第二章 曲柄连杆机构

第二章曲柄连杆机构第一页，共七十六页，2022年，8月28日第二章曲柄连杆机构

第一节

概述

一、功用与组成

（一）、功用

把燃气作用在活塞顶上的力转化为曲轴的转矩，向工作机械输出机械能。

(二）、组成1、气缸体与曲轴箱组：主要包括气缸体、曲轴箱气缸盖、气缸套、气缸衬垫和油底壳等；2、活塞连杆组：主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等；3、曲轴飞轮组：主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器等。

曲柄连杆机构中部分主要零件如图2-1所示

第二页，共七十六页，2022年，8月28日桑塔纳轿车的曲柄连杆机构第三页，共七十六页，2022年，8月28日第四页，共七十六页，2022年，8月28日二、工作条件与受力分析

（一）、工作条件

高温：最高可达2500K以上

高压：最高可达3MPa—5MPa

高速：最高可达3000r/min—6000r/min

化学腐蚀：可燃混合气和燃烧废气直接接触机件。

第五页，共七十六页，2022年，8月28日（二）曲柄连杆机构

所受的力第六页，共七十六页，2022年，8月28日1、气体作用力

在每个工作循环中，气体压力始终存在并不断变化。这里主要研究作功和压缩行程中气体作用力。

作功行程：

气体压力是推动活塞向下运动的力。如图2-2a所示。第七页，共七十六页，2022年，8月28日第八页，共七十六页，2022年，8月28日第九页，共七十六页，2022年，8月28日结论：

在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随着活塞的位移而变化的。沿气缸方向上个处的磨损是不均匀的；同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也是不均匀的。

第十页，共七十六页，2022年，8月28日2、往复惯性力与离心力1）、往复惯性力

指活塞组件和连杆小头在气缸中作往复直线运动所产生的惯性力。

其大小：与机件的质量及加速度成正比；

其方向：总是与加速度的方向相反。

规律：当活塞向下运动时，前半程是加速运动，惯性力向上；后半程是减速运动，惯性力向下。第十一页，共七十六页，2022年，8月28日图2-3a同理，活塞向上运动时，前半程是减速运动，惯性力向下；图2-3a。第十二页，共七十六页，2022年，8月28日图2-3b后半程是加速运动，惯性力向上。图2-3b第十三页，共七十六页，2022年，8月28日第二节

气缸体与曲轴箱组

气缸体示意图

一、气缸体1、气缸体：发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，称为气缸体--曲轴箱，简称气缸体。

气缸：气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔。2、气缸的工作条件：高温、高压，并且有活塞在其中做高速往复运动。

第十四页，共七十六页，2022年，8月28日3、材料：优质合金铸铁、球墨铸铁或铝合金。4、气缸体的冷却方式：水冷、风冷。一般发动机多采用水冷却。水冷却时：用水套。

第十五页，共七十六页，2022年，8月28日图片风冷却时：用散热片。第十六页，共七十六页，2022年，8月28日5、气缸的排列型式：单列式、V型和对称式。

第十七页，共七十六页，2022年，8月28日6、气缸套的结构：干式、湿式。

第十八页，共七十六页，2022年，8月28日二、气缸盖与气缸衬垫1、功用、结构、材料

功用：密封气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。

结构：气缸盖内部有与气缸体相通的冷却水套，应有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道，有燃烧室、火花塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴油机），有些还有用以安装凸轮轴的轴承孔。图2-10

材料：

灰铸铁、合金铸铁、铝合金。

类型：单体气缸盖、整体气缸盖。

第十九页，共七十六页，2022年，8月28日上海桑塔纳轿车发动机的发动机气缸盖第二十页，共七十六页，2022年，8月28日2、燃烧室及要求

燃烧室：由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成。

对燃烧室的要求：①结构紧凑，面容比小，冲气效率高；②在压缩行程终了时，具有一定的涡流；③表面光滑，不易积碳，排气净化好。

3、汽油机燃烧室的形状：图2-11

楔形：结构简单、紧凑；

盆形：结构简单、紧凑；

半球形：结构更紧凑。

第二十一页，共七十六页，2022年，8月28日汽油机的燃烧室形状第二十二页，共七十六页，2022年，8月28日4、气缸垫的要求、功用、类型

气缸垫的要求：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。

功用：保证燃烧室的密封。

类型：①金属-石棉气缸垫；②实心金属片气缸垫；③加强型无石棉气缸垫。

气缸盖的拧紧：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，最后一次要用扳手按工厂规定的拧紧力矩值拧紧。

铝合金气缸盖：最后必须在发动机冷态下拧紧；

铸铁气缸盖：最后必须在发动机热态下拧紧。

第二十三页，共七十六页，2022年，8月28日气缸盖衬垫的结构第二十四页，共七十六页，2022年，8月28日三、油底壳1、功用：储存机油并封闭曲轴箱。2、结构、材料：薄钢板冲压而成；底部装有放油螺塞，有的螺栓带有磁性。

第二十五页，共七十六页，2022年，8月28日四、发动机的支承1、发动机的支承方式：

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。

如图2-14所示。

第二十六页，共七十六页，2022年，8月28日发动机的支承第二十七页，共七十六页，2022年，8月28日第三节

活塞连杆组

组成：活塞、活塞环、活塞销和连杆一、活塞1、功用：是与气缸盖共同构成燃烧室，承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴转动。2、工作条件：高温、高压、高速、润滑不良和散热困难。3、受力情况：周期性的气压力、惯性力；一定的热应力。4、对活塞的要求：①足够的强度与刚度；②良好的导热性和耐磨性；③质量小；④热膨胀系数小，摩擦系数小。

第二十八页，共七十六页，2022年，8月28日

活塞连杆组

第二十九页，共七十六页，2022年，8月28日5、材料：铝合金、灰铸铁。

6、结构：图2-16顶部：凸顶、凹顶、平顶。

图2-17头部：环槽。裙部：全裙式、拖板式。图2-19第三十页，共七十六页，2022年，8月28日活塞的基本结构第三十一页，共七十六页，2022年，8月28日活塞顶部的形状第三十二页，共七十六页，2022年，8月28日拖板式活塞第三十三页，共七十六页，2022年，8月28日7、变形：裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆形。

防止措施：必须预先在冷态下把活塞加工成裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。

具体的方法：

①

头部加工成阶梯形、截锥形；裙部加工成截锥形。

②“T”、“П”槽

；

③

双金属活塞。

第三十四页，共七十六页，2022年，8月28日活塞裙部的椭圆变形第三十五页，共七十六页，2022年，8月28日活塞头部形状及锥形裙部第三十六页，共七十六页，2022年，8月28日开槽活塞第三十七页，共七十六页，2022年，8月28日二、活塞环1、类型：气环、油环。2、功用：气环：密封、导热；

油环：刮油、布油和辅助密封。3、工作条件：高温、高压、高速以及润滑困难。4、材料：

灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁。目前汽车上广泛应用合金铸铁。

对活塞环材料的要求：好的耐磨性、耐热性、磨合性、导热性；高的强度、冲击韧性和足够的弹性。

第三十八页，共七十六页，2022年，8月28日5、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，按照时，活塞环应留有端隙、侧隙和背隙。

端隙：△1一般为：0.25--0.50mm

侧隙：△2一般为：第一环：0.04--0.10mm；其他环：；油环：0.025--0.07mm。

背隙：△3一般为：0.5--1mm。

其作用：增大存油间隙，以利于减压泄油。

如图2-30所示。

第三十九页，共七十六页，2022年，8月28日活塞环的间隙第四十页，共七十六页，2022年，8月28日6、气环的密封原理：

⑴第一密封面：活塞环因弹力而压紧在气缸壁上，形成第一密封面。

⑵第二密封面：活塞环在燃气压力作用下，压紧在环槽的下端面上，形成第二密封面。

⑶第一密封面的第二次密封：燃气绕流到环的背面，并引发膨胀，使环更紧地贴在气缸壁上，形成第一密封面的第二次密封。

如图2-31所示。第四十一页，共七十六页，2022年，8月28日气环的密封原理

第四十二页，共七十六页，2022年，8月28日6、气环的切口形状：气环的切口间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；气环的切口间隙过小，活塞环受热膨胀后就可能卡死或折断。a）、直角口；b）、阶梯形；c）、斜口；d）、带防转销钉槽

第四十三页，共七十六页，2022年，8月28日7、气环断面形状：a）、矩形环；b、）锥面环；c）、正扭曲内切环；d）、反扭曲内切环；e）、梯形环；f）、桶形环

第四十四页，共七十六页，2022年，8月28日矩形断面环的泵油作用第四十五页，共七十六页，2022年，8月28日扭曲环的工作原理第四十六页，共七十六页，2022年，8月28日

8、油环的分类：①普通油环；（一般为合金铸铁）图2-38。

②组合油环。（一般为高速发动机采用）

第四十七页，共七十六页，2022年，8月28日油环的刮油作用第四十八页，共七十六页，2022年，8月28日三、活塞销1、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。2、工作条件：高温下的周期性冲击载荷，润滑条件差。3、材料：低合金渗碳钢。4、形状、结构：空心圆柱体。

它的形状：

①圆柱形；②端部呈锥形扩展；③中间封闭式；④单侧封闭式；⑤内有塑料芯的钢套销；⑥成型销

如图2-40所示。5、连接配合：一般采用全浮式。

为了防止活塞销的轴向窜动，在活塞销座两端用卡环在销座凹槽中加以轴向定位。

第四十九页，共七十六页，2022年，8月28日活塞销的形状第五十页，共七十六页，2022年，8月28日活塞销的连接方法第五十一页，共七十六页，2022年，8月28日四、连杆1、功用：将活塞承受的力传给曲轴，推动曲轴转动，从而使活塞的往返运动转变为曲轴的旋转运动。2、工作条件：气体作用力、往复作用惯性力、旋转作用惯性力。3、材料：中碳钢、中碳合金钢。4、结构、组成：小头、杆身、大头。

如图2-42、2-43所示。

第五十二页，共七十六页，2022年，8月28日连杆组件第五十三页，共七十六页，2022年，8月28日连杆构造图第五十四页，共七十六页，2022年，8月28日5、连杆大头的剖分：

平切口、斜切口。一般采用斜切口。6、连杆大头的定位：

平切口：利用连杆上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。

斜切口：止口定位、套筒定位、锯齿定位。

如图2-44所示。

第五十五页，共七十六页，2022年，8月28日斜切口

连杆的定位方式第五十六页，共七十六页，2022年，8月28日7、V形发动机的连杆：1）、并列连杆式；2）、主副连杆式；3）、叉形连杆式；8、连杆大头螺母的锁止：开口销、双螺母、自锁螺母

。第五十七页，共七十六页，2022年，8月28日9、连杆轴承：

①结构：钢背和减摩层组成的分开式薄壁轴承。

②要求：足够的疲劳强度、良好的抗咬性、顺应性、嵌藏性，足够的结合强度和良好的耐磨性。

③材料：白合金、铜铅合金和铝基合金。

④锁止：在轴承的剖分面上，分别冲压出高于钢背的两个定位凸唇，装配时，这两个凸唇分别嵌入在连杆大头和连杆盖的相应的凹槽中。

第五十八页，共七十六页，2022年，8月28日第四节

曲轴飞轮组

曲轴飞轮组的组成：曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮、正时齿轮等。图2-48一、曲轴1、功用：承受连杆传来的力并通过飞轮输出、驱动发动机的配气机构及其他辅助装置。2、工作条件：旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力、往复惯性力。3、材料：优质中碳钢、中碳合金钢、球墨铸铁。4、组成：主轴径、连杆轴径、曲柄、平衡重、前端轴和后端凸缘等。

5、结构：

第五十九页，共七十六页，2022年，8月28日曲轴飞轮组

第六十页，共七十六页，2022年，8月28日①曲轴的支承型式示意图，图2-49；

第六十一页，共七十六页，2022年，8月28日②组合式曲轴，图2-50；

第六十二页，共七十六页，2022年，8月28日③曲轴平衡重作用示意图，图2-51；

第六十三页，共七十六页，2022年，8月28日④装配式平衡曲轴，图2-52；

第六十四页，共七十六页，2022年，8月28日⑤曲轴前端的结构，图2-53；

第六十五页，共七十六页，2022年，8月28日⑥回油螺纹的密封原理，图2-55；

第六十六页，共七十六页，2022年，8月28日⑦曲轴推力轴承，图2-56；

第六十七页，共七十六页，2022年，8月28日6、曲轴的形状与各曲拐的相对位置取决于缸数、气缸的排列方式和发火次序。

①连续作功的两缸相距尽可能远；②作功间隔应力求均匀。并且须动平衡。

7、发动机曲拐和发火次序：

①四冲程直列四缸发动机：

发火间隔角为180°。

发火