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曲柄连杆机构中的作用力及力矩作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动质量惯性力。
气体力作用于活塞顶上，在活塞的四个行程中始终存在，但只有作功行程中的气体力是发动机对外作功的原动力。
气体力通过连杆、曲柄销传到主轴承。
气体力同时也作用于气缸盖上，并通过气缸盖螺栓传给机体。
作用于活塞上和气缸盖上的气体力大小相等、方向相反，在机体中相互抵消而不传至机体外的支承上，但使机体受到拉伸。
曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动质量组成的当量系统。
往复运动质量包括活塞组零件质量和连杆小头集中质量，它沿气缸轴线作往复变速直线运动，产生往复惯性力；旋转运动质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量，它绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，也称离心力。
往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发动机支承。
二、机体1．机体的工作条件及要求机体是气缸体与曲轴箱的连铸体。
绝大多数水冷发动机的气缸体与曲轴箱连铸在一起，而且多缸发动机的各个气缸也合铸成一个整体。
风冷发动机几乎无一例外地将气缸体与曲轴箱分别铸制。
在发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷，同时还因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很大的热负荷。
因此，机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体损坏和变形。
机体也是最重的零件，应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。
2．机体材料机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。
最近，在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍。
3．机体构造机体的构造与气缸排列形式、气缸结构形式和曲轴箱结构形式有关。
气缸排列形式有3种：直列式、V型和水平对置式。
气缸内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。
为了提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而有不同的气缸结构形式和表面处理方法。
气缸结构形式也有3种，即无气缸套式、干气缸套式和湿气缸套式。
干气缸套式机体是在一般灰铸铁机体的气缸套座孔内压入或装入干式气缸套式气缸套不与冷却液接触。
发动机中曲柄连杆中连杆端的受力发动机中曲柄连杆机构是汽车动力系统的核心部分，它负责将活塞的往复运动转化为旋转运动，进而驱动曲轴转动。
在这样一个精密复杂的系统中，每个部件都承担着至关重要的角色。
今天，我们就来聊聊这个系统中一个非常关键的部分——连杆端部的受力情况。
首先得明确一点，连杆端部的受力可不是随便说说的，它直接关系到整个曲柄连杆机构的正常工作。
想象一下，当你驾驶一辆汽车时，你感受到的是车轮与地面的接触力，以及由此产生的向前的动力。
而在这个连杆端部，我们感受到的就是这种动力传递到曲轴上的“力量”。
让我们从连杆的结构说起。
连杆就像是连接曲柄和活塞的桥梁，它不仅需要承受来自活塞侧的压力，还要确保曲柄能够平稳地转动。
在这个过程中，连杆会经历拉伸、压缩、扭转等多种力学状态，这些状态的变化直接影响到连杆的受力情况。
以活塞为例，当活塞下行时，它会施加一个向下的压力给连杆。
这个压力的大小取决于活塞的速度、活塞与连杆的间隙以及活塞的质量。
想象一下，如果活塞下行的压力过大，连杆就会承受过大的拉力；反之，如果压力过小，连杆就可能会因为没有足够的力量而无法正常转动。
除了活塞的直接作用外，连杆还受到其他因素的影响。
比如，当曲柄转动时，它会通过连杆与活塞相连的部分产生一个向外的力矩。
这个力矩的大小取决于曲柄的设计、转速以及连杆的刚度。
这个力矩的方向与活塞下行时的拉力方向相反，但它们共同作用于连杆，使得连杆能够在曲柄的带动下平稳地转动。
在这个过程中，连杆还可能受到来自其他部件的作用力。
比如，连杆轴承会受到来自曲柄和连杆自身重量的垂直载荷，以及来自润滑油膜的剪切力。
这些力的大小和方向都会对连杆的受力产生影响。
那么，这些力的合力是如何分布的呢？我们可以借助一些简单的力学原理来分析这个问题。
假设连杆是一个均匀的棒状结构，那么它的受力可以分为三个主要部分：拉伸力、压缩力和扭转力。
这三个力的大小和方向都是相互关联的，它们共同决定了连杆在各个方向上的受力情况。
冲压机械中曲柄压力机是靠惯性轮利用曲
柄连杆机构将旋转能传送给滑块的滑块发出最大加压力是在下死点附近此时曲柄颐承受最大载荷今将曲柄弧受力作为研究对象用徽型计
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计算曲柄颈强度曲柄滑块机构力
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由式作图可以看到加压力和行程的关系
图曲柄滑块机构—
图是曲柄滑块机构示意图二从曲柄传送到连杆上的力与滑块发出的压力之间存在如
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《机械设计与制造
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第三节 曲柄连杆机构的受力分析及其平衡导入：① 考研所需② 新教学大纲要求，利用数学方法解决实际工程问题实例 ③ 内燃机中唯一对外传力和动力输出部分 ④ 要想了解受力必须先掌握运动 ⑤ 要想了解运动必须先了解结构一、曲柄连杆机构的运动规律1、机构运动简图图中， L---连杆长度…2、活塞的位移：设曲柄以顺时针角速度ω转动，且当转过α角时，连杆与活塞轨迹线夹角为β，此时活塞从上止点下移x, 则有：x=R+L-OA=R+L-(OC+AC) 又因为：OC=Rcos α AC=Lcos β所以：x=R+L- Rcos α- Lcos β (1)在公式（1）中，α、R 、L 已知，故应将β也转化成已知量，为此令：R/L λ (2)∵ Sin α=BC/R, Sin β=BC/L ∴R=BC/ sin α L=BC/ Sin β∴ λ= R/L=S i nαBC ×BC S i nβ=S i nαS i nβ∴ Sin β=λSin α又 ∵ cos β=β2sin 1- ∴ cos β=αsin λ122-上式中∵λ、α已知∴β可求。
但是，∵β是瞬时变化的，精确得到cos β很麻烦而且，从工程实践角度出发，没必要非常精确，∴根据牛顿二项式将上式展开得：cos β8421αs i n λ421αs i n λ21αs i n λ1884422⨯⨯⨯-⨯⨯-⨯-=…… 而一般来讲，λ=1/3---1/4，且，Sin α<1 若从第三项忽略不计，则cos β≈21sin 122⨯-αλ (3)将（2）、（3）式代入（1）得：x=R+L-R cos α-L(1-αλ22sin 21)= R+L-R cos α-L+αλ22sin 21L 又因为L=λR∴x=R- R cos α+αλ2sin 21R= R （1- cos α+αλ2sin 21）……书中公式，该式还可进一步简化为= R[(1- cos α)+αλ2sin 241⨯]= R[(1- cos α)+λ41(1- cos2α)]=x 1+x 2 x 1= R(1- cos α) x 2= R λ41(1- cos2α)3、活塞的运动速度导入：活塞的平均速度Vm=2R ω/1000π=S ×n ×10-3/30；是对其在0---π内的瞬时速度进行积分再除以π所得，Vm 的大小表明了该发动机的强化程度，而其在某一瞬时的速度可有下式导出：V=αωααd dx dt d d dx dt dx ⨯=⨯==ωr(sin α+1/2λsin2α)=v 1+v 2 4、活塞的加速度a===⨯=αωααd dvdt d d dv dt dv ωRcos α+λcos2α）=a 1+a 2 其中：a 1为第一简谐加速度，a 2为第二加速度5、活塞的运动规律线图由右式可得其运动线图如下（1）、线图（2）、分析①、x线图②、v线图（v指向曲轴轴心为正，离开为负；）③、a线图（3）、结论①、尽管ω大致可以认为是匀速，但活塞的运动速度基本成正弦曲线规律②、由于速度的变化导致加速度也按一定的规律变化，从而产生惯性力，引起发动机的冲击和振动（活塞从上向下时，前半程F j向上；后半程F j向下。
重庆工学院毕业论文 曲柄连杆机构的受力分析 18 图4-1 活塞组合 1—活塞 2—活塞销 3—挡圈 4—气环 5—油环
4 曲柄连杆机构的受力分析 4.1 曲柄连杆机构的组成 摩托车发动机的曲柄连杆机构由活塞、活塞环、活塞销、连杆、大小头轴承、曲轴等组成。
4.1.1 活塞组合 活塞组合由活塞、活塞环、活塞销、活塞销挡圈等组成，见图4-1。它的功能是： 1）承受气缸中可燃混合气燃烧产生的压力，并将作用力通过活塞销传给连杆，带动曲轴旋转。 2）活塞顶部与气缸盖组成燃烧室。 3）通过安装在其上的活塞环，保证气缸的密封性。 4.1.1.1 四行程发动机活塞 四行程发动机活塞的顶面呈平面形，且对应于进、排气门之处加工有凹坑，以避免在运动中与进、排气门相干涉，在顶面有“IN”标记表示进气侧，保证活塞安装时的方向。 在活塞槽部通常设有两道气环、一道油环。在油环槽周围，设置有许多回油小孔，安装油环后，能刮去缸壁上多余的润滑油（见图4-2）。有些活塞在油环槽下再加工一个较浅的环形槽，其上也加工回油小孔。四行程发动机活塞所有环槽上都无需有定位销孔，原因是四行程发动机的气缸上无气口，活塞环运动时不会产生干涉现象。 为适应活塞在高温、高压、高速条件下工作，活塞通常多采用质量轻、导热性好的高铝合金来制造。有些活塞表面还进行镀锡处理，以提高其磨合性。 4.1.1.2 活塞环 四行程活塞裙部较短，并无需做有缺口，因四行程发动机的进、排气道没有气缸盖上。但有时为避免与曲轴相撞，并为增加裙部弹性及减小活塞质量，在受力不
图4-2 四行程汽油机的活塞 1—气门坑 2—回油孔 3—裙部缺口 重庆工学院毕业论文 曲柄连杆机构的受力分析 19 大的沿销孔方向两侧，从底部各开一个浅而长的圆弧形缺口。 活塞环的功能是： 1）密封气缸与活塞间的间隙，防止漏气。 2）刮去气缸壁上多余的机油。 3）把活塞的热量传递给气缸体散发。 活塞环应具有良好的密封性，在高温、高压、和高速的工况下，具有良好的弹度、弹性和耐磨性；此外，并应有良好的磨合性与加工性。为适应这些要求，活塞环的材料多选用合金铸铁。 活塞环的自由状态是非圆形的，且具有切口，以适应装入气缸后恰好成为圆形，与气缸贴合。切口的形式如图4-3所示，其中直切口比搭接口的密封性差，但工艺性好；斜切口介于两者之间。 活塞环按其用途不同，可分为气环和油环两类。 （1）气环 气环的主要功能是密封活塞与气缸之间的间隙，防止燃气漏入曲轴箱，同时，气环将活塞头部的大部分热量传递给气缸壁，帮助活塞散热。摩托车发动机的气环断面有梯形环和矩形环两种。 梯形环的优点是：不易胶结和卡死，并有较好密封效果。缺点是：内锥面的加工比较困难。一般在温度较高，润滑油容易形成积炭或胶状物时，第一环槽装用梯形环。 矩形环的优点是：工艺性和传热性都较好。但其磨合性及对气缸的适应性较差，抗积炭、抗胶结的能力也较差，不宜用作第一道环。 （2）油环 油环的主要功能是刮去气缸壁上多余的润滑油，使气缸壁上形成一层均匀的油膜，它主要用在四行程发动机上。油环可分为普通油环和组合油环两类。 1）普通油环：它的外圆柱面中间，加工一个环槽，使得油环和气缸的接触面积减小，从而增大接触比压，加强刮油能力和密封性。环沿圆周加工有许多回油槽和回油孔，以便使油环从气缸壁上刮下的润滑油流入活塞上的回油孔而进入曲轴箱，见图4-4。
图4-3 活塞环的切口形式 （a）直切口 （b）搭切口 （c）斜切口 （d）半圆切口
图4-4 油环的刮油情形 1—活塞 2—活塞环 3—回油孔 重庆工学院毕业论文 曲柄连杆机构的受力分析 20 2）组合油环：由两个刮片和一个弹簧胀圈组成，弹簧胀圈在两个刮片中间。两个刮片由薄钢带制成，能分别动作，对气缸有较好的适应性。组合油环的刮油能力较强，但制造较困难。 4.1.1.3 活塞销 活塞销的功能是连接活塞和连杆，将活塞承受的力传递给连杆。 活塞销通常制成空心圆柱状，一般摩托车发动机都采用浮动式配合，即在工作状况下活塞销能自由缓慢转动，以使磨损均匀。 活塞销在润滑不良的工作条件下，承受很大的冲击载荷，所以活塞销应具有较高的结构强度，表面有较高的硬度，中心有良好的韧性。大多数活塞销都采用镍铬合金钢来制造。
4.1.2 连杆 连杆的功能是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动。它是活塞和曲轴之间重要的连接零件。 连杆的结构比较简单，和活塞销连接的部分叫连杆小头，和曲柄销连接的部分叫连杆大头，中间是连杆杆身。在整体式曲轴的发动机上，连杆大头呈有带连杆盖的结构，该盖用螺栓连接在杆身上，连杆杆身的横截面为“I”型，其抗弯能力较强。这种结构与汽车发动机的连杆结构相近。 由于连杆作平面复合运动，杆身受拉力和压力及弯矩的影响，大小轴承工作表面承受很大的比压，易于磨损。因此，连杆要有足够的刚度和强度，连杆质量应尽可能轻，以减少惯性力。连杆的大小头要具有一定的刚度，不致过分变形而影响轴承的工作。由于发动机运转时，连杆随同活塞一起作高速运动，承受着交变应力，因此，要求连杆有较高的抗疲劳强度和耐磨性能。 连杆大都是用低碳合金钢模锻而成。摩擦面进行渗碳淬火并研磨，具有较高的尺寸精度、位置精度以及较小的表面粗糙度。
4.1.3 曲轴 曲轴的功能是将来自连杆的作用力转变成扭矩，最后输出发动机的功率，并用部分动力驱动配气机构和附件。 曲轴受力情况很复杂，直接影响到发动机的可靠性、使用寿命和制造成本。因此，它应有较好的工作均匀性、良好的平衡性、足够的刚度和强度。
4.2 曲柄连杆机构运动学 4.2.1 内燃机曲柄连杆机构的分类和特性参数 曲柄连杆机构的任务是将活塞A（图4-5）的往复移动转化为曲柄OB的旋转运动。在往复活塞式内燃机中基本上采用三种曲柄连杆机构：中心曲柄连杆机构；偏心曲柄连杆机构和关节曲柄连杆机构。 重庆工学院毕业论文 曲柄连杆机构的受力分析 21 1）中心曲柄连杆机构（图4-5a）：其气缸轴线通过曲轴轴线。这种机构的运动特性完全由连杆比λ= r / l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离）。 2）偏心曲柄连杆机构（图4-5b）：其气缸轴线偏离曲轴轴线。这种机构的特性参数除连杆比外，还有偏心率ξ= e / r，其中e为气缸轴线偏离相对曲轴轴线的偏移量。 3）关节曲柄连杆机构（图4-5c）：主连杆（图中的左连杆）与曲轴构成中心曲柄连杆机构，副连杆（图中的右连杆）大头与主连杆体上某点相连。这种机构的特性参数有主连杆比λ= r / l，副连杆比λf = r / lf ，半径比ξ= rf / r，气缸夹角γ及关节角γf等。 下面主要介绍中心曲柄连杆机构的运动学。
4.2.2 中心曲柄连杆机构的运动学 气缸、活塞销、曲轴中心线位于同一平面的机构称为中心曲柄连杆机构（图4-6）。它在运动时，活塞作往复直线运动，曲柄OB作旋转运动，连杆AB做平面复合运动。 曲柄转角α是从气缸中心线顺着曲柄运动方向量度的。当α=0时，图中A’和B’点表示活塞和曲柄销在上止点位置；当α=1800时，活塞和曲柄销位于下止点位置（A’’ 及B’’点）。 1、活塞位移
图4-5 曲柄连杆机构简图 a）中心曲柄连杆机构 b）偏心曲柄连杆机构 c）关节曲柄连杆机构
图4-6 中心曲柄连杆机构简图 重庆工学院毕业论文 曲柄连杆机构的受力分析
22
)cos1(cos)11(coscosrlrlrx （4—1）
式中 β — 连杆摆动角； λ= r / l — 曲柄半径/连杆长度比，它是一个重要结构参数。 由ΔAOB有
sinsinsin
l
r
∴ 21222)sin1(sin1cos cosβ可按泰勒级数展开成如下的级数： 664422sin161sin81sin211cos 因为实用上λ＜1/3，所以计算中可以忽略数值微小的高次项，而取 22sin211cos
将它代入式（4—1），且由)2cos1(21sin2，得
)2cos1(4)cos1(rx （4—2）
2、活塞速度、最大活塞速度和平均活塞速度 将式（4—2）对时间t求导，可得活塞速度
)2sin2(sinrwdtdxv （4—3） 式中 w — 曲柄作匀速转动的角速度（rad/s）。 发动机转速为n(r/min)时
30ndtdw
将式（4—3）对α求导： )2cos(cosrwd
dv
令0ddv，有0)1cos2(cos2coscos2
即 021cos21cos2 由此解得最大活塞速度的曲柄转角
