活动二 曲柄连杆机构在发动机运行过程中的受力分析
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
发动机教案--第2章曲柄连杆机构
二、曲柄连杆机构—教案教案4教学时数：2重点：机体组的构造分析、安装使用注意事项难点：机体组的构造难点突破方法：利用课件展示构造，并利用现场教学加深印象第二章曲柄连杆机构第一节概述一、功用1、把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩。
2、把飞轮的旋转运动转化为活塞的往复直线运动。
教学方法：想一想，这二个功用分别通过哪些行程实现？（启发）结论：在作功行程中，曲柄连杆机构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。
二、组成曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组：机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。
三、工作特点1、工作条件差（教学方法：通过工作原理分析得出结论：“三高：高温、高压、高速；而且受腐蚀性气体的作用。
”）2、受力大。
（教学方法：通过工作原简单分析说明）3、润滑困难。
（同上）四、受力分析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。
这些力不断大小和方向不断发生变化，其作用效果可由曲——连机构对不同位置的受力进行分析得出。
教学方法：分析其中一个位置的受力，其余引导学生自主分析第二节机体组一、气缸体利用课件展示其基本构造，并对其不同部分的构造和作用进行分析1.气缸体形式（1）一般式：亦称元裙式（2）龙门式：亦称有裙式（3）隧道式：亦称整体式分别利用课件展示其基本构造，并对其特点进行分析，重点是将基本思路展示在课堂上，帮助学生在理解上基础上记忆。
2.气缸体冷却形式（1）水冷式（2）风冷式教学方法：通过课件展示，并分析其优缺点。
3.气缸的排列形式（1）直列式（2）双列式（V型）（3）对置式教学方法：利用课件演示4.气缸套（1）干式气缸套：外表面不与冷却水接触。
（课件展示）（2）湿式气缸套：外表面与冷却水直接接触。
（课件展示）1、气缸盖的功用（1）密封气缸（2）安装其他机构的零件3）组成进气道2、气缸盖的结构：一般用灰铸铁或铝合金铸造而成。
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。
汽车设计课程设计曲柄连杆机构受力分析
汽车设计课程设计说明书题目：曲柄连杆机构受力分析一、课程设计要求根据转速、缸内压力、曲柄连杆机构结构参数，计算发动机运转过程中曲柄连杆机构受力，完成计算报告，绘制曲柄连杆机构零件图。
1.1 计算要求掌握连杆往复惯性质量与旋转离心质量折算方法；掌握曲轴旋转离心质量折算方法；掌握活塞运动速度一阶、二阶分量计算方法；分析活塞侧向受力与往复惯性力及相应设计方案；分析连杆力及相应设计方案；采用C语言编写曲柄连杆机构受力分析计算程序；完成曲柄连杆机构受力计算说明书。
1.2 画图要求活塞侧向力随曲轴转角变化连杆对曲轴推力随曲轴转角变化连杆轴承受力随曲轴转角变化主轴承受力随曲轴转角变化活塞、连杆、曲轴零件图（任选其中两个）二、计算参数2.1 曲轴转角及缸内压力参数曲轴转速为7000 r/min，缸内压力曲线如图1所示。
图1 缸内压力曲线2.2发动机参数本计算过程中，对400汽油机进行运动和受力计算分析，发动机结构及运动参数如表1所示。
表1 发动机主要参数参数指标发动机类型汽油机缸数 1缸径D mm 91冲程S mm 63曲柄半径r mm 31.5连杆长l mm 117偏心距e mm 0排量 mL 400活塞组质量'm kg 0.425连杆质量''m kg 0.46m kg 0.231曲轴旋转离心质量k标定功率及相应转速 kw/（r/min）17/7500最高爆发压力 MPa 5～6MPa三、计算内容和分析图3.1 运动分析3.1.1曲轴运动近似认为曲轴作匀速转动，其转角，t t t n 37006070002602πππα=⋅==s rad s rad dt d /04.733/3700≈==παω3.1.2活塞运动规律图2 中心曲轴连杆机构简图1）活塞位移 111cos cos x r αβλλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫=+-+ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦，其中()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-⋅=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-≈⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-⎪⎭⎫ ⎝⎛+≈-=-≈-=-==⋅=≈==t t r r x l r l r 04.733cos 14685.3104.733cos 15.31)2cos 1(4)cos 1(sin 2111cos 11)2cos 1(21sin sin 211)sin 1(sin 1cos sin sin /sin 27.01175.31/2222221222αλααλλαλαααλαλββαλαβλ又活塞位移曲线如图3所示图3 活塞位移曲线2）活塞速度 ⎪⎭⎫ ⎝⎛+==αλαω2sin 2sin r dt dx v()αλαωα2cos cos +=r d dv令0=αd dv， 有()01cos 2cos 2cos cos 2=-+=+αλααλα，︒≈⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+⎪⎭⎫ ⎝⎛==-+84.6412141arccos 021cos 21cos 2max2λλααλα曲轴转角解得最大活塞速度时的即最大活塞速度 ⎪⎭⎫⎝⎛+=max max max 2sin 2sin αλαωr vsm s rad mm /86.2326.169sin 11725.3163.84sin /37005.31≈⎪⎭⎫⎝⎛︒⨯+︒⋅⨯=π平均活塞速度 s m r mm n r Sn v m /7.1430min/70005.31230230=⋅⋅=⋅==活塞速度曲线如图4所示图4 活塞速度曲线3）活塞加速度 ()αλαωαα2cos cos 2+=⋅==r dtd d dv dt dv j()αλαωα2sin 2sin 2+-=r d dj令0=αd dj，有 ()0cos 41sin cos sin 4sin 2sin 2sin =+=+=+αλαααλααλα，由0sin =α，即︒=0α或︒=180α时，得正、负最大加速度：），得第二＞时（仅当，得当由418.175)41arccos(0cos 41/3.12356)1(,/6.21496)1(22180220λλααλλωλωαα ≈-='=+-≈--=≈+===s m r j s m r j 个负最大加速度，即()αλαωα'+'='2cos cos 2r j()[]2222/4.12418811cos 2cos sm r r -≈⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-'+'=λλωαλαω 活塞加速度曲线如图5所示图5 活塞加速度曲线3.1.3连杆运动规律 1）连杆摆动角由αλβsin sin =，得()αλβsin arcsin =()λβλβ-==arcsin arcsin min max2）连杆摆动角速度 dtd βω=1 αλαλωβαλωβωαλωββαλβ221sin 1cos cos cos cos cos sin sin -===⇒=⋅⇒=dt d dt d 3）连杆摆动角加速度 ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-==αλαλωωε2211sin 1cos dt d dt d ()()232222sin 1sin 1αλαλλω---=3.2 受力分析 3.2.1 活塞气体力活塞气体力 ()h g g F p p P ⋅-=010 N其中：g p 缸内气体压力 bar (1bar=5101⨯pa)；0p 大气压力 一般取0p =1bar ；04.65104911042222≈⨯⋅=⨯=--ππD F h cm 2活塞气体力曲线如图6所示图6 活塞气体力曲线3.2.2 往复惯性力往复运动质量 '''3.0m m m j ⋅+=，连杆质量—活塞组质量，—m m ''' 563.046.03.0425.0=⨯+= kg 往复惯性力 ()2cos cos2j j P m r ωαλα=-⋅⋅+⋅ 往复惯性力曲线如图7所示图7 往复惯性力曲线3.2.3 活塞侧压力及连杆力气体压力与往复惯性力作用在气缸中心线上，将往复惯性力用单位活塞面积的力计量，则合成的单位活塞面积的力为：()αλαω2cos cos 2+-=+=hj g j g F r m p p p pk t p p l n 、、、对曲轴连杆机构的作用如右图所示。
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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曲柄连杆机构受力分析
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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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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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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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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
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
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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：
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
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。
第二章_曲柄连杆机构受力分析(冲突_WIN-20160317ZJK_2013-05-1322-46-38)
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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)
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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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第一节 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
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
• 偏心率： e / r
l
r
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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。
曲柄连杆机构的运动与受力_汽车发动机构造及原理_[共3页]
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第3章 曲柄连杆机构 43
第一节 曲柄连杆机构的运动与受力
一、曲柄连杆机构的运动
以中心曲柄连杆机构（曲轴中心线位于气缸中心线上的曲柄连杆机构，如图3-3所示）为例，设中心曲柄半径为R ，连杆长度为L ，根据力学推导，活塞的位移x 、速度v 、加速度a 随曲轴转角α的变化关系为
22(1sin cos )2(sin sin 2)2
(cos cos 2)x R v R a R λααλωααωαλα=+
−=+=+
式中：λ——连杆比，λ＝R/L ，一般在1/3～1/4；
ω——曲轴角速度，匀速运动时，它等于30
πn ； n ——曲轴转速，rpm 。
如图3-4所示为活塞位移、速度和加速度曲线。
图3-3 中心曲柄连杆机构简图 图3-4 活塞位移、速度和加速度曲线 曲柄连杆机构的运动特点如下。
（1）曲轴虽然做匀速运动，但活塞的速度却是不均匀的，它在上、下止点处速度等于零，
在α=90°稍前处和α=270°稍后处达到最大值。
即活塞从上止点向下止点运动和从下止点向上止点运动的约前半个行程是加速，后半个行程是减速。
（2）由于活塞运动速度的变化，导致其加速度的变化，在速度为零处的加速度最大，而速度最大处的加速度等于零。
加速度的变化，导致了惯性力的产生，使发动机产生冲击、振动和磨损，需要采取相应平衡措施。
二、曲柄连杆机构的工作条件及受力分析
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；此外曲柄连杆机构还受到化。
发动机中曲柄连杆中连杆端的受力
发动机中曲柄连杆中连杆端的受力发动机中曲柄连杆机构是汽车动力系统的核心部分，它负责将活塞的往复运动转化为旋转运动，进而驱动曲轴转动。
在这样一个精密复杂的系统中，每个部件都承担着至关重要的角色。
今天，我们就来聊聊这个系统中一个非常关键的部分——连杆端部的受力情况。
首先得明确一点，连杆端部的受力可不是随便说说的，它直接关系到整个曲柄连杆机构的正常工作。
想象一下，当你驾驶一辆汽车时，你感受到的是车轮与地面的接触力，以及由此产生的向前的动力。
而在这个连杆端部，我们感受到的就是这种动力传递到曲轴上的“力量”。
让我们从连杆的结构说起。
连杆就像是连接曲柄和活塞的桥梁，它不仅需要承受来自活塞侧的压力，还要确保曲柄能够平稳地转动。
在这个过程中，连杆会经历拉伸、压缩、扭转等多种力学状态，这些状态的变化直接影响到连杆的受力情况。
以活塞为例，当活塞下行时，它会施加一个向下的压力给连杆。
这个压力的大小取决于活塞的速度、活塞与连杆的间隙以及活塞的质量。
想象一下，如果活塞下行的压力过大，连杆就会承受过大的拉力；反之，如果压力过小，连杆就可能会因为没有足够的力量而无法正常转动。
除了活塞的直接作用外，连杆还受到其他因素的影响。
比如，当曲柄转动时，它会通过连杆与活塞相连的部分产生一个向外的力矩。
这个力矩的大小取决于曲柄的设计、转速以及连杆的刚度。
这个力矩的方向与活塞下行时的拉力方向相反，但它们共同作用于连杆，使得连杆能够在曲柄的带动下平稳地转动。
在这个过程中，连杆还可能受到来自其他部件的作用力。
比如，连杆轴承会受到来自曲柄和连杆自身重量的垂直载荷，以及来自润滑油膜的剪切力。
这些力的大小和方向都会对连杆的受力产生影响。
那么，这些力的合力是如何分布的呢？我们可以借助一些简单的力学原理来分析这个问题。
假设连杆是一个均匀的棒状结构，那么它的受力可以分为三个主要部分：拉伸力、压缩力和扭转力。
这三个力的大小和方向都是相互关联的，它们共同决定了连杆在各个方向上的受力情况。
活动二 曲柄连杆机构在发动机运行过程中的受力分析
二、是非题
1．凡是处于平衡状态的物体，相对于地球来说都是静止不动的。
（）
2．二力杆不一定是直杆。
（）
3．用平行四边形法求得的合力一定大于分力。
（）
4．柔性约束产生的约束反力只能是拉力。
（）
5．平面汇交力系平衡的几何条件是力系中各个力多边形自行封闭。 （） 6．力既可成对出现，也可单独出现，但其不能脱离物体产生或存在。 （） 7．作用力和反作用力的大小相等、方向相反，并且位于同一直线，因此它们是 一对平衡力。 （） 8．用平行四边形法求得的合力一定大于其分力。 （） 9．固定铰链约束和活动铰链约束产生的约束反力，方向大致相同。 （） 10．所谓光滑面约束，就是光滑的平面对物体产生的约束。 （）
活动二 曲柄连杆机构在发动机运行过程中的受力分析
曲柄连杆机构工作时受到的作用力有 气体作用力、运动构件质量的惯性力、相 对运动件接触表面间的摩擦力以及外界阻 力等，一般在受力分析时忽略摩擦力，主 要讨论气体作用力和惯性力。
1、认识曲柄连杆机构的组成部分 2、明确平面汇交力系中各力的作用线特征 3、能例举和分析汽车构件受平面汇交力系作用 的实例
F
Fx2 Fy2 (大小）
tan
F2（方向） Fy
三、合力投影定理 合力投影定理建立了合力投影与分力投影之间 的关系。如图4-2-8表示的平面汇交力系 F1、F2、F3、F4组成的力多边形，F为合力。将 力多边形中各力投影到x轴上，由图可见
Od=Oa+ab-bc-cd 显然上式左端Od为合力F的投影，右端为四个 投影的代数和，令Fx和Fx1、Fx2、Fx3、Fx4分 图4－25 别表示合力及各分力在x轴上的投影，则
力在坐标轴上的投影是代数量，投影的指向与坐标
汽车技术构造教程——曲柄连杆机构中的作用力、力矩及平衡机构
曲柄连杆机构中的作用力、力矩及平衡机构内容提要功用：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。
工作条件：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。
可见，曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。
组成：曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。
一、.曲柄连杆机构中的作用力及力矩作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动质量惯性力。
气体力作用于活塞顶上，在活塞的四个行程中始终存在，但只有作功行程中的气体力是发动机对外作功的原动力。
气体力通过连杆、曲柄销传到主轴承。
气体力同时也作用于气缸盖上，并通过气缸盖螺栓传给机体。
作用于活塞上和气缸盖上的气体力大小相等、方向相反，在机体中相互抵消而不传至机体外的支承上，但使机体受到拉伸。
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。
二、平衡机构现代轿车特别重视乘坐的舒适性和噪声水平，为此必须将引起汽车振动和噪声的发动机不平衡力及不平衡力矩减小到最低限度。
在曲轴的曲柄臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力及其力矩，而往复惯性力及其力矩的平衡则需采用专门的平衡机构。
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上面两式是平面汇交力系平衡方程。
平面汇交力系的平衡方程有两个独立式子，用它可求解 未知量不多于两个的平面汇交力系的平衡问题。
项目四 平面汇交力系作用下汽车构件受力分析活动
学生姓名
日期
自评
互 师评 评
1、你理解了力的概念了吗？
2、你掌握了力的三要素吗？
3、你学会了受力分析与画受力图了吗？
4、你学会了平面汇交力系分析了吗？
Fx=Fx1+Fx2+Fx3+Fx4 上式可推广到任意多个力的情况，即
Fx=Fx1+Fx2+ FXn=∑P
由此得到合力投影定理：合力在任一轴上的投影，等于各 分力在同一轴上投影的代数和。 进一步还可求出合力F的大小与方向 。
四、平面汇交力系平衡的几何条件 由于平面汇交力系可用其合力来替代，因此，平面汇交 力系平衡的充分与必要的条件是：该力系的合力等于零。 用矢量等式表示为
F=F1+F2+F3+F4
由图4-2-6可知，FR1，、FR2亦可省略，故求合力F，只需将各力F，F1、 F2、F3、F4首尾相接，形成一条折线，最后连其封闭边，从共同的始端0指 向F4的末端所形成的矢量即为合力F。此法称为力的多边形法则。力多边 形法则的封闭边即为力系的合力。
由此得如下结论：平面汇交力系的合力等于力系各力的矢量和，合力
二、是非题
1．凡是处于平衡状态的物体，相对于地球来说都是静止不动的。
（）
2．二力杆不一定是直杆。
（）
3．用平行四边形法求得的合力一定大于分力。
（）
4．柔性约束产生的约束反力只能是拉力。
（）
5．平面汇交力系平衡的几何条件是力系中各个力多边形自行封闭。 （） 6．力既可成对出现，也可单独出现，但其不能脱离物体产生或存在。 （） 7．作用力和反作用力的大小相等、方向相反，并且位于同一直线，因此它们是 一对平衡力。 （） 8．用平行四边形法求得的合力一定大于其分力。 （） 9．固定铰链约束和活动铰链约束产生的约束反力，方向大致相同。 （） 10．所谓光滑面约束，就是光滑的平面对物体产生的约束。 （）
2．任意个共点力的合成 力的三角形法只解决两个共点力的合成问题，当有更 多的共点力的合成，我们就用任意个汇交力（共点力） 的合成的方法——力的多边形法。 在一些实际问题中，汇交于一点的力往往不是两个， 而是多个，现讨论汇交于一点的多个力的合成问题。
设在刚体平面上有一汇交力系F1、F2、F3、F4作用并汇 交于0点(如图4-2-6)，其合力F可以连续使用上述力三角形合 成法则来求得，即先求F1与F2合力FR1，再将FR1与F3合成 为FR2，最后求出FR2与F4的合力F。可用矢量表示为： 图4-2-6图力多边形法则示意图
____________，位于同一____________，分别作用在____________ 上。
5.约束反力的方向总是和该约束____________运动趋势方向 ____________，而约束反力的大小则可通过____________计算得到。
6.常用的约束类型有____________、____________、____________、 ____________和____________五种。
一、认识发动机曲柄连杆机构 如图4-2-1所示发动机的基本组成，
其中曲柄连杆机构由气缸体、缸套、活 塞、连杆和曲轴等组成。
二、分析气体作用力 如图4-2-2所示气体压力作用情况示意图。
三、分析惯性力与离心力
如图4-2-3所示惯性力与离心力作用情况示意图。 作往复运动的物体，当运动速度变化时，要产生往复惯性 力。物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力。这两种 力在曲柄连杆机构的运动中都是存在的。
7.平面汇交力系平衡的充要条件是力系的____________等于 ____________。
8.刚体在平面汇交力系作用下处于平衡的几何条件是____________自行封 闭。
9.如果刚体受到___________的三个力作用而平衡时，则此三力的 ___________必汇交于一点。
10.确定约束反力的大小、方向取决于___________和_____________。
的作用线通过力系的汇交点。设平面汇交力系为F1、F2、…、Fn，以F代 表它们的合力，则可用矢量式表示为
F=Fl+F2+…+ Fn =∑Fi 由力多边形法则求合力F时，只要将各分力首尾相接，连成折线，则 起点到终点的连线便是合力。合力大小和方向与各力相加次序无关。
二、力在直角坐标轴上的投影
如图4-2-7所示，设在直角平面坐标系Oxy内，有一已知力 F，从力F的始点A和端点B分别作垂直于x轴和y轴的垂线垂足a、 b和a’、b’，从而在每一坐标轴上得一线段，x轴上得ab，y轴 上得a’b’，线段ab和a’b’就是力F在x轴和y轴上的投影，通常用 符号Fx表示力F在x轴上的投影，用符号Fy表示力F在y轴上的 投影。
5、你能写出平面任意力系解析法解题步骤吗？
6、请对静力学基础知识进行梳理。
7、在活动中注意了卫生和安全了吗？
8、在学习活动中有团结协作吗
学习体会：
1活动中感觉哪个技能最有兴趣？为什么？ 2活动中哪个技能最有用？为什么？ 3活动中哪个技能操作可以改进？使操作更方便实用，请写出操作过程。（请同学们大胆创新，共同研讨，不断提 高操作能力）
F
Fx2 Fy2 (大小）
tan
F2（方向） Fy
三、合力投影定理 合力投影定理建立了合力投影与分力投影之间 的关系。如图4-2-8表示的平面汇交力系 F1、F2、F3、F4组成的力多边形，F为合力。将 力多边形中各力投影到x轴上，由图可见
Od=Oa+ab-bc-cd 显然上式左端Od为合力F的投影，右端为四个 投影的代数和，令Fx和Fx1、Fx2、Fx3、Fx4分 图4－25 别表示合力及各分力在x轴上的投影，则
力在坐标轴上的投影是代数量，投影的指向与坐标
轴的正向一致为正，反之为负。设F与x轴上的夹角为α，
图4－23可以得出： Fx F cos
Fy Fsin
图4-2-7（a）可以得出Fx NhomakorabeaF cos
Fy Fsin
若已知力F在x、y的投影时，则F的大小和方向可由下式求得
活动二 曲柄连杆机构在发动机运行过程中的受力分析
曲柄连杆机构工作时受到的作用力有 气体作用力、运动构件质量的惯性力、相 对运动件接触表面间的摩擦力以及外界阻 力等，一般在受力分析时忽略摩擦力，主 要讨论气体作用力和惯性力。
1、认识曲柄连杆机构的组成部分 2、明确平面汇交力系中各力的作用线特征 3、能例举和分析汽车构件受平面汇交力系作用 的实例
n
Fi 0
i 1
由几何作图可看出：在平衡的情况下多边形中最后一个力 的终点与第一个力的起点正好相重合，构成一个自行封闭的力 多边形
五、平面汇交力系平衡的解析法
平面汇交力系平衡的充要条件是合力为零，即
FR ( Fx )2 ( Fy )2 0
于是可得
∑Fx=0 ∑Fy=0
F=F1+F2
为简便，作图时可直接将F。平移连在F：的末端，通 过△ACD即可求得合力F，如图4-2-5所示。此法称为求 二汇交力合成的三角形法则。按一定比例作图，可直接求 得合力的近似值；也可以由正弦定理、余弦定理计算合力 的大小
力F1和F2的合力F的大小和方向随着F1和F2之间的夹角 而变化.当夹角等于0°时，力F1和F2在同一直线上且方向相同， F=F1+F2，合力的大小等于两个力的大小之和，合力的方向跟 两个力的方向相同.当夹角等于180°时，力F1和F2在同一直线 上但方向相反，F=F1-F2，合力的大小等于两个力的大小之差， 合力的方向跟两个力中较大的方向。
4你还有哪些要求与设想？
一、填空填
1.力的三要素是指力的____________，________________和 ____________。
2.在国际单位制中以____________作为力的单位，记作____________。 3.所谓二力杆，是指只受到两个力而保持____________的杆件。 4.作用力和反作用力总是____________出现的，而且它们____________、
在静力学中，我们主要研究物体在力系作用 下的平衡问题。力系有各种类型，在本教材中我 们只研究平面力系。平面汇交力系是指各力的作 用线在同一平面内且汇交于一点的力系。
一、平面汇交力系合成 1．汇交二力合成的三角形法则 由平行四边形公理可知，作用在物体上同一点A的两个力 F1、F2可以合成，合力F也作用在该点，它的大小和方向是 以此两力为邻边所作的平行四边形的对角线(图4－20)表示， 其矢量式为
三、画出图示中球的受力图
四、画出图示中AB杆的受力图
五、简答题： 1、什么是物体的平衡状态？ 2、什么是力系？什么是平衡力系？ 3、能不能说合力一定大于分力？为什么？试举例说明？ 4、画受力图的一般步骤是怎样的？ 5、平面汇交力系平衡条件是什么？