曲柄连杆结构

1、第二章第二章 机体组与曲柄连杆机构机体组与曲柄连杆机构概述概述机体组机体组活塞连杆组活塞连杆组曲轴飞轮组曲轴飞轮组2.1 概述概述一、曲柄连杆机构功用：一、曲柄连杆机构功用：将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复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。运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。二、组成：二、组成：1.1.机体组机体组( (气缸体气缸体) cylinder block ) cylinder block 2.2.活塞连杆组活塞连杆组piston, connecting rod pis

2、ton, connecting rod 3.3.曲轴飞轮组曲轴飞轮组crankshaft, flywheelcrankshaft, flywheel2.2 机体组机体组机体组组成：机体组组成：曲轴箱曲轴箱Crankcase气缸体气缸体Cylinder block气缸垫气缸垫Cylinder head gasket气缸盖气缸盖Cylinder head气缸套气缸套Cylinderliner油道和水道油道和水道Oil water conduit油底壳油底壳Oil sump气缸盖罩气缸盖罩Cylinder head cover一、气缸体：一、气缸体：1.1.气缸体气缸体: :Cylinder Cyl

3、inder blockblock是发动机的主是发动机的主体，用以安装体，用以安装曲柄连杆机构曲柄连杆机构和其他附件。和其他附件。2.2.气缸体的分类：气缸体的分类：名称名称性能性能应用应用 一般式一般式（平分式）（平分式）机体高度小、重量机体高度小、重量轻、结构紧凑，便轻、结构紧凑，便于加工拆卸。刚度于加工拆卸。刚度和强度差。和强度差。492Q492Q汽油汽油机，机，9090系系列柴油机。列柴油机。龙门式龙门式强度和刚度较好。强度和刚度较好。工艺性差、结构笨工艺性差、结构笨重、加工困难。重、加工困难。捷达轿车、捷达轿车、富康轿车、富康轿车、桑塔纳轿桑塔纳轿车车隧道式隧道式结构紧凑、刚度和结构紧

4、凑、刚度和强度好。难加工、强度好。难加工、工艺性差、曲轴拆工艺性差、曲轴拆卸不方便。卸不方便。负荷较大负荷较大的柴油机的柴油机上上 。油底壳安装平油底壳安装平面和曲轴旋转面和曲轴旋转中心在同一高中心在同一高度。度。油底壳安装油底壳安装平面低于曲平面低于曲轴的旋转中轴的旋转中心。心。气缸体上曲气缸体上曲轴的主轴承轴的主轴承孔为整体式。孔为整体式。（1 1）按气缸体与）按气缸体与油底壳安装平面位油底壳安装平面位置不同分为置不同分为 （2）根据冷却方式不同）根据冷却方式不同A.水冷水冷B.风冷风冷（3）根据气缸的排列方式）根据气缸的排列方式结构简单、加工结构简单、加工容易，但发动机容易，但发动机长度

5、和高度较大。长度和高度较大。缩短了机体的长度和高缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻度，增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状了发动机的重量；形状复杂，加工困难。复杂，加工困难。高度小，总体布置方便对置气缸式发动机对置气缸式发动机（4）整体式气缸体和镶嵌式气缸体。）整体式气缸体和镶嵌式气缸体。A.整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。B.镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内。镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内。类型类型构造构造性能及应用性能及应用整体式整体式气缸直接镗在气缸气缸直接镗在气缸体上体上强度和刚度好，能强度和刚度好，能承受大负荷。成本承受大负荷。成本

6、高。高。镶嵌式镶嵌式用耐磨优质材料制用耐磨优质材料制成气缸套，再装到成气缸套，再装到一般材料制成的气一般材料制成的气缸体内。缸体内。降低了制造成本，降低了制造成本，便于修理和更换气便于修理和更换气缸套，延长了气缸缸套，延长了气缸体的使用寿命。体的使用寿命。（5）干式和湿式：）干式和湿式：名称名称特点特点示意图示意图干缸套干缸套外壁外壁不直接不直接与冷与冷却水接触。壁厚却水接触。壁厚13mm。湿缸套湿缸套外壁外壁直接直接与冷却与冷却水接触。壁厚水接触。壁厚59mm。强度和刚度强度和刚度都较好，加都较好，加工复杂，拆工复杂，拆装不便，散装不便，散热不良。热不良。散热良好、散热良好、冷却均匀、冷却均

7、匀、加工容易。加工容易。强度和刚度强度和刚度不如干缸套，不如干缸套，易漏水。易漏水。三、气缸盖、气缸垫和气缸盖罩：三、气缸盖、气缸垫和气缸盖罩：气缸垫气缸垫气缸盖气缸盖气缸盖罩气缸盖罩气缸盖罩衬垫气缸盖罩衬垫安装火花塞安装火花塞功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。烧室。工作条件：因接触高温燃气，故承受的热负荷很大。工作条件：因接触高温燃气，故承受的热负荷很大。材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。气缸盖气缸盖气缸垫气缸垫 功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气缸盖功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气缸盖与

8、气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。材料：金属材料：金属-石棉垫、纯金属垫。石棉垫、纯金属垫。安装时注意方向。安装时注意方向。气缸盖螺栓：气缸盖螺栓： 保证气缸盖与气缸体密封。保证气缸盖与气缸体密封。 在机构允许的前提下，缸盖螺栓数应尽可能多一在机构允许的前提下，缸盖螺栓数应尽可能多一些，螺栓直径适当小一些。些，螺栓直径适当小一些。 为保证缸盖与缸体结合面的均匀压紧，在拧紧缸为保证缸盖与缸体结合面的均匀压紧，在拧紧缸盖螺栓时，应由中间对称的向四周多次交叉进行。盖螺栓时，应由中间对称的向四周多次交叉进行。三、油底壳：三、油底壳：1.1.概念：气缸

9、体下部用来安装曲轴的部分。概念：气缸体下部用来安装曲轴的部分。2.2.作用：贮存机油并封闭曲轴箱。作用：贮存机油并封闭曲轴箱。3.3.材料：薄钢板冲压材料：薄钢板冲压桑塔纳发动机油底壳桑塔纳发动机油底壳2.3 活塞连杆组活塞连杆组piston, connecting rod气环气环compression ring油环油环oil scraper ring活塞销活塞销piston pin活塞活塞piston连杆连杆connecting rod连杆螺栓连杆螺栓connecting rod bolt连杆轴瓦连杆轴瓦connecting rod halfshell连杆盖连杆盖connecting rod

10、 cap一、活塞：一、活塞：1.1.功用：功用：承受气体压力并通过活塞销和承受气体压力并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转；活塞与气缸盖、气连杆驱使曲轴旋转；活塞与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室，密封气缸，防止缸壁共同组成燃烧室，密封气缸，防止燃气漏入曲轴箱和机油进入气缸。燃气漏入曲轴箱和机油进入气缸。2.2.工作环境：工作环境：活塞顶部直接与高温燃气活塞顶部直接与高温燃气挖接触，活塞受周期性变化的气体压力挖接触，活塞受周期性变化的气体压力和惯性力的作用且散热及润滑条件差。和惯性力的作用且散热及润滑条件差。3.3.要求：要求：（1 1）足够的强度和刚度，特别是活塞环槽区）足够的强度和刚度，特别是活塞环

11、槽区域要求有较大的强度，以免活塞被击碎。域要求有较大的强度，以免活塞被击碎。（2 2）较小的质量，以保持较小的惯性力。）较小的质量，以保持较小的惯性力。（3 3）耐热的活塞顶及弹性的活塞裙。）耐热的活塞顶及弹性的活塞裙。（4 4）良好的导热性和合理的热膨胀性，以便）良好的导热性和合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。有合理的安装间隙。（5 5）活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数。）活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数。4.4.材料：材料：（1 1）铝硅合金：质量小）铝硅合金：质量小 导热性好；导热性好； （2 2）灰铸铁）灰铸铁5.5.结构：结构：分为活塞顶部、头部和裙部三部分。分为活塞顶部、头部和裙部

12、三部分。Piston topPiston headPiston skirt（1）活塞顶部）活塞顶部:是燃烧室的组成部分，主要作用承受气是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。体压力。活塞顶分类活塞顶分类形状形状示意图示意图平顶平顶凸顶凸顶凹顶凹顶结构简单、制造容结构简单、制造容易、受热面积小、易、受热面积小、应力分布较均匀，应力分布较均匀，多用在汽油机上多用在汽油机上。凸起呈球状、顶部凸起呈球状、顶部强度高，起导向作强度高，起导向作用、有利于改善换用、有利于改善换气过程。气过程。凹坑的形状、位置必凹坑的形状、位置必须有利于可燃混合气须有利于可燃混合气的燃烧；提高压缩比，的燃烧；提高压缩比，防

13、止碰气门。防止碰气门。（2）活塞头部：由活塞顶至最下面一道活塞环槽之间）活塞头部：由活塞顶至最下面一道活塞环槽之间的部分。的部分。气环槽气环槽油环槽油环槽工作条件工作条件最恶劣，最恶劣，应离顶部应离顶部远些。远些。1.承受气体作用力，并通过活塞销传给连杆。承受气体作用力，并通过活塞销传给连杆。2.安装活塞环，并与活塞环共同起密封作用。安装活塞环，并与活塞环共同起密封作用。3.将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。作用：作用：活塞活塞销孔 活塞头部一般做得较厚，从活塞顶到环槽区的断面变化要活塞头部一般做得较厚，从活塞顶到环槽区的断面变化要尽可能圆滑，过渡圆角

14、尽可能圆滑，过渡圆角R R应足够大。应足够大。 有的发动机活塞在第一道环槽上面车出较环槽窄的隔热槽有的发动机活塞在第一道环槽上面车出较环槽窄的隔热槽。为了保护和为了保护和加强活塞环加强活塞环槽可在铝合槽可在铝合金活塞环槽金活塞环槽部位铸入由部位铸入由耐热合金钢耐热合金钢制造的环槽制造的环槽护圈。护圈。（3 3）活塞裙部：从油环槽下端面起至活塞最下端的部）活塞裙部：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。分，包括销座孔。作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，防止破坏油膜。侧压力，防止破坏油膜。为使活塞在各种工况下均能与气缸

15、壁间保持合理的为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密封和运动间隙，制造活塞时通常采取下列措施：密封和运动间隙，制造活塞时通常采取下列措施：A .A .沿活塞裙部高度方向上制成近似的圆锥形。沿活塞裙部高度方向上制成近似的圆锥形。B .B .将活塞裙部制成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于销将活塞裙部制成椭圆形，椭圆的长轴在垂直于销座孔轴线的方向上。座孔轴线的方向上。C .C .活塞裙部开绝热槽和膨胀槽。活塞裙部开绝热槽和膨胀槽。D .D .采用双金属活塞。采用双金属活塞。其他保护措施：其他保护措施：在活塞裙部表面涂以保护层，可以改善铝合金活塞的磨在活塞裙部表面涂以保护层，可以改善铝合金活塞的磨合

16、性：主要有铅保护层、锡保护层、石墨保护层、磷化合性：主要有铅保护层、锡保护层、石墨保护层、磷化保护层等。保护层等。（二）活塞环（二）活塞环1.1.是具有弹性的开口环，分为气环和油环。是具有弹性的开口环，分为气环和油环。2.2.工作条件：工作条件：高温、高压、高速、极难润滑。高温、高压、高速、极难润滑。3.3.平均寿命：平均寿命：6 6万公里万公里（1 1）气环）气环 作用：保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并把作用：保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，再由冷却水活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，再由冷却水将其带走。将其带走。切口切口气环气环气环的泵油

17、作用气环的泵油作用气环的泵油作用演示气环的泵油作用演示气环断面形状：气环断面形状：形状形状特点特点示意图示意图矩形环矩形环 结构简单、制造方便、易于生产、应结构简单、制造方便、易于生产、应用面广用面广扭曲环扭曲环断面不对称，受力不平衡，使活塞环断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲扭曲锥面环锥面环减少了环与气缸壁的接触面，提高了减少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。表面接触压力，有利于磨合和密封。梯形环梯形环 加工困难，精度要求高加工困难，精度要求高桶面环桶面环 外圆为凸圆弧形外圆为凸圆弧形（2）油环）油环种类种类普通油环普通油环组合式油环组合式油环示意图示意图刮油片轴

18、向衬环径向衬环刮油片油环的刮油作用油环的刮油作用（三）活塞销（三）活塞销 1.作用：连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的作用：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。气体压力传递给连杆。2.2.构造：构造： 活塞销的内孔形状有圆柱形，两段截活塞销的内孔形状有圆柱形，两段截锥形，以及两段截锥与一段圆柱的组合形。锥形，以及两段截锥与一段圆柱的组合形。活塞销的连接方式活塞销的连接方式连杆活塞销全浮式半浮式（四）连杆（四）连杆 作用：连接作用：连接活塞活塞与与曲轴曲轴，并把活塞承受的气体压力传，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的给曲轴，使活塞的往复往复运动变成曲轴的运动变成曲轴的旋转

19、旋转运动。运动。连杆组件分解图连杆组件分解图V型发动机连杆的布置形式型发动机连杆的布置形式并列式并列式主副式主副式叉式叉式连杆轴瓦连杆轴瓦定位凸键定位凸键油槽润滑油槽润滑减磨合金层减磨合金层连杆大头的连接形式连杆大头的连接形式平分式平分式斜分式斜分式2.4 曲轴飞轮组曲轴飞轮组crankshaft, fly wheel一、曲轴飞轮组的组成一、曲轴飞轮组的组成起动爪起动爪正时齿轮正时齿轮主轴瓦主轴瓦皮带轮皮带轮扭转减振器扭转减振器飞轮飞轮飞轮螺栓飞轮螺栓曲轴曲轴二、曲轴二、曲轴crankshaft1.1.功用：把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对功用：把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输

20、出。还用来驱动发动机的配气机构及其他各种外输出。还用来驱动发动机的配气机构及其他各种辅助装置。辅助装置。2.2.工作条件：受气体压力、惯性力、惯性力矩。承受工作条件：受气体压力、惯性力、惯性力矩。承受交变载荷的冲击。交变载荷的冲击。 3.结构：结构：曲轴前端曲轴前端Crankshaft front end连杆轴颈连杆轴颈Crank pin主轴颈主轴颈Main journal曲轴后端曲轴后端Crankshaft rear end平衡重平衡重counterweight曲拐曲拐throws曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄及一个主轴颈曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄及一个主轴颈构成。构成。曲柄曲柄cr

21、ank1.曲轴的分类：整体式和组合式。曲轴的分类：整体式和组合式。类别类别优点优点缺点缺点应用应用 全支承全支承曲轴曲轴提高曲轴的刚度提高曲轴的刚度和弯曲强度，减和弯曲强度，减轻主轴承的载荷轻主轴承的载荷曲轴的加工曲轴的加工表面增多，表面增多，主轴承数增主轴承数增多，使机体多，使机体加长加长柴油机一般柴油机一般多采用此种多采用此种支撑方式支撑方式 非全支承非全支承曲轴曲轴缩短了曲轴的长缩短了曲轴的长度，使发动机总度，使发动机总体长度有所减小体长度有所减小主轴承载荷较主轴承载荷较大大承受载荷较承受载荷较小的汽油机小的汽油机可以采用此可以采用此种方式种方式2.曲轴的支承方式：曲轴的支承方式：在相邻

22、的两个曲拐之间都设置一在相邻的两个曲拐之间都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴，否则称为非全支个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴，否则称为非全支承曲轴。承曲轴。桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组主轴径主轴径 支撑在主轴承上，主轴径的润滑油来自机体主油道。支撑在主轴承上，主轴径的润滑油来自机体主油道。曲柄销（连杆轴径）曲柄销（连杆轴径） 与连杆大端相连，数量与汽缸数相等。与连杆大端相连，数量与汽缸数相等。曲柄曲柄 连接主轴径与曲柄销。为平衡曲轴的运动惯性力及连接主轴径与曲柄销。为平衡曲轴的运动惯性力及力矩，在曲柄上设置与曲柄销方向相反的平衡重。力矩，在曲柄上设置与曲柄销方向相反的

23、平衡重。曲轴前端曲轴前端 装有正时齿轮（装有正时齿轮（timing geartiming gear）和三角皮带轮）和三角皮带轮（pulleypulley），以驱动配气机构、喷油泵、水泵、机油），以驱动配气机构、喷油泵、水泵、机油泵、风扇、发电机等。泵、风扇、发电机等。曲轴后端曲轴后端 主要用于安装飞轮。主要用于安装飞轮。 曲轴应防止轴向窜动，通常在曲轴前部、中部或后曲轴应防止轴向窜动，通常在曲轴前部、中部或后部的主轴承上设有凸肩或专门安装有止推片。部的主轴承上设有凸肩或专门安装有止推片。三、曲拐的布置三、曲拐的布置（1 1）一般规律）一般规律1 1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机）各缸的

24、作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。运转平稳。2 2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。发动机的前半部和后半部交替进行。3 3）V V型发动机左右气缸尽量交替作功。型发动机左右气缸尽量交替作功。4 4）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。作平衡性好。（2 2）常见曲轴曲拐的布置）常见曲轴曲拐的布置1 1）四冲程四缸发动机）四冲程四缸发动机曲拐布置曲拐布置2 2）四冲程四缸发动机）四冲程四缸发动机点火顺序点火顺序点火顺序：各缸完成同名行程的次序。点火顺序：各缸完成同名行程

25、的次序。3 3）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置四、飞轮四、飞轮 fly wheel（一）功用：（一）功用： 将在作功行程中输入于曲轴的功的一部分将在作功行程中输入于曲轴的功的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的旋转角柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的旋转角速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，克服短时间的超载荷，同时将发动机的动力传同时将发动机的动力传给离合器。给离合器。（二）构造（二）构造飞轮边缘部分

26、做的飞轮边缘部分做的厚些，可以增大转厚些，可以增大转动惯量动惯量齿圈在发动机起动齿圈在发动机起动时与起动机齿轮啮时与起动机齿轮啮合，带动曲轴旋转。合，带动曲轴旋转。一缸上止点记号一缸上止点记号五、曲轴扭转减振器五、曲轴扭转减振器crankshaft tortional vibration damper（一）扭转振动（一）扭转振动自由扭转振动自由扭转振动强迫扭转振动强迫扭转振动共振共振功率损失、曲轴扭功率损失、曲轴扭转变形甚至扭断、转变形甚至扭断、正时齿轮产生冲击正时齿轮产生冲击噪声等。噪声等。临界转速：发生共振时的转速。临界转速：发生共振时的转速。（二）扭转减振器（二）扭转减振器皮带盘皮带盘惯

27、性盘惯性盘橡胶垫橡胶垫减振器圆盘减振器圆盘皮带轮毂皮带轮毂曲轴前端曲轴前端功用：吸收曲轴扭功用：吸收曲轴扭转振动的能量，消转振动的能量，消减扭转振动。减扭转振动。当曲轴发生扭转振当曲轴发生扭转振动时，力图保持等动时，力图保持等速转动的惯性盘便速转动的惯性盘便与橡胶层发生了内与橡胶层发生了内摩擦，从而消耗了摩擦，从而消耗了扭转振动的能量，扭转振动的能量，消减了扭振。消减了扭振。橡胶摩擦式扭转减振器橡胶摩擦式扭转减振器一、受力分析一、受力分析曲柄连杆机构受的力曲柄连杆机构受的力主要有主要有气压力气压力P P，往复，往复惯性力惯性力PjPj，旋转离心，旋转离心力力PcPc和摩擦力和摩擦力F F。PP

28、jPCF第四节第四节 曲柄连杆机构受力分析与平衡曲柄连杆机构受力分析与平衡1.1. 气压力：气压力气压力：气压力P P的集中力的集中力P PP P分解为侧分解为侧压力压力N NP P和和S SP P， S SP P分解为分解为R RP P和和T TP P，R RP P使曲轴主使曲轴主轴颈处受压，轴颈处受压，T TP P为周向产生转矩的力。为周向产生转矩的力。(1)(1)作功行程：侧压力作功行程：侧压力N NP P向左，活塞的左侧向左，活塞的左侧面压向气缸壁，左侧面压向气缸壁，左侧磨损严重磨损严重NPSPPRPTP(2)(2)压缩行程：侧压压缩行程：侧压力力N NP P向右，活塞的向右，活塞的右侧面压向气缸壁，右侧面压向气缸壁，右侧磨损严重右侧磨损严重NPPSPRPTP2.2. 往复惯性力往复惯性力P Pj j：活塞在上半行程时，惯性：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。在上力都向上，下半