第二章曲柄连杆机构受力分析资料
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第二章曲柄连杆机构动力学分析
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
（此值约为1.6）
3、活塞加速度
cos cos a R 3 cos cos
2 2
2 2 2
（精确式）
a R (cos cos 2 ) R cos R cos 2 a I a II
（近似式）
（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。
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%
由近似式可得出活塞加速度的最大值和最小值： ① 当λ <1/4时，α =0º 时活塞正向最大加速度 2 （极大值） a R (1 )
max
α =180º 时活塞负向最大加速度
4
1 cos 2 x I x II
（近似式）
无量纲速度（活塞速度系数）：
v sin v R cos
2.曲柄连杆机构
好，密封性差 · 阶梯形：密封性好，工艺性差 · 斜切口：密封性和工艺性介于 上述二者之间
切口间隙值一般为0.25mm0.8mm
气环断面形状
形状 矩形环 扭曲环 锥面环 梯形环 桶面环
特点 结构简单、制造方便、易于生产、应用面广 断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲 减少环与气缸壁的接触面，提高表面接触压力，有利于磨合和密封。 加工困难，精度要求高 外圆为凸圆弧形
曲柄连杆机构受的力 主要有气压力 FP ，往 复 惯 性 力 Fj ， 旋 转 离 心力Fc和摩擦力F。 FP F Fj
FC
1、 气压力：气压力的集中力FP分解为侧压力 FP1和FP2， FP1分解为FR和FS，FR使曲轴主轴颈处 受压，FS为周向产生转矩的力。
(1)作功行程：侧压力FP1向左， 活塞的左侧面压向气缸壁，左 侧磨损严重
一般式
龙门式
隧道式
油底壳安装平 面低于曲轴的 旋转中心
气缸体上曲 轴的主轴承 孔为整体式
性能与应用比较
名 称 一般式 性 能 应 用 492Q汽油机，90 系列柴油机。 机体高度小、重量轻、结 构紧凑，便于加工拆卸。 刚度和强度差。
龙门式
捷达轿车、富康 强度和刚度较好。工艺性 轿车、桑塔纳轿 差、结构笨重、加工困难。 车
6、活塞在工作时的保护措施
（1）在活塞裙部表面涂保护层，可改善铝合金活塞的磨合性； 主要有铅、锡、石墨、磷保护层等。 （2）在安装活塞销时，使活塞销偏置某一方向装，以减少换向 时的敲击声，且使裙部减小磨损； 有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的， 向作功行程中受主侧压力的一方偏移了1～2mm。
（1）活塞顶部
结构简单、制造容 易、受热面积小、 应力分布较均匀， 多用在汽油机上。
切口间隙值一般为0.25mm0.8mm
气环断面形状
形状 矩形环 扭曲环 锥面环 梯形环 桶面环
特点 结构简单、制造方便、易于生产、应用面广 断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲 减少环与气缸壁的接触面，提高表面接触压力，有利于磨合和密封。 加工困难，精度要求高 外圆为凸圆弧形
曲柄连杆机构受的力 主要有气压力 FP ，往 复 惯 性 力 Fj ， 旋 转 离 心力Fc和摩擦力F。 FP F Fj
FC
1、 气压力：气压力的集中力FP分解为侧压力 FP1和FP2， FP1分解为FR和FS，FR使曲轴主轴颈处 受压，FS为周向产生转矩的力。
(1)作功行程：侧压力FP1向左， 活塞的左侧面压向气缸壁，左 侧磨损严重
一般式
龙门式
隧道式
油底壳安装平 面低于曲轴的 旋转中心
气缸体上曲 轴的主轴承 孔为整体式
性能与应用比较
名 称 一般式 性 能 应 用 492Q汽油机，90 系列柴油机。 机体高度小、重量轻、结 构紧凑，便于加工拆卸。 刚度和强度差。
龙门式
捷达轿车、富康 强度和刚度较好。工艺性 轿车、桑塔纳轿 差、结构笨重、加工困难。 车
6、活塞在工作时的保护措施
（1）在活塞裙部表面涂保护层，可改善铝合金活塞的磨合性； 主要有铅、锡、石墨、磷保护层等。 （2）在安装活塞销时，使活塞销偏置某一方向装，以减少换向 时的敲击声，且使裙部减小磨损； 有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的， 向作功行程中受主侧压力的一方偏移了1～2mm。
（1）活塞顶部
结构简单、制造容 易、受热面积小、 应力分布较均匀， 多用在汽油机上。
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。
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
.
.
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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
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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。
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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。
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
添加章节标题
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
1、活塞位移：
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)
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。
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
5
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
7
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：
10
2、连杆小头受力分析
FC Ftg
F F1 cos
侧推力：
F1
F cos
连杆力：
11
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
12
4、发动机的转矩
Fr sin( ) T F r cos
13
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
2019/11/25
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
2019/11/25
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
2019/11/25
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
2019/11/25
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
2019/11/25
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。
汽车构造(上册)——第2章曲柄连杆机构
小头孔和活塞销座孔中都能转动。
• (2)装配： • 1）销与销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配
法。
• 2） 热装合：将活塞放入热水或热油中加热后，迅 速将销装入。
2.半浮式
❖ (1)定义：销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一 处浮动。（一般固定连杆小头）
❖ (2)装配：加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈 配合。
❖ 3.组成：
❖
由钢背和减磨层组成。钢背由1mm～3mm的低碳
钢制成。减磨层为0.3mm～0.7mm的减磨合金，层质较
软能保护轴颈。
• 1）铝锑镁合金和低锡铝合金： • 械性能好，负载能力强，但其减磨性能差。 • 主要用于柴油机。
• 2)高锡铝合金：
•
具有较好的机械性能和减磨性能，广泛应用于
柴油机和汽油机。
• （2） V型式：它缩短了发动机的长度和 高度，多用于八缸以上的发动机。
• （3）对置式：是V型的特殊形式。
3、曲轴箱的型式
• （1） 平分式
• 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
P1
F Pj
第二密封面
• （3）气环的第二次密封：窜入背隙和侧隙的气体，使 环对缸壁和环槽进一步压紧，加强了第一、二密封面 的密封。
5.气环的断面形状
• （1） 矩形环：结构简单 ，与缸壁接触面积大，散热 好，但易泵油。
• （2） 锥形环
•
1）特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮 油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。 • 2） 安装注意： • 锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）； • 锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上。
• (2)装配： • 1）销与销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配
法。
• 2） 热装合：将活塞放入热水或热油中加热后，迅 速将销装入。
2.半浮式
❖ (1)定义：销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一 处浮动。（一般固定连杆小头）
❖ (2)装配：加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈 配合。
❖ 3.组成：
❖
由钢背和减磨层组成。钢背由1mm～3mm的低碳
钢制成。减磨层为0.3mm～0.7mm的减磨合金，层质较
软能保护轴颈。
• 1）铝锑镁合金和低锡铝合金： • 械性能好，负载能力强，但其减磨性能差。 • 主要用于柴油机。
• 2)高锡铝合金：
•
具有较好的机械性能和减磨性能，广泛应用于
柴油机和汽油机。
• （2） V型式：它缩短了发动机的长度和 高度，多用于八缸以上的发动机。
• （3）对置式：是V型的特殊形式。
3、曲轴箱的型式
• （1） 平分式
• 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
P1
F Pj
第二密封面
• （3）气环的第二次密封：窜入背隙和侧隙的气体，使 环对缸壁和环槽进一步压紧，加强了第一、二密封面 的密封。
5.气环的断面形状
• （1） 矩形环：结构简单 ，与缸壁接触面积大，散热 好，但易泵油。
• （2） 锥形环
•
1）特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮 油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。 • 2） 安装注意： • 锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）； • 锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上。
2019精品汽车构造第02章曲柄连杆机构文档
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一 、 气 缸 体
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气缸工作表面必须耐高温、耐磨损、耐腐蚀。
为了满足以上要求，一般可以从气缸的材料、加工精度和结构等方面来 采取措施。 为了保证气缸表面能在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖随时加以 冷却。
哈尔滨工业大学（威海）
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油冷活塞
右图a，是利用经过连杆杆身输送到小头的 机油喷到活塞顶部底面进行冷却（称为“振 荡冷却”）；
右图b，是在活塞顶部材料内用失蜡铸造法 铸出蛇形管，利用安装在机体上的喷油嘴对 蛇形管的一端喷入机油的方法，来带走活塞 顶的大部分热量。温度升高的机油，从蛇形 管的另一端流出。
干缸套（图2-9 b~c）不直接与冷却 水接触，壁厚一般为1~3mm。
湿缸套（图2-9 d~h）则与冷却水直 接接触，壁厚一般为5~9mm。
湿缸套的优点是在气缸体上没有密闭 的水套，铸造方便，容易拆卸更换， 冷却效果也较好；其缺点是气缸体的 刚度差，易于漏气、漏水。湿缸套广 泛应用于汽车柴油机上。
哈尔滨工业大学（威海）
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活塞环
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哈尔滨工业大学（威海）
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气环
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气环所起的密封和导热两大作用，密封是主要的。
活塞环有一个切口，且在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比气 缸的内径大些。
为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置。
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哈尔滨工业大学（威海）
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托板式裙部
这种结构不仅质量轻，而且裙 部具有较大的弹性，可使裙部与气 缸装配间隙减小很多，也不会卡死。
第二章 机体组及曲柄连杆机构
发动机工作时，燃气温度高达 2000 ℃ 以上，活塞顶部接触燃气，因高温使材料 机械性能降低，甚至产生高温蠕变。当顶 部温度超过 370~400 ℃时，还会产生热裂 现象。第一道环槽温度超过 200~220 ℃， 就会造成活塞环粘结。进气时，活塞又受 到冷的新气冲刷，造成温度不均，引起大 的热应力和活塞变形。活塞工作温度高且 作往复变速运动，润滑又困难，所以极易 磨损。
2.2.5 气缸衬垫 气缸衬垫臵于气缸盖与气缸体之间， 作用是保证燃烧室的密封，防止漏气、漏 水。气缸衬垫的材料要有一定的弹性，能 补偿结合面的不平度，以确保密封，同时 要有好的耐热性和耐压性，在高温高压下 不烧损、不变形， 拆装方便，能重复使 用，寿命长。 目前应用的气缸衬垫结构大致有金 属—石棉衬垫、金属—复合材料衬垫、全 金属衬垫等几种。
气缸体作为发动机各个机构和系统的 装配基体，承受较大的机械负荷和热负荷， 气缸体本身应具有足够的刚度、强度和良 好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性。机体一 般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。 气缸体内引导活塞做往复运动的圆筒 就是气缸。多缸发动机气缸的排列型式决 定了发动机外形尺寸和结构特点，对发动 机气缸体的刚度和强度也有影响，并关系 到汽车的总体布臵。可分为：直列式、 V 型式、对臵式三种。
二、活塞组：活塞、活塞环、活塞销等。
1．活塞的功用及工作条件 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。 此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧 室。 活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。 作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞 顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。 活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动， 由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。
3．活塞构造 活塞可视为由顶部、头部和裙部。
第二章曲柄连杆机构机械原理
由于侧隙、径向间隙 和端隙都很小，气体在通 道内的流动阻力很大，致 使气体压力p迅速下降， 最后漏入曲轴箱内的气体 就很少（0.2%~1%）。
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构 气环的泵油作用演示
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构
活塞环泵油作用的危害及措施
危害： ➢ 增加了润滑油的消耗； ➢ 火花塞沾油不跳火； ➢ 燃烧室积碳增多，燃烧性能变坏； ➢ 环槽内形成积碳，挤压活塞环而失去密封性； ➢ 加剧了气缸的磨损。
1、机体组 2、活塞连杆组 3、曲轴飞轮组
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构
§2.2曲柄连杆机构的受力及运动分析
一、运动分析 活塞组、连杆小头：上下往复运动； 连杆大头、杆身、连杆盖：主要做左右摆动，同时伴有上下
往复运动； 曲轴、飞轮：主要做旋转运动。 以上各零部件均是做变速运动、周期性的。
发动机 构造与
（2） 活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低， 壁上厚下薄；
（3） 裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方 向。因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用 的结果。
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构 防止变形的措施
（1） 活塞纵断面制成上小下大的截锥形。
（2） 活塞横断面制成椭圆形，长轴垂直于销座孔轴线 方向，即侧压力方向。
其型式有 全裙式：裙部为一薄壁圆筒。 拖板式：将非承压面的裙部全部去掉。
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构
活塞裙部变形
发动机 构造与
原理
活塞的第变二形章及采取曲的柄相连应杆措机施构
变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。
变形规律：
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构 气环的泵油作用演示
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构
活塞环泵油作用的危害及措施
危害： ➢ 增加了润滑油的消耗； ➢ 火花塞沾油不跳火； ➢ 燃烧室积碳增多，燃烧性能变坏； ➢ 环槽内形成积碳，挤压活塞环而失去密封性； ➢ 加剧了气缸的磨损。
1、机体组 2、活塞连杆组 3、曲轴飞轮组
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构
§2.2曲柄连杆机构的受力及运动分析
一、运动分析 活塞组、连杆小头：上下往复运动； 连杆大头、杆身、连杆盖：主要做左右摆动，同时伴有上下
往复运动； 曲轴、飞轮：主要做旋转运动。 以上各零部件均是做变速运动、周期性的。
发动机 构造与
（2） 活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低， 壁上厚下薄；
（3） 裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方 向。因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用 的结果。
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构 防止变形的措施
（1） 活塞纵断面制成上小下大的截锥形。
（2） 活塞横断面制成椭圆形，长轴垂直于销座孔轴线 方向，即侧压力方向。
其型式有 全裙式：裙部为一薄壁圆筒。 拖板式：将非承压面的裙部全部去掉。
发动机 构造与
原理
第二章 曲柄连杆机构
活塞裙部变形
发动机 构造与
原理
活塞的第变二形章及采取曲的柄相连应杆措机施构
变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。
变形规律：
第二章曲柄连杆机构
第二章曲柄连杆机构
(二)往复惯性力和离心惯性力
曲柄连杆机构运动速度的大小方向不断变化，产生惯性力，分为： （1）往复惯性力：大小：Pj=m×a；方向：与a 相反
上止点 0
a Pj Vmax
下止点 0 a Pj
上止点 0
a Pj
Vmax
下止点 0
a Pj
(二)离心惯性力
定义：曲柄、连杆轴颈、连杆大头等围绕曲轴轴线作圆周运动的力
采取措施。
刚度、强度——采用不同的曲轴箱型式。 冷却——水套或散热器
耐磨损、耐高温、耐腐蚀——材料，气缸体采用优质灰铸体，为提高气 缸的耐磨性、加入少量合金元素：铬、磷
二、油底壳(曲轴箱) 功用:储存和冷却机油并封闭曲轴箱。 构造特点：1、设放油塞；2、设挡油板；3、薄钢板冲压而成，4、软木衬垫 。
(4)间隙
活塞安装时 留有端隙、 侧隙、背隙
Δ1—端隙（开口间隙） Δ2—侧隙（边隙） Δ3—背隙
(1)气环 作用:保证气缸与活塞间得密封性, 防止漏气,并把活塞顶部吸收得大 部分热量传给气缸壁,再由冷却水 将其带走。
气环
切口
(二)气环
气环漏气通道： a. 环面与气缸壁间；b. 环与 环槽侧面间 c. 开口端隙处。
(三)缸套得密封
涨封式： 1.密封槽开在缸套上 压封式： 2.密封槽开在缸体上
优缺点:
１. 平分式：便于机械加工，制造方便，但刚度小，多用于中小型发动机 ２. 龙门式：结构刚度较大，但工艺性较差。多用中型发动机 ３. 隧道式：结构刚度最大、主轴承同轴度易保证，多用于机械负荷大的大
型发动机
为满足气缸工作条件、要求,可以从结构、加工精度、材料等方面
环与环槽得侧面密封压紧力由气体 压力P1、活塞环惯性力Pj、和摩擦力F 三个沿气缸轴线方向力决定。
(二)往复惯性力和离心惯性力
曲柄连杆机构运动速度的大小方向不断变化，产生惯性力，分为： （1）往复惯性力：大小：Pj=m×a；方向：与a 相反
上止点 0
a Pj Vmax
下止点 0 a Pj
上止点 0
a Pj
Vmax
下止点 0
a Pj
(二)离心惯性力
定义：曲柄、连杆轴颈、连杆大头等围绕曲轴轴线作圆周运动的力
采取措施。
刚度、强度——采用不同的曲轴箱型式。 冷却——水套或散热器
耐磨损、耐高温、耐腐蚀——材料，气缸体采用优质灰铸体，为提高气 缸的耐磨性、加入少量合金元素：铬、磷
二、油底壳(曲轴箱) 功用:储存和冷却机油并封闭曲轴箱。 构造特点：1、设放油塞；2、设挡油板；3、薄钢板冲压而成，4、软木衬垫 。
(4)间隙
活塞安装时 留有端隙、 侧隙、背隙
Δ1—端隙（开口间隙） Δ2—侧隙（边隙） Δ3—背隙
(1)气环 作用:保证气缸与活塞间得密封性, 防止漏气,并把活塞顶部吸收得大 部分热量传给气缸壁,再由冷却水 将其带走。
气环
切口
(二)气环
气环漏气通道： a. 环面与气缸壁间；b. 环与 环槽侧面间 c. 开口端隙处。
(三)缸套得密封
涨封式： 1.密封槽开在缸套上 压封式： 2.密封槽开在缸体上
优缺点:
１. 平分式：便于机械加工，制造方便，但刚度小，多用于中小型发动机 ２. 龙门式：结构刚度较大，但工艺性较差。多用中型发动机 ３. 隧道式：结构刚度最大、主轴承同轴度易保证，多用于机械负荷大的大
型发动机
为满足气缸工作条件、要求,可以从结构、加工精度、材料等方面
环与环槽得侧面密封压紧力由气体 压力P1、活塞环惯性力Pj、和摩擦力F 三个沿气缸轴线方向力决定。
第二章曲柄连杆机构受力分析资料
2019/2/23
• • • •
mc (1/ r ) mi ri
内燃机设计
28
连杆质量换算
• 往往用小头、大头和质心处的三个质量m1、 m2、m3来代替连杆组。实际高速机计算表明， m3与m1、m2相比很小，所以一般简化为两 质量系统。由前两个条件得： m1=ml(l-l’)/l； m2=mll’/l • 所以，曲柄连杆机构的往复质量为 m j m p m1 • m2 m1 • 旋转质量为
1, 2
2019/2/23
内燃机设计
37
五、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷
• 为了分析轴承副的工作条件，必须知道轴承 负荷的大小、方向和作用点在一个工作循环 内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表 示。 • 作轴颈负荷矢量图时，坐标固定在轴上。 • 作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上。
2019/2/23
• 1、曲柄连杆机构的质量分布
• （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活 塞销中心。
m p m pi
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内燃机设计
27
1、曲柄连杆机构的质量分布
• （2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的 原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。 （3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性 的一般原则进行质量换算： ①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。 ②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组 的质心重合，并按此质心的运动规律运动。 ③所有当量质量相对通过连杆组质心的轴线的转 动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量。
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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曲柄连杆机构受力
• • • •
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连杆质量换算
• 往往用小头、大头和质心处的三个质量m1、 m2、m3来代替连杆组。实际高速机计算表明， m3与m1、m2相比很小，所以一般简化为两 质量系统。由前两个条件得： m1=ml(l-l’)/l； m2=mll’/l • 所以，曲柄连杆机构的往复质量为 m j m p m1 • m2 m1 • 旋转质量为
1, 2
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五、作用在曲轴轴颈和轴承上的负荷
• 为了分析轴承副的工作条件，必须知道轴承 负荷的大小、方向和作用点在一个工作循环 内的变化，通常采用负荷矢量的极坐标图表 示。 • 作轴颈负荷矢量图时，坐标固定在轴上。 • 作轴承负荷矢量图时，坐标固定在轴承上。
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• 1、曲柄连杆机构的质量分布
• （1）活塞组零件可简单相加，并集中在活 塞销中心。
m p m pi
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1、曲柄连杆机构的质量分布
• （2）曲拐质量，可以根据产生的离心力不变的 原则用集中在曲柄半径r处的质量来代替。 （3）作平面运动的连杆组，根据动力学等效性 的一般原则进行质量换算： ①所有当量质量之和等于连杆组总质量ml。 ②所有当量质量构成的系统的公共质心与连杆组 的质心重合，并按此质心的运动规律运动。 ③所有当量质量相对通过连杆组质心的轴线的转 动惯量之和，等于连杆组对同一轴线的转动惯量。
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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曲柄连杆机构受力
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)
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
返回
‹#› 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。
返回
‹#› 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 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；
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2019/2/23
内燃机设计
18
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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内燃机设计
19
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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曲柄连杆机构受力
P F Fj
Fr
2019/2/23
内燃机设计
21
曲柄连杆机构受力分析
2019/2/23
内燃机设计
22
曲柄连杆机构受力分析
2019/2/23
内燃机设计
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。
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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，
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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内燃机设计
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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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2019/2/23
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
6
• 偏心率： e / r
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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
* /(r ) sin ( / 2) sin 2 (1 2 sin 2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ) 1/ 2
a* a /(r 2 ) cos [cos2 (1 2 sin 2 ) (2 / 4) sin 2 2 ](1 2 sin 2 ) 3/ 2
• 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。
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 ]
内燃机设计
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
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
–
• • •
•
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* [(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 ]
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 /
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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
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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。
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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，
x
*
为0.2%
*
为0.5%
a
*
为1%
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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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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
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• 偏心率： e / r
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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
* /(r ) sin ( / 2) sin 2 (1 2 sin 2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ) 1/ 2
a* a /(r 2 ) cos [cos2 (1 2 sin 2 ) (2 / 4) sin 2 2 ](1 2 sin 2 ) 3/ 2
• 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
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• 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。
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 ]
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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
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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* [(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 ]
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 /