一、受力分析及缸体.ppt

第二章曲柄连杆机构 第一节概述一 功用与组成1 功用 将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能 再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力 1 功用 实现内燃机的工作循环 完成能量的转换 化学能 热能 压力能 机械能 并以曲轴旋转的形式 曲轴具有一定的转速以及扭矩 向外输出动力 2 组成 1 机体组主要包括汽缸体 曲轴箱 油底壳 汽缸套 汽缸盖和汽缸垫等不动件 2 活塞连杆组主要包括活塞 活塞环 活塞销和连杆等运动件 3 曲轴飞轮组主要包括曲轴 飞轮和扭转减振器 平衡轴等机构 3 主要运动零件的基本运动形式 1 活塞 往复直线运动 还有摆动和颤动等 2 曲轴 旋转运动 还有振动等 3 连杆 平面运动 即平动 转动 将活塞的往复直线运动与曲轴的旋转运动进行相互转换 二 工作条件及基本要求1 工作条件 在高温 高压 高速以及有化学腐蚀的条件下工作 2 基本要求 1 具有足够的强度和刚度 良好的耐磨 耐热 耐腐蚀和抗氧化等性能 2 为了减轻柴油机质量和减少运动件的惯性力 其结构应紧凑合理 3 为了保证运动零件的正常运转 减少功率消耗 延长其使用寿命 要合理选材 并应具有一定的加工精度 装配精度与良好的润滑 三 受力分析曲柄连杆机构受的力主要有气体压力 往复惯性力 旋转运动件的离心力以及相对运动件接触表面的摩擦力 1 膨胀冲程 一 气体压力 Fp为活塞顶所承受的气体作用力 将其假设为一作用在活塞销上的集中力 S为活塞顶面积 p为气体压力 2 连杆 式中 为连杆摆动角 3 活塞侧壁及汽缸壁 产生侧压力 作用结果 侧压力可引起活塞的摆动及活塞侧面与汽缸壁的摩擦与磨损 4 曲轴与轴承 气体压力沿连杆传到连杆轴径处 使此处受压 又可分解为法向力R和切向力S 2 压缩冲程 膨胀冲程 压缩冲程 1 作用力小 2 侧压力方向与膨胀冲程相反 3 切向力S 为阻力 特点 结论 气体压力使汽缸盖承受向上的推力 活塞顶承受向下的推力 活塞侧面与汽缸壁间有侧压力 活塞销 连杆杆身 连杆轴颈及曲轴主轴颈等处均受压力 曲轴还承受弯曲力矩和扭转力矩 由于气体压力和连杆下端摆角的大小都是周期性变化的 所以上述承受压力的配合表面磨损是不均匀的 由于曲柄连杆机构运动速度的大小和方向都是不断变化的 所以要产生惯性力 为了分析方便 将惯性力简化为往复惯性力和离心惯性力 1 往复惯性力 是指活塞组件和连杆小头在汽缸内作往复运动所产生的惯性力 用Pj表示 其大小与机件的质量及加速度成正比 其方向总与加速度的方向相反 二 往复惯性力和离心力 活塞在汽缸内从上止点向下止点运动时速度由零开始作加速运动 至接近中部时速度最大 这一段惯性力向上 然后作减速运动 则惯性力Pj变为向下 至下止点时速度减为零 活塞从下止点向上运动时 前半冲程作加速运动 惯性力向下 后半冲程作减速运动 惯性力向上 离心惯性力给主轴颈及主轴承以附加力 连杆下端质量的离心力还给连杆轴颈和连杆轴承以附加力 而加速了这些部位的磨损 另外 离心力也可引起柴油机的振动 3 结论 1 在曲轴旋转一周中 其离心惯性力的水平分力的作用方向改变一次 2 在曲轴旋转一周中 其离心惯性力的垂直分力的作用方向也改变一次 且与往复惯性力的作用方向一致 两者叠加 更进一步加剧了发动机的上下振动 由上述可知 柴油机的振动并不是主要由汽缸内燃烧气体的爆炸压力引起的 而主要是未加平衡的往复惯性力和离心力所致 柴油机高速运转时后两者迭加在一起可引起柴油机剧烈地振动 为此柴油机在结构上采取了各种平衡措施 如附加的平衡轴和平衡重等 维修时切勿破坏其装配位置 1 曲轴旋转不平稳的原因 四 内燃机运转平稳性 2 提高平稳性的措施 1 在曲轴的后端装置一个飞轮 2 采用多缸发动机 合理安排其作功顺序 各缸着火间隔角应相等 保证运转平稳性 曲轴的形状和曲拐的布置 取决于缸数 气缸排列方式和发火次序 在布置多缸发动机的发火次序时 为减轻主轴承载荷和避免进气重叠现象发生 应使连续作功的两缸相距尽可能远些 1 四缸机曲轴的曲拐布置和工作顺序 四缸机作功行程间隔角应为720 4 180 其曲轴将4个曲拐布置在同一平面内 且前后对称 即1 4缸曲拐在曲轴轴线的同一侧 2 3缸曲拐在曲轴轴线的另一侧 发动机的各缸工作次序有两种 1 3 4 2 1或1 2 4 3 1 我国的四缸发动机都按1 3 4 2次序作功 2 六缸机曲轴的曲拐布置和工作顺序 六缸机的作功间隔角应为720 6 120 其曲轴的6个曲拐分别布置在夹角为120 的三个平面内 前后对称 其中1 6缸 2 5缸和3 4缸曲拐分别在曲轴轴线的同一侧共平面 各缸作功次序为1 5 3 6 2 4 1 或为1 4 2 6 3 5 1 2 惯性力的平衡 由于惯性力作用 会产生附加载荷 引起机体振动 影响发动机的可靠性及使用寿命 因此要考虑平衡措施 单缸机由于自身平衡性能最差 所以通常采用较为复杂的平衡轴机构进行平衡 两缸机和三缸机虽然平衡性能稍好 但是 也必须采取平衡措施 以达到平衡惯性力矩 一种是在曲轴上设置平衡重块 书22页四缸机和六缸机的自身平衡性最好 可以不采取平衡措施 但是为了消减曲轴局部上的附加弯矩作用 有些发动机的曲轴上也设置平衡重块 机体组主要由汽缸体 曲轴箱 油底壳 汽缸套 汽缸盖和汽缸垫等组成 第二节机体组 一 汽缸体 一 结构型式与功用1 结构型式 汽缸体是汽缸的壳体 曲轴箱是支撑曲轴作旋转运动的壳体 二者组成了柴油机的机体 其结构型式有整体式和分体式两种 整体式结构是将汽缸体与上曲轴箱铸成一体 仍统称为汽缸体 通常用于水冷式柴油机 分体式结构是将汽缸体与曲轴箱分开铸造再用螺栓连接起来 多用于风冷式柴油机 汽缸体是汽缸的壳体 由此形成容纳活塞并引导活塞作往复运动的汽缸 整体式汽缸体或分体式的曲轴箱是组装柴油机的基础件 并由它来保持柴油机各运动件相互之间的位置关系 2 功用 二 工作条件1 承受有较大的机械负荷 2 承受较复杂的热负荷 燃烧气体给予汽缸壁的热量 主要通过汽缸体来散失 三 要求1 具有足够的强度 刚度 2 良好的耐热性 耐磨性和耐蚀性 3 冷却散热效果好 4 结构紧凑 重量轻5 具有必要的加工精度及粗糙度等 四 材料一般用灰铸铁 风冷式发动机为保证刚度和强度的同时 又能提高其散热效果 多制成双金属缸体 即在铸铁或钢的汽缸套外面渗铝后再铸上铝合金散热片 1 保证汽缸体刚度 强度的结构措施 1 对多缸水冷式发动机 其缸体采用整体铸造 2 相邻两气缸之间设有隔板和加强筋 五 汽缸体结构分析 3 采用龙门式或隧道式主轴承座孔的结构 1 水冷 冷却介质为水 水冷式发动机汽缸体的中空夹层形成水套 储存冷却水 通过水的循环流动 带走一部分热量 以增加散热面积 2 汽缸体的冷却散热 2 风冷 冷却介质为空气 风冷式发动机汽缸体与曲轴箱分开铸造 而且汽缸体与汽缸盖外表面铸有铝质散热片