第2章

曲柄连杆机构

2.1 概述

2.1.1 功用与组成

曲柄连杆机构的功用是将燃料燃烧时产生的热能转变为机械能，通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构由机体组（主要包括汽缸体、曲轴箱、油底壳、汽缸套、汽缸盖和汽缸垫等不动件）、活塞连杆组（主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件）和曲轴飞轮组（主要包括曲轴、飞轮、扭转减振器和平衡轴等机构）三部分组成。

2.1.2 受力分析

曲柄连杆机构是在高温、高压、高速以及有化学腐蚀的条件下工作的。发动机做功时，汽缸内的最高温度可达2500K以上，最高压力可达5～9MPa，汽车发动机转速在3000～6000r/min时，则活塞每秒钟要经过100～200个行程，其线速度是很大的。此外，汽缸、汽缸盖、活塞等部件还将受到化学腐蚀。

由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，曲柄连杆机构主要承受气体压力、往复惯性力、旋转运动件的离心力以及相对运动件接触表面的摩擦力。

（1）气体压力

在每个工作循环的四个行程中，气体压力始终存在。进气、排气两行程中气体压力较小，对机件影响不大，做功和压缩行程中的气体压力影响较大。

在做功行程中，气体压力是推动活塞向下运动的力。这时，燃烧气体压力直接作用在活塞的顶部（图2-1（a））。当活塞所受总力Fp传到活塞销上，可分解为Fp1和Fp2，分力Fp1通过活塞销传给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上；Fp1又可分为两个分力FR和FS，分力FR沿曲柄方向使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；分力FS对曲轴形成转矩T，推动曲轴旋转；分力Fp2把活塞压向汽缸壁，形成活塞与缸壁间的侧压力，有使机体翻倒的趋势，故机体下部的两侧应支撑在车架上。

在压缩行程中，气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力。这时作用在活塞顶的气体总压力F′p也可以分解为两个分力F′p1和F′p2（图2-1（b）），F′p1又分解为F′R、F′S。F′R使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力，F′S对曲轴造成一个旋转阻力矩T′，企图阻止曲轴旋转；F′p2、F′p1因连杆的左右摇摆运动，在活塞销和曲轴轴颈的表面以及两者的支撑表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损不均匀。同样，汽缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀。

（2）往复惯性力与离心力

当活塞和连杆小头在汽缸中作往复直线运动时，速度很高，而且数值在不断变化。当活塞从上止点向下止点运动时，其速度变化规律是：从零开始，逐渐增大，临近中间达到最大值，然后又逐渐减小至零。也就是说，当活塞向下运动时，前半行程是加速运动，惯性力向上，以Fj表示（图2-2（a））；后半行程是减速运动，惯性力向下，以F′j表示（图2-2（b））。

同理，当活塞向上时，前半行程惯性力向下，后半行程惯性力向上。活塞、活塞销和连杆小头的质量越大，曲轴转速越高，则往复惯性力也越大。它使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈受周期性的附加载荷，加快轴承的磨损；未被平衡的变化着的惯性力传到汽缸体后，还会引起发动机的振动。

在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随着活塞的位移而变化的，偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，即离心力，其方向沿曲柄半径向外，其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关。曲柄半径长，旋转部分质量大，曲轴转速高，则离心力大。如图2-2所示，离心力Fc在垂直方向的分力Fcy与往复惯性力Fj方向总是一致的，因而加剧了发动机的上、下振动；而水平方向分力Fcx则使发动机产生水平方向的振动。离心力使连杆大头的轴瓦和曲柄销、曲轴主轴颈及其轴承受到又一附加载荷，增加了它们的变形和磨损。

（3）摩擦力

在任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间，必定存在摩擦力，其最大值决定于上述各种力对摩擦面形成的正压力和摩擦系数。

上述各种力作用在曲柄连杆机构和机体的各有关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷。为了保证工作可靠，减少磨损，在结构上必须采取相应的措施。