第2章 曲柄连杆机构 曲柄连杆机构功用及组成 曲柄连杆机构受力分析 干、湿式缸套的定位及防漏 燃烧室、活塞、活塞环、连杆的结构和装配特点 曲轴的结构、定位及防漏用术语 2.2 机体组 1.结构及形式 2.工作条件与要求 4.气缸的排列形式 5.曲轴箱型式 6.气缸与气缸套 缸套的定位 2.2.2 气缸盖与气缸垫 1.气缸盖 2.汽油机燃烧室 2.2.3 气缸垫 2.2.4 油底壳 2.3 活塞连杆组 2.3.1 活塞 2.活塞基本构造 2）活塞环槽部 3.活塞的安装方向和顶面标记 2.3.2 活塞环 3.材料及表面处理 气环 气环的特殊断面（结构措施） 扭曲原理 油环 2.3.3 活塞销 2.3.4 连杆 2）组成 2.4 曲轴飞轮组 2.4.1 曲轴 1) 主轴颈和曲柄销（连杆轴颈） 2）曲柄和平衡重 3）曲拐布置 4）前端轴与后端轴组成结构 前后端防漏 5）曲轴轴向定位 ２.4.2 主轴承和主轴承盖 主轴承(俗称大瓦)的基本结构与连杆轴承相同。主轴承一般开有周向油槽和主油孔。 主轴承盖通过螺栓与主轴承座相连。为了能够更好的保证孔形，主轴承盖与主轴承座实行配对加工，为避免装配错误，在主轴承盖上标有记号。现代发动机为了增大曲轴的支承刚度和气缸体刚度，尤其是铝合金气缸体，将各个主轴承盖制成一体，形成主轴承盖梁，有利于改善气缸体刚度，并加强曲轴抗弯强度。 ２.4.3 曲轴扭转减振器 汽车发动机最常用的曲轴扭转减振器是摩擦式扭转减振器。 2.4.4 飞轮 采取减小环质量、特殊断面形状气环，油环下设减压腔或用组合环式油环等方法可减少泵油危害 3）扭曲环 矩形环 锥形环 内切口扭曲环 外切口扭曲环 梯形环 桶形环 1）矩形环 结构相对比较简单、制造方便，便于活塞头部散热 2）锥形环 线接触—单位压力大—利于密封和磨合，但传热性较差。 活塞环装入—受压产生弯曲变形——中性层外产生拉应力——内产生压应力—拉应力合力F1指向环中心——压应力合力F2背离环中心——矩形环中性层内外端面对称——不产生扭矩—扭曲环中性层内外断面不对称——形成力偶——活塞环发生微量扭曲变形。 矩形环 扭曲环 特点： 1）线接触、利于密封和走合、能刮油、布油和形成形油膜 2）减小了环在环槽内的上下移动量，从而减小了泵油作用 3）作功行程侧压和背压使扭曲环不再扭曲，两密封面完全接触。 普通油环 油孔 活塞在上、下行过程中，油环都刮下气缸壁上多余的润滑油，经油环径向油孔和活塞上的回油孔流回油底壳。 分类：普通油环和组合油环。 1 ）普通油环 为增强刮油效果，在其外圆上切环行槽，槽底开若干回油用的小孔或窄槽 为保证对缸壁的压力，又有较好的柔性，改善对缸壁贴合的适应性，有的发动机将油环减薄，在其加装衬簧 活塞下行刮油 活塞上行刮油 钢片 轴向衬环 径向衬环 组合油环 2） 组合油环 组成：钢片、轴向、径向衬簧。 轴向力：自由状态衬簧和两钢片的总厚度大于环槽的高度 径向力弹力使钢片第一密封面密封。 轴向弹力使两钢片分别贴合在环槽上、下侧，使第二密封面密封，消除了侧隙。 2.结构 基本结构：厚壁管状体；变截面结构 3.活塞销连接方式 1） 全浮式：活塞销在连杆小头及活塞销座内部都有合适的配合间隙。 功用：连接活塞和连杆，把活塞所受的力传给连杆。 1.功用与工作条件 工作条件： 承受大小和方向一直在变化的冲击载荷 作低速摆转运动，油膜不易建立 全浮式 卡簧 活塞销 2） 半浮式 半浮式连接： 销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一处浮动。 1. 组成与功用 连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等 功用：将活塞承受的力传给曲轴。 3.连杆体、连杆盖构造 1）小头：安装活塞销，连接活塞。小头孔内，压青铜衬套或铁基粉末冶金衬套。 2.工作条件 承受气体压力和往复惯性力产生的冲击性拉压交变负荷。 连杆承受弯曲交变载荷。 2）杆身：常为“工”字形断面，压力润滑的连杆身内钻有纵向油道 3）大头： （1）切口形式：平切口、斜切口； （2）定位方式：连杆螺栓、锯齿形、套或销、止口定位 4.连杆轴承 1）作用与工作条件 作用：使连杆轴颈和连杆大头间保持良好的油膜，减小摩擦阻力，加速磨合。 工作条件： （1）承受交变载荷； （3）低速大负荷时润滑差，可能会烧瓦。 （2）高速摩擦（摩擦热使润滑油粘度下降，润滑变坏，磨损加剧） 轴瓦 连杆盖 钢背 垃圾槽 减磨合金层 定位唇 钢背（低碳钢）：基体 减磨层：由浇铸在钢背内圆的薄层减膜合金制成。 对减磨合金性能要求： （1）足够的疲劳强度；（2）良好的减磨性能 （ 3）良好的耐腐的能力。 （ 4）足够的结合强度； （4）过盈配合（过盈可保证轴瓦工作时不转、不移、不振，并可以使轴瓦与座孔紧密贴合，利于散热。 （5）内表面结构有更低的粗糙度，以便建立良好的油膜。 3）结构 （1）背面结构；（2）定位装置：定位唇、定位槽、定位孔、定位销 （3）自由弹势： 组成：曲轴、飞轮、正时齿轮、皮带轮、扭转减振器 1.功用 把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出；还驱动配气机构及其他各种辅助装置 2.工作条件及要求 1）承受周期变化的气体压力、往复惯性力和离心力， 2）在周期载荷下，引起扭转和弯曲振动而产生附加应力 3）转速和负荷一直在变化, 轴颈处不易形成良好油膜. 4）紧急制动等情况下,曲轴会产生轴向窜动. 要求:细长件曲轴工作时会产生弯曲变形、疲劳破坏和轴颈磨损，因此要有足够的刚度、强度和一定的耐磨性，并需要很好的平衡。 3.材料 曲轴要求用强度、冲击韧性和耐磨性较高的材料制造，一般用优质中碳钢或中碳合金钢锻制，主轴颈和曲柄销表面上——高频淬火或氮化处理——精磨； 4.构造 分整体式和组合式两种： 组成：前端轴、主轴颈、曲柄销、曲柄、平衡重、后端轴 曲拐：曲柄销和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。 全支承式 非全支承式 是高速滑动摩擦部分，表面经淬火处理，轴颈两端与曲柄连接处都有半径要求严格的圆角，喷丸、滚压等强化处理。 按主轴颈数，曲轴可分为：全支承曲轴、非全支承曲轴 全支承曲轴可提高曲轴刚度和弯曲强度，可减轻主轴承载荷。 非全支承曲轴结构相对比较简单常用于中小负荷汽油机。 连杆轴颈(曲柄销) 曲柄销一般是空心的，目的是减小质量和离心力。 作用：曲柄用来连接主轴颈和连杆轴颈；平衡重是平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩的。 平衡重有的与曲轴制成一体，有的则是装配式 曲轴必须进行动平衡校核 无平衡重 加平衡重 油道：贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈。空心的曲柄销减小了重量和离心力，又构成了积污腔。 （1）各缸作功间隔角要尽量均衡。对直列发动机，持续工作的两缸相对曲拐夹角要相等，并等于工作循环期间曲轴转角除以气缸数。 四缸：曲轴转两转（720度）各缸都应作功一次，则相连作功的两缸对应的曲拐互成： 720/4=180度 （2）连续作功的两缸相隔尽量远。可减少主轴承载荷，避免相连两缸进气门同时开启发生抢气现象。 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 （3）V型发动机左右两排气缸尽量交替作功。 4）曲拐布置尽可能对称，均匀，使发动机平衡性好 a.直列四冲程四缸发动机曲轴曲拐布置 该发动机的工作发火顺序有两种： 1—3—4—2 ； 1—2—4—3 工作顺序： 1—3—4—2的发动机工作循环表 b.直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置 曲拐均匀布置在互成120度的三个平面内，相连工作两缸的曲拐夹角为：720/6=120. 发火顺序为： 1—5—3—6—2—4（各缸作功行程在前半部与后半部气缸交替进行）其工作循环如表： 曲轴后端轴 轴承座 轴承盖 凸缘盘 回油螺纹 飞轮 飞轮螺栓 前端轴结构：装正时齿轮，皮带轮、甩油盘、止推片；起动爪。 曲轴前端轴 起动爪 皮带轮 正时齿轮 甩油盘 后端轴结构：后端有凸缘盘，用来装飞轮。还 一些防漏装置。不少曲轴没有凸缘盘，飞轮用螺栓紧固于曲轴后端面。 曲轴前端：挡油盘、自紧油封 防漏过程：大量润滑油飞溅落在挡油盘上、盘随曲轴非常快速地旋转产生离心力，甩到正时齿轮室内，流回油底壳，少量落在挡油盘与轴颈间的油，被自紧油封密封 曲轴后端：挡油盘、回油螺纹、扣合式填料油封、自紧油封 防漏过程：从主轴承缝隙中出的润滑油—甩油盘甩入轴承座孔后凹槽中—经轴承盖上回油孔—流回油底壳；少量流至回油螺纹区—被回油螺纹挡回挡油盘—再少量回油螺纹外的被油封密封 甩油盘 自紧油封 轴承座 回油螺纹 挡油盘 曲轴作为转动件，与固定件必须有一定轴向间隙，间隙过小，曲轴转动阻力大，过大，曲轴发生轴向窜动，须有轴向定位装置 轴向定位装置：止推片 止推片 结构：整体式圆环、装在主轴承两侧、后片外圆上有一舌榫 1-曲轴前端；2-带轮毂；3-减振器盘；4-橡胶垫；5-惯性盘；6-带盘 1.功用 贮存作功行程能量，用以在其它行程中克服阻力完成发动机工作循环，使曲轴旋转角速度和输出转矩尽可能均匀、改善发动机克服短暂超负荷能力 固定在曲轴后端的飞轮，惯性很大，力图保持等速运转。 2.构造 铸铁圆盘 外边缘较厚（在同样质量下增大转动惯量） 外缘镶有齿圈，发动机起动时，与起动机齿轮啮合，带动曲轴旋转。 飞轮上刻有一缸上止点记号 刻有点火提前角或供油提前角刻度线 调整和检验点火正时、供油提前角和气门间隙 * 第2章 曲柄连杆机构 在线教务辅导网： 教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网 或者直接输入下面地址： 2.1 概述 2.1.1功用与组成 功用：将热能转变为机械能 组成： 机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组 1.气体压力 2.1.2 工作条件及受力分析 ：高温、高压、高速、非物理性腐蚀 气缸内气体压力一直在变化，最高达3~5MP 气缸盖受向上推力 活塞顶受向下推力 活塞侧面与气缸壁间有侧压力 2.往复惯性力和离心力 曲柄连杆机构运动速度的大小方向一直在变化，产生惯性力，分为： （1）往复惯性力：大小：Pj=m×a；方向：与a 相反 上止点 下止点 0 Vmax 0 Pj a Pj a 上止点 下止点 0 Vmax 0 Pj a Pj a 离心惯性力 定义：曲柄、连杆轴颈、连杆大头等围绕曲轴轴线作圆周运动的力 大小：Pc=mRω2 方向：背离曲轴旋转中心 危害：给主轴颈、主轴承、连杆轴颈、连杆轴承附加力，加速部位磨损，引起振动 3.摩擦力 相互接触表面作相对运动时存在摩擦力 大小： f=Nμ 方向：与相对运动方向相反 定义：气缸体是气缸的壳体，曲轴箱是支乘曲轴旋转运动的壳体 整体式：气缸体与曲轴箱铸成一体 分开式：气缸体与曲轴箱分开铸造，再用螺栓连接 2.2.1气缸体 组成：气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套和气缸盖和气缸垫 功 用：作为发动机各个机构和系统的装配基体，由它来保持发动机各运动件相互之间的位置关系。 整体式气缸体 条件：气缸与燃气接触，活塞作高速运动，曲轴箱承受较大机械和热负荷。 要求：气缸体须有足够的强度、刚度和良好的耐高温、耐磨损、耐腐蚀。 3.构造 气缸：引导活塞往复运动的圆筒 曲轴箱：支撑曲轴旋转运动。 凸轮轴座孔：支撑凸轮轴的旋转 水套：保证气缸在高温下正常工作，对水冷发动机，制有水套。 优缺点： 直列式：结构相对比较简单、长度、高度较大（垂直、倾斜、水平）。 对置式：高度最小、使轿车和大客车总布置更方便 V型：刚度大、缩短发动机的长度、高度、质量。 排列形式：直列排列（6缸）、V型排列（8缸），对置式 型式：１）平分式；２）龙门式；３）隧道式 优缺点： １） 平分式：便于机械加工，制造方便，但刚度小，多用于中小型发动机 ２） 龙门式：结构刚度较大，但工艺性较差。多用中型发动机 ３） 隧道式：结构刚度最大、主轴承同轴度易保证，多用于机械负荷大的大型发动机 为满足气缸工作条件、要求，可以从结构、加工精度、材料等方面采取一定的措施。 刚度、强度——采用不一样的曲轴箱型式。 冷却——水套或散热器 耐磨损、耐高温、耐腐蚀——材料，气缸体采用优质灰铸体，为提高气缸的耐磨性、加入少量合金元素：铬、磷 缸套： 1）干式缸套； 2）湿式缸套。 干式： 不易漏水漏气，结构刚度大，质量轻， 但冷却，散热差 干式缸套 湿式缸套 湿式缸套 形式：1）缸体上.直接加工缸筒；2）镶嵌标准缸径的气缸套 缸套类型 径向定位：凸出的圆环带A、B 轴向定位：上部凸缘的下表面C （三）缸套的密封 涨封式： 1.密封槽开在缸套上 压封式： 2.密封槽开在缸体上 功用：密封活塞上部，与活塞、气缸共同构成燃烧室。 工作条件：承受燃气的热、机械负荷 （1）功用及工作条件 （3）结构 设进、排气门座及气门导管和进、排气通道。 水冷：设水套 风冷：设散热片 汽油机：设火花塞座孔 柴油机：设喷油器座孔 （２）分类 整体式、块状式、单体式 特点： 大缸径发动机多用分开式气缸盖，即：一缸一盖，二缸或三缸一盖，缸径较小发动机采用整体式气缸盖 （3） 材料与气缸盖的紧固 材料：灰铸体、合金铸体、铝合金（重量轻、散热能力强，但易变形） 二次拧紧 紧固 从中央对称地向四周、分次逐步进行，最后按规定扭矩拧紧拆卸时按相反方向进行。 注意：铝合金气缸盖必须在发动机冷状态下拧紧（因铝缸盖钢螺栓）铸体气缸盖在发动机发热时最后拧紧。 缸体 缸盖 对燃烧室基本要求：（1）面容比要小； （ 2）结构紧密相连； （ 3）能产生一定的涡流运动； （ 4）充气效率高； （ 5）表面十分光滑 燃烧室类型： （1）楔形；2）半球形；3）碗形；４）盆形；５）蓬形 楔形燃烧室 盆形燃烧室 碗形燃烧室 蓬形燃烧室 半球形燃烧室 1.作用与要求 . 作用： 保证气缸体与气缸盖间的密封，防止漏气、漏水。 要求：1）有足够的强度，不会非常容易损坏 ； 2）耐热耐侵蚀的能力 3）具有一定弹性，能补偿接合面不平度，确保密封。 4）拆装方便、能重复使用、寿命长 2.气缸垫的构造 1）金属—石棉垫；2）纯金属垫； 注意：安装方向：1）气缸垫的卷边朝向易休整面和硬平面 构造特点：设放油塞；设挡油板；薄钢板冲压而成；软木衬垫 。 功用：储存和冷却机油并封闭曲轴箱。 活塞顶部与缸盖、缸壁共同组成燃烧室。 承受气体力、将此力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转。 1.功用、工作条件与要求 要求: 运动速度高、受交变力作用 工作条件： 工作时候的温度高、气体压力大； 3）导热性好； 5）与缸壁间有较小摩擦系数和间隙。 2）质量尽量小、保持最小惯性力 4）足够的耐热性； 1）有充足的强度和刚度； 分为：顶部、头部和裙部。 1）活塞顶部 目前广泛采用铝合金活塞 顶部 活塞环 活塞销 活塞销锁环 活塞裙 顶部 环槽 活塞裙 结构特点： 形状：平、凹、凸顶 背面有加强筋 工艺：力求光洁; 可在顶部喷镀陶瓷; 它耐高温、耐腐蚀，但与铝的结合性能较差，易龟裂剥落。 3）活塞裙部 作用：为活塞运动导向；承受侧压力 护圈 作用： （1）承受，传递气体压力； （2）与活塞环一起实现气缸密封； （3）将活塞顶吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁上 （2）油环槽底面上钻许多径向小孔 构造特点： （1）切有2~3道环槽。（1~2装气环） （3）加环槽护圈 （4）加工隔热槽 受力分析： 1）把裙部断面加工为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。 2）直径加工成上小下大的近似圆锥形； 3）活塞裙部沿销座外端面铸造时凹陷0.5~1mm 活塞结构特点： 4）采用双金属活塞 a. 恒范钢片式； b. 自动调节式； c.筒形钢片式 5）其他结构 1. 喷油冷却（ 油冷活塞） 2. 隔热膜 （a）温控结构 （b）裙部表面保护 1.镀；2.外表面磷化 3.涂石墨（锻铝活塞）；4.表面粗糙化 （c）偏置销座 （d）减压腔 （e）桶形裙 活塞顶面有方向标记（因活塞裙部膨胀槽位置、顶部形状不对称、气门坑或偏置销座等原因） 1.作用 1）气环：密封和传热作用。 2）油环：刮油和布油作用。 2.工作条件 与缸壁间高速滑动摩擦、与环槽侧面的上下撞击。由于活塞的锥度和椭圆度，活塞环会沿径向产生一张一缩的运动，使环受交变应力而容易折断 在高温、高压、高速润滑困难下工作。 高温热负荷使环的耐磨性能、 弹性性能直线下降，是发动机零件中工作寿命最短的。 环径 环侧 环面 环厚 环高 油孔 环由优质灰铸体、球墨铸体或合金铸体制造（具有耐磨、导热、磨合、冲击韧性和足够弹性） 表面处理：多孔镀铬或喷钼。 4.间隙 活塞安装时留有端隙、侧隙、背隙 Δ1—端隙（开口间隙） Δ2—侧隙（边隙） Δ3—背隙 气环漏气通道： a. 环面与气缸壁间；b. 环与环槽侧面间 c. 开口端隙处。 1）第一密封面建立。 在自由态下，D活塞环D缸径，装入气缸，环产生一定的弹力P0与缸壁压紧，形成第一密封面。 2）第二密封面建立。 气缸内未被密封的气体不能通过第一密封面下窜，进入侧隙和背隙。 环与环槽的侧面密封压紧力由气体压力P1、活塞环惯性力Pj、和摩擦力F三个沿气缸轴线方向力决定。 ∑F=P1+Pj+F ∑F0：靠在环槽的下侧（压缩、作功、排气行程） ∑F0：靠在环槽的上侧（进气行程） ∑F=0：浮动于环槽中上跳下窜（环的颤振，危险） 3）气环第二次密封 窜入活塞环背隙和侧隙的气体，产生背压力和侧压力，使环对缸壁和环槽进一步压紧。显著加强第一、二密封面密封。 漏气通道 环槽中气体压力的下降 4）开口端隙的防漏 它是唯一的漏气通道， 各环的开口按迷宫式封气路线错开安装。 活塞环泵油作用及危害 活塞下行 活塞上行 危害： 1） 增加了润滑油消耗 2）火花塞可能因沾油不能产生电火花 3）使燃烧室积碳增多，甚至环槽内形成积碳。挤压活塞环而失去密封作用。 泵油过程： 由于侧隙和背隙，当活塞下行——环靠在环槽上方——刮下的油充满环槽下方—活塞上行——环靠在环槽下方——润滑油泵入活塞顶

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