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第二章曲柄连杆机构受力分析资料

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第二章曲柄连杆机构动力学分析

第二章曲柄连杆机构动力学分析

1 sin 1 2 2 L cos 1 sin 2 （近似式）
2 2
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
（此值约为1.6）

3、活塞加速度
cos cos a R 3 cos cos
2 2
2 2 2
（精确式）
a R (cos cos 2 ) R cos R cos 2 a I a II
（近似式）




（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。
用近似式计算加速度在α =0º 、180º 时没有误差，在α =90º 、270º 时误差最大。以λ =0.32时为例，相对误差约为 5.3%
由近似式可得出活塞加速度的最大值和最小值： ① 当λ <1/4时，α =0º 时活塞正向最大加速度 2 （极大值） a R (1 )
max
α =180º 时活塞负向最大加速度



4
1 cos 2 x I x II


（近似式）
无量纲速度（活塞速度系数）：
v sin v R cos

2.曲柄连杆机构

2.曲柄连杆机构
好，密封性差 · 阶梯形：密封性好，工艺性差 · 斜切口：密封性和工艺性介于 上述二者之间
切口间隙值一般为0.25mm0.8mm
气环断面形状
形状 矩形环 扭曲环 锥面环 梯形环 桶面环
特点 结构简单、制造方便、易于生产、应用面广 断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲 减少环与气缸壁的接触面，提高表面接触压力，有利于磨合和密封。 加工困难，精度要求高 外圆为凸圆弧形
曲柄连杆机构受的力 主要有气压力 FP ，往 复 惯 性 力 Fj ， 旋 转 离 心力Fc和摩擦力F。 FP F Fj
FC
1、 气压力：气压力的集中力FP分解为侧压力 FP1和FP2， FP1分解为FR和FS，FR使曲轴主轴颈处 受压，FS为周向产生转矩的力。
(1)作功行程：侧压力FP1向左， 活塞的左侧面压向气缸壁，左 侧磨损严重
一般式
龙门式
隧道式
油底壳安装平 面低于曲轴的 旋转中心
气缸体上曲 轴的主轴承 孔为整体式
性能与应用比较
名 称 一般式 性 能 应 用 492Q汽油机，90 系列柴油机。 机体高度小、重量轻、结 构紧凑，便于加工拆卸。 刚度和强度差。
龙门式
捷达轿车、富康 强度和刚度较好。工艺性 轿车、桑塔纳轿 差、结构笨重、加工困难。 车
6、活塞在工作时的保护措施
（1）在活塞裙部表面涂保护层，可改善铝合金活塞的磨合性； 主要有铅、锡、石墨、磷保护层等。 （2）在安装活塞销时，使活塞销偏置某一方向装，以减少换向 时的敲击声，且使裙部减小磨损； 有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的， 向作功行程中受主侧压力的一方偏移了1～2mm。
（1）活塞顶部
结构简单、制造容 易、受热面积小、 应力分布较均匀， 多用在汽油机上。

曲柄连杆机构受力分析

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

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

第二章曲柄连杆机构动力学分析

第二章曲柄连杆机构动力学分析
1、活塞位移：
x (L R) (L cos R cos)
R(1 cos) L(1 1 2 sin 2 )
（精确式）
x
R(1 cos)
R
4
(1
c os2 )
xI
xII
（近似式）
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。
mCA
mC
L lA L
mCB
mC
L lB L
mC
lA L
对于有的高速发动机还须满足一个条件：
③ 两个换算质量对连杆质心的转动惯量之和等于原来连杆的转动惯
量，即
mCA
l
2 A
mCB
l
2 B
IC
式中IC为原连杆的转动惯量。但采用二质量替代系统时，在连杆 摆动角加速度下的惯性力矩要偏大 ΔMC=[（mCAlA2+mCBlB2）-IC]ε 为此，可用三质量替代系统：
a
R
2
cos
cos
c os2 c os3
R 2 cos cos2 sin
连杆摆角： arcsinsin
连杆摆动角速度：L
cos
1 2 sin 2
1/ 2
连杆摆动角加速度： L
2
(1 2
2 2 ) sin
1 2 sin
2 (1 sin 2 )
2 3/ 2
单缸切力曲线及六缸合成图 各轴颈输出扭矩
各轴颈输出扭矩如图
M TII M T (1) M TIII M TII M T (2)
M TIV M TIII M T (3) M TV M TIV M T (4)

第2章曲柄连杆机构

第2章曲柄连杆机构
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2.3机体组
2.3.1汽缸体
1.汽缸体的结构形式 水冷发动机的汽缸体和曲轴箱通常铸成一体，可称为汽缸体
一曲轴箱，也可简称为汽缸体。汽缸体上半部有一个或若十个为 活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为汽缸;下半部为支承曲轴 的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。作为发动机各个机构和系 统的装配基体，汽缸体本身应具有足够的刚度和强度。其具体结 构形式分为三种，如图2-4所示。
汽缸套有干式和湿式两种，如图2-10所示。
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2.3机体组
2.3.2汽缸盖与汽缸衬垫
1.汽缸盖 汽缸盖的主要功用是密封汽缸上部，并与活塞顶部和汽缸一
起形成燃烧室。同时，汽缸盖也为其他零部件提供安装位置。汽 缸盖的燃烧室一侧直接受到高温、高压燃气的作用。在承受热负 荷时，由于形状复杂，冷却不均匀，各部分温差大，特别是在进、 排气门口之间以及进、排气门口与汽油机的火花塞之间(或进、排 气门)与柴油机的喷油器之间的所谓“鼻梁区”，热应力很高，是 容易出现裂纹损坏的部位;而汽缸盖在机械负荷和热负荷作用下产 生的变形会导致进、排气门密封被破坏和汽缸盖密封(气封、水封、 油封)被破坏，影响发动机的动力性、经济性和工作可靠性。因此， 要求汽缸盖应具有足够的强度和刚度。
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2.5曲轴飞轮组
按照曲轴的主轴颈数，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支 承曲轴两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴， 称为全支承曲轴;否则称为非全支承曲轴。
因此，直列发动机的全支承曲轴，其主轴颈的总数(包括曲轴 前端和后端的主轴颈)比汽缸数多一个;V形发动机的全支承曲轴， 其主轴颈的总数比汽缸数的一半多一个。全支承曲轴的优点是可 以提高曲轴的刚度和恋曲强度，并目可减轻主轴承的载荷。其缺 点是曲轴的加工表面增多，主轴承增多，使机体加长。这两种形 式的曲轴均可用于汽油机，但柴油机多采用全支承曲轴，这是因 为其载荷较大的缘故。

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

1、曲柄连机构的运动： 活塞：往复直线运动 连杆杆身：复杂的平面运动 曲轴：旋转运动
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

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
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
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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
2019/11/25
内燃机设计
2
曲柄连杆机构运动学
2019/11/25
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
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
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内燃机设计
6
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。

汽车构造(上册)——第2章曲柄连杆机构

小头孔和活塞销座孔中都能转动。
• (2)装配： • 1）销与销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配
法。
• 2） 热装合：将活塞放入热水或热油中加热后，迅 速将销装入。
2.半浮式
❖ (1)定义：销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一 处浮动。（一般固定连杆小头）
❖ (2)装配：加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈 配合。
❖ 3.组成：
❖
由钢背和减磨层组成。钢背由1mm～3mm的低碳
钢制成。减磨层为0.3mm～0.7mm的减磨合金，层质较
软能保护轴颈。
• 1）铝锑镁合金和低锡铝合金： • 械性能好，负载能力强，但其减磨性能差。 • 主要用于柴油机。
• 2)高锡铝合金：
•
具有较好的机械性能和减磨性能，广泛应用于
柴油机和汽油机。
• （2） V型式：它缩短了发动机的长度和 高度，多用于八缸以上的发动机。
• （3）对置式：是V型的特殊形式。
3、曲轴箱的型式
• （1） 平分式
• 定义：主轴承座孔中心线位于曲轴 箱分开面上。
• 特点：刚度小，前后端呈半圆形， 与油底壳接合面的密封较困难。
• 应用：中小型发动机。
• （2） 龙门式 • 定义：主轴承座孔中心线高于曲轴箱分开面。 • 特点：刚度较大，油底壳前后端为一平面，密封简单可靠
P1
F Pj
第二密封面
• （3）气环的第二次密封：窜入背隙和侧隙的气体，使 环对缸壁和环槽进一步压紧，加强了第一、二密封面 的密封。
5.气环的断面形状
• （1） 矩形环：结构简单 ，与缸壁接触面积大，散热 好，但易泵油。
• （2） 锥形环
•
1）特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮 油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。 • 2） 安装注意： • 锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）； • 锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上。
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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
2019/2/23
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
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
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曲柄连杆机构受力分析
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内燃机设计
22
曲柄连杆机构受力分析
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内燃机设计
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。
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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%
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内燃机设计
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λ≤1/4时活塞运动曲线
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内燃机设计
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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
4
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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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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
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• 偏心率： e / r

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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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内燃机设计
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关节曲柄连杆机构主要参数
* /(r ) sin ( / 2) sin 2 (1 2 sin 2 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ) 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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内燃机设计
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主副连杆运动曲线
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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。
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 ]
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
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
2019/2/23
内燃机设计
1
曲柄连杆机构运动学
2019/2/23
内燃机设计
2
曲柄连杆机构运动学
2019/2/23
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
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 ]
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 /