曲柄连杆机构受力分析结果

作用在曲柄连杆机构上的机械负荷包括气体作用力和惯性力，此外还有运动件之间的摩擦力、运动件与空气的摩擦力、物体自重等，但这些力与气体作用力和惯性力相比很小，在受力分析中不予考虑。下面对单缸发动机曲柄连杆机构进行受力分析。

1.气体作用力

作用在活塞上的气体作用力Pg是发动机对外做功的动力，Pg随活塞行程x或曲轴转角α的变化关系为Pg＝f（x）或Pg＝f（α），可根据发动机示功图决定，也可取计算值。Pg表示为

式中，p——气缸中气体压力，MPa；

p′——活塞背面压力，即曲轴箱的气体压力，MPa；

D——气缸直径，mm。

由式（9－6）可以看出，当发动机结构确定后，作用在活塞上的气体作用力Pg大小取决于活塞顶上的气体压力P。

气缸盖上的气体作用力Pg1与Pg大小相等，方向相反，即Pg1＝－Pg。

作用在活塞上的气体作用力Pg集中在活塞销中心，大小随曲轴转角α而变化（图9－6），方向沿气缸中心线，习惯上作用力指向曲轴中心为正。

图9－6　作用在曲柄连杆机构上的力

2.惯性力

作用在曲柄连杆机构上的惯性力由往复惯性力和旋转惯性力组成。往复惯性力由活塞等往复运动质量所产生；旋转惯性力由旋转质量所产生；又称离心力。惯性力的大小及变化规律与曲柄连杆机构的运动规律及运动质量的大小有关。曲柄连杆机构的运动质量，可根据等效原则，将其换算到活塞销中心和曲柄销中心，前者称往复运动质量mj，后者称旋转运动质量mr，如图9－7所示。

图9－7　运动部分质量

往复惯性力的大小与往复运动质量及加速度成正比，方向与加速度方向相反，即

Pj＝－mj·j

将式（9－5）代入，可得

式中，mj——往复运动质量，kg；

R——曲柄半径，m；

ω——曲轴旋转角速度，1/s。

式（9－6）也可写为

Pj＝Pj1＋Pj2(www.xing528.com)

式中，Pj1——一阶往复惯性力，Pj1＝－mj Rω2cosα；

Pj2——二阶往复惯性力，Pj2＝－mjλRω2cos（2α）。

往复惯性力始终沿气缸中心线作用于活塞销中心处，当方向指向曲轴旋转中心时为正。

旋转惯性力Pr是旋转运动质量做圆周运动而产生的离心力，大小为

式中，mr——旋转运动质量，kg。

Pr的作用方向总是沿曲柄向外。

3.作用力的分解与传递

作用在活塞销处的总作用力PΣ为

PΣ随曲轴转角α变化的关系如图9－8所示，周期为4π。

作用力PΣ可分解成沿连杆方向的作用力K和垂直于气缸壁的侧压力N（图9－9）：

图9－8　作用力PΣ随曲轴转角α变化的关系

图9－9　力的传递与分解

侧压力N随着曲轴转角α的变化，其大小和方向都在频繁地变化，规定N所形成的反扭矩与曲轴旋转方向相反时为正值，反之为负。N能使缸套内壁两侧磨损，若活塞与气缸的间隙过大，就会使活塞敲击气缸，产生“敲缸”响声，并加剧缸套与活塞的磨损。连杆力K使连杆受到压缩与拉伸，规定连杆受压为正，连杆受拉为负。K的大小和方向也随曲轴转角而变化。连杆力K沿连杆传递到曲柄销，将其分解为垂直于曲柄的切向力T和沿曲柄半径的径向力Z，公式如下：

在曲轴中心加上三对大小相等、方向相反的力T′、T″（T′＝T″＝T）与N′、N″（N′＝N″＝N）及Z′、Z″（Z′＝Z″＝Z）。其中，T、T″形成的力偶M就是发动机一个气缸所发出的指示扭矩，其大小为

另一对力N、N″所形成的力偶M′与M大小相等，方向相反（证明略），称为反扭矩。指示扭矩M使发动机曲轴克服外界阻力矩旋转，反扭矩M′通过发动机机体传递到支架上。

作用在曲轴中心处的力T′、Z′、N′形成合力，由作用在主轴承上的气体作用力和往复惯性力组成：。其中，，所以，＝PΣ。

作用在气缸盖上的气体作用力Pg1与主轴承上承受的气体作用力P′g大小相等、方向相反。这两个力的作用结果在机体上互相抵消，使缸体拉伸或压缩，不传出发动机外。主轴承上的往复惯性力P′j以自由力的形式出现，通过轴承传至机体作用在发动机支架上。旋转惯性力Pr也作用在主轴承上，传至机体作用在发动机支架上。