第二章曲柄连杆机构受力分析解读
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本章主要内容
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
2018/11/30
内燃机设计
1
曲柄连杆机构运动学
2018/11/30
内燃机设计
2
曲柄连杆机构运动学
2018/11/30
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 1、内燃机曲柄连杆机构分类 （1）中心曲柄连杆机构 （2）偏心曲柄连杆机构。目的在于减小 膨胀行程活塞对气缸的作用力，或在于减 轻上止点附近活塞对气缸的拍击。 （3）关节曲柄连杆机构。用于少数双列 式V型及全部三列W型、四列X型和多列 星型内燃机中
* /(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
• γ：V型夹角； • γf：关节夹角； • 其他同中心曲 柄连杆机构， 副连杆相应参 数带有下标f。
γ H φ
γf
H φf
2018/11/30
内燃机设计
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主副连杆运动曲线
2018/11/30
内燃机设计
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活塞运动规律分析与用途
• １、简谐运动规律：活塞运动可以用简谐函 数表达，可表示为一阶分量和二阶分量；一 阶分量与曲轴同步，二阶分量比曲轴速度快 一倍。 • ２、活塞运动规律的用途： • （１）活塞位移用于示功图（p-φ与p-v）的 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。
2 cos2 (sin )2 }[1 2 (sin )2 ]3/ 2
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内燃机设计
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偏心曲柄连杆机构运动特点
• 活塞从上止点到下止点曲柄转过的角度大于 １８０度； • 活塞从下止点到上止点曲柄转过的角度小于 １８０度； • 活塞行程大于２倍曲柄半径； • 偏心量不大时，可用中心曲柄连杆机构运动 公式计算。
a r 2 {cos [cos2 (1 2 sin 2 ) (2 / 4) sin 2 2 ](1 2 sin 2 ) 3/ 2 }
无量纲化
x* x / r (1 1 / ) cos (1 2 sin 2 )1/ 2 /
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内燃机设计
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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 )
* sin ( / 2) sin 2
a * cos cos2
其最大误差是，
x
*
为0.2%
*
为0.5%
a
*
为1%
2018/11/30
内燃机设计
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λ≤1/4时活塞运动曲线
2018/11/30
内燃机设计
10
λ＞1/4时活塞运动曲线
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内燃机设计
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三、偏心曲柄连杆机构运动学
• 一般来说，当偏心率ε>0.1时，其运动情况与 中心机构差别较大，需专门处理。其运动学 特征表现为S>2r，且上、下止点的曲柄转角 位置不在特殊位置（0或180度曲轴转角）。 其无量纲运动公式为：
内燃机设计
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2018/11/30
各种曲柄连杆机构
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
l
r
6
• 偏心率： e / r
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内燃机设计
二、中心曲柄连杆机构运动学
• 在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复 运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动， 且假定其作等速转动。
• 1、活塞运动规律
• 设x为活塞位移（上止点位置为起点），v 为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角， β为连杆摆角。则
x r l r cos l cos
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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
2018/11/30
内燃机设计
19
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
sin sin
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内燃机设计
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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 ]
x* [(1 1 / ) 2 2 ]1/ 2 cos [1 2 (sin ) 2 ]1/ 2 /
* sin cos (sin )[1 2 (sin ) 2 ]1/ 2
a* cos {(cos2 sin )[1 2 (sin ) 2 ]
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
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曲柄连杆机构受力
P F Fj
Fr
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内燃机设计
21
曲柄连杆机构受力分析
2018/11/30
内ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机设计
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曲柄连杆机构受力分析
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内燃机设计
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四、关节曲柄连杆机构运动学
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内燃机设计
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关节曲柄连杆机构运动学
• 关节曲柄连杆机 构中，主活塞、 主连杆的运动规 律与一般曲柄连 杆机构相同，而 副活塞、副连杆 的运动规律与前 者有差异。
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关节曲柄连杆机构主要参数
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
2018/11/30
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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
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内燃机设计
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曲柄连杆机构运动学
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• • •
•
内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数 1、内燃机曲柄连杆机构分类 （1）中心曲柄连杆机构 （2）偏心曲柄连杆机构。目的在于减小 膨胀行程活塞对气缸的作用力，或在于减 轻上止点附近活塞对气缸的拍击。 （3）关节曲柄连杆机构。用于少数双列 式V型及全部三列W型、四列X型和多列 星型内燃机中
* /(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
• γ：V型夹角； • γf：关节夹角； • 其他同中心曲 柄连杆机构， 副连杆相应参 数带有下标f。
γ H φ
γf
H φf
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主副连杆运动曲线
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活塞运动规律分析与用途
• １、简谐运动规律：活塞运动可以用简谐函 数表达，可表示为一阶分量和二阶分量；一 阶分量与曲轴同步，二阶分量比曲轴速度快 一倍。 • ２、活塞运动规律的用途： • （１）活塞位移用于示功图（p-φ与p-v）的 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。
2 cos2 (sin )2 }[1 2 (sin )2 ]3/ 2
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偏心曲柄连杆机构运动特点
• 活塞从上止点到下止点曲柄转过的角度大于 １８０度； • 活塞从下止点到上止点曲柄转过的角度小于 １８０度； • 活塞行程大于２倍曲柄半径； • 偏心量不大时，可用中心曲柄连杆机构运动 公式计算。
a r 2 {cos [cos2 (1 2 sin 2 ) (2 / 4) sin 2 2 ](1 2 sin 2 ) 3/ 2 }
无量纲化
x* x / r (1 1 / ) cos (1 2 sin 2 )1/ 2 /
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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 )
* sin ( / 2) sin 2
a * cos cos2
其最大误差是，
x
*
为0.2%
*
为0.5%
a
*
为1%
2018/11/30
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λ≤1/4时活塞运动曲线
2018/11/30
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10
λ＞1/4时活塞运动曲线
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11
三、偏心曲柄连杆机构运动学
• 一般来说，当偏心率ε>0.1时，其运动情况与 中心机构差别较大，需专门处理。其运动学 特征表现为S>2r，且上、下止点的曲柄转角 位置不在特殊位置（0或180度曲轴转角）。 其无量纲运动公式为：
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各种曲柄连杆机构
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
l
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• 偏心率： e / r
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二、中心曲柄连杆机构运动学
• 在中心曲柄连杆机构中，活塞作直线往复 运动，连杆作平面运动，曲柄作旋转运动， 且假定其作等速转动。
• 1、活塞运动规律
• 设x为活塞位移（上止点位置为起点），v 为活塞速度，a为活塞加速度，为曲柄转角， β为连杆摆角。则
x r l r cos l cos
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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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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
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 ]
x* [(1 1 / ) 2 2 ]1/ 2 cos [1 2 (sin ) 2 ]1/ 2 /
* sin cos (sin )[1 2 (sin ) 2 ]1/ 2
a* cos {(cos2 sin )[1 2 (sin ) 2 ]
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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曲柄连杆机构受力
P F Fj
Fr
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曲柄连杆机构受力分析
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内ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ机设计
22
曲柄连杆机构受力分析
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四、关节曲柄连杆机构运动学
2018/11/30
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关节曲柄连杆机构运动学
• 关节曲柄连杆机 构中，主活塞、 主连杆的运动规 律与一般曲柄连 杆机构相同，而 副活塞、副连杆 的运动规律与前 者有差异。
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关节曲柄连杆机构主要参数