第三章 连杆的基本设1
机械设计基础第三章平面连杆机构
2
BD
a2
d2
2adcos
2
BD
b2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c2
2bccos
cos b2 c2 - a2 d2 2adcos 2bc
90
b
B
δmax
a
A
d
Fn
Cγ α
F Ft
δ
Vc
c
δmin
D
三、急回运动和行程速比系数
1. 极位夹角
当机构从动件处于两极限位置时，主动件曲柄在两相 应位置所夹的锐角
曲柄摇杆机构的极位夹角
C C
C
b B
aA
d
D
B
曲柄滑块机构的极位夹角
B
A
B
C
摆动导杆机构的极位夹角
A
B
e C
D
Bd
2. 急回运动
当曲柄等速回转的情况下，
通常把从动件往复运动速度快慢
C1
不同的运动称为急回运动。
b
c
主动件a
从动件c
1 B2 b
运动：AB1 AB2
时间：t1
转角：1
DC1 DC2
t1
a
a
A 2
d
B1
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第三章 平面连杆机构
第三章平面连杆机构平面连杆机构是由若干构件和低副组成的平面机构，又称平面低副机构。
这种机构可以实现预期的运动规律及位置、轨迹等要求。
平面连杆机构用于各种机械中，常与机器的工作部分相连，起执行和控制的作用，在工程实际中应用十分广泛。
平面连杆机构的主要优点有：1、低副为面接触，所以压强小，易润滑，磨损少，可以承受较大的载荷。
2、构件结构简单，便于加工，构件之间的接触是由构件本身的几何约束来保持的，故工作可靠。
3、在原动件等速连续运动的条件下，当各构件的相对长度不同时，可使从动件实现多种形式的运动，满足多种运动规律的要求。
其主要的缺点有：1、运动副中存在间隙，当构件数目较多时，从动件的运动累计误差较大。
2、不容易精确地实现复杂的运动规律，机构设计相对复杂。
3、连杆机构运动时产生的惯性力难以平衡，所以不适用于高速场合。
平面连杆机构是常用的低副机构，其中以由四个构件组成的平面四杆机构应用最广泛，而且是组成多杆机构的基础。
因此本章着重讨论平面四杆机构的基本形式及在实际中的应用，理解四杆机构的运动特性及设计平面四杆机构的基本设计方法。
3.1 平面连杆机构及其应用连杆机构有平面连杆机构和空间连杆机构。
其中，若各运动构件均在相互平行的平面内运动，则称为平面连杆机构。
若各运动构件不都在相互平行的平面内运动，则称为空间连杆机构。
平面连杆机构较空间连杆机构应用更为广泛，在平面连杆机构中，结构最简单的且应用最广泛的是由四个构件所组成的平面四杆机构，其它多杆机构可看成在此基础上依次增加杆件而组成。
故本章着重介绍平面四杆连杆机构。
3.1.1铰链四杆机构的类型所有运动副均为转动副的四杆机构称为铰链四杆机构。
它是平面四杆机构的基本形式。
如图3-1所示。
图中固定不动的构件AD是机架；与机架相连的构件AB、CD称为连架杆；不与机架直接相连的构件BC称为连杆。
连架杆中，能作整周回转的构件称为曲柄，只能作往复摆动的构件称为摇杆。
图3-1 铰链四杆机构根据两连架杆中曲柄(或摇杆)的数目，铰链四杆机构可分为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构三种基本形式。
第三章 连杆机构
三、死点
死点的概念—无论驱动力多大，均 不能使从动件运动，机构的这种位 置为死点。 四杆机构中是否存在死点，取决 于机构中是整周转动构件为主动还 是往复运动构件为主动。对曲柄摇 杆机构，若以曲柄为原动件，就不 存在死点；若以摇杆为原动件，在 机构连杆与从动曲柄共线位置，即 是死点位置。 从传动角度的角度来看，机构中存 在死点是不利的。 工程上有时也利用死点来实现一定 的工作要求。
全铰链四杆机构存在曲柄的条件： （1）连架杆与机架中至少有一个是最短杆； （2）最短杆与最长杆长度和应≤其余两杆长度和。 其中条件（2）又称为格拉肖夫判别式。 例3.3.1分析。通过此例，可以得出以下结论： 若全铰链四杆机构中最短杆与最长杆长度之和≤其 余两杆长度和时：1）最短杆是连架杆，为曲柄摇杆 机构；2）最短杆是机架，为双曲柄机构；3）最短杆 是连杆，为双摇杆机构。 对于平行四边形机构，因为两对边分别相等，则不 论取哪个杆为机架，均存在两个曲柄。 综上所述，对于满足格拉肖夫判别式的铰链四杆机构， 存在着内在联系。可通过取不同的构件为机架而相互 转化，如图3.2.13所示。
第五节 平面四杆机构的设计
平面四杆机构的设计任务：
主要是根据使用要求选定机构的型式，并根据已知
条件来确定机构中各构件的尺寸。 设计类型： （1）实现预期的运动规律； （2）实现给定的运动轨迹 。
பைடு நூலகம்
设计方法有：图解法、解析法和实验法。
一、按给定的K值设计四杆机构
设计具有急回特性的四杆机构，通 常根据实际工作需要，先确定行程速 度变化系数K，然后根据机构在极限 位置处的几何关系，结合有关 辅助条件，确定出机构中各杆 的尺寸。 1. 设计曲柄摇杆机构 已知摇杆CD的长度lCD、摆 角Ψ和行程速度变化系数K， 试设计该曲柄摇杆 机构。设计的关键是确定固定 铰链中心A的位置，具体设计 步骤如下：
第三章 连杆设计
图3-11确定不同φ值时的 N0和M0的曲线
•小头在拉伸载荷作用下，在任意断面上产生的内、外表应力，以 及小头在压缩载荷下，在任意断面上产生的内、外表应力均用下列 公式计算： •ζ
α
={2M(6rm+h)/[h(2rm+h)]+KN}/αh
•ζ i ={-2M(6 rm-h）/ [h（2 rm-h）]+KN}/αh
第三章 连杆组设计
第一节
概述
一、组成：连杆体(小头、杆身、连杆大头)、连杆盖、
连杆螺栓、连杆瓦、小头衬套。
二、功用：连杆组将活塞上所受的力传递给曲轴变成转
矩，同时将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。
三、工作情况：
运动形式
连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起作往复运动；
连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起作旋转运动。 因此，连杆体除了有上下运动外，还左右摆动，作复杂 的平面运动。
d. 在φ =0°的断面上（即小头中心截面）的弯矩和法向力
M0j=Fjrm(0.00033φ-0.0297) N0j =Fj (0.572-0.0008φ)
e.与铅垂平面夹角为 的连杆小头上的任意断面Ⅱ—Ⅱ，其弯矩和 法向力： 在0°≤φ ≤ 90°时： M1j=M0j+ N0j rm(1-cosφ)-Fjrm(1-cosφ ) N1j = N0j cos φ +0.5Fj (1-cosφ ) 在90°≤φ ≤ φ 时： M2j=M0j+ N0j rm(1-cosφ)-0.5Fjrm(sinφ -cosφ ) N2j = N0j cos φ +0.5Fj (sinφ -cosφ )
图3-10连杆小头受压时 载荷分布和固定脚
第三章 平面连杆机构
当BC杆和CD杆出现共 线位置，即BC杆和CD 杆的夹角为180º 和0º 的 位置，此时AB无法继 续转动, 不存在曲柄。
F1
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
若AB要成为曲柄，则 必须保证： ( BCD) max 180 ( BCD ) 0 和 min
BC和CD夹角的最大最 小位置出现在AB和AD 共线处 FL2
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
条件确定A、D位置。 设计过程（动画）
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
（三）按给定连架杆对应位置设计四杆机构 已知:曲柄AB及其三个位置，机架AD的长 度，构件CD上某直线DE的三个位置。
分析
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
本设计的实质是求活动铰链C的第一个位 置 C 1。 可通过连架杆AB对CD的相对运动来确 定铰链C的位置，即,将连架杆CD上某直线 DE的第一个位置DE1当作机架不动，连架 杆AB看作连杆,采用反转法实现AB对CD的 相对运动。 反转法例子1 反转法例2：动画
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
低副高代：去掉一个构件，将移动副和转动副用高 副代替
正弦机构 摆杆一端为球面
正切机构 推杆一端为球面
正弦机构的传动特性
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
s a(sin sin 0 )
是非线性机构 正切机构的传动特性
d 1 i ds a cos
第 三 章 平 面 连 杆 机 构
（二）按给定连杆的两个或三个位置设计四 杆机构 已知：连杆BC的三个位置 设计的实质是确定固定铰链A、D的位置 B1、B2 、B3所在圆的圆心即为铰链A位置。 C1、C2 、 C3 所在圆的圆心即为铰链D的位 置。
第三章 连杆的基本设1
第三章连杆的基本设计3.1连杆结构及长度的确定单列式汽油机的连杆，根据大头的结构一般可分为平切口、斜切口连杆及分体式连杆。
多列式柴油机的连杆有并列连杆、叉形连杆、主副连杆等类型。
连杆的长短直接影响到柴油机的高度及侧压力的大小,较长的连杆能使惯性力增加,而同时在侧压力方面的改善却不明显。
因此在柴油机设计时,当运动件不与有关零部件相碰时,都力求缩短连杆的长度。
连杆长度L（即连杆大小头孔中心距）与结构参数九=-（R为曲柄半径）有关。
连杆l长度越短，即九越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高速化有利，但九大，使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸相碰的可能性。
在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是1=3.2，即九=1/3.2,上限大约是l=4R。
连杆长度的确定必须与所设计的内燃机整体相适应，连杆设计完成后应进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于2〜5毫米h］。
在机体的设计中，已经根据要求设计出连杆长度为168mm。
3.2连杆小头的设计3.2.1小头结构型式现代内燃机绝大多数采用浮式活塞销，也就是说，在运转过程中活塞的销座中和在连杆的小头中都是能够自由转动的。
本连杆的小头的设计采用薄壁圆环形结构，优点是构形简单、制造方便，材料能充分应用，受力时应力分布较均匀h］。
连杆小头的构造如图3-1所示：图3-1连杆小头结构型式3.2.2小头结构尺寸小头主要尺寸为连杆衬套内径d和小头宽度b（通常小头和衬套制成同样的宽度）。
b11取决于活塞销座间隔b。
连杆小头主要尺寸比例范围大致如下：D=（0.28〜0.42）DS=（04〜0.08）dd=（0.9〜1.2）d1d=（1.2〜1.4）d21根据《内燃机设计》要求皿，初步设计连杆小头的主要尺寸为：连杆小头衬套内径d=25mm,小头衬套厚度S=3mm宽度同小头同宽小头孔径d=28mm1小头外径d=34mm2小头宽度b=30mm1小头油孔直径d=3mm3.2.3连杆衬套衬套与连杆小头孔为过盈配合，青铜衬套与活塞销的配合间隙A大致在（0.0004〜0.0015）d的范围内，在采用粉末冶金衬套时，由于衬套压入后，内径会缩小，因此配合间隙应适当放大，一般A大致在（0.0015〜0.0020）d。
第三章 平面连杆机构
第三章平面连杆机构3.1概述3.2平面四杆机构的基本型式和应用3.2 平面四杆机构的运动特性3.3 平面四杆机构的设计3.1概述一、基本概念平面四杆机构：由四个构件通过低副连接而成的平面连杆机构称为。
铰链四杆机构：低副均为转动副的平面四杆机构。
3.2平面四杆机构的基本型式和应用一、四杆机构的基本形式下图所示为铰链四杆机构, 其中AD杆为机架, 与机架相连的AB杆和CD杆称为连架杆, 与机架相对的BC杆称为连杆。
其中能作整周回转运动的连架杆称为曲柄；只能在小于360°的范围内摆动的连架杆称为摇2. 双曲柄机构定义：两连架杆均为曲柄的四杆机构平行双曲柄机构：在双曲柄机构中分别相等。
作用：等速转变为变速转动MBB′C′M′ADC例2：鹤式起重机应用：曲柄滑块机构用途很广, A当曲柄等速转动时，摇杆来回摆动的速度不同，返回速度较大。
称为机构的，通常用行程速度变化传动角γ:压力角的余角，γ角更便于观察和测量。
在机构运动过程中，压力角和传动角的大小是随机构位置而变化的，为保证机构的传力性能良好，设计时须限定最小传动角或最大压力角αmax 。
通常取γmin ≥40°～50°。
为此，必须确定γ = γmin 时机构的位置并检验γmin 的值是否小于上述的最小允许值。
对于曲柄滑块机构，当主动件为曲柄时，最小传动角出现在曲柄与机架垂直的位置，如图所示。
导杆机构，由于在任何位置时主动曲柄通过滑块传给从动杆的力的方向，与从动杆受力的速度方向始终一致，所以传动角始终等于90°2．死点定义：传动角为90度。
表现：倒、顺转向不定（图a ）或者从动件卡死不动（图b ）的现象。
曲柄滑块机构中，以滑块为主动件、曲柄为从动件时，死点位置是连杆与曲柄共线位置。
摆动导杆机构中，导杆为主动件、曲柄为从动件时，死点位置是导杆与曲柄垂直的位置。
克服死点方法：利用惯性法使机构渡过死点；当一个机构处于死点位置时，可借助死点。
关于柴油机连杆设计
第一章绪论1.1 课题的意义及主要工作1.1.1 课题的背景和意义近百年来，柴油机因其功率范围大、效率高、能耗低，在各型民用船舶和中小型舰艇推进装置中确立了其主导地位。
新材料、新工艺、新技术的不断开发使用，为柴油机注入了新的活力，使其在动力机械，尤其在船舶动力方面依然发挥着无法替代的作用。
据统计，在 2000吨以上的船舶中，柴油机作为动力的超过 95％，预计这一情况仍将持续下[]1去。
受油价的影响，以及一些柴油机的缺点（比如烟度和噪声）被一一克服，现在在乘用车市场，柴油动力开始渐渐显示其独特魅力。
但是，由于受各种因素的影响，我国的柴油机研究还是落后于世界先进水平。
经历多年的市场实践，国内柴油发动机生产企业已不再满足于凭借引进产品获得市场上的暂时领先，而认识到核心技术是最关键的，只有通过引进、消化、吸收的途径，自己掌握了核心技术，企业才会有发展后劲并获得可持续发展的条件。
随着我国造船事业的进一步发展，作为船舶配套中最重要的一个环节，柴油机技术的发展瓶颈已日益凸显。
因此，必须研发具有我国自主知识产权的柴油机，以提高我国船舶制造的国产率。
发动机是船舶的心脏，而发动机连杆则是承受强烈冲击力和动态应力最高的动力学负荷部件，其在工作中承受着急剧变化的动载荷，再加上连杆的高频摆动产生的惯性力,会使连杆杆身发生形变，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作,使机械效率下降。
重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化，甚至造成活塞拉缸、拉瓦，使发动机无法正常工作。
因此对其刚度和强度提出了很高的要求。
以往，连杆的的制造以铸造法和锻造法为主；20世纪80年代以来，由于采用粉末锻造法大批量生产的粉锻连杆具有力学性能优、尺寸精度高、质量较轻及质量偏差很小等特点，因而相继在发达国家快速发展，逐渐取代铸造和锻造连杆[]2。
而高密度烧结法制造连杆也快速发展，并具有良好的力学性能。
1.1.2 主要工作本课题的工作可以分为三大部分。
第一部分为连杆的结构和基本尺寸的设计过程；第二部分为运用UG对所设计的连杆进行三维建模装配；第三部分为柴油机连杆的有限元分析及强度校核。
机械原理第三章平面连杆机构及其设计
b12
C1
B
B2
B1
b. 设计 b12
c12
A
B2
C1
C2
B1
A点所在线
A
D点所在线
D
C C2
D
★ 已知连杆两位置
c23
——无穷解。要唯一解需另加条件 ★ 已知连杆三位置
b23 B3
c23
——唯一解 ★ 已知连杆四位置
——无解 B3
b12 B2 B1
C1 C2
C3
AD
B2 B1
分析图3-20
C2 C1 B4
反平行四边形
车门开闭机构
3)、双摇杆机构
若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆， 则此四杆机构称为双摇杆机构。
双摇杆机构
双摇杆机构的应用 鹤式起重机机构
鹤式起重机
倒置机构：通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。
变化铰链四杆机构的机架
C
B
整转副
2
(<360°)
(0~360°)
3
1
(0~360°)
（1）、取最短构件为机架时，得双曲柄机构。 （2） 、取最短构件的任一相邻构件为机架时，均得曲柄
摇杆机构。 （3）、取最短构件的对面构件为机架时，得双摇杆机构。
判断：所有铰链四杆机构取不同构件为机架时，都能演化成带 曲柄的机构。
例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时 各得什么机构？
取最短杆相 邻的构件为 机架得曲柄 摇杆机构
最短杆为 机架得双 曲柄机构
取最短杆对 边为机架得 双摇杆机构
特殊情况：
如果铰链四杆机构中两个构件长度相等且均为最短杆 1、若另两个构件长度不相等，则不存在整转副。 2、若另两个构件长度也相等， （1）当两最短构件相邻时，有三个整转副。 （2）当两最短构件相对时，有四个整转副。
第三章 平面连杆机构
1 2 , t1 t2 , v2 v1
急回运动的相对程度用行程速比系数来衡量
v2 t1 1 180 K v1 t2 2 180
曲柄滑块机构的急回特性
对心
无急回运动特性
偏心
有急回运动特性
导杆机构的急回特性
摆动导杆机构的极位夹角θ＝ψ（导杆摆角），导杆慢行程摆动方向 总是与曲柄转向相同。
三、 压力角与传动角(衡量传力性能)
压力角α：连杆BC为二力构件，连杆给从动构件的作用力P方向和受力点运动方 向（Vc方向）之间的锐角。——与机构的运转轻便和效率有关的参数。 传动角γ：压力角的余角——衡量机构的传动质量，可从平面连杆机构运动简图 上直接观察大小。（γ＝δ或180°－δ，δ：连杆与从动件之间夹角）
各构件的长度间关系： 在BC D中，a d b c （） 1 在BC D中，当b c时，b c d a a b c d (2) 当c b时，c b d a，c a b d (3) （ ）＋（2）得：a c， 1 （ ）＋（ ）得：a b， 1 3 又 ad
2．扩大转动副尺寸的演化
曲柄滑块机构中，当曲柄尺寸较短时， 因工艺结构和强度等方面的要求，需 将回转副扩大形成偏心圆盘机构。这 种结构尺寸的演化，不影响机构的运 动性质，却可避免在尺寸很小的曲柄 两端装设两个转动副而引起结构设计 上的困难。同时盘状构件在强度方面 优于杆状构件，在一些传递动力较大、 从动件行程很小的场合，广泛采用偏 心盘结构
实例
曲柄摇块机构
卡车翻箱卸料机构
实例
移动导杆机构
手动唧筒
1、曲柄摇杆机构；2、双曲柄机构； 3、曲柄摇杆机构；4、双摇杆机构。
第三章连杆
2
4
3.曲柄摇块机构 3.曲柄摇块机构 取曲柄滑块机构中的连杆3为机架而得到的。当 曲柄2为原动件绕点转动时，滑块4绕机架3上的铰 链中心摆动，故称该机构为曲柄摇块机构 曲柄摇块机构或称为 曲柄摇块机构 摆动滑块机构。 摆动滑块机构 应用于各种摆动式 原动机和工作机中。 原动机和工作机中。 摆缸式液压泵、 摆缸式液压泵、卡 车车箱自动翻转卸 料机构 。
机构处于死点位置， 机构处于死点位置，从动 件会出现卡死 机构自锁） 卡死（ 件会出现卡死（机构自锁） 运动方向不确定的现象 的现象。 或运动方向不确定的现象。
若在设计机构时 先给定K 先给定K值，则 :
K −1 θ = 180° ⋅ K +1
在生产实际中，常利用机构的急回运动来缩 短非生产时间，提高生产率，如牛头刨床、 往复式运输机等。
铰链四杆机构的基本性质
2.压力角与传动角 2.压力角与传动角
Fn γ
γ
α
Ft v C
压力角：从动件 压力角： 受力方向与受力 点线速度方向之 间所夹的锐角。 间所夹的锐角。 传动角:压力角 传动角: 的余角即连杆与 从动件间所夹的 锐角。 锐角。
1、扩大转动副
2 B 1 A 4
C 3 D 1 A B 4
2
C 3 D B A 1 4
2
C 3 D
偏心轮，偏心距， 偏心轮机构
2、转动副转化成移动副：
3 C 2 B 1 A 4 3 1 D 3 C B 2 1 A 4 e 1 A B 2 4 C 3 A D B 2 Kc C 4 Kc
曲柄滑块机构（偏距e） e≠0，偏置曲柄滑块机构 e=0， 对心曲柄滑块机构
Fn = F sin α
Ft = F cos α
第三章 连杆机构设计和分析
第三章连杆机构设计和分析本章重点：平面四杆机构设计的几何法、解析法，及平面连杆机构运动分析的几何方法、解析法，机构动态静力分析的特点本章难点：1. 绘制速度多边形和加速度多边形时，不仅要和机构简图中的位置多边形相似，而且字母顺序也必须一致。
2．相对速度和加速度的方向，及角速度和角加速度的转向。
3．用解析法对平面机构进行运动分析，随着计算机的普及，已越来越显得重要，并且将在运动分析中取代图解法而占主要地位。
其中难点在于用什么样的教学工具来建立位移方程，并解此方程。
因为位移方程往往是非线性方程。
基本要求：了解平面连杆机构的基本型式及其演化；对平面四杆机构的一些基本知识(包括曲柄存在的条件、急回运动及行程速比系数、传动角及死点、运动的连续性等)有明确的概念；能按已知连杆三位置、两连架杆三对应位置、行程速比系数等要求设计平面四杆机构。
§3－1 平面四杆机构的特点和基本形式一、平面连杆机构的特点能够实现多种运动轨迹曲线和运动规律，低副不易磨损而又易于加工。
由本身几何形状保持接触。
因此广泛应用于各种机械及仪表中。
不足之处:作变速运动的构件惯性力及惯性力矩难以完全平衡；较难准确实现任意预期的运动规律，设计方法较复杂。
连杆机构中应用最广泛的是平面四杆机构。
二、平面四杆机构的基本型式三种：曲柄摇杆机构双曲柄机构双摇杆机构三、平面四杆机构的演变1．转动副转化为移动副2．取不同构件为机架：3．变换构件的形态4．扩大转动副尺寸。
§3－2 平面连杆机构设计中的一些共性一、平面四杆机构有曲柄的条件上一节中，已经讲过平面四铰链机构中有三种基本形式：曲柄摇杆机构（一个曲柄）；双曲柄机构（二个曲柄）；双摇杆机构（没有曲柄）。
可见有没有曲柄，有几个曲柄是基本形式的主要特征。
因此，曲柄存在条件在杆机构中具有十分重要的地位。
下面分析曲柄存在条件：在铰链四杆机构中，有四个转动副和四个杆，为什么连架杆能作整周旋转（曲柄），有时就不能作整周旋转（摇杆）呢？这主要是因为四杆的相对杆长能约束连架杆是否能整周旋转或只作摆动的缘故。
第三章-曲柄连杆机构1-4节讲义
（1）降低热负荷，避免热应 力过大而开裂
4、材料：（1）铝合金压铸：a、导热性好
（汽油机及少数
b、质量轻
(2）可提高压缩比（汽油机）
柴油机）
c、铸造流动性好（风冷发动机散热片铸造容易）
d、刚度低:易变形导致漏气、漏水
f、强度低:气缸盖螺栓孔易拉毛
g、不耐高温:超过350C，强度急剧降低
（2）灰铸铁或合金铸铁： a 、刚度、强度高 （大部分柴油机） b 、耐高温 c 、导热性差:缸盖底面鼻梁区易开裂 d 、质量重
3
3、摩擦力：忽略不计。
五、总结：曲柄连杆机构（包括机体组）各有关零件受到压缩、拉伸、弯
曲和扭转作用。
第二节 机体组
机体组由气缸体（有的发动机有曲轴箱）、气缸盖和油底壳组成。
一、气缸体
水冷发动机的气缸体与曲轴箱常铸成一体，简称气缸体，有的水冷发动
机的气缸体象风冷发动机的气缸体一样，将气缸体与上曲轴箱（其内腔为曲
2、往复惯性力与离心力：活塞加速度：在上止点前后活塞加速度是正值，往 复惯性力朝上；在下止点前后活塞加速度是负值，往复惯性力朝下。如图 （3-2）。
偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯 性力，其方向沿曲柄半径向外。
曲轴转速愈高，往复惯性质量和旋转惯性质量愈大，则往复惯性力与离 心力愈大，惯性力使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈（轴承）受周期性变 化的附加负荷，加快磨损。若不加以平衡，惯性力传到气缸体外，引起发动 机的振动。
压配在气缸体内孔中。其优点是：密封性好，气缸体刚性好，不易变形。缺点
是：
a 、制造成本增加：气缸体内孔、缸套外圆亦需精加工，且薄壁缸套刚性差，
加工装夹时易变形。
b、热负荷增加：缸套外圆与气缸体内孔理论上是完全接触，但加工误差使
第三章-平面连杆机构讲解
小型刨床机构
曲柄摆动导杆机构 (a)曲柄摆动导杆机构 ; (b)电气开关
卡车车厢自动翻转卸料机构
手动抽水机
第十一页，编辑于星期二：二十二点 五分。
3. 偏心轮机构 扩大转动副
（ a）等效曲柄滑块机构
（ b）曲柄滑块机构 （ c）等效曲柄摇杆机构 （d) 曲柄摇杆机构
特点：容易加工；
工作时润滑条件和受力情况好；
∴X ≤67
②当45mm为最长杆时：即18+45≤40+x
∴X ≥23 ∴当23≤X ≤67时，该机构为曲柄摇杆机 构
第十九页，编辑于星期二：二十二点 五分。
二、急回特性和行程速比系数
曲柄等速转动时， 摇杆往复摆动的平均速 度不相同，这种运动称 为曲柄摇杆机构的 急回
运动。曲柄摇杆机构的
急回运动程度可以用 2
A
AC 1= l1+l2
AC2=l2- l1
=> l1 =( AC1－ AC2)/ 2
⑥以 A为圆心， A C2为半径作弧交
于 E,得：l1 =EC1/ 2 l2 = A C1－EC1/ 2
θD P
第二十九页，编辑于星期二：二十二点 五分。
（7）讨论：由于 A点可在△ C1PC2的外接圆周的弧 C1PC2 上任意选取，所以，若仅按行程速比系数 K来
18 15
A
30
D
∵15+30>20+18 ∴此机构属于 双摇杆机构
其中 AB、CD都为摇杆
C B 17
22
10
A
28
D
∵10+28<17+22
又∵最短杆AB固定作为机架
∴此机构属于 双曲柄机构 其中 AB、CD都为曲柄
第三章平面连杆机构的及其设计
例：选择双滑块机构中的不同构件作为机架 可得不同的机构
2 1
3 4
正弦机构
2
1 4
3
椭圆仪机构
§3－3 铰链四杆机构的主要工作特性
• 有曲柄的条件 • 急回特性 • 压力角及死点 • 连杆曲线
§3-3 平面四杆机构的主要工作特性
一、转动副为整转副的充分必要条件
铰链四杆机构中某个转动副是否为整转动副取决于四个构 件的相对长度关系。考虑到机构中任意两构件之间的相对运动 关系与其中哪个构件为机架无关，故可针对铰链四杆运动链分 析转动副为整转动副的充分必要条件。
原动件作匀速转动，从动件 a
q
B2
作往复运动的机构，从动件正行 1
程和反行程的平均速度不相等。
A
d
B1
2
C
C2
c
D
2、行程速度变化系数
K
从动件快行程平均速度 从动件慢行程平均速度
1
C1
b
B
a
1 A
B1
2
q
B2
d
C
C2
c
D
∴
q 180 K 1
K 1
极位夹角θ（<C2AC1）（其值与构件尺寸有关，可能
ad bc 及
d a bc
1）当d≥a时，则 a ＋ b≤d＋c a＋c ≤ d＋b
分别相加得：a≤c a≤b a≤d
(a 最短)
2）当a≥d时，则 d ＋ b ≤ a＋ c d ＋ c≤a ＋ b
分别两两相加得：d≤c d≤b d≤a
(d 最短)
有整转副的条件：
构件1最短时，若取BC为机架，则结论相同，可知 铰链B也是整转副。
B
连杆机构分析和设计
连杆机构分析和设计第三章连杆机构分析和设计1、在条件下，曲柄滑块机构具有急回特性。
2、平⾯连杆机构是由许多刚性构件⽤联接⽽形成的机构。
3、在图⽰导杆机构中，AB为主动件时，该机构传动⾓的值为。
4、铰链四杆机构具有急回特性时其极位夹⾓θ值，对⼼曲柄滑块机构的θ值，所以它急回特性，摆动导杆机构急回特性。
5、对⼼曲柄滑块机构曲柄长为a，连杆长为b，则最⼩传动⾓γmin等于，它出现在位置。
6、在四连杆机构中，能实现急回运动的机构有（1），(2)，（3）。
7、铰链四杆机构有曲柄的条件是，双摇杆机构存在的条件是。
(⽤⽂字说明)8、图⽰运动链，当选择杆为机架时为双曲柄机构；选择杆为机架时为双摇杆机构；选择杆为机架时则为曲柄摇杆机构。
9、当四杆机构的压⼒⾓α=90?时，传动⾓等于，该机构处于位置。
10、在曲柄摇杆机构中，最⼩传动⾓发⽣的位置在。
11、通常压⼒⾓α是指间所夹锐⾓。
12、⼀对⼼式曲柄滑块机构，若以滑块为机架，则将演化成机构。
13、铰链四杆机构连杆点轨迹的形状和位置取决于个机构参数；⽤铰链四杆机构能精确再现个给定的连杆平⾯位置。
14、铰链四杆机构演化成其它型式的四杆机构(1) ，(2) ，(3)等三种⽅法。
15、图⽰为⼀偏置曲柄滑块机构。
试问：AB 杆成为曲柄的条件是：。
若以曲柄为主动件，机构的最⼤压⼒⾓= ，发⽣在。
max16、3 个彼此作平⾯平⾏运动的构件间共有个速度瞬⼼，这⼏个瞬⼼必定位于上。
含有6 个构件的平⾯机构，其速度瞬⼼共有个，其中有个是绝对瞬⼼，有个是相对瞬⼼。
17、相对瞬⼼与绝对瞬⼼的相同点是，不同点是。
18、当两构件组成转动副时，其速度瞬⼼在处；组成移动副时，其速度瞬⼼在处；组成兼有相对滚动和滑动的平⾯⾼副时，其速度瞬⼼在上。
19、速度瞬⼼是两刚体上为零的重合点。
20、铰链四杆机构共有个速度瞬⼼，其中个是绝对瞬⼼，个是相对瞬⼼。
21、画出图⽰机构的全部瞬⼼。
22、画出图⽰机构的指定瞬⼼。
第三章 机构组合与创新设
基本机构及其运动特性 基本机构及其组合的概念 机构组成原理与机构创新设计 机构的串联组合与创新设计 机构的并联组合与创新设计 机构的叠加组合与创新设计 机构的封闭组合与创新设计 其它类型的机构组合与创新设计
§3-1 基本机构及其运动特性
一、基本机构的概念
本章把连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、间 歇运动机构等结构最简单且不能再进行分割的闭
第十二章 机构组合与创新设计
简单机械的示意图
第十二章 机构组合与创新设计
复杂的机械装置
第十二章 机构组合与创新设计
常用的机构组合方法如下:
1. 利用机构的组成原理，不断连接各类杆组，可得到复杂的
机构系统。
2. 按照串联规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 3. 按照并联规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 4. 按照叠加规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。 5. 按照封闭规则组合基本机构，可得到复杂的机构系统。
1.基本概念
前一个机构的输出构件与后一个机构 的输入构件刚性连接在一起，称之为串联 组合。 前一个机构称为前置机构，后一个机 构称为后置机构。其特征是前置机构和后 置机构都是单自由度机构。
第十二章 机构组合与创新设计
2.分类
机构1 前置机构
机构2 后置机构 (a) I型串联
机构1
前置机构
机构2
后置机构 ( b) II型串联
第十二章 机构组合与创新设计
第五节 机构的并联组合与创新设计
一、机构的并联组合方法 二、并联组合的基本思路
第十二章 机构组合与创新设计
一、机构的并联组合方法
1. 基本概念 2. 分类
3. 组合示例
第十二章 机构组合与创新设计
第三章曲柄连杆机构
第三章 曲柄连杆机构
为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对气
缸和气缸盖进行适当地冷却。
第三章 曲柄连杆机构
二、气缸套
气缸直接镗在气缸体上称为整体式气缸，整体式气
缸强度和刚度都好，能承受较大的载荷，但这种气缸对
材料要求高，成本高。
干式气缸套
第三章 曲柄连杆机构
湿式气缸套
第三章 曲柄连杆机构
三、气缸盖
气缸盖安装在气缸体的上面, 从上部密封气缸并构
成燃烧室。
第三章 曲柄连杆机构
四、汽油机燃烧室
第三章 曲柄连杆机构
五、气缸垫
气缸垫装在气缸盖和气缸体之间，其作用是保证气缸 盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。
活塞环密封面
气环开口形状
第三章 曲柄连杆机构
气环的断面形状很多，最常见的有矩形环、扭曲环、 锥面环、梯形环和桶面环。
第三章 曲柄连杆机构
第三章 曲柄连杆机构
第三章 曲柄连杆机构
2. 油环
第三章 曲柄连杆机构
三、活塞销
活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受 的气体压力传给连杆。
第三章 曲柄连杆机构
第三章 曲柄连杆机构
3. 连杆大头
（1）连杆大头的形式
1）平分
第三章 曲柄连杆机构
2）斜分
斜分式连杆及其定位方法
第三章 曲柄连杆机构
（2）连杆轴瓦 为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损, 连杆大头 孔内装有瓦片式滑动轴承， 简称连杆轴瓦。
连杆轴瓦 1—钢背 2—油槽 3—定位凸键 4—减磨合金杆轴瓦
第三章 曲柄连杆机构
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第三章 连杆的基本设计
3.1 连杆结构及长度的确定
单列式汽油机的连杆，根据大头的结构一般可分为平切口、斜切口连杆及分体式连杆。
多列式柴油机的连杆有并列连杆、叉形连杆、主副连杆等类型。
连杆的长短直接影响到柴油机的高度及侧压力的大小,较长的连杆能使惯性力增加,而同时在侧压力方面的改善却不明显。
因此在柴油机设计时,当运动件不与有关零部件相碰时,都力求缩短连杆的长度。
连杆长度L （即连杆大小头孔中心距）与结构参数l R
=λ（R 为曲柄半径）有关。
连杆
长度越短，即λ越大，则可降低发动机高度，减轻运动件重量和整机重量，对高速化有利，但λ大，使二级往复惯性力及气缸侧压力增大，并增加曲轴平衡块与活塞、气缸相碰的可能性。
在现代高速内燃机中，连杆长度的下限大约是l=3.2，即λ=1/3.2，上限大约是l=4R 。
连杆长度的确定必须与所设计的内燃机整体相适应，连杆设计完成后应进行零件之间的防碰撞校核，应校核当连杆在最大摆角位置上时是否与气缸套的下缘相碰，以及当活塞在下止点附近位置上时活塞下缘是否与平衡重相碰，它们之间的最小距离都不应小于2～5毫米[]4。
在机体的设计中，已经根据要求设计出连杆长度为
168mm 。
3.2连杆小头的设计
3.2.1 小头结构型式
现代内燃机绝大多数采用浮式活塞销，也就是说，
在运转过程中活塞的销座中和在连杆的小头中都 是能够自由转动的。
本连杆的小头的设计采用薄壁圆环形结构，优点是构形简
单、制造方便，材料能充分应用，受力时应力分布较均匀[]4。
连杆小头的构造如图3-1所示： 图 3-1 连杆小头结构型式
3.2.2 小头结构尺寸
小头主要尺寸为连杆衬套内径d 和小头宽度b 1（通常小头和衬套制成同样的宽度）。
b 1取决于活塞销座间隔b 。
连杆小头主要尺寸比例范围大致如下：
D=(0.28～0.42)D
δ=(04～0.08)d
d 1=(0.9～1.2)d
d 2=(1.2～1.4)d 1
根据《内燃机设计》要求[]1，初步设计连杆小头的主要尺寸为：
连杆小头衬套内径 d=25mm,
小头衬套厚度 δ=3mm 宽度同小头同宽
小头孔径 d 1=28mm
小头外径 d 2=34mm
小头宽度 b 1=30mm
小头油孔直径 d 0=3mm
3.2.3 连杆衬套
衬套与连杆小头孔为过盈配合，青铜衬套与活塞销的配合间隙∆大致在（0.0004～0.0015）d 的范围内，在采用粉末冶金衬套时，由于衬套压入后，内径会缩小，因此配合间隙应适当放大，一般∆大致在（0.0015～0.0020）d 。
在四冲程柴油机中，为减少小头轴承的冲击负荷，间隙应尽量取小些，以不发生咬合为原则[]4。
在小头上方开有集油孔或集油槽，靠曲轴箱中飞溅的油雾进行润滑。
润滑油的均匀分布可通过衬套上开布油槽来达到。
设计衬套宽度与连杆小头等宽，厚度为3mm ，选用铅青铜材料。
3.3 连杆杆身
连杆杆身的截形十分重要,它应能在保证强度的前提下有尽量较轻的重量,此外,还要有利于该截面形状向大端、小端的过渡,因此柴油机连杆杆身常采用工字形截面。
连杆杆身采用工字形截面，其长轴位于连杆摆动平面，这种截面对材料利用得最为合理。
连杆杆身截面的高H 一般大约是截面宽度的1.5～1.8倍，而B 大约等于（0.26～0.3）D(D 为气缸直径)。
为了使杆身能与小头和大头圆滑过渡，杆身截面是由上向下逐渐增大的。
杆身的最小截面积与活塞面积之比，对于钢制连杆来说大约是在1
1
2530 的范围内[]4。
根据《柴油机设计手册》要求，本连杆设计的杆身尺寸为：
杆身高度H=25mm
杆身宽度B=12mm
3.4 连杆大头
3.4.1 大头结构型式
连杆大头为了与曲轴相配，都用剖分式结构。
从结构简单、对称和刚度、强度出发，连杆体与连杆盖的剖分面一般均垂直连杆轴线，称为平切口连杆。
不过，从内燃机装拆方便性出发，要求连杆大头在拆卸连杆盖后应能通过所缸孔，即B
<D(最小空隙应为0.5mm左右)。
实践表明，当曲柄销的直径大于0.65D时，具有足够强度的平切口连杆大头一般就不能满足上述要求。
这时就不得不采用斜切口连杆。
平切口连杆结构型式如图 3-2 所示：
图
3-2
平切
口连
杆的
基本
型式
在
本
设
计
中
的某船艇用柴油机中，由于曲柄销的直径D
2=58mm,缸径D=92mm,
D
D
2=0.63＜0.65，所以采
用平切口连杆。
3.4.2 大头尺寸
大端孔径主要取决于曲柄销直径及连杆轴瓦厚度，根据《内燃机设计》要求[]1，本连杆设计的大头主要尺寸为：
连杆大头轴瓦厚度 δ=2mm,
大头孔径 D 1=58+2×2=62mm
大头宽度 b 2=36mm
螺栓矩 L 1=(1.20～1.30)D 1 取 L 1=76=1.222D 1
螺栓孔外侧边厚不小于（2～4）mm 取螺栓孔外侧边厚4mm
连杆大头高度 H 1=H 2=0.50D 1=29mm
3.4.3 大头定位方式
平切口连杆采用螺栓定位方式，可防止连杆体和连杆盖安装错位，连杆螺栓不承受剪切作用。
本设计所采用的连杆是M10类型。
3.5 过渡区
连杆的过渡区域需要较大的过渡半径。
连杆小端工作时,下半部主要承受燃气的爆发压力,而上半部则承受着活塞组的往复惯性力,所以连杆小端到杆身的过渡结构对小端的强度有很大的影响,其切点处常常是应力高峰值的所在地,因此小端和大端与杆身连接处采用大圆弧过渡,一方面提高小端与大端的刚度,另一方面也减少了这些地方的应力集中。
3．6连杆螺栓的设计
连杆上的螺栓数目是2，根据汽缸直径D 粗算螺栓螺杆的螺纹直径M d 根据统计
D d M )12.01.0(-=,取mm D d M 12.1011.0==，根究国家标准，选用M10的标准六角螺
栓。
连杆螺栓一般用45Mn2、40Cr 、35CrMoVA 、18CrNiWA ，螺母用35、45、40Cr 、40MnB 等。
本连杆螺栓采用40Cr 制造，螺母采40MnB 制造。
具有良好的抗拉强度和硬度。
3.7 本章小结
本章内容是本论文的关键部分，概据已知的BJ492QA 型汽油机性能特点，严格按照《内燃机设计》（杨连生版），进行该汽油机连杆的设计，选定了连杆的结构型式、大小头及杆身的结构和尺寸，以及润滑方式、定位方式等，是以下几章三维建模和计算校核的基础。