汽车构造曲柄连杆机构

1、汽车构造I（4）赵雨东清华大学汽车工程系主要内容和学时安排（4柴油机燃油供给系统（4 学时）汽油机点火系统（2学时） 发动机冷却系统（2学时） 发动机润滑系统（2学时） 发动机起动系统与电源（1学时）发动机管理系统（2学时）n 汽 学时）动本n 发动机机体（2学时）n 曲柄连杆机构（3学时）n 气门机构（3学时）n 进排气、增压系统及排放控制装置（3学时）n 汽油机燃油供给系统（4 学时）曲柄连杆机构n 功用与组成n 活塞组件n 连杆n 曲轴n 飞轮n 扭转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构功用与组成n 功用n 缸内高压气体n 活塞往复运动动系n 组成热能变为机械能为曲轴旋转运动，对外输出功

2、驱动汽车传n 活塞组件（活塞、活塞环、活塞销）n 连杆n 曲轴组件（曲n 扭振减振器、飞轮）n 往复惯性力平衡轴扭转减振器曲轴连杆飞轮活塞组件平衡轴曲柄连杆机构运动.swf曲柄连杆机功用与组成n 活塞组件n 连杆n 曲轴n 飞轮n 扭转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构活塞组件n 组成和作用n 活塞n 结构n 顶部n 头部n 裙部n 活塞销副偏置n 活塞环n 气环n 油环n 活塞销活塞组件组成和作用（1）n 活塞n 活塞环n 活塞销活塞组件组成和作用（2）n 作用n 传力活塞、活塞销n 密封活塞环n 传热活塞、活塞环n 导向活塞活塞组件组成和作用n 活塞n 结构n 顶部n 头部n 裙部n 活

3、塞销副偏置n 活塞环n 气环n 油环n 活塞销活塞组件活塞结构（1）n 顶部组成燃烧室；承受气体压力， 实现对外作功n 材料n 高强度铝合金；合金铸铁n 结构n 顶部：平顶；凹顶；凸顶（与燃烧室有形状关）n 头部：安装活塞环，密封、传热、刮油n 裙部：导向、承受侧压力、安装活塞销活塞组件活塞结构（2）气门凹坑 燃烧室凹坑 活塞顶 气环槽 头部 油环槽 裙部活塞销孔汽油机柴油机活塞组件活顶部（1）n 汽油机活塞顶部n 活塞顶部形状与燃烧室形状及压缩比有关活塞组件活塞顶部（2）n 柴油机活塞顶部n 分隔式燃烧室n 直喷式燃烧室预燃室燃烧室涡流室燃烧室活塞组件活塞顶部（3）n 柴油机活塞顶部n 直喷

4、式燃烧室活塞组件活塞头部（1）n 过渡圆角 传热n 应足够大，以减少热流阻 力，便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁，使活塞顶部温度不致于过高。由活塞顶到气缸壁的热流活塞组件活塞头部（2）n 隔热槽n 隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热流，使部分热量由第二、第三活塞环传出，减轻第一道活塞环的热负荷， 防止活塞环粘结热流隔热槽活塞组件活塞头部（3）n 耐热护圈n 增强环槽的耐磨性，或保护燃烧室喉口不致因为过热而开裂。材料为镍铬或高锰奥氏体铸铁。活塞组件活塞头部（4）n 纤维增强合金圆环n 增加活塞的强度； 提高第一道环槽的耐磨性。活塞组件活塞裙部（1）n 导向各种工况 下，与气缸筒间隙要均匀、适宜；

5、n 承受侧向力足够的实际承压面积。n 主推力面、次推力面主推力面次推力面作功进气活塞组件活塞裙部（2）n 变形n 气体力、侧向力n 受热膨胀热膨胀气体力侧向力活塞组件活塞裙部（3）n 变形结果n 活塞销孔轴 方向尺寸增大活塞组件活塞裙部（4）n 设计为椭圆桶形n 裙部截面设计为椭圆形，长轴垂直于活塞销孔轴线。n 裙部热膨胀量上大下小，设计为圆锥形或桶形，以使工作时裙部接近圆柱形。活塞组件活塞裙部（5）n 设计为椭圆桶形n 裙部与气缸 壁之间能形 成双向楔形 油膜，使裙 部有较高的 承载能力和 良好的润滑。长轴方向 活塞销方向活塞组件活塞裙部（6）n 自动热补偿活塞n 普通碳素钢片与铝合金层内侧

6、形成双金属壁，温度升高时双金属壁发生弯曲，而钢片两端的距离基本不变，从而限制了裙部的热膨胀量。这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大（自动热补偿）。n 用的多。活塞组件活塞裙部（7）n 拖鞋式活塞（短活塞）在保证裙部有足够承压面积的条件下，将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉。质量轻，裙部弹性好，避免与曲轴平衡重运动干涉。避免活塞裙部与曲轴平衡重发生运动干涉活塞组件活塞活塞销负偏置n 在许多高速发中，活塞销孔轴线朝主推力面一侧偏离活塞轴线12mm。n 活塞运动到上止点推力面换向时，先摆后靠，减轻敲击。活塞组件活塞冷却（1）n 多数汽油机不安排活塞的专门冷却。n 冷却措施n 自由喷射冷却n 从连杆小

7、头上的喷油孔或从安装在机体上喷油嘴向活塞顶内壁喷射机油活塞组件活塞冷却（2）n 冷却措施n 振荡冷却n 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。活塞组件活塞冷却（3）n 冷却措施n 强制冷却n 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。n 用于增压柴油机。活塞组件n 组作活塞n 结构n 顶部n 头部n 裙部活塞销副偏置n 活塞环n 气环n 油环n 活塞销活塞组件活塞环概述n 气环油环，n 气环：密封、传热n 油环：刮油、布油n 工作条件：高温、高压、高速滑动n 要求：耐磨、弹性好、刚度好n 材料：优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁。

8、第一道环镀铬或喷 钼，其它环镀锡或磷化。油环气环VW FSI汽油机活塞和活塞环活塞组件活塞环气环结构 径向厚度 侧面 内圆面环高外圆面开口端面 开口 侧隙 径向间隙 端隙活塞组件活塞环气环密封（1）n 密封机理气缸套活塞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。 气体压力 活塞 活塞环 活塞组件活塞环气环密封（2）n 密封机理n 由于侧隙、径向间隙和端隙都很小， 气体在通道内的流

9、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%）。活塞组件活塞环气环开口n 直开口：工艺性密封性差；，但n 阶梯开口：密封性好， 但工艺差；n 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 °。活塞组件活塞环气环断面（1）n 断面形状n 矩形环n 锥面环n 正扭曲环（上侧面内切、下侧面外切）n 反扭曲环（下侧面内切）n 梯形环n 桶面环 矩形环 活塞组件活塞环气环断面（2） 锥面环 正扭曲环活塞组件活塞环气环断面（3） 梯形环 桶面环 反扭曲环活塞组件活塞环气环断面（4）n 矩形环n 与缸壁接触面积大，有利散热；n 磨

10、合性差；n 随活塞往复运动时，在环槽内上下窜动，产生泵油作用。活塞活塞气缸气缸泵油作用活塞组件活塞环气环断面（5）n 扭曲环n 断面不对称的气环安装后，弹性内力作用使截面发生扭转，环不能窜动，不会泵油。n 在进气、压缩、排气行程中扭曲，与锥形环类似。n 在作功行程高压作用下，与矩形环相同。 作功 进气、压缩、排气 扭曲环工作活塞组件活塞环气环断面（6）n 梯形环n 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。n 一般用于柴油机活塞第一道环。侧隙活塞组件活塞环油环（1）n 槽孔式n 靠油环的弹力与缸壁贴合刮油。n 上下刮油唇、中间集油槽和回油孔。n 结构

11、简单；加工容易；成本低。活塞组件活塞环油环（2）n 槽孔撑簧式n 撑簧增大了环与气缸壁的接触压力，使环的刮油能力和耐久性有所提高。但成本较高。活塞组件活塞环油环（3）n 钢带组合式n 撑簧不仅使刮片与气缸壁贴紧， 而且还使刮片与环槽侧面贴紧。接触压力加大， 增强了刮油能 力，防止了上窜机油。 轨形撑簧下刮片气缸壁接触面上刮片活塞组件n 组n 活作结构顶部头部裙部活塞销副偏置n 活塞环n 气环n 油环n 活塞销活塞组件活塞销（1）连接活塞和连杆小头；把活塞承受的气体压力传给连杆。高温下周期地承受很大的冲击载荷，润滑条件差。要求有足够的强度和刚度，表 面韧性好；耐磨性好，重量轻。采用低碳钢和低碳合

12、金钢材料。中空圆柱形。全浮式：与连杆小头和活塞上销孔均有相对转动。半浮式：只在活塞销孔内转动。活塞组件活塞销（2） 连杆小头 连杆衬套 活 塞 销 活塞销座 全浮式 半浮式曲柄连杆机n 功组成n 活塞组件n 连杆n 曲轴n 飞轮n 扭转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构连杆概述n 连接活塞与曲轴，传递动力；改变运动方式（往复旋转）。要有足够刚度、强度。n 构造n 小头n 杆身n 大头n 大部分采用优质中碳钢或中碳合金钢连杆构造（1）集油孔 连杆衬套 连杆体连杆衬套连杆螺栓螺母连杆盖大头杆身小头连杆轴承轴瓦连杆构造（2）喷油孔连杆衬套连杆体连杆盖连杆螺栓连杆轴承轴瓦连杆小头（1）n 全浮式活塞

13、销挡圈 连杆衬套连杆小头（2）连杆构造n 半浮式n 无衬套和挡圈n 孔与销过盈压入n 集油孔或喷油孔连杆杆身（n 一般工字型断面n 有的有油道连杆杆身（2）优化设计后的连杆连杆大头（1）n 平切口、斜切口拆卸时从气缸筒取出。n 连杆盖定位n 胀断连杆n 利用涨断后的凹凸不平的断面自然定位斜切口制口定位平切口连杆螺栓定位连杆大头（2）斜切口锯齿定位胀断连杆胀断连杆与普通连杆之比较（Polo 1.4L）连杆V型机用连杆（1）n 并列连杆n 主副连杆n 叉形连杆并列连杆连杆V型机用连杆（2）主副连杆连杆V型机用连杆（3）叉形连杆内连杆叉形连杆曲柄连杆机构n 功组n 活塞组件连杆n 曲轴n 飞轮n 扭

14、转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构曲轴n 功用和材料n 基本构造n 平衡重n 曲拐布置与发火顺序n 密封与定位曲轴功用和材料n 功用n 将连杆传来的力转变成转矩，并传给传动系，对外输出；驱动气门机构；驱动其它辅助装置。n 材料n 中碳钢或中碳合金钢；球墨铸铁。曲轴功用和材料n 基本构造n 平衡重n 曲拐布置与发火顺序n 密封与定位曲轴基本构造（1）主轴颈n 前端、后端n 主轴颈、曲柄销、曲柄、曲拐、平衡重n 油道和油孔平衡重曲轴前端单元曲拐曲柄销曲轴后端曲柄臂曲轴基本构造（2）n 全支撑n 半支撑半支撑全支撑曲轴基本构造（3）n 整体式n 组合式 整体式：V6-90°DI柴油机

15、淬火钢42CrMoS4，锻造 曲轴基本构造（4） 整体式：铸造，直列四缸汽油机曲轴基本构造（5）Sulzer Super Longstroke- longitudinal coolant flow- turbocharged- s = 2.4 m, d = 0.84 m- V= 1.33 m³H- P rated = 3820 kW/Cyl.- n rated= 100 rpm(rated speed)曲轴基本构造（6）结构复杂，拆装不便组合式便于制造，易于更换；曲轴基本构造（7）n 润滑油道 机油从主轴颈通过油道到曲柄销 油孔曲轴基本构造（8）曲轴基本构造（9）曲轴n 功材料基本构

16、造n 平衡重n 曲拐布置与发火顺序n 密封与定位曲轴平衡重（1）n 曲柄连杆机构产生旋转惯性力n 不平衡n 已经平衡n 平衡重用于平衡旋转惯性力n 平衡重用于减小曲轴和机体的内力，减小主轴承载荷FrFrMr1-2Mr3-4FrFr曲轴平衡重（2）曲轴平衡重（3）曲轴平衡重（4）n 直列四缸、六缸机旋转惯性力已经平衡四冲程六缸机，四冲程四缸机曲轴n 功材基本构造n 平衡重n 曲拐布置与发火顺序n 密封与定位曲轴曲拐布置与发火顺序（1）曲布置取缸缸排列发火顺序于确定发火顺序依次作功的两个气缸相距尽可能的远，以减轻主轴承载荷和避免进气干涉。各气缸发火的间隔时间应相同（发火均匀），间隔角 = 720

17、/ i （i为气缸数）V型发动机左右两列气缸应交替发火曲轴曲拐布置与发火顺序（2）直列四缸发火顺序13421243曲轴曲拐布置与发火顺序（3）13421243嗽嗽嗽嗽嗽嗽第 1 缸2340180作功压缩排气进气180360排气作功进气压缩360540进气排气压缩作功540720压缩进气作功排气第缸2340180作功排气压缩进气180360排气进气作功压缩360 40进气压缩排气作功540720压缩作功进气排气曲轴曲拐布置与发火顺序（4）直列六缸发火顺序153624曲轴曲拐布置与发火顺序（5）直列六缸发火顺序142635曲轴曲拐布置与发火顺序（6）123456060作功排气压进153601806

18、0120压缩排气缩气120180进气作功180240排气压180360240300作功进缩300360压缩排气气360420进气作功360540420480排气压缩2480540作功进气540600压缩排气4540720600660进气作功660720嗽嗽嗽嗽嗽曲轴曲拐布置与发火顺序（7）n V型机曲轴n 并列连杆n 错颈 L3 L1 L2 1 R3 R2 R1 3 2 V6-90°并列连杆交替式发火顺序 L1R1L2R2L3R3 发火间隔 90°，150°不均匀曲轴曲拐布置与发火顺序（8） 1 L4 L3 L2 R4 L1 3 2 R3 R2 90°

19、R1 4 V8-90°并列连杆填补式发火L1-R1-L4-R4-R2-L3-R3-L2发火间隔 90°，均匀曲轴曲拐布置与发火顺序（9） L1 R1 R2 L3 L2 R3V6-90°错颈30°交替式发火顺序 L1R1L2R2L3R3 发火间隔 120°均匀曲轴n 功材基本构造n 平衡重n 曲拐布置与发火顺序n 密封与定位曲轴在缸体上的密封与定位（1）n 前、后端密封n 定位 油封主轴承盖甩油盘 曲轴前端曲轴在缸体上的密封与定位（2）挡油盘油封座 油封密封圈密封圈座曲轴后端回油螺纹曲轴后端曲轴后端密封曲轴后端密封圈及座挡油凸缘曲轴在缸体上的密封

20、与定位（2）曲轴需轴向定位，某一主轴颈用定位片飞轮（1）n 功用n 储存能量，帮助曲柄连杆机构越过止点，完成辅助行程；n 克服暂时超负荷,使曲轴旋转均匀；n 其它用途（组成离合器，起动）n 工作要求n 和曲轴一起高速旋转，动平衡和静平衡。飞轮（2）n 材料n 铸铁或钢（冲压）n 结构转动惯量较大的圆盘，用螺栓与曲轴后端固定（有圆周方向定位：定位销、不等距螺栓）.飞轮轮缘上镶有齿圈，齿圈可以与起动机主动轮啮合。曲柄连杆机构与组成n 功n 活塞组件连杆n 曲轴n 飞轮n 扭转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构扭转减振器（1）n 扭转振动n 发动机工作时，各缸曲柄连杆机构产生的转矩周期性变化，导致

21、各曲拐相对扭转。n 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。对发动机有害。n 扭转减振器n 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。n 三种：橡胶扭转减振器、硅油扭转减振器、硅油橡胶扭转减振器扭转减振器（2）惯性质量惯性质量橡胶皮带轮带轮毂惯性质量皮带轮 橡胶扭转减振器紧固螺栓减振器壳体减振器壳体硫化橡胶硫化橡胶硫化橡胶减振器壳体扭转减振器（3）橡胶扭转减振器结构简单，工作可靠，成本低；阻尼作用小，橡胶易老化。大功率发动机少用。BENZ I5汽油机扭转减振器（4）Cadillac V8汽油机扭转减振器（5）侧盖惯性质量衬套注油螺塞硅油扭转减振器

22、减振器壳体与惯性环之间油封闭腔，其中充满粘度很大的硅油。工作时，惯性环近乎匀速转动，与减振器壳体产生相对转动，扭振能量被硅油内摩擦阻尼吸收。减振效果好，尺寸大。减振器壳体扭转减振器（6）橡胶环注油螺塞惯性质量橡胶环硅油橡胶扭转减振器集橡胶减振器和硅油减振器的优点。体积小，质量轻， 减振性能稳定。减振器壳体曲柄连杆机构n 功组n 活塞组件连杆n 曲轴n 飞轮扭转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构轴瓦（1） 钢背n 滑动轴承n 连杆轴承、主轴承（轴瓦）、连杆衬套，曲轴止推轴承n 结构n 薄壁钢背减摩合金层（巴氏合金、铜基合金或铝基合金）软镀层软镀层结合面减摩合金层轴瓦（2）n 分上下两半，自由状态时两结合面外端距离大于轴承孔直径。n 有定位唇，装配时定位于轴承孔定位槽。n 为润滑的需要，有环形油槽和油孔。布油槽环形油槽油孔定位唇轴瓦（3）n 止推轴承n 多用半圆形止推片；n 上下各两 片，装在机体和主轴承盖的浅槽 中，有定位防止转动。存油坑定位舌 钢背减摩合金层 止推轴承环曲柄连杆机构n 功组活塞组件连杆n 曲轴n 飞轮扭转减振器n 轴瓦n 往复惯性力平衡机构往