《内燃机设计》课程教学资源（导学任务）第二章 内燃机曲柄连杆机构受力分析

第二章内燃机曲柄连杆机构受力分析 1、作用在曲柄连杆机构上的力 作用在曲柄连杆机构上的力主要是由运动质量产生的惯性力和作用在 活塞上的气体力，这些里（或力矩）随着曲柄转角的不同而变化，在稳定情况 下，曲柄每转二周为一个变化周期，实际上，内燃机的工况是不断变化的，特 别是作为动力时，因此，作用在曲柄连杆机构上的力和力矩也是在不断变化 的。要计算在各种工况下的作用力和力矩的情况是相当复杂的，通常在动力学 分析中，只计算标定工况下的作用力和力矩。并认为曲柄是作等速旋转运动。 2、进行内燃机的动力学计算的步骤 在进行动力学计算之前，必须根据实测的示功图或对工作过程的循环 模拟计算来确定气体作用力的变化情况再根据运动学求出的各运动件的加速 度，由此求出惯性力的变化情况，从而得到总的作用力及力矩，在此基础上， 进一步分析这些力和力矩对内燃机平衡与振动的影响。 3、活塞、连杆的运动规律 当曲柄按等角速度。旋转时，曲柄0B上任意一点都以0点为圆心作等 角速旋转运动，A点（即活塞）沿气缸中心线作往复运动，而连杆AB则作复合 的平面运动，其大头与曲柄销（即B点）一样，作等速的旋转运动，而连杆的 小头则与活塞一样作往复运动，所以连杆本身的运动是由旋转运动和往复运动 合成的平面复合运动。在实际分析中，为使问题简化，一般将连杆为分别集中 于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别作旋转与往复运动，这样就 不需要对连杆的运动规律进行单独的研究。 4、研究曲柄连杆机构运动学的主要任务 活塞在作往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度 的数值及变化规律对曲柄连杆机构以及内燃机整体的工作有很大的影响，因 此，研究曲柄连杆机构运动学的主要任务实际上就是研究活塞的运动规律。 5、连杆的角位移、角速度与角加速度的特殊值（最大或最小）及所在位置 当α=0°或180°时，连杆角位移有最小值，即 当α=90°或270°时，连杆角位移有最大值（指绝对值），即

第二章 内燃机曲柄连杆机构受力分析 1、作用在曲柄连杆机构上的力 作用在曲柄连杆机构上的力主要是由运动质量产生的惯性力和作用在 活塞上的气体力，这些里（或力矩）随着曲柄转角的不同而变化，在稳定情况 下，曲柄每转二周为一个变化周期，实际上，内燃机的工况是不断变化的，特 别是作为动力时，因此，作用在曲柄连杆机构上的力和力矩也是在不断变化 的。要计算在各种工况下的作用力和力矩的情况是相当复杂的，通常在动力学 分析中，只计算标定工况下的作用力和力矩。并认为曲柄是作等速旋转运动。 2、进行内燃机的动力学计算的步骤 在进行动力学计算之前，必须根据实测的示功图或对工作过程的循环 模拟计算来确定气体作用力的变化情况再根据运动学求出的各运动件的加速 度，由此求出惯性力的变化情况，从而得到总的作用力及力矩，在此基础上， 进一步分析这些力和力矩对内燃机平衡与振动的影响。 3、活塞、连杆的运动规律 当曲柄按等角速度ω旋转时，曲柄 OB 上任意一点都以 O 点为圆心作等 角速旋转运动，A 点（即活塞）沿气缸中心线作往复运动，而连杆 AB 则作复合 的平面运动，其大头与曲柄销（即 B 点）一样，作等速的旋转运动，而连杆的 小头则与活塞一样作往复运动，所以连杆本身的运动是由旋转运动和往复运动 合成的平面复合运动。在实际分析中，为使问题简化，一般将连杆为分别集中 于连杆大头和小头的两个集中质量，认为它们分别作旋转与往复运动，这样就 不需要对连杆的运动规律进行单独的研究。 4、研究曲柄连杆机构运动学的主要任务 活塞在作往复运动时，其速度和加速度是变化的。它的速度和加速度 的数值及变化规律对曲柄连杆机构以及内燃机整体的工作有很大的影响，因 此，研究曲柄连杆机构运动学的主要任务实际上就是研究活塞的运动规律。 5、连杆的角位移、角速度与角加速度的特殊值（最大或最小）及所在位置 当α=0°或 180°时，连杆角位移有最小值，即 当α=90°或 270°时，连杆角位移有最大值（指绝对值），即

当a=0°或180°时，连杆角速度有最大值（指绝对值），即 当a=90°或270°时，连杆角速度为0，即 当a=90°或270°时， 有最大值（指绝对值），即 当a=0°或180°时， 有最小值，即 6、活塞的位移的特点 即曲柄转角a从0°到90°时活塞的位移值比曲柄转角a从90°到 180°时活塞的位移值大，而且是入值越大，其差值也越大。 7、活塞的位移曲线的作用 活塞的位移曲线可用来对pv(压力-容积)示功图与pā（压力-曲柄 转角)示功图两者之间进行转换：它与气门的运动曲线配合，还可用来检验活 塞与气门之间发生干涉：在柴油机直接喷射燃烧室的设计中，喷油柱的位置与 活塞上燃烧室的配合，也要用到活塞的位移曲线：此外二冲程内燃机排气口与 扫气口位置的确定，与活塞位移变化也是密切相关的

当α=0°或 180°时，连杆角速度有最大值（指绝对值），即 当α=90°或 270°时，连杆角速度为 0，即 当α=90°或 270°时， 有最大值（指绝对值），即 当α=0°或 180°时， 有最小值，即 6、活塞的位移的特点 即曲柄转角α从 0°到 90°时活塞的位移值比曲柄转角α从 90°到 180°时活塞的位移值大，而且是λ值越大，其差值也越大。 7、活塞的位移曲线的作用 活塞的位移曲线可用来对 p-v(压力-容积)示功图与 p-α（压力-曲柄 转角）示功图两者之间进行转换；它与气门的运动曲线配合，还可用来检验活 塞与气门之间发生干涉；在柴油机直接喷射燃烧室的设计中，喷油柱的位置与 活塞上燃烧室的配合，也要用到活塞的位移曲线；此外二冲程内燃机排气口与 扫气口位置的确定，与活塞位移变化也是密切相关的

8、活塞速度组成的特点 活塞速度可以写成两个速度分量之和，即 因此，活塞速度可视为由 与 两部分简谐运动速度所组成。 9、活塞速度在特殊位置时的值 当a=0°或180°时（活塞位于上下止点），活塞速度等于零，这是 由于活塞在这两点改变运动方向的缘故。 当a=90°或270°时， ,此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度。但是，这并不是活塞的最大速 度。 10、活塞的速度 根据图形和公式分析可知： a=0°180°时， 为正值（活塞向着曲轴中心线方向运动）： a=180°360°时， 为负值（活塞背着曲轴中心线方向运动）： a=0°、180°、360°时

8、活塞速度组成的特点 活塞速度可以写成两个速度分量之和，即 因此，活塞速度可视为由 与 两部分简谐运动速度所组成。 9、活塞速度在特殊位置时的值 当α=0°或 180°时（活塞位于上下止点），活塞速度等于零，这是 由于活塞在这两点改变运动方向的缘故。 当α=90°或 270°时， ，此时活塞速度等于曲柄销中心的圆周速度。但是，这并不是活塞的最大速 度。 10、活塞的速度 根据图形和公式分析可知： α=0°~180°时， 为正值（活塞向着曲轴中心线方向运动）； α=180°~360°时， 为负值（活塞背着曲轴中心线方向运动）； α=0°、180°、360°时

=0(活塞正在改变运动方向)： a=90°、270°时， ,但并不是 活塞的速度在旋转一周中，时快时慢的变化着，它的平均速度可以表 示为 (m/s) 活塞平均速度©，虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢，但它是表征内 燃机性能指标的重要参数之一。 11、活塞的最大速度 活塞速度最大时的曲柄转角 可见 ，因此

=0（活塞正在改变运动方向）； α=90°、270°时， ，但并不是 。 活塞的速度在旋转一周中，时快时慢的变化着，它的平均速度可以表 示为 (m/s) 活塞平均速度 cm虽然只能粗略地估计活塞运动的快慢，但它是表征内 燃机性能指标的重要参数之一。 11、活塞的最大速度 活塞速度最大时的曲柄转角 ： 可见， ，因此

小于90°或大于270°，即活塞速度的最大值出现在偏向上止点一边，大体上 在上止点前后75°左右。不同λ值时，有不同活塞速度的位置不同。 λ值越大，活塞速度最大值也越大，相应的曲柄转角 便越小。 12、活塞的加速度 活塞加速度也可视为是两个简谐运动加速度之和，即由 两部分组成。 活塞加速度的极值点（最大正加速度和最大负加速度）以及相应的曲 柄转角α， 或 第一种情况， 加速度极值点出现在α=0°和a=180°处，相应的加速度为 a=0°时， a=180°时

小于 90°或大于 270°，即活塞速度的最大值出现在偏向上止点一边，大体上 在上止点前后 75°左右。不同λ值时，有不同活塞速度的位置不同。 λ值越大，活塞速度最大值也越大，相应的曲柄转角 便越小。 12、活塞的加速度 活塞加速度也可视为是两个简谐运动加速度之和，即由 与 两部分组成。 活塞加速度的极值点（最大正加速度和最大负加速度）以及相应的曲 柄转角α， 或 第一种情况， 加速度极值点出现在α=0°和α=180°处，相应的加速度为 α=0°时， α=180°时

第二种情况， 即加速度的极值点还出现在 处，相应和加速度为 可以看出，第二种情况只会出现在入>1/4的机构中，对于λ≤1/4的 机构无意义。 综上所述，在曲轴转角一周中，当入≤1/4时，a在0°、360°有最 大的正加速度值 :当a在180°时，有最大的负加速度值 。当入>1/4时，ā在0°、360°有最大的正加速度值，其大小也为 ；而a在 、360° 两处有最大的负加速度值，此值为 ，而此时在处的加速度值仍为

第二种情况， 即加速度的极值点还出现在 处，相应和加速度为 可以看出，第二种情况只会出现在λ>1/4 的机构中，对于λ≤1/4 的 机构无意义。 综上所述，在曲轴转角一周中，当λ≤1/4 时，α在 0°、360°有最 大的正加速度值 ；当α在 180°时，有最大的负加速度值 。当λ>1/4 时，α在 0°、360°有最大的正加速度值，其大小也为 ；而α在 、360°- 两处有最大的负加速度值，此值为 ，而此时在处的加速度值仍为

13、沿活塞销中心线作往复运动的零件一—活塞组的质量 活塞组的质量 包括活塞、活塞环、活塞销以及装在这些零件上的其它附件的质量。可以认为 集中在活塞销的轴线中心上，因为活塞销中心线是活塞组的传力点，虽然当活 塞中心偏离气缸中心时存在一些误差，但由于一般偏移量很小，故可作此假 定。 14、作旋转运动的零件一曲柄组的质量 曲柄组包括装在曲柄上的所有附件。曲柄上不平衡部分产生旋转惯性 力（离心力）的质量可以换算为集中于曲柄半径R处的质量 。进行这种换算的条件是：简化后的集中质量 所产生的旋转惯性力和原来实际系统不平衡质量所产生的旋转惯性力相等。 曲柄不平衡部分的质量包括两部分：一部分是曲柄销及其与曲柄臂相 邻部分的质量 ,其质心位置离曲轴轴线的距离就是R,故简化后的质量不变，为 ；另一部分是曲柄臂的质量 ,如果其质心位置与曲轴轴线的距离为 ，则此质量换算到曲柄半径R处的集中质量 应满足以下条件，即

13、沿活塞销中心线作往复运动的零件——活塞组的质量 活塞组的质量 包括活塞、活塞环、活塞销以及装在这些零件上的其它附件的质量。可以认为 集中在活塞销的轴线中心上，因为活塞销中心线是活塞组的传力点，虽然当活 塞中心偏离气缸中心时存在一些误差，但由于一般偏移量很小，故可作此假 定。 14、作旋转运动的零件——曲柄组的质量 曲柄组包括装在曲柄上的所有附件。曲柄上不平衡部分产生旋转惯性 力（离心力）的质量可以换算为集中于曲柄半径 R 处的质量 。进行这种换算的条件是：简化后的集中质量 所产生的旋转惯性力和原来实际系统不平衡质量所产生的旋转惯性力相等。 曲柄不平衡部分的质量包括两部分：一部分是曲柄销及其与曲柄臂相 邻部分的质量 ，其质心位置离曲轴轴线的距离就是 R，故简化后的质量不变，为 ；另一部分是曲柄臂的质量 ，如果其质心位置与曲轴轴线的距离为 ，则此质量换算到曲柄半径 R 处的集中质量 应满足以下条件，即

所以 曲轴主轴颈的质量 ,由于其质心就在曲轴轴线上，当曲轴旋转时不产生旋转惯性力，因此不用考 虑。 这样换算到曲柄半径R处的整个曲柄组的旋转质量 为 式中 和 等数值，可根据曲轴的图纸资料借助于方格纸或求积仪计算出来。 15、作复合平面运动的零件一一连杆组的质量 连杆组的质量包括连杆体、连杆小头衬套、连杆盖以及连杆螺栓等质 量。为了计算简便，一般认为连杆小头随活塞作往复运动，连杆大头随曲柄作 旋转运动，而连杆杆身则作复合的平面运动（既有平面移动又有平面摆动）， 因此将连杆质量换算成集中于活塞销中心处作往复运动的质量 和集中于曲柄销处作旋转运动的质量

所以 曲轴主轴颈的质量 ，由于其质心就在曲轴轴线上，当曲轴旋转时不产生旋转惯性力，因此不用考 虑。 这样换算到曲柄半径 R 处的整个曲柄组的旋转质量 为 式中 、 和 等数值，可根据曲轴的图纸资料借助于方格纸或求积仪计算出来。 15、作复合平面运动的零件——连杆组的质量 连杆组的质量包括连杆体、连杆小头衬套、连杆盖以及连杆螺栓等质 量。为了计算简便，一般认为连杆小头随活塞作往复运动，连杆大头随曲柄作 旋转运动，而连杆杆身则作复合的平面运动（既有平面移动又有平面摆动）， 因此将连杆质量换算成集中于活塞销中心处作往复运动的质量 和集中于曲柄销处作旋转运动的质量

，由此来代替原来作复合运动的连杆的质量。 16、连杆组质量系统动力学的简化原则 根据力学原理连杆组质量简化后的当量系统与原来实际的质量系统动 力学相等，则必需满足下列三个条件： (1)质量不变一一所有简化后的质量总和应等于原连杆组总质量 (2)系统的质心位置不变一一所有简化后质量的质心应与连杆组原来 的质心位置相重合。如果简化为两个质量，则 (3)系统对质心的转动惯量不变一一所有简化后的质量对于连杆组质 心的转动惯量之和应等于连杆原来的转动惯量 ，即 实际上，把连杆质量换算成 两个质量，对上述三个条件是不能完全满足的，即第三个条件不能得到满足。 因为换算后的质量，对于连杆组质心的转动惯量之和 ,它不等于连杆组原来的转动惯量

，由此来代替原来作复合运动的连杆的质量。 16、连杆组质量系统动力学的简化原则 根据力学原理连杆组质量简化后的当量系统与原来实际的质量系统动 力学相等，则必需满足下列三个条件： （1）质量不变——所有简化后的质量总和应等于原连杆组总质量 ， （2）系统的质心位置不变——所有简化后质量的质心应与连杆组原来 的质心位置相重合。如果简化为两个质量，则 （3）系统对质心的转动惯量不变——所有简化后的质量对于连杆组质 心的转动惯量之和应等于连杆原来的转动惯量 ，即 实际上，把连杆质量换算成 和 两个质量，对上述三个条件是不能完全满足的，即第三个条件不能得到满足。 因为换算后的质量，对于连杆组质心的转动惯量之和 ，它不等于连杆组原来的转动惯量

。这是由于 的大小同质量分布有关，如果质量分布离质心越远，则 越大，转换后双质量系统的转动惯量显然比原系统的转动惯量要大一些。 17、作用于曲柄连杆机构的力 在曲柄连杆机构中，主要作用力有气体作用力，运动质量的惯性力及 外界负荷对内燃机运动的反作用力。 18、连杆机构中主要零件的主要受力 曲柄连杆机构中主要零件的主要受力有：往复惯性力、旋转惯性力、 气体作用力。 19、连杆机构的往复惯性力 连杆机构的往复惯性力在忽略了高次项之后，可以看作由一次往复惯 性力P和P2二次往复惯性力所组成。 20、活塞上总作用力的分解与传递 叙述分解与传递过程并画出受力图

。这是由于 的大小同质量分布有关，如果质量分布离质心越远，则 越大，转换后双质量系统的转动惯量显然比原系统的转动惯量要大一些。 17、作用于曲柄连杆机构的力 在曲柄连杆机构中，主要作用力有气体作用力，运动质量的惯性力及 外界负荷对内燃机运动的反作用力。 18、连杆机构中主要零件的主要受力 曲柄连杆机构中主要零件的主要受力有：往复惯性力、旋转惯性力、 气体作用力。 19、连杆机构的往复惯性力 连杆机构的往复惯性力在忽略了高次项之后，可以看作由一次往复惯 性力 Pj1和 Pj2二次往复惯性力所组成。 20、活塞上总作用力的分解与传递 叙述分解与传递过程并画出受力图