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1、第二章 机体组及曲柄连杆机构 机体组组 曲柄连连杆机构 平衡机构 机构中的作用力及力矩 多缸发动机的曲柄连杆机构演示 发动机的机体组和 曲柄连杆机构的功 用： 发动机借以产生并 传递动力的机构。 通过它把燃料燃烧 后发出的热能转变 为机械能。 组成： 机体组、活塞连 杆组和曲轴飞轮 组。 2.1 机构中的作用力及力矩 发动机工作周期性力周期 性振动（减小质量,平衡重 ) 2.2 机 体 组 一、机体组组成 ： 曲轴箱 气缸垫 气缸盖 气缸 油道和水道 油底壳 气缸体 气缸盖罩 二、机体（气缸体） 机体:是气缸体与曲轴箱的连铸体。 水冷发动机的气缸体和 上曲轴箱常铸成一体， 称为气缸体曲轴箱 风
2、冷发动机将气缸体和 曲轴箱分别铸造，气缸 体为单体 机体在发动机工作时承受拉、压、弯、扭等多种机械 负荷和热负荷。为此，机体应具有足够的强度和刚度，且 耐磨损和耐腐蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体 损坏和变形。还应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机 的尺寸和质量。 1、机体的工作条件 2、机体材料 机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。近年来， 在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍。 铝合金机体与铸铁机体相比，具有下列优点：（1）全铝机体与铝活塞 配合使用，热膨胀系数同，可控制间隙，降噪声和机油消耗量；（2） 导热性好，可提高压缩比，提高功率；（3）质量轻，对FF汽车载荷分 配有利；（
3、4）散热性能好。缺点：成本高。 油底壳安 装平面和 曲轴旋转 中心在同 一高度 油底壳安装平 面低于曲轴的 旋转中心 气缸体上曲 轴的主轴承 孔为整体式 （1）按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为 3、机体结构及分类 一般式 平底式 龙门式隧道式 名 称性 能应 用 一般式 机体高度小、重量轻、结 构紧凑，便于加工拆卸。 刚度和强度差。 492Q汽油机，90 系列柴油机。 龙门式 强度和刚度较好。工艺性 差、结构笨重、加工困难 。 捷达轿车、富康 轿车、桑塔纳轿 车 隧道式 结构紧凑、刚度和强度好 。难加工、工艺性差、曲 轴拆卸不方便。 负荷较大的柴油 机上 。 性能与应用比较 （2）根据冷却
4、方式不同分：水冷、风冷 散热片冷却水 （3）根据气缸的排列方式 结构简单、加 工容易，但发 动机长度和高 度较大。 缩短了机体的 长度和高度， 增加了刚度， 减轻了发动机 重量；形状复 杂，加工困难 。 高度小，总 体布置方便 。 （4）干式气缸套和湿式气缸套 名称特 点示意图 干缸套 外壁不直接与冷却水接 触。壁厚13mm。 湿缸套 外壁直接与冷却水接触 。壁厚59mm。 强度和刚 度都较好 ，加工复 杂，拆装 不便，散 热不良。 散热良好、冷 却均匀、加工 容易。 强度 和刚度不如干 缸套，易漏水 。 三、气缸盖、气缸垫和气缸盖罩 功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。 材料
5、：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。 工作条件：由于接触温度很高的燃气，所以承受的热负荷很大。 1、气缸盖 分类：整体式、分块式和单体式 。 气缸盖的构造 气缸盖是结构复杂的箱形零件。其上加工有进、排气门座孔 ，气门导管孔，火花塞安装孔(汽油机)或喷油器安装孔(柴油机 )。在气缸盖内还铸有水套、进排气道和燃烧室或燃烧室的一部 分。若凸轮轴安装在气缸盖上，则气缸盖上还加工有凸轮轴承 孔或凸轮轴承座及其润滑油道。 气缸垫：功用是保证气缸盖与气缸体接触面 的密封，防止漏气，漏水和漏油。 气缸盖 气缸盖罩 衬垫 安装火花塞 2、气缸盖罩和气缸垫 气缸垫的工作条件： 气缸衬垫承受拧紧气缸盖螺栓时造成的压力，并受
6、到 气缸内燃烧气体高温、高压的作用以及机油和冷却液的 腐蚀。气缸衬垫应该具有足够的强度，并且要耐压、耐 热和耐腐蚀。另外，还需要有一定的弹性，以补偿机体 顶面和气缸盖底面的粗糙度和不平度以及发动机工作时 反复出现的变形。 气缸衬垫可分为：金属 石棉衬垫、金属复 合材料衬垫和全金属衬 垫等多种。 汽油机常采用的燃烧室形状有： 3、燃烧室 名称 特点示意图应用 半球形 结构紧凑、火焰行程 段、燃烧速率高、热 损失小、热效率高 桑塔纳 夏利 富康 楔形 结构简单、紧凑、散 热面积小、热损失少 ；火花塞置于燃烧室 最高处，火焰传播距 离长 切诺基 盆形 工艺性好、成本低、 进排气效果不如半球 形燃烧室
7、 捷达 奥迪 当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、气缸 盖底面以下所形成的空间称为燃烧室。 柴油机燃烧室形状 主、副切向连接 主、副非切向连接 涡流室燃烧室： 其主、副燃烧室之间 的连接通道与副燃烧室 切向连接，在压缩行程 中，空气从主燃烧室经 连接通道进入副燃烧室 ，在其中形成强烈的有 组织的压缩涡流，因此 称副燃烧室为涡流室。 燃油顺气流方向喷射。 预燃室燃烧室： 其主、副燃烧室之 间的连接通道不与副 燃烧室切向连接，且 截面积较小。在压缩 行程中，空气在副燃 烧室内形成强烈的无 组织的紊流。燃油迎 着气流方向喷射，并 在副燃烧室顶部预先 发火燃烧，故称副燃 烧室为预燃室。 四、油底壳 1、
8、概念： 贮存机油并封闭曲轴箱，又称为下曲轴箱。 2、使用特点： 油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久 磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损 3、材料： 薄钢板冲压 油底壳内设有挡板 ，用以减轻汽车颠 簸时油面的震荡。 五、发动机的支撑 发动机一般通过机体和飞轮壳或变速器壳上的支承支撑在车架上。发动机的支 承方法，一般有三点支承和四点支承两种。三点支承可布置成前一后二或前二 后一。采用四点支承法时，前后各有两个支承点。 2.3 曲柄连杆机构 一、曲柄连杆机构的功用及组成 1、功用： 将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，同时将 作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出的转矩，以驱
9、 动汽车车轮转动。 2、组成： 主要由活塞连杆组和曲轴飞轮组的零件组成。 二、活塞连杆组 气环 油环 活塞销 活塞 连杆 连杆螺栓 连杆轴瓦 连杆盖 1、功用：承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。 2、工作环境：高温、散热条件差；柴油机顶部工作温度高达1800 2200K，且分布不均匀；高速，线速度达到10m/s， 承受很大的惯性 力。增压发动机活塞顶部承受最高可达1416MPa（汽油机）的压力 ，使之变形，破坏配合联结。 3、材料： 铝合金：质量小 导热性好；灰铸铁 活塞应具 备的特点 A 刚度和强度应足够大，传力可靠。 B 导热性能好，耐高压、高温、磨损 C 质量较小，尽可能减少
10、往复惯性力 D 耐热的活塞顶及弹性的活塞裙 E 活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数 （一）活塞 功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。 4、结构 顶部：构成燃烧室，承 受气体压力。 头部:安装活塞环，制作 较厚。 裙部：导向，传力。承受侧压 力销座孔处制有加强筋。 （1）活塞顶部（汽油机 ） 结构简单、制造容 易、受热面积小、 应力分布较均匀， 多用在汽油机上。 凸起呈球状、顶部 强度高，起导向作 用、有利于改善换 气过程。 凹坑的形状、位置必 须有利于可燃混合气 的燃烧；提高压缩比 ，防止碰气门。 汽油机 活塞顶 部的形 状与燃 烧室形 状和压 缩比大 小有关 。 （1）活塞顶部（柴油
11、机 ） 柴油机活塞顶部形状取决于混合气形成方式和燃烧室形状。 对于分隔式燃烧室： 在分隔式燃烧室柴油机的活塞顶部设有形状不同的浅凹坑 ，以便在主燃烧室内形成二次涡流，增进混合气形成与燃烧 。 对于直喷式燃烧室： 其全部容积都集中在气缸内，且在活塞顶部设有深浅不一、 形状各异的燃烧室凹坑。在直喷式燃烧室的柴油机中，喷油器 将燃油直接喷入燃烧室凹坑内，使其与运动气流相混合，形成 可燃混合气并燃烧。 头部 （2）活塞头部 位置：活塞顶至油环槽下端面之间的部分称为活塞头部 。 工作条件最 恶劣，应离 顶部远些。 1、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸、 2、防止可燃混合气漏到曲轴箱内， 3、将顶部吸收的
12、热量通过活塞环传给气缸壁。 作用 ： （3）活塞裙部 位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。 作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力， 防止破坏油膜。 裙 部 活 塞 裙 部 的 椭 圆 变 形 演 示 （1）预先做成阶梯形、锥形 活塞沿高度方向的温度 很不均匀，活塞的温度是上 部高、下部低，膨胀量也相 应是上部大、下部小。为了 使工作时活塞上下直径趋于 相等，即为圆柱形，就必须 预先把活塞制成上小下大的 阶梯形、锥形。 5、为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密 封和运动间隙，制造活塞时通常采取下列结构措施： （2）预先做成椭圆形 椭圆的长轴方向与销座
13、垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时 趋近正圆。 （3）活塞裙部开槽 横向绝热槽 减少裙部受热 有的兼作油环回油孔 纵向膨胀槽 留有膨胀余地 活塞强度降低 绝热槽 膨胀槽 （4）为了减小铝合金 活塞裙部的热膨胀量， 有些汽油机活塞在活塞 裙部或销座内嵌入钢片 。 恒范钢片式活塞的 结构特点:由于恒范钢 为含镍33%36%的低碳 铁镍合金，其膨胀系数 仅为铝合金的1/10，而 销座通过恒范钢片与裙 部相连，牵制了裙部的 热膨胀变形量。 6、活塞在工作时的保护措施 （1）在活塞裙部表面涂保护层，可改善铝合金活塞的磨合性； 主要有铅、锡、石墨、磷保护层等。 （2）在安装活塞销时，使活塞销偏置某一
14、方向装，以减少换向 时的敲击声，且使裙部减小磨损； 有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面的 ， 向作功行程中受主侧压力的一方偏移了12mm。 7、活塞的冷却 1)自由喷射冷却法：从连杆小头上的喷油孔或 从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机 油。 2)振荡冷却法： 从连杆 小头上的喷油孔将机油 喷入活塞内壁的环形油 槽中，由于活塞的运动 使机油在槽中产生振荡 而冷却活塞。 3)强制冷却法：在活塞 头部铸出冷却油道或铸 入冷却油管，使机油在 其中强制流动以冷却活 塞。强制冷却法广为增 压发动机所采用。 （二）活塞环 是具有弹性的开口环，分为气环和油环。 工作条件： 高温、高压、高速
15、、极难润滑。 平均寿命： 6万公里 材料：合金铸铁或球墨铸铁（有时表面涂有保护层） 切口 气环环 （1）气环 作用：保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并把活 塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，再由冷却水将其 带走。 气环的密封原理： 将23道气环的切口相互错开形成“迷宫式”封气装置。 气环的泵油原理： 动 态 演 示 （2）油环 种类普通油环组合式油环 示意图 刮油片 轴向衬环 径向衬环 刮油片 油环的刮油作用 油环的刮油作用 （三）活塞销 作用：连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气 体压力传递给连杆。 材料与工艺:优质低碳钢，表面淬火、精磨。 构造：活塞销的内孔形状有圆柱形，两段截锥形 ，以及两段截锥与一段圆柱的组合形。 连杆 活塞销 全浮式：活 塞销能在连 杆衬套和活 塞销座中自 由摆动，使 磨损均匀。 半浮式： 活塞中部 与连杆小 头采用紧 固螺栓连 接，活塞 销只能在 两端销座 内作自由 摆动。多 用于小轿 车 形式:全浮式（工作时自由转动）、半浮式。 （四）连杆 作用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力 传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运 动。 连 杆 组 件 分 解 图 连杆小头 杆身 连杆 大头 连杆大头的连接形式 平切式斜切式 平切口连杆体大端的刚度较大，大头孔 受力变形较小，而且平切口连杆制造费 用较低。因此汽油机均采用平切口连
