第二章曲柄连杆机构受力分析

（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
• 偏心率： e / r

l
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。
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3、往复惯性力
Fj mja mjr2 (cos cos2)
• 单位活塞投影面积的往复惯性力：
f j Fj /(D2 / 4) f0(cos cos2)
f0 mjr2 /(D2 / 4)
往复惯性力在曲柄连杆机构中的传递情况与 气体作用力很相似，但它不能在内燃机内部 自行抵消，所以会引起支反力：
* /(r ) sin ( / 2) sin 2 (1 2 sin2 )1/2 a* a /(r 2 ) cos [cos 2 (1 2 sin2 ) (2 / 4) sin2 2 ](1 2 sin2 )3/2
T 0,1 0
T 1,2 T1()
T 2,3 T 1,2 T1( 240 0 ) T 3,4 T 2,3 T1( 480 0 ) T 4,5 T 3,4 T1( 120 0 ) T 5,6 T 4,5 T1( 600 0 ) T 6,7 T 5,6 T1( 360 0 )
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
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往复惯性力引起的支反力
R j Fj / 2 Tkj / b
F
P Fj
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Rj
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Fr Rj
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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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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 {(cos 2 sin )[1 2 (sin )2 ]
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各连杆轴颈所受转矩
• 根据转矩向后传递的原 则，某连杆轴颈所受的 转矩应该是前一个主轴 颈上的累积转矩与作用 在本曲柄销上的切向力 所引起单缸转矩的一半 （因为切向力由本拐两 端的主轴承各承担一半， 只有前端支反力对本拐 曲柄销有转矩作用。
Tqi
T i1,i

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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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曲柄连杆机构受力分析
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一、气体作用力
• 作用在活塞顶上的气体力就是内燃机的示功 图，示功图可通过工作过程模拟计算（对新 设计内燃机）或试验方法（对现有内燃机） 确定。
• 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。
H
γ
γf
φ
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。
• 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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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：
• 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
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 sin2 )1/2 / ]
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
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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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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
x * 为0.2%
* 为0.5%
a * 为1%
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λ≤1/4时活塞运动曲线
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λ＞1/4时活塞运动曲线
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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：
• （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
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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
• 则这时其它缸的转矩为：
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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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。
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四、多缸机转矩
• 以六缸四冲程发动机（1-5-3-6-2-4-1）为例
1 --- 5 --- 3 --- 6 --- 2 --- 4 --- 1
120
240
360 480
600
720
1,6
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四、多缸机转矩
第一缸转矩为： T1 Ftr Fr sin( ) / cos T1()
m1=ml(l-l’)/l； m2=mll’/l • 所以，曲柄连杆机构的往复质量为
•
m j m p m1
• 旋转质量为
m2
m1
l’
mr mc m2
l
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2、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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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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• 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。
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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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1、曲柄销负荷图
• 作用在曲柄销上的载荷 Fcp，除了法向力 Fn 和切向力 Ft 外，还有连杆大头的旋转质量 m2产生的离心力 F（rl 常矢量）。
Fcp Frl Fn Ft Fn
Frl
Ft
Fcp
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1、曲柄销负荷图
作用在曲柄销上的载 荷 Fcp，除了法向力 Fn 和 切向力 Ft 外，还有连杆 大头的旋转质量m2产生 的离心力 F（rl 常矢量）。