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1、汽车发动机机体组及曲柄连杆机构原理-同济大学 二 曲轴扭转减振器 曲轴是一种扭转弹性系统，本身具有一定的自振频率。 在发动机工作过程中，经连杆传给连杆轴颈的作用力的大小和方向都是周期性地变化的，这种周期性变化的激力作用在曲轴上，引起曲拐回转的瞬时角速度也呈周期性变化。 由于固装在曲轴上的飞轮转动惯量大，其瞬时角速度根本上可看作是均匀的。 曲拐便会忽而比飞轮转得快，忽而又比飞轮转得慢，形成相对于飞轮的扭转摆动，这就是曲轴的扭转振动。 当激力频率与曲轴自振频率成整数倍关系，曲轴扭转振动便因共振而加剧。 这将使发动机功率受到损失，正时齿轮或链条磨损增加，严重时甚至将曲轴扭断。 为了消减曲轴的扭转振动
2、，有的发动机在曲轴前端装有扭转减振器。 汽车发动机最常用的曲轴扭转减振器是摩擦式减振器，其作用原理是使曲轴扭转振动能量逐渐消耗于减振器内的摩擦，从而使振幅逐渐减小。 三 主轴承和曲轴止推轴承 主轴颈 止推垫片 止推垫片 连杆轴颈 主轴承盖 四 飞轮 Flywheel 主要功用 Function ： 将在作功行程中传输给曲轴的功的一局部贮存起来，用以在其他冲程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点； 保证曲轴的旋转角速度和输出扭矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷； 在结构上飞轮又往往用作汽车传动系中摩擦离合器的驱动件。 飞轮是一个转动惯量很大的圆盘。 为什么飞轮的大局部质量都集
3、中在轮缘？ 为了在保证有足够的转动惯量的前提下，尽可能减小飞轮的质量，应使飞轮的大局部质量都集中在轮缘上，因而轮缘通常做得宽而厚。 材料： 灰铸铁制造，当轮缘的圆周速度超过50m/s时要采用强度较高的球铁或铸钢制造。 动平衡 多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动平衡，否那么在旋转时因质量不平衡而产生的离心力，将引起发动机振动并加速主轴承的磨损。 为了在拆装时不破坏它们的动平衡状态，飞轮与曲轴之间应有严格的相对位置，用定位销或不对称布置螺栓予以保证。 五 平衡机构 连杆杆身通常做成“工字形断面，抗弯强度好，重量轻，大圆弧过渡，且上小下大，采用压力法润滑的连杆，杆身中部都制有连通大、小头的油道。 连
4、杆杆身 Body 第三节 活塞连杆组 ? 组成： 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承组成。 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扭矩，以驱动汽车车轮转动。 连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，大头有整体式和分开式两种。一般都采用分开式，分开式又分为平分和斜分两种。 连杆大头 Big end 平分分面与连杆杆身轴线垂直，汽油机多采用这种连杆。因为，一般汽油机连杆大头的横向尺寸都小于气缸直径，可以方便地通过气缸进行拆装，故常采用平切口连杆。 斜分分面与连杆杆身轴线成3060夹角。柴油机多采用这种连杆。因为，柴油机压缩比大，受力较大，曲轴的
5、连杆轴颈较粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般都采用斜切口，最常见的是45夹角。 连杆轴瓦 Bush 轴瓦分上、下两个半片，目前多采用薄壁钢背轴瓦，在其内外表浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软，容易保持油膜，磨合性好，摩擦阻力小，不易磨损等特点。耐磨合金常采用的有巴氏合金，铜铅合金，高锡铝合金。连杆轴瓦的反面有很高的光洁度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。 为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式
6、滑动轴承，简称连杆轴瓦。 连杆螺栓 Bolt 第四节 曲轴飞轮组 主要由曲轴、飞轮和一些附件组成。 动 画 起动爪 正时齿轮 主轴瓦 皮带轮 扭转减振器 飞轮 曲轴 一 曲轴 Crankshaft 功用 Function ： 承受连杆传来的力，并由此造成绕其本身轴线的力矩，并对外输出转矩。 工作环境 Work environment 在发动机工作中旋转，受旋转质量的离心力，周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲与扭转载荷，要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作外表要耐磨而且润滑良好。 材料 Material ： 曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。为提高耐磨性和耐疲劳强度，
7、轴颈外表经高频淬火或氮化处理，并经精磨加工，以到达较高的外表硬度和外表粗糙度的要求。 曲轴主要由三局部组成 Main Parts ： ? 曲轴的前端 或称自由端 ； ? 假设干个曲柄销和它左右两端的曲柄臂，以及前后两个主轴颈组成的曲拐； ?曲轴后端 或称功率输出端 。 曲轴的曲拐数取决于气缸的数目和排列方式。 直列式发动机曲轴的曲拐数等于气缸数； V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。 曲轴的支承 按照曲轴的主轴颈数，可以把曲轴分为两种： 全支承曲轴-在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴； 直列式发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数 包括曲轴前端和后端的主轴颈 比气缸数多
8、一个；V型发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数比气缸数的一半多一个。 非全支承曲轴 全支承曲轴的优点：可以提高曲轴的刚度和弯曲强度，并且可减轻主轴承的载荷。 其缺点：曲轴的加工外表增多，主轴承数增多，使机体加长。 两种型式的曲轴，均可用于汽油机， 柴油机一般多采用全支承曲轴，这是因为其载荷较大的缘故。 多缸发动机的曲轴一般做成整体式的。 连杆大头为整体式的某些小型汽油机或采用滚动轴承作为曲轴主轴承的发动机，必须采用组合式曲轴，即将曲轴的各局部分段加工，然后组合成整个曲轴。 曲柄销 Connecting rod journals 曲柄销不少做成空心的，目的在于减小质量和离心力。 从主轴承经曲柄孔道输
9、来的机油就贮存在此空腔中，曲柄销与轴瓦上钻有径向孔与此油腔相通。 有的结构中，在此小孔内插入一个吸油管，管口位于油腔中心。 这样，当曲轴旋转时，进入油腔的机油在离心力作用下，将较重的杂质甩向油腔壁，油腔中心的清洁机油就经吸油管流到曲柄销工作外表。为了防止吸油管堵塞，应按时去除杂质。 直列式发动机连杆轴颈数目与气缸数相同；V型发动机连杆轴颈数等于气缸数的一半。 平衡重 Balance weight 功用： 为了减轻主轴承负荷，改善其工作条件，一般都在曲柄的相反方向设置平衡重。用来平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩，有时还用来平衡一局部往复惯性力。 对于四缸、六缸等多缸发动机，由于曲柄对称布置，往
10、复惯性力和离心力及其产生的力矩，从整体上看都能互相平衡。 但曲轴的局部却受到弯曲作用。 曲柄臂 Crankshaft arm 功用： 连接主轴颈与连杆轴颈，具有平衡重。 第一和第四曲柄销的离心力F1、F4与第二和第三曲柄销的离心力F2和F3因大小相等，方向相反而互相平衡。 F1和F2形成的力偶矩M1-2与F3和F4形成的力偶矩M3-4也能互相平衡。 两力偶矩都给曲轴造成了弯曲载荷。 曲轴假设刚度不够就会产生弯曲变形，引起主轴颈和轴承偏磨。 般四缸发动机设置四块平衡重； 六缸发动机可设置四块、六块、八块平衡重，甚至在所有曲柄下均设有平衡重。 曲轴前端 Front end 装有驱动配气凸轮轴的正时
11、齿轮4，驱动风扇和水泵的皮带轮7以及防止机油泄露的油封等。 曲轴后端 Rear end 安装飞轮，功率输出。 曲轴后端 5前端轴和后端轴 前端轴：安装正时齿轮及附件皮带盘等 1 . 2 止推轴承 3 .止推片 4 .正时齿轮 5 .甩油盘 6 .油封 7 .皮带轮 8 .起动爪 曲轴的前端 7 两止推轴承白金合面相背 曲轴向前移 动，后止推轴承 与曲轴臂端面摩 擦；轴向后移动， 前止推轴承与正 时齿轮端面摩擦。 4 1 8 6 3 2 5 曲轴与气缸发火顺序 Cylinder number and Firing order 曲轴的形状和各曲拐的相对位置 即曲拐的布置 ，取决于-缸数、气缸排列方
12、式 单列或V型等 和发火次序 即各缸的作功冲程交替次序 。 在安排多缸发动机的发火次序时，应注意： 使连续作功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，同时防止可能发生的进气重叠现象 即相邻两缸进气门同时开启 以免影响充气； 作功间隔应力求均匀，就是说，在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次，而且各缸发火的间隔时间 以曲轴转角表示，称为发火间隔角 应力求均匀。 V型发动机左右两列汽缸应交替发火 对缸数为i的四行程发动机而言，发火间隔角为720/i，即曲轴每转720/i时，就应有一缸作功，以保证发动机运转平稳。 四冲程直列四缸发动机发火次序 Firing order of
13、4-cylinders engine 发火间隔角应为720/4180 其曲拐布置如图示，四个曲拐布置在同一平面内 发火次序有两种可能的排列法，即1243或l342。 工作循环如表2l、22所示。 四冲程直列六缸发动机发火次序 发火间隔角应为720/6120。 六个曲拐分别布置在三个平面内，各平面夹角为120。 曲拐的具体布置有两种方案： 第一种发火次序：1-5-3-6-2-4，其工作循环在表2-3列出。 另一种发火次序是：1-4-2-6-3-5。 3 5 4 2 四冲程V型八缸发动机发火次序 发火间隔角应为720/890。 V型发动机左右两列中相对应的一对连杆共用一个曲拐。 V型八缸机只有四个
14、曲拐，其布置可以与四缸机一样，四个曲拐布置在同一平面内，也可以布置在两个互相错开90的平面内，使发动机得到更好的平衡性。 红旗轿车8V100型发动机就采用这种布置型式，发火次序为1-8-4-3-6-5-7-2，其工作循环如表24所示。 功用 Function ： 承受气缸中的气体压力，并通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转，活塞顶部还是燃烧室的组成局部。 工作条件： 高温、高速、高压、润滑不良 动画 一 活塞 Piston 要求 Requirement ： 1 要有足够的刚度和强度，传力可靠； 2 导热性能好，要耐高压、耐高温、耐磨损； 3 质量小，重量轻，尽可能地减小往复惯性力 4 较高的加工精度
15、。 构造 Parts ： 活塞可分为三局部，活塞顶部 Top 、活塞头部 Head 和活塞裙部 Skirt 。 动画 一 活塞 Piston 1活塞顶部 Piston Top 活塞顶部承受气体压力，它是燃烧室的组成局部，其形状、位置、大小都和燃烧室的具体形式有关，都是为满足可燃混合气形成和燃烧的要求。 顶部形状可分为四大类：平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞和成型顶活塞。 动画 2活塞头部 Piston Head 指活塞环槽以上的局部。它有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用。 2活塞头部 Piston Head 柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道安装气环，下部安装油环。 汽油机一般有三道环槽，其中有两道气环槽和一道油环槽，在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环从气缸壁上刮下的机油经过这些小孔流回油底壳。 第一道环槽工作条件最恶劣，一般应离顶部较远些。 活塞顶部吸收的热量主要也是经过防漏部通过活塞环传给气缸壁，再由冷却水传出去。 活塞头部的作用 Function ： 承受气体压力，并传给连杆； 除了用来安装活塞环外，还有密封作用和传热作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将 7080 %的热量通过活塞环传给气缸壁。 3 活
