第2章曲柄连杆机构讲义gai

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1、本章讲述内容：2.1 概述 2.2 机体组 2.3 活塞连杆组 2.4 曲轴飞轮组,第二章 曲柄连杆机构(5h),2.1 概 述 一、曲柄连杆机构的功用及组成,(一）功用： 将燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，向工作机械输出机械能。 (二）组成： 机体组：主要包括气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸衬垫和油底壳等； 活塞连杆组：主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等； 曲轴飞轮组：主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器等。,(三）工作条件,高温：最高可达 2500K以上高压：最高可达 5MPa9MPa高速：最高可达 3000 r/min6000 r/min化学腐蚀：可燃混合气和燃烧废气直接接触机件

2、。,（四）受力分析曲柄连杆机构受的力主要有气压力Fp，往复惯性力Fj ，旋转离心力FC 和摩擦力F。,1、 气压力：气压力 的集中力Fp分解为侧压力Fp1和Fp2，Fp1分解为FR和FS， FR 使曲轴主轴颈处受压， FS为周向产生转矩的力。,(1)作功行程：侧压力 Fp1向左，活塞的左侧面压向气缸壁，左侧磨损严重,Fp2,Fp1,Fp,FR,FS,Fp1,(2)压缩行程：侧压力FP2向右，活塞的右侧面压向气缸壁，右侧磨损严重。,2、 往复惯性力Pj：从上止点向下止点运动，活塞在上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下。 在上下止点活塞运动方向改变，速度为零，加速度最大，惯性力也最大

3、；在行程中部附近，活塞运动速度最大，加速度为零，惯性力也等于零。,Pj,3、 离心惯性力PC：旋转机件的圆周运动产生离心惯性力，方向背离曲轴中心向外。离心力加速轴承与周颈的磨损，也引起发动机振动而传到机体外。,Pc,3、 离心惯性力PC：,4、摩擦力F：指相互运动件之间的摩擦力，它是造成配合表面磨损的根源。,4、摩擦力F：,五、总结： 偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，其方向沿曲柄半径向外。 曲轴转速愈高，往复惯性质量和旋转惯性质量愈大，则往复惯性力与离心力愈大，惯性力使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈（轴承）受周期性变化的附加负荷，加快磨损。若不加以平衡，惯性

4、力传到气缸体外，引起发动机的振动。 曲柄连杆机构（包括机体组）各有关零件受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷。,机体组组成：,曲轴箱,气缸体,气缸垫,气缸盖,气缸,油道和水道,油底壳,气缸盖罩,2.2 机 体 组,气缸盖罩垫圈,气缸体：发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，称为气缸体曲轴箱，简称气缸体。 （一）功用：气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔。 1、内腔 （1）形成气缸工作容积；（2）活塞运动导向。2、外腔 （1）各机构和系统的装配基体；（2）散热。,一、气缸体,（三）材料和工艺：1、材料 （1）气缸套：优质合金铸铁或合金钢（2）气缸体：灰铸铁或铝合金,2、气缸工作

5、表面制造工艺（2级加工精度）,（1）精镗 （2）珩磨（网纹状）,1、改善磨合条件，磨合2、避免拉缸（金属熔着磨损）时间短,（二）要求： 1、耐高温、高压2、耐磨损3、耐腐蚀4、足够的刚度和强度,（三）气缸体结构分类：,（a）一般式,（b）龙门式,（c）隧道式,（a ） 曲轴轴线与气缸体下表面在同一平面上 。 优点是制造方便，质量轻，高度低，但刚度低，适用于汽油机。,(b)油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心,(c)气缸体上曲轴的主轴承孔为整体式,1、按气缸体结构形式分为：,性能与应用比较,2、按冷却方式分：（1）水冷式：气缸体内铸有冷却水套（2）风冷式：气缸体外铸有散热片,水冷发动机和气缸盖,风冷

6、发动机的气缸体和气缸盖,散热片,冷却水,冷却水,3、按镶缸套方式分：（1）干式缸套：图（a）所示，不直接与冷却水接触，薄壁（1-3mm），过盈压配在气缸体内孔中。 优点 ：密封性好，气缸体刚性好，缸心距小，曲轴不易变形。,缺点： a 、制造成本增加：气缸体内孔、缸套外圆亦需精加工，且薄壁缸套刚性差，加工装夹时易变形。 b、热负荷增加：缸套外圆与气缸体内孔理论上是完全接触，但加工误差使之不可能完全接触，因而散热面积小，影响缸套散热，必然使缸套、活塞等热负荷严重。 c、气缸体铸造工艺性差：水套封闭，去渣困难。,气缸套,水套,气缸体,图 2-6 （a）干式气缸套,（2）湿式缸套： 气缸体水套敞开，缸

7、套与冷却水直接接触，薄厚（5-9mm），缸套下端带橡胶封水圈，气缸套外圆上大，下小（因为气缸套下端带1-3道橡胶封水圈），且上端与气缸体内孔配合紧，下端配合松，以方便推入气缸体内孔。,湿式缸套压配在气缸体内孔时，上部凸肩顶面高出气缸体顶面0.05-0.15 mm，这样紧固缸盖时，可将缸垫压得更紧，以密封燃气。优点：气缸套冷却好；制造成本低；气缸体铸造工艺性好。缺点： 气缸体刚性差，容易变形，易漏气、漏水；缸心距增加，曲轴易变形；气缸套外圆表面易产生穴蚀现象，常见涂漆。,0.050.15mm,气缸套,水套,气缸体,橡胶封水圈,图 2-6 （b）湿式气缸套,（轴向定位）,（径向定位）,（径向定位）

8、,干式气缸套和湿式气缸套比较,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。,4、根据气缸的排列方式分：,直列式：结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大。 V型：缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状复杂，加工困难。 对置式：高度小，总体布置方便。,直列式,V型,对置式,5、整体式气缸体和镶嵌式气缸体,(1)、整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。 (2)、镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内的气缸。,气缸盖罩,气缸盖,气缸垫,衬垫,安装火花塞,二、气缸盖与气缸垫,（一）气缸盖 1、组成：气缸盖上应有进、排

9、气门座及气门导管和进、排气门通道等。 2、作用：（1）密封气缸上部；（2）构成燃烧室（与气缸壁、气缸垫和活塞顶一起）；（3）构成供给系中进、排气系统及冷却系、润滑系的一部分（铸有进、排气通道及冷却水套或散热片、润滑油道）。 3、要求：（1）耐高温、高压；（2）耐腐蚀；（3）足够的刚度和强度。,（2）灰铸铁或合金铸铁：（大部分柴油机） a 、刚度、强度高；b 、耐高温；c 、导热性差:缸盖底面鼻梁区易开裂；d 、质量重。,4、材料： （1）铝合金压铸：（汽油机及少数柴油机） a、质量轻、导热性好；b、铸造流动性好（风冷发动机散热片铸造容易）；c、刚度低:易变形导致漏气漏水； d、强度低:气缸盖螺

10、栓孔易拉毛；e、不耐高温:超过350C，强度急剧降低。,5、燃烧室,结构尽可能紧凑，冷却面积小，以减少热量损失及缩短火焰行程。 使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动，以提高混合气燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧。,燃烧室形状对发动机的工作影响很大。 (1)要求：,汽油机燃烧室形状,燃烧室比较,（二）气缸垫,1、作用：密封,燃气 冷却水、机油,2、要求：,（1）一定的强度要求 （2）耐热、耐腐蚀（3）一定的弹性,a、密封（变形以补偿结合面的不平度） b、能重复使用（在一定公差内）,3、材料与结构：金属-石棉气缸垫；实心金属片气缸垫；加强型无石棉气缸垫。,安装注意：金属皮的金属石棉垫，缸口

11、金属卷边一面应朝向易修整接触面或硬平面。因卷边一面会对与其接触的平面造成压痕变形。 光滑面朝向气缸体。,4、气缸盖螺栓的拧紧次序：必须由中央对称地向四周扩展的顺序分几次进行，最后一次要用扭力扳手按工厂规定的数值拧紧，一则保证密封性，二则避免损坏气缸垫，三则保证压缩比的一致性。铝合金制成的气缸盖到最后必须在发动机冷的状态下拧紧，,丰田佳美3S-FE发动机气缸盖螺栓的拆、装卸顺序,这样，发动机热 起来时会增加密封性，因为铝合金气缸盖的热膨胀比钢螺栓的大；铸铁气缸盖则一般在发动机热车时最后拧紧，因为装配时拧紧的螺栓在发动机工作初始后不久会松弛。,三、油底壳 1、作用：储存机油并密封曲轴箱。 2、要求

12、：（1）结合面平整，密封性好（2）刚性好，避免振动、机械噪声过大（3）散热性好 3、材料与结构：材料：低碳合金钢板或铝合金冲压而成；结构：为了加强油底壳内机油的散热，油底壳底部铸有散热肋片。油底壳形状后部一般做得较深，以便发动机纵向倾斜时机油泵能吸到机油。内设有挡油板，避免油面波动太大，机油泵吸进气泡，供油不,桑塔纳轿车油底壳结构,畅。油底壳底部装有磁性放油塞，吸集机油中的金属屑，减少磨损。,气环,油环,活塞销,活塞,连杆,连杆螺栓,连杆轴瓦,连杆盖,2.3 活塞连杆组,连杆衬套,定位套筒,活塞销卡簧,组成：活塞、活塞环、活塞销、连杆,1、作用：（1）构成燃烧室； （2）传递动力。,2、要求：

13、 铝合金(质量小,导热性好);灰铸铁,一、活塞,3、材料与工艺：,（1）材料：a、共晶铝硅合金（铸铝、锻铝）； （质量小，导热性好，适用于一般发动机） b、组合式：上半部用钢，下半部用铝合金，沉头螺栓连接。 1、刚度好，高温强度高； 2、热膨胀系数低，配缸间隙小； 仅适用于极少数大功率 强化柴油机3、耐磨（环槽）； 4、质量居中。,（2）工艺：,a、铸造：质量大，加工工序多； b、锻造：居中； c、模锻：质量小，加工少。,4、结构特点：,（1）基本结构：由顶部、头部、裙部组成（图2-20所示）。,图220 活塞结构,1活塞顶部,2活塞头部,3活塞裙部,结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较

14、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。,a、顶部：组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应阻热。,活塞头部,位置：第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分。 作用：安装活塞环；与活塞环一起密封气缸；防止可燃混合气漏到曲轴箱内；将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。,气环槽,油环槽,工作条件最恶劣，应离顶部远些。,活塞销孔,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：导向作用;承受侧压力;防止破坏油膜。,冷态敲缸现象：冷态装配间隙若无或过小，则由于活塞工作时

15、的机械变形和热变形时裙部直径增大，容易拉伤气缸壁（又称拉缸），轻则造成漏气、窜机油，重则活塞卡死。 由于冷态装配间隙的存在:活塞工作时侧压力方向的交替变化，活塞越过上止点时，时而是活塞的次推力面侧贴紧气缸壁，时而是活塞的主推力面侧贴紧气缸壁，形成金属敲缸声音，加剧裙部磨损。显然，发动机冷车时敲缸现象严重。,减轻冷态敲缸现象的主要结构措施： 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1mm2mm。 2、作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击。,3、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，侧压力反向时

16、，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。可见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。,（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。,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：,（2）预先做成椭圆形。将销座外端面在铸造时凹陷0.5-1mm，或截去一小部分。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。,（3）活塞裙部开槽（汽油机）,横向绝热槽,