[工学]曲柄连杆机构受力分析
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项目二 曲柄连杆机构
曲柄连杆机构的优化目标
提高机构的工作效率 降低机构的振动和噪声 提高机构的可靠性和耐用性 优化机构的尺寸和重量以适应不同的应用场合
曲柄连杆机构的优化方法
减小曲柄连杆机构的质量 优化曲柄连杆机构的结构设计 提高曲柄连杆机构的刚度 优化曲柄连杆机构的运动学和动力学性化目标：提高机构 的效率、降低能耗、减小 振动等
往复运动的过程： 活塞在气缸内上下 运动带动连杆前后 摆动
连杆的摆动角度： 与曲柄的旋转角度 相同
连杆的摆动速度： 与活塞的运动速度 成正比
活塞的往复运动
活塞在气缸内上下往复运动 活塞的运动由曲柄连杆机构驱动 活塞的运动将气体压缩或膨胀实现能量的转换 活塞的运动速度、行程和压力受曲柄连杆机构的控制和调节
环保化：采用低排 放、低噪音的设计 减少对环境的影响
集成化：与其他系 统集成提高整体性 能和可靠性
感谢您的耐心观看
汇报人：
曲柄连杆机构是内燃机中实现能量 转换的关键部件
曲柄连杆机构的作用是将活塞的往 复运动转化为曲轴的旋转运动
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由曲柄、连杆、活塞和活塞销等部 件组成
曲柄连杆机构的设计直接影响发动 机的性能和寿命
曲柄连杆机构的作用
传递动力：将活塞的往复运动转化 为曲轴的旋转运动
改变运动速度：通过改变曲柄连杆 机构的几何参数可以改变发动机的 转速和扭矩
曲柄连杆机构的运动特性
曲柄连杆机构的运动特性主要包括曲柄的旋转运动和连杆的往复运动。 曲柄的旋转运动是周期性的其转速和转角与曲柄的长度和连杆的长度有关。 连杆的往复运动是周期性的其速度和加速度与曲柄的转速和转角有关。 曲柄连杆机构的运动特性还与曲柄和连杆的相对位置有关不同的相对位置会导致不同的运动特性。
曲柄连杆机构受力分析概要60页PPT
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曲柄连杆机构受力分析概要
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
曲柄连杆机构受力分析概要
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6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
曲柄连杆机构的构造与工作原理
曲柄连杆机构的构造与工作原理
掌握曲柄连杆机构的构造 理解曲柄连杆机构的工作原理
曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传
递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作 循环，完成能量转换的主要运动局部。在 作功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活 塞往复运动、由曲轴旋转运动转变为机械 能，对外输出动力；在其它冲程中，那么 依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带 动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。
功用
曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，完成能量 转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。 工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往 复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力， 而在其他三个行程中，即进气、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。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并 传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热 能转变为机械能。
往复惯性力与离心力
曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动 质量组成的当量系统。往复运动质量包括活塞组 零件质量和连杆小头集中质量，它沿气缸轴线作 往复变速直线运动，产生往复惯性力；旋转运动 质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量，它绕曲 轴轴线旋转，产生旋转惯性力，也称离心力。往 复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发 动机支承。
摩擦力
任何一对互相压紧并作相对运动的零件 外表之间必定存在摩擦力，物体所受摩擦 力的大小与正压力和摩擦系数成正比，方 向总是与物体运动的方向相反。
曲柄连杆机 （ 3）曲轴飞轮 （1）气体作
构的构造与工 组：曲轴、飞轮、用力
作原理
扭转减振器
（2）往复惯
1．功用
3．工作条件和 性力与离心
2．曲柄连杆 受力分析
工作条件和受力分析
掌握曲柄连杆机构的构造 理解曲柄连杆机构的工作原理
曲柄连杆机构
曲柄连杆机构是往复式内燃机中的动力传
递系统。曲柄连杆机构是发动机实现工作 循环，完成能量转换的主要运动局部。在 作功冲程中，它将燃料燃烧产生的热能活 塞往复运动、由曲轴旋转运动转变为机械 能，对外输出动力；在其它冲程中，那么 依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带 动活塞上下运动，为下一次作功创造条件。
功用
曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，完成能量 转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。 工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往 复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力， 而在其他三个行程中，即进气、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。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并 传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热 能转变为机械能。
往复惯性力与离心力
曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动 质量组成的当量系统。往复运动质量包括活塞组 零件质量和连杆小头集中质量，它沿气缸轴线作 往复变速直线运动，产生往复惯性力；旋转运动 质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量，它绕曲 轴轴线旋转，产生旋转惯性力，也称离心力。往 复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发 动机支承。
摩擦力
任何一对互相压紧并作相对运动的零件 外表之间必定存在摩擦力，物体所受摩擦 力的大小与正压力和摩擦系数成正比，方 向总是与物体运动的方向相反。
曲柄连杆机 （ 3）曲轴飞轮 （1）气体作
构的构造与工 组：曲轴、飞轮、用力
作原理
扭转减振器
（2）往复惯
1．功用
3．工作条件和 性力与离心
2．曲柄连杆 受力分析
工作条件和受力分析
第三讲 曲柄连杆机构
（四）构造：
1、连杆小头： 通常为短圆管形，与杆身用 大 园弧连接，小头孔内压入铜套。
2、连杆杆身： 杆身断面形状多采用工字形 断面；也有采用圆形断面。
3、连杆大头： 1) 要求：要求有较高的刚度。因此大头与杆身用较大园弧 过渡，并且要布置加强筋。
2）大头剖分方式： 平切口：多用于汽油机。 斜切口：多用于柴油机。 剖分的另一部分叫连杆盖。 3）大头与连杆盖的定位方式： 平切口：利用螺栓上的精加工 圆柱形部位与精加工螺栓孔 中圆孔部分定位。 斜切口：定位方式有多种。
1）曲轴后端的主轴径处定位： 采用翻边轴瓦，或半圆止推片。 优点：可承受后端传动装置的 轴向力，弯曲变形小。 2）曲轴前端的主轴径处定位： 采用整体式止推环。 优点：可保证配气定时和供油 定时不受影响。 缺点：后端受较大轴向力时， 曲轴产生弯曲变形。 3）曲轴的中间主轴径处定位： 采用翻边轴瓦或止推片。 优点：介于两者之间。
2、材料 对材料的要求：有足够的刚度和强度，耐高温，导热性好， 密度小。 常用材料：铝合金和铸铁。 铝合金的特点：1）重量轻，约为铸铁40% 。 2）传热性能良好。 3） 线膨胀系数大。 3、构造 整个活塞可根据所起作用的不同 而分为顶部、头部（又叫防漏部或环 槽部）和裙部。
1）活塞顶部 活塞顶部的形状多种多样，其形状根据机型和燃烧室而定。
3、构造 内燃机中使用的轴承结构形式多种多样，但对于连杆大头 轴承，曲轴主轴承多做成分开式，其分开两片称为轴瓦。 为了使轴瓦在工作中不转动或轴向移动，在轴瓦上制出定 位凸键。且为了润滑，轴瓦开有油槽或油孔。 轴瓦一般由1~3毫米厚的 钢带和0.3~0.7毫米的减摩合 金层组成。
四、连杆螺栓（或连杆螺钉）
一、气体力 ：Fg Fg=(P1－P2) 二、惯性力 ：
曲柄连杆机构
3.摩擦力
第二节 机体组 （由缸体cylinder block、缸盖 cylinder head、油底壳等组成）
1.气缸垫 ；2.气缸盖；3.衬垫；4.压条；5.气缸盖 罩；6.气缸体；7.机油盘衬垫；8.机油盘；
一、气缸体 cylinder block
1.结构形式与功用：是气缸的壳体，也是发动机的基础。 整体式：水冷发动机的典型结构，气缸体和曲轴箱铸成一体； 分开式：多用于风冷发动机，气缸体和曲轴箱分开铸造再联结。
二、工作条件及受力分析
工作条件：高温、高压、高速、化学腐蚀。
受 力：气体压力、运动质量的惯性力和离心力、摩擦力。 1.气体压力
作功行程及压缩行程气体压力作用简图
2.往复惯性力和离心力
往复惯性力：活塞和连杆小头，大小与运动件质量和加速度成正比，
方向与加速度相反。 离心惯性力：连杆大头和曲柄、连杆轴径。与运动件质量、旋转半径、 角速度平方成正比，方向相外。
四、气缸盖、气缸垫、气缸盖罩
1. 气缸盖
1）功用与工作条件：
密封气缸上部，与活塞、气缸壁共同构成燃烧室。承受热负荷、机械负荷。
2）结构：
燃烧室、凸轮轴轴径支撑座孔、冷却水道、进排气道、火花塞或喷油孔等。
分开式：刚性好，密封性好，便于维修，适于缸径较大的柴油机。有一机两盖、 三盖、六盖等。
整体式：能缩短发动机整体长度。缺点是刚性差、受热受力容易变形，影响密 封，损坏后须整体更换。
1）活塞变形原因及规律 a) 活塞整体膨胀量大于气缸的膨胀量，取决于温度、材料；
2）风冷发动机：气缸部采用双金属材料，在铸铁气缸套外面先 渗铝、再铸铝合金散热片。
二、气缸套 1.型式与构造
二、气缸套 1.型式与构造
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。
第2章受力分析
《内燃机车柴油机》
第二章 柴油机的受力分析 第一节 曲柄连杆机构的受力
第二节 运动惯性力对柴油机工作的影响
第一节 曲柄连杆机构的受力
一、概述 柴油机工作时，作用在曲柄连杆机构上的力有下列几种： ⑴作用在气缸和活塞上的气体力； ⑵运动件的惯性力； ⑶运动件的重力； ⑷负载的反作用扭矩； ⑸机构的支承反力； ⑹热应力。 运动件的重力，在高、中速柴油机中由于其数值较小， 一般不予考虑；柴油机负载的反作用扭矩，与曲轴的输出 扭矩相平衡；热应力与结构、受热及冷却等因素有关，情 况较复杂，不予考虑。
二、气体力
是指气缸内工质的作用力，沿着气缸轴线作用到活塞顶 面和气缸盖底面，同时又径向作用到气缸内圆面。
作用在活塞上的气体推力为：
Pｇ＝（ｐ-p0）×（π/4）×D· D/1000 ｐ——气缸内的气体压力 KPａ ｐ0——作用于活塞背部的曲轴箱内气压，一般近似取 98KPａ。 （N）
气体力是机构运动的原动力，它与柴油机的工作过程及负 荷大小有关，与柴油机的转速无直接关系，循环变化，最 大值Ｐｚ在上止点附近。
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活塞销
活塞 气缸
机体
连杆
曲柄销
主轴承
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‹#› 7
（三）离心运动惯性力
旋转质量ｍｒ＝曲柄质量＋连杆大头附近的质量 Ｐｒ＝－ｍｒ· ｒ·ω·ω 曲轴匀速，Ｐｒ不变，方向瞬变，主轴颈中心指向曲 柄销中心；在活塞上、下止点时，Ｐｒ与气缸中心线 重合。
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‹#› 9
四、气体力与往复运动惯性力的合力 都沿气缸中心线方向，都作用在活塞组上，可合成分析 效果。 ∑Ｐ＝Ｐｇ＋Ｐｊ
传到主轴承，主轴颈载荷，产生垂向及横向振动。
在进气初期和排气后期，∑P朝上止点方向，其它时期∑P 朝下止点方向。 合力朝下时的载荷值大，作用时间长，最大值在燃烧上 止点后爆发压力点处。 ⑴法向力Ｐｒａ使曲柄销弯曲，曲柄臂有撑开趋向，引起 曲轴弯曲振动；
第二章 柴油机的受力分析 第一节 曲柄连杆机构的受力
第二节 运动惯性力对柴油机工作的影响
第一节 曲柄连杆机构的受力
一、概述 柴油机工作时，作用在曲柄连杆机构上的力有下列几种： ⑴作用在气缸和活塞上的气体力； ⑵运动件的惯性力； ⑶运动件的重力； ⑷负载的反作用扭矩； ⑸机构的支承反力； ⑹热应力。 运动件的重力，在高、中速柴油机中由于其数值较小， 一般不予考虑；柴油机负载的反作用扭矩，与曲轴的输出 扭矩相平衡；热应力与结构、受热及冷却等因素有关，情 况较复杂，不予考虑。
二、气体力
是指气缸内工质的作用力，沿着气缸轴线作用到活塞顶 面和气缸盖底面，同时又径向作用到气缸内圆面。
作用在活塞上的气体推力为：
Pｇ＝（ｐ-p0）×（π/4）×D· D/1000 ｐ——气缸内的气体压力 KPａ ｐ0——作用于活塞背部的曲轴箱内气压，一般近似取 98KPａ。 （N）
气体力是机构运动的原动力，它与柴油机的工作过程及负 荷大小有关，与柴油机的转速无直接关系，循环变化，最 大值Ｐｚ在上止点附近。
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活塞销
活塞 气缸
机体
连杆
曲柄销
主轴承
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（三）离心运动惯性力
旋转质量ｍｒ＝曲柄质量＋连杆大头附近的质量 Ｐｒ＝－ｍｒ· ｒ·ω·ω 曲轴匀速，Ｐｒ不变，方向瞬变，主轴颈中心指向曲 柄销中心；在活塞上、下止点时，Ｐｒ与气缸中心线 重合。
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四、气体力与往复运动惯性力的合力 都沿气缸中心线方向，都作用在活塞组上，可合成分析 效果。 ∑Ｐ＝Ｐｇ＋Ｐｊ
传到主轴承，主轴颈载荷，产生垂向及横向振动。
在进气初期和排气后期，∑P朝上止点方向，其它时期∑P 朝下止点方向。 合力朝下时的载荷值大，作用时间长，最大值在燃烧上 止点后爆发压力点处。 ⑴法向力Ｐｒａ使曲柄销弯曲，曲柄臂有撑开趋向，引起 曲轴弯曲振动；
曲柄连杆机构动力学分析与计算
第一章绪论1.1内燃机概述汽车自19世纪诞生至今，已经有100多年的历史了。
汽车工业从无到有，以惊人的速度在发展着，汽车工业给人类的近代文明带来翻天覆地的变化，在人类的文明进程中写下了宏伟的篇章。
汽车工业是衡量一个国家是否强大的重要标准之一，而内燃机在汽车工业中始终占据核心的地位。
内燃机是将燃料中的化学能转变为机械能的一种机器。
由于内燃机的热效率高（是当今热效率最高的热力发动机）、功率范围广、适应性好、结构简单、移动方便、比质量（单位输出功率质量）轻、可以满足不同要求等特点，已经广泛的应用于工程机械、农业机械、交通运输（陆地、内河、海上和航空）和国防建设事业当中。
因此，内燃机工业的发展对整个国民经济和国防建设都有着十分重要的作用。
1.1.1世界内燃机简史内燃机的出现和发明可以追溯到1860年，来诺伊尔（J.J.E.Lenoir1822~1900年）首先发明了一种叫做大气压力式的内燃机，这种内燃机的大致工作过程是：空气和煤气在活塞的上半个行程被吸入气缸内，然后混合气体被火花点燃；后半个行程是膨胀行程，燃烧的煤气推动着活塞下行，然后膨胀做功；活塞上行时开始排气。
这种内燃机和现代主流的四冲程内燃机相比，在燃烧前没有压缩行程，但基本思想已经有了雏形。
这种内燃机的热效率低于5%，最大功率只有4.5KW，1860~1865年间，共生产了约5000台。
1867年奥拓（Nicolaus A.Otto，1832~1891年）和浪琴（Eugen Langen，1833~1895年）发明了一种更为成功的大气压力式内燃机。
这种内燃机是利用燃烧所产生的缸内压力，随着缸内压力的升高，在膨胀行程时加速一个自由活塞和齿条机构，他们的动量将使得缸内产生真空，然后大气压力推动活塞内行。
齿条则通过滚轮离合器和输出轴相啮合，然后输出功率。
这种发动机的热效率可以达到11%，共生产了近5000台。
由于煤气机必须使用气体燃料，而当时的气体燃料的来源非常困难，这从某种意义上讲就阻碍了煤气机的进一步发展。