汽车构造-课件-第02章曲柄连杆机构

汽车构造

AUTOMOBILESTRUCTURE机械与汽车工程学院汽车工程系主讲人：孔胜利kongsl@第2章机体组与曲柄连杆机构机体组活塞连杆组曲轴飞轮组2023/2/52汽车构造机体组与曲柄连杆机构功用：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。活塞连杆组及曲轴飞轮组结构示意图2023/2/53汽车构造2.1

机体组机体是发动机的骨架，是发动机各机构和系统的装配机体。主要包括汽缸体、汽缸盖、汽缸垫和油底壳。1、汽缸体水冷发动机的汽缸体与上曲轴箱制成一体，一般用灰铸铁制成，上部为圆柱形空腔（气缸），下半部为支承曲轴的曲轴箱。汽缸体内部有水套、润滑油道和加强筋。汽缸体结构示意图2023/2/54汽车构造汽缸体结构形式示意图（a）一般式（b）龙门式（c）隧道式机体组（1）汽缸体的分类按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为：一般式汽缸体、龙门式汽缸体和隧道式汽缸体。2023/2/55汽车构造机体组2023/2/56汽车构造机体组（2）汽缸体的冷却：为保证发动机在高温下能正常工作。汽缸体与汽缸盖结构示意图

a.水冷b.风冷1汽缸体2水套3汽缸盖4燃烧室5汽缸垫6散热片2023/2/57汽车构造机体组（3）汽缸的排列方式

气缸排列方式示意图(a)直列式(b)V型(c)对置式(a)(b)(c)2023/2/58汽车构造机体组2023/2/59汽车构造机体组（4）汽缸套汽缸套示意图

(a)干式(b)湿式密封圈4汽缸体3水套2汽缸套12023/2/510汽车构造机体组干式缸套特点是外表面不与冷却水接触。它是一个耐磨性能良好的薄壁套筒，壁厚一般为1～3.5mm，干缸套上端通常有凸肩用作轴向定位，轴垫卷边压在凸肩上，凸肩的圆角必须适当，以免应力集中损坏缸。湿式缸套湿缸套是一个与冷却水直接接触的厚壁套筒，壁厚应保证缸套有足够的强度和刚度，一般为缸径的5%～10%。湿缸套的优点是导热性好，便于更换，缸体铸造简单，材料可按需要选择。缺点是缸体刚度差，容易漏水。故广泛应用于柴油机和铸铝缸体上。2023/2/511汽车构造机体组2、汽缸盖（1）汽缸盖用来封闭气缸的上部，并与活塞顶、汽缸壁共同构成燃烧室。材料常为优质灰铸铁、合金铸铁或铝合金。汽缸盖的分解图2023/2/512汽车构造机体组汽缸盖内有与汽缸体相通的冷却水套、燃烧室、火花塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴油机）、进排气道等。为制造维修方便，减小变形对密封的影响，功率较大的柴油机多采用分开式汽缸盖；而汽油机因缸径较小，负荷较轻，多采用整体式缸盖。分开式汽缸盖实例2023/2/513汽车构造机体组汽缸盖的分解图实例2023/2/514汽车构造机体组（2）汽油机的燃烧室由活塞顶部及汽缸盖上的相应凹部空间组成。汽油机燃烧室常见的形状有如下三种：汽油机燃烧室(a)楔形(b)盆形(c)半球形2023/2/515汽车构造机体组3、汽缸垫汽缸垫用来保证汽缸体与汽缸盖结合面间的密封。要求耐热、耐腐蚀，有足够的强度和一定的弹性，且拆装方便，能重复使用，寿命长。2023/2/516汽车构造机体组目前常用的2种分别是金属—石棉汽缸垫和纯金属汽缸垫。汽缸垫横截面示意图(a)--(d)金属—石棉汽缸垫(e)纯金属汽缸垫2023/2/517汽车构造机体组4、油底壳油底壳的作用是储存机油并封闭曲轴箱。一般用薄钢板冲压而成，也有采用带散热片的铝合金铸造的轻金属油底壳。油底壳结构示意图(a)薄钢板油底壳(b)轻金属油底壳2023/2/518汽车构造机体组5、发动机的支承发动机一般采用三点支承和四点支承两种方式，通过汽缸体和飞轮壳或变速器壳体上的支承点，弹性支承在车架上。发动机的支承(a)三点支承(b)四点支承1--前支承2--后支承3--橡胶支承4--纵向拉杆2023/2/519汽车构造2.2

活塞连杆组活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆等组成。活塞连杆组示意图1活塞环7锁紧螺母2S卡环8连杆轴承3连杆衬套9弹簧垫片4连杆10活塞销5连杆螺栓11活塞6连杆盖2023/2/520汽车构造活塞连杆组1、活塞活塞的主要作用是承受汽缸中的燃烧压力，并将此力通过活塞销和连杆传给曲轴。此外，活塞还与汽缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。活塞是发动机中工作条件最严酷的零件：作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。（1）活塞常用材料：常用的是铝合金；新材料（发泡石墨活塞、铝基复合材料、合金铸铁、耐热钢、金属陶瓷等）。2023/2/521汽车构造活塞连杆组（2）活塞结构：活塞可视为由顶部、头部和裙部等3部分构成。活塞结构剖视图2023/2/522汽车构造活塞连杆组(a).活塞顶汽油机活塞顶部的形状与燃烧室形状和压缩比大小有关。活塞顶的形状：平顶、凸顶和凹顶。大多数汽油机采用平顶活塞，其优点是受热面积小，加工简单。采用凹顶活塞可通过改变凹坑的尺寸来调节发动机的压缩比。活塞顶的形状(a)平顶(b)凹顶(c)凸顶2023/2/523汽车构造活塞连杆组(b).活塞头：由活塞顶至油环槽下端面之间的部分。在活塞头部加工有用来安装气环和油环的气环槽和油环槽。在油环槽底部还加工有回油孔或横向切槽，油环从气缸壁上刮下来的多余机油，经回油孔或横向切槽流回油底壳。活塞结构实例2023/2/524汽车构造活塞连杆组(c)活塞裙：活塞环槽以下的所有部分，其作用是引导活塞在汽缸中作往复运动并承受侧压力。活塞裙部的椭圆变形(a)气体压力产生的弯曲变形(b)受热后膨胀变形(c)侧压力作用下的挤压变形(d)裙部的综合变形2023/2/525汽车构造活塞连杆组为使活塞在各种工况下均能与汽缸壁间保持均匀的间隙，活塞裙通常采用下列结构措施：椭圆锥裙：裙部断面制成椭圆形，椭圆的长轴在垂直活塞销的方向，即在连杆摆动平面内或承受侧压力导向平面内，椭圆的短轴在活塞销的方向。裙部轴向呈锥形，上小下大。这样活塞工作过程中，受力受热膨胀变形时，形成圆柱形，不致在气缸内卡住。采用双金属活塞。在活塞裙部销座处铸入膨胀系数小的钢片,限制活塞裙部的变形，使变形量减小。裙部开有绝热—膨胀槽。在裙部受侧向力较小的面，开有“T”形或“Π”形槽。其中横槽叫绝热槽，可减少头部热量向裙部传导，从而减少裙部的热膨胀。竖槽叫膨胀槽，可使裙部具有一定的弹性和热态起补偿作用，使活塞在装配较小的情况下热膨胀时不致卡缸。2023/2/526汽车构造(a)(b)(c)(d)活塞裙部的不同形状和结构(a)椭圆锥裙(b)活塞的膨胀槽和绝热槽(c)恒范钢片式(d)自动调节式活塞连杆组2023/2/527汽车构造活塞连杆组为改善铝合金活塞的磨合性，可对活塞裙部表面涂以保护层，材料可为铅、锡、石墨或塑料等。为了减轻活塞在越过上止点时因侧压力瞬时换向而产生的“敲缸”现象，减小噪声，改善发动机工作的平顺性，有些高速发动机将活塞销座向承受做功行程侧压力一面偏移1~2mm。活塞销偏置与活塞的换向过程(左)对中布置(右)偏移布置2023/2/528汽车构造活塞连杆组2、活塞环：按功用的不同分为气环和油环。气环（1）作用密封：防止气缸内的气体窜入油底壳；传热：将活塞头部70~80%的热量传给气缸壁。气环的密封原理P--气体压力2023/2/529汽车构造活塞连杆组（2）结构形式气环常见的截面形状有如下几种：矩形环、锥面环、扭曲环、梯形环、桶面环。气环的断面形状a矩形环b锥面环c正扭曲内切环d反扭曲锥面环e梯形环f桶面环2023/2/530汽车构造活塞连杆组油环（1）作用刮除汽缸壁上多余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜，即可防止机油窜入燃烧室，又能减少活塞及活塞环与气缸的磨损。（2）油环的刮油过程油环的刮油过程示意图2023/2/531汽车构造活塞连杆组3活塞销：连接活塞和连杆，将活塞所承受的气体压力传给连杆。（1）材料活塞销在高温下承受极大的周期性冲击载荷，润滑条件差。要求活塞销具有足够的强度、刚度和耐磨性，且质量要小。一般为低合金渗碳钢。对高负荷发动机则采用渗氮钢。（2）结构活塞销形状(a)圆柱形孔(b)端部锥形扩展(c)中间封闭式(d)单侧封闭式(e)内有塑料芯的钢套销(f)成形销2023/2/532汽车构造活塞连杆组4、连杆将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。（1）材料一般采用45、40Cr等中碳钢或中碳合金钢经模锻或辊压制成，少数用球墨铸铁制成。为提高疲劳强度，连杆常进行表面喷丸处理。小型发动机的连杆常用高强度铝合金制造。（2）结构连杆主要分为连杆小头、杆身和连杆大头3个部分。连杆零件分解图1—连杆大头2—连杆轴承3—止推凸肩4—连杆小头衬套5—连杆小头6—杆身7—连杆螺栓8—连杆盖2023/2/533汽车构造活塞连杆组(a)连杆小头连杆小头与活塞销的连接方式有两种，即全浮式和半浮式。连接小头与活塞销的连接方式全浮式活塞销工作时，在连杆小头孔和活塞销孔中转动，可以保证活塞销沿圆周磨损均匀。为防止活塞销两端刮伤气缸壁，在活塞销孔外侧装置活塞销挡圈。半浮式活塞销是用螺栓将活塞销夹紧在连杆小头孔内，这时活塞销只在活塞销孔内转动，在小头孔内不转动。小头孔不装衬套，销孔中也不装活塞销挡圈。2023/2/534汽车构造活塞连杆组(b)连杆杆身杆身断面为工字形，刚度大、质量轻、适于模锻。工字形断面的Y-Y轴在连杆运动平面内。有的连杆在杆身内加工有油道，用来润滑小头衬套或冷却活塞。如果是后者，须在小头顶部加工出喷油孔。连杆杆身

(a)无油道的(b)有油道的2023/2/535汽车构造活塞连杆组(c)连杆大头连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。通常是剖分式的，上半部分与杆身为一体，下半部即连杆盖，二者通过连杆螺栓装合。连杆大头的切口形式有直切口和斜切口2种。斜切口连杆大头定位方式

(a)止口定位(b)套筒定位(c)锯齿定位2023/2/536汽车构造活塞连杆组康明斯发动机连杆配件图2023/2/537汽车构造活塞连杆组连杆总成结构图2023/2/538汽车构造活塞连杆组2023/2/539汽车构造活塞连杆组(d)连杆轴承连杆轴承装在连杆大头孔内，用以保护连杆轴颈及连杆大头孔。轴瓦是在厚1～3mm的薄钢背的内圆面上浇铸0.3～0.7mm厚的减磨合金膜，起到减小摩擦阻力和加速磨合的作用。连杆轴承减磨合金层4定位凸键3油槽2钢背1目前主要的轴承减磨合金有：巴氏合金、铜铅合金和高锡铝合金。2023/2/540汽车构造活塞连杆组(e)连杆螺栓工作时连杆螺栓承受交变载荷，因此在结构上应尽量增大其弹性，而在加工时要精细加工过渡圆角，消除应力集中，以提高其抗疲劳强度。连杆螺栓用优质合金钢制造，如40Cr、35CrMo等。经调质后滚压螺纹，表面进行防锈处理。

连杆螺栓2023/2/541汽车构造活塞连杆组(f)V形发动机连杆的结构形式V形发动机由于左右两缸的连杆装在同一个曲柄销上，故其结构随安装布置而不同。V形发动机的连杆布置有如下3种形式：V行发动机连杆示意图

(a)并列连杆式(b)主副连杆式(c)叉形连杆式2023/2/542汽车构造2.3

曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、曲轴正时齿轮、皮带轮和曲轴扭转减振器等组成。曲轴飞轮组实例飞轮8滚针轴承7组合止推轴承6主轴承5曲轴4半圆键3曲轴正时齿轮2皮带轮12023/2/543汽车构造曲轴飞轮组1、曲轴曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体压力转变为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置（如汽油泵、机油泵、分电器、发电机、水泵风扇等）。（1）常用材料曲轴一般由45、40Cr、35Mn2、50MnB等中碳钢和中碳合金钢模锻而成，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，最后进行精加工。现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴。微合金非调质钢曲轴是近年来发展起来的新钢种。2023/2/544汽车构造曲轴飞轮组（2）曲轴结构(a)按曲拐连接方式，曲轴分为整体式和组合式两种。整体式曲轴后端凸缘6曲柄5主轴颈4连杆轴颈3平衡重2前端轴1组合式曲轴1，3--滚动轴承；2--连接螺栓；4--曲轴；5--定位螺栓2023/2/545汽车构造曲轴飞轮组

(b)

按主轴颈的数目，曲轴分为全支承和非全支承两种。相邻两曲拐间都设置一个主轴颈的曲轴为全支承曲轴，否则为非全支承曲轴。非全支承曲轴全支承曲轴因此，直列式发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数（包括曲轴前端和后端的主轴颈）比气缸数多一个；V形发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数比气缸数的一半多一个。全支承曲轴的优点是可以提高曲轴的刚度和弯曲强度，并且可减轻主轴承的载荷。其缺点是曲轴的加工表面增多，主轴承数增多。柴油机一般都采用这种支撑方式。非全支承曲轴的优点是缩短了曲轴的长度，使发动机总体长度有所减小。其缺点是主轴承载荷较大。承受载荷较小的汽油机可采用此种方式。2023/2/546汽车构造曲轴飞轮组曲轴实例（上）全支承式（下）非全支承式

2023/2/547汽车构造曲轴飞轮组(c)

平衡重平衡重用来平衡曲轴的离心力及其力矩，有时也平衡一部分活塞连杆组的往复惯性力及其力矩，以使发动机运转平稳，并可减小曲轴主轴承的负荷。对于四缸、六缸等直列多缸发动机，就整体而言其惯性力、离心力及其力矩是平衡的，但曲轴局部受弯矩作用。曲柄平衡重作用示意图(a)无平衡重(b)加平衡重图(a)中，惯性力F1和F2平衡，F3和F4平衡，力矩M1-2与M3-4平衡，但M1-2和M3-4给曲轴造成弯曲载荷。因此，通常在曲轴的相反方向设置平衡重，使其产生的力矩与上述惯性力矩相平衡，如图(b)所示。注：在曲轴的曲柄臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力及其力矩，而往复惯性力及其力矩的平衡则需采用专门的平衡机构。2023/2/548汽车构造曲轴飞轮组(d)

曲轴前后端结构曲轴前端结构1起动爪2带轮3正时齿轮4油封5止推垫片6滑动推力轴承7滑动推力轴承8甩油盘2023/2/549汽车构造曲轴飞轮组曲轴后端结构1轴承座2甩油盘3回油螺纹4飞轮5飞轮螺栓螺母6曲轴凸缘盘7填料油封8轴承盖2023/2/550汽车构造曲轴飞轮组(e)

曲轴轴承按照承载方向，曲轴轴承可分为径向轴承和轴向（推力）轴承。径向轴承用于支承曲轴，通常为分开的滑动轴承。曲轴滑动轴承(a)单层合金(b)双层合金

(c)三层合金

2023/2/551汽车构造曲轴飞轮组轴向（推力）轴承用来限制曲轴的轴向蹿动，保证曲柄连杆机构各零件正确的相对位置。轴向定位是通过止推装置实现的，止推装置有翻边轴瓦、止推片、止推环和轴向止推滚珠轴承等多种形式。翻边轴承就是将径向轴承与推力轴承合二为一。多层推力轴承卷边4油孔3油槽2凸肩12023/2/552汽车构造曲轴飞轮组（3）常见多缸发动机曲拐布置和发火顺序简介曲轴的形状和各曲拐的相对位置取决于汽缸数、气缸排列方式和各缸的做功行程交替顺序。在选择发动机工作顺序时，应注意以下几点：应该使接连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在进气行程中发生抢气现象。各气缸发火的间隔时间应该相同。发火间隔时间若以曲轴转角计则称发火间隔角。在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次。对于气缸数为i的四冲程发动机，其发火间隔角应为720°/i，即曲轴每转720°/i时，就有一缸发火作功，以保证发动机运转平稳。V型发动机左右两列气缸应交替发火。2023/2/553汽车构造曲轴飞轮组(a)直列四缸四行程发动机发火间隔角为720°/4=180°。发火顺序有2种，即1—2—4—3或1—3—4—2。直列四缸发动机曲拐布置2023/2/554汽车构造曲轴飞轮组工作循环表发火顺序：1—3—4—2发火顺序：1—2—4—32023/2/555汽车构造曲轴飞轮组(b)直列六缸四行程发动机发火间隔角为720°/6=120°，曲拐均匀布置在互成120°的3个平面内。国产汽车常用发火顺序为1—5—3—6—2—4。直列六缸发动机曲拐布置2023/2/556汽车构造曲轴飞轮组工作循环表发火顺序：1—5—3—6—2—42023/2/557汽车构造曲轴飞轮组(c)直列五缸四行程发动机发火间隔角为720°/5=144°，曲拐均匀布置在互成144°的5个平面内。发火顺序为1—2—4—5—3。直列五缸发动机曲拐布置2023/2/558汽车构造曲轴飞轮组工作循环表发火顺序：1—2—4—5—32023/2/559汽车构造V形六缸发动机曲拐布置曲轴飞轮组(d)V形六缸四行程发动机发火间隔角为720°/6=120°，曲拐均匀布置在互成60°的6个平面内。发火顺序为1—4—3—6—2—5。2023/2/560汽车构造曲轴飞轮组工作循环表曲轴转角/（°）1缸2缸3缸4缸5缸6缸0~1800~60做功排气进气压缩进气60~120进气压缩排气120~180做功180~360180~240排气压缩240~300压缩做功进气300~360排气360~540360~420进气做功420~480做功排气压缩480~540进气5