汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析
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
第一章_曲柄连杆机构的运动与受力分析
此惯性力作用于活塞销上，并通过活塞销作用于连杆，进而 传递到曲轴、机体mhx j （1-26）
此惯性力作用于连杆小头上，并通过连杆作用于曲轴，再传 到机体。 在进行曲柄连杆机构总体受力分析时（对机体、被曲轴驱动 的轴系…），考虑整个活塞组件的往复惯性力：
1.2.1 气体作用力 作用于活塞顶上的气体作用力： Pg ( pg p0 ) Fh （式中，Fh是活塞投影面积）
pg p0 时， Pg 是正值，其作用方向是活塞下行方向。 2 以 F cm 与 为单位，则： p0 以bar为单位， h 若 pg
当
Pg 10 pg p0 Fh
dv d sin d cos d j r cos sin 2 dt dt cos dt cos dt
将式（1-6）代入上式，得：
2 cos cos 2 j r 2 cos cos
e arcsin
d cos 角速度： l dt cos cos 1 （1-13） 2 2 2 1 sin
角速度极值： le
d dt
sin d sin d l l cos 角加速度： cos 2 dt cos dt
dx d 1 d v r sin sin dt dt dt d cos d 将式（1-3）对时间求导，得： （1-6） dt cos dt d 代入上式，且记曲轴角速度：
活塞速度： 可得： v r
（1-10）（精确式）
将式（1-8）对时间求导，得：
j r 2 cos cos2
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
发动机曲柄连杆机构运动及动力特性分析与仿真
第 一种情 况 ： 当
时，活 塞加速 度在 曲
４
轴转 动 一 圈的范 围 内有两 个 极值 ： 在 ， ０ 处 ， ＝ 。 即上 止 点处 ， 塞加速 度 极大 值为 ： 活
作 者简 介 ：李鹏 （９ ６ ）男 ，在 读硕 士 ，主要 研 究方 向 为内燃 机动 态 设计 。 １８ －
（ ５ ）
结 合（） 分析 ：速度 １对 曲轴 转角 作一 次 ４式 ，
Ｖａ≈＋ ｃ ／＋ ２，其所在位置 （ 表 示 ， ｘ Ｒｏ １ ２ ｘ ｖ） ｍ
图 １ 曲柄 连 杆 机 构 简 图
、 ．
ｘ ＝ ａ ｃｃｏｓ— ｒ
／＋—２ — ８ —１ １ ２
—
发 动机 曲柄连 杆 机 构 由活塞 组 、连 杆 组和 曲 轴 组三 大 部分 组成 。 １ 图 是正 置式 曲柄 连杆 机构 运
机 电技术
２１ 年 ６ ０１ 月
ａ ＝Ｒ ｏ（＋２ ｃ １ ）
Байду номын сангаас
（） ６
，
一
（ ） ＋
（） ８
在 ，＝１０ 处 ，即下 止 点处 ，活塞 加速度 极 小值 ８。
１ 连杆 运 动学分 析 ． ２
为：ａ， Ｒ ｏ （一 ＝一 ｃ １ ）
１
（） ７
＝ ・ Ｄ （） ９
速度 近似 式代 入 ，可 得 曲柄连 杆机 构 的往 复惯 性
力为：
＝ ｍ， ｃ （ Ｓ￣ ｃｓ ａ － Ｒ ｏ Ｃ Ｏ＋２ ｏ ２ ） Ｏ
一
４
结合 （） 分析 ：活 塞加 速度 极值 的大 小及 位 ５式 置有 两 种情 况 ：
１
动和动力分析简图，其 中活塞组和连杆小端沿气 缸 中心 线 做往 复 直线 运 动 ， 曲轴组 和连 杆 大端 作 回转运 动 。运 动 过程 中 ，各 部 件 的速度 和 加速 度
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。
曲柄连杆机构运动及动力特性分析
λ = 0.32 时，近似式算出的 j90 和 j270 比准确值小
0.0178 rω 2 ，相对误差约为 5.3％。对于 λ < 0.32 时 的机构，计算误差更小。 则 记活塞加速度出现极值时的曲轴转角为 α je ， 按式（12）应有
dj α je = sin α je (1 + 4λ cos α je ) = 0 dα
& = λω cos α (1 + λ2 sin 2 α ) β
& 当 α = 0 ,180 时， β max = ± λω
&& = −λ (1 − λ2 )ω 2 β sin α cos 3 β
0 0
1 2
根据达伦伯原理，上述各力应与曲柄连杆机构 的质量惯性力 Pj 和旋转惯性力 Pr 构成平衡力系，既 然 Pg 、 Pj 、 Pr 、N 在同一气缸中心平面，故 K 和 T 也处于同一平面上。为了便于从这些力的平衡关系 解出未知力 K ′ 、 N ′ 、 T ′ 、 M ′ ，可以先利用力的 分解与平移定理将此力系中的 Pg 、 Pj 二力予以转 化。如图 2， Pg 和 Pj 合在一起可以用一个沿连杆中 心线作用的力 S（简称连杆力）和一个垂直于气缸 中心线的侧推力 N 来代替。其中
上止点 N s=2r x
1 因 cos α < 1 ，故第三个加速度值只在 λ > 4 时 才出现。
1.2 连杆的运动分析 连杆的运动是随活塞平移和绕活塞销摆动两种 运动的复合。连杆随活塞平移的速度和加速度就是 活塞的速度和加速度。连杆绕活塞销摆动的角位移 β ，从连杆与气缸中心线重合时算起。在 α = 0°～
1 3 a0 = 1 + λ + λ 3 + LL 4 64 a1 = −1
第三章曲柄机构受力分析
第三章曲柄机构受力分析3.1曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构的任务是将活塞的往复运动转化为曲柄的旋转运动，在往复活塞式汽车发动机中基本上采用两种曲柄连杆机构；中心曲柄连杆机构；偏心曲柄连杆机构。
（l）、中心曲柄连杆机构：其气缸轴线通过曲轴轴线。
这种机构的运动特性完确定，其中r为曲柄半径，L为连杆长度（连杆大小头孔中心间距全由连杆比λ=rι离）（2）、偏心曲柄连杆机构：其气缸轴线偏离曲柄轴线。
这种机构的特性参数除连杆比λ，还有偏心率ξ=℮，其中ℯ为气缸轴线相对曲轴轴γ线的偏移量。
下面讨论应用最广泛的中心曲柄连杆结构的运动学。
3.1.1中心曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构在汽车发动机中应用最广泛。
机构简图如图3一1所示。
它在运动时，活塞A作往复直线运动，曲柄OB作旋转运动，连杆AB作平面复合运动。
研究曲柄连杆机构图运动学的重点是研究活塞的运动规律，因为曲柄的运动状态比较简单，连杆的运动虽然较复杂，但可把它看成一部分随活塞A运动，另一部分随连杆轴径B运动，其运动所引起的其他后果对我们所研究的问题影响较小。
图3一2中，O点表示曲轴中心，A点表示活塞销中心位置、也就是活塞的位置，OB表示曲柄半径:，AB表示连杆长度l。
曲柄转角α是从气缸轴线顺着曲柄转动方向度量。
当α二0º时，对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在上止点位置；当α﹦180º时，对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在下止点位置。
β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度，称为连杆摆动角，逆时针为正、顺时针为负。
下面分别研究曲柄、活塞和连杆的运动规律：1、曲柄运动通常近似地认为汽车发动机中曲柄是作匀谏转动，其转角α=360π60t=6nt度。
式中t表示时间，n表示汽车发动机转速（转/分）。
角速度ω=dαdt =πn30弧度/秒≈常数。
因为认为曲柄是作匀速转动，所以ω一个参数确定了曲轴的运动状态。
2、活塞位移从图3一2可知，活塞位移：Χ=ΑΑ=ΑΟ−ΑΟ=ΑΟ−ΑC−CO=r+L−r cosα−L cosβ=r1+1λ−cosα+1λcosβ由上式知，位移x与r有关，不同型号的汽车发动机r是不一样的，为了便于比较分析不同大小汽车发动机活塞位移变化规律，常引用无量纲位移（又称位移系数）χ=χr，即用χ与r的相对值表示变化规律。
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)
汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析
汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析摘要：本文对汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性进行分析，创建D6114B发动机的仿真动力学模型，利用ANSYS有限元分析软件软件得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据，分别对活塞、曲轴、连杆的受力进行分析，研究进油口、润滑油槽位置布置，为发动机机械构造设计提供参考。
关键字：发动机；曲柄连杆机构；动力学曲柄连杆机构的动力学特性对于汽车发动机的可靠性、振动效果、噪声等有很大关联，利用机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）创建D6114B发动机的仿真动力学模型，分析发动机曲柄连杆机构的曲轴、连杆的模态数据，对准确的掌握D6114B发动机曲柄连杆机构的零部件动力学特性具有一定的参考价值。
1. 汽车发动机曲柄连杆机构动力学模型汽车发动机曲柄连杆机构是由缸体、曲轴、连杆、飞轮活塞，构成。
上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构如图1所示图1上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构图缸体与曲轴连接铰链中有一条为转动铰链，其余为圆柱铰链，飞轮与曲轴固定，连接杆与曲轴之间的连接采用转动铰链，其大头一端连接曲轴，小头一端连接活塞，活塞与缸体之间采用圆柱铰链连接。
利用以上模型的各个部件的几何位置参数和质量参数建立CAD数据模型，传入给机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）进行分析和计算，活塞1-8作用在各缸体气压力学特性输入ANSYS如图1所示：图1 发动机各缸气体压力特性得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据结果如表1所示模态阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10频率124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1841.1 947.2模态阶数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20频率1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 17451862.5 2394.92. 曲柄连杆机构动力学分析当对活塞逐级施加压力0-12/104pa，对应曲轴转速2200r/min，活塞运动其对气缸的侧推力在-7804~6960N之间周期性变化，侧推力对汽缸壁的磨损影响很大。
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
汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析
目录摘要 (I)Abstract ......................................................... I V 1. 绪论.. (1)1.1国内外发动机试验技术的发展趋势及现状 (1)1.2研究目的和意义 (4)1.3研究的主要内容 (4)2.发动机热试台简介 (5)2.1发动机热试台的原理及目的 (5)2.2发动机热试台的组成及功能 (5)2.3简易热磨合试验台架简介 (7)3.发动机简易热磨合台架方案设计 (8)3.1台架试验小车的方案设计 (8)3.1.1小车钢架体 (9)3.1.2台架减震装置 (9)3.1.3发动机支架安装T型导轨 (10)3.1.4发动机定位支撑机构 (11)3.1.5管路快换机构 (12)3.1.6辅助装置的设计 (13)3.2台架各连接系统布置方案设计 (14)3.2.1台架油路布置方案 (14)3.2.2台架电路布置方案 (15)3.2.3台架水路布置方案 (17)3.2.4台架尾气处理噪音处理方案 (18)3.3台架兼容性以及应用研究 (19)3.3.1兼容性 (19)3.3.2应用研究 (20)3.4台架图纸及三维模型 (21)4.简易热磨合台架热试工艺及发动机故障检测 (22)4.1简易热磨合台架热试工艺 (22)4.2发动机基本故障检测 (27)5.总结及建议 (30)参考文献 (32)致谢 (33)摘要发动机热磨合台架试验是在发动机装配完成后对发动机一些基本性能、可靠性、质量问题等检测的一道重要工序。
为了对长安发动机装配完成后的质量问题进行快速地分析、判断，论文在长安公司现有的热磨合试验台架的基础上，进行改进和优化，设计出能够在发动机装机后在不需要拆卸任何外围零部件的情况下，借助台架起动发动机模拟实车工况运行，能够快速分析、判定故障且具有兼容性的简易热磨合试验台架。
本文结合相关文献资料，阐述了长安发动机热磨合试验台的功能及结构，对比分析了长安公司现有的H和EA系列汽油发动机热试磨合试验台架，给出了具有兼容性的简易热磨合试验台架的结构方案和图纸。
曲柄连杆机构分析
43
（3）活塞的变形及采取的相应措施 a、变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。
44
b、变形规律 （1）活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量， 使配缸间隙变小。因活塞温度高于气缸壁， 且铝合金的膨胀系数大于铸铁； （2）活塞自上而下膨胀量由大而小。因温 度上高下低，壁厚上厚下薄； （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。
33
3、气缸垫 1）.作用：保证缸体与缸盖间的密封，防止漏水、漏气、窜油 。 2）.材料：有弹性、耐热性、耐压性 3）.安装时注意方向
4）. 构造 （1） 金属—石棉垫：（见a、b） 外包铜皮和钢片，且在缸口、水 孔、油道口周围卷边加强，内填 石棉（常掺入铜屑或钢丝，以坚 强导热）。 （2） 金属骨架—石棉垫：以编 织的钢丝网（图c）或有孔钢板 （图e）为骨架，外覆石棉，只 在缸口、水孔、油道口处用金属 片包边。 （3） 纯金属垫：（见图e）由 单层或多层金属片（铜、铝或低 碳钢）制成，用于某些强化发动 机。 （4） 安装注意：金属皮的金 属—石棉垫，缸口金属卷边一面 应朝向易修整接触面或硬平面。 因卷边一面会对与其接触的平面 造成压痕变形。
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4、油底壳 1).功用：贮存和冷却机油并封闭曲轴箱。 2).构造：（1）用薄钢板冲压而成。 (2)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。 (3)最低处有放油塞(磁性) (4) 曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫。
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2.2
活塞连杆组
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1 活塞
1）功用： (1)与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室； (2)承力传力：承受气体压力，并将此力传给连杆，以推动曲 轴旋转。 2）工作环境： 高温、散热条件差；顶部工作温度高达600-700K，且分 布不均匀；高速，线速度达到10m/s，承受很大的惯性力。活 塞顶部承受最高可达3-5MPa（汽油机）的压力，使之变形， 破坏配合联结。 3）材料： 铝合金：质量小 （约为铸铁活塞的50%～70%）； 导热性好（约为铸铁的三倍）；3. 热膨胀系数大。 灰铸铁
汽车发动机的曲柄连杆机构
汽车发动机的曲柄连杆机构【概述】曲柄连杆机构是汽车发动机实现工作循环，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，曲柄连杆机构在做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。
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，即机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。
机体组机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种载荷。
因此，机体必须要有足够的强度和刚度。
发动机的机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。
气缸体气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，并由它来保持发动机各运动部件相互之间的准确位置关系。
气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。
在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和润滑油道等。
一、气缸体的工作条件、要求及材料（1）应具有足够的强度和刚度、耐磨损和耐腐蚀、适当冷却•发动机中最大的零件•承受拉、压、弯、扭等机械负荷•承受高温燃气很大的热负荷•发动机大部分零件安装在机体上（2）力求结构紧凑、质量轻•尽量减小整机的重量（发动机最大的零件）•加强肋（减小质量、保证刚度与强度）（3）机体材料•一般高强度灰铸铁或球墨铸铁、合金铸铁•为了减轻质量、加强散热采用铝合金二、气缸体的分类（一）按结构形式根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体分为一般式、龙门式和隧道式三种形式。
曲柄连杆机构的动力分析
图 中，
￡ —— 连杆长度 ， 指连杆大 、 小头孔 中心 的距离 ；
Ｒ —曲柄半径 ， 曲柄 中心与曲轴旋转 中心的距离 ； — 指 曲轴转 角， 曲轴偏离中心线 的角度 ； 指 连杆摆角 ， 指连杆 中心线在其摆动平 面内偏离气缸
中心线 的角度 ， 曲轴转向而向右偏离气 缸中心线 顺
式柴油机采用偏心式曲柄连杆机构可 以稍微降低整机高度 。 活塞在 气体压力的作用下 ， 作往复运 动 ， 通过连杆将 活塞
的往 复运 动转化 为 曲轴 的旋转 运 动 ， ＩＡ Ａ 、 ２分别 为活 塞上止
点和下止点 。在对 连杆机构进行运动学 、 动力学分 析时 ， 通常 近似地认为 曲轴作 匀速旋转运动 ，以此为条件来推导机构 的
Ｅ ｕｐ ｎ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ． ， ０ ０ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｆ ｅｒ ｇＴｅ ｈ ｏ ｏ ｙ Ｎｏ ５ ２ １ ｉ
曲柄连杆 机构 的动 力分析
穆 帅
（ 天津工业大学 机 电学院 ， 天津 ３０ ６ ） ０ １０
摘 要： 曲柄连杆机构是往复式 内燃机的主要工作机构 。动力学仿真结果的 分析 ， 发现曲柄连杆机构偏心距及曲轴质心位置对机构 中 的动 态力有较大影响。笔者在 曲柄连杆机构理论分析 的基础 上， 利用 多体动力 学理论 、 三维造 型软件 Ｐｏ Ｅ对曲柄连杆机构的动力学 ｒ／
曲柄连杆机构是往复式 内燃机 的主要 工作机构 ，是发 动 机实现工作循环 、 完成能量转换的主要运 动零件 。
— —
的口值取正值 ； 曲轴旋转角速度 ， 时针 方向为正。 顺 １２ 偏 心式 曲柄连杆机构 ．
１ 曲柄 连杆 机构 的运 动 分析
曲柄连杆机构在做功 冲程 ，将燃料燃烧 产生 的热 能推动 活塞往 复运 动、 曲轴旋 转运 动 ， 而转变为机 械能 ， 对外 输 出动
发动机曲柄连杆机构动力学分析西安交大理论力学实验报告
理论力学小组作业之动力学：发动机曲柄连杆机构分析小组成员：1.背景分析具体问题：如图所示发动机曲柄连杆机构:求该机构中活塞的运动、各部分的受力以及输出的力矩。
2.建模与分析1.力学模型：2.条件限制：1.不计摩擦；2.不计AB杆重；3.下方转动部分质心在轴O上；4.活塞A受缸内恒定的气体压力F；5.活塞A质量m1,转动部分OB质量m2。
3.运动分析：对活塞A ：cos cos A A x y R L αβ==⋅+⋅ 令R Lλ=，由正弦定理，sin sin R L βα=得cos β=由泰勒公式展开，得224466111cos 1sin sin sin 2816βλαλαλα=----… 而实际中，13λ<，故舍掉高次项，得()22211cos 1sin 11cos 224βλαλα=-=-- 故()01cos 1cos 24A A x y R λααλ=⎡⎤=+--⎢⎥⎣⎦则 sin sin 22A A dy v R dt λωαα⎡⎤==-+⎢⎥⎣⎦ (发动机转速为n 时，匀角速30n πω=) ()2cos cos 2A A dv a R dtωαλλ==-+2 4.受力分析由于不计AB 质量，故AB 杆为二力杆，受力沿杆方向。
活塞A 收到上方气体的压力F ，器壁的反作用力F N ，杆AB 的弹力F T ，自身重力m 1g ，在器壁内做上下往复平动，再引入惯性力F g ：()211cos cos2g A F m a m R ωαλλ==-+2由平衡条件，有10= F sin 0cos x N T y T g FF m g ββ=⋅=⋅=++∑∑ ； F ； F F F解得 ()()2112cos 2cos 2111cos 24g T F m g m R F ωαλαλα+-+=--转轮上B 处受力沿AB 杆方向，将其分解为切向力和法向力：()()sin cos T T n T T F F F F ταβαβ=⋅+=⋅+其中，切向力T F τ提供转动的力矩，法向力n T F 对转轴O 施加压力。
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。
曲柄连杆机构运动分析
曲柄连杆机构运动分析曲柄连杆机构运动分析四缸发动机曲轴、连杆和活塞的运动是较复杂的机械运动。
曲轴做旋转运动，连杆做平动，活塞是直线往复运动。
在用Pro/Engineer 做曲轴、连杆和活塞的运动分析的步骤如下所示[20]:（1）设置曲轴、连杆和活塞的连接。
为使机构能够按照预定的方式运动，须分别在曲轴与机体之间、连杆与曲轴之间、活塞与连杆之间添加销钉。
在活塞与机体之间添加滑动杆连接。
（2）定义伺服电动机。
利用伺服电动机驱动曲轴转动。
（3）建立运动分析。
（4）干涉检验与视频制作。
（5）获取分析结果。
7.1 活塞及连杆的装配7.1.1 组件装配的分析与思路活塞组件主要包括活塞、活塞销和活塞销卡环，连杆由连杆体和连杆盖两部分组成，将活塞组与连杆组分别组装，工作时用螺栓和螺母将连杆体、连杆盖和曲轴装配在一起，用活塞销将连杆小头和活塞装配在一起[21]。
7.1.2 活塞组件装配步骤1、向组件中添加活塞新建组件文件，运用【添加元件】，将活塞在缺省位置，完成装配。
2、向组件中添加活塞销卡环（1）在“约束类型”中选择“对齐”选项，将卡环中心轴与活塞销孔中心轴对齐；（2）选择“匹配”选项，将卡环外圆曲面与卡环槽曲面相匹配，完成两个活塞销卡环的装配。
3、向组件中添加活塞销（1）选择“对齐”选项，将活塞销中心轴与活塞销座孔的中心轴对齐；（2）选择“匹配”选项，将活塞销端面与卡环端面相匹配，完成活塞销的装配。
装配结果如图7.1所示：图7-1 活塞组装配结果Figure7-1Piston assembly results7.1.3 连杆组件的装配步骤1、向组件中添加连杆体新建组件文件，运用【添加元件】，将连杆体添加在“缺省”位置，完成连杆体的装配。
2、向组件中添加连杆衬套（1）选择“插入”选项，将连杆衬套的外侧圆柱面与连杆小头孔内侧圆柱面以插入的方式相配合。
（2）选择“对齐”选项，将连杆衬套的中心轴和连杆小头孔的中心轴对齐，完成连杆衬套的装配。
本田汽车发动机曲柄连杆机构运动分析
起动系统
组成：由起动机及其附属装置组成。 功能：要使发动机由静止状态过渡到工作状态， 必须先用外力转动发动机的曲轴，使活塞作往复 运动，气缸内的可燃混合气燃烧膨胀作功，推动 活塞向下运动使曲轴旋转。发动机才能自行运转， 工作循环才能自动进行。因此，曲轴在外力作用 下开始转动到发动机开始自动地怠速运转的全过 程，称为发动机的起动。完成起动过程所需的装 置，称为发动机的起动系。
润滑系统 组成：由机油泵、集滤器、限压阀、油道、 机油滤清器等组成。 功能：润滑系的功用是向作相对运动的零 件表面输送定量的清洁润滑油，以实现液 体摩擦，减小摩擦阻力，减轻机件的磨损。 并对零件表面进行清洗和冷却。
冷却系统 组成：水冷式由水套、水泵、散热器、风 扇、节温器等组成。风冷式由风扇和散热 片等组成。 功能：冷却系的功用是将受热零件吸收的 部分热量及时散发出去，保证发动机在最 适宜的温度状态下工作。
进气和排气系统 进气系统：进气管道、空气滤清器、进气 流量传感器、电线插头，歧管压力传感器、 PCM（计算机模块）,涡轮增压器。 排气系统：涡轮增压器、排气歧管、氧传 感器、消音器、催化转化器、排气管、 PCM 排放控制系统
曲柄连杆机构运动简图 一、平面机构运动简图的概念 不考虑那些与运动无关的因素（构件的形状、 具体构造、组成构件的零件数目等），只 说明机构中各构件的相对运动关系的简单 图形，称为机构运动简图。
4）组合表示 一个构件，两个回转副。
一个构件，一个回转副、一个移动副
一个构件，三个转动副
=
一个构件，两个移动副
曲柄连杆机构运动简图
THE END
项目二 汽车动力装置 的拆装与分析
任务一本田汽车发动机 曲柄连杆机构运动分析
步骤：
分析发动机的结构 平面机构运动简图的概念 曲柄连杆机构运动简图
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汽车发动机曲柄连杆机构动力学分析
摘要：本文对汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性进行分析，创建D6114B发动机的仿真动力学模型，利用ANSYS有限元分析软件软件得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据，分别对活塞、曲轴、连杆的受力进行分析，研究进油口、润滑油槽位置布置，为发动机机械构造设计提供参考。
关键字：发动机；曲柄连杆机构；动力学
曲柄连杆机构的动力学特性对于汽车发动机的可靠性、振动效果、噪声等有很大关联，利用机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）创建D6114B发动机的仿真动力学模型，分析发动机曲柄连杆机构的曲轴、连杆的模态数据，对准确的掌握D6114B发动机曲柄连杆机构的零部件动力学特性具有一定的参考价值。
1. 汽车发动机曲柄连杆机构动力学模型
汽车发动机曲柄连杆机构是由缸体、曲轴、连杆、飞轮活塞，构成。
上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构如图1所示
图1上柴D6114B发动机的曲柄连杆机构的动力学模型结构图
缸体与曲轴连接铰链中有一条为转动铰链，其余为圆柱铰链，飞轮与曲轴固定，连接杆与曲轴之间的连接采用转动铰链，其大头一端连接曲轴，小头一端连接活塞，活塞与缸体之间采用圆柱铰链连接。
利用以上模型的各个部件的几何位置参数和质量参数建立CAD数据模型，传入给机械系统动力学有限元分析平台（ANSYS）进行分析和计算，活塞1-8作用在各缸体气压力学特性输入ANSYS如图1所示：
图1 发动机各缸气体压力特性
得出发动机曲柄连杆机构的曲轴模态数据结果如表1所示
模态
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
频率124.8 149.9 335.4 372.1 398.0 490.7 599.2 632.1
841.1 947.2
模态
阶数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
频率1015.3 1264.3 1340.6 1369.2 1413.9 1465 1664 1745
1862.5 2394.9
2. 曲柄连杆机构动力学分析
当对活塞逐级施加压力0-12/104pa，对应曲轴转速2200r/min，活塞运动其对气缸的侧推力在-7804~6960N之间周期性变化，侧推力对汽缸壁的磨损影响很大。
缸活塞队气缸侧推力如图2所示：
图2 缸活塞对气缸的侧推力
由此，利用对侧推力的周期变化频谱进行分析，优化对发动机悬置。
发动机曲轴的载荷能力与曲轴主颈上的进油口、润滑油槽布置情况有关，同时，曲轴主颈的磨损也与曲轴主轴颈的载荷有关。
发动机转动一个周期曲轴主轴颈的载荷受力大小成波峰、波谷间变化，在波峰与波谷的顶点出载荷受力最大。
由此，可以在布置进油口、润滑油槽布时应避开在波峰与波谷点。
发动机的曲柄连杆轴所承受的力在柄稍处于膨胀冲程最高点时达到做大力值，最大受力点在柄稍和连杆轴承相接处的位置。
因此，可以在布置进油口、润滑油槽布时应避开该位置附近。
发动机曲柄连杆机构固定在缸体上，当发动机工作曲柄连杆机构运动过程中，产生的惯性会带动缸体的抖动，而缸体连接的是汽车的车架，通过力的传导车体就会发生抖动，这会使驾驶者感觉到形成的振动颠簸，影响行车的舒适感。
在曲轴转角发生变化时发动机抖动沿着上下、左右、前后成周期性变化，在变化幅度方面上下、左右变化频率大致相同，前后抖动频率较高。
由此，在发动机安装时应根据发动机抖动的刚度合理选择悬置点，进而可以降低其对车架的影响，提高驾驶的舒适性。
发动机工作输出功率呈波峰、波谷变化，当发动机刚开始运转时，发动机曲
柄连杆机构运动逐渐提高发动机转速增加，当达到摩擦峰值时，发动机柄连杆机构运动会逐渐下降，发动机的输出功率向下滑落，当摩擦值小于临界点时，发动机曲柄连杆机构运动又逐渐提高，发动机转速再次增加，形成循环。
由此，发动机摩擦峰值的大小直接影响着对发动机的功率，降低摩擦系数是提高发动机动力的有效方法。
3. 结论
综上所述，汽车发动机的曲柄连杆机构的动力学特性与发动机的功率大小和发动机的性能息息相关，提高发动机的曲柄连杆机构的动力学性能，对于发动机的性能具有非常重要的作用。
4. 参考文献
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[4]李丽婷,李威,刘子强,李全,冯明志.基于有限元分析的柴油机曲轴多体动力学仿真[J].柴油机.2007(03).。