第二章 曲柄连杆机构 工程机械内燃机课件 第二节 活塞连杆组.ppt

1 内容提纲 第一节固定件组第二节活塞连杆组第三节曲轴飞轮组 2 第二节活塞连杆组 3 第二节活塞连杆组 一 活塞 4 第二节活塞连杆组 一 活塞 1 活塞的功用 1 活塞顶部与气缸和气缸盖组成燃烧室 2 工作时承受气缸中燃气压力 并将此压力通过活塞销传给连杆驱使曲轴旋转 5 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 活塞的工作条件 3 高温 1 高压 2 高速 4 润滑不良 6 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 活塞的工作条件 1 高压 活塞顶部承受燃气爆发压力很大 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 这要求活塞有足够的刚度和强度 传力可靠 例如 190系列柴油机最高燃气压力为10 5MPa 其活塞顶面的作用力高达298kN 工程机械上广泛使用的6135G型柴油机 最高燃气压力为9MPa 活塞顶面的作用力为129kN 7 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 活塞的工作条件 2 高速 活塞在气缸内高速 8 12m s 往复运动时 产生很大的往复惯性力 随着内燃机向高速化发展 最大往复惯性力已达到活塞组本身质量的300 600倍 这样必然导致内燃机振动 连杆组 曲轴以及轴承负荷加重 致使内燃机耐久性下降 这就要求在保证活塞有足够强度和刚度前提下 质量应尽可能小 以尽可能减小往复惯性力 8 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 活塞的工作条件 3 高温 内燃机运转时 燃烧室内最高燃气温度可达2000K 2500K 活塞顶面温度在650K以上 且温度分布很不均匀 这就要求活塞的热膨胀系数要小 以保持高温下与气缸之间具有合理的配合间隙 并具有足够的高温强度和较好的导热性 9 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 活塞的工作条件 4 润滑不良 活塞与气缸壁之间润滑条件差 并且由于连杆的摆动使活塞受到交变的侧压力作用 导致使活塞裙部变形和磨损 摩擦损失功很大 磨损严重会使活塞和活塞环失效 因此要求活塞具有良好的耐磨性 10 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 活塞的工作条件 目前高速内燃机均采用导热性好 膨胀系数小 强度高 密度小 耐磨性好的铝合金来制造活塞 在一些低速柴油机上也采用高级铸铁或耐热钢 11 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 12 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 顶部 活塞顶部承受气体压力 它是燃烧室的组成部分 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 其顶部形状主要可分为三类 平顶活塞 凸顶活塞和凹顶活塞 13 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 顶部 1 平顶活塞顶部是一个平面 受热面积小 制造工艺简单 顶部应力分布较为均匀 一般用在汽油机和非直接喷射式高速柴油机上 14 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 凸顶活塞顶部凸起呈球顶形 其顶部强度高 起导向作用 有利于改善换气过程 二冲程汽油机常采用凸顶活塞 3 活塞的构造 顶部 15 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 凹顶活塞顶部呈凹陷形 凹坑的形状和位置必须有利于可燃混合气的燃烧 有 形凹坑 球形凹坑 U形凹坑等等 柴油机多采用这种形式 3 活塞的构造 顶部 16 第二节活塞连杆组 一 活塞 2 强载度较高的柴油机必须用冷却式活塞 常用的油冷式活塞结构形式主要分为整体式和组合式两种 降低顶部热负荷的措施 1 顶部厚度一般随半径的增大而增厚 这样可使顶部吸收的大部分热量传到各活塞环 再由活塞环传给气缸 最后由气缸外壁的冷却介质将热量带走 3 活塞的构造 顶部 17 第二节活塞连杆组 一 活塞 整体式油冷活塞在活塞顶部铸有油冷室 冷机油通过连杆和活塞销上的通道进入活塞顶部的冷却油腔 吸收活塞顶部大部分热量 然后经回油孔流回油底壳 如蛇形油管冷却活塞和冷却油腔活塞 蛇形油管冷却活塞 冷却油腔活塞 3 活塞的构造 顶部 18 第二节活塞连杆组 一 活塞 组合式活塞头部采用耐热钢或合金铸铁铸造 而活塞体仍用铝合金铸造 然后用螺栓固定在一起 或用电子束焊接 采用组合式的原因 a 强化强度提高 活塞头部的热负荷增加 一般的铝合金不能满足要求 B 出于减小往复惯性力的考虑 减轻重量 3 活塞的构造 顶部 19 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 环槽部 环槽部是活塞上加工有环槽用于装配活塞环的部分 上部2 3道环槽用于装配气环 下面一道环槽用于装配油环 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 柴油机压缩比高 一般有四道环槽 上部三道气环槽 下部一道油环槽 汽油机一般有三道环槽 其中有两道气环槽和一道油环槽 第一道环槽工作条件最恶劣 一般应离顶部较远些 20 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 环槽部 降低环槽部热负荷的措施 1 设置耐热护槽圈 耐磨镶座 在第一道环槽部或第一 第二道环槽部设置耐热护槽圈 以提高环槽的耐磨性 2 增加隔热环槽 在第一道气环槽上部 加工出一道隔热环槽 用以改变热流方向 从而减小第一道气环的热负荷 21 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 活塞裙部是活塞环槽以下的部分 活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用 并承受侧压力 裙部应具有较大的承压面积 并在不同工况下与气缸壁之间保持最佳的配合间隙 以免间隙过大时发生敲缸 间隙过小时产生咬缸等事故 22 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 活塞裙部的结构措施 1 预先做成阶梯形 锥形 2 预先做成椭圆形 3 拖板式结构 4 活塞裙部开槽 5 镶铸恒范钢片 23 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 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或锥形 24 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 2 预先做成椭圆形 正圆形活塞在实际工作时 裙部横截面形状会由正圆形变成椭圆形 因此 在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状 椭圆的长轴方向与销座孔中心线垂直 短轴方向沿销座孔中心线方向 这样活塞工作时趋近正圆 25 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 2 预先做成椭圆形 裙部产生椭圆变形的原因 热膨胀 活塞裙部的厚度很不均匀 活塞销座孔部分的金属厚 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 侧压力 活塞的侧压力是垂直于销座轴线方向的 气缸对活塞裙部的反作用力使垂直于销座轴线方向受积压变短 沿销座轴线方向变长 燃气压力 燃气压力会使裙部沿销座轴线方向扩张变形 26 第二节活塞连杆组 27 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 3 拖板式结构 有些活塞为了减轻重量 把裙部不受侧压力的两边切去一部分 形成拖板式活塞 拖板式结构裙部弹性好 质量小 活塞与气缸的配合间隙较小 适用于高速发动机 28 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 4 活塞裙部开槽 为了减小活塞头部的热量向裙部传递 在头部与裙部的过渡区开出横向的隔热槽 隔热槽一般开在最下一道环槽的下面 裙部上边缘销座的两侧 也有开在油环槽之中的 为了提高裙部的弹性与受热膨胀自行调整的能力 还在裙部开出纵向的膨胀槽 从而使活塞与气缸间具有最佳的配合间隙 槽的形状有 T 形或 形槽 柴油机活塞机械负荷和热负荷都比较大 裙部一般不开槽 29 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 4 活塞裙部开槽 30 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 裙部 5 镶铸恒范钢片 有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片 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 柴油机铝活塞则采用镶铸筒形钢圈 31 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 销座部 活塞销座部开有活塞销孔 用于安装活塞销和弹性卡环 销座偏置 1 定义 活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移1 2mm 2 作用 使活塞在上 下运动改变方向时承压面平顺地从气缸的一侧过渡到另一侧 以减轻活塞换向时对气缸壁的敲击 降低噪声 32 一 活塞 3 活塞的构造 销座部 安装时 这种活塞销偏置的方向不能装反 否则换向敲击力会增大 使裙部受损 第二节活塞连杆组 33 第二节活塞连杆组 一 活塞 3 活塞的构造 销座部 活塞销座部开有活塞销孔 用于安装活塞销和弹性卡环 销座偏置 1 定义 活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移1 2mm 2 作用 使活塞在上 下运动改变方向时承压面平顺地从气缸的一侧过渡到另一侧 以减轻活塞换向时对气缸壁的敲击 降低噪声 34 一 活塞 3 活塞的构造 销座部 安装时 这种活塞销偏置的方向不能装反 否则换向敲击力会增大 使裙部受损 第二节活塞连杆组 35 第二节活塞连杆组 二 活塞环 活塞环是具有弹性的开口环 有气环和油环之分 36 第二节活塞连杆组 二 活塞环 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 是环高方向上与环槽之间的间隙 第一道0 04mm 0 10mm 其它气环0 03mm 0 07mm 油环一般侧隙较小 0 025mm 0 07mm 3 背隙 3 又称径向间隙 是活塞环装入气缸后 活塞环背面与环槽底部的间隙 一般为0 5mm 1mm 37 第二节活塞连杆组 二 活塞环 1 气环 1 功用 密封和导热 即保证气缸壁与活塞之间的密封 防止燃气进入曲轴箱 同时将活塞吸收的大量热量传给气缸壁 再经冷却介质带走 2 工作条件 活塞环在高温 高压 高速和润滑极其困难的条件下工作 此外 活塞环作往复高速运动时 在径向会产生一张一缩的现象 其中密封作用是主要的 因为密封是传热的前提 磨损严重 易产生疲劳断裂 尤其是第一道环最为困难 摩擦损失功约占内燃机总摩擦损失功的60 左右 要求活塞环弹性好 强度高 耐磨损 38 第二节活塞连杆组 二 活塞环 3 气环切口 气环在自然状态下是一个比气缸直径稍大的开口弹力环 装入气缸后 其开口处应有一定的间隙 以防止活塞环受热膨胀后造成卡死或折断 但间隙不能过大 否则会漏气严重 造成功率下降 起动困难 1 气环 39 第二节活塞连杆组 二 活塞环 切口类型 直角 工艺好 密封差 阶梯 密封好 工艺差 斜切口 介于上述之间 带防转销钉槽 二行程用 3 气环切口 1 气环 40 第二节活塞连杆组 二 活塞环 1 气环 4 气环断面 结构简单 导热效果好 应用较广 但有 泵油作用 即将机油泵入燃烧室 能改善环的密封性和磨合性 并且活塞下行时 便于刮油 活塞上行时 由于锥面的 油楔 作用 可减少磨损 在高压燃气的径向分力作用下 可能将环推离气缸壁而造成漏气 不宜作第一道环 内圆切去一部分 产生不对称的弹性内力 工作时环产生明显的断面倾斜 提高了表面接触应力 防止了 泵油作用 增强了密封性 易于磨合 并有刮油布油作用 注意不能装反 常用作高速机的第二 三道环 自洁作用强 作功行程作用在环上的气体压力的水平分力使环压紧缸壁而加强密封 因此即使环失去弹性 仍然能保持良好的密封性 但上下两端面精磨工艺较困难 常用于柴油机上作第一 二道环 可以产生双油楔作用 对气缸的适应性和对活塞偏摆的适应性较好 有利于密封 但凸圆弧面加工困难 目前普遍用作强化柴油机上的第一道环 41 第二节活塞连杆组 二 活塞环 矩形环的泵油作用 矩形环在活塞环槽中存在侧隙和背隙 活塞下行时 环的上端面压在环槽的上平面上 气缸壁上的机油被刮入环的下侧隙和背隙内 活塞上行时 环压在环槽的下平面上 将机油向上挤 如此反复 使机油泵入燃烧室参与燃烧 导致燃烧室和环槽内积炭增加 机油超耗 1 气环 42 第二节活塞连杆组 二 活塞环 2 油环 1 功用 布油和刮油 既能减小活塞 活塞环与气缸壁的摩擦阻力 又可防止多余的机油窜入气缸参与燃烧 同时兼有密封和防止气环泵油的辅助作用 2 类型 普通油环和组合式油环 又叫整体式油环 环的外圆柱面中间加工有凹槽 凹槽底部有许多回油小孔或狭缝 油环上唇的上端面外缘一般均有倒角 当活塞环运动时能形成油楔 可把油环推离气缸壁起到布油作用 下端面不倒角 这样下行时刮油能力较强 由刮油片 径向和轴向衬环组成 轴向衬环装在第二 三刮油片之间 径向衬环则装在刮油片的内侧 优点 刮油作用较强 质量较小 回油通道大 寿命长 气缸壁面适应性好 缺点 成本高 安装较麻烦 43 第二节活塞连杆组 二 活塞环 44 第二节活塞连杆组 三 活塞销 1 功用连接活塞和连杆小头 并把活塞承受的燃气压力传给连杆 2 结构特点 活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载荷 其本身又作摆转运动 而且处于润滑条件很差的情况下工作 因此 要求活塞销具有足够的强度和刚度 表面韧性好 耐磨性好 重量轻 所以活塞销一般都做成空心圆柱体 采用低碳钢和低碳合金钢制成 外表面经渗碳淬火处理以提高硬度 精加工后进行磨光 有较高的尺寸精度和表面光洁度 45 第二节活塞连杆组 三 活塞销 3 全浮式 安装与 半浮式 安装 全浮式 安装的特点活塞销与活塞销座孔之间采用过渡配合 而与连杆小头衬套之间则采用间隙配合 优点 当内燃机运转时 铝活塞的热膨胀量大于钢活塞销的热膨胀量 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 安装的特点是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 而和连杆小头没有相对运动 活塞销不会作轴向窜动 不需要锁片 弹性卡环 小轿车上应用较多 46 第二节活塞连杆组 活塞装配演示 47 第二节活塞连杆组 四 连杆组 将活塞承受的气体压力传给曲轴 并将活塞的往复直线运动转变成曲轴的旋转运动 1 连杆组的功用 48 第二节活塞连杆组 四 连杆组 由连杆 连杆盖 连杆小头衬套 连杆螺栓 连杆轴瓦等组成 2 连杆组的组成 49 第二节活塞连杆组