第04章曲柄连杆机构教程.doc

第四章 曲柄连杆机构 第一节 概 述 一、功用与组成 曲柄连杆机构是内燃机完成工作循环、实现能量转换的传动机构。它在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动；而在进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变为活塞的往复直线运动。因此曲柄连杆机构的功用是：将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再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。 曲柄连杆机构由以下3部分组成： 机体组 主要包括气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套、曲轴箱和油底壳等不动件。 活塞连杆组 主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件。 曲轴飞轮组 主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器、平衡轴等机构。 二、工作条件及受力分析 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。在发动机作功时，气缸内的最高温度可达2 500k以上，最高压力可达5 MPa～9MPa，现代汽车发动机最高转速可达3 000r／min～6 000r／min，则活塞每秒钟要行经约100~200个行程，可见其线速度是很大的。此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件(如气缸、气缸盖，活塞等)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，因此它在工作时的受力情况是很复杂的。在此只对受力情况作简单分析。 曲柄连杆机构受的力主要有气体压力，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，气缸内气体压力始终存在而且是不断变化的。作功行程压力最高，其瞬间最高压力汽油机可达3MPa～5MPa；柴油机可达5MPa～9MPa，这意味着作用在曲柄连杆机构上的瞬间冲击力可达数万牛顿(N)。下面分析各机件作功行程的受力情况。 如图4-1a所示，气体压力对气缸盖和活塞顶作用有大小相等，方向相反的力，分别用集中力和Pp表示。作用力Pp经活塞传到活塞销上，分解为Np和Sp两个力。Np垂直于气缸壁，它使活塞的一个侧面压向气缸壁，称为侧压力。该力以O为支点形成一个与曲轴转向相反的力矩，有使发动机向左翻倒的倾向，故被称为翻倒力矩。力Sp通过活塞销推压连杆，并沿连杆方向传到曲柄销上，使曲柄销处受压。Sp又可分解为沿曲轴方向的法向力Rp和垂直于曲柄方向的切向力了Tp。力Rp使曲轴主轴颈处受压并使曲轴弯曲；力Tp除了也具有力Rp的类似作用外，它以曲柄半径为力臂产生的扭矩M还可使曲轴扭转变形，但也正是此扭矩能够对外输出动力，因而它是分解后唯一有效的力。 依此法分析，气体压力较小的压缩冲程的受力状况(见图4-lb)。在压缩冲程中，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Pp，也可以分解为两个分力Np和Sp，而Sp又分解为Rp，Sp。Rp使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；Sp对曲轴造成一个旋转阻力矩Mp，企图阻止曲轴旋转。而Np则将活塞压向气缸的另一侧壁。 进、排气冲程气体压力很小，可以忽略。 综上所述，气体压力使气缸盖承受向上的推力，活塞顶承受向下的推力、活塞侧面与气缸壁间有侧压力，活塞销处、连杆杆身、曲柄销处及曲轴主轴颈处，均受压力，曲轴还承受弯曲力矩和扭转力矩。 在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随活塞的位移而变化的，再加上连杆在左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴轴颈的表面以及二者的支承表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损的不均匀性。同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀。 图4-1 气体压力作用简图 a-作功冲程受力情况；b-压缩冲程受力情况 2．往复惯性力和离心力 往复运动的物体，当运动速度变化时，就要产生往复惯性力。物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力。这两种力在曲柄连杆机构的运动中都是存在的。 为了分析方便，将其产生的惯性力简化为往复惯性力和离心惯性力。 （1）往复惯性力 是指活塞组件和连杆小头在气缸内作往复运动所产生的惯性力，用Pj表示。其大小与机件的质量及加速度成正比，其方向总与加速度的方向相反。 活塞在气缸内从上止点向下止点运动时，速度由零开始作加速运动，至接近中部时速度最大，这一段惯性力向上(如图4-2a)。然后作减速运动，则惯性力变为向下(图4-2b)，至下止点时速度减为零。活塞从下止点向上运动时，前半行程作加速运动，惯性力向下，后半行程作减速运动，惯性力向上。 于是可知，活塞上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下。在上下止点处，活塞运动方向改变，速度为零，加速度最大，惯性力也最大；在行程中部附近，活塞运动速度最大，加速度等于零，惯性力也等于零。 由于往复惯性力与气缸压力都可认为作用于气缸中心线上，只是上下方向有时不同，因此，惯性力