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发动机基础知识介绍DYPT质量部 曲柄连杆机构 2 曲柄连杆机构是发动机实现工作循环 完成能量转换的主要运动零件 在作功行程中 活塞承受燃气压力在气缸内作直线运动 通过连杆转换成曲轴的旋转运动 并从曲轴对外输出动力 而在进气 压缩和排气行程中 飞轮释放能量又把曲轴的旋转运动转化成活塞的直线运动 它由机体组 活塞连杆组和曲轴飞轮组等组成 发动机在作功时 汽缸内的温度可高达2500K以上 最高压力5 9MPa 现代发动机最高转速3000 6000r min 则活塞每秒要行经100 200个行程 其线速度很高 此外 与可然混合气和废气接触的机件还受到化学腐蚀 所以 曲轴连杆机构的工作特点是高温 高压 高速以及化学腐蚀 例如 在气缸中作往复运动的机件 要受到气体力 惯性力的作用 旋转机件要受到离心力的作用 相对运动机件要受到摩擦力的作用 这些力作用在曲轴连杆机构上 会使各传动机件受到拉伸 压缩和弯扭等不同形式的载荷 因此 在结构和选材上必须采取相应的措施 4 曲柄连杆机构受的力主要有气压力P 往复惯性力Pj 旋转离心力Pc和摩擦力F 受力分析 5 1 气压力 气压力P的集中力PP分解为侧压力NP和SP SP分解为RP和TP RP使曲轴主轴颈处受压 TP为周向产生转矩的力 1 作功行程 侧压力NP向左 活塞的左侧面压向气缸壁 左侧磨损严重 NP SP P RP TP 2 压缩行程 侧压力NP向右 活塞的右侧面压向气缸壁 右侧磨损严重 6 2 往复惯性力Pj 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 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 7 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 8 一 机体组 1 机体组 气缸体 曲轴箱 油底壳 气缸套 气缸盖和气缸垫 不动件 9 曲轴箱 气缸体 气缸垫 气缸盖 气缸 油道和水道 油底壳 10 1 气缸体水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体 称为气缸体 曲轴箱 也可称为气缸体 气缸体一般用灰铸铁铸成 气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸 下半部为支承曲轴的曲轴箱 其内腔为曲轴运动的空间 在气缸体内部铸有许多加强筋 冷却水套和润滑油道等 1 气缸体 11 油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度 气缸体上曲轴的主轴承孔为整体式 1 按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为 油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心 12 2 根据冷却方式不同 1 水冷 2 风冷 13 3 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 14 2 气缸盖与气缸衬垫 功用 密封气缸的上部 与活塞 气缸等共同构成燃烧室 工作条件 由于接触温度很高的燃气 所以承受的热负荷很大 材料 灰铸铁或合金铸铁 铝合金 气缸盖上有冷却水套 燃烧室 进排气门道 气门导管孔和进排气门座 火花塞孔或喷油器座孔 多缸一盖安装时 由中央对称向四周扩展拧紧螺栓分2 3次 拆卸相反顺序 铝合金缸盖冷机拧紧即可 铸铁缸盖冷机拧紧后热机还需拧紧一次 15 1 汽油机燃烧室要求 结构紧凑 冷却面积小 能使混合气在压缩行程中形成良好的涡流运动类型 16 3 气缸垫1 作用 保证缸体与缸盖间的密封 防止漏水 漏气 窜油 2 材料 有弹性 耐热性 耐压性3 安装时注意方向 17 4 油底壳1 功用 贮存和冷却机油并封闭曲轴箱 2 构造 1 用薄钢板冲压而成 2 内部设有稳油挡板 以防止汽车振动时油底壳油面产生较大的波动 3 最低处有放油塞 磁性 4 曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫 18 二 活塞连杆组 19 20 1活塞1 功用 1 与气缸盖 气缸壁等共同组成燃烧室 2 承力传力 承受气体压力 并将此力传给连杆 以推动曲轴旋转 2 工作环境 高温 散热条件差 顶部工作温度高达600 700K 且分布不均匀 高速 线速度达到10m s 承受很大的惯性力 活塞顶部承受最高可达3 5MPa 汽油机 的压力 使之变形 破坏配合联结 3 材料 铝合金 质量小 约为铸铁活塞的50 70 导热性好 约为铸铁的三倍 3 热膨胀系数大 灰铸铁 21 4 构造 活塞可分为顶部 头部 裙部 销座 22 1 顶部 是燃烧室的组成部分 用来承受气体压力 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 高压缩比发动机为了防止碰撞气门 也可用凹坑的深度来调整压缩比 23 2 活塞头部 位置 第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分 气环槽 油环槽 工作条件最恶劣 应离顶部远些 1 安装活塞环 与活塞环一起密封气缸 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气缸壁 作用 活塞销孔 24 3 活塞裙部 1 位置 从油环槽下端面起至活塞最下端的部分 包括销座孔 2 作用 对活塞在气缸内的往复运动起导向作用 并承受侧压力 防治破坏油膜 3 活塞的变形及采取的相应措施a 变形原因 热膨胀 侧压力和气体压力 26 b 变形规律 1 活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量 使配缸间隙变小 因活塞温度高于气缸壁 且铝合金的膨胀系数大于铸铁 2 活塞自上而下膨胀量由大而小 因温度上高下低 壁厚上厚下薄 3 裙部周向近似椭圆形变化 长轴沿销座孔轴线方向 因销座处金属量多而膨胀量大 以及侧压力作用的结果 27 C结构措施活塞裙部制成椭圆形 长轴垂直于销座孔轴线方向 即侧压力方向 销座处凹陷0 5mm 1 0mm 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1mm 2mm 2 作用 减轻活塞换向时对气缸壁的敲击 29 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 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 30 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1气环1 作用 1 密封 防止气缸内的气体窜入油底壳 2 传热 将活塞头部的热量传给气缸壁 3 辅助刮油 布油 气环尽量少 2 3 安装时切口错开 迷宫 31 2 第二密封面的建立 活塞环在运动时产生惯性力Pj 与缸壁间产生摩擦力F 以及侧隙有气体压力P1 在这三个力的共同作用下 使环靠在环槽的上侧或下侧 形成第二密封面 第二密封面 3 气环的第二次密封 窜入背隙和侧隙的气体 使环对缸壁和环槽进一步压紧 加强了第一 二密封面的密封 气环的密封原理 1 第一密封面的建立 环在自由状态下 环外径 缸径 装缸后在其弹力P0作用下与缸壁压紧 形成第一密封面 第一密封面 32 原因 1 存在侧隙和背隙 2 环运动时在环槽中靠上靠下 活塞环的泵油作用及危害 33 危害 1 增加了润滑油的消耗 2 火花塞沾油不跳火 3 燃烧室积炭增多 燃烧性能变坏 4 环槽内形成积炭 挤压活塞环而失去密封性 5 加剧了气缸的磨损 措施 1 采用扭曲环 2 采用组合式油环 3 油环下设减压腔 34 气环断面形状 35 组合式刮油环 由上下刮油片和产生径向 轴向弹力的衬簧组成 1 钢片 2 衬簧 3 径向衬簧 4 轴向衬簧 5 活塞 36 三 活塞销1作用 连接活塞和连杆 并传递活塞的力给连杆 2结构 用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体 37 四 连杆 1 小头 2 杆身 3 大头 4 9 装配记号 朝前 5 螺母 6 连杆盖 7 连杆螺栓 8 轴瓦 10 连杆体 11 衬套 12 集油孔 1功用 将活塞的力传给曲轴 变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动 2组成1 小头 用来安装活塞销 以连接活塞 全浮式有油沟 2 杆身 常做成 工 字形断面 3 大头 与曲轴的连杆轴颈相连 大头一般做成分开式 即连杆体大头和连杆盖 连杆一般都采用中碳钢或合金钢锻造而成 少数球墨铸铁 38 3连杆轴承 俗称小瓦 3 1 作用 保护连杆轴颈及连杆大头孔 3 2 组成 由钢背和减磨层组成 钢背由1mm 3mm的低碳钢制成 减磨层为0 3mm 0 7mm的减磨合金 层质较软能保护轴颈 连杆轴瓦上制有定位凸键 供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中 以防轴瓦前后移动或转动 有的轴瓦上还制有油孔 安装时应与连杆上相应的油孔对齐 39 40 2 3曲轴飞轮组由曲轴 飞轮 减振器等组成 起动爪 正时齿轮 主轴瓦 皮带轮 扭转减振器 飞轮 飞轮螺栓 曲轴 41 一 曲轴 一 功用1 把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出 2 驱动配气机构及其它附属装置 材料 大多采用优质中碳钢或中合金碳钢 有的采用球墨铸铁 工作条件 受气体压力 惯性力 惯性力矩 承受交变载荷的冲击 42 前端轴 连杆轴颈 曲轴轴颈 后端轴 平衡重 曲拐 曲柄 曲轴的曲拐数目等于气缸数 直列式发动机 V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半 43 曲轴的平衡曲轴如果局部重量不均 运转时将产生剧烈振动 致使曲轴疲劳折断 因此 在曲柄销对面必须加上配重以保持平衡 配重有些可用螺丝固定 可拆卸 有的配重直接铸造在曲轴上 现代的高速发动机为减小噪音 平衡轴来提高平衡度 平衡轴通常使用两根 断面为半圆 使用胶木齿轮与曲轴齿轮相啮合 平衡轴与曲轴转动方向相反 以消除曲轴转动的惯性力 44 润滑系统Lubricatingsystem 45 汽车的许多构件是通过相互之间的相对运动来实现整体功能的 固体之间接触的表面用肉眼看似乎很平整 但将表面极细微部分放大就会发现处处是凸凹不平 所以一运动就会有摩擦 用润滑剂可以将两个互相摩擦的表面分开 从而有效减少摩擦 因此 润滑是保障汽车正常运行的重要因素 46 发动机有最复杂的润滑系统 通过输送机油或飞溅的形式 使机件表面形成油膜 减少摩擦和摩损 带走摩擦表面的热量和杂质 增加气缸的密封性等 所以 发动机润滑不仅起到减少摩擦和摩损的作用 它还有多种功能 要使实现所有的功能 设计师就要从发动机构造上保证实现的条件 例如保证机油输送管路的压力 曲轴箱的构造 油底壳的形状尺寸等 润滑系通常由润滑油道 机油泵 机油滤清器和一些阀门等组成 当发动机一启动 机油泵就通过集滤器将油底壳内的机油吸上到缸体油道 输送到各个部位 对摩擦表面润滑后的油滴又回到油底壳 在反复润滑循环的过程中 机件金属表面的细小毛糙体在不断的摩擦过程中会脱落 机油就会混入金属片或者尘埃等杂质 因此就要在油路中安装机油滤清器 将这些 多余分子 拦截下来 为了防止机油滤清器一旦堵塞机油通不过去 还有一个旁通阀做应急 当机油滤清器堵塞造成进出口两端压力差变大时 旁通阀就会开通让机油 免检 通过 以免发动机零件受损 47 49 发动机润滑部位发动机的润滑部位主要有曲柄连杆机构 配气机构以及正室齿轮室 50 6 2润滑系主要部件 一 机油泵 1 功用与类型功用 保证润滑油在润滑系内的循环流动 并在发动机任何转速下都能以足够高的压力向润滑部位输送足够数量的润滑油类型 目前发动机润滑系中广泛采用的是外啮合齿轮式机油泵和内啮合转子式机油泵两种 2 齿轮式机油泵 1 工作原理油泵壳体内壁的间隙很小 泵壳上有进出油孔 当发动机工作时 齿轮按图示箭头方向旋转 1 吸油 机油泵进油腔齿轮的轮齿脱开啮合 其容积增大 产生真空吸力 机油便经进油口被吸入进油腔 2 压油 机油泵齿轮的轮齿将机油带入到出油腔 出油腔齿轮的轮齿进入啮合 其容积减小 油压增大 机油便经出油口被压送到发动机油道中 1 进油腔 2 出油腔 3 卸压槽 51 转子式机油泵 泵壳 外转子 内转子 机油 进油腔 出油腔 52 二 机油滤清器 作用 使循环流动的机油在送往运动零件表面之前 滤去机油中的金属屑和大气中的尘埃及燃料燃烧不完全所产生的炭粒 分类 集滤器 粗滤器 细滤器 复合式滤清器连接方式 串联 一般为粗滤器并联 一般为细滤器 53 1 集滤器 功用 防止较大的机械杂质进入机油泵 分类 54 9 5曲轴箱通风 原因 汽油蒸汽冷凝稀释机油废气中二氧化硫遇水亚硫酸遇氧硫酸废气进入曲轴箱压力增大机油泄露作用 为了延长机油的使用期限 减少摩擦零件的磨损和腐蚀 发动机漏油 55 曲轴箱通风装置工作演示 56 第七章冷却系 57 7 1概述 一 冷却系的作用 保持发动机在最适宜的温度范围内工作 发动机工作时 由于燃料的燃烧 气缸内气体温度高达2200K 2800K 1927 2527 大约1 3做功转变为机械能 其余大部分随废气排出 其余则被发动机零件吸收 使发动机零部件温度升高 特别是直接与高温气体接触的零件 若不及时冷却 则难以保证发动机正常工作 二 发动机过热或过冷的危害发动机冷却必须适度 过热或过冷都会给发动机带来危害 1 发动机过热的危害1 降低充气效率 使发动机功率下降 58 2 发动机过冷的危害1 进入气缸的混合气 或空气 温度太低 可燃混合气品质差 雾化差 使点火困难或燃烧迟缓 导致发动机功率下降 燃料消耗量增加 热量流失过多 燃油凝结流进曲轴箱 2 燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气体形成酸类 加重了对机体和零件的侵蚀作用 3 未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面 气缸壁 活塞 活塞环等 上的油膜 使零件磨损加剧 4 润滑油黏度增大 流动性差 造成润滑不良 加剧机件磨损 增大功率消耗可见 发动机正常的工作温度是保证发动机良好的工作性能及其使用寿命的一个重要条件 2 早燃和爆燃的倾向加大 使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏 3 运动件的正常间隙 热胀冷缩 被破坏 运动阻滞 磨损加剧 甚至损坏 4 润滑情况恶化 加剧了零件的摩擦磨损 5 零件的机械性能降低 导致变形或损坏 59 四 发动机的正常温度水冷式发动机保持正常工作 其冷却水的温度应在353K 363K 80 90 之间 此时 气缸壁温度不超过473K 573K 200 300 气缸盖 活塞顶部的温度不超过573K 673K 300 400 润滑油的温度在343K 363K 70 90 保证发动机具有较好的动力性 经济性和净化性 使零件的运动和磨损正常 风冷发动机铝气缸壁的温度允许为423K 453K 150 180 铝气缸盖则为433K 473K 160 200 三 发动机的冷却方式根据所用冷却介质不同 可分为风冷式和水冷式 1 水冷式 以水为冷却介质 热量先由机件传给水 靠水的流动把热量带走而后散入大气中 散热后的水再重新流回到受热机件处 适当调节水路和冷却强度 就能保持发动机的正常工作温度 同时 还可用热水预热发动机 便于冬季起动 2 风冷式 高温零件的热量直接散入大气 部分汽车发动机 特别是小排量发动机 则采用风冷系 风冷系与水冷系比较 其结构简单 使用和维修方便 由 于发动机与空气间温差大 故风冷系的散热能力对气温变化不敏感 但风冷系还存在冷却不够可靠 消耗功率大和噪声大等缺点 60 四 冷却水和防冻液1 冷却水的选择 使用软水 即含矿物质少的水 2 防冻液 1 作用 冬季 可在冷却水中加入适量防冻液可以降低冰点 2 配成防冻液的材料 乙二醇或酒精 3 使用乙二醇配制的注意点 1 切勿用口吸2 乙二醇对橡胶有腐蚀作用 3 乙二醇吸水性强 表面张力小 4 切勿混入石油产品 61 1 功用 使工作中的发动机得到适度的冷却 从而保持在最适宜的温度范围内工作 2 不正常冷却 62 3 正常冷却 4 分类 风冷系水冷系 63 冷却系的工作演示 64 3 水冷却系的大 小循环 1 水冷却系的大循环 冷却水经水泵 水套 节温器 散热器 又经水泵压入水套的循环 其水流路线长 散热强度大 称水冷却系的大循环 2 水冷却系的小循环 冷却水经水泵 水套 节温器后不经散热器 而直接由水泵压入水套的循环 其水流路线短 散热强度小 称水冷却系的小循环 1 组成 水泵由壳体 叶轮 泵盖板 水泵轴 支承轴承 水封等组成 如图所示 2 水泵与风扇同轴 通过三角皮带传动 3 泵盖上有出水孔 泵壳上有进水孔A 用橡胶管与散热器出水管相连 泵壳上面有旁通孔A 与气缸盖上的出水管相连 当冷却水温度低于349K 76 时 部分冷却水由此直接进入水泵 4 叶轮工作室的进水室B与进水孔 旁通孔相通 出水室由出水孔与水套相连 离心式水泵结构1 水泵外壳 2 叶轮