曲柄连杆机构运动学
曲柄连杆机构自由度计算
曲柄连杆机构自由度计算曲柄连杆机构自由度计算是机械设计中的重要内容之一。
曲柄连杆机构是一种常见的机械结构，广泛应用于各种机械设备中，例如发动机、压缩机、泵等。
在机械设计中，计算曲柄连杆机构的自由度是非常重要的，因为自由度是确定机构稳定性和运动特性的重要指标之一。
曲柄连杆机构是由曲柄、连杆和活塞组成的。
曲柄是一个旋转的轴，用于将旋转运动转换为直线运动。
连杆连接曲柄和活塞，将曲柄的旋转运动转换为活塞的直线运动。
活塞则用于将机械能转换为压力能，例如在发动机中，活塞将燃烧的燃料推动到汽缸中，从而产生驱动力。
曲柄连杆机构的自由度计算需要考虑这些部件之间的相互作用。
曲柄连杆机构的自由度计算可以通过以下步骤完成：1. 确定机构的自由度机构的自由度是指机构中可以独立变化的参数数量。
对于曲柄连杆机构而言，其自由度为3，分别是曲柄转角、连杆长度和活塞位置。
2. 建立运动方程建立曲柄连杆机构的运动方程是计算自由度的关键步骤。
运动方程可以通过运用几何关系和运动学原理得出。
对于曲柄连杆机构而言，其运动方程可以表示为：x^2 + y^2 = L^2 + R^2 + 2LRcosθ其中，x和y分别表示活塞位置坐标，L表示连杆长度，R表示曲柄长度，θ表示曲柄角度。
3. 求解未知量根据运动方程求解未知量是计算自由度的最后一步。
未知量包括曲柄角度、连杆长度和活塞位置坐标。
通过求解这些未知量，可以确定机构的状态和特性。
总之，曲柄连杆机构自由度计算是机械设计中不可或缺的一部分。
计算自由度可以帮助工程师确定机构的稳定性和运动特性，从而优化设计方案。
曲柄连杆机构的运动与受力分析讲解学习
定义“曲拐当量质量”为：
则： Prqmqdr2
mqdmqx2mqbrb
如果曲拐的某一曲柄臂上设有平衡重，其质量为 m p ，而其质心
距曲轴轴线的距离为 p ，则平衡重的旋转惯性力为：
Prpmpp2r2mprp
定义“平衡重当量质量”为：
mpd
mp
p
r
（1-32）
则： Prpmpdr2 （1-33）
（2）活塞速度：在0 ºCA~90 ºCA之间和 270 ºCA~360 ºCA之间，活塞速度各出现 一个正极值和负极值。 （3）活塞加速度：在上止点前后活塞加 速度是正值，方向是活塞下行的方向，往 复惯性力朝上；在下止点前后活塞加速度 是负值，方向是活塞上行的方向，往复惯 性力朝下。根据极值方法求解，可得：
1.2.2.2 单个曲拐的旋转惯性力
曲轴上曲柄不平衡部 分的质量分为两部分：
（1）曲柄销部分：
图1-10 单曲拐的旋转惯性力
Prxmqxr2 （1-28）
（r为曲柄半径）
（2）曲柄臂部分： Prbmqbb2 （1-29）
（ b 为曲柄臂质心至曲轴轴线的垂直距离）
整个曲拐的旋转惯性力就是：
P rq P rx 2 P rb r2 m q x2 m qbrb
由式（1-3）知：
arc s i（n1-12）
极值： e arcsin角速度： l Nhomakorabead
dt
cos cos
cos 1 2 sin 2
1 （1-13）
2
角速度极值：le
角加速度：l d d l t c s i o n d d s tc o c s s2 o i n s d d t
1.2.2.3 连杆的惯性力
第九章-曲柄连杆机构动力学分析
Pj m j a m j R 2 cos m j R 2 cos2 PjI PjII
（2）、旋转惯性力Fr=mrRω2 2、沿气缸中心线的总作用力F 总作用力F是缸内气体作用力Fg与往复惯性力的代数和 F=Fg+Fj 气体作用力 D 2 Fg p g - p? g 4
1、活塞位移x：
x ( L R) ( L cos R cos )
2 2
R(1 cos ) L(1 1 sin )
（精确式）
R x R(1 cos ) (1 cos 2 ) x I x II （近似式） 4
近似式与精确式相比误差很小，如当λ =1/3.5时，曲柄转角为 90度时误差为最大，在0.003R左右，此精度在工程上已足够。
பைடு நூலகம்
（精确式）
1 2 L sin 1 1 3 cos2 （近似式） 2
2
在α =90º 或270º 时达到极值：
Le
2 (1 2 )1 / 2
（精确式）
1 （近似式） 2 摆动角速度和角加速度精确式中分母均近似等于 1 ，因此两者均 随α 近似按简谐规律变化。
L L 1 m j m p m 1 m p m l L 作旋转运动的不平衡质量mr，包括曲柄换算质量mk和连杆换算
L1 mr mk m 2 mk1 2mk 2 mL R L
到大头中心的质量m2，集中作用于曲柄销中心，即
三、曲柄连杆机构作用力和力矩 1、惯性力 、 （1）旋转惯性力 （1）、 往复惯性力
2、活塞速度：
sin( ) v R cos
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。
曲柄连杆机构受力分析
五、曲轴轴颈和轴承的负荷 1，曲柄销负荷矢量固
.
.
2．连杆轴承负荷矢量固
.
.Leabharlann ....
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。
.
影响扭矩不均匀度的因素： 1、对于同一台发动机，μ值随工况而变化，标定工况 下的μ值最小，往复惯性力仅影响上式分子，而平均 扭矩与示功图有关。 2、对于不同的发动机，μ值的大小取决于发动机的行 程数，气缸数，转速，气体压力，往复运动质量，曲 柄排列载型式，气缸夹角和发火顺序。 一般转速，功率相同时，二行程发动机较四行程发动 机μ值为小，相同类型的发动机气缸数越多μ值越小。
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26扭矩不均匀度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
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。
.
多缸发动机曲轴的输出扭矩。
多缸发动机各个缸的工作情况稍有不同，但可
近似地用其中一个气缸的扭矩曲线来求多发动机的 合成扭矩曲线。
先在一个循环周期内绘制第一缸的扭矩曲线， 再按发火相位差绘制第2、3、．．．．．．缸的扭 矩曲线，并放在第一缸的扭矩曲线与之相应的曲轴 转角的位置，然后求出同一曲轴转角的各个气缸的 扭矩曲线纵坐标的代数和，即得到多缸发动机的合 成扭矩。
曲柄连杆的计算
曲柄连杆的计算曲柄连杆机构是一种常见的机械传动装置，由曲柄和连杆组成，常用于发动机和运动机械中。
它通过转动曲柄来产生直线运动，实现力的传递和转换。
本文将介绍曲柄连杆机构的计算方法和相关概念。
1. 曲柄连杆的基本结构曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞组成。
曲柄是一个非常重要的零件，它的形状决定了连杆和活塞的运动轨迹。
连杆则连接着曲柄和活塞，通过转动曲柄实现活塞的往复运动。
2. 曲柄的计算曲柄的计算是曲柄连杆机构设计的基础。
在计算曲柄时，需要确定曲柄的长度和转角。
曲柄的长度取决于设计需求和空间限制，一般要考虑活塞往复运动的行程和工作角度的范围。
曲柄的转角是指曲柄从初始位置到末端位置的旋转角度，一般根据实际需求和运动机构的特点确定。
曲柄的计算可以采用几何法或动力学法。
几何法是最常用的方法，通过绘制运动曲线和连杆运动轨迹图来计算曲柄的参数。
动力学法则是通过应用动力学原理和平衡条件来计算曲柄的参数，适用于复杂的曲柄连杆机构。
3. 连杆的计算连杆是曲柄连杆机构中起关键作用的零件，它将曲柄的旋转运动转换为活塞的往复运动。
连杆的计算需要确定连杆长度和连杆角度。
连杆长度一般根据工作行程和曲柄长度来确定。
连杆角度是指连杆与曲柄和活塞的夹角，一般根据设计需求和活塞运动的要求来确定。
连杆的计算可以采用解析法或图解法。
解析法主要是通过应用三角函数和几何关系求解连杆的参数，适用于简单的连杆机构。
图解法则是通过绘制连杆运动轨迹图和使用平行四边形法则来计算连杆的参数，适用于复杂的连杆机构。
4. 活塞的计算活塞是曲柄连杆机构中的另一个重要零件，它接受曲柄的动力传递，实现往复运动。
活塞的计算主要涉及活塞直径和活塞往复行程的确定。
活塞直径一般根据发动机功率和气缸内径来选择。
活塞往复行程一般根据发动机排量和气缸数来确定。
活塞的计算可以通过运动学方法和动力学方法进行。
运动学方法主要是通过几何关系和运动规律来计算活塞的参数，适用于简单的活塞机构。
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
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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
06
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
第二章曲柄连杆机构动力学分析
x (L R) (L cos R cos)
R(1 cos) L(1 1 2 sin 2 )
（精确式）
x
R(1 cos)
R
4
(1
c os2 )
xI
xII
（近似式）
近似式与精确式相比误差很小，如当λ=1/3.5时，曲柄转角为 90度时误差为最大，在0.003R左右，此精度在工程上已足够。
mCA
mC
L lA L
mCB
mC
L lB L
mC
lA L
对于有的高速发动机还须满足一个条件：
③ 两个换算质量对连杆质心的转动惯量之和等于原来连杆的转动惯
量，即
mCA
l
2 A
mCB
l
2 B
IC
式中IC为原连杆的转动惯量。但采用二质量替代系统时，在连杆 摆动角加速度下的惯性力矩要偏大 ΔMC=[（mCAlA2+mCBlB2）-IC]ε 为此，可用三质量替代系统：
a
R
2
cos
cos
c os2 c os3
R 2 cos cos2 sin
连杆摆角： arcsinsin
连杆摆动角速度：L
cos
1 2 sin 2
1/ 2
连杆摆动角加速度： L
2
(1 2
2 2 ) sin
1 2 sin
2 (1 sin 2 )
2 3/ 2
单缸切力曲线及六缸合成图 各轴颈输出扭矩
各轴颈输出扭矩如图
M TII M T (1) M TIII M TII M T (2)
M TIV M TIII M T (3) M TV M TIV M T (4)
第一章 曲柄连杆机构的运动与受力分析
(1 − λ
⋅ω 2
2
⋅ sin 2 α )
3 2
（1-14） ）
ε le = m
(1 − λ )
2
λ
1 2
• 第二节 作用于曲柄连杆机构中的力和力矩
1.2.1 气体作用力 作用于活塞顶上的气体作用力： 作用于活塞顶上的气体作用力： Pg = ( p g − p0 ) ⋅ Fh （式中，Fh是活塞投影面积） 式中， 是活塞投影面积）
活塞速度： 活塞速度： 可得： 可得： v = r ⋅ ω ⋅
二、活塞的速度
sin (α + β ) cos β
dt
）（精确式 （1-7）（精确式） ）（精确式）
将式（ ）对时间求导， 将式（1-5）对时间求导，得：
λ （1-8）（近似式） ）（近似式 ）（近似式） v = r ⋅ ω ⋅ sin α + ⋅ sin 2α 2 2S S⋅n （1-9） ） 活塞平均速度： 活塞平均速度： C m = 60 = 30 n
图1-1 正置曲柄连杆机构简图
l+r
r
r 记： λ = l
则： x 因： 故： 而：
（1-1） ）
1 = r ⋅ (1 − cos α ) + ⋅ (1 − cos β ) （1-2）（精确式） ）（精确式 ）（精确式） λ
l ⋅ sin β = r ⋅ sin α sin β = λ ⋅ sin α
dx dα 1 dβ v= = r ⋅ sin α ⋅ + ⋅ sin β ⋅ dt dt λ dt dβ cos α dα =λ⋅ ⋅ 将式（1-3）对时间求导，得： 将式（ ）对时间求导， （1-6） ） cos β dt dt dα 代入上式，且记曲轴角速度： 代入上式，且记曲轴角速度： =ω
01曲柄连杆机构的运动和受力分析(1)
（1）
赵雨东
清华大学汽车工程系
汽车工程系车辆工程专业课程设置
必修课
汽车概论 汽车构造I（汽车发动机） 汽车构造II（汽车底盘、
车身） 汽车发动机原理 汽车理论 汽车发动机设计 汽车底盘设计 汽车车身设计
选修课
汽车电子学 汽车电器 内燃机燃料供给 内燃机增压 … …
下止点
(1 − λ2 sin 2 ϕ ) −3/ 2 = 1 + 3λ2 sin 2 ϕ + 15λ4 sin 4 ϕ + 35λ6 sin 6 ϕ LL
2
8
16
β
l
φ
rω
曲柄连杆机构运动学
－正置曲柄连杆机构的活塞运动规律（5）
将泰勒展开式代入活塞运动规律表达式，并略去 含λ三次幂以上的各项（ λ最大0.33 ），得
Fj
用两个集中质量组成的非自由质点系近
似等效单元曲柄连杆机构（活塞、连杆
和曲拐）
mj
往复运动质量－受缸筒约束，沿气缸中 心线往复运动
质量 往复惯性力
m j = mhz + mlA Fj = −mj j
Frp = mp ρ pω 2 = mpd rω 2 mpd = mp ρp / r
mp：平衡重质量 ρρ ：平衡重质心旋转半径 mpd ：平衡重当量质量
ρp mp
Frp
曲柄连杆机构中的力和力矩
—连杆的惯性力（1） FjlA
实际连杆
随活塞平动＋绕活塞销摆动 连续体 不便于分析惯性力和惯性力矩
－曲柄连杆机构类型（3）
活塞销负偏置
活塞在上止点前后，受气缸壁之力的推力面会发生变化。 采用活塞销负偏置，在活塞运动到上止点之前，连杆中心线与气缸中心线平行，活塞
曲柄连杆机构动力学分析
sin 1 2 sin 2 3/ 2
（精确式）
L
2 sin 1
1 2
2
1 3cos2
（近似式）
在α=90º或270º时达到极值：
Le
2 (1 2 )1/ 2
（精确式）
Le
21
1 2
2
（近似式）
摆动角速度和角加速度精确式中分母均近似等于1，因此两者均 随α近似按简谐规律变化。
2
sin
2
vI
vII
无量纲加速度（活塞加速度系数）：
（精确式） （近似式）
a
a
2R
cos( cos
)
cos2 cos3
（精确式）
a cos cos2 aI aII
（近似式）
再将不同λ值下上述无量纲量的数值列成表格，以备查用。
二、偏心曲柄连杆机构（偏置曲柄连杆机构）
1、采用偏心曲柄连杆机构的原因 凡是曲轴回转中心线或者活塞销中心线不与气缸中心线相交的曲
柄连杆机构都是偏心机构。根据偏心方向的不同，分为正偏心机构 和负偏心机构。正偏心机构（如图a、图b所示）在活塞下行时连杆 摆角较小，使得作功行程中活塞侧推力有
侧
侧
（a）曲轴正偏心 （b）活塞销正偏心 （c）活塞销负偏心
偏心曲柄连杆机构
负偏心机构广泛应用于车用汽油机中，目的是减轻活塞对气缸壁的 敲击，降低运转噪声。 正偏心机构多用于柴油机，目的是改善散热，减轻主推力边的热负 荷，使顶环隙整个圆周上不积碳。
180
arcsin 1
活塞行程：S R 1/ 12 2
1/
由近似式可得出活塞最大速度
vmax
R (sin v max
曲柄连杆机构的结构
曲柄连杆机构的结构曲柄连杆机构是一种常见的机械传动机构，广泛应用于工程领域。
它由曲柄、连杆和活塞组成，通过曲柄的转动，实现连杆和活塞的运动。
本文将详细介绍曲柄连杆机构的结构、工作原理及其应用。
一、曲柄连杆机构的结构曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞组成。
其中，曲柄是一个可以绕固定轴转动的机构件，通常呈圆形或椭圆形，用于将旋转运动转换为直线运动，产生周期性运动。
连杆是连接曲柄和活塞的构件，起着传递运动的作用。
活塞是一个圆柱形构件，可以在封闭的容器内往复运动，用于传递力和能量。
曲柄连杆机构的结构简单、紧凑，并且能够将旋转运动转换为直线运动，具有较高的效率。
曲柄连杆机构还可以根据不同需求进行调节和优化，以获得不同的运动特性。
二、曲柄连杆机构的工作原理曲柄连杆机构基于几何学原理和运动学原理，其工作原理可以概括为以下几个步骤：1. 曲柄的旋转：通过外部动力源（如发动机）、电机等将曲柄转动，使其先顺时针或逆时针旋转。
2. 连杆的运动：曲柄旋转时，连杆与曲柄的连接点形成一个虚拟的三角形，称为连杆角。
连杆在曲柄转动的作用下，会以一定的速度和方向沿着直线路径运动，其运动轨迹被称为连杆运动轨迹。
连杆的运动可以分为上行段和下行段，它们之间有一个称为死点的转角位置，连杆在这个位置上将无法运动。
3. 活塞的运动：连杆与活塞相连，通过连杆的运动，活塞也将以一定的速度和方向沿直线轨迹运动。
活塞的运动通常用来驱动其他机构或完成特定的工作任务。
通过以上步骤的循环，曲柄连杆机构可以实现连续的往复运动，将旋转运动转换为直线运动，并将动力传递到其他机构中。
三、曲柄连杆机构的应用曲柄连杆机构在工程领域中有着广泛的应用。
以下是曲柄连杆机构的几个常见应用示例：1. 发动机：曲柄连杆机构是内燃机中的基础机构，通过将活塞的往复运动转换为曲轴的旋转运动，驱动发动机的工作。
发动机是现代交通工具的动力源，曲柄连杆机构是发动机的关键部分。
2. 压力机：曲柄连杆机构常用于压力机中，将电动机或液压驱动的旋转运动转换为上下往复的压力运动，用于制造、冲压和成形等加工工艺。
第二章_曲柄连杆机构受力分析(冲突_WIN-20160317ZJK_2013-05-1322-46-38)
19
3、旋转惯性力
旋转惯性力：
Fr mr r 2
单位活塞面积旋转惯性力：
fr mrr 2 /(D2 / 4)
2019/11/25
内燃机设计
20
三、单缸转矩
• 可以将 Fg和 Fj 合成为F ，单缸转矩可计算为：
T Ftr Fr sin( ) / cos
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第二章 曲柄连杆机构受力分析
• 第一节 曲柄连杆机构运动学 • 第二节 曲柄连杆机构受力分析 • 第三节 内燃机的转矩波动与飞轮设计
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内燃机设计
1
第一节 曲柄连杆机构运动学
2019/11/25
内燃机设计
2
曲柄连杆机构运动学
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内燃机设计
3
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
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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内燃机设计
5
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
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内燃机设计
6
二、中心曲柄连杆机构运动学
E
2 1
(T
T
m)d
I0 2
(2 maxFra bibliotek
2 m
in
)
式中，E称为盈亏功。令：E E
E 1.2 105 Pe / n ，为一个工作循环的有效功。
第04章曲柄连杆机构介绍
第四章曲柄连杆机构第一节概述一、功用与组成曲柄连杆机构是内燃机完成工作循环、实现能量转换的传动机构。
它在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动；而在进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变为活塞的往复直线运动。
因此曲柄连杆机构的功用是：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。
曲柄连杆机构由以下3部分组成：机体组主要包括气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套、曲轴箱和油底壳等不动件。
活塞连杆组主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件。
曲轴飞轮组主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器、平衡轴等机构。
二、工作条件及受力分析曲柄连杆机构是在高温、高压、高速以及有化学腐蚀的条件下工作的。
在发动机作功时，气缸内的最高温度可达2 500k以上，最高压力可达5 MPa～9MPa，现代汽车发动机最高转速可达3 000r／min～6 000r／min，则活塞每秒钟要行经约100~200个行程，可见其线速度是很大的。
此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件(如气缸、气缸盖，活塞等)还将受到化学腐蚀。
由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此它在工作时的受力情况是很复杂的。
在此只对受力情况作简单分析。
曲柄连杆机构受的力主要有气体压力，往复惯性力，旋转运动件的离心力以及相对运动件接触表面的摩擦力。
1．气体压力在每个工作循环的四个行程中，气缸内气体压力始终存在而且是不断变化的。
作功行程压力最高，其瞬间最高压力汽油机可达3MPa～5MPa；柴油机可达5MPa～9MPa，这意味着作用在曲柄连杆机构上的瞬间冲击力可达数万牛顿(N)。
下面分析各机件作功行程的受力情况。
如图4-1a所示，气体压力对气缸盖和活塞顶作用有大小相等，方向相反的力，分别用P'和P p表示。
作用力P p经活塞传到活塞销上，分解为N p和S p两个力。
N p垂直于集中力p气缸壁，它使活塞的一个侧面压向气缸壁，称为侧压力。
04__曲柄连杆机构的______受力分析
图4-1 活塞组合 1—活塞 2—活塞销 3—挡圈 4—气环 5—油环 4 曲柄连杆机构的受力分析4.1 曲柄连杆机构的组成摩托车发动机的曲柄连杆机构由活塞、活塞环、活塞销、连杆、大小头轴承、曲轴等组成。
4.1.1 活塞组合活塞组合由活塞、活塞环、活塞销、活塞销挡圈等组成，见图4-1。
它的功能是：1）承受气缸中可燃混合气燃烧产生的压力，并将作用力通过活塞销传给连杆，带动曲轴旋转。
2）活塞顶部与气缸盖组成燃烧室。
3）通过安装在其上的活塞环，保证气缸的密封性。
4.1.1.1 四行程发动机活塞四行程发动机活塞的顶面呈平面形，且对应于进、排气门之处加工有凹坑，以避免在运动中与进、排气门相干涉，在顶面有“IN ”标记表示进气侧，保证活塞安装时的方向。
在活塞槽部通常设有两道气环、一道油环。
在油环槽周围，设置有许多回油小孔，安装油环后，能刮去缸壁上多余的润滑油（见图4-2）。
有些活塞在油环槽下再加工一个较浅的环形槽，其上也加工回油小孔。
四行程发动机活塞所有环槽上都无需有定位销孔，原因是四行程发动机的气缸上无气口，活塞环运动时不会产生干涉现象。
为适应活塞在高温、高压、高速条件下工作，活塞通常多采用质量轻、导热性好的高铝合金来制造。
有些活塞表面还进行镀锡处理，以提高其磨合性。
4.1.1.2 活塞环 四行程活塞裙部较短，并无需做有缺口，因四行程发动机的进、排气道没有气缸盖上。
但有时为避免与曲轴相撞，并为增加裙部弹性及减小活塞质量，在受力不图4-2 四行程汽油机的活塞1—气门坑 2—回油孔 3—裙部缺口大的沿销孔方向两侧，从底部各开一个浅而长的圆弧形缺口。
活塞环的功能是：1）密封气缸与活塞间的间隙，防止漏气。
2）刮去气缸壁上多余的机油。
3）把活塞的热量传递给气缸体散发。
活塞环应具有良好的密封性，在高温、高压、和高速的工况下，具有良好的弹度、弹性和耐磨性；此外，并应有良好的磨合性与加工性。
为适应这些要求，活塞环的材料多选用合金铸铁。
简述曲柄连杆机构的作用
简述曲柄连杆机构的作用
曲柄连杆机构是一种由曲柄、连杆和转动轴三部分组成的平动或旋转运动机构，是存在于弹性机械系统中的一种基本机构。
曲柄连杆机构的作用主要有以下几点：
1. 将直线运动转换为旋转运动：由于曲柄连杆机构中的曲柄轴旋转，曲柄中心点的位移可以产生曲线运动，最多可以将直线运动转换成椭圆运动。
因此曲柄连杆机构能够把连杆所产生的直线运动转换为旋转运动，从而实现传动功能。
2. 减少摩擦：曲柄连杆机构中，没有内部相对静止的零件，只有高效碳化表面的连杆和轴，因此减少了摩擦。
3.改变运动速度：曲柄连杆机构的力学性能相当好，如果连杆的力矩不变，可以通过调节曲柄的转动轴来改变传动比，从而改变运动速度。
4. 转换动能：曲柄连杆机构的重量和尺寸都相对较小，可以很好地转换动能，是汽车发动机机构中常采用的传动机构。
5.增强位置控制：曲柄连杆机构能够有效地控制运动精度，通过控制曲柄与转动轴之间的位置，可以把连杆驱动到设定的位置。
因此，曲柄连杆机构是机械系统的基本元件，具有实现传动、减少摩擦、改变速度、转换动能和增强位置控制等作用。
曲柄连杆机构的工作原理
曲柄连杆机构的工作原理曲柄连杆机构是一种常见的机械传动装置，它由曲轴、连杆和活塞组成，广泛应用于内燃机、柴油机、压缩机等领域。
其工作原理是利用曲轴的旋转运动将直线运动转化为旋转运动，从而驱动活塞做往复运动，完成能量的转换和传递。
曲柄连杆机构的工作原理主要包括曲轴的旋转运动和连杆的往复运动两个方面。
首先，曲轴的旋转运动是曲柄连杆机构的核心。
曲轴是一根能够绕轴线旋转的轴，它通过发动机的动力输出轴或者其他外部动力源的驱动，实现旋转运动。
当曲轴旋转时，它会带动连杆进行往复运动，从而驱动活塞做往复运动。
其次，连杆的往复运动是曲柄连杆机构的关键。
连杆是连接曲轴和活塞的零件，它能够在曲轴的带动下做往复运动。
当曲轴旋转时，连杆会随之做往复运动，将旋转运动转化为直线运动，从而带动活塞做往复运动。
这样，曲柄连杆机构就能够完成能量的转换和传递，实现各种机械装置的工作。
曲柄连杆机构的工作原理可以用一个简单的例子来说明，在内燃机中，曲轴受到发动机的动力输出轴的驱动，开始旋转运动。
连杆随之做往复运动，将旋转运动转化为直线运动，从而带动活塞做往复运动。
活塞在气缸内的往复运动就能够完成吸气、压缩、爆燃和排气等工作，从而驱动发动机的工作。
总的来说，曲柄连杆机构的工作原理是利用曲轴的旋转运动和连杆的往复运动，将旋转运动转化为直线运动，完成能量的转换和传递。
这种机构不仅在内燃机、柴油机、压缩机等领域得到广泛应用，而且在其他机械装置中也有着重要的作用。
通过对曲柄连杆机构的工作原理的深入理解，可以更好地掌握机械传动的原理和应用，为相关领域的研究和应用提供理论支持和技术指导。
生活中的连杆机构分析
生活中的连杆机构分析连杆机构是一种常见的机械机构，由两个或多个连杆连接而成。
它具有转换运动的功能，可以将一个运动形式转化为另一种运动形式，广泛应用于各种机械设备和装置中。
连杆机构可以分为直线连杆机构和旋转连杆机构两种类型。
直线连杆机构主要由连杆和滑块组成。
其中连杆是由两根或多根可活动连接的杆件组成，而滑块是固定在连杆上，进行直线运动的组件。
常见的直线连杆机构包括曲柄连杆机构和摇杆机构。
曲柄连杆机构由一个旋转运动的曲柄和一个连接着曲柄的连杆组成，通过滑块的直线运动实现动力传递。
摇杆机构由两个相互连接的连杆构成，其中一个连杆固定在基座上，另一个连杆通过滑块实现直线运动。
旋转连杆机构主要由连杆和关节组成。
连杆可以根据形状和连接方式分为直杆、曲杆和环杆等。
关节则是连接连杆的组件，可以是旋转关节或者移动关节。
旋转连杆机构的运动形式主要是旋转运动，可以将旋转运动转换为其他形式的运动，如直线运动、摆动运动等。
常见的旋转连杆机构包括曲柄摇杆机构和齿轮机构。
曲柄摇杆机构由一个旋转运动的曲柄和一个通过关节连接的摇杆组成，可以将旋转运动转换为直线运动或摆动运动。
齿轮机构由两个或多个齿轮组成，通过齿轮的啮合实现运动传递。
在进行连杆机构分析时，一般需要考虑以下几个因素：1. 运动学分析：研究连杆机构各部件之间的相对运动关系，包括连杆长度、转动角度、速度、加速度等。
2. 动力学分析：研究连杆机构在力的作用下的运动行为，包括力的传递、力的平衡等。
3. 运动几何分析：研究连杆机构的几何性质，包括连杆长度、构型设计等。
4. 连杆机构的优化设计：根据特定的要求和约束条件，对连杆机构进行最优设计，以实现特定的运动要求。
连杆机构在工程实际中应用广泛，例如汽车发动机中的连杆机构用于将活塞运动转化为旋转运动，机械手臂中的连杆机构用于实现各种工作状态的切换等。
对连杆机构进行分析可以帮助工程师和设计师更好地理解其工作原理，从而进行合理的设计和优化。
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。
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（2）均匀转动的曲拐
（3）平面运动的连杆组
10
2. 连杆的质量换算
二质量系统
三质量系统
11
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
12
5
4.1.2 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
6
一、气体作用力
1、气体作用力
pg
Fg
D2
4
( pg p )
'
p′
f g pg p'
7
2、缸内压力
8
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
9
1.曲柄连杆机构的运动
3.往复质量和往复惯性力 （1）往复运动质量
mj mp m1
（2）往复惯性力
mj r2 cos cos 2 Fj mj x
a
13
4. 旋转质量与惯性力
（1）旋转质量
mr mc m2
mc (1/ r)mi ri
（2）离心力
Fr mr r
' 1
法向力：
F F1 cos
F cos( ) Fn F cos( ) cos
' 1
17
4、发动机的转矩
Fr sin( ) T F r t cos
18
5、倾覆力矩
Tk Fc h T
r sin( ) sin
4.1 内燃机动力学
Kinematics Analysis of Engine
主要学习内容:
曲柄连杆机构运动学 曲柄连杆机构受力分析 内燃机质量平衡
1
4.1.1 曲柄连杆机构运动学
1.曲柄连杆机构：活塞、连杆、曲轴
2.机构运动： 活塞——直线运动 连杆——平面摆动 曲拐——旋转运动
2
3、运动规律
24Βιβλιοθήκη 25264.1.3 内燃机质量平衡
内燃机曲柄连杆机构的往复质量和旋转质量在 内燃机高速旋转时会产生很大的往复惯性力和旋转 离心力。这些惯性力必须通过发动机的总体布置、 在曲轴飞轮系上加适当的平衡块或设置专门的平衡 轴等方法加以平衡，以减少发动机的振动 。
27
不平衡力源： 1. 往复惯性力
2
2
2mp rp mr r
合力矩为零。
30
2、二缸机的平衡块设计
合力为零 合力矩需平衡
M r aFr amr r 2
完全平衡同单缸机。 整体平衡：
完全平衡
整体平衡
Mr bFp2 bmp2rp
2
31
3、三缸机的平衡块设计
32
4、四缸机的平衡块设计
33
2. 旋转离心力
3. 倾覆力矩（输出转矩的反作用力，无法 平衡。多缸机转矩波动小，倾覆力矩的 激振减弱。）
28
√离心力的合力及合力矩的平衡
一阶往复惯性力的合力及合力矩的平衡 二阶往复惯性力的合力及合力矩的平衡
29
曲轴平衡块的设计——离心力的平衡
1、单缸机的平衡块设计
2mp rp mr r
x r 1 cos l 1 cos
定义： r l
2n 曲拐角速度 60 活塞位移
cos 1 sin
2 2
1 x r 1 cos (1 1 2 sin 2 )
3
cos 1 2 sin 2 1 2 2 1 4 4 1 6 6 1 sin sin sin 2 8 16 1 2 2 1 sin 2
活塞位移简化
x r 1 cos (1 cos 2 ) 4
4
活塞运动速度和加速度
x r sin sin 2 2
r cos cos 2 x
2
活塞运动的位移、速度和加速度由两项组成，即由 两个简谐运动合成。
2
14
三、受力分析
1、活塞受力
气体作用力 ＋往复惯性力
F Fg Fj
15
2、连杆小头受力分析
侧推力：
FC Ftg
F F1 cos
F1
F cos
连杆力：
16
3、曲柄销受力分析
切向力 ：
F sin( ) F F sin( ) t cos
h
TK FC h T
FC Ftg
19
图4-6 惯性力引起的力和力矩 a)对活塞、连杆、曲轴及其轴承的作用 b)对机体、气缸盖的作用 20
运转的平稳性
21
发火间隔角：720/4=180 发火顺序：1-3-4-2 当前1缸作功
22
23
发火间隔角：720/6=120 发火顺序为1-5-3-6-2-4