曲柄连杆机构

教学过程

（引入新课：）

在前面我们学到发动机总体构造，其中讲到了发动机的组成（两大机构、五大系），首当其冲就是曲柄连杆机构，可见它是构成发动机重要的部件之一。本次课主要学习的内容是曲柄连杆机构的功用、组成和工作原理。

（讲授新课）

一、功用、组成和工作原理

功用：将燃气作用在活塞顶上的压力转变为能使曲轴旋转运动而对外

输出的动力。

曲柄连杆机构是往复活塞式发动机将热能转换为机械能的主要机构。在发动机工作过程中，燃料燃烧产生的气体压力直接作用在活塞顶上，推动活塞作往复直线运动。经活塞销、连杆和曲轴，将活塞的往复直线运动转换为曲轴的旋转运动。发动机产生的动力，大部分经由曲轴后端的飞轮输出；还有一部分用以驱动本机其他机构和系统。

曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分组成。

1机体组

主要包括气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套和气缸垫等不动件。

2活塞连杆组

主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件。

3曲轴飞轮组

主要包括曲轴和飞轮等机件。

曲柄连杆机构的主要零部件以及相互连接关系如图21所示。

二、工作条件与受力分析

在发动机工作时，气缸内最高温度可达2 500K以上，最高压力可达5MPa－9MPa，现代发动机最高转速可达4 000r／min－ 6 000r／min，速度是很高的。此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件（如气缸、气缸盖、活塞组等）还将受到化学腐蚀和电化学腐蚀。因此，曲柄连杆机构是在高温、高压、高速和有腐蚀的条件下工作的。

由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此，它在工作中的受力情况很复杂，其中主要有气体作用力、运动质量的惯性力、旋转运动件的离心力以及相对运动件的接触表面所产生的磨擦力等。

1、气体作用力

在工作循环中，气体压力始终存在。但由于进气、排气两个行程中的气体压力较小，对机件影响不大，故这里主要分析作功和压缩两个行程中气体的作用力。在作功行程中，气体压力推动活塞向下运动。活塞所受的总压力对活塞销上可分解为F Pl和F P2；F Pl l通过活塞销传给连杆，并通过连杆作用在曲轴上。对曲轴F Pl还可分解为两个分力R和S；分力R使曲轴压向主轴颈；分力S垂直于曲柄，对曲轴产生力矩T，驱动曲轴旋转。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。这时作用在活塞顶上的气体压力也可分解。分力S′对曲轴形成一个旋转阻力矩T′，企图阻止曲轴旋转。

由上述分析可知，作功行程中气体压力越大，发动机动力也越大。但气体压力又是造成机件磨损和损坏的主要因素。如活塞与活塞销、活塞销与连杆衬套、连杆轴承与连杆轴颈、主轴承与主轴预等在气体压力作用下互相压紧，在运动中产生磨损；另外，气体压力还会使活塞紧压在气缸壁上，从而加剧活塞、活塞环和气缸壁的磨损。

2、往复惯性力与离心力

往复运动的物体，当运动速度变化时，将产生往复惯性力。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存在。

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，临近中间达最大值，然后又逐渐减小至零。

由于往复惯性力和气体压力都可以认为作用于气缸中心，只是上、下方向有时不同，因此惯性力分解后引起各传动机件的受力情况和气体压力相同。但惯性力不作用于气缸盖，它在单缸发动机内部是不平衡的，会引起发动机上下振动，多缸发动机的惯性力可能在各缸之间相互平衡，引起振动的倾向大为减小。

连杆轴颈和连杆大头在绕曲轴轴线旋转时，将产生离心力，其方向沿曲柄向外。加剧了发动机的上下振动。而水平方向上的分力则使发动机产生水平方向的振动。另外，离心力使连杆大头的轴承和轴颈、曲轴主轴承和轴颈受到又一附加载荷，增加了它们的变形和磨损。

3、摩擦力

曲柄连杆机构中互相接触的表面作相对运动时都存在摩擦力，其大小与正压力和摩擦系数成正比，其方向总是与相对运动的方向相反。摩擦力的存在是造成配合表面磨损的根

源。

上述各种力，作用在曲柄连杆机构的各有关零件上，使它们承受了拉伸、压缩、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，减轻振动，在结构上应采取相应措施。如为了减小曲轴离心力的影响，在曲轴上增设平衡块；为抵抗连杆的拉伸、压缩及弯曲等变形，将连杆杆身断面制成“工”字形；为减小惯性力的影响，活塞采用质量较轻的铝合金材料；为减少机件磨损，可提高加工精度、材料硬度和加强润滑等等。

(课堂小结)

1、曲柄连杆机构的功用及组成；

2、曲柄连杆机构的工作原理；

3、正确分析发动机工作时的受力情况。

（布置作业）

1、曲柄连杆机构由哪几部分组成的？

2、画出发动机工作时的受力分析图。

（教学后记）

通过不断变化教学，从中发现学生更加喜欢形象的图片和动画来进行模块学习。