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1、第二章机体组及曲柄连杆机构 功用 曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环 完成能量转换的传动机构 用来传递力和改变运动方式 工作中 曲柄连杆机构在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动 对外输出动力 而在其他三个行程中 即进气 压缩 排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动 总的来说曲柄连杆机构是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 工作条件 发动机工作时 曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触 曲轴的旋转速度又很高 活塞往复运动的线速度相当大 同时与可燃混合气和燃烧废气接触 曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用 并且润滑困难 可见 曲柄连杆机构的工作条
2、件相当恶劣 它要承受高温 高压 高速和化学腐蚀作用 组成 曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组 机体组 活塞连杆组和曲轴飞轮组 2 3 第一节曲柄连杆机构中的作用力及力矩 作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动质量惯性力 气体力作用于活塞顶上 在活塞的四个行程中始终存在 但只有作功行程中的气体力是发动机对外作功的原动力 气体力通过连杆 曲柄销传到主轴承 气体力同时也作用于气缸盖上 并通过气缸盖螺栓传给机体 作用于活塞上和气缸盖上的气体力大小相等 方向相反 在机体中相互抵消而不传至机体外的支承上 但使机体受到拉伸 曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动质量组成的当量系统 往复运动质量包括活塞组
3、零件质量和连杆小头集中质量 它沿气缸轴线作往复变速直线运动 产生往复惯性力 旋转运动质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量 它绕曲轴轴线旋转 产生旋转惯性力 也称离心力 往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发动机支承 4 第二节机体组 5 机体组是发动机的支架 是曲柄连杆机构 配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体 气缸盖用来封闭气缸顶部 并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室 另外 气缸盖和机体内的水套和油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分 6 二 机体 1 机体的工作条件及要求机体是气缸体与曲轴箱的连铸体 绝大多数水冷发动机的气缸体与曲轴箱连铸在一起 而且多缸发动机的各个气缸
4、也合铸成一个整体 风冷发动机几乎无一例外地将气缸体与曲轴箱分别铸制 在发动机工作时 机体承受拉 压 弯 扭等不同形式的机械负荷 同时还因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很大的热负荷 因此 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 机体也是最重的零件 应该力求结构紧凑 质量轻 以减小整机的尺寸和质量 2 机体材料 机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造 最近 在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍 7 3 机体构造 8 机体的构造与气缸排列形式 气缸结构形式和曲轴箱结构形式有关 气缸排列形式有3种 直列式 V型和水平对置式 9 气缸内表面由于受高
5、温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损 为了提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而有不同的气缸结构形式和表面处理方法 气缸结构形式也有3种 即无气缸套式 干气缸套式和湿气缸套式 10 按曲轴箱结构形式的不同机体有一般式 龙门式和隧道式3种 11 一般式机体的底平面与曲轴轴线齐平 这种机体高度小 质量轻 加工方便 但与另外两种机体相比刚度较差 龙门式机体是指底平面下沉到曲轴轴线以下的机体机体底平面到曲轴轴线的距离称作龙门高度 龙门式机体由于高度增加 其弯曲刚度和扭转刚度均比平底式机体有显著提高 机体底平面与油底壳之间的密封也比较简单 隧道式机体是指主轴承孔不剖分的机体结构 这种机体配以
6、窄型滚动轴承可以缩短机体长度 隧道式机体的刚度大 主轴承孔的同轴度好 但是由于大直径滚动轴承的圆周速度不能很大 而且滚动轴承价格较贵 因此限制了隧道式机体在高速发动机上的应用 12 三 气缸盖 1 气缸盖工作条件及要求 气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷 同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷 为了保证气缸的良好密封 气缸盖既不能损坏 也不能变形 为此气缸盖应具有足够的强度和刚度 为了使气缸盖的温度分布尽可能的均匀 避免进 排气门座之间发生热裂纹 应对气缸盖进行良好的冷却 2 气缸盖材料 气缸盖一般都由优质灰铸铁或合金铸铁铸造 轿车用的汽油机则多采用铝合金气缸盖 13 3 气
7、缸盖构造 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 水冷发动机的气缸盖有整体式 分块式和单体式3种结构形式 在多缸发动机中 全部气缸共用一个气缸盖的 则称该气缸盖为整体式气缸盖 若每两缸一盖或三缸一盖 则该气缸盖为分块式气缸盖 若每缸一盖 则为单体式气缸盖 风冷发动机均为单体式气缸盖 14 15 4 燃烧室 当活塞位于上止点时 活塞顶面以上 气缸盖底面以下所成空间称为燃烧室 在汽油机气缸盖底面
8、通常铸有形状各异的凹坑 习惯上称这些凹坑为燃烧室 在汽油机上广泛应用的燃烧室有 16 1 浴盆形燃烧室 结构简单 气门与气缸轴线平行 进气道弯度较大 压缩行程终了能产生挤气涡流 2 楔形燃烧室 结构比较紧凑 气门相对气缸轴线倾斜 进气道比较平直 进气阻力小 压缩行程终了时能产生挤气涡流 3 半球形燃烧室 结构最紧凑 燃烧室表面积与其容积之比 面容比 最小 进排气门呈两列倾斜布置 气门直径较大 气道较平直 火焰传播距离较短 不能产生挤气涡流 4 多球形燃烧室是由两个以上半球形凹坑组成的 其结构紧凑 面容比小 火焰传播距离短 气门直径较大 气道比较平直 且能产生挤气涡流 5 篷形燃烧室 是近年来在
9、高性能多气门轿车发动机上广泛应用的燃烧室 17 柴油机的分隔式燃烧室有两种类型 1 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 2 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 18 四 气缸衬垫 1 气缸衬垫的功用 工作条件及要求 气缸衬垫是机体顶面与气缸盖底面之间的密封件 其作用是保持气
10、缸密封不漏气 保持由机体流向气缸盖的冷却液和机油不泄漏 气缸衬垫承受拧紧气缸盖螺栓时造成的压力 并受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 19 2 气缸衬垫的分类及结构 按所用材料的不同 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 20 五 油底壳 油底壳的主要功用是储存机油和封闭机体或曲轴箱 油底壳用薄钢板冲压或用铝铸制而成 油底壳内设有挡板 用以减轻汽车颠簸时油面的震荡 此外 为了保证汽车倾斜时机
11、油泵能正常吸油 通常将油底壳局部做得较深 油底壳底部设放油螺塞 有的放油螺塞带磁性 可以吸引机油中的铁屑 21 六 发动机的支承 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 22 第三节曲柄连杆机构 一 曲柄连杆机构的功用及组成曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构 其功用是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 以驱动汽车车轮转动 曲柄连杆机构由活塞组 连杆组和曲轴飞轮组的零件组成 23 二 活塞组 一 活塞 1 活
12、塞的功用及工作条件 活塞的主要功用是承受燃烧气体压力 并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转 此外活塞顶部与气缸盖 气缸壁共同组成燃烧室 活塞是发动机中工作条件最严酷的零件 作用在活塞上的有气体力和往复惯性力 活塞顶与高温燃气直接接触 使活塞顶的温度很高 活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动 由于润滑条件差 因此摩擦损失大 磨损严重 2 活塞材料 现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞 只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢活塞 3 活塞构造 活塞可视为由顶部 头部和裙部等3部分构成 24 25 1 活塞顶部 汽油机活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关 大多数汽油机采
13、用平顶活塞 其优点是受热面积小 加工简单 采用凹顶活塞 可以通过改变活塞顶上凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比 26 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 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 柴油机还有另一类燃烧室 称为直喷式燃烧室 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 27 2 活塞头部 由活塞顶至油环槽下端面之间的部分称为活塞头部 在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和
14、油环槽 在油环槽底部还加工有回油孔或横向切槽 油环从气缸壁上刮下来的多余机油 经回油孔或横向切槽流回油底壳 活塞头部应该足够厚 从活塞顶到环槽区的断面变化要尽可能圆滑 过渡圆角R应足够大 以减小热流阻力 便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁 使活塞顶部的温度不致过高 在第一道气环槽上方设置一道较窄的隔热槽的作用是隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热流 使部分热量由第二 三道活塞环传出 从而可以减轻第一道活塞环的热负荷 改善其工作条件 防止活塞环粘结 28 活塞环槽的磨损是影响活塞使用寿命的重要因素 在强化程度较高的发动机中 第一道环槽温度较高 磨损严重 为了增强环槽的耐磨性 通常在第一环槽或第一 二
15、环槽处镶嵌耐热护圈 在高强化直喷式燃烧室柴油机中 在第一环槽和燃烧室喉口处均镶嵌耐热护圈 以保护喉口不致因为过热而开裂 29 3 活塞裙部 活塞头部以下的部分为活塞裙部 裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好的导向 气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的 适宜的间隙 间隙过大 活塞敲缸 间隙过小 活塞可能被气缸卡住 此外 裙部应有足够的实际承压面积 以承受侧向力 活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称主推力面 承受压缩侧向力的一面称次推力面 30 发动机工作时 活塞在气体力和侧向力的作用下发生机械变形 而活塞受热膨胀时还发生热变形 这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销孔轴线方向的尺寸增大 因此 为
16、使活塞工作时裙部接近正圆形与气缸相适应 在制造时应将活塞裙部的横断面加工成椭圆形 并使其长轴与活塞销孔轴线垂直 现代汽车发动机的活塞均为椭圆裙 另外 沿活塞轴线方向活塞的温度是上高下低 活塞的热膨胀量自然是上大下小 因此为使活塞工作时裙部接近圆柱形 须把活塞制成上小下大的圆锥形或桶形 31 在活塞销座处镶铸恒范钢片的活塞称恒范活塞 由于恒范活塞在销座处只靠恒范钢片与活塞裙相连且恒范钢的热膨胀系数只有铝合金的1 10左右 因此当温度升高时 在恒范钢片的牵制下 裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小 若将普通碳素钢片铸在销座处的铝合金层内侧形成双金属壁 则由于两种金属的热膨胀系数不同 当温度升高时双金属壁发生弯曲 而钢片两端的距离基本不变 从而限制了裙部的热膨胀量 因为这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大 所以称这种活塞为自动热补偿活塞 32 在现代汽车发动机上广泛采用半拖鞋式裙部或拖鞋式裙部的活塞 在保证裙部有足够承压面积的条件下 将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉 即为半拖鞋式裙部 若全部去掉则为拖鞋式裙部 优点是 质量轻 比全裙式活塞轻10 10 适应高速发动机减小往复惯性力的需要 裙
