第二章 机体组及曲柄连杆机构

第一节 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。

曲柄连杆机构工作条件十分恶劣。气缸内最高温度可达2500K以上，最高压力可达5～10MPa，最高转速可达3000～6000r/min，此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件（如气缸、气缸盖、活塞组等）还将受到混合气燃烧废气的化学腐蚀，因此，曲柄连杆机构是在高温、高压、高速和化学腐蚀的条件下工作的。同时，曲柄连杆机构在工作时变速运动，受力情况相当复杂，有气体作用力、运动质量惯性力、旋转运动的离心力、相对运动件接触表面的摩擦力等。活塞在气缸内每秒钟要完成约100～200个行程，活塞在气缸中的平均速度可达8～12m/s（活塞平均速度：c_m=Sn×10^-3/30，式中c_m为活塞平均速度，m/s；s为活塞行程；n为发动机标定转速，r/min），可见其线性速度是很大的。

1.气体作用力

在发动机工作循环的每个行程中，气体作用力始终存在且不断变化。做功行程最高，压缩行程次之，进气和排气行程较小，对机件影响不大，故这里主要分析做功和压缩两行程中的气体作用力。

在做功行程中，气体压力是推动活塞向下运动的力，燃烧气体产生的高压直接作用在活塞顶部，如图2-1a所示。活塞所受总压力为F_p，它传到活塞销上可分解为F_p1和F_p2。分力F_p1通过活塞传给连杆，并沿连杆方向作用在连杆轴颈上。F_p1还可分解为两个分力R和S。沿曲柄方向的分力F使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；与曲柄垂直的分力S除了使主轴颈与主轴承间产生压紧力外，还对曲轴形成转矩T，推动曲轴旋转。F_p2把活塞压向气缸壁，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承在车架上。

图2-1 气体压力作用情况图

a）做功行程 b）压缩行程

在压缩行程中，气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力。这时作用在活塞顶部的气体压力F_p′也可分解为两个分力F_p′₁和F_p′₂，如图2-1b所示。而F_p′₁又分解为R′和S′两个分力。R′使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力，S′对曲轴造成一个旋转阻力矩T′，企图阻止曲轴旋转。而F_p′₂则将活塞压向气缸的另一侧壁。

在发动机工作循环的任何工作行程中，气体作用力的大小都是随着活塞的位移而变化的，再加上连杆的左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴轴颈的表面以及两者的支承表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损不均匀。

2.往复惯性力

对于往复运动的物体，当运动速度变化时，将产生往复惯性力。曲柄连杆机构中的活塞组件和连杆小头在气缸中做往复直线运动，其速度很高且数值变化，当活塞从上止点向下止点运动时，速度变化规律是：从零开始，逐渐增大，临近中间达最大值，然后又逐渐减小至零。即前半行程是加速运动，惯性力向上，以F_j表示，如图2-2a所示。后半行程是减速运动，惯性力向下，以F_j′表示，如图2-2b所示。同理，当活塞向上运动时，前半行程是加速运动，惯性力向下，后半行程是减速运动，惯性力向上。

图2-2 往复惯性力和离心力作用情况示意图

a）活塞在上半行程的惯性 b）活塞在下半行程的惯性

惯性力使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈承受周期性的附加载荷，加快轴承磨损；未被平衡的变化的惯性力传到气缸体后，还会引起发动机振动。

3.离心力

物体绕某一中心做旋转运动时，就会产生离心力。在曲柄连杆机构中，偏离曲轴轴线的曲柄、连杆轴颈、连杆大头在绕曲轴轴线旋转时，将产生离心力F_c，其方向沿曲柄向外，如图2-2所示。离心力在垂直方向上的分力F_cy与惯性力F_j的方向总是一致的，因而加剧了发动机的上、下振动。而水平方向的分力F_cx则使发动机产生水平方向的振动。此外，离心力使连杆大头的轴承和轴颈受到又一附加载荷，增加了它们的变形和磨损。

4.摩擦力

任何一对互相压紧并做相对运动的零件表面之间都存在摩擦力。在曲柄连杆机构中，活塞（活塞环）、气缸壁之间；曲轴、连杆轴承与轴颈之间都存在摩擦力，它是造成零件配合表面磨损的根源。

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。为保证发动机工作可靠，减少磨损，在结构上应采取相应措施，设法平衡致使发动机不平衡的各种力和力矩。