1、曲柄连杆机构的结构分析及其应用张再宇摘要：机械机构是社会实践活动中不可缺少的重要组成部分，曲柄连杆机构更是机械机构中不可或缺重要的组成部分；由此对曲柄连杆机构进行了研究，用曲柄和连杆来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，也称曲柄滑块机构。曲柄连杆机构中与机架构成移动副的构件为滑块，通过转动副联接曲柄和滑块的构件为连杆，分别由曲柄连杆机构的结构特点、工作特点、设计难点，曲柄滑块机构的应用范围及其应用实例，以及曲柄连杆机构的最新动态，国内外研究现状进行了调查。关键词：曲柄滑块；动力学运动分析；连杆引言：制造业是一个国家经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国家的经济实力、科技水平和国防实力。曲柄
2、连杆机构是机械机构重要的组成部分。曲柄连杆机构由于可以实现旋转运动与直线运动之间的变换，并可以实现急回运动，所以在机械设备中得到广泛的应用，如冲压机械、惯性筛、自动送料机构、冲床、剪床和往复活塞式发动机等。随着机械工业化的发展，机械优化设计方法越来越受到设计者的重视，采用优化设计方法能有效地提高设计效率和设计的精度要求，而曲柄连杆又是现代机械设备常用的一种传动设备，本文对该机构进行了以下研究：1. 曲柄连杆机构特点1.1 曲柄连杆机构的工作特点与设计难点曲柄连杆机构是内燃机中的主要受力部件，曲柄连杆机构的工作环境非常恶劣，曲柄连杆机构面临的是高温、高压、高速、和化学腐蚀。曲柄每转一周（二冲程内
3、燃机）或者两周（四冲程内燃机）为一个变化周期。实际上，内燃机的工况是不断变化的，特别是作为车用动力时。因此，作用在曲柄连杆机构上的力是随着工况的不断变化而变化的。内燃机的工况一般由转速和功率来衡量。内燃机曲柄连杆机构的设计是为了解决工作过程中惯性力的平衡以及改进结构来减少活塞对汽缸壁的侧压力，并且降低内燃机内的振动，但内燃机工作环境的瞬变使得这些都非常困难。在工作过程中，活塞顶部受力变化十分复杂，上下运动时活塞对汽缸壁产生很大的侧压力，这样就降低了内燃机的工作效率，活塞环也容易磨损；连杆做复杂的平面运动并且质量较大，平面运动产生的惯性力也不能忽视，连杆长度的微小变化也对机构产生很大的影响；曲轴
4、飞轮的模态对内燃机的布置方式和工作场合的约束因素较多，设计难点较大。传统的方法是对结构进行简化计算并与样机试验结合进行设计。这种方法得到的结构存在着很大的误差，且劳动强度大，开发周期长，浪费人力和物力。现在设计都是借助计算机辅助设计手段，降低劳动强度，缩短开发周期。但仍有一些难题无法解决，如机构连接处动摩擦和零件变形等，有待进一步完善。1.2 曲柄连杆机构的分类根据结构特点，曲柄连杆机构可以分为三类：（1）对心曲柄连杆机构：机构在运动时滑块的运动轨通过曲柄的回转中心则称为对心曲柄滑块机构。如在内燃机机构中的应用等。（2）偏置式曲柄连杆机构：机构在运动时，滑块的运动轨不通过曲柄的回转中心则称为偏
5、置曲柄滑块机构。例如在自动送料机构中的使用等。（3)偏心轮机构：在曲柄连杆机构（曲柄摇杆机构）中，若曲柄很短，可将转动副的尺寸扩大到超过曲柄长度，则曲柄就演化成几何中心不与转动中心重合的圆盘，该圆盘称为偏心轮，含有偏心轮的机构称为偏心轮机构。偏心机构结构简单，偏心轴劲的强度和刚度大，广泛用于曲柄长度要求较短、冲击载荷较大的机械中，例如在工程机械中的颚式破碎机中的应用等。1.3 曲柄连杆机构的运动学分析意义和目的在曲柄连杆机构的运动过程中，活塞作往复直线运动，曲轴做圆周旋转运动，由于两岸本身的运动比较复杂，一般简化为分别集中于连杆小头和连杆大头的两个集中质量，认为他们分别作旋转运动和往复运动。这
6、样就不需要对连杆的运动规律进行单独的研究。活塞在作往复运动时，其速度和加速度都是变化的。它的速度和加速度的数值及变化规律就对曲柄连杆机构以及内燃机整个机体的工作具有很大的影响，因此研究分析曲柄连杆机构运动学和动力学的主要任务是分析研究活塞的运动规律。1.4 曲柄连杆机构运动学和动力学具体分析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。其中中心曲柄连杆机构应用最广泛。本次设计选择中心曲柄连杆机构。1.4.1 曲柄连杆机构的运动学分析曲柄连杆机构将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动，将活塞上的力转化为曲轴上的扭矩。曲柄连杆机构动力学分析师内
7、燃机设计的基础，它是分析内燃机中曲柄连杆机构的各种受力情况，并从中找到影响内燃机性能的因素，其中包括输出扭矩、转矩等，从而改善内燃机的动力性能。动力学分析还是为内燃机的主要零部件的刚度、强度、磨损和各种载荷服务并提供重要参数。工作运转的内燃机的曲柄连杆机构中作用着气体对活塞的压力、往复或者旋转运动的自重和惯性力、外部负荷对内燃机的反作用力、运动副之间的摩擦等。在分析时一般都忽略摩擦，分析运动学时，其中有两个假设：1）曲轴作匀速运动；2）角速度 为常数。 中心曲轴连杆机构的运动规律如图=r/l, 其中 r 为曲柄半径，l 为连杆长度（连杆大小头孔中心距离）， 为连杆比。 活塞的位移表示为 X，具
8、体计算如下：活塞的运动可以用三角函数组成的复谐函数表示，即活塞的运动时复谐运动。1.4.2 曲柄连杆机构的动力学分析作用在曲柄连杆机构的力分为：缸内气压力、运动质量惯性力、摩擦阻力和作用在发动机曲轴上的负载阻力。实际上一般作受力分析都把摩擦力忽略不计，因为它的数值比较小，且变化规律很难掌握，而负载阻力与主动力出于平衡状态，无需计算。因此，主要研究内燃机的气压力和运动质量惯性力的变化规律对曲柄连杆机构构件的作用，尤其是对曲轴和轴承的作用。曲柄连杆机构的动力学分析是内燃机结构设计的基础，它是分析曲柄连杆机构中力的作用情况，并能从分析力的过程中找出影响内燃机曲轴的输出扭矩、曲轴旋转的均匀程度和不动力
9、平和的根本原因，从而找到提高内燃机动力性能水平的措施。曲柄连杆机构动力学的分析还为内燃机主要零部件的刚度、强度、磨损、振动和轴承负荷等计算提供必要的数据。曲柄连杆机构中的受力分析如图曲柄连杆机构中力的传递和相互作用作用力分为： 1）压力 Fg ； 2）惯性力往(复惯性力 Fj、旋转惯性力 Fr）； 3）合成力； a 曲柄连杆机构中力的传递和相互关系曲柄连杆机构中力的传递和相互关系： 上式说明，永远存在一个与输出扭矩方向相反、大小相等的翻到力矩。 b 气压力的作用效果 气压力 Fg 和 在机体内部平衡掉，对外没有自由力，只有扭矩输出和翻倒力矩 。 c 往复惯性力 1）机构运动件的质量换算 换算原
10、则：保持当量系统与原机构动力学等效 曲柄连杆机构的所有零件，按照运动性质可分为三组：曲柄连杆机构的应用及应用实例2.1 曲柄摇杆机构有死点条件的应用当杆长条件不同时，曲柄摇杆机构有死点位置的数目是不同的，既使曲柄主动时，曲柄摇杆机构亦有可能出现有死点现象且死点个数及位置情况随杆长条件而变化。因此，我们可对此条件在下述设计方面进行应用。2.1.1 在一般曲柄摇杆机构设计中的应用一般情况下，应力求避免机构的死点现象。因此，在曲柄主动的一般曲柄摇杆机构设计时，应使其杆长关系满足机构无死点的条件即应使最短杆与最长杆的长度之和小于另外两杆长度之和。2.1.2 在死点机构设计中的应用设计曲柄主动的曲柄摇杆
11、机构类型的死点机构时，应使其杆长关系满足机构有死点的条件即应使最短杆与最长杆的长度之和等于另外两杆长度之和。2.1.3 在可折叠机构设计中的应用由于满足最短杆与最长杆的长度之和等于另外两杆长度之和的条件时，机构有曲柄、连杆、摇杆全部都运动到重合于机架的位置，故可利用此条件来设计可折叠机构。2.1.4 在停歇机构设计中的应用在曲柄摇杆机构中，曲柄转动时，摇杆有在机架位置上不动的可能。据此，我们可以设计出具有 180 度/360 度、540 度精确停歇的停歇机构。当然，在设计时要注意从动件摇杆在停顿瞬间的止动问题及起动瞬间的动力来源问题通过结构设计，此两问题一般不难解决。2.2 曲柄滑块机构运行中
12、的振动与平衡 在一切有质量、构件质心有加速度或构件有角加速度的机械中,都存在着惯性力。例如:曲柄压力机在向下行程时,滑块出现“快落”,对传动系统产生撞击、振动,会降低传动零件的使用寿命。机械在高速运转过程中,这种随机构运转而周期变化的强惯性作用将会在运动副中引起附加动压力。这不仅将增加运动副中的摩擦力和构件的内应力,导致磨损加剧、效率降低,也影响构件的强度。而且由于惯性力随机械的运转而作周期性变化,也会使机械及其基础产生强迫振动,从而导致机械工作质量和可靠性下降、零件材料内部疲劳损伤加剧,并由振动而产生噪声污染。因此,研究机械高速运转中惯性力的变化规律,采用平衡设计和平衡试验的方法对惯性力加以
13、平衡,以消除或减轻惯性力的不良影响,是减轻机械振动、改善机械工作性能、提高机械工作质量、延长机械使用寿命、减轻噪声污染的重要措施之一。 曲柄滑块机构是最早获得广泛应用的连杆机构之一，在运转时各构件产生的惯性力会引起机座的强迫振动，加剧机器构件的磨损并产生噪声污染，降低机构的运动精度和平稳性。因此，对这类机构平衡问题的研究很有必要。从理论上讲，运用质量代换法可使这种机构的惯性力完全平衡。但是这种平衡法会导致机械结构复杂化及其质量的增加，尤其是把配重安装在连杆上时，对机构更为不利。因此，人们多采用惯性力部分平衡的方法来减小机构的振动。曲柄滑块机构中包含有作往复运动的滑块和作复合运动的连杆和作转动的
14、曲柄,它们质心加速度以及角加速度的存在会导致周期性变化的振动力和振动力矩。这种力和力矩将造成机械的强烈振动和噪声,加剧机件的磨损和疲劳失效,降低机构的运动精度和运动平稳性,限制了机械性能的提高。对运动机构的振动力和振动力矩平衡方面的研究,主要集中在两个方面:振动力和振动力矩的平衡方法和平衡问题的分析方法。目前对机器传动系统中的曲柄滑块机构进行振动力和振动力矩平衡方法主要有:(1)质量重分配法,这种方法是通过在构件上加平衡重的方法,使机构的总质心位置始终处于机架上,机构的总质心不会随构件的运动而运动,从而达到振动力的完全平衡;(2)平衡机构平衡法,即在机构上附加其它机构来平衡原机构的惯性作用。分
15、析机构振动力和振动力矩平衡问题的方法主要有:(1)质量替代法,就是根据替代前后构件质量和质量矩不变的原则,将构件的质量代为相应点处的质量。这种方法有利于机构振动力和振动力矩平衡的研究;(2)线性独立向量法,这种方法就是首先建立机构总质心位置的向量表达式,然后利用机构环路方程使表达式各项向量线性独立,最后设法使总质心位置不动,即使表达式中所有与时间有关的各项系数全部为零。3. 曲柄连杆机构的最新动态曲柄连杆机构作为汽车发动机的核心部件，用来实现进气、压缩、做工、排气四个行程的工作循环。在做工行程中，曲柄连杆机构将曲柄的往复运动转变为曲柄的旋转运动，对外输出动力。而在其他三个行程中，由于惯性作用又
16、把曲柄的旋转运动转化为活塞的往复直线运动。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转化为机械能。随着时代的发展，美国、德国、日本等汽车工业发达国家都向着开发绿色环保和高性能发动机两大方向开展技术创新。曲柄连杆机构的技术创新大多是材料方面的改进，比如碳材质的，还有从数量方面发展，如双曲柄连杆机构，以及以后的多连杆机构。随着汽车行业的不断进步对汽车各种性能要求也在不断提高。一个重要的研究方向，是研究低噪声的发动机，而其中研究的重点是具有高平衡性的曲柄连杆机构。随着人们对环境以及可持续发展要求的不断提高，使用对环境友好的清洁汽车，较少对环境的污染，是当今社会
17、对内燃机动力汽车的迫切需要。然而，改变材料制作工艺方式这种并没有改善柴油机的燃烧性能。在结构创新方面，传统的曲柄连杆机构显然达不到技术要求。美国人Abenavoli Bruno 设计了一种二冲程型式柴油机，他在气缸顶部加了一个机构内置转换阀，并由驱动机构控制，当活塞由上止点下行到排气门打开时可以自由滑动。但滑动机构精度低，换气阶段存在较大的换气损失。中国的实用新型专利中，有一种凸轮摇杆式内燃机，它的特点是使活塞的直线运动和主轴的旋转运动相互转换，通过改变凸轮曲线实现活塞按照选取的加速度规律往复运动。上述机构的引入，都没有从根本的结构方面来改变柴油机的工作方式，也对柴油机的燃烧特性改善不大。1999 年，法国研制出一种新型气体发动机曲柄连杆机构，运用在气动马达上，达到了良好的效果。4. 结语本文通过资料搜集，介绍了曲柄连杆机构的特点、曲柄连杆机构的应用及应用实例以及曲柄连杆机构的最新研究动态；在机构特点分析中，以内燃机为例介绍了机构的工作特点与设计难点、机构的三个分类（对心曲柄连杆机构、偏置曲柄连杆机构、偏心轮机构）、机构的运动分析意义及目的、机构的运动学与动力学具体分析等；在机构的应用及应用实例中，介绍了曲柄连杆机构有死点条件的应用、可折叠机构设计中的应用、在停歇机构设计中的应用以及机构运行中的振动与平衡等；最后通过在上网查询以及翻略书籍的方式查询了曲柄连杆机构的研究动态。
