 并与相同尺寸公差的缸盖配合。 3）开纵向槽的活塞面尽量安装在不受侧压 力（主、次推力面）的一面，以免活塞 在运动时划伤气缸壁。
三、活塞销 （一）作用 1、连接活塞与连杆小头。 2、将活塞承受的气体力传给连杆。 （二）材料 多用低碳钢和低碳合金钢。 同时要求其芯部具有一定的韧性。为了减轻质量， 常将其做成空心圆柱形。 （三）内孔形状 1）圆柱形（加工容易，但质量较大） 2）组合形（介于前后两者之间） 3）两段截锥形（质量较小，但加工较难）
第二章 曲柄连杆机构
作用：将燃料燃烧的热能转换为机械能，将活塞 的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将能量 传输出去。 本章主要内容： 1、 曲柄连杆机构的受力及运动分析 2、 机体组 3、 活塞连杆组 4、 曲轴飞轮组
《内燃机设计》课后习题答案(袁兆成主编)u
第二章：曲柄连杆机构受力分析2-1写出中心曲柄连杆机构活塞的运动规律表达式，并说出位移、速度和加速度的用途。
答：X = r[(1-cosα)+ λ/4(1-cos2α)] = XⅠ+XⅡ; V = rω(sinα+sin2α*λ/2) = vⅠ+vⅡ;a = rω2(cosα+λcos2α) = aⅠ+aⅡ; 用途：1）活塞位移用于P-φ示功图与P-V示功图的转换，气门干涉的校验及动力计算；2）活塞速度用于计算活塞平均速度Vm= =18 m/s，用于判断强化程度及计算功率，计算最大素的Vmax，评价汽缸的磨损；3）活塞加速度用于计算往复惯性力的大小和变化，进行平衡分析及动力计算。
2-2气压力P g和往复惯性力P j的对外表现是什么？有什么不同？答：气压力Fg的对外表现为输出转矩，而Fj的对外表现为有自由力产生使发动机产生的纵向振动。
不同：除了上述两点，还有∙Fjmax < Fgmax∙Fj总是存在，但在一个周期内其正负值相互抵消，做功为零；Fg是脉冲性，一个周期内只有一个峰值。
2-3 解：连杆力：；侧向力：；曲柄切向力：；径向力：；证明：输出力矩：；翻倒力矩：==.所以翻倒力矩与输出力矩大小相等方向相反。
2-4 解：1，假设每一缸转矩都一样，是均匀的，仅仅是工作时刻即相位不同。
如果第一缸的转矩为，则第二缸的转矩为，；第一主轴颈所受转矩；第二主轴颈所受转矩；第三主轴颈所受转矩；第四主轴颈所受转矩；2，2.5 当连杆轴颈和连杆轴承承受负荷是，坐标系应该固定在哪个零件上?固定在连杆轴颈2.6 轴颈负荷与轴承负荷有什么关系？互为反作用力关系2.7 什么叫做自由力？答2.8提高转矩均匀性的措施？答 1，增加气缸数2，点火要均匀3，按质量公差带分组4，增加飞轮惯量2.93. 为什么说连杆轴颈负荷大于主轴颈负荷？答主轴径主要承受往复惯性力和气压力，曲轴一般动平衡，旋转惯性力较小，主轴径较短弯曲应力也较小，连杆轴径要承受连杆传来的往复惯性力和气压力，还要承受连杆及曲柄销的旋转惯性力。
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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内燃机设计
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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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内燃机设计
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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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内燃机设计
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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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内燃机设计
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内燃机设计
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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2章曲柄连杆机构
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2.3机体组
2.3.1汽缸体
1.汽缸体的结构形式 水冷发动机的汽缸体和曲轴箱通常铸成一体，可称为汽缸体
一曲轴箱，也可简称为汽缸体。汽缸体上半部有一个或若十个为 活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为汽缸;下半部为支承曲轴 的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。作为发动机各个机构和系 统的装配基体，汽缸体本身应具有足够的刚度和强度。其具体结 构形式分为三种，如图2-4所示。
汽缸套有干式和湿式两种，如图2-10所示。
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2.3机体组
2.3.2汽缸盖与汽缸衬垫
1.汽缸盖 汽缸盖的主要功用是密封汽缸上部，并与活塞顶部和汽缸一
起形成燃烧室。同时，汽缸盖也为其他零部件提供安装位置。汽 缸盖的燃烧室一侧直接受到高温、高压燃气的作用。在承受热负 荷时，由于形状复杂，冷却不均匀，各部分温差大，特别是在进、 排气门口之间以及进、排气门口与汽油机的火花塞之间(或进、排 气门)与柴油机的喷油器之间的所谓“鼻梁区”，热应力很高，是 容易出现裂纹损坏的部位;而汽缸盖在机械负荷和热负荷作用下产 生的变形会导致进、排气门密封被破坏和汽缸盖密封(气封、水封、 油封)被破坏，影响发动机的动力性、经济性和工作可靠性。因此， 要求汽缸盖应具有足够的强度和刚度。
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2.5曲轴飞轮组
按照曲轴的主轴颈数，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支 承曲轴两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴， 称为全支承曲轴;否则称为非全支承曲轴。
因此，直列发动机的全支承曲轴，其主轴颈的总数(包括曲轴 前端和后端的主轴颈)比汽缸数多一个;V形发动机的全支承曲轴， 其主轴颈的总数比汽缸数的一半多一个。全支承曲轴的优点是可 以提高曲轴的刚度和恋曲强度，并目可减轻主轴承的载荷。其缺 点是曲轴的加工表面增多，主轴承增多，使机体加长。这两种形 式的曲轴均可用于汽油机，但柴油机多采用全支承曲轴，这是因 为其载荷较大的缘故。
2.3机体组
2.3.1汽缸体
1.汽缸体的结构形式 水冷发动机的汽缸体和曲轴箱通常铸成一体，可称为汽缸体
一曲轴箱，也可简称为汽缸体。汽缸体上半部有一个或若十个为 活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为汽缸;下半部为支承曲轴 的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。作为发动机各个机构和系 统的装配基体，汽缸体本身应具有足够的刚度和强度。其具体结 构形式分为三种，如图2-4所示。
汽缸套有干式和湿式两种，如图2-10所示。
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2.3机体组
2.3.2汽缸盖与汽缸衬垫
1.汽缸盖 汽缸盖的主要功用是密封汽缸上部，并与活塞顶部和汽缸一
起形成燃烧室。同时，汽缸盖也为其他零部件提供安装位置。汽 缸盖的燃烧室一侧直接受到高温、高压燃气的作用。在承受热负 荷时，由于形状复杂，冷却不均匀，各部分温差大，特别是在进、 排气门口之间以及进、排气门口与汽油机的火花塞之间(或进、排 气门)与柴油机的喷油器之间的所谓“鼻梁区”，热应力很高，是 容易出现裂纹损坏的部位;而汽缸盖在机械负荷和热负荷作用下产 生的变形会导致进、排气门密封被破坏和汽缸盖密封(气封、水封、 油封)被破坏，影响发动机的动力性、经济性和工作可靠性。因此， 要求汽缸盖应具有足够的强度和刚度。
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2.5曲轴飞轮组
按照曲轴的主轴颈数，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支 承曲轴两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴， 称为全支承曲轴;否则称为非全支承曲轴。
因此，直列发动机的全支承曲轴，其主轴颈的总数(包括曲轴 前端和后端的主轴颈)比汽缸数多一个;V形发动机的全支承曲轴， 其主轴颈的总数比汽缸数的一半多一个。全支承曲轴的优点是可 以提高曲轴的刚度和恋曲强度，并目可减轻主轴承的载荷。其缺 点是曲轴的加工表面增多，主轴承增多，使机体加长。这两种形 式的曲轴均可用于汽油机，但柴油机多采用全支承曲轴，这是因 为其载荷较大的缘故。
02曲柄连杆机构的运动和受力分析(2)
Fr
Fc'*
与单曲拐转矩 M大t小相等，方向相反
F g
+
Fj
Fl*
曲柄连杆机构中的力和力矩
—单元曲柄连杆机构对机体的作用力（4）
单缸机机体，受
曲柄连杆机构作用力 缸内气体作用力 发动机支撑反力
多缸机
每缸曲柄连杆机构作用 力、缸内气体作用力， 发动机支撑力
Fg Fc
Fr
ω Fc'*
设无平衡重时主轴颈载荷加平衡重后载荷平衡重引起的对主轴颈作用力则四冲程六缸机第二主轴颈zp2121z122zfff??121z?f122z?fzp2f曲柄连杆机构中的力和力矩轴颈和轴承载荷的极坐标图4四冲程六缸机第二主轴颈
汽车发动机设计
（2）
赵雨东
清华大学汽车工程系
Mercedes-Benz SLR Mclaren
，加平衡重后
载荷 F (1,2) Z(ϕ )(2)
，平衡重
引起的对主轴颈作用
力FZp(2) ，则
F = F + F (1,2) Z(ϕ )(2)
(1,2) Z(ϕ )(1)
Zp(2)
四冲程六缸机第二主轴颈
四冲程六缸机第二主轴颈
曲柄连杆机构中的力和力矩
—轴颈和轴承载荷的极坐标图（5）
主轴承载荷
F (i) Qy
cosψ i ]lb(i)
/ lc(i)
F (i+1) Zbx
=
−[(
F (i+1) Qx
+
F (i+1) rq
)
cosψ
i +1
−
F (i+1) Qy
sinψ
]l (i+1)
曲柄连杆机构受力分析
（1）沿气缸轴线作直线往复运动
（2）均匀转动的曲拐 （3）平面运动的连杆组
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2. 连杆的质量换算
二质量系统
三质量系统
6
二质量系统
m1 ml (l l ) / l
m2 ml l / l
等效原则：
•质量相等 •质心重合 •转动惯量相等
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3.往复质量和往复惯性力
（1）往复运动质量
mj mp m1
第二节 曲柄连杆机构受力分析
一、气体作用力
二、惯性力
三、零件的受力分析
1一、气体作Βιβλιοθήκη 力1、气体作用力pg
Fg
D
4
2
( pg p )
'
p′
2
一、气体作用力
2、缸内压力
3
二、惯性力
曲柄连杆机构的运动及质量换算 往复惯性力 旋转惯性力
4
1.曲柄连杆机构的运动
曲柄连杆机构的所有运动零件可分为三组：
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2、连杆小头受力分析
FC Ftg
F F1 cos
侧推力：
F1
F cos
连杆力：
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3、曲柄销受力分析
切向力 ：
F F1' sin( ) F sin( ) cos
F1
F cos
法向力：
Fn F1' cos( ) F cos( ) cos
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4、发动机的转矩
Fr sin( ) T F r cos
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5、倾覆力矩
Tk Fc h T
r sin( ) sin h
2-1 曲柄连杆机构的运动与受力
1、曲柄连机构的运动： 活塞：往复直线运动 连杆杆身：复杂的平面运动 曲轴：旋转运动
2、曲柄连杆机构的主要受力： 气体力、惯性力（往复惯性力及旋转惯性力）
一、气体力
指气缸内的气体作用在活塞顶部的力Fg 。 Fg Ap ( p1 p2 )
AP ——活塞顶截面积 AP=D2 / 4 p1 ——气缸中的气体压力(由实测示功图确定） p2 ——曲轴箱中的气体压力 D ——气缸直径
mr ——作旋转运动的集中质量
方向：沿曲柄方向向外 大小：常数
惯性力示意图
三、运动机件受力分析
气体力 往复惯性力 F F g Fj
气体力与惯性力的合成
受力分析结论
引起内燃机不平衡的因素有： 1。倾倒力矩M’ 2。往复惯性力Fj 3。旋转惯性力
二、惯性力
1、往复惯性力 Fj ——作往复运动的集中质量 r——曲柄半径
——曲轴旋转角速度
——连杆比， =r / l
Flc —连m杆r长r 2
方向：沿气缸中心线方向
大小：周期性变化
2、旋转惯性力（离心力） Fc mr r 2
第二章 曲柄连杆机构
概述 组成：主要零件可以分为三组：活塞组、连杆组和曲轴飞轮组。
第二章 曲柄连杆机构
概述 功用：是实现工作循环，完成能量转换的传动机构；
将热能转变为机械功； 用来传递力和改变运动方式；
工作条件：要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用 工作条件相当恶劣。
§ 2-1 曲柄连杆机构的运动与受力
2、曲柄连杆机构的主要受力： 气体力、惯性力（往复惯性力及旋转惯性力）
一、气体力
指气缸内的气体作用在活塞顶部的力Fg 。 Fg Ap ( p1 p2 )
AP ——活塞顶截面积 AP=D2 / 4 p1 ——气缸中的气体压力(由实测示功图确定） p2 ——曲轴箱中的气体压力 D ——气缸直径
mr ——作旋转运动的集中质量
方向：沿曲柄方向向外 大小：常数
惯性力示意图
三、运动机件受力分析
气体力 往复惯性力 F F g Fj
气体力与惯性力的合成
受力分析结论
引起内燃机不平衡的因素有： 1。倾倒力矩M’ 2。往复惯性力Fj 3。旋转惯性力
二、惯性力
1、往复惯性力 Fj ——作往复运动的集中质量 r——曲柄半径
——曲轴旋转角速度
——连杆比， =r / l
Flc —连m杆r长r 2
方向：沿气缸中心线方向
大小：周期性变化
2、旋转惯性力（离心力） Fc mr r 2
第二章 曲柄连杆机构
概述 组成：主要零件可以分为三组：活塞组、连杆组和曲轴飞轮组。
第二章 曲柄连杆机构
概述 功用：是实现工作循环，完成能量转换的传动机构；
将热能转变为机械功； 用来传递力和改变运动方式；
工作条件：要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用 工作条件相当恶劣。
§ 2-1 曲柄连杆机构的运动与受力
第二章曲柄连杆机构1
第一节 概
述
一、功用： 将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复 运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动 变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。 二、组成： 1、机体组 2、活塞连杆组 3、曲轴飞轮组
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
1、机体组：气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、 气缸盖和气缸垫---不动件
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
五、气缸盖罩
气缸盖罩位于气缸盖上部，起封闭 和防尘作用。它一般由薄钢板冲压而成， 上设机油加注口和曲轴箱通风口。
第二章 曲柄连杆机构
六、油底壳
（1）功用： 贮存和冷却机油并封闭曲轴箱。 （2）构造： （A）用薄钢板冲压而成。 （ B ）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。 （C）最低处有带磁性的放油塞,曲轴箱与油 底壳之间有密封衬垫。
切诺基
盆形
捷达 奥迪
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
四、气缸垫
（一）作用：保证燃烧室的密封，防止漏气、漏水。 （二）气缸衬垫应满足以下主要要求： （1）在高温、高压燃气作用下有足够的强度，不 易损坏。 （2）耐热和耐腐蚀，即在高温、高压燃气下或有 压力的机油和冷却水的作用下不烧损、不变质。 （3）具有一定弹性，能补偿接合面的不平度，以 保证密封。 （4）拆装方便，能重复使用，寿命长。
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
第二章 曲柄连杆机构
衬垫
气缸盖罩
气缸盖
安装火花塞
气缸垫
第二章 曲柄连杆机构
（4）分类
水冷式气缸盖有三种结构型式： 整体式、分体式、单体式。 （A）整体式缸盖 多缸发动机的整列气缸共用一个缸 盖的称为整体式气缸盖，一般用于缸径 较小的发动机。缸径小于 110mm 的发 动机多采用整体式缸体，这种型式结构 紧凑，可缩短气缸中心距，但刚度小， 制造、维修不便。
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a r 2 {cos [cos2 (1 2 sin 2 ) (2 / 4) sin 2 2 ](1 2 sin 2 ) 3/ 2 }
无量纲化
x* x / r (1 1 / ) cos (1 2 sin 2 )1/ 2 /
x* [(1 1 / ) 2 2 ]1/ 2 cos [1 2 (sin ) 2 ]1/ 2 /
* sin cos (sin )[1 2 (sin ) 2 ]1/ 2
a* cos {(cos2 sin )[1 2 (sin ) 2 ]
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内燃机设计
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四、关节曲柄连杆机构运动学
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内燃机设计
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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。
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内燃机设计
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关节曲柄连杆机构主要参数
内燃机设计
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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
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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
l
r
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• 偏心率： e / r
本章主要内容
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
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内燃机设计
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曲柄连杆机构运动学
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内燃机设计
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曲柄连杆机构运动学
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内燃机设计
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曲柄连杆机构运动学
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• • •
•
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
x
*
为0.2%
*
为0.5%
a
*
为1%
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λ≤1/4时活塞运动曲线
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λ＞1/4时活塞运动曲线
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内燃机设计
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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：
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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
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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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曲柄连杆机构受力
P F Fj
Fr
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曲柄连杆机构受力分析
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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 ]
2 cos2 (sin )2 }[1 2 (sin )2 ]3/ 2
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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 公式计算。
* /(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
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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 )
* sin ( / 2) sin 2
a * cos cos2
其最大误差是，
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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。
• 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
x r l r cos l cos
• γ：V型夹角； • γf：关节夹角； • 其他同中心曲 柄连杆机构， 副连杆相应参 数带有下标f。
γ H φ
γf
H φf
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主副连杆运动曲线
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内燃机设计
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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。
无量纲化
x* x / r (1 1 / ) cos (1 2 sin 2 )1/ 2 /
x* [(1 1 / ) 2 2 ]1/ 2 cos [1 2 (sin ) 2 ]1/ 2 /
* sin cos (sin )[1 2 (sin ) 2 ]1/ 2
a* cos {(cos2 sin )[1 2 (sin ) 2 ]
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四、关节曲柄连杆机构运动学
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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。
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关节曲柄连杆机构主要参数
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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
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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
l
r
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• 偏心率： e / r
本章主要内容
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
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曲柄连杆机构运动学
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曲柄连杆机构运动学
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曲柄连杆机构运动学
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• • •
•
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
x
*
为0.2%
*
为0.5%
a
*
为1%
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λ≤1/4时活塞运动曲线
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λ＞1/4时活塞运动曲线
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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：
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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
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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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曲柄连杆机构受力
P F Fj
Fr
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曲柄连杆机构受力分析
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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 ]
2 cos2 (sin )2 }[1 2 (sin )2 ]3/ 2
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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 公式计算。
* /(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
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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 )
* sin ( / 2) sin 2
a * cos cos2
其最大误差是，
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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。
• 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
x r l r cos l cos
• γ：V型夹角； • γf：关节夹角； • 其他同中心曲 柄连杆机构， 副连杆相应参 数带有下标f。
γ H φ
γf
H φf
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主副连杆运动曲线
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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。