车用内燃机曲柄连杆机构动力学分析
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
曲柄连杆机构的组成和主要作用
曲柄连杆机构的组成和主要作用曲柄连杆机构的组成和主要作用1. 引言曲柄连杆机构是一种常见且重要的机械传动装置，被广泛应用于各种机械设备中。
它由曲柄、连杆和活塞三部分组成，通过这三个部件的联动与协作，实现了能量转换和运动传递的功能。
本文将从组成和主要作用两方面详细介绍曲柄连杆机构。
2. 组成2.1 曲柄曲柄是曲柄连杆机构的核心组成部分，通常是一个旋转的轴。
它具有一个固定的中心位置，并通过与其他部件的连接来完成动力传递。
曲柄的主要作用是将旋转运动转化为往复直线运动或反之。
它通常呈现出螺旋状或弧形，使得连杆能够随曲柄的旋转而产生往复运动。
2.2 连杆连杆是曲柄连杆机构的连接部件，连接曲柄与活塞。
它通常由一根刚性杆件组成，在曲柄的旋转作用下，连杆产生往复运动。
连杆的长度和形状设计决定了活塞行程的大小和运动轨迹的特性。
连杆还可通过改变其角度来调整活塞的速度和力的传递。
2.3 活塞活塞是曲柄连杆机构的末端部件，负责在连杆的带动下沿直线方向运动。
它通常是一个圆柱形的密封器件，用于在气缸或缸体内形成气密密封。
通过与连杆的连接，活塞能够将曲柄旋转运动的能量转化为直线运动的能量，并将其传递给执行部件，从而实现了更高级别的机械运动。
3. 主要作用3.1 能量转换曲柄连杆机构的主要作用之一是实现能量的转换。
曲柄通过旋转运动将输入的能量转化为连杆的往复运动，再由连杆传递给活塞。
活塞通过直线运动将能量传递给执行部件，如发动机中的气缸，从而推动车辆或驱动其它机械设备。
曲柄连杆机构在能量转换中起到了至关重要的作用。
3.2 运动转换曲柄连杆机构还具有运动转换的作用。
通过曲柄的旋转运动，连杆可将旋转运动转化为直线往复运动，也可以将直线往复运动转化为旋转运动。
这种运动转换的能力使得曲柄连杆机构在各种机械设备中非常有用，例如内燃机、发电机、泵浦等。
它能够将不同形式的运动转化为客户需要的特定运动形式。
4. 个人观点和理解曲柄连杆机构作为一种传统的机械传动装置，在工程领域中已存在了很长时间。
汽车发动机曲柄连杆机构零部件知识解读
汽车发动机曲柄连杆机构零部件知识发动机曲柄连杆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。
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。
机体组：气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱、汽缸套及油底壳活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴1、机体组1-1、汽缸体是发动机机体组的重要组成部分，在气缸盖和油底壳之间，严格的来说，该部分要称为气缸体--曲轴箱！因为它上部是一个或若干个汽缸，下半部分是支承曲轴的曲轴箱！这两部分一般都铸造在一起，我们通常简称汽缸体。
因其工作条件高温高压、且活塞在其中往复运动，摩擦很大，所以气缸体必须能耐高温、耐腐蚀、耐磨损。
一般的说，为了满足以上要求可以采取以下几个措施：气缸体材料、加工精度、结构。
在冷却方面，气缸体一般有水冷、风冷。
像我们摩托车上的发动机就是风冷，一般汽车上的都是以水冷为主，但也装有风扇辅助降温1-2、汽缸垫气缸垫位于气缸盖与气缸体之间又称气缸床. 其功用是填补气缸体和气缸盖之间的微观孔隙,保证结合面处有良好的密封性,进而保证燃烧室的密封防止气缸漏气和水套漏水。
常见的金属---石棉气缸垫，这种石棉中间夹有金属丝或金属屑，且外覆铜皮或钢皮。
这种钢垫厚度为1.2~2mm，有很好的弹性和耐热性，能反复使用，但强度较差，厚度和质量也不均匀。
当发现以下现象时，就要考虑汽缸是否烧损：①汽缸盖与汽缸体接缝处有局部漏气现象，特别是排气管口附近常会出现此情况。
②工作时水箱冒水泡，气泡越多，说明漏气越严重。
不过这一现象当汽缸垫破损不太厉害时，往往不易察觉。
为此可在汽缸体与汽缸盖接缝处的周围抹些机油，然后观察接合处是否也有气泡冒出，如冒气泡就说明汽缸垫漏气。
通常情况下汽缸垫并没有破损，在此时，可以将汽缸垫在火焰上均匀地烤一下，由于加热之后石棉纸膨胀复原，在装回到机器上后就不再漏气了。
这种修理方法可以多次反复使用，从而延长汽缸垫的使用期限。
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。
3《汽车构造》电子教案曲柄连杆机构
3《汽车构造》电子教案-曲柄连杆机构教案章节一：曲柄连杆机构概述教学目标：1. 让学生了解曲柄连杆机构的作用和组成。
2. 让学生掌握曲柄连杆机构的工作原理。
教学内容：1. 曲柄连杆机构的作用：将往复直线运动转化为旋转运动，实现内燃机的做功。
2. 曲柄连杆机构的组成：曲轴、连杆、活塞、气缸、轴承等。
3. 曲柄连杆机构的工作原理：通过活塞在气缸内的往复直线运动，驱动连杆旋转，从而实现曲轴的旋转。
教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解，结合实物图片和动画演示。
2. 引导学生参与讨论，提问解答。
教学评价：1. 学生能准确描述曲柄连杆机构的作用和组成。
2. 学生能理解并解释曲柄连杆机构的工作原理。
教案章节二：曲轴的设计与制造教学目标：1. 让学生了解曲轴的设计要求和制造工艺。
2. 让学生掌握曲轴的结构特点和强度计算。
教学内容：1. 曲轴的设计要求：满足力学性能、耐磨性、疲劳强度等要求。
2. 曲轴的制造工艺：铸造、锻造、机械加工等。
3. 曲轴的结构特点：曲轴轴线、曲拐、曲柄等。
4. 曲轴的强度计算：扭转强度计算、弯曲强度计算。
教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解，结合图纸和实物图片。
2. 案例分析，让学生参与讨论。
教学评价：1. 学生能描述曲轴的设计要求和制造工艺。
2. 学生能分析曲轴的结构特点和强度计算。
教案章节三：连杆的设计与制造教学目标：1. 让学生了解连杆的设计要求和制造工艺。
2. 让学生掌握连杆的结构特点和强度计算。
教学内容：1. 连杆的设计要求：满足力学性能、耐磨性、疲劳强度等要求。
2. 连杆的制造工艺：铸造、锻造、机械加工等。
3. 连杆的结构特点：连杆小头、连杆大头、连杆身等。
4. 连杆的强度计算：扭转强度计算、弯曲强度计算。
教学方法：1. 采用多媒体课件进行讲解，结合图纸和实物图片。
2. 案例分析，让学生参与讨论。
教学评价：1. 学生能描述连杆的设计要求和制造工艺。
2. 学生能分析连杆的结构特点和强度计算。
曲柄连杆机构机械传动效率分析
曲柄连杆机构广泛应用于内燃机等机械传动领 域 ,工程技术人员较为重视的领域是其燃烧热效 [1] 率 ,相关研究成果也比较成熟 , 而对于曲柄连杆 机构的机械传动效率以及提高效率的途径的研究却 [2] 相对欠缺 。从机械传动理论方面来说 , 如果曲柄 连杆机构的传动效率过低 , 将导致传动系统整体传 [3] 动效率的降低 ,因此对曲柄连杆机构的机械传动 效率进行深入的分析 , 同样有着重要的理论及现实 意义 。
机构的瞬间传动效率 η为 θ θ( l sin cos θ ) r - l sin θ + lcos
2 2 2 2 2 2
整理后可得 θ[ f l sin θ + ( f23 r r - l sin θ[ f l sin θ + ( f12 r 12 + f23 r 23 ) ] - lcos 23 + f3 r 3) ] θ l sin co θ s ( θ ) r - l sin θ + lcos
r - l sin θ
2 2 2
3 曲柄连杆机构机械传动效率
活塞在 P 力作用下 ,其做功为输入功 ,其值为 θ lco s θ1 + θ dw = P d x = P l sin d 2 2 2 r - l sin θ 如设时间为 t, 则可将上式改写为
dw dw d t dw = = θ d td θ θ d ′ dt
由图 1 可以看出 ,活塞位移坐标为 x, 上止点与
第 3期
孔江生等 : 曲柄连杆机构机械传动效率分析
349
同理 ,
dw 1 dw 1 dw 4 dw 4 = , …, = 则曲柄连杆 θ θ′ θ θ d dt d ′ dt
η =
dw / d t - ( dw 1 / d t + dw 2 / d t + dw 3 / d t + dw 4 / d t) dw / d t
《汽车构造》第二章曲柄连杆机构
3）按排列形式分
直列式（＜6缸），V型＞8缸），水平对置式 优缺点： 优缺点： 直列式：结构简单、长度、 高度较大（垂直、倾斜、 水平）。 V型：刚度大、缩短发动 机的长度、高度、质量。 水平对置式：高度最小、 使轿车和大客车总布置更 方便。
(c)水平对置式 水平对置式
(a)直列式 直列式
(b)V型 型
2.活塞的变形与防治措施 2.活塞的变形与防治措施
活 塞 受 力 情 况
采用的措施： 采用的措施：
（1）冷态下,将活塞裙部加工成断面为长轴垂直于活塞销的 椭圆。
采用的措施： 采用的措施：
（2）上小下大的阶梯形、近似圆锥形、阶梯型或 桶形（任何情况下都能得到良好润滑，但加工困难）。
采用的措施： 采用的措施：
扭曲环
锥面环
梯形环
桶面环
气环的泵油作用
活塞 汽 汽 活塞
缸
缸
2.油环 2.油环 种类 普通油环
上刮片
组合油环
示 意 图
刮片
油环的刮油作用
2.2.3 活塞销
作用： 作用：连接活塞和连杆小头，并把活塞承受 的气体压力传递给连杆。 材料与工艺: 材料与工艺:优质低碳钢，表面淬火、精磨。
1.活塞销的形状 1.活塞销的形状
1.连杆的结构 1.连杆的结构
连杆主要由连杆 小头、连杆杆身、连 杆螺栓、连杆大头、 连杆轴瓦和连杆盖等 组成
2.1 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。 机体组由汽缸体、曲轴箱、 汽缸盖、汽缸垫和油底壳等固定机 件组成。
图2-1 机体组的组成部件 1—汽缸盖； 2—汽缸体； 3—汽缸垫； 4—汽缸体—曲轴箱； 5—油底壳
曲柄连杆机构名词解释_概述及解释说明
曲柄连杆机构名词解释概述及解释说明1. 引言1.1 概述曲柄连杆机构是一种常见的机械传动结构，它由曲柄和连杆组成，通过运动副的连接使得曲柄产生往复旋转运动，并将这种运动转化为连杆的直线往复运动。
该机构在许多领域中得到广泛应用，如汽车发动机、农业机械和工业设备等。
本文将对曲柄连杆机构进行全面的名词解释和详细的说明。
1.2 文章结构本文将按照以下结构来介绍曲柄连杆机构的相关内容：第2部分：曲柄连杆机构的定义和原理。
我们将介绍曲柄连杆机构的基本概念以及其组成部分，并详细解释其工作原理和运动特点，以便读者能够更好地理解该机构。
第3部分：曲柄连杆机构的分类与应用领域。
在此部分中，我们将对不同类型的曲柄连杆机构进行分类介绍，并通过案例分析展示其在汽车发动机等领域中的具体应用。
第4部分：曲柄连杆机构设计与优化方法研究进展。
我们将介绍曲柄连杆机构的设计流程和基本原则，并列举当前常用的设计软件和工具。
此外，我们还将探讨曲柄连杆机构优化方法的研究现状和未来发展趋势。
第5部分：结论。
在这一部分，我们将对全文进行小结，并指出本研究存在的不足之处以及进一步研究的方向。
同时，我们还将展望曲柄连杆机构在未来的应用前景。
1.3 目的本文旨在对曲柄连杆机构进行深入解析，帮助读者全面了解其定义、原理、分类和应用领域，并介绍相关的设计与优化方法。
通过掌握这些知识，读者能够更好地理解曲柄连杆机构在实际应用中的意义和作用，并为相关领域中的工程设计和科学研究提供参考依据。
2. 曲柄连杆机构的定义和原理：曲柄连杆机构是一种常见的机械传动装置，由曲柄、连杆和活塞组成。
它通过转动曲柄轴使连杆运动，从而实现能量的转换和传递。
2.1 曲柄连杆机构的概念和基本组成部分：曲柄连杆机构主要由三个基本部分组成：曲柄、连杆和活塞。
- 曲柄：曲柄一般为一个旋转轴，又称为枢轴或者主轴。
它被固定在机器的机壳上，并具有一个离心浇铸或锻造得到的非对称几何形状。
- 连杆：连杆是连接曲柄与活塞的元件，其长度可以控制活塞的运动幅度。
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
曲柄连杆机构受力分析概要
T 2 T1( 240 0 ) T 3 T1( 480 0 )
T 4 T1( 120 0 ) T 5 T1( 600 0 ) T 6 T1( 360 0 )
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内燃机设计
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各主轴颈所受转矩
• 求某一主轴颈的转 矩，只要把从第一 拐起到该主轴颈前 一拐的各单缸转矩 叠加起来即可。即 遵循各缸转矩向后 传递的原则。
• 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。
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内燃机设计
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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：
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。
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内燃机设计
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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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内燃机设计
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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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内燃机设计
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结构设计及其实例分析
汽车发动机曲柄连杆机构结构设计及其实例分析作者：王九合来源：《山东工业技术》2013年第08期【摘要】曲柄连杆机构的运动件主要包括活塞组、连杆组、曲轴与轴承组。
在进行零部件设计时，首先，要分析其工作情况及对零件的要求，然后，根据内燃机的总体设计指标以及工厂生产条件选择适当的材料，并采取适当的措施以满足提出的要求。
最后，决定零件的主要尺寸，并进行强度、刚度等方面的校核计算。
【关键词】曲柄连杆；结构设计；整体稳定性；空间刚度；疲劳断裂；组合变形；强度校核；经济性0 引言曲柄连杆机构即活塞组、连杆组和曲轴组。
曲柄连杆机构是发动机中的能源转化机构，它将化学能转化为机械能，将活塞的往复运动传递给曲轴带动外设运转。
1 曲柄连杆机构的结构设计1.1 活塞的结构设计1.1.1 活塞的载荷在内燃机中，活塞组是工作强度最大的组件之一。
活塞的工作条件比较恶劣，其受到的主要载荷有以下几点：1）承受很大的机械载荷在内燃机工作中，活塞组承受的机械载荷包括气体压力、惯性力以及由此产生的侧向作用力。
近代内燃机中，汽油机的最大气体压力Pg max约为3-6MPa，非增压柴油机Pg max值约为6-9MPa，而增压柴油机Pg max值约为13-15MPa。
由于内燃机的转速不断提高，活塞的往复运动也日益增大，一般车用内燃机活塞平均速度一般可高达9～13m/s。
由于加速度很大，活塞组在往复运动中会产生很大的惯性力，同时，内燃机在速燃期，其压力升高率dp/dφ可达0.6-0.8MPa/（°）。
所以对曲柄连杆机构来说，具有很大的冲击作用。
活塞各部位在机械载荷的作用下产生不同的压力：活塞顶部有动态弯曲压力，活塞销座承受拉力及弯曲，环岸承受弯曲及剪应力。
此外，在环槽及裙部还有较大的磨损。
2）承受很高的热载荷在内燃机工作过程中，内室中燃气的最高温度一般可达到2000℃左右，因为活塞顶是直接和燃气接触的，因此活塞承受的温度很高。
除此之外，它还需要接受摩擦生成的热量。
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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内燃机设计
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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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内燃机设计
1
第一节 曲柄连杆机构运动学
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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
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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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内燃机设计
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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。
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。
汽车发动机构造与维修-第三章曲柄连杆机构
第一节 机体组
二、气缸盖
二、气缸盖 气缸盖作用：用来密封气缸的上部，与 活塞、气缸等共同构成燃烧室。
气缸盖示意图 1－排气门 2－进气门 3－排气道 4－火花塞座 孔 5－进气门 6－凸轮轴座孔
第一节 机体组
二、气缸盖
别克气缸盖示意图 1－前凸轮轴盖 2－气缸盖螺栓 3－ 孔塞 4－气门导管 5－凸轮轴轴承 盖 6－火花塞座孔7－后凸轮轴轴承 盖 8－防冻塞 9－机油油道盖 10－ 排气管安装螺栓 11－节温器 12－ 气门 13－凸轮轴座孔
第二节 活塞连杆组
二、活塞环
二、活塞环 活塞环按其主要功用可分为气环和油环两类。
活塞环三隙 1－活塞环工作状态2－活塞环自由状态3－工作面4 －内表面5－活塞6－活塞环7－气缸壁 Δ1－开口间隙Δ2－侧隙Δ3－背隙d－内径B－宽度 油环 气环
第二节 活塞连杆组
二、活塞环
1.气环 气环也叫压缩环，用来密封活塞与气缸壁的间隙，防止气缸内的气 体窜入油底壳，以及将活塞头部的热量传给气缸壁，再由冷却水或空气 带走。另外还起到刮油、布油的辅助作用。
拔掉火花塞 拔掉分电器电插头
第四节 曲柄连杆机构的维护
一、气缸压缩压力的检验
一、气缸压缩压力的检验
技术提示
在拆卸火花塞或喷油器前， 要用压缩空气吹净火花塞或喷 油器周围的赃物。在吹赃物的 过程中，眼睛要进行防护或躲 开，防止赃物进入眼睛中。在 装火花塞或喷油器时，不要忘 记安装密封垫，密封垫应更换 新件。要保证螺纹扣对正，扭 紧力矩合适。
飞轮上的转速信号轮 正时标记
第四节 曲柄连杆机构的维护
第四节 曲柄连杆机构的维护
一、气缸压缩压力的检验
一、气缸压缩压力的检验
拔掉喷油器电插头
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。
内燃机机构和系统组成及其原理
发动机是一种由许多机构和系统组成的复杂机器。
无论是汽油机，还是柴油机；无论是四行程发动机，还是二行程发动机；无论是单缸发动机，还是多缸发动机。
要完成能量转换，实现工作循环，保证长时间连续正常工作，都必须具备以下一些机构和系统。
（1）曲柄连杆机构曲柄连杆机构曲柄连杆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。
它由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成。
在作功行程中，活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动，通过连杆转换成曲轴的旋转运动，并从曲轴对外输出动力。
而在进气、压缩和排气行程中，飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动。
（2）配气机构配气机构的功用是根据发动机的工作顺序和工作过程，定时开启和关闭进气门和排气门，使可燃混合气或空气进入气缸，并使废气从气缸内排出，实现换气过程。
配气机构配气机构大多采用顶置气门式配气机构，一般由气门组、气门传动组和气门驱动组组成。
（3）燃料供给系统汽油机燃料供给系的功用是根据发动机的要求，配制出一定数量和浓度的混合气，供入气缸，并将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中去；柴燃料供给系统油机燃料供给系的功用是把柴油和空气分别供入气缸，在燃烧室内形成混合气并燃烧，最后将燃烧后的废气排出。
（4）润滑系统润滑系统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。
润滑系通常由润滑油道、机油泵、机油滤清器和一些阀门等组成。
（5）冷却系统冷却系统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。
水冷发动机的冷却系通常由冷却水套、水泵、风扇、水箱、节温器等组成。
冷却系统（6）点火系统在汽油机中，气缸内的可燃混合气是靠电火花点燃的，为此在汽油机的气缸盖上装有火花塞，火花塞头部伸入燃烧室内。
能够按时在火花塞电极间产生电火花的全部设备称为点火系，点火系通常由蓄电池、发电机、分电器、点火线圈和火花塞等组成。
第二章 曲柄连杆机构动力学分析
α =180º 时活塞的加速度已不是最大负向加速度 amin R 2 (1 ) （极大值）
可以看出，对于中低速柴油机其连杆较长，λ 小于1/4，活塞加速 度在360º 范围内只有两个极值；对于高速内燃机，λ 一般大于1/4， 活塞加速度在360º 范围内有四个极值 实际发动机的活塞最大加速度： 汽油机amax=(500-1500)g 柴油机amax=(200-800)g
Le 2 1 2
在曲柄连杆机构运动学计算中，通常将活塞的位移、速度和加速度 分别除以R、Rω 、Rω 2，无量纲化，写成 无量纲位移（活塞位移系数）： x 1 x 1 cos 1 1 2 sin 2 R （精确式）
x 1 cos
1 sin 1 2 2 L cos 1 sin 2 （近似式）
2 2Leabharlann 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
cos vmax
L
1
L R 1 2 1 R R 1 2 cos
2 2
由近似式可得出活塞平均速度
cm
1
0
Sn R (sin sin 2 )d R 2 30
2
活塞的最大速度和平均速度之比是反映活塞运动交变程度的一个 指标：
v max R 1 2 2 1 2 cm 2 R
mr R e
2 i
Pj m j a m j R 2 cos m j R 2 cos2 PjI PjII
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参考文献
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(收期日期 :2003 - 12 - 15)
(编辑 郭聚臣)
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3 结论
利用多体动力学分析软件建立了 D6114B 内燃 机曲柄连杆机构柔性多体动力学模型 ,并进行了动
图 9 内燃机气缸体的载荷
力学特性仿真 。通过仿真 ,得到了曲轴主轴颈 、连杆 轴颈的最大载荷位置 ,对合理设置润滑油槽或油孔 具有重要的指导意义 。仿真得到的内燃机气缸体的 动载荷变化特性 ,为优化内燃机悬置在 x , y , z 方向 的动刚度以及各个悬置的布置位置 ,降低内燃机振 动向汽车车架或车身传递 ,提供了设计依据 。
模型由气缸体 B0 、曲轴 B1 、飞轮 B2 、连杆 ( B3～ B8) 、活塞 ( B9～ B14) 等构件组成 。其中 , 曲轴 B1 作 为柔性构件 。曲轴 B1 除第 4 主轴颈与气缸体 B0 以 转 动铰链 H4连接外 , 其它主轴颈都以圆柱铰链 ( H1
图 1 D6114B 内燃机曲柄连杆机构动力学分析模型
夏长高等 :车用内燃机曲柄连杆机构动力学分析
31
图 7 第 4 主轴承的载荷
图 8 第 1 缸连杆轴承的载荷
汽车的行驶舒适性 。 图 9 所示为 D6114B 内燃机气缸体的动载荷随
曲轴转角的变化关系 。可以看出 :气缸体沿 x , y , z 的方向动载荷随曲轴转角呈周期性变化 , 在 x , y 方 向变化频率大致相同 , z 方向变化频率较高 。为了 降低内燃机气缸体的动载荷向汽车车架或车身传 递 ,应根据图 9 合理选择内燃机悬置在 x , y , z 方向 的动刚度以及各个悬置的布置位置 。
气缸体是曲柄连杆机构的主要支承件 ,在内燃 机的工作过程中 ,曲柄连杆机构的不平衡惯性力将 会传到气缸体上 ,引起内燃机振动 。这种振动会通 过内燃机悬置传到汽车车架或车身上 ,从而影响到
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模态阶数 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
频率/ Hz 1 015. 3 1 264. 3 1 340. 6 1 369. 2 1 413. 9 1 460. 5 1 664. 0 1 745. 0 1 862. 5 2 394. 9
利用 ADAMS/ Flex 模块 ,将曲柄有限元分析得到 的模态结果读入 ADAMS 中 ,通过模态的线性叠加将 曲柄的变形融入到内燃机曲柄连杆机构动力学分析
仿真中 。
2 动力学仿真分析
采用上述所建立的曲柄连杆机构多体动力学分 析模型 ,对各缸活塞施加图 3 所示的压力 ,对应的曲 轴转速为 2 200 r/ min ,在 ADAMS/ Engine 模块中 ,进 行曲柄连杆机构动力学仿真计算 ,可得到各个活塞 对气缸的侧推力 ,连杆等的惯性力 ,曲轴主轴颈 、连 杆轴颈等的载荷 。
夏长高等 :车用内燃机曲柄连杆机构动力学分析
29
车用内燃机曲柄连杆机构动力学分析
212013 江苏大学汽车与交通工程学院 夏长高 王凌云
摘要 利用柔性多体动力学方法建立了基于 ADAMS 软件平台的内燃机曲柄连杆机构动力学仿真分析模型 。 并根据所建立的模型 ,对车用 D6114B 内燃机曲柄连杆机构的运动学 、动力学特性进行了仿真 。通过仿真计算 ,得到 考虑曲轴柔性时的曲轴主轴颈 、连杆轴颈载荷 ,活塞 、连杆等的惯性力以及内燃机的输出特性 ,为内燃机曲柄连杆机 构的设计与改进提供了重要依据 。
(编辑 云 清)
(上接第 11 页)
图 2 实际测量主销后角的示意图
4 结论
农用运 输 车 辆 主 销 后 倾 角 的 影 响 因 素 是 很 多 的 ,其变化规律十分复杂 。所以在整车布置时一定
要全面考虑 ,在不同的载荷下都要校核它的值 ,以满 足设计需要 。主销后倾角是与车型相关的 ,而不是 前桥的一个参数 。主销后倾角是在整车装配中来保 证的 ,而不是在前桥加工中保证的 。前桥的两主销 轴线所在的平面与钢板弹簧座所在的平面是互相垂 直的 ,并在此基础上 ,提出一个简易的主销后倾角测 量方法 。这种方法不需要复杂的精密仪器 ,只用一 把直尺和一段平直的角钢就足够了 ,这在生产中具 有很实际的意义 。
1 动力学模型的建立
D6114B 内燃机曲柄连杆机构由曲轴 、主轴承 、 连杆轴承 、连杆 、活塞 、活塞销 、飞轮等组成 。由气缸 内气体爆发压力通过活塞 、连杆驱动曲轴 。基于 ADAMS/ Engine 模块 ,可建立图 1 所示的 D6114B 内 燃机曲柄连杆机构动力学分析模型 ,系统的拓扑构 型如图 2 示 。
活塞对气缸的侧推力是气缸在连杆对气缸中心 线倾斜时受到活塞的侧向推压 ,其大小对气缸壁的 磨损有很大影响 。图 4 所示为第 1 缸的侧推力随着 曲轴转角的变化关系曲线 。可以看出 ,随着活塞的 往复运动 ,侧推力的大小在 - 7 804～6 960 N 之间呈 周期性变化 (其它各缸的侧推力变化与 1 缸相似) , 使得气缸体产生振动 。为了减小倾覆力矩产生的振 动 ,可通过对侧推力进行频谱分析 ,来优化内燃机悬
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拖拉机与农用运输车 第 5 期 2004 年 10 月
Pro/ E 软件建立其三维实体数模 ,将数模输出到 AN2 SYS 有限元分析软件中 ,进行几何模型的离散化 、材 料特性定义等有限元模型处理和计算分析 。在进行 有限元模型模态分析后 ,借助于 ANSYS 软件提供的 ADAMS 数据接口 ,生成 ADAMS/ Flex 可接受的中性 文件 (MNF 文件) 。
图 2 曲柄连杆机构动力学分析系统的拓扑构型
～ H3 , H5～ H7) 与气缸体 B0 连接 , 各个连杆 ( B3～ B8) 大头分别以转动铰链 ( H9 ～ H14) 与曲轴 B1 连 接 ,小头以转动铰链 ( H15～ H20) 与活塞 ( B9～ B14) 连接 ,活塞 ( B9 ～ B14) 又通过圆柱铰链 ( H21 ～ H26) 分别与气缸体 B0 连接 ,飞轮 B2 与曲轴 B1 固接 H8 。
模型中各构件的几何位置参数 、质量参数通过 CAD 实体模型直接传入到 ADAMS 中 ,由 ADAMS 自 动计算 。活塞 ( B9～ B14) 上作用的各气缸气体压力 特性由试验测得数据输入 (图 3 所示) 。
对于柔性构件 ,将其变形视为模态的线性叠加 , 构件的模态振型可通过有限元分析或试验模态分析 得到 。对于图 1 中的曲轴 ,根据该构件图纸 ,应用
参考文献 1 陆佑方. 柔性多体系统动力学. 北京 :高等教育出版社 ,1996 2 ADAMS Theory Seminar. Mechanical Dynamics ,Inc. ,2001 3 郑启福. 内燃机动力学. 北京 :国防工业出版社 ,1991
(收稿日期 :2004 - 05 - 12)
图 5 第 1 主轴承的载荷
图 6 第 2 主轴承的载荷
图 8 为该内燃机第 1 缸的连杆轴承受力 ,其它 各缸连杆轴承受力情况与 1 缸相似 ,仅相差一定的 相位角 。可以看出 :当第 1 缸曲柄销位于膨胀冲程 刚过上止点处 ,此时曲柄销受连杆轴承的力最大 。 曲柄销与连秆轴承的接触点处即为最大受力处 ,应 避免在此位置附近布置油槽或油孔 。
Abstract Using flexible multibody system dynamic method ,this article founds the rigid2flexible coupling multibody dynamic analysis model of the crank and connecting rod mechanism based on ADAMS software platform ,and processes the kinematic and dynamic simulations taking the crank and connecting rod mechanism of D6114B engine as its object of study. Through the simulation this article obtains the dynamic characteristic data such as the loads of main bearings and connecting rod bearings ,the inertia forces of pistons and connecting rods ,and the output torque and power of the engine. It gives the foundation for the design of the crank and connecting rod mechanism of automotive engine.
关键词 :内燃机 曲柄连杆机构 多体动力学 特性仿真
曲柄连杆机构是内燃机的主要总成之一 ,其动 力学特性对内燃机的工作可靠性 、振动 、噪声等有较 大的影响 。由于曲柄连杆机构的整个传动链是由一 系列几何形状和刚度 、质量各不相同的零部件所组 成 ,而且曲轴通过多个轴承与气缸体连接 ,采用传统 的曲柄连杆机构双质量模型和截断简支梁法难以准 确地确定曲轴各轴颈的载荷 、活塞对气缸的侧推力 以及内燃机的输出特性 。为此 ,本文根据现代柔性 多体动 力 学 理 论[1] , 借 助 于 多 体 动 力 学 分 析 软 件 ADAMS[2] ,以 D6114B 内燃机曲柄连杆机构为研究对 象 ,建立动力学仿真分析模型 ,其中 ,曲轴 、连杆作为 柔性体考虑 ,应用有限元分析软件对其进行模态分 析 ,利用 ADAMS/ Flex 模块 ,将柔性体模态变形融入 到多体系统的动力学仿真中 。因此 ,采用本文所建 立的多体模型可较准确地分析曲柄连杆机构各零件 的动力学特性 。