曲柄连杆机构

第二章曲柄连杆机构 内容提要 主要作用 完成热能向机械能的转换 工作条件 零件在高温 高压 高速条件下工作 且伴随化学腐蚀 主要零件 机体组 活塞连杆组和曲轴飞轮组 受力情况 复杂 有气体作用力 运动质量惯性力 摩擦力以及外界阻力等 第一节曲柄连杆机构中的作用力及力矩 气体作用力 作功行程中 气体作用力推动活塞向下运动 产生曲轴旋转运动的力矩T 压缩行程中 气体作用力阻碍活塞向上运动 产生旋转运动的阻力矩T 往复惯性力和离心力 活塞和连杆小头 曲柄 曲柄销和连杆大头 摩擦力 1 机体组 气缸体 气缸盖和油底壳 2 曲轴飞轮组 曲轴及主轴承 飞轮 曲轴由主轴径 连杆轴径 曲柄及平衡重组成 曲轴 把气体作用力转化为力矩 飞轮 将作功行程中输入曲轴的功 能的一部分贮存起来 用以在其它行程中克服阻力 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负荷 此外 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 3 活塞连杆组 连杆及连杆轴承 活塞销 活塞 活塞环 基本部件 第二节机体组 机体组是发动机的支架 是曲柄连杆机构 配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体 气缸盖用来封闭气缸顶部 并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室 另外 气缸盖和机体内的水套和油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分 机体1 机体的工作条件及要求机体是气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 同时还因为气缸壁面与高温燃气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 并应对气缸进行适当的冷却 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 高强度灰铸铁或铝合金铸造 3 机体构造 1 单列式 直列式 发动机结构 单列式 直列式 发动机的各个气缸排成一列 一般是垂直布置 但为了降低发动机高度 有时也布置成倾斜的或水平的 特点 单列式 直列式 发动机的结构简单 加工容易 但高度和长度较大 一般6缸以下的发动机多采用单列式 2 双列式发动机 V形发动机结构 双列式发动机左右两列气缸中心线的夹角小于180 称为V型发动机 特点 V型发动机缩短了发动机的长度和高度 增加了气缸体的刚度 重量也有所减轻 但加大了发动机的宽度 且形状复杂 加工困难 一半多用于缸数多的大功率发动机上 对置式发动机结构 双列式发动机左右两列气缸中心线的夹角等于180 称为对置式发动机 特点 对置式发动机高度比其他形式小得多 在某些情况下 使得汽车 特别是轿车和大型客车的总布置更方便 机体的布置型式 气缸套原理 气缸工作表面由于经常与高温 高压燃气相接触 且有活塞在其中作高速往复运动 所以必须耐高温 耐磨损 耐腐蚀 为了满足以上要求 近年来广泛采用镶入缸体内的气缸套 形成工作表面 干缸套结构 干缸套 合金铸铁2 3mm 钢1 1 5mm 或铝合金 压入铸铁机体缸套座孔 与铝合金机体铸在一起或压入 并不直接与冷却液接触 特点 机体刚度大 气缸中心距小 质量轻 加工工艺简单 但传热较差 温度分布不均匀 容易发生局部变形 湿缸套结构 湿缸套外壁和冷却液直接接触 一般采用合金铸铁材料 壁厚5 8mm 缸套需要径向和轴向定位 轴向定位可在缸套底上部 中部或下部 还需要密封以防冷却液泄漏 特点 湿缸套的优点是机体上没有封闭的水套 容易铸造 传热好 温度分布比较均匀 维修方便 缺点是气缸体的刚度差 易于漏气 漏水 湿缸套广泛应用于汽车柴油机上 气缸结构形式也有3种 即无气缸套式 干气缸套式和湿气缸套式 湿气缸套式机体 其气缸套外壁与冷却液直接接触 用合金铸铁制造的湿式气缸套的壁厚一般为5 8mm 湿式气缸套下部用1 3道耐热耐油的橡胶密封圈进行密封 防止冷却液泄漏 湿式气缸套上部的密封是利用气缸套装入机体后 气缸套顶面高出机体顶面0 05 0 15mm 风冷发动机气缸体结构 由于金属对空气的换热系数仅是金属对水的换热系数的1 33 因此必须在风冷气缸的外壁铸制散热片 以增加散热面积 增强散热能力 按曲轴箱结构形式的不同机体有平底式 龙门式和隧道式3种 气缸盖的功用 密封气缸上部 并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室 气缸盖与气缸体通过螺栓连接 应在安装时注意螺栓的拧紧力矩和顺序 按由中央对称地向四周扩展的顺序 并经多次逐渐达到规定扭矩 气缸盖的分类 1 单体式气缸盖 指在多缸发动机的一列中 只覆盖一个气缸的气缸盖 单体气缸盖多用于大缸径发动机和风冷发动机 2 分块式气缸盖 块状气缸盖是指在多缸发动机的一列中 能覆盖部分气缸 两个以上 的气缸盖 3 整体式气缸盖 指在多缸发动机的一列中 能覆盖全部气缸的气缸盖 多用于小缸径发动机 气缸盖的材料 优质灰铸铁或合金铸铁铸造 轿车用的汽油机则多采用铝合金气缸盖气缸垫的功用 密封气缸 防止漏气 漏水和漏油 气缸盖 在多缸发动机中 全部气缸共用一个气缸盖的 称为整体式气缸盖 若每两缸一盖或三缸一盖 则该气缸盖为分块式气缸盖 若每缸一盖 则为单体式气缸盖 风冷发动机均为单体式气缸盖 油底壳的主要功用 贮存机油并封闭曲轴箱 一般采用薄钢板冲压而成 其形状决定于发动机的总体布置和机油的容量 结构特点 1 油底壳内装有稳油挡板 以防止汽车颠簸时油面波动过大 2 油底壳底部还装有磁性放油螺塞 3 在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫 防止润滑油泄漏 油底壳 在汽油机气缸盖底面通常铸有形状各异的凹坑 习惯上称这些凹坑为燃烧室 汽油机的燃烧室主要有右图所示的几种 燃烧室 柴油机燃烧室 1 涡流室燃烧室 其主 副燃烧室之间的连接通道与副燃烧室切向连接 在压缩行程中 空气从主燃烧室经连接通道进入副燃烧室 在其中形成强烈的有组织的压缩涡流 因此称副燃烧室为涡流室 燃油顺气流方向喷射 2 预燃室燃烧室 其主 副燃烧室之间的连接通道不与副燃烧室切向连接 且截面积较小 在压缩行程中 空气在副燃烧室内形成强烈的无组织的紊流 燃油逆气流方向喷射 并在副燃烧室顶部预先发火燃烧 故称副燃烧室为预燃室 发动机的支承 通过机体和飞轮壳或变速器壳上的支承支撑在车架上 发动机的支承方法 一般有三点支承和四点支承两种 三点支承可布置成前一后二或前二后一 采用四点支承法时 前后各有两个支承点 第三节曲柄连杆机构 一 曲柄连杆机构的功用及组成功用 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转矩 以驱动汽车车轮转动 曲柄连杆机构由活塞组 连杆组和曲轴飞轮组的零件组成 二活塞组 组成 活塞 活塞环 活塞销 连杆等活塞与活塞环的主要作用是与气缸体及气缸盖共同形成密闭的燃烧室 活塞主要承担燃气压力 而活塞环则是起到补漏密封的作用 各零件要发挥自身的工程作用 则必须在结构设计及材料应用上满足工作条件的要求 1 活塞及活塞环 活塞的基本构造可分为 顶部 头部和裙部 活塞的主要作用是承受气缸内燃气的压力 并通过活塞销及连杆将力传给曲轴 活塞 功用 活塞的主要功用是承受燃烧气体压力 并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转 此外活塞顶部与气缸盖 气缸壁共同组成燃烧室 工作条件 作用在活塞上的有气体力和往复惯性力 活塞顶与高温燃气直接接触 使活塞顶的温度很高 活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动 由于润滑条件差 因此摩擦损失大 磨损严重 材料 现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞 只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢活塞 活塞构造 活塞可视为由顶部 头部和裙部等3部分构成 1 活塞顶部 汽油机活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关 大多数汽油机采用平顶活塞 其优点是受热面积小 加工简单 采用凹顶活塞 可以通过改变活塞顶上凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比 柴油机活塞顶部形状取决于混合气形成方式和燃烧室形状 柴油机还有另一类燃烧室 称为直喷式燃烧室 其全部容积都集中在气缸内 且在活塞顶部设有深浅不一 形状各异的燃烧室凹坑 喷油器将燃油直接喷入燃烧室凹坑内 使其与运动气流相混合 形成可燃混合气并燃烧 2 活塞头部 活塞顶至油环槽下端面之间的部分称为活塞头部 活塞头部应该足够厚 从活塞顶到环槽区的断面变化要尽可能圆滑 过渡圆角R应足够大 以减小热流阻力 便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁 使活塞顶部的温度不致过高 3 活塞裙部 头部以下的部分 裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好的导向 气缸与活塞之间在任何工况下都应保持均匀的 适宜的间隙 间隙过大 活塞敲缸 间隙过小 活塞可能被气缸卡住 此外 裙部应有足够的实际承压面积 以承受侧向力 活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称主推力面 承受压缩侧向力的一面称次推力面 活塞裙部变形 活塞的冷却 1 自由喷射冷却法 从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机油 2 振荡冷却法 从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中 由于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞 3 强制冷却法 在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管 使机油在其中强制流动以冷却活塞 强制冷却法广为增压发动机所采用 活塞环 活塞环包括气环和油环两种 气环 作用是 保证活塞与气缸壁间的密封 防止气缸中高温 高压燃气漏入曲轴箱 传热 油环 作用是 刮除气缸壁上多余的机油 辅助气环密封 活塞环工作条件 高温 高压 高速以及润滑不良 活塞环材料 合金铸铁 气环的形状 有一个切口 且在自由状态下非圆 外形尺寸较气缸尺寸大 油环的结构 活塞环按不同的类型主要起到密封和对缸壁实现润滑的作用 活塞环材料及表面处理 活塞环材料应具有良好的耐磨性 导热性 耐热性 冲击韧性 弹性和足够的机械强度 目前广泛应用的活塞环材料有优质灰铸铁 球墨铸铁 合金铸铁和钢带等 第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理 气环 1 气环的密封原理 最后漏入曲轴箱内的气体很少 一般仅为进气量的0 2 1 0 气环开口形状 对漏气量有一定影响 直开口工艺性好 但密封性差 阶梯形开口密封性好 工艺性差 斜开口的密封性和工艺性介于前两种开口之间 斜角一般为30 或45 气环断面形状 气环的断面形状多种多样 根据发动机的结构特点和强化程度 选择不同断面形状的气环组合 可以得到最好的密封效果和使用性能 矩形环断面为矩形 形状简单 加工方便 与气缸壁接触面积大 有利于活塞散热 但磨合性差 而且在与活塞一起作往复运动时 在环槽内上下窜动 把气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室中 产生 泵油作用 使机油消耗量增加 活塞顶及燃烧室壁面积炭 锥面环 扭曲环 梯形环 桶面环 开槽环和顶岸环 断面为 L 形 气环的泵油作用演示 梯形环 断面为梯形 其主要优点是抗粘结性好 当活塞头部温度很高时 窜入第一道环槽中的机油容易结焦并将气环粘住 在侧向力换向活塞左右摆动时 梯形环的侧隙 径向间隙都发生变化将环槽中的胶质挤出 楔形环的工作特点与梯形环相似 且由于断面不对称 装入气缸后也会发生扭曲 梯形环多用作柴油机的第一道气环 桶面环 环的外圆面为外凸圆弧形 其密封性 磨合性及对气缸壁表面形状的适应性都比较好 桶面环在气缸内不论上行或下行均能形成楔形油膜 将环浮起 从而减轻环与气缸壁的磨损 开槽环 在外圆面上加工出环形槽 在槽内填充能吸附机油的多孔性氧化铁 有利于润滑 磨合和密封 顶岸环 断面为 L 形 因为顶岸环距活塞顶面近 作功行程时 燃气压力能迅速作用于环的上侧面和内圆面 使环的下侧面与环槽的下侧面 外圆面与气缸壁面贴紧 有利于密封 由于同样的原因 顶岸环可以减少汽车尾气HC的排放量 气环断面形状 活塞销 功用及工作条件 用来连接活塞和连杆 并将活塞承受的力传给连杆或相反 在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷 且润滑条件较差 活塞销必须有足够的刚度 强度和耐磨性 质量尽可能小 销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量 通常 活塞销的刚度尤为重要 发生弯曲变形 可能使活塞销座损坏 材料及结构 活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢 如20 20Mn 15Cr 20Cr或20MnV等 外表面渗碳淬硬 再经精磨和抛光等精加工 结构形状 基本上是一个厚壁空心圆柱 其内孔形状有圆柱形 两段截锥形和组合形 圆柱形孔加工容易 但活塞销的质量较大 两段截锥形孔的活塞销质量较小 且因为活塞销所受的弯矩在其中部最大 所以接近于等强度梁 但锥孔加工较难 连杆组 连杆组由连杆 连杆盖 连杆瓦及连杆螺栓组成 连杆由连杆小头 连杆大头及杆身组成 连杆组中的各零件应成组装配 各组零件不能互换 以保证装配精度和运动部件的动态平衡 连杆轴承的间隙及连杆螺栓的扭矩均有严格的技术要求 必须严格遵守相应的规定 连杆材料 中碳钢或合金钢锻造而成 如45 40Cr 42CrMo或40MnB等模锻或辊锻而成 连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴 并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动 纤维增强铝合金连杆比用传统材料制造的连杆要轻30 连杆组 连杆杆身 工 字形断面 连杆小头 通过活塞销与活塞相连接 连杆大头 与曲轴的连杆轴径相连接 通常做成剖分式的 连杆盖 与连杆大头组合镗孔而成 故应配对 连杆大头剖分面型式 平切口和斜切口 连杆螺栓 规定的拧紧力矩按一定顺序分 次均匀拧紧 同时还要有锁紧装置 连杆轴瓦 巴氏合金 高锡铝合金 铜铅合金等 半个轴瓦自由状态下不是半圆形 第四节曲轴飞轮组 曲轴1 曲轴的功用及工作条件曲轴的功用是把活塞 连杆传来的气体力转变为转矩 用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置 曲轴在周期性变化的气体力 惯性力及其力矩的共同作用下工作 承受弯曲和扭转交变载荷 要求 具有足够的刚度和强度 各工作表面耐磨且润滑良好 2 曲轴材料 曲轴一般由45 40Cr 35Mn2等中碳钢和中碳合金钢模锻而成 轴颈表面经高频淬火或氮化处理 最后进行精加工 现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴 球墨铸铁价格便宜 耐磨性能好 轴颈不需硬化处理 同时金属消耗量少 机械加工量也少 为提高曲轴的疲劳强度 消除应力集中 轴颈表面应进行喷丸处理 圆角处要经滚压处理 3 曲轴构造 由若干个单元曲拐构成 一个曲柄销 又称连杆轴颈 左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个单元曲拐 单缸发动机的曲轴只有一个曲拐 多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与气缸数相同 V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半 将若干个单元曲拐按照一定的相位连接起来再加上曲轴前 后端便构成一根曲轴 多数发动机的曲轴 在其曲柄臂上装有平衡重 按单元曲拐连接方法的不同 曲轴分为整体式和组合式两类 组成 曲轴前端 曲拐部分和曲轴后端 发动机的点火顺序 点火间隔角 对于单缸发动机 曲轴转过7200才能进行下一次工作循环 对于多缸发动机 缸数为i 在曲轴转过720 的时间内 每缸均应完成一次做功 其点火间隔角应为 7200 i 多缸发动机点火顺序 发动机点火顺序应在保证点火间隔角的前提下 使曲轴负荷均匀 保证发动机平稳地运转 四缸发动机点火顺序为 1 2 4 3或1 3 4 2 六缸发动机点火顺序为 1 5 3 6 2 4或1 4 2 6 3 5 曲轴前 后端密封 曲轴前端借助甩油盘和橡胶油封实现密封 曲轴后端的密封装置 曲轴扭转减振器 当发动机工作时 曲轴在周期性变化的转矩作用下 各曲拐之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动 简称扭振 当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成整数倍时 就会发生共振 共振时扭转振幅增大 并导致传动机构磨损加剧 发动机功率下降 甚至使曲轴断裂 为了消减曲轴的扭转振动 现代汽车发动机多在扭转振幅最大的曲轴前端装置扭转减振器 汽车发动机多采用橡胶扭转减振器 硅油扭转减振器和硅油 橡胶扭转减振器等 二 飞轮 功用是将作功行程中传输给曲轴的功的一部分贮存起来 用以在其它行程中克服阻力 除此之外 飞轮还有下列功用 飞