曲柄连杆机构的运动与受力分析讲解学习

第三章曲柄机构受力分析3.1曲柄连杆机构运动学曲柄连杆机构的任务是将活塞的往复运动转化为曲柄的旋转运动，在往复活塞式汽车发动机中基本上采用两种曲柄连杆机构；中心曲柄连杆机构；偏心曲柄连杆机构。

（l）、中心曲柄连杆机构：其气缸轴线通过曲轴轴线。

这种机构的运动特性完确定，其中r为曲柄半径，L为连杆长度（连杆大小头孔中心间距全由连杆比λ=rι离）（2）、偏心曲柄连杆机构：其气缸轴线偏离曲柄轴线。

这种机构的特性参数除连杆比λ，还有偏心率ξ=℮，其中ℯ为气缸轴线相对曲轴轴γ线的偏移量。

下面讨论应用最广泛的中心曲柄连杆结构的运动学。

3.1.1中心曲柄连杆机构运动学中心曲柄连杆机构在汽车发动机中应用最广泛。

机构简图如图3一1所示。

它在运动时，活塞A作往复直线运动，曲柄OB作旋转运动，连杆AB作平面复合运动。

研究曲柄连杆机构图运动学的重点是研究活塞的运动规律，因为曲柄的运动状态比较简单，连杆的运动虽然较复杂，但可把它看成一部分随活塞A运动，另一部分随连杆轴径B运动，其运动所引起的其他后果对我们所研究的问题影响较小。

图3一2中，O点表示曲轴中心，A点表示活塞销中心位置、也就是活塞的位置，OB表示曲柄半径:，AB表示连杆长度l。

曲柄转角α是从气缸轴线顺着曲柄转动方向度量。

当α二0º时，对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在上止点位置；当α﹦180º时，对应的Aˊ和Βˊ表示活塞和连杆轴径在下止点位置。

β为连杆轴线偏离气缸轴线的角度，称为连杆摆动角，逆时针为正、顺时针为负。

下面分别研究曲柄、活塞和连杆的运动规律：1、曲柄运动通常近似地认为汽车发动机中曲柄是作匀谏转动，其转角α=360π60t=6nt度。

式中t表示时间，n表示汽车发动机转速（转/分）。

角速度ω=dαdt =πn30弧度/秒≈常数。

因为认为曲柄是作匀速转动，所以ω一个参数确定了曲轴的运动状态。

2、活塞位移从图3一2可知，活塞位移：Χ=ΑΑ=ΑΟ−ΑΟ=ΑΟ−ΑC−CO=r+L−r cosα−L cosβ=r1+1λ−cosα+1λcosβ由上式知，位移x与r有关，不同型号的汽车发动机r是不一样的，为了便于比较分析不同大小汽车发动机活塞位移变化规律，常引用无量纲位移（又称位移系数）χ=χr，即用χ与r的相对值表示变化规律。

一、概述
（一）曲柄连杆机构组成
曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组及曲轴飞轮组组成。

（二）曲柄连杆机构的工作条件与受力分析
1.功用：将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。

2.曲柄连杆机构的组成
(1)机体组：由气缸体、气缸套、气缸垫、气缸盖和油底壳等不动件组成。

(2)活塞连杆组：由活塞、活塞环、活塞销和连杆运动件组成。

(3)曲轴飞轮组：由曲轴、飞轮、扭转减震器等组成。

3.受力分析
曲柄连杆机构受的力主要有气压力，往复惯性力，旋转离心力和摩擦力。

(1)气压力F p：气压力的集中力分解为F p1和F p2，F p1称侧压力，它使活塞的一个侧面压向气缸壁，造成该侧磨损严重；F p1经连杆传给曲柄销，分解为F R和
F
S ，F R使曲轴主轴颈处受压，F S为周向产生转矩的力。

(2)往复惯性力F j：活塞在上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下。

在上下止点活塞运动方向改变，速度为零，加速度最大，惯性力也最大；在行程中部附近，活塞运动速度最大，加速度为零，惯性力也等于零。

(3)离心惯性力F c：旋转机件的圆周运动产生离心惯性力，方向背离曲轴中心向外。

离心力加速轴承与周颈的磨损，也引起发动机振动而传到机体外。

(4)摩擦力：指相互运动件之间的摩擦力，它是造成配合表面磨损的根源。

总结曲柄连杆机构知识点一、曲柄连杆机构的结构原理1.曲柄连杆机构的基本结构及工作原理曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞组成，是将旋转运动转换为直线运动的重要机构。

当曲柄进行旋转运动时，连杆受到曲柄的驱动而进行周期性的往复运动，从而带动活塞在缸体内做往复运动。

曲柄连杆机构常用于内燃机中，将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，从而驱动汽缸内的工作介质进行工作。

2.曲柄连杆机构的分类曲柄连杆机构根据曲柄与连杆的相对位置和连接方式可以分为直线型曲柄连杆机构、旋转型曲柄连杆机构、曲柄与连杆垂直的曲柄连杆机构等。

这些不同类型的曲柄连杆机构在结构上有所差异，但其基本工作原理是相似的，都是通过曲柄的旋转运动将活塞做往复运动。

3.曲柄连杆机构的优缺点曲柄连杆机构具有结构简单、运动平稳、传动效率高等优点，适用于很多工程领域。

但是也存在一些缺点，比如体积较大、重量较重、制造成本高等，因此在一些特殊情况下可能不适用。

二、曲柄连杆机构的运动分析1.曲柄连杆机构的运动轨迹分析曲柄连杆机构中曲柄的运动轨迹是一个圆周，而连杆的运动轨迹是一个椭圆。

在曲柄连杆机构中，连杆在曲柄的带动下进行往复运动，其运动轨迹是连杆机构设计中需要重点考虑的问题之一。

2.曲柄连杆机构的速度和加速度分析曲柄连杆机构中的速度和加速度分析是设计和计算的重要内容。

通过对曲柄连杆机构的速度和加速度进行分析，可以确定连杆的运动规律，为机构的设计和优化提供依据。

3.曲柄连杆机构的动力分析曲柄连杆机构的动力分析是指针对机构的动力传递和能量转换进行的分析。

通过对曲柄连杆机构的动力分析，可以确定机构的工作性能和能量损失情况，为机构的优化设计提供技术支持。

三、曲柄连杆机构的设计计算1.曲柄连杆机构设计的基本原则曲柄连杆机构的设计需要遵循一定的原则，包括结构合理、运动平稳、传动效率高等。

在设计曲柄连杆机构时，需要充分考虑这些原则，确保机构能够满足工程需求。

2.曲柄连杆机构设计的计算方法曲柄连杆机构的设计计算方法主要包括曲柄长度的设计、连杆长度的设计、活塞行程的设计等。

曲柄连杆机构的工作原理曲柄连杆机构是一种常见的机械传动装置，它由曲柄、连杆和活塞组成，广泛应用于内燃机、压缩机、泵等机械设备中。

它的工作原理主要包括曲柄的旋转运动和连杆的往复运动两个部分。

下面我们将详细介绍曲柄连杆机构的工作原理。

首先，让我们来看曲柄的旋转运动。

曲柄是曲柄连杆机构中的主要零件，它通常是一个轴向对称的零件，可以绕着轴线进行旋转运动。

当曲柄受到外部动力的作用时，它会沿着轴线旋转，这种旋转运动将被传递到连杆上。

其次，我们来看连杆的往复运动。

连杆是曲柄连杆机构中连接曲柄和活塞的零件，它可以沿着曲柄的旋转轴线做往复直线运动。

当曲柄旋转时，连杆就会受到曲柄的作用力，从而产生往复运动。

这种往复运动将被传递到活塞上，从而驱动活塞做往复运动。

通过曲柄的旋转运动和连杆的往复运动，曲柄连杆机构可以将旋转运动转换为往复运动，或者将往复运动转换为旋转运动。

这种转换功能使得曲柄连杆机构在各种机械设备中得到广泛应用，例如内燃机中的活塞往复运动、泵中的柱塞往复运动等。

除此之外，曲柄连杆机构还具有一些特殊的工作原理。

例如，在内燃机中，曲柄连杆机构通过曲柄的旋转运动和连杆的往复运动，可以将燃油的燃烧能量转换为活塞的往复运动，从而驱动发动机的工作。

在泵中，曲柄连杆机构可以通过曲柄的旋转运动和连杆的往复运动，将电动机的旋转运动转换为柱塞的往复运动，从而实现液体的输送。

总的来说，曲柄连杆机构通过曲柄的旋转运动和连杆的往复运动，实现了旋转运动和往复运动之间的转换，具有广泛的应用价值。

它的工作原理简单清晰，结构紧凑高效，是一种常见且重要的机械传动装置。

第3章 曲柄连杆机构 43
第一节 曲柄连杆机构的运动与受力
一、曲柄连杆机构的运动
以中心曲柄连杆机构（曲轴中心线位于气缸中心线上的曲柄连杆机构，如图3-3所示）为例，设中心曲柄半径为R ，连杆长度为L ，根据力学推导，活塞的位移x 、速度v 、加速度a 随曲轴转角α的变化关系为
22(1sin cos )2(sin sin 2)2
(cos cos 2)x R v R a R λααλωααωαλα=+
−=+=+
式中：λ——连杆比，λ＝R/L ，一般在1/3～1/4；
ω——曲轴角速度，匀速运动时，它等于30
πn ； n ——曲轴转速，rpm 。

如图3-4所示为活塞位移、速度和加速度曲线。

图3-3 中心曲柄连杆机构简图 图3-4 活塞位移、速度和加速度曲线 曲柄连杆机构的运动特点如下。

（1）曲轴虽然做匀速运动，但活塞的速度却是不均匀的，它在上、下止点处速度等于零，
在α=90°稍前处和α=270°稍后处达到最大值。

即活塞从上止点向下止点运动和从下止点向上止点运动的约前半个行程是加速，后半个行程是减速。

（2）由于活塞运动速度的变化，导致其加速度的变化，在速度为零处的加速度最大，而速度最大处的加速度等于零。

加速度的变化，导致了惯性力的产生，使发动机产生冲击、振动和磨损，需要采取相应平衡措施。

二、曲柄连杆机构的工作条件及受力分析
发动机工作时，曲柄连杆机构直接与高温、高压气体接触；曲轴的旋转速度很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触；此外曲柄连杆机构还受到化。