3第二章 机体组与曲柄连杆机构.ppt

1、第一节 概述 第二节 机体组 第三节 曲柄连杆机构,第二章 机体组与曲柄连杆机构,1.机体组及曲柄连杆机构的组成 机体组主要包括气缸体、曲轴箱、气缸盖气缸套、气缸衬垫、油底壳等机件。 活塞连杆组主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等机件。 曲轴飞轮组主要包括曲轴、飞轮、扭转减振器等机件。,第一节 概述,2.曲柄连杆机构的受力 气体作用力Fg 、往复惯性力Fj 、旋转惯性力Fk 、相对运动件接触表面的摩擦力Fu以及外界阻力等。 活塞总作用力F:F= Fg+ Fj+ Fu，F在活塞销中心分解为侧向力FN和连杆力FS， FS又可分解为FR和FT，FR使曲轴主轴颈处受压，FT为周向产生转矩的力。 作功行

2、程:侧压力FN向 左，活塞的左侧面压向气 缸壁，左侧磨损严重。 压缩行程:侧压力FN向 右，活塞的右侧面压向气 缸壁，右侧侧磨损严重。,往复惯性力Fj：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，惯性力为零.,旋转惯性力FK：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。,摩擦力Fu ：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.,第二节 机体组,机体组组成：机体、气缸盖、气缸

3、盖罩、气缸衬垫、主轴承盖及油底壳等零件。,机体,1、组成:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成 一体，称为机体，也称气缸体-曲轴箱。,（1）根据气缸的排列形式,2、机体构造,直列式 V型 对置式,根据气缸的结构形式,根据冷却方式不同分,散热片,冷却液,按曲轴箱结构形式不同分为,气缸盖、气缸垫,功用:密封气缸上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室 材料:灰铸铁或合金铸铁，铝合金。 工作条件:接触高燃气，承受的热负荷很大。 气体力和气缸盖螺栓的机械负荷 工作要求:密封良好、不能变形、足够强度和刚度、良 好的冷却。,1.气缸盖（汽油机多为整体式；柴油机多为分开式）,气缸盖上有冷却水套、燃烧室、进排气门道、

4、气门导管孔和进排气门座、火花塞安装孔（汽油机）或喷油器安装孔。,水冷发动机的气缸盖有整体式、分块式和单体式3种结构形式。在多缸发动机中，全部气缸共用一个气缸盖的，则称该气缸盖为整体式气缸盖；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。,汽油机燃烧室,气缸垫功用:安装在气缸盖和气缸体间，保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。 气缸垫工作条件：缸盖螺栓压力；气体高温、高压；冷却液腐蚀。 气缸垫材料要求：有弹性（补偿结合面的不平度以确保密封）、耐热性、耐压性、耐腐蚀。,2、气缸垫,油底壳,1.功用:贮存机油并封闭曲轴箱，

5、又称为下曲轴箱。 2.使用特点:曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫，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。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。 3.材料:薄钢板冲压或铝铸造,第三节 曲柄连杆机构,曲柄连杆机构的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。,曲柄连杆机构组成活塞组、连杆组、曲轴飞轮组,曲柄连杆机构的工作条件气体压力、惯性力、离心 力、摩擦力、汽车行驶中产生的冲击力。,1、功用:承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋 转。与缸盖、气缸

6、体组成燃烧室。 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；线速度高达到10m/s，承受很大的惯性力。活塞顶部承受最高可达3-5MPa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，热膨胀系数大。,一、活塞组 （一）活塞,4 、活塞结构,顶部:构成燃烧室，承受气体压力。 头部:安装活塞环，制作较厚。 裙部:导向，传力,承受侧压力，销座孔处有加强筋。,销座,结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布均匀，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。,凹坑形状、位置必须

7、有利于可燃混合气的燃烧；提高压缩比，防止碰气门,（1）活塞顶部 功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力.,（2）活塞头部 位置:活塞顶与油环槽下端面之间的部分。有数道环槽，用以安装活塞环，起密封作用，又称为防漏部.,作用： 安装活塞环、与活塞环一起密封气缸、 防止可燃混合气漏到曲轴箱内， 将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。,（3）活塞裙部 1）位置:油环槽下端面至活塞最下端的部分。 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。,所谓侧压力是指在压缩行程和作功行程中，作用在活塞顶部的气体压力的水平分力使活塞压向气缸壁。活塞裙部承受侧压力的两个侧面称为推

8、力面，它们处于与活塞销轴线相垂直的方向上。压缩行程和作功行程的气体侧压力方向相反。,3)活塞裙部结构特点(措施) 变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。,变形规律： 因活塞温度高于气缸 壁，且铝合金的膨胀系 数大于铸铁；活塞的热 膨胀量大于气缸的膨胀 量，使配缸间隙变小。 因温度上高下低，壁 厚上厚下薄；活塞自上 而下膨胀量由大而小。 因销座处金属量多而,膨胀量大，以及侧压力作用的结果。裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方向。,预先做成椭圆形为了使裙部两侧承受气体压力并与气缸保持小而安全的间隙，要求活塞在工作时具有正确的圆柱形。但由于：活塞裙部的厚度很不均匀，活塞销座孔部分的金属厚，受热膨

9、胀量大，沿活塞销座轴线方向的变形量大于其他方向。裙部承受气体侧压力的作用，导致沿活塞销轴向变形量较垂直活塞销方向大。如果活塞冷态时裙部为圆形，那么工作时活塞就会变成一个椭圆，使活塞与气缸之间圆周间隙不相等，造成活塞在气缸内卡住，发动机就无法正常工作。因此，在加工时预先把活塞裙部做成椭圆形状。椭圆的长轴方向与销座垂直，短轴方向沿销座方向。这样活塞工作 时趋近正圆。,预先做成阶梯形、锥形 活塞沿高度方向的温度很不均匀，活塞的温度是上部高、下部低，膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等，即为圆柱形，就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形、锥形。,活塞裙部开槽,拖板式活塞或短活塞

10、 有些活塞为了减轻重量，在裙部开孔或把裙部不受侧压力的两边切去一部分，以减小惯性力，减小销座附近的热变形量，形成拖板式活塞或短活塞。 拖板式结构裙部弹性好，质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速发动机。,双金属活塞 为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。 恒范钢片式活塞的结构特点：恒范钢为含镍33%-36%的低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。 膨胀系数小的低碳钢片贴在销座铝层的内侧，依靠钢片的牵制作用，及钢片与铝壳之间的双金属效应来减小裙部侧压力方向的膨胀量.,活塞销偏置在安装活塞销

11、时，使活塞销向作功行程中受主侧压力的一方偏移12mm，活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面，以减少换向时的敲击声，且使裙部减小磨损. 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。,(二)活塞环,1、结构分类:是具有弹性的开口环，分为气环和油环。 2、工作条件:高温

12、、高压、高速、极难润滑。 3、材 料:合金铸铁或球墨铸铁,有时表面涂有保护层. 柴油机压缩比高，一般有四道环槽，上部三道安装气环，下部安装油环。汽油机一般有三道环槽，其中有 两道气环槽和一道油环槽。,4、活塞环的间隙 (1)端隙1:又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为0.25mm-0.50mm；端隙过小，活塞环易卡死，从而加速缸壁的磨损，甚至使环折断或刮伤缸壁；端隙过大，易漏气和上窜机油。 (2)侧隙2:又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道0.04mm-0.10mm；其它气环0.03mm-0.07mm。油环一般侧隙较小，0.025mm-0.07mm；侧隙过小，活塞环会

13、因受热膨胀而卡死在环槽中，使环失去弹性，不起密封与刮油作用；侧隙过大，密封性不好，环与环槽撞击严重而加速磨损，对于气环还会加剧“泵油作用”,1,(3)背隙3:又称径向间隙，是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙，0.5mm-1mm。,1,气环,5 、气环 (1)气环作用: 密封:防止气缸内的气体窜入油底壳； 传热:将活塞头部的热量传给气缸壁； 辅助刮油、布油。,端隙,(2)气环的密封原理 气环有切口使其具有弹性,在自由状态下其外径大于缸径，它与活塞一起装入气缸后，外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，被封闭的气体不能通过环周与气缸之间，便进入环与环槽间的侧隙和背隙，一方面通过侧隙把环压

14、到上侧或下侧环槽端面形成第二密封面，同时作用在背隙的气体压力又大大加强了第一密封面的密封作用。“开口错开”,(3)气环的泵油原理、原因、危害及采取的措施 原理：活塞下行时，由于 环与气缸壁的摩擦阻力及环 的惯性，环被压靠在环槽的 上端面上，气缸壁面上的油 被刮入下边隙和内边隙； 活塞上行时，环又被压 靠在环槽的下端面。结果第 一道环背隙里的机油就进入 燃烧室，,活塞环泵油的原因： 存在侧隙和背隙； 环运动时在环槽中靠上靠下。 活塞环泵油危害： 增加了润滑油的消耗； 火花塞沾油不跳火； 燃烧室积炭增多，燃烧性能变坏； 环槽内形成积炭，挤压活塞环而失去密封性； 加剧了气缸的磨损。 措施： 采用扭曲

15、环； 采用组合式油环； 油环下设减压腔,气环开口形状： 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,气环的断面形状：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。常见的气环断面形状,(4)气环断面形状,矩形环：结构简单，与缸壁接触面积大， 散热好，但易泵油。 锥形环 特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行 有刮油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。 安装注意： 锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）,安装时 不

16、能装反，否则会引起机油上窜。 锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上。 扭曲环：将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶 或倒角而成。 扭曲原理：当活塞环装入气缸后，环受到压缩产 生弯曲变形，断面中性层以外产生拉应力、中性层 以内产生压应力，矩形环由于中性层内外断面不对 称，使F和F不在同一平面内，从而形成力偶M，在 力偶的作用下，活塞环发生微量的扭曲变形。,特点 具有锥形环的特点,减小了泵油作用 作功行程环不再扭曲，两个密封面 达到完全接触，利于散热。 安装:内上切扭曲环装入第一道环槽，外下切扭曲环装 入第二、三道环槽。注意断面形状和方向,内切 口朝上，外切口朝下，不能装反。 桶形环:环的外圆面为

17、凸圆弧形； 特点: 环面与缸壁圆弧接触避免了棱角负荷 环上下运动时，均能形成楔形油膜。 梯形环：当活塞在侧压力作用下左、右换向 时，环的侧隙和背隙将不断变化，使胶状油焦 不断从环槽中被挤出。梯形环用于热负荷较大 的柴油机的第一道环。,6 、油环,（1）油环类型：油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢带组合式3种类 型。 （2）槽孔式油环。 因为油环的内圆面基本上没有气体力的作用，所以槽孔式油环的刮油能力主要靠油环自身的弹力。为了减小环与气缸壁的接触面积，增大接触压力，在环的外圆面上加工出环形集油槽，形成上下两道刮油唇，在集油槽底加工有回油孔。由上下刮油唇刮下来的机油经回油孔和活塞上的回油孔流回油底壳。这

18、种油环结构简单，加工容易，成本低。,（3）槽孔撑簧式油环。 在槽孔式油环的内圆面加装撑簧即为槽孔撑簧式油环。一般作为油环撑簧的有螺旋弹簧、板形弹簧和轨形弹簧三种。这种油环由于增大了环与气缸壁的接触压力，而使环的刮油能力和耐久性有所提高。,（4）钢带组合油环。 其结构形式很多， 钢带组合油环由上、下刮片和轨形撑簧组合而成。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。这种组合油环的优点是接触压力大，既可增强刮油能力，又能防止上窜机油。另外，上下刮片能单独动作，因此对气缸失圆和活塞变形的适应能力强。但钢带组合油环需用优质钢制造，成本高。,油环的刮油和布油作用 油环下行时刮除气缸壁上多余的

19、机油，上行时在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜。这样既可以防止机油窜入气缸燃烧掉，又可以减少活塞、活塞环与气缸壁的摩擦阻力，此外，油环还能起到封气的辅助作用。,油环的刮油作用,（三）活塞销 1.作用:连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力 传递给连杆。 2.材料与工艺:优质低碳钢或低碳合金钢，表面淬火精磨。 3.工作条件:活塞销在高温下周期地承受很大的冲击载， 在润滑条件很差的情况下工作，其本身又作摆转运动。因此要求活塞销具有足够的强度和刚度，表面韧性好，耐磨性好，重量轻，所以活塞销一般都做成厚壁管状体。 4.构造：活塞销的内孔形状有圆柱形、两段截锥形、两段截锥与一段圆柱的组合形三种。,全浮式

20、定义：在正常发动机温度下活塞销在连杆小头孔和塞销座孔中都能转动磨损均匀。 装配：冷装时采用分组选配法，销与销座孔为过渡配合，热装合时将活塞放入热水或热油中加热后，迅速将销装入。,半浮式 定义：活塞销中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，销座孔处浮动，活塞销只能在两端销座内作自由摆动，多用于小轿车。 装配：加热连杆小头后将销装入，冷态时为过盈配合。,5.形式,二、连杆组 （一）连杆 作用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给 曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。材料：大多采用中碳钢或合金钢锻造，少数球墨铸铁。 组成:小头:安装活塞销，连接活塞,（全浮式有油沟） 杆身:常做成“工”字形断面。

21、 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。,1.连杆大头 切口形式:有平切口(汽油机)和斜切口(柴油机)两种，斜切口（30-60一般45 ）,定位方式 连杆螺栓定位：靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓孔 的配合来定位。其定位精度较差，用于切口连杆。 锯齿形定位：依靠接合面的齿形定位。套或销定位：依靠套或销与连杆体（或盖）的孔紧 配合定位。止口定位,连杆轴瓦,V型发动机连杆的布置形式,并列式,主副式,叉型式,三、曲轴飞轮组,（一）、曲轴飞轮组的组成,起动爪,正时齿轮,主轴瓦,皮带轮,扭转减振器,飞轮,曲轴,（二）曲轴,1、功用：把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输

22、出。还用来驱动发动机的配气机构及其他各种辅助装置。 2、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。,3、结构：,前端轴,连杆轴颈,主轴颈,后端轴,平衡重,曲拐,曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄及主轴颈构成。 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。,曲柄,4、组成：由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。,（1）主轴颈,曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个。强度、 刚度好，减小了磨损；柴油机和大部分汽油 机均采用。,全支承： 非全支承：,曲轴的主轴颈数少于或等于气缸数。载荷较大，缩短了曲轴的总长度。,用于支撑曲轴。,（2）连杆

23、轴颈（与缸数同）,中空连杆轴径,（3）曲柄,曲轴臂，用于连接主轴颈和连杆轴颈,（4）平衡块,平衡重,曲柄,（5）前端轴和后端轴,前端轴：安装正时齿轮及附件（皮带盘等）,曲轴向前移动，后止推轴承与曲轴臂端面摩擦；轴向后移动，前止推轴承与正时齿轮端面摩擦。,后端轴：安装飞轮,前后端轴都设有防漏装置：,挡油盘、回油螺纹、油封等。,曲轴后端,回油螺纹,（6）曲轴的轴向限位,通常是通过在曲轴的前部、中部或后部安装止推轴承来实现的（翻边轴瓦）。,主轴颈,止推垫片,止推垫片,连杆轴颈,主轴承盖,（三）曲拐的布置,1） 各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。 2） 连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在

24、发动机的前半部和后半部交替进行。 比如：四缸机：1-3-4-2或1-2-4-3 六缸机：1-5-3-6-2-4； 3） V型发动机左右气缸尽量交替作功。 4） 曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。,1、一般规律,2 、常见曲轴曲拐的布置,对缸数为i的发动机而言，其发火顺序错开的曲轴转角为： 四行程：720/i 二行程：360/i,（1） 四缸四行程发动机的发火顺序和曲拐布置,点火顺序：各缸完成同名行程的次序。,功,功,功,功,1 3 4 2,四缸四行程发动机的曲拐布置,（2）直列四冲程六缸发动机发火顺序和曲拐布置,压,进,压,压,压,排,压,排,发火顺序：1-5-3-6-2-4,功,功,功,功,功,功,排,六缸四行程发动机的曲拐布置,八缸四行程发动机的曲拐布置,R1-L1- R4-L4-L2- R3-L3- R2,（四）曲轴扭转减振器,作用：吸收曲轴扭转振动的能量，使曲轴转 动平稳，可靠工作。,种类：橡胶式（车用），硅油式，摩擦片式。,皮带盘,惯性盘,橡胶垫,减振器圆盘,皮带轮毂,曲轴前端,当曲轴发生扭转振动时，力图保持等速转动的惯性盘便与橡胶层发生了内摩擦，从而消耗了扭转振动的