汽车构造与原理 第2章_机体组及曲柄连杆机构

1、第二章 机体组与曲柄连杆机构,概述,功用： 发动机支撑骨架 传递力，完成能量转换（热能 机械能） 改变运动方式（往复 旋转） 工作条件： 高温（Tmax2800k） 高压（pmax=9MPa） 高速（nmax6000 r/min） 化学腐蚀，润滑不良,组成： 机体组 活塞连杆组 曲轴飞轮组,第一节 曲柄连杆机构中的作用力及力矩,作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动质量惯性力。 曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动质量组成的当量系统。 往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发动机支承,第二节 机体组,机体组主要由机体、气缸盖、气缸盖罩、气缸衬垫、主轴承盖以及油底壳等组成。镶气缸套的发

2、动机，机体组还包括干式或湿式气缸套。 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,机体组气缸体,功用： 发动机各机构和系统的装配基体 组成燃烧室，引导活塞往复运动 主要组成： 气缸、气缸套 工作条件： 高温、高压、高速、润滑不良 要求： 具有足够的强度和刚度、耐磨、耐高温 较高的加工精度和光洁度、与活塞配合保证密封 材料： 一般采用优质合金铸铁铸造，铸造后对内表面进行热处理，最后精加工而成,气缸体结构形式(按结构分,一般

3、式 油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度 机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但刚度和强度较差 龙门式 油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。 强度和刚度好，能承受较大负荷；工艺性较差，结构笨重，加工较困难,隧道式: 曲轴的主轴承孔为整体式，孔较大 优点：结构紧凑、刚度和强度好，但加工精度高，工艺性较差，曲轴拆装不方便,气缸排列形式（按布置分,单列式 气缸排成一列垂直布置。结构简单，加工容易，发动机长度、高度大 一般六缸以下采用。如捷达、富康、红旗轿车所使用 V型 左右两列气缸中心线的夹角180 与直列式相比，缩短了机体长度和高度，增加了缸体的刚度，加大了宽度，形状较复杂，加工

4、困难，一般用于8缸以上的发动机,对置式: 左右两列气缸中心线的夹角 180，称为对置式 特点：高度小，总体布置方便，有利于风冷,气缸结构形式 （按缸套分,气缸内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。为了提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而有不同的气缸结构形式和表面处理方法。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。气缸套用合金铸铁制造,壁厚为58mm。湿式气缸套下部用13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0.050.15mm,

5、气缸结构形式,气缸结构形式,风冷发动机气缸体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,三、气缸盖,气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。 气缸盖一般都由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,机体组气缸盖,功用： 封闭气缸上部、与活塞顶部和气缸壁一起组成燃烧室 工作条件：高温、高压 材料 一般采用灰铸铁、合金铸铁、铸铝 型式： 单体式：刚度大，维修方便，但结构复杂 整体式：可缩短汽缸中心距和发动机总长度，刚性

6、较差 块状：介于二者之间,4燃烧室,气缸盖-汽油机常用燃烧室,半球形 简单、紧凑，火花塞在燃烧室中央，火焰行程短，燃烧速率高，散热少。 配气机构较复杂，有利于排气净化，在轿车发动机上被广泛地应用。 楔形 结构简单、紧凑，散热面积小，进气阻力小。 火花塞于楔形燃烧室高处，火焰传播距离长些，切诺基轿车采用,盆形 气缸盖工艺性好，制造成本低，但气门直径易受限制，进、排气效果要比半球形燃烧室差。捷达、奥迪轿车发动机采用,柴油机的分隔式燃烧室,四、气缸衬垫,气缸衬垫是机体顶面与气缸盖底面之间的密封件。 按所用材料的不同，气缸衬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,五、 油底壳,油底壳

7、的主要功用是储存机油和封闭机体或曲轴箱。 油底壳用薄钢板冲压或用铝铸制而成,第三节 曲柄连杆机构,曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。 其功用是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,一)活塞,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。 广泛采用铝合金活塞,活塞顶部,功用： 燃烧室的组成部分、活塞顶部承受气体压力 形状： 形状、位置、大小和燃烧室的具体形式有关 平顶：受热面积小，加工简单 凸顶：顶部高，导向作用，二行程汽油机采用 凹顶：有利于

8、可燃混合气的燃烧，调节压缩比 加工应力求光洁,活塞头部,功用： 承受气体压力，并传递给连杆 安装活塞环 密封作用，与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内 传热作用，将7080%的热量通过活塞环传给气缸壁 结构 柴油机：压缩比高，四道槽，上三道气环槽，下为油环槽 汽油机：三道环槽，上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 （高温）措施 过度圆角大，热量由各环带走 隔热槽,活塞裙部,功用：导向作用、承受侧压力 结构 变形因素：气体压力、侧向力、受热膨胀 活塞销孔轴线方向尺寸增大 改进 预先做成椭圆形，短轴沿销座，长轴垂直于活塞销方向 裙部热膨胀量上大下小，预

9、先做成锥形、阶梯形，以使工作时裙部接近圆柱形。 裙部开槽：热膨胀补偿槽（变形） 裙部开孔或切去部分, 减少重量，减少膨胀 活塞裙部/销座内嵌入 “恒范钢片” ，减小变形,二)活塞环,活塞环分气环和油环两种。 气环的主要功用是密封和传热。 油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。 活塞环材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带等,气环-1,密封机理 在自由状态下外廓尺寸比气缸直径大。 装入气缸后，在自身弹力作用下，外圆面与气缸壁紧密贴合，形成第一密封面。高压气体进入径向间隙，加强了其密封。 高压气体进入侧隙中，环下侧面与环槽贴紧，形成第二密封面。 活塞环

10、开口气隙为泄漏通道，多道气环开口错开，构成迷宫式漏气通道 由于侧隙、径向间隙和端隙都很小，气体在通道内的流动阻力很大，致使气体压力p迅速下降，最后漏入曲轴箱内的气体就很少（0.2%1,气环-2,开口 直开口：工艺性好，但密封性差； 阶梯开口：密封性好，但工艺差； 斜开口：密封性和工艺性介于直开口和阶梯开口之间。斜角30或45,气环-3,气环断面形状 矩形环 锥面环 正扭曲内切环 反扭曲锥面环 梯形环 桶面环,气环3(1,矩形环： 与缸壁接触面积大，有利散热； 磨合性差； 随活塞往复运动时，在环槽内上下窜动，产生泵油作用,气环3(2,扭曲环 断面不对称的气环安装后，弹性内力作用使截面发生扭转，环

11、不能窜动，不会泵油。 在进气、压缩、排气行程中扭曲，与锥形环类似。 在作功行程高压作用下，与矩形环相同,气环3(3,锥面环 断面呈锥形，外圆工作面上加工一个很小的锥面(0.5-1.5) 减小了环与气缸壁的接触面，提高了表面接触压力，有利于磨合和密封。活塞下行时，便于刮油；上行时，由于锥面的“油楔”作用，能在油膜上“飘浮”过去，减小磨损。 安装时，不能装反，否则会引起机油上窜,梯形环 侧向力换向活塞左右摆动时，侧隙和径向间隙都发生变化，将环槽中的胶质挤出。故抗粘结性好。 一般用于柴油机活塞第一道环,气环3(4,桶形环 目前广泛在高速、高负荷的强化柴油机中用作第一环。 特点：环的外圆面为凸圆弧形。

12、 优点： 当桶面环上下运动时，均能与气缸壁形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，从而使磨损大为减少。 桶面环与气缸是圆弧接触，接触面积小，故对气缸表面和活塞摆动的适应性均较好，密封性提高，磨合性好。 缺点：凸圆弧表面加工较困难,油环,普通油环 组合油环,三)活塞销,活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。 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。 活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁空心圆柱,活塞销2,安装 全浮式 半浮式,全浮式活塞销工作时，在连杆小头孔和活塞销孔中转动，可以保证活塞销沿圆周磨损均匀。为防止活塞销两端刮伤气

13、缸壁 ，在活塞销孔外侧装置活塞销挡圈。半浮式活塞销是用螺栓将活塞销夹紧在连杆小头孔内，这时活塞销只在活塞销孔内转动，在小头孔内不转动。小头孔不装衬套，销孔中也不装活塞销挡圈,三、连杆组,连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承等零件。 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。 连杆体和连杆盖由优质中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr、42CrMo或40MnB等模锻或辊锻而成,连杆小头,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

14、在小头顶部加工出喷油孔,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，拆卸发动机时能从气缸上端取出。 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,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,一)曲轴,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。 曲轴一般

15、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,曲轴,基本结构 曲轴前端 若干曲拐 曲轴后端,曲柄销、左右两端的曲柄、前后两个主轴颈,曲拐的数目,曲拐数取决于： 气缸数目及排列方式 直列曲拐数 ： =气缸的数目 V形曲拐数 ： =气缸的数目/2,曲轴分类,曲轴的主轴颈数 全支撑、非全支撑 曲拐间的连接方式 整体式、组合式,全支撑,半支撑,整体式,组合式,曲轴润滑油道,曲柄销做成空心 减少质量、离心力 润滑,二)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。 曲轴后端密封采用自紧式橡胶油封,扭转减振器,扭转振动 发动机工作时，各缸

16、曲柄连杆机构产生的转矩周期性变化，导致各曲拐相对扭转。 当发动机转矩变化频率与曲轴扭转振动的自振频率相同时，会发生共振。 扭转减振器 为削减曲轴的扭转振动，在曲轴前端（扭转振幅最大）加装扭转减振器 主要是摩擦式扭转减振器，使曲轴扭转振动能量逐渐消耗于减振器内的摩擦，从而使振幅逐渐减小,三)曲轴扭转减振器,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,四)飞轮,飞轮是摩擦式离合器的主动件；在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈 在飞轮上还刻有上止点记号，用来校准点火定时或喷油定时以及调整气门间隙,飞轮,功用 储存能量，帮助曲柄连杆机构越过止点，完成辅助行程，保证旋转角

17、速度和输出转矩尽可能均匀 克服暂时超负荷,使曲轴旋转均匀 其它用途（组成离合器，起动） 工作条件：高速旋转 要求：平衡性能好，达到动平衡和静平衡 材料：灰铸铁 结构 很重的铸铁圆盘，用螺栓固定在曲轴后端，具有很大的转动惯量。 在飞轮轮缘上作有记号(刻线或销孔)供找压缩上止点用，当飞轮上的记号与外壳上的记号对正时，正好是压缩上止点,五、 汽车发动机滑动轴承,滑动轴承有连杆衬套、连杆轴承、主轴承和曲轴止推轴承等 连杆轴承和主轴承均承受交变载荷和高速摩擦，因此轴承材料必须具有足够的抗疲劳强度，而且要摩擦小、耐磨损和耐腐蚀。 每一片轴瓦都是由钢背和减摩合金层或钢背、减摩合金层和软镀层构成,2曲轴止推轴承,汽车行驶时由于踩踏