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1、 汽车发动机构造与维修 第二章曲柄连杆机构构造与原理 教学目的 1 掌握曲柄连杆机构的功用与组成2 熟悉曲柄连杆机构的工作条件与受力情况 第一节活塞连杆组构造与工作原理 学习内容 活塞活塞环活塞销连杆 教学重点 1 掌握活塞连杆组的构造2 掌握活塞环的分类与作用3 活塞的冷敲热拉现象与防止措施 第三节活塞连杆组构造与工作原理 组成 由活塞 活塞环 活塞销和连杆 连杆轴瓦等组成 活塞 连杆 连杆轴瓦 活塞销 活塞环 气环 油环 活塞销 活塞 连杆 连杆螺栓 连杆轴瓦 连杆盖 活塞连杆组 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 1 高温 活塞直接与高温气体接触 瞬时温
2、度可达2500K以上 且散热条件差 温度分布很不均匀 2 高压 活塞顶部承受气体压力很大 特别是作功行程压力最大 汽油机高达3 5MPa 柴油机高达6 9MPa 在高压下活塞产生冲击与侧压力 3 高速 活塞在气缸内以很高的速度 8 12m s 往复运动 且速度在不断地变化 从而产生了很大的惯性力 使活塞还承受附加载荷 活塞在这种恶劣的条件下 会产生变形并加速磨损 4 腐蚀 活塞同时受到燃气的化学腐蚀作用 3 材料 铝合金 质量小导热性好 灰铸铁 耐热钢 一 活塞 角速度是作圆周运动的物体单位时间转过的角度 活塞顶部功用 是燃烧室的组成部分 主要作用承受气体压力 4 结构 活塞 1 活塞顶部的形
3、状 1 汽油机活塞顶部 凸顶 凹顶 平顶 多采用平顶 有些采用凹顶 二冲程汽油机多用凸顶 平顶活塞 结构简单 加工方便 吸热面积小 凸顶活塞 顶部刚度较大 制造时可减薄顶部的厚度 因质量较小 但顶部受热较大 温度较高 凹顶活塞 可以用来调节发动机的压缩比 且可以改善燃烧室的形状 但顶部受热量大易形成积炭 加工制造比较困难 成型顶活塞 一般适用于对燃烧室有特殊要求的柴油机 特殊的顶部形状可满足燃烧过程中的不同要求 活塞顶部 2 柴油机活塞顶部 柴油机活塞顶部多采用各种各样的凹坑凹坑 形状 位置和大小必须与柴油机混合气形成或与燃烧室要求相适应 燃烧室形式 2 活塞头部 位置 指第一道活塞环槽到活塞
4、销孔以上部分 它有数道环槽 用以安装活塞环 起密封作用 又称为防漏部 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 将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁 作用 环槽 用来安装气环和油环 一般气环槽有2 3个 油环槽为一个 活塞的装配方向 大多数发动机装配中 必须严格按照发动机生产厂家的规定的活塞方向装配活塞 往往在活塞顶部标注有活塞装配方向 3 活塞裙部 A 位置 从油环槽下端面起至活塞最下端的部分 包括销座孔 B 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 防治破坏油膜 裙部 C 裙部表面的保护 改善铝合金耐磨性措施 a
5、镀锡汽油机活塞裙部外表面镀锡b 涂石墨锻铝活塞裙部外表面涂石墨c 表面磷化柴油机活塞裙部外表面磷化 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 制造活塞是通常采取下列结构措施 由于厚度很不均匀 销孔部分的金属厚 受热膨胀量大 沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向 另外 裙部承受气体侧压力的作用 导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大 这样 如果活塞冷态时裙部为圆形 那么工
6、作时活塞就会变成一个椭圆 使活塞与气缸之间圆周间隙不相等 造成活塞在气缸内卡住 发动机就无法正常工作 2 预先做成椭圆形 椭圆的长轴方向与销座垂直 短轴方向沿销座方向 这样活塞工作时趋近正圆 长短轴之差 0 3 0 5mm 配缸间隙 热拉 配缸间隙与活塞的冷敲热拉现象 冷态下活塞收缩 活塞与气缸壁之间的配缸间隙过大 活塞换向出现敲缸的现象 活塞的冷敲热拉 冷敲 危害 噪声大 窜气 窜油 加速机件损坏 高温时活塞膨胀量大 活塞与气缸壁之间的间隙过小 会使气缸壁和活塞拉缸的现象 危害 气缸壁和活塞被拉缸或卡死 加速机件损坏 活塞的最大直径处与气缸的间隙 活塞裙部呈椭圆形 原因 金属量 销座孔方向变
7、形量大 长轴垂直于销座轴线 长短轴之差 0 3 0 5mm 铝合金活塞防冷敲热拉的结构措施 短轴平行于销座轴线 气体力 侧压力 3 活塞裙部开槽 横向绝热槽 纵向膨胀槽 绝热槽 膨胀槽 4 嵌入恒范钢片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就是这样的 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 5 销座孔处表面凹陷0 5 1 0mm 6 沿销座轴线方向裙部被削减 半拖板式 拖板式 定义 活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移1 2mm 作用 减轻活
8、塞换向时对气缸壁的敲击噪声 原理 因销座偏置 在接近上止点时 作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边 使活塞倾斜 裙部下端提前换向 而活塞在越过上止点后 侧压力反向时 活塞才以左下端接触点为支点 顶部向左转 不是平移 完成换向 偏置销座使活塞换向分成了两步 第一步是在气体压力较小时进行 且裙部弹性好 有缓冲作用 第二步虽气体压力大 但它是个渐变过程 为此 两步过渡使换向冲击力大为减弱 6 活塞销偏置 偏置销座1 定义 活塞销座朝向承受作功侧压力的一面 图示左侧 偏移1mm 2mm 2 作用 减轻活塞换向时对气缸壁的敲击 CKP信号轮 向旋转方向的反方向偏移 曲轴中心 气缸中心 19 二 活塞
9、环1 类型 气环 油环 2 功用 气环 密封 导热 辅助刮油 布油 油环 刮油 布油和辅助密封 3 工作条件 高温 高压 高速以及润滑困难 平均寿命 6万公里 4 材料与要求 对活塞环材料的要求 好的耐磨性 耐热性 磨合性 导热性 高的强度 冲击韧性和足够的弹性 优质灰铸铁 球墨铸铁 合金铸铁 目前汽车上广泛应用合金铸铁 5 活塞环的间隙 为了保证气缸的密封性 又防止环卡死或胀死在环槽中 安装时 活塞环应留有端隙 侧隙和背隙 1为端隙 2为侧隙 3为背隙 活塞环的间隙 1 端隙 1 又称开口间隙 是活塞环装入气缸后开口处的间隙 一般为0 25mm 0 50mm 2 侧隙 2 又称边隙 是环高方
10、向上与环槽之间的间隙 第一道0 03mm 0 10mm 其它气环0 02mm 0 07mm 油环一般侧隙较小 0 025mm 0 07mm 3 背隙 3 是活塞环装入气缸后 活塞环背面与环槽底部的间隙 0 5mm 1mm 2 3 6 气环的密封原理 第一密封面的建立 活塞环因弹力而压紧在气缸壁上 形成第一密封面 2 第二密封面的建立 活塞环在燃气压力作用下 压紧在环槽的下端面上 形成第二密封面 气环的第二次密封 窜入背隙和侧隙的气体 使环对缸壁和环槽进一步压紧 加强了第一 二密封面的密封 4 两道气环的密封面均存在油膜 起到密封作用 7 气环的切口形状 气环的切口间隙过大 则漏气严重 使发动机
11、功率减小 气环的切口间隙过小 活塞环受热膨胀后就可能卡死或折断 a 直角口 b 阶梯形 c 斜口 d 带防转销钉槽 带防转销钉槽 1 矩形环 2 锥面环 3 桶面环 5 扭曲环 4 梯形环 8 气环的断面形状 活塞环的泵油作用及危害原因 1 存在侧隙和背隙 2 环运动时在环槽中靠上靠下 危害 1 增加了润滑油的消耗 2 火花塞沾油不跳火 3 燃烧室积炭增多 燃烧性能变坏 4 环槽内形成积炭 挤压活塞环而失去密封性 5 加剧了气缸的磨损 1 矩形环工艺性和导热效果较好但产生泵油作用 措施 1 采用扭曲环 2 采用组合式油环 3 油环下设减压腔 2 扭曲环正扭曲环 在矩形环的内圆上边缘或外圆下边缘
12、切口反扭曲环 在矩形环的内圆下边缘或外圆上边缘倒角 正扭曲环 扭曲成碟子形 包括内圆上边缘切槽及外圆下边缘切槽的气环反扭曲环 扭曲成盖子形 内圆下边缘切槽的气环 进气 压缩和排气行程 环扭曲 消除泵油现象 减轻磨损 作功行程 燃气压力作用使环不再扭曲 与矩形环相同 扭曲效果 三点线接触 安装要求 内切槽向上 外切槽向下 装反则加速磨损和漏气 3 锥形环 正扭曲环常用于第二 三道气环 反扭曲环由于防窜油能力相对较差而用于油环上面的那道气环 安装正 反扭曲环时 必须注意环的断面形状和方向 不能装反 上行能形成油膜 下行有良好的刮油作用 具有良好的磨合性 但不能装反 否则窜机油 适用于高速柴油机和汽
13、油机的第二 三道气环 4 梯形环断面为梯形 抗粘结性好 避免环被粘结而折断侧向力换向活塞左右摆动时 梯形环的侧隙发生变化 将环槽中胶质挤出作功行程中 燃气径向压力加强了环的密封缺点 上下面精磨工艺复杂 在热负荷较高的柴油机上 第一道环常采用梯形环 5 桶面环 优点 对气缸表面的适应性较好 对活塞偏摆的适应性较好 有利于密封 与气缸壁形成楔形空间 便于机油进入 磨损减少 缺点 凸圆弧表面加工困难 活塞环外圆面为凸圆弧 与气缸是圆弧接触 广泛用于强化柴油机的第一道气环 8 油环的分类 1 普通油环 一般为合金铸铁 油环类型 油环 刮油片 轴向衬环 径向衬环 刮油片 油环的刮油作用 2 组合油环 一
14、般为高速发动机采用 由上下两片侧轨环与中间的扩胀器组成 侧轨环用镀铬钢片制成 扩胀器的周边比气缸内圆周略大一些 可装侧轨环紧紧压向气缸壁 这种油环的接触压力高 对气缸壁面适应性好 而且回油通路大 重量小 刮油效果明显 组合环由三个刮油钢片和两个弹性衬环组成 它具有上述组合环的优点 近年来汽车发动机上越来越多地采用了组合式油环 活塞销1 功用 连接活塞和连杆小头 并把活塞承受的气体压力传给连杆 2 工作条件 高温下的周期性冲击载荷 润滑条件差 3 材料 用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体 4 形状 结构 5 活塞 连杆与活塞销连接配合方式 1 全浮式1 定义 在发动机正常工作温度下 活塞销在连
15、杆小头孔和活塞销座孔中都能转动 2 装配 销与销座孔在冷态时为过渡配合 采用分组选配法 热装合 将活塞放入热水或热油中加热后 迅速将销装入 由于铝合金活塞销座的热膨胀量大于钢活塞销 因此在冷态装配时 活塞销与活塞销座孔为过渡配合 装配时 应先将铝合金活塞预热 80 100 C的水或油中加热 然后将销装入 必须在活塞销座两端用卡环定位 防止活塞销轴向窜动 2 半浮式 定义 销与销座孔和连杆小头两处 一处固定 一处浮动 一般固定连杆小头 装配 加热连杆小头后 将销装入 冷态时为过盈配合 A 用螺栓将活塞销夹紧在连杆小头孔内 B 另一种方法 首先将小头加热到230 左右 再将活塞销压入小头孔中 不用
16、紧固螺栓 从而避免了因过度拧紧二使活塞销变形 半浮式 全浮式 四 连杆1 功用 将活塞的力传给曲轴 使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 2 工作条件 气体作用力 往复作用惯性力 旋转作用惯性力 3 材料 连杆一般都采用中碳钢或合金钢锻造而成 少数球墨铸铁 4 结构 组成 小头 杆身 大头 连杆组件 1 小头 2 杆身 3 大头 4 9 装配记号 朝前 5 螺母 6 连杆盖 7 连杆螺栓 8 轴瓦 10 连杆体 11 衬套 12 集油孔 连杆组成 1 小头 用来安装活塞销 以连接活塞 全浮式有油沟 2 杆身 常做成 工 字形断面 3 大头 与曲轴的连杆轴颈相连 大头一般做成分开式 即连杆体大头和连杆盖 5 连杆大头剖分形式 切口形式 有平切口 汽油机 和斜切口 柴油机 两种 连杆大头剖分形式 1 平切口结合面与连杆轴线垂直这种剖分形式刚度大 变形小 加工简单 成本低 多应用于汽油机 2 斜切口柴油机的曲柄销直径较大 所以连杆大头的尺寸相应较大 要使拆卸时能从气缸上断取出连杆体 必须采用斜切口结合面与连杆轴线成30 60 夹角 而且要有一定形式的定位机构 6 连杆大头定位方式连杆与连杆盖
