第三章 曲柄连杆机构

工程机械发动机构造第三章曲柄连杆机构

第一节固定件

包括：

气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套、曲轴箱）。一、气缸体气缸体、曲轴箱、机体的关系气缸体与上曲轴箱合称机体。下曲轴箱又称油底壳。干、湿式曲轴箱根据箱内是否贮存有机油来分类。大多数工程机械和汽车发动机用湿式。气缸体(机体)功用：是内燃机的主体，是其它零部件和附件的支承骨架。结构：有气缸或气缸套安装孔；有气缸盖、曲轴箱、飞轮壳、正时齿轮箱安装孔；设有冷却水套、润滑油道和其他孔道。工作条件：受力复杂，受气体爆发压力、螺栓预紧力、往复惯性力、旋转惯性力、倾倒力矩作用。要求：强度、刚度大，结构紧凑。材料：（1）一般用优质灰铸铁；（2）整体气缸的机体，可在铸铁中加少量合金元素；（3）某些高速小型汽油机，用铝合金铸造；（4）铸钢。

工艺：铸造或铸焊结合。分类（主要按曲轴箱剖分面特点）：（1）龙门式：刚度大，柴油机中广泛采用；（2）隧道式：刚度大，适用小型单、双缸发动机中。用于多缸机则结构复杂，笨重。（3）一般式：质量轻，刚度差，适用于小型车用汽油机。（4）单体气缸：气缸体与曲轴箱分开制造，适用于风冷式内燃机。其他要点：

与龙门式机体配套的主轴承盖也需刚度、强度大，其断面形状为“I”、“T”形，并有加强筋。（二）气缸与气缸套功用：气缸内壁与活塞顶、气缸盖底面共同形成燃烧室。工作条件：机械应力大，热应力大，摩擦严重。要求：强度大，耐磨性好。材料：广泛采用高磷铸铁，耐磨性好，成本低；另外还有用含硼铸铁、铌合金铸铁。工艺：内表面用表面淬硬，镀铬、氮化、喷镀等。外表面用镀镉、镀锌、镀铬等。分类：1.直接在机体上镗孔，适用于负荷轻缸径小的汽油机。2.独立气缸套：适用于柴油机和强化程度高的汽油机。

a、干式：外表面不与冷却水直接接触。优点：刚度好，冷却水密封好。缺点：散热较差，加工面大，成本高，拆装困难。适用：汽油机

b、湿式：外表面直接与冷却水接触。优点：散热好，拆装方便，机体铸造容易。缺点：刚度、密封差，结构复杂。适用：柴油机结构（湿式）：（1）圆环带5，径向定位及密封。（2）凸缘6，轴向定位。（3）下凸出环带装有1-3个封水圈。（4）切口，避免与连杆相碰。二、气缸盖功用：封闭气缸上部，与气缸上部及活塞顶构成燃烧室。结构：柴油机布置有涡流室或预燃室，汽油机布置燃烧室；配气机构、点火系、供给系等另部件安装孔；进、排气道，水冷水套。工作条件：热应力、机械应力大。要求：强度、刚度大，导热性好，耐热。材料：（1）优质灰铸铁，常用；（2）合金铸铁、球墨铸铁，大型或强化柴油机；（3）铝合金，部分汽油机和有特殊要求的柴油机，导热性好，质量小，刚度低。工艺：铸造。分类（结构型式）：1、整体缸盖：汽油机优点：零件少，结构紧凑；缺点：刚度差，易变形，维修不经济。2、单体缸盖：大型或强化柴油机优点：刚度大，变形小，密封好，

经济性好缺点：零件多，总质量及长度增加。3、块状缸盖：载重汽车、工程机械柴油

机上。其他要点：气缸盖螺栓的拧紧

1、按一定顺序以规定扭矩拧紧；

2、冷车拧紧后，热机后再拧紧一次；

3、螺栓一般用中碳钢、合金钢制造，调质处理。三、气缸垫功用：密封气、水、油。要求：①足够的强度；②耐热和耐腐蚀；③一定的弹性；④拆装方便，寿命长。条件：温度高，压力大。材料：

1、金属——石棉缸垫，常用；

2、塑性金属，强化或增压柴油机。结构：轮廓同缸盖，油、水孔处镶边增强。四、油底壳（下曲轴箱）功用：贮油、密封曲轴箱。材料：薄钢板、铸铁、铝合金。结构：散热片、放油塞、底面呈斜面。五、发动机的支承1、固定支承：固定式发动机刚性固定在基座上。2、弹性支承：通过气缸体、飞轮壳、变速器壳弹性支承在车架上。有三点支承、四点支承两种形式。三点支承：前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后端一点通过变速器壳支承在车架上。四点支承：前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后端二点通过飞轮壳支承在车架上。车用发动机的常用支承第二节活塞连杆组

包括：活塞、活塞环、活塞销、连杆一、活塞功用：承受燃气压力，并将力经连杆传给曲轴。工作条件：高温，高压，热负荷大，高速运动，润滑条件差。要求：强度、刚度大，耐热性好，质量小，耐磨性好。材料：

1、铸铁：耐磨，强度高，热膨胀系数小，成本低；质量大，导热性差。

2、铝合金：质量小，导热性好，利于采用较高转速和压缩比；但热膨胀系数大。结构：

分为顶部、头部、裙部、销座1、顶部：是构成燃烧室的一部分，形状与发动机有关，活塞顶内壁可能有喷油机构和加强筋。

a、平顶，汽油机；制造简单，受热面积小。

b、凸顶，二冲程汽油机，排气好。

c、特殊形状，柴油机，部分汽油机。2、头部：头部壁较厚，上切有环槽，上为气环槽，下为油环槽，油环槽底面钻有回油孔。另还可能有：隔热槽：在第一道环槽上方，用于汽油机；环槽护圈：耐热耐磨，高速柴油机。积炭槽：吸附润滑油和杂质，防止咬合。3、销座用以安装活塞销，销座部分较厚，有加强筋。4、裙部头部最低一道环槽以下的部分，用以导向和传递侧向力。工艺：

1、主体铸造；

2、提高铝合金活塞耐磨性的方法：热处理、镀锡、喷涂石墨、表面阳板氧化处理。

3、克服铝合金热膨胀系数大的措施：

a.上小下大；

b.裙部制成椭圆形；

c.裙部切槽（汽油机）；

d.镶铸膨胀系数小的钢片。分类：整体铝合金、整体铸铁、钢顶铝裙。其他要点：

裙部变形的原因：受Pg、PN及热膨胀应力的作用。二、活塞环功用：

1、气环：密封、传热；

2、油环：刮除多余润滑油，使油膜均匀分布，避免或减弱泵油作用和积炭。工作条件：高温、高速、润滑差，磨损严重。要求：有一定弹力，端面平滑，机械强度、耐磨性、工艺性好，对气缸壁磨损小。材料：优质灰铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、钢（第一道环）。

工艺：气环的表面处理：第一道气环，多孔性铬层，钼层；第二、三道气环，有时多孔性铬层，镀锡、磷化处理。结构：1、气环的断面形状

a、矩形环：易于制造，应用广泛，磨合性较差。

b、锥面环：磨合较快，有刮油作用；磨损快、寿命短。

c、扭曲环：易于磨合，有刮油作用，增加密封性，防止环上下窜动

而造成泵油和磨损。

d、梯形环：能将环槽中的积炭挤碎，防止活塞环结焦卡住。用于热

负荷较大的发动机。

e、桶形环：易于磨合，润滑性好，密封性好，用于强化发动机。扭曲环的工作原理2、油环基本结构：与矩形断面气环相似，但中间有凹槽，槽底部有排油小孔或狭缝。结构型式：（1）普通油环：有倒角油环，鼻形油环，合装油环等，以提高刮油能力。（2）钢片组合油环：由片簧、衬簧组成，能避免弹力减弱。（3）涨圈油环：弹力好，制造安装方便。

端隙：0.2～0.6mm（汽）0.4～0.8mm（柴）侧隙：0.04～0.08mm（汽）0.08～0.16mm（柴）背隙：一般为：0.5--1mm

各环开口处错开角度活塞环的间隙：为了保证气缸的密封性，又防止环卡死或胀死在环槽中，安装时，活塞环应留有端隙、侧隙和背隙。其他要点：1、封气原理：

a.外圆表面靠本身弹力和活塞环背压贴合；

b.上、下端面靠往复运动贴合；

c.开口位置相错开，使气体压力迅速下降；2、泵油作用：

a.活塞向下，环紧压上端面，润滑油进入环下面和背面间隙；

b.活塞向上，环又压向下端面，润滑油被挤压向上。三、活塞销功用：连接活塞与连杆，承受并传递气体压力和活塞往复惯性力。工作条件：高温，周期性冲击负荷大，润滑条件差，轴承面比压大，高速运动。要求：强度高，外表面硬度高，耐摩，内部韧性强，质量小。材料：20号钢或合金钢。工艺：冷挤压成型，外表面渗碳或氮化处理后，再精磨。结构：空心圆柱体。装配：采用浮式安装；轴向由挡圈限位。四、连杆功用：连接活塞与曲轴，传递力和运动。工作条件：复杂的交变应力和复杂运动。要求：强度、刚度足够，疲劳强度高，质量轻。材料及工艺：

a.中碳钢、合金钢，调质、高温形变、表面喷丸、光整加工；

b.球墨铸铁，小功率柴油机；

c.硼钢，锻造，淬硬。结构：

连杆小头、杆身、连杆大头、连杆螺栓。连杆小头：

用于安装活塞销，小头轴承材料有锡青铜（常用），铝青铜（强化发动机用）、钢背减摩合金，铁基粉末冶金衬套。润滑方式：飞溅、压力。形状：可能呈斜面形，承载能力强，重量轻。连杆杆身：

形状：断面呈“工”字形。

特点：质量小，强度、刚度大，杆身向大小头过渡处采用较大圆弧，避免应力集中。连杆大头：一般做成可分的，两个半部用连杆螺栓连接。少数做成整体。剖分形式：（1）平切口：剖分面垂直杆身中心线。刚度大，加工容易，连杆螺栓不受剪切作用，用于高速内燃机。曲柄销直径受限制（连杆螺栓安装尺寸较大）。（2）斜切口：部分面与杆身中心线呈一定角度。可以增大曲柄销直径，提高曲轴刚度，增大摩擦接触面积；V型发动机的曲轴箱外形可更紧凑。常用定位措施：止口，销套，锯齿。装配注意事项：连杆和连杆盖配对加工，正反面不能反。连杆螺栓：

受交变惯性力作用，材料、工艺要求高。材料采用中碳合金钢；工艺上采用精加工、调质、磁力探伤等措施。需按规定扭矩拧紧，并有防松措施。

（三）连杆轴承工作条件：交变冲击力大，工作面滑动速度高，易发热和磨损。要求：机械强度高，耐腐蚀性，耐热性，减摩性好。分类：（1）轴瓦；（2）滚动轴承；（3）不另装轴承。轴瓦构造：分开式薄壁圆环，由“钢背—减摩合金—（表层）”构成。内表面有周向浅槽（纵向油槽）、油孔，外表面有凸键。材料：减摩合金材料：

a.锡基白合金：减摩性好，耐腐蚀，疲劳强度低。广泛用于汽油机。

b.铜铅合金（或铅青铜合金）：疲劳强度高，承载能力大，耐磨性好，减摩性较差，不耐腐蚀，成本较高。常用于柴油机。

c.铝基合金：疲劳强度高，减摩性较好，耐腐蚀性好，成本低。表层材料：铅锡合金，可有效改善减摩合金表面性能（磨合性、顺应性、抗咬合性、耐腐蚀性）。装配：轴瓦制造精度高，具互换性，不需手工加工。装配时有适当油膜间隙，且保持干净。第三节曲轴飞轮组功用：传递力矩和运动。工作条件：承受弯曲，扭转，剪切，拉压等复杂交变应力；扭振、弯曲振动引起的附加应力；轴承副承受高比压。要求：强度、刚度大，轴颈承压面大，耐磨性好，避免应力集中，扭振小，输出扭矩均匀。材料：优质中碳钢、合金钢、硼钢、球墨铸铁。工艺：表面高频淬火，精磨，抛光，圆角滚压强化，圆角表面淬火。

桑塔纳2000时代超人轿车AJR发动机曲轴飞轮组零件分解图曲轴带轮曲轴正时齿形带轮曲轴链轮（驱动油泵）止推片主轴承下轴瓦转速传感器脉冲轮飞轮飞轮齿圈曲轴正时齿形带轮凸轮轴正时齿形带轮正时齿形带水泵齿形带轮张紧轮结构：主轴颈、曲柄销、曲柄臂、自由端、功率输出端、平衡块。分类：（1）按主轴承支承分：a、全支承b、非全支承（2）按结构型式分：a、整体b、组合式曲柄销：

功用：与连杆大头配合个数：直列等于气缸数，V型等于气缸数的一半。结构：中空。主轴颈：功用：支承主轴承，分为滑动轴承，滚动轴承。主轴承结构材料与连杆轴承类似，一般轴出端轴颈与中间主轴颈较长。曲柄臂：功用：连接曲柄销和主轴颈，加工有油道。平衡块：

功用：平衡不平衡惯性力和力矩，减小主轴承负荷。曲轴自由端：

功用：安装正时齿轮、皮带轮、起动爪，扭振减振器，轴向止推片等。曲轴功率输出端：功用：安装飞轮、挡油圈、回油螺纹等。油封装置：

功用：防止润滑油漏出曲轴箱。

材料：毛毡、硅橡胶、聚脂橡胶、取胜四氟乙烯等。（三）曲轴轴向定位（止推片）目的：保证曲柄连杆机构的正确位置，保证正时。位置：输出端，中央主轴承，自由端。轴向游隙：0.10～0.50mm。飞轮：

功用：贮存功能，便于起动，运行平稳，改善扭振性能。

材料：铸铁。结构：圆盘状，质量主要分布在轮缘上。要点：（1）要进行动平衡；（2）有上止点标记。内燃机动力学

内燃机动力学方面主要了解5个内容：1、内燃机发火次序的确定；2、曲柄连杆机构运动分析；3、曲柄连杆机构受力分析；4、内燃机的平衡；5、内燃机轴系的扭振

曲柄连杆机构受力分析：

1、气体作用力：在作功行程中，气体作用力Fp作用在活塞顶上，传到活塞销上，分解为Fp1、Fp2，分力Fp1沿连杆传到曲柄销上，并可分解为FR和FS，垂直于曲柄的分力FS对曲轴中心形成转矩Ttq，推动曲轴旋转；分力Fp2则将活塞压向气缸的左侧。（1）作功行程

气体压力作用情况示意图2、往复惯性力与离心力：活塞加速度：在上止点前后活塞加速度是正值，往复惯性力朝上；在下止点前后活塞加速度是负值，往复惯性力朝下。如图（2偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，其方向沿曲柄半径向外。曲轴转速愈高，往复惯性质量和旋转惯性质量愈大，则往复惯性力与离心力愈大，惯性力使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈（轴承）受周期性变化的附加负荷，加快磨损。若不加以平衡，惯性力传到气缸体外，引起发动机的振动。（1）活塞在上半行程时的惯性力（2）活塞在下半行程时的惯性力往复惯性力和离心力作用情况示意图在压缩行程中，作用在活塞顶上的气体压力FP也可以分解为两个分力FP1和FP2，而FP1又可以分解为Fs和FR，分力Fs对曲轴造成一个旋转阻力矩Ttq，企图阻止曲轴旋转，而FP2则将活塞压向气缸的另一侧。总之，气体压力作用在活塞顶上，通过活塞销、连杆传力给曲轴，最终由机体主轴承承受。同时，曲轴终端产生输出扭矩，而倾倒力矩则使机体左右摇晃，因此，需通过螺栓使机体固定在车架上。（2）压缩行程气体压力作用情况示意图1.曲轴的形状和内燃机发火次序的确定

发火次序：以第1缸为基准的各气缸作功行程发生的顺序。为满足发动机工作平衡性和动力学性能的要求，曲轴的形状与冲程数，气缸数、气缸排列方式等许多因素有关，在设计时应考虑。本节主要讨论已知曲轴形状推知可能的发火次序，确定最佳发火次序，掌握常见发动机的发火次序。曲柄图：从自由端观察的曲轴结构示意图(编号、夹角、旋向)。确定发火次序的基本原则：

(1)发火间隔角均匀（确定所有可能的发火次序）；

发火间隔角

式中i

为缸数

(2)避免相邻两缸连续发火（确定最佳发火次序）。。

例：直列六缸机可能发火次序：1－5－3－6－2－4－11－2－3－6－5－4－11－5－4－6－2－3－11－2－4－6－5－3－1最佳