《力学教材》-《力学教材》-07 柴油机活塞连杆系统静力分析（新修改）

【问题提出】

各类机械和工程结构中的每个零件和构件，都是相互联系而又相互制约的，它们之间存在着相互作用的力，所以在解决工程中一般的力学问题时，都必须首先对零件、构件进行受力情况分析。1构件受力分析基础1.1

基本概念自由体：不受任何限制，可以向任一方向自由运动的物体，称为自由体。非自由体：受到其他物体的限制，不能做任意运动（或沿着某些方向不能产生运动）的物体，称为非自由体。主动力：使物体产生运动或运动趋势的力称为主动力。主动力一般是物体承受的载荷，如重力、水压、油

压、电磁力等等。约束：一物体对另一物体运动限制的属性，称为“约束”。产生约束的物体称为“约束体”；运动受限的

物体称为“被约束体”。约束力：约束体限制被约束体运动趋势的力称为约束反力，简称约束力或反力。1构件受力分析基础【约束力的特点】（1）总是作用在被约束体与约束体的接触处。（2）方向总是与约束所能限制的运动或运动趋势的方向相反。WNWT1构件受力分析基础1.2构件受力分析概述工程常见约束柔性体约束光滑面约束铰链约束固定端约束中间铰链固定铰链支座滑动铰链支座非刚性体形成的约束。忽略接触面摩擦力的刚性约束。只限制移动，不限制转动的约束。圆柱铰链约束中用光滑圆柱体连接的两个物体有一个固定。圆柱铰链约束中用光滑圆柱体连接的两个物体都不是完全固定。光滑面与光滑圆柱约束的复合约束。限制物体在约束处移动和转动的约束。用光滑圆柱体（例如销钉）相连接。构件受力分析：选取研究对象做分离体受力图画上主动力和约束反力2工程常见约束由绳索、链条、皮带或胶带等非刚性体形成的约束称为柔性约束(常用T表示)，如图（a）、（b）、（c）示。

(a)(b)(c)柔性约束反力的特点:（1）只能限制物体沿柔索伸长方向的运动。（2）力的方向总是背离物体，为拉力。2.1

柔性约束2工程常见约束2.2

光滑面约束约束为刚体、约束与被约束物体之间（不计摩擦）为刚性接触的约束，称为光滑面约束。光滑面约束的约束反力常用N表示。这类约束可以与被约束物体之间形成点、线、面接触。这类约束无论是平面还是曲面，都只能限制沿接触面公法线方向上，向着约束体内方向的运动。因此，光滑面约束对被约束物体的约束反力方向应沿接触面公法线且指向被约束物体。WNn2工程常见约束工程上常见的光滑面约束的触形式可以简化为三种类型：点接触（曲面和曲面）、线接触（柱面和平面）、面接触（平面和平面）。(a)(b)(c)

（2）约束反力过接触点沿接触面法向并指向被约束体。（1）只能限制物体在接触点沿接触面的公法线指向约束物体的运动。约束反力的特点:2工程常见约束2.3

圆柱铰链约束其结构为，光滑圆柱体（销钉）与一个物体固连，插入另一个物体的孔内。如图所示。约束的共同特点是，两个物体用光滑圆柱体（例如销钉）相连接，二者都可绕光滑圆柱体自由转动，但对所连接物体的移动形成约束。2工程常见约束（1）中间铰圆柱铰链约束中用光滑圆柱体连接的两个物体都不是完全固定的，称为中间铰，如图（a）所示。约束反力的特点:（1）反力的方向不定，随接触点而变化；（2）反力的大小由两个通过铰链中心的正交分力表示。符号：Rx、Ry。

(a)(b)(c)RxRy2工程常见约束（2）固定铰支座约束圆柱铰链约束中用光滑圆柱体连接的两个物体有一个固定，称为固定铰支座约束，如图所示。(a)(b)(c)(d)(e)其约束反力的特点:（1）反力的方向不定，随接触点而变化；（2）反力的大小由两个通过铰链中心的正交分力表示。符号：Rx、Ry。2工程常见约束（3）活动铰支座约束

(b)(a)活动铰支座约束又称为辊轴约束或辊轴支座。其实质是光滑面与光滑圆柱约束的复合约束。其简化结构如图（a）示。这种约束只能限制垂直于支承面的运动，因而只有垂直于支承面并通过铰链中心的约束力，如图（b）所示，记为R。图（c）是三种常用活动铰支座的简单记法。(c)R2工程常见约束固定铰链和活动铰链支座，这种支座常用于桥梁，层架或天车等结构中，可以避免由温度变化而引起的结构内部变形应力。比如桥梁两端约束就是固定铰和活动铰。2工程常见约束RyRRx2工程常见约束2.4固定端约束

物体的一部分固嵌于另一物体构成的约束，称为固定端约束。这种约束不仅限制物体在约束处沿任何方向的移动，也限制物体在约束处的转动。如建筑中的阳台、跳水比赛中的跳板等都是受固定端约束的实例。

它的反力为一个作用在梁A点的约束反力R和一个力偶矩为m约束反力偶。其中约束反力R可用两个正交分力RAx和RAy来代替。如图所示的形式为固定端约束简单画法。PRxRymP3构件受力分析工程常见约束柔性体约束光滑面约束铰链约束固定端约束中间铰链固定铰链支座滑动铰链支座非刚性体形成的约束。忽略接触面摩擦力的刚性约束。只限制移动，不限制转动的约束。圆柱铰链约束中用光滑圆柱体连接的两个物体有一个固定。圆柱铰链约束中用光滑圆柱体连接的两个物体都不是完全固定。光滑面与光滑圆柱约束的复合约束。限制物体在约束处移动和转动的约束。用光滑圆柱体（例如销钉）相连接。构件受力分析：选取研究对象做分离体受力图画上主动力和约束反力3构件受力分析受力分析是指分析所研究物体的受力情况，受力图是受力分析结果的最终体现。工程实际中的构件或零件上都会有力的作用，这些力一般可以分为两类：一是主动力；二是约束力。受力分析时所研究的物体称为研究对象。为了正确进行受力分析，必须将研究对象的约束全部解除，并将其从周围物体中分离出来。这种解除了约束并被分离出来的研究对象，称为分离体。将分离体所受的主动力和约束力都用力矢量标在分离体相应的位置上，就得到了分离体的受力图，简称受力图。3构件受力分析画受力图的一般步骤如下：

（2）在分离体上画出全部主动力；

（3）在分离体上解除约束处，画出全部约束反力。

（1）确定研究的对象，解除约束做出分离体；3构件受力分析例1用一根绳子将一重为G的圆球栓住，并放置在光滑斜面上，试画出圆球的受力图。（1）取圆球为研究对象。解：（2）画主动力。（3）画约束力。G

CBOAGTN3构件受力分析例2如图所示，简支梁AB的A端用固定铰链支座，B端为活动铰链支座。在梁的中点受到主动力F的作用，试画出梁AB的受力图。ABCF

3构件受力分析（1）取梁AB为研究对象，解除约束。解：ABCFRAyRAxRB

（2）画主动力，即外力F（3）画约束力，即

RB、RAx

、RAyABCFRARB

大家思考一下，A点力的方向能不能判断出来呢？3构件受力分析例3如图所示的三铰拱桥，由左右两拱桥铰接而成。设各拱桥的自重不计，在拱上作用有载荷F，试分别画出左拱和右拱的受力图。ACBF3构件受力分析解：ACBFCRBRC

RA

RC/二力构件三力构件4柴油机活塞连杆系统静力分析4.1柴油机活塞连杆组件简介结构简图柴油发动机是燃烧柴油来获取能量释放的发动机。如图所示，柴油机曲柄连杆机构的主要零件可以分为三部分，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。曲柄连杆机构是柴油机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成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变为机械能。4柴油机活塞连杆系统静力分析要想对其进行力学分析，必须要将该系统抽象为机构简图。气缸与活塞简化为B点滑块、连杆简化为AB杆、曲轴简化为OA曲柄（为了方便我们将其旋转90度，如图所示），即简化为曲柄滑块机构。受力分析4.2柴油机活塞连杆系统受力分析4柴油机活塞连杆系统静力分析mRA/ROO