汽车发动机之——第二章 机体组及曲柄连杆机构.ppt

汽车构造,第2章 曲柄连杆机构,曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构 一、 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，以驱动汽车车轮转动。 组成： 1、机体组 2、活塞连杆组 3、曲轴飞轮组,2.1 概述,活塞组,连杆组,曲轴飞轮组,2.1 概述,气体力 往复惯性力 旋转惯性力 摩擦力,二、受力分析,2.1 概述,2.1 概述,气体压力作用情况,2.1 概述,一、机体组的功用及组成,2.2 机体组,二、汽缸体 1机体的工作条件及要求 机体是汽缸体与曲轴箱的连铸体。 发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷，同时还因为汽缸壁面与高温燃汽直接接触而承受很大的热负荷。 机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐蚀，并应对汽缸进行适当的冷却，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。,2.2 机体组,3汽缸体构造,2.2 机体组,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,汽缸体上曲轴的主轴承孔为整体式,一般式,龙门式,隧道式,4.按照安装位置,2.2 机体组,高度小，总体布置方便。,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。,5.汽缸的排列形式,2.2 机体组,6.汽缸结构形式,2.2 机体组,特点：外壁不直接与冷却水接触。壁厚13mm。,强度和刚度都较好，加工复杂，拆装不便，散热不良。,2.2 机体组,特点：外壁直接与冷却水接触。壁厚59mm。,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。,2.2 机体组,在风冷汽缸的外壁铸制散热片，以增加散热面积，增强散热能力。,2.2 机体组,二、汽缸盖 功用：密封汽缸的上部，与活塞、汽缸等共同构成燃烧室。 材料：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汽，所以承受的热负荷很大。,2.2 机体组,2.2 机体组,水冷发动机的汽缸盖有整体式、分块式和单体式3种结构形式。在多缸发动机中，全部汽缸共用一个汽缸盖的，则称该汽缸盖为整体式汽缸盖；若每两缸一盖或三缸一盖，则该汽缸盖为分块式汽缸盖；若每缸一盖，则为单体式汽缸盖。风冷发动机均为单体式汽缸盖。,2.2 机体组,2.2 机体组,柴油机的分隔式燃烧室,2.2 机体组,汽缸垫：功用是保证汽缸盖与汽缸体接触面的密封，防止漏汽，漏水和漏油。,汽缸盖,汽缸盖罩,衬垫,安装火花塞,三、汽缸垫,2.2 机体组,按所用材料的不同，汽缸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。,2.2 机体组,四、油底壳,1、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,2.2 机体组,2.3 活塞连杆组,活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成,气环,油环,活塞销,活塞,一、活塞组,2.3 活塞连杆组,(一)活塞 1活塞的功用及工作条件 功用：承受燃烧汽体压力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。 工作条件：作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃汽直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿汽缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。 2活塞材料 广泛采用铝合金，只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢。,2.3 活塞连杆组,3活塞构造,2.3 活塞连杆组,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。,（1）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。,2.3 活塞连杆组,浅凹坑，方便在主燃烧室形成二次涡流，增进混合气的形成与燃烧。,2.3 活塞连杆组,喷油器将燃油直接喷入燃烧室凹坑内，与运动汽流相混合，形成可燃混合气并燃烧。,2.3 活塞连杆组,（2）活塞头部,位置：第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分。,工作条件最恶劣，应离顶部远些。,1、安装活塞环、与活塞环一起密封汽缸； 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汽缸壁。,作用：,2.3 活塞连杆组,隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热流。,2.3 活塞连杆组,增加环槽的耐磨性。,增加活塞的强度，提高第一道环槽的耐磨性。,2.3 活塞连杆组,（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：对活塞在汽缸内的往复运动起导向作用，并承受侧向力，防止破坏油 膜。,裙 部,2.3 活塞连杆组,2.3 活塞连杆组,（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。,4、为使活塞在各种工况下均能与汽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 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。,2.3 活塞连杆组,（3）活塞裙部开槽,横向绝热槽,纵向膨胀槽,绝热槽,膨胀槽,2.3 活塞连杆组,（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：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。,2.3 活塞连杆组,（5）在现代汽车发动机上广泛采用半拖板式裙部或拖板式裙部的活塞。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，即为半拖板式裙部；若全部去掉则为拖板式裙部。优点是： ,质量轻，比全裙式活塞轻1010，适应高速发动机减小往复惯性力的需要。 裙部弹性好，可以减小活塞与汽缸的配合间隙。 能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。,2.3 活塞连杆组,（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、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,（1）气环 作用：保证汽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汽缸壁，再由冷却水将其带走。,2.3 活塞连杆组,侧隙,背隙,端隙,2.3 活塞连杆组,2.3 活塞连杆组,将23道汽环的切口相互错开形成“迷宫式”封气装置。,2.3 活塞连杆组,气环的泵油作用,2.3 活塞连杆组,2.3 活塞连杆组,2.3 活塞连杆组,气环断面形状：,（2）油环：刮除飞溅到汽缸壁上的多余的机油，并在汽缸壁上涂布一层均匀的油膜。,刮油片,轴向衬环,径向衬环,刮油片,2.3 活塞连杆组,油环的刮油作用,集油槽,刮油唇,回油孔,回油孔,2.3 活塞连杆组,（三）活塞销,作用：连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的汽 体压力传递给连杆。,材料与工艺:优质低碳钢，表面淬火、精磨。,2.3 活塞连杆组,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。,2.3 活塞连杆组,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。,2.3 活塞连杆组,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1mm2mm。 2、作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击。,2.3 活塞连杆组,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，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。,2.3 活塞连杆组,三、连杆组,作用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的汽体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。,连 杆 组 件 分 解 图,组成：连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。,2.3 活塞连杆组,1 连杆小头 小头的结构形状取决于活塞销的尺寸及其与连杆小头的连接方式。,2.3 活塞连杆组,2 连杆杆身 杆身断面为工字形，刚度大、质量轻、适于模锻。工字形断面的Y-Y轴在连杆运动平面内。有的连杆在杆身内加工有油道，用来润滑小头衬套或冷却活塞。如果是后者，须在小头顶部加工出喷油孔。,2.3 活塞连杆组,3 连杆大头 连杆大头除应具有足够的刚度外，还应外形尺寸小，质量轻，拆卸发动机时能从汽缸上端取出。连杆大头是剖分的，连杆盖用螺栓或螺柱紧固，为使结合面在任何转速下都能紧密结合，连杆螺栓的拧紧力矩必须足够大。,2.3 活塞连杆组,连杆轴瓦,2.3 活塞连杆组,4 连杆螺栓 工作时连杆螺栓承受交变载荷，因此在结构上应尽量增大连杆螺栓的弹性，而在加工方面要精细加工过渡圆角，消除应力集中，以提高其抗疲劳强度。连杆螺栓用优质合金钢制造，如40Cr、35CrMo等。经调质后滚压螺纹，表面进行防锈处理。,2.3 活塞连杆组,V型发动机连杆的布置形式,并列式,主副式,叉型式,2.3 活塞连杆组,曲轴飞轮组：由曲轴、飞轮、扭转减震器等组成,2.4 曲轴飞轮组,一、曲轴,1、功用：把活塞连杆组传来的汽体压力转变为扭矩对外输出。还用来驱动发动机的配汽机构及其他各种辅助装置。 2、工作条件： 受汽体压力、惯 性力、惯性力矩。 承受交变载荷的 冲击。,2.4 曲轴飞轮组,3、结构：,前端轴,连杆轴颈 （曲柄销）,曲轴轴颈 （主轴颈）,后端轴,平衡重,单元曲拐,曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄臂及主轴颈构成。,曲柄臂,2.4 曲轴飞轮组,4、材料：中碳钢（汽）、合金铸铁（柴）、球墨铸铁。,5、分类：整体式（常用） 组合式（长用于连杆大头为整体式的小型汽油机和 以滚动轴承作为曲轴主轴承的发动机上）,6、组成：,（1）主轴颈,曲轴的主轴颈数比汽缸数目多一个。强度、 刚度好，减小了磨损；柴油机和大部分汽油 机均采用。,曲轴的主轴颈数少于或等于汽缸数。载荷较大，缩短了曲轴的总长度。,用于支撑曲轴。,2.4 曲轴飞轮组,（2）连杆轴颈（曲柄销）,（3）曲柄,曲柄臂，用于 连接主轴颈和连杆 轴颈,（4）平衡重,中空连杆轴径,平衡重,曲柄销,2.4 曲轴飞轮组,（5）前端轴和后端轴,前端轴：安装正时齿轮及附件（皮带盘等）,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。,5,2.4 曲轴飞轮组,后端轴：安装飞轮,前后端轴都设有防漏装置：挡油盘、回油螺纹、油封等。,曲轴后端,回油螺纹,2.4 曲轴飞轮组,（6）曲轴的轴向限位,通常是通过在曲轴的前部、中部或后部安装止推轴承来实现的（翻边轴瓦）。,2.4 曲轴飞轮组,二、曲拐的布置,1） 各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。 2） 连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。 比如：四缸机：1-3-4-2或1-2-4-3 六缸机：1-5-3-6-2-4；,1.一般规律,2.4 曲轴飞轮组,（2）常见曲轴曲拐的布置,对缸数为i的发动机而言，其发火顺序为： 四行程：720/i 二行程：360/i,3） V型发动机左右汽缸尽量交替作功。 4） 曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。,2.4 曲轴飞轮组,四缸四行程发动机的曲拐布置,四冲程直列四缸发动机的发火间隔角为720/4180。 4个曲拐在同一平面内。发动机工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3。,2.4 曲轴飞轮组,四冲程直列四缸发动机工作循环表,2.4 曲轴飞轮组,六缸四行程发动机的曲拐布置,四行程直列六缸发动机的发火顺序和曲拐布置：四行程直列六缸发动机发火间隔角为720/6=120，六个曲拐分别布置在三个平面内，发火顺序是1-5-3-6-2-4 。,2.4 曲轴飞轮组,2.4 曲轴飞轮组,四冲程V型六缸发动机的发火间隔角仍为120,3个曲拐互成120。工作顺序R1-L3-R3-L2-R3-L1。 面对发动机的冷却风扇，右列汽缸用R表示，由前向后汽缸号分别为R1、R2、R3；左列汽缸用L表示，汽缸号分别为L1、L2和L3。,2.4 曲轴飞轮组,四冲程V8发动机的发火间隔角为720/890, 4个曲拐互成90。工作顺序基本上有两种：R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2和L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1。,2.4 曲轴飞轮组,曲轴回转的特点： 1.扭转弹性系统，具有自振频率； 2.曲轴各曲柄的旋转呈周期性变化； 3.飞轮匀速运动。 最终，曲轴各曲柄的转动比飞轮时快时慢，产生扭转振动。,2.4 曲轴飞轮组,三、曲轴扭转减振器,作用：吸收曲轴扭转振动的能量，使曲轴转 动平