第3章曲柄连杆机构

第3章曲柄连杆机构

3.1概述曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，受力情况复杂。其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等。气体作用力-----在每个工作循环的四个行程中，气体压力始终存在(进气、排气气体压力较小;作功、压缩两行程中气体作用力较大）。往复惯性力与离心力-----往复运动的物体，当运动速度变化时，就要产生住复惯性力。物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力。这两种力在曲柄连杆机构的运动中部是存在的。摩擦力-----是任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间必定存在的力，其最大值决定于上述各种力对摩擦面形成的正压力和摩擦系数。3.1气缸体与气缸盖1、气缸体水冷发动机气缸体：一般式气缸体----发动机的曲轴轴线与气缸体下表面在同一平面上（便于机械加工）。龙门式气缸体----发动机气缸体下表面移至曲轴轴线以下(刚度和强度较好，工艺性较差)。隧道式气缸体----留有滚动主轴承支承的组合式曲轴的安装孔（结构刚度比龙门式的更高）。V型发动机气缸体风冷发动机气缸体：用空气冷却，在气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片，以增加散热面积，保证散热充分。发动机的排列型式：

水平对置发动机V型发动机气缸：气缸工作表面由于经常与高温、高压的燃气相接触，且有活塞在其中作高速往复运动（材料、冷却）。

水冷式气缸套有干式和湿式两种：

干缸套----不直接与冷却水接触，壁厚一般为l一3mm。

湿缸套-----直接与冷却水接触，壁厚一般为5—9mm。发动机型式气缸体1气缸体2气缸套2、气缸盖与气缸衬垫（1）气缸盖气缸盖的主要功用是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。气缸盖内部也有冷却水套，其端面上的冷却水孔与气缸体的冷却水孔相通，以便利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。发动机的气缸盖上应有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道等。气缸盖形状复杂，一般采用灰铸铁或合金铸铁，少数用铝合金铸造。单体气缸盖----在多缸发动机中的一列中，只覆盖一个气缸的气缸盖。缸径较大的发动机常采用。整体气缸盖----能覆盖全部气缸的气缸盖。可以缩短气缸中心距和发动机的总长度，其缺点是刚性较差，在受热和受力后容易变形而影响密封；损坏时须整个更换。多用于发动机缸径小于105mm的汽油发动机上。块状气缸盖----能覆盖部分(两个以上)气缸盖。缸径较大的发动机常采用。气缸盖汽油机燃烧室形状：1)、楔形燃烧室：结构较简单、紧凑。在压缩终了时能形成挤气涡流（红旗轿车、CA1091型货车）。2)、盆形燃烧室：结构也较简单、紧凑（北京492QG）。3)、半球形燃烧室：结构较前两种更紧凑。但因进排气门分别置于缸盖两侧，故使配气机构比较复杂。但由于其散热面积小．有利于促进燃料的完全燃烧和减少排气中有害气体，对排气净化有利。气缸盖与燃烧室燃烧室及进气方式缸盖与气道（2）气缸盖衬垫置于气缸盖与气缸体之间，以保证燃烧室的密封。其应满足的要求：1)在高温高压燃气作用下有足够的强度，不易损坏；2)耐热和耐腐蚀。3)有弹性，能补偿接合面的不平度，以保证密封；4)拆装方便，能重复使用，寿命长。金属一石棉材料----石棉中间夹有金属丝或金属屑，且外覆铜皮或钢皮。水孔和燃烧室孔周围另用镶边增强，以防被高温燃气烧杯。安装气缸盖衬垫时，应注意把光滑的一面朝气缸体，否则容易被气体冲坏。金属片作为衬垫的材料（强化的汽车发动机）膨胀石墨作为衬垫的材料（研究中）气缸盖衬垫的结构1)复合型气缸垫①金属石棉型---称作夹钢—石棉垫。在复合型气缸垫中用得最多。由于石棉是致癌性物质，现在都改为用膨胀石墨、纤维系作为压缩材料。这种材料压紧厚度为1.2mm—2.0mm，有很好的弹性和耐热性，并能重复使用。②钢丝辐板型气缸垫---其压缩材料是用石棉橡胶系，芯骨用金属网。由于接触面小，压缩性好。③金属石墨型气缸垫---其基本结构与金属石棉型气缸垫一样，只是压缩材料系采用膨胀石墨，其耐热性和密封性较好。2)金属型气缸垫--利用金属的弹性进行密封的，故受压后复原性以及耐热性良好。这种垫是采用单块光整冷轧低碳钢板冲制而成。在需要密封的气缸孔、水孔及油孔周围，冲压出一定高度的凸纹、利用凸纹受压后的弹性变形来实现密封。气缸盖的紧固：拧紧螺栓时，必须按由中央对称地向四周扩展的顺序分几次进行。最后一次要用扭力扳手按工厂规定的拧紧力矩值拧紧（气缸盖由铝合金制成，在发动机冷的状态下拧紧；铸铁气缸盖则在发动机热时最后拧紧）。密封垫3、油底壳油底壳的主要功用是贮存机油并封闭曲轴箱。材料：薄钢板冲压容积：发动机的总体布置和机油的容量散热：机油泵能经常吸油：局部凹陷挡油板：防止油面波动过大。放油塞：油底壳底部，有的放油塞是磁性的。油底壳4、发动机的支承发动机一般通过气缸体和飞轮壳或变速器壳上的支撑支承在车架上。发动机的弹性支承，是为了消除在汽车行驶中车架的扭转变形对发动机的影响，以及减少传给底盘和乘员的振动和噪声。弹性支承的发动机运转时(特别在工作不稳定，如低转速或超载荷时)，可能发生横向角振动，与发动机相连的各种管子和杆子等的结构要考虑发动机振动对它的影响（如采用软管）。3.2活塞连杆组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等机件组成。1、

活塞活塞的主要作用是承受气缸中气体压力所造成的作用力，并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。活塞顶部还与气缸盖气缸壁共同组成燃烧室。活塞的基本构造可分顶部、头部和裙部三部分。活塞工作环境：高温度：顶部直接与高温燃气（达2500K以上）接触，活塞的温度也很高（达600~700K）。高温----活塞的机械强度下降----热膨胀量增大----容易破坏活塞与其相关零件的配合。高压力：在作功行程时，活塞顶部承受着燃气的带冲击性的高压力（汽油机3~5Mpa，柴油机6~9Mpa）。高压导致活塞的侧压力大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞变形。惯性力：活塞在气缸中高速运动（汽油机的转速为4000~6000r／min，活塞的平均速度可达8~12m／s），产生很大的惯性力------曲柄连杆机构的各零件和轴承承受附加的载荷。热应力：活塞承受的气压力和惯性力是呈周期性变化的。要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。活塞材料：铝合金、高级铸铁、耐热钢。

铝合金活塞：具有质量小(约为同样结构的铸铁活塞的50％一70％)，导热性好(约为铸铁的3倍)的优点。缺点是热膨胀系数较大，在温度升高时，强度和硬度下降较快（结构设计、机械加工、热处理上加以弥补）。铝活塞的成型方法有铸造、锻造和液态模锻（高压挤压）等几种。活塞顶部汽油机活塞顶部多采用平顶，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采用凹顶活塞；二冲程汽油发动机采用凸顶活塞；柴油机的活塞顶部常常设有各种各样的凹坑，位置和大小都必须与柴油机混合气的形成或与燃烧要求相适应。活塞头部活塞头部是活塞环槽以上的部分。其主要作用有三：①承受气体压力，并传给连杆，②与活塞环一起实现气缸的密封；③将活塞顶所吸收的热量通过活塞环（气环、油环）传导到气缸壁上。活塞头部较厚----热量从活塞顶经活塞环传给气缸的冷却壁面上----防止活塞项温度过高。有的发动机活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄的隔热槽，它的作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流通路，迫使热流方向折转，把原来应由第一道活塞环散走的热量，分散给第二、三环，以消除第一环过热后产生积炭和卡死在环槽中的可能性。活塞环槽的磨损常常是限制活塞使用寿命的一个重要因素。铝台金活塞环槽部位铸入采用耐热材料制造的环槽护圈，采用奥氏体铸铁护圈后，环槽的寿命可以提高3—10倍活塞裙部是指自油环槽下端面起至活塞底面的部分。其作用是为活塞在气缸内作往复运动导向和承受侧压力。燃烧气体压力P均布作用、侧压力N的作用、活塞销座附近的金属堆积。使得其裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆。预先在冷态下把活塞加工成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。

由于活塞沿轴线方向温度分布和质量分布都不均匀，各个断面的热膨胀量是上大下小，必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形。有的汽油机活塞，还开有“T”形或“П”形槽。横槽：切断从活塞头部向裙部传输热流的部分通道。纵槽：使裙部具有弹性，从而使冷态下的装配间隙得以尽可能小，而在热态下又因切槽的补偿作用。有的汽油机活塞在活塞销座中镶铸进热膨胀系数低的“恒范钢片”1(含镍33％一36％，线膨胀系数约为铸铝合金的1／10)以牵制裙部的热膨胀。

随着柴油机强化程度的不断提高，（机械负荷、热负荷）---油冷活塞。活塞销座-----是将活塞顶部气体作用经活塞销传给连杆。销座通常有肋片与活塞内壁相连，以提高其刚度。销座孔内有安放弹性卡环的卡环槽

活塞销的安装位置如果活塞销对中布置-----则当活塞越过上死点时侧压力的作用方向改变-----活塞敲击气缸壁面产生噪声。如果把活塞销偏移布置（在作功行程中受侧向力的一面偏移了1—2mm）----活塞较平顺地从压向气缸的一面过渡到压向另一面----可以减轻活塞“敲缸”，减小噪声---带来活塞裙部两端的尖角负荷增大---拖板式裙部的活塞。活塞1活塞2、

活塞环活塞环包括气环、油环两种。

活塞环工作环境：受到气缸中高温(第一环温度达600K)、高压燃气的作用。另外由于气缸壁的锥度和椭圆度，活塞环随同活塞在气缸中作高速住复运动时，沿径向会产生一张一缩的运动，使环受到交变弯曲应力作用。

气环----是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或空气带走。密封----导热的前提，如果气环密封性能不好，高温燃气将直接从气环外圆表面漏入曲轴箱，此时气环和气缸贴合导热性下降，气环外圆表面还接受附加的热量，最后必将导致活塞和气环绕坏。油环----除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上铺涂一层均匀的机油膜。既防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。活塞环失效的后果：在高温、高压、高速以及润滑困难的条件下工作的活塞环是发动机所有零件中工作寿命最短的。活塞环失效---发动机起动困难---功率不足---曲轴箱压力升高---通风系统严重冒烟---机油消耗增大---排气冒蓝烟---燃烧室、活塞等表面严重积炭。活塞环材料：是合金铸铁(铜、铬、钼等合金元素)。活塞环结构工艺与结构：多孔性铬镀层-----第一道气环的工作表面上。多孔性铬层硬度高，并能贮存少量机油，以改善润滑条件，使环的使用寿命提高2—3倍。镀锡或磷化----用于气环，以改善磨合性能。喷钼----提高活塞环的耐磨性。钢片环-----用于高速强化的柴油机，以提高弹力和冲击韧性。金属陶瓷和聚四氯乙烯：在国外处于试用阶段。活塞环切口形状：气环的泵油作用-----矩形断面（常用）的气环随活塞作往复运动时，会把气缸壁上的机油不断送入气缸中的现象。气环下装设油环。气环的断面形状扭曲环----扭曲环是在矩形的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分。将这种环随同活塞装入气缸时，由于环的弹性内力不对称作用产生明显的断面倾斜。活塞环的外侧拉伸应力的合力F1与内侧压缩应力的合力F2之间有一力臂e-----扭曲力矩M-----环的外圆周扭曲成上小下大的锥形-----环的边缘与环糟的上下端面接触加强----提高了表面接触应力----防止了活塞环在环槽内上下窜动而造成的泵油作用----同时增加了密封性----扭曲环还易于磨合，并有向下刮油的作用。

锥面环-----可以改善环的磨合．这种环在气缸内，可向下刮油，而向上滑动时由于斜面的油楔作用，可在油膜上浮起，减少磨损。梯形环-----在热负荷较高的柴油机上、第一环常采用梯形环。当活塞受侧压力的作用而改变位置时，环的侧隙相应发生变化，使沉积在环槽中的结焦被挤出，避免了环被粘在环槽中而引起折断。在作功行程中，作用在梯形环上的燃气作用力R的径向分力Rx，加强了环的密封作用。桶面环-----作为强比柴油机活塞中的第一环----外圆面为凸圆弧形。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，故对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性均较好，有利于密封。油环----普通油环、组合油环（材料：合金铸铁）。普通油环---其外圆面的中间切有一道凹槽，在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔或狭缝。组合油环---片环很薄，对气缸壁的比压大，因而刮油作用强；三个刮油片是各自独立的，故对气缸的适应性好；质量小；回油通路大。活塞环

3、活塞销活塞销的功用---是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销通常做成空心圆柱体。（周期性冲击载荷、飞溅润滑，要求有足够的刚度和强度、小的惯性）活塞销材料与工艺---低碳钢或低碳合金钢，表面渗碳处理----精磨和抛光。全浮式配合---在发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢地转动，以使活塞销各部分的磨损比较均匀。4、

连杆连杆的功用-----是将活塞承受的力传给曲轴，使得活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。（活塞销传来的气体作用力、连杆摆动和活塞组往夏运动时的惯性力等周期性变化的力作用------压缩、拉伸和弯曲）连杆材料与结构-----中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后经机械加工和热处理。“工”字形断面连杆螺栓----承受交变载荷的重要零件。采用韧性较高的优质合金钢、优质碳素钢锻制或冷墩成型。拧紧力矩有严格的规定。剖分式连杆大头-----平切口、斜切口。平切口-----汽油机连杆大头尺寸一般小于气缸直径，可以采用平切口连杆。平切口的连杆盖与连杆的定位，是利用连杆螺栓上的精加工的圆柱凸台或光圆柱部分，与经过精加工的螺栓孔来保证的。斜切口-----柴油机的连杆，由于受力较大，其大头的尺寸往往超过气缸直径。为使连杆大头能通过气缸，大多采用斜切口连杆（300----600）。斜切口连杆常用的定位方法：1)止口定位-----优点是工艺简单，缺点是定位不大可靠，只能单向定位．对连杆盖止口向外变形或连杆大头小口向内变形均无法防止。2)套筒定位-----是在连杆盖的每一个螺栓孔中压配一个刚度大，而且剪切强度高的短套简。3)锯齿定位-----这种定位方式的优点是锯齿接触面大，贴合紧密，定位可靠，结构紧凑。缺点是对齿节距公差要求严格。连杆轴承-----剖分式滑动轴承薄钢背的内圆面上浇铸0.3~0.7mm厚的减摩合金层而成(如巴氏合金----疲劳强度较低、铜铅合金和高锡铝合金----有较高的承载能力与耐疲劳性等)-----具有保持油膜，减少磨擦阻力和加速摩合的作用。连杆3.3曲轴飞轮组1、曲轴曲轴的功用:承受连杆传来的力（离心力、气体压力、往复惯性力），形成绕其本身轴线的力矩。（刚度、强度、耐磨、润滑良好）。曲轴主要由三部分组成：①曲轴的前端(或称自由端)1；②若干个曲柄销3和它左右两端的曲柄4、前后两个主轴颈2组成的曲拐；③曲轴后端(或称功率输出端)6。

曲轴的曲拐数：决定于气缸的数目和排列方式。在相邻的两个曲拐之间（全支承曲轴），都设置一个主轴颈的曲轴（直列式发动机的主轴颈总数比气缸数多一个；V型发动机的主轴颈总数比气缸数的一半多一个）。全支承曲轴优点：可以提高曲轴的刚度和弯曲强度，可减轻主轴承的载荷。缺点：曲轴的加工表面增多，主轴承数增多，使机体加长。曲轴的工艺结构及材料：曲轴销为空心----减少质量、储油。

平衡重----平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩。曲轴前端结构

曲轴后端结构：材料---中碳钢或中碳合金钢模锻---机加工---高频淬火或氮化---精磨（稀土球墨铸铁铸造）---曲轴必须采用全支承以保证刚度。组合式曲轴：多缸发动机曲拐布置和发火次序：四行程直列四缸发动机发火次序------发火间隔角应为7200／4＝1800。

四行程直列六缸发动机发火次序------发火间隔角应为7200／6＝1200。曲轴平衡与轴承2.平衡轴三缸机固有的一级往复惯性力矩和四缸机固有的二级往复惯性力矩无法通过曲轴本身增加平衡块的方法来完全平衡，而这些不平衡的力和力矩正是造成发动机振动和噪音的重要原因。夏利三缸发动机采用的平衡轴。它装在曲轴的侧面，由曲轴前端的齿轮驱动，旋转方向与曲轴的旋转方向相反。平衡轴齿轮与曲轴齿轮啮合时必须对正标记，以保证平衡轴力矩作用平面与不平衡的一级往复惯性力矩作用平面始终在同一平面内。对于直列式四缸发动机，一般采用双轴平衡机构，即在曲轴两侧各设置一个带平衡块的平衡轴。平衡轴一般用钢制成，外形似桨，装在发动机的底部。平衡轴是由曲轴驱动，但其转速是曲轴转速的两倍，转动方向与曲轴的转动方向相反，所以它能产生与曲轴转动产生的不平衡力相等的转动力，且其作用方向与发动机不平衡力的作用方向是相反的。这就很好的起到平衡振动的作用，减小了发动机的振动和噪声。3.曲轴扭转减振器曲轴是一种扭转弹性系统（具有一定的自振频率）。在发动机工作过程中----周