结构部分曲柄连杆机构分析

曲柄连杆机构机体组活塞连杆组曲轴飞轮组概述

南昌大学机电学院1概述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。

1、机体组2、活塞连杆组3、曲轴飞轮组一、曲柄连杆机构的功用三、组成二、工作条件相当恶劣:它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用,并且润滑困难。受力复杂：气体作用力、运动惯性力和离心力、摩擦阻力南昌大学机电学院多缸发动机的曲柄连杆机构演示

南昌大学机电学院2机体组机体组组成：曲轴箱气缸垫气缸盖气缸油道和水道油底壳气缸体气缸盖罩南昌大学机电学院2.1气缸体1、气缸体:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱南昌大学机电学院油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心气缸体上曲轴的主轴承孔为整体式（1）按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为2、气缸体分类一般式龙门式隧道式南昌大学机电学院名称性能应用一般式机体高度小、重量轻、结构紧凑，便于加工拆卸。刚度和强度差。492Q汽油机，90系列柴油机。龙门式强度和刚度较好。工艺性差、结构笨重、加工困难。捷达轿车、富康轿车、桑塔纳轿车隧道式结构紧凑、刚度和强度好。难加工、工艺性差、曲轴拆卸不方便。负荷较大的柴油机上。性能与应用比较南昌大学机电学院（2）根据冷却方式不同分：水冷、风冷散热片冷却水南昌大学机电学院（3）根据气缸的排列方式结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大。缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机重量；形状复杂，加工困难。高度小，总体布置方便。南昌大学机电学院（4）干式气缸套和湿式气缸套名称特点示意图干缸套外壁不直接与冷却水接触。壁厚1～3mm。湿缸套外壁直接与冷却水接触。壁厚5～9mm。强度和刚度都较好，加工复杂，拆装不便，散热不良。散热良好、冷却均匀、加工容易。强度和刚度不如干缸套，易漏水。南昌大学机电学院3气缸盖、气缸垫和气缸盖罩功用：密封气缸的上部，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：由于接触温度很高的燃气，所以承受的热负荷很大。1、气缸盖南昌大学机电学院气缸垫：功用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气，漏水和漏油。气缸盖气缸盖罩衬垫安装火花塞2、气缸盖罩和气缸垫南昌大学机电学院气缸垫1.作用：保证气缸体与气缸盖间的密封，防止漏水、漏气。气缸垫南昌大学机电学院2.构造(1)金属—石棉垫：外包铜皮和钢片，且在缸口、水孔、油道口周围卷边加强，内填石棉（常掺入铜屑或钢丝，以加强导热）。

南昌大学机电学院（2）

金属骨架—石棉垫：以编织的钢丝网或有孔钢板为骨架，外覆石棉，只在缸口、水孔、油道口处用金属片包边。南昌大学机电学院（3）纯金属垫：（见图e）由单层或多层金属片（铜、铝或低碳钢）制成，用于某些强化发动机。

南昌大学机电学院汽油机燃烧室形状燃烧室形状要求：结构紧凑，表面积小形状有利混合气形成涡流运动南昌大学机电学院3、燃烧室名称特点示意图应用半球形结构紧凑、火焰行程段、燃烧速率高、热损失小、热效率高桑塔纳夏利富康楔形结构简单、紧凑、散热面积小、热损失少；火花塞置于燃烧室最高处，火焰传播距离长切诺基盆形工艺性好、成本低、进排气效果不如半球形燃烧室捷达奥迪南昌大学机电学院三、油底壳1、概念：

贮存机油并封闭曲轴箱，又称为下曲轴箱。2、使用特点：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

南昌大学机电学院3活塞连杆组气环油环活塞销活塞连杆连杆螺栓连杆轴瓦连杆盖南昌大学机电学院点此观看活塞连杆组的录像南昌大学机电学院1、功用：承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。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；高速，线速度达到10m/s，承受很大的惯性力。活塞顶部承受最高可达3～5MPa（汽油机）的压力，使之变形，破坏配合联结。3、材料：铝合金：质量小导热性好；灰铸铁活塞应具备的特点A刚度和强度应足够大，传力可靠。B导热性能好，耐高压、高温、磨损C质量较小，尽可能减少往复惯性力D耐热的活塞顶及弹性的活塞裙E活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数一、活塞南昌大学机电学院（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。4、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制有加强筋。

南昌大学机电学院结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀，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。凹坑的形状、位置必须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。南昌大学机电学院（2）活塞头部位置：第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分。工作条件最恶劣，应离顶部远些。1、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸、2、防止可燃混合气漏到曲轴箱内，3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。作用：头部南昌大学机电学院（3）活塞裙部位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力裙部南昌大学机电学院5、结构特点：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（1）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。

南昌大学机电学院活塞裙部的椭圆变形演示（2）预先做成椭圆形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。南昌大学机电学院（3）活塞裙部开槽横向绝热槽减少裙部受热有的兼作油环回油孔纵向膨胀槽留有膨胀余地活塞强度降低绝热槽膨胀槽南昌大学机电学院（4）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就是这样的，由于恒范钢为含镍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。南昌大学机电学院6、活塞在工作时的保护措施（1）在活塞裙部表面涂保护层，可改善铝合金活塞的磨合性；主要有铅、锡、石墨、磷保护层等。（2）在安装活塞销时，使活塞销偏置某一方向装，以减少换向时的敲击声，且使裙部减小磨损；有的汽油机上，活塞销孔中心线是偏离活塞中心线平面，向作功行程中受主侧压力的一方偏移了1～2mm。活塞越过上止点时侧压力方向改变会产生“敲缸”噪声可减轻活塞“敲缸”噪声，但会引起裙部两端尖角的磨损或变形增大南昌大学机电学院（二）活塞环是具有弹性的开口环，分为气环和油环。工作条件：高温、高压、高速、极难润滑。平均寿命：6万公里材料：合金铸铁或球墨铸铁（有时表面涂有保护层）开口气环（1）气环

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，再由冷却水将其带走。南昌大学机电学院气环的断面形状:最常见的有矩形环、扭曲环、锥面环、梯形环和桶面环

南昌大学机电学院气环的密封原理：将2～3道气环的开口相互错开形成“迷宫式”封气装置。断面为矩形气环的泵油作用（将气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室中，使机油消耗量增加，活塞顶及燃烧室壁面积炭）：动态演示点此观看录像南昌大学机电学院（2）油环油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油，并涂上一层均匀的油膜。（防止机油窜入燃烧室被烧掉，实现对活塞、活塞环和气缸壁的润滑）油环的刮油作用南昌大学机电学院种类普通油环组合式油环示意图刮油片轴向衬环径向衬环刮油片南昌大学机电学院（三）活塞销作用：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。材料与工艺:优质低碳钢，表面淬火、精磨。南昌大学机电学院构造：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。南昌大学机电学院连杆活塞销全浮式：活塞销能在连杆衬套和活塞销座中自由摆动，使磨损均匀。半浮式：活塞中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，活塞销只能在两端销座内作自由摆动。多用于小轿车形式:全浮式（工作时自由转动）、半浮式。南昌大学机电学院（四）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。连杆组件分解图连杆小头杆身连杆大头南昌大学机电学院连杆大头①剖分形式（连杆大头剖分，用连杆螺栓紧固）

平切口斜切口结合面与连杆轴线垂直刚度大变形小成本低汽油机采用平切口结合面与连杆轴线成30°~60°夹角连杆体能从缸体上端取出多用于柴油机南昌大学机电学院②定位方式（防止连杆盖横向移动）平切口连杆斜切口连杆连杆螺栓承受较大剪切力易疲劳破坏应采用能承受横向力的定位方法利用连杆螺栓上一段精密加工圆柱面与精密加工螺栓孔进行定位南昌大学机电学院止口定位锯齿定位套筒定位工艺简单外形尺寸大定位不可靠贴合紧密定位可靠结构紧凑定位可靠加工复杂南昌大学机电学院V型发动机连杆

（1）并列连杆前后连杆可通用左右两列活塞运动规律相同增加了曲轴和发动机长度优点缺点南昌大学机电学院（2）主副连杆主副连杆不能互换两列活塞运动规律和上止点位置不相同优点不会增加发动机长度缺点主连杆副连杆南昌大学机电学院（3）叉形连杆两列气缸无需错开两列气缸中活塞运动规律相同连杆大头结构复杂、刚度较差优点缺点叉形连杆内连杆叉形连杆轴承内连杆轴承南昌大学机电学院5.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南昌大学机电学院二、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。南昌大学机电学院

3、结构：前端轴连杆轴颈曲轴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。曲柄南昌大学机电学院中碳钢或中碳合金钢模锻如45、40Cr、35Mn2等强度和刚度较好球墨铸铁轴颈表面高频淬火或氮化处理提高曲轴耐磨性

耐磨性好、轴颈不需硬化处理、成本低、机械加工量少

4、材料：中碳钢（汽）、合金铸铁（柴）、球墨铸铁。南昌大学机电学院5、分类：①按单元曲拐连接方式分类

整体式曲轴（常用）各单元曲拐锻造或铸造成整体工作可靠质量轻结构简单加工面少主轴颈连杆轴颈曲柄臂概念特点南昌大学机电学院组合式曲轴（经常用于连杆大头为整体式的小型汽油机和以滚动轴承作为曲轴主轴承的发动机上）由单元曲拐组合装配方便制造和更换结构复杂拆装不便曲柄臂兼作主轴颈单元曲拐滚动轴承(主轴承)配用隧道式机体概念特点南昌大学机电学院6、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。南昌大学机电学院（2）连杆轴颈（3）曲柄——曲轴臂，用于连接主轴颈和连杆轴颈平衡离心力偶(平衡旋转惯性力及其力矩)减轻或消除弯曲变形部分中空兼作油道安装连杆大头中空连杆轴径平衡重曲柄（4）平衡块南昌大学机电学院①平衡重作用

4132F1F2F3F4M3-4M1-2F1=F2F3=F4M1-2=M3-4发动机旋转惯性力及其力矩外部平衡M1-2、M3-4造成曲轴弯曲载荷，需在曲柄相反方向附加平衡重旋转惯性力及其力矩内部不平衡南昌大学机电学院②平衡重作用方法完全平衡法平衡重数量多曲轴质量增加工艺性变差分段平衡法每个曲柄臂设有平衡重部分曲柄臂设有平衡重南昌大学机电学院③平衡重形状及安装方法平衡重形状多为扇形，使其重心远离曲轴回转中心平衡重安装方法以较小质量获得较大旋转惯性力与曲柄臂锻或铸成一体单独制成零件，用螺栓紧固在曲柄臂上南昌大学机电学院（5）前端轴和后端轴前端轴：安装正时齿轮及附件（皮带盘等）1.2止推轴承3.止推片4.正时齿轮5.甩油盘6.油封7.皮带轮8.起动爪7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或止推片摩擦。4186325正时：就是通过发动机的正时机构，让每个气缸正好做到活塞向上正好到上止点时、气门正好关闭、火花塞正好点火正时齿轮的作用就是当发动机运转时，活塞的行程（上下的运动）气门的开启与关闭（时间）点火的顺序（时间），在“正时"的连接作用下，时刻要保持“同步”运转.皮带轮用以驱动许多部件，包括发电机、水泵、和动力转向的液压泵等等南昌大学机电学院后端轴：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。曲轴后端回油螺纹南昌大学机电学院（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（或翻边轴瓦）来实现的，定位只能有一处。主轴颈止推垫片止推垫片连杆轴颈主轴承盖南昌大学机电学院三、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）一般规律南昌大学机电学院（2）常见曲轴曲拐的布置对缸数为i的发动机而言，其发火间隔为：四行程：720°/i

二行程：360°/i①四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。曲轴转角（度）

一缸二缸三缸四缸0～180180～360360～540540～720功功功功排进压排进压排进压排进压1↓3↓4↓2南昌大学机电学院四缸四行程发动机的曲拐布置南昌大学机电学院②直列四冲程六缸发动机发火顺序和曲拐布置曲轴转角（度）601201802403003604204805406006607200～180180～360360～540540～720一缸二缸三缸四缸五缸六缸排进压进压排进压排进压排进压排进压排发火顺序：1-5-3-6-2-4功功功功功功南昌大学机电学院六缸四行程发动机的曲拐布置南昌大学机电学院八缸四行程发动机的曲拐布置（红旗轿车SV100型发动机）1-8-4-3-6-5-7-2南昌大学机电学院四、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。

橡胶式摩擦片式硅油式南昌大学机电学院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能量，消减了扭振。橡胶摩擦式曲轴扭转减振器结构图南昌大学机电学院五、飞轮（一）功用：

将在作功行程中输入于曲轴的能量的一部分贮存起来，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，保证曲轴的旋转角速度和输出