01曲柄连杆机构的运动和受力分析(1)
曲柄连杆机构运动学
（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
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
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
汇报人：PPT
目录
添加目录标题
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
曲柄连杆机构概述 机体组
干、湿式缸套比较
和冷却 水直接 接触 与缸体 配合较 松 壁厚 5～9mm
不直接 和冷却 水接触 与缸体 紧配合
壁厚 1～ 3mm
缸套材料：合金铸铁或合金钢
气缸盖
气缸盖示意图
气缸盖实物
楔形燃烧室
结构简 单紧凑
进气道 较平直 压缩终 了时能 形成 挤气 涡流
盆形燃烧室
结构简 单紧凑 进气道 弯度大 能获得 较好 涡流
油底壳
种类
四、油底壳
功用 种类
储存机油并封闭曲轴箱
一般为薄钢板冲压而成
也有铝合金铸造(带散热片)
中部或后部较深 有时设有挡油板 底部有磁性放油螺塞
要求
放映结束
气缸直列式
结构简单 加工容易 长度较大 高度较大 一般多用 于6缸以 下发动机
气缸V型式
缩短长度 缩短高度 刚度增加 重量减轻 形状复杂 宽度加大 加工困难
3. 气缸盖衬垫
功用 保证缸体与缸盖结合面的密封
金属—石棉气缸垫 常用石棉中间夹杂金 属丝，外包铜皮制成 金属-复合材料衬垫 在钢板的两面粘覆耐 热、耐压和耐腐蚀的新型复合材料，孔周 围用不锈钢皮包边。 全金属气缸垫 单层或多层金属片(低碳钢 或铜)强度高，抗腐蚀能力强，冷却液孔 用橡胶环密封。 使用耐热密封胶取代气缸垫 要求结合面 精度更高
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
6）桶间梯形环：现代高速柴油机广泛使用。 7）开槽环：开槽内储存对润滑油有较强吸附能力 的多孔性氧化铁。有利于润滑、磨合和密封。 8）顶岸环：有利于密封，有利于降低HC排放。
（二）油环 1、作用 1）刮掉缸壁上多余的机油，并且均匀分布缸壁 上的机油。 2）辅助密封。 2、分类（图2-33） 1）普通油环（整体式油环） 2）组合式钢片油环
一、机体
1、工作条件和材料 1）气缸工作条件： 气缸受到高温、高压的冲击；受到腐蚀； 活塞在气缸里作高速运动而受到磨损等。 2）要求：足够的强度、刚度，耐磨损、腐蚀， 结构紧凑，质量轻。 3）材料：高强度灰铸铁 或铝合金。 但是为了降低成本，通常是机体用灰铸铁， 气缸孔用优质合金铸铁，而采用气缸套。
（ 3 ）活塞销座 A、作用：支承活塞销，将活塞顶部气体作用 力经过活塞销传给连杆。 B、活塞销偏移布置（图2-25） 目的：为了减少活塞在上下往复运动时敲击 气缸的噪音与磨损。 （4）裙部的表面处理 汽油机：常用镀锡方法 柴油机：一般是磷化，还有的用涂石墨。
6、活塞在气缸内的安装注意事项 1）按照活塞顶部的指定标记安装（注意喷 油方向、气门方向） 2）同台发动机的活塞质量差不能超过10g， 并与相同尺寸公差的缸盖配合。 3）开纵向槽的活塞面尽量安装在不受侧压 力（主、次推力面）的一面，以免活塞 在运动时划伤气缸壁。
三、活塞销 （一）作用 1、连接活塞与连杆小头。 2、将活塞承受的气体力传给连杆。 （二）材料 多用低碳钢和低碳合金钢。 同时要求其芯部具有一定的韧性。为了减轻质量， 常将其做成空心圆柱形。 （三）内孔形状 1）圆柱形（加工容易，但质量较大） 2）组合形（介于前后两者之间） 3）两段截锥形（质量较小，但加工较难）
第二章 曲柄连杆机构
作用：将燃料燃烧的热能转换为机械能，将活塞 的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将能量 传输出去。 本章主要内容： 1、 曲柄连杆机构的受力及运动分析 2、 机体组 3、 活塞连杆组 4、 曲轴飞轮组
曲柄连杆机构
一、概述
（一）曲柄连杆机构组成
曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组及曲轴飞轮组组成。
（二）曲柄连杆机构的工作条件与受力分析
1.功用：将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。
2.曲柄连杆机构的组成
(1)机体组：由气缸体、气缸套、气缸垫、气缸盖和油底壳等不动件组成。
(2)活塞连杆组：由活塞、活塞环、活塞销和连杆运动件组成。
(3)曲轴飞轮组：由曲轴、飞轮、扭转减震器等组成。
3.受力分析
曲柄连杆机构受的力主要有气压力，往复惯性力，旋转离心力和摩擦力。
(1)气压力F p：气压力的集中力分解为F p1和F p2，F p1称侧压力，它使活塞的一个侧面压向气缸壁，造成该侧磨损严重；F p1经连杆传给曲柄销，分解为F R和
F
S ，F R使曲轴主轴颈处受压，F S为周向产生转矩的力。
(2)往复惯性力F j：活塞在上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下。
在上下止点活塞运动方向改变，速度为零，加速度最大，惯性力也最大；在行程中部附近，活塞运动速度最大，加速度为零，惯性力也等于零。
(3)离心惯性力F c：旋转机件的圆周运动产生离心惯性力，方向背离曲轴中心向外。
离心力加速轴承与周颈的磨损，也引起发动机振动而传到机体外。
(4)摩擦力：指相互运动件之间的摩擦力，它是造成配合表面磨损的根源。
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
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
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
总结曲柄连杆机构知识点
总结曲柄连杆机构知识点一、曲柄连杆机构的结构原理1.曲柄连杆机构的基本结构及工作原理曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞组成，是将旋转运动转换为直线运动的重要机构。
当曲柄进行旋转运动时，连杆受到曲柄的驱动而进行周期性的往复运动，从而带动活塞在缸体内做往复运动。
曲柄连杆机构常用于内燃机中，将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，从而驱动汽缸内的工作介质进行工作。
2.曲柄连杆机构的分类曲柄连杆机构根据曲柄与连杆的相对位置和连接方式可以分为直线型曲柄连杆机构、旋转型曲柄连杆机构、曲柄与连杆垂直的曲柄连杆机构等。
这些不同类型的曲柄连杆机构在结构上有所差异，但其基本工作原理是相似的，都是通过曲柄的旋转运动将活塞做往复运动。
3.曲柄连杆机构的优缺点曲柄连杆机构具有结构简单、运动平稳、传动效率高等优点，适用于很多工程领域。
但是也存在一些缺点，比如体积较大、重量较重、制造成本高等，因此在一些特殊情况下可能不适用。
二、曲柄连杆机构的运动分析1.曲柄连杆机构的运动轨迹分析曲柄连杆机构中曲柄的运动轨迹是一个圆周，而连杆的运动轨迹是一个椭圆。
在曲柄连杆机构中，连杆在曲柄的带动下进行往复运动，其运动轨迹是连杆机构设计中需要重点考虑的问题之一。
2.曲柄连杆机构的速度和加速度分析曲柄连杆机构中的速度和加速度分析是设计和计算的重要内容。
通过对曲柄连杆机构的速度和加速度进行分析，可以确定连杆的运动规律，为机构的设计和优化提供依据。
3.曲柄连杆机构的动力分析曲柄连杆机构的动力分析是指针对机构的动力传递和能量转换进行的分析。
通过对曲柄连杆机构的动力分析，可以确定机构的工作性能和能量损失情况，为机构的优化设计提供技术支持。
三、曲柄连杆机构的设计计算1.曲柄连杆机构设计的基本原则曲柄连杆机构的设计需要遵循一定的原则，包括结构合理、运动平稳、传动效率高等。
在设计曲柄连杆机构时，需要充分考虑这些原则，确保机构能够满足工程需求。
2.曲柄连杆机构设计的计算方法曲柄连杆机构的设计计算方法主要包括曲柄长度的设计、连杆长度的设计、活塞行程的设计等。
第二章曲柄连杆机构机械原理
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：
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]
![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]](https://img.taocdn.com/s3/m/0e5460c5a216147916112844.png)
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。
曲柄连杆机构受力分析.ppt
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)
2019/4/24
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
2019/4/24
(Tmax Tmin ) / Tm
式中，Tmax、Tmin 和 Tm分别为内燃机总转矩曲线 的最大、最小和平均值。μ值的大致范围列 在表2－1中
2019/4/24
内燃机设计
33
表2－1 不同缸数四冲程内燃机的转矩不 均匀度μ和盈亏功系数ζ
缸数
转矩不均匀度μ 盈亏功系数ζ
1
10～20
1.1~1.3
E
2 1
(T
T
m)d
I0 2
(
2 max
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。
在中、高速内燃机中，转速波动不大，因而平 均角速度：
m
2
1
1
2 d max min
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
2019/4/24
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
惯性力
气缸工作容积
主 连
气门正时、喷油正时、 杆
点火正时
发动机平衡性不好
主
副
连
连
杆
杆
副
连
杆
曲柄连杆机构运动学
－曲柄连杆机构类型（6）
汽车发动机上
活塞销副偏置
0.5~2%D
V型机
并列连杆 错颈曲拐（发火
均匀）
曲柄连杆机构运动学
－正置曲柄连杆机构的活塞运动规律（1）
Frq
mqb
mqx
mqb
r ρqb
mqd
曲柄连杆机构中的力和力矩 —单个曲拐旋转惯性力（2）
Frq = mqdrω 2
mqd = mqx + 2mqb ρqb / r
mqd : 曲拐当量质量 mqx ：曲柄销质量 mqb ：曲柄臂质量 ρqb ：曲柄臂质心旋转半径
曲柄臂上有平衡重时
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
－正置曲柄连杆机构的活塞运动规律（6）
x=xI+xII
x
xI=r(1-cosφ)
xII=rλ(1-cos2φ)
0
90
180 270 360 φ(º)
曲柄连杆机构运动学
－正置曲柄连杆机构的活塞运动规律（7）
v
v=vI+vII vI=rωsinφ vII=rωλsin2φ
0
90
180
270
360 φ(º)
发动机动力学 发动机总体设计
主要零部件设计
教学方式和考核要求
教学方式
讲课与实践观察 讲课与作业 讲课与设计项目
考核要求
作业 课程设计项目 期终考试
20％ 20％ 60％
教材和教学参考书
陆际清，汽车发动机动力学（校内讲义）. 2003年9月 陆际清，汽车发动机设计（第二册）. 北京：清华大学出版社.
位移
上止点
r+l S=2r
x
从上止点算起
x = r + l − r cosϕ − l cos β
β
=
r ⎢⎣⎡(1
−
cosϕ
)
+
l r
(1
−
cos
β
)⎥⎦⎤
下止点
l
r : 曲柄半径 l : 连杆大小头中心距 φ: 曲拐转角 β：连杆摆角
记：λ＝r/l 曲柄连杆比
ω φ
r
曲柄连杆机构运动学
－正置曲柄连杆机构的活塞运动规律（2）
－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
因受一个力矩作用而发生摆动，先摆后靠，减轻了活塞因换向对缸壁的拍击噪声。 换向发生在上止点之前，缸内压力小，拍击也可减轻。
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
曲柄连杆机构中的力和力矩
—气体作用力
作用于活塞，沿气缸中心线方 向
Fg = (πD 2 / 4)( pg − pb )
D：气缸直径
pg: 缸内气体的绝对压力，实测
示功图或工作循环热力学计算。
pb : 活塞下方曲轴箱内气体的
绝对压力，可取为0.1MPa。
EQ6105柴油机缸内压力（AVL Boost计算结果）
用离散的质量系代替，质量之间用无质量 的刚性杆连接
三质量
小头孔中心 A 质心 C 大头孔中心 B
二质量
小头孔中心 A 大头孔中心 B
A
mlA
FjlC
C FτlA
mlC
FnlA FrlB
B
mlB
O
曲柄连杆机构中的力和力矩
—连杆的惯性力（2）
动力学等效原则
质量不变 质心位置不变 对质心的转动惯量不变
偏置率较大时，必须按偏置公式计算
VW W型发动机
曲柄连杆机构运动学
－偏置曲柄连杆机构的活塞运动规律（4）
ξ = 12.5/44.95=0.2781
曲柄连杆机构中的力和力矩
作用在曲柄连杆机构中的力
缸内气体作用力 运动质量惯性力 摩擦力 支撑反力 有效负荷
忽略摩擦力，其它各力平衡
泰勒级数展开
(1 − λ2 sin 2 ϕ )1/ 2 = 1 − λ2 sin 2 ϕ − λ4 sin 4 ϕ − λ6 sin 6 ϕ LL
2
8
16
(1 − λ2 sin 2 ϕ )−1/ 2 = 1 + λ2 sin 2 ϕ + 3λ4 sin 4 ϕ + 5λ6 sin 6 ϕ LL
2
8
16
曲柄连杆机构运动学
－曲柄连杆机构类型（4）
主副连杆
曲拐直接带动 主连杆，再由 主连杆通过铰 销带动一个或 多个副连杆。
主要用于船舶、 飞机用X型、星 型发动机和部 分坦克、机车 用V型机。
副
主 连
连 杆
杆
曲柄连杆机构运动学
－曲柄连杆机构类型（5）
主副连杆
主缸、副缸多有不同
活塞运动规律、运动
偏置率
ξ=e
r
e(+)
e(-)
曲拐转角从曲柄平行于 气缸中心线并向上的位置 开始计算。
ω φ
ω φ
曲柄连杆机构运动学
－偏置曲柄连杆机构的活塞运动规律（2）
计算行程、活塞位移、速度和加速度的简化算式
S
≈
⎡ 2r⎢1 +
⎢⎣
λ2ξ 2 ⎤
2(1
−
λ2
)
⎥ ⎥⎦
x ≈ r[(1 − cosϕ ) + (λ / 4)(1 − cos 2ϕ) − λξ sin ϕ − (1/ 2)λ2ξ 2 /(1 + λ)]
下止点
活塞速度
v = dx / dt = (dx / dϕ )(dϕ / dt) = ω(dx / dϕ )
活塞加速度
ω φ
r
j = dv / dt = (dv / dϕ)(dϕ / dt) = ω(dv / dϕ)
曲柄连杆机构运动学
－正置曲柄连杆机构的活塞运动规律（4）
得活塞位移、速度、加速度表 达x =式r[(1 + 1/ λ) − cosϕ − (1/ λ)(1 − λ2 sin 2 ϕ)1/ 2 ]
v ≈ rω[sin ϕ + (λ / 2) sin 2ϕ − λξ cosϕ]
j ≈ rω 2[cosϕ + λ cos 2ϕ + λξ sin ϕ]
各式中多了一或两λξ项
曲柄连杆机构运动学
－偏置曲柄连杆机构的活塞运动规律（3）
一般情况下ห้องสมุดไป่ตู้
λ<0.33， ξ<0.035，故λξ<0.011 可按正置曲柄连杆机构计算
偏置式
曲轴偏置－曲轴旋转中心偏离气缸 中心线
活塞销偏置－活塞销中心偏离气缸 中心线
正偏置：做功行程活塞下行时，连 杆摆角减小，减小活塞侧推力。
车用汽油机常采用活塞销负偏置。
曲柄连杆机构运动学
－曲柄连杆机构类型（2）
曲 轴 正 偏 置
曲 轴 负 偏 置
活
活
塞
塞
销
销
正
负
偏
偏
置
置
曲柄连杆机构运动学
汽车发动机设计
（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 … …
满足这三个原则的三质量 系统在动力学上与实际连 杆完全等效。 质心处质量有多个方向的 惯性力，还嫌不便。
mlA + mlB + mlC mlAlAC = mlBlBC
=
ml
⎫ ⎪ ⎬
mlA
l
2 AC
+
mlBl
2 BC
=
I lC ⎪⎭
曲柄连杆机构中的力和力矩
—连杆的惯性力（3） FjlA
连杆二质量模型
《汽车发动机设计》教学目的和要求
通过学习，掌握汽车发动机动力学、总体设计和主要零 部件设计的基本知识。
三个方面
汽车发动机动力学 汽车发动机总体设计 汽车发动机主要零部件设计
Mercedes-Benz SLR Mclaren
主要内容
曲轴连杆机构的运动与受力分析 发动机的平衡性分析与平衡措施 曲轴轴系的扭转振动 汽车发动机总体设计 连杆 活塞 曲轴 轴承 机体 气门机构
v = rω[sin ϕ + (λ / 2) sin 2ϕ (1 − λ2 sin 2 ϕ ) −1/ 2 ]