第二章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

1、汽車構(gòu)造ZW 主編 關(guān)文達(dá)第二章曲柄連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié)概述第二節(jié)機(jī)體組第三節(jié)活塞連桿組第四節(jié)曲軸飛輪組第一節(jié)概述圖2-1曲柄連桿機(jī)構(gòu)1曲軸2連桿3活塞4氣缸體5飛輪第二節(jié)機(jī)體組一、氣缸體二、氣缸蓋和氣缸襯墊三、油底殼一、氣缸體圖2-2機(jī)體組1油底殼2氣缸體3氣缸墊4氣缸蓋5氣缸蓋罩一、氣缸體圖2-3氣缸體a)氣缸體立體圖b)一般式氣缸體c)龍門式氣缸體d)隧道式氣缸體1水套2加強(qiáng)肋3油底殼加工面4軸承座孔加工面5凸輪軸座孔6濕式氣缸套7主軸承座孔一、氣缸體圖2-4氣缸體和氣缸蓋a)水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體與氣缸蓋b)風(fēng)冷式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體與氣缸蓋1氣缸體2水套3氣缸蓋4燃燒室5氣缸墊6散熱片一、氣缸體圖

2、2-5氣缸的排列形式a)直列式b)V形式c)對置式一、氣缸體圖2-6氣缸套a)干式b)濕式1氣缸套2水套3氣缸體4密封圈圖2-7氣缸蓋及其零件1氣缸墊2氣缸蓋3導(dǎo)氣板墊4導(dǎo)氣板5軟管6機(jī)油加注口蓋7氣缸蓋罩8密封襯墊9火花塞二、氣缸蓋和氣缸襯墊二、氣缸蓋和氣缸襯墊圖2-8上海桑塔納轎車氣缸蓋1氣缸蓋2氣缸墊3機(jī)油反射罩4氣缸蓋罩5壓條6氣門罩條7加油蓋二、氣缸蓋和氣缸襯墊(1)盆形燃燒室(圖2-9a) (2)楔形燃燒室(圖2-9b)(3)半球形燃燒室(圖2-9c) (4)雙球形燃燒室(圖2-9d)(5)多氣門篷形燃燒室(圖2-9e)二、氣缸蓋和氣缸襯墊圖2-9汽油機(jī)燃燒室形狀a)盆形b)楔形c

3、) 半球形d)雙球形e)多氣門篷形(1)盆形燃燒室(圖2-9a)氣門垂直布置在燃燒室上面。盆形燃燒室結(jié)構(gòu)簡單，也較緊湊，能形成一定的擠氣渦流，制造工藝性好，便于維修；但其進(jìn)、排氣阻力大，充氣效率較低，燃燒速度較低。 (2)楔形燃燒室(圖2-9b)楔形燃燒室的氣門斜置，結(jié)構(gòu)較簡單、緊湊，在壓縮終了時(shí)能產(chǎn)生強(qiáng)烈擠氣渦流，充氣效率較高，燃燒速度快；但存在較大的散熱面積，對HC排放不利。 (3)半球形燃燒室(圖2-9c)這種燃燒室進(jìn)、排氣門傾斜布置，氣門直徑較大，其結(jié)構(gòu)最為緊湊，散熱面積小，充氣效率高，有利于促進(jìn)燃料的完全燃燒及排氣凈化，HC排放量較少。但其配氣機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，且NOx排放量較多。 (4)

4、雙球形燃燒室(圖2-9d)該型燃燒室斷面像篷形，由半球形發(fā)展而來。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，充氣效率較高，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短等優(yōu)點(diǎn)。一汽天津夏利及歐寶V6、奔馳320E和三菱3G81等轎車發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種燃燒室。 該型燃燒室斷面像篷形，由半球形發(fā)展而來。它具有結(jié)構(gòu)緊湊，充氣效率較高，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x短等優(yōu)點(diǎn)。一汽天津夏利及歐寶V6、奔馳320E和三菱3G81等轎車發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種燃燒室。(5)多氣門篷形燃燒室(圖2-9e)圖2-10氣缸墊三、油底殼圖2-11油底殼第三節(jié)活塞連桿組一、活塞二、活塞環(huán)三、活塞銷四、連桿如圖2-12所示，活塞連桿組主要由活塞9、活塞環(huán)10、活塞銷8和連桿5等機(jī)件組成。圖2-12活塞連桿組

5、1連桿螺母2連桿蓋3連桿軸承4連桿螺栓5連桿6連桿襯套7活塞銷卡環(huán)8活塞銷9活塞10活塞環(huán)第三節(jié)活塞連桿組 活塞的主要功用是承受氣缸中可燃混合氣燃燒產(chǎn)生的壓力，并將此力通過活塞銷和連桿傳給曲軸；此外，活塞還與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。 整個(gè)活塞可分為活塞頂1、活塞頭2和活塞裙部7三個(gè)部分(圖2-13)。一、活塞一、活塞圖2-13活塞的基本結(jié)構(gòu)a)全剖面b)部分剖面1活塞頂2活塞頭3活塞環(huán)4活塞銷座5活塞銷6活塞銷鎖環(huán)7活塞裙部8加強(qiáng)肋9環(huán)槽 活塞頂是燃燒室的組成部分，因而常制成不同的形狀，活塞頂?shù)男螤钆c選用的燃燒室形狀有關(guān)。汽油機(jī)活塞頂多采用平頂(圖2-14a)，以使燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，散熱面

6、積小，并且制造工藝簡單。有些汽油機(jī)為了改善混合氣形成和燃燒而采用凹頂活塞(圖2-14b)；凸頂活塞常用于二沖程汽油機(jī)(圖2-14c)；柴油機(jī)活塞頂常制成各種凹坑形。一、活塞一、活塞圖2-14活塞頂?shù)男螤頰)平頂b)凹頂c)凸頂一、活塞為使活塞在各種工況下均能與氣缸壁間保持合理的密封和運(yùn)動(dòng)間隙，制造活塞時(shí)通常采取下列結(jié)構(gòu)措施：1)在活塞裙部高度方向上制成近似的圓錐形，以補(bǔ)償活塞裙部熱膨脹量上大下小的情況，保證活塞在工作狀態(tài)(熱態(tài))下整體形狀接近一個(gè)圓柱形。2)將活塞裙部制成橢圓形(圖2-15b)，橢圓的長軸在垂直于活塞銷座孔軸線的方向。3)活塞裙部開膨脹槽和絕熱槽(圖2-15c)。4)采用雙金屬

7、活塞，即在活塞裙部或活塞銷座內(nèi)鑄入或嵌入膨脹系數(shù)低的鋼片，以減少活塞裙部的膨脹量。圖2-15活塞裙部不同形狀的結(jié)構(gòu)a)錐形裙部活塞b)橢圓形裙部活塞c)活塞的膨脹槽和絕熱槽d)恒范鋼片式活塞e)熱膨脹自動(dòng)調(diào)節(jié)式活塞一、活塞 活塞銷座孔的中心線一般位于活塞中心線的平面內(nèi)。但有些高速發(fā)動(dòng)機(jī)，將活塞銷座中心線向在做功行程承受側(cè)壓力的一面偏移e12mm(圖2-16)，目的是為了減輕活塞在越過上止點(diǎn)時(shí)因側(cè)壓力瞬時(shí)換向而產(chǎn)生的“敲缸”現(xiàn)象，減小噪聲，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)工作的平順性。一、活塞圖2-16活塞銷偏置和活塞的換向a)活塞銷對中布置b)活塞銷偏移布置一、活塞 活塞環(huán)分為氣環(huán)和油環(huán)兩種(圖2-17)。二、

8、活塞環(huán)圖2-17活塞環(huán)二、活塞環(huán)圖2-18氣環(huán)密封原理1第一密封面2第二密封面第一密封面壓緊力第二密封面壓緊力p氣缸內(nèi)氣體壓力活塞環(huán)側(cè)氣體壓力活塞環(huán)背壓力活塞環(huán)彈力活塞環(huán)慣性力f活塞環(huán)與氣缸壁摩擦力二、活塞環(huán)圖2-19活塞環(huán)間隙1氣缸2活塞環(huán)3活塞開口間隙側(cè)隙背隙二、活塞環(huán)圖2-20氣環(huán)的斷面形狀a)矩形環(huán)b)錐面環(huán)c)正扭曲內(nèi)切環(huán)d)反扭曲錐面環(huán)e)梯形環(huán)f)桶面環(huán)氣環(huán)常見的斷面形狀有以下幾種：二、活塞環(huán)(1)矩形環(huán)(圖2-20a)其結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，散熱性好，廢品率較低；但有泵油作用(泵油作用如圖2-21所示)，能將機(jī)油逐級由下向上泵入氣缸中燃燒掉，在燃燒室內(nèi)形成積炭并增加機(jī)油消耗量；另

9、外，矩形環(huán)的磨合性、刮油性、密封性欠佳。(2)錐面環(huán)(圖2-20b)它與缸壁為線接觸，有利于密封和磨合，該環(huán)在活塞下行時(shí)有刮油作用，上行時(shí)能和氣缸壁形成楔形油膜以改善潤滑；但其傳熱性差，不易作第一道氣環(huán)使用。(3)扭曲環(huán)(圖2-20c、d)它除具有錐面環(huán)的優(yōu)點(diǎn)外，還能減小泵油作用，減輕磨損，提高散熱能力，目前在發(fā)動(dòng)機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。(4)梯形環(huán)(圖2-20e)其主要優(yōu)點(diǎn)是能使沉積在環(huán)槽中的結(jié)焦被擠出，避免了活塞環(huán)被粘結(jié)在環(huán)槽中而折斷。圖2-21矩形斷面活塞環(huán)的泵油作用a)活塞下行 b)活塞上行二、活塞環(huán)二、活塞環(huán)(5)桶面環(huán)(圖2-20f)在活塞的上、下行程都可形成楔形油膜而改善潤滑，對活塞

10、在氣缸內(nèi)擺動(dòng)的適應(yīng)性好，接觸面積小，有利于密封；但凸圓弧表面的加工較困難。 目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)常用的油環(huán)有兩種： (1)普通油環(huán)(圖2-22)其斷面與矩形氣環(huán)相似。(2)組合油環(huán)(圖2-23)它由互相獨(dú)立的上、下刮油鋼片1、3和產(chǎn)生徑向、軸向彈力作用的襯環(huán)2組成。二、活塞環(huán)圖2-22 刮油環(huán)的刮油作用a)活塞下行 b)活塞上行二、活塞環(huán)圖2-23組合油環(huán)1上刮油鋼片2襯環(huán)3下刮油鋼片4活塞二、活塞環(huán) 活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞所承受的氣體壓力傳給連桿。 活塞銷在高溫下，承受極大的周期性沖擊載荷，潤滑條件差。因此要求活塞銷具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐磨性，且質(zhì)量要小?；钊N的形狀一般制造成

11、空心圓柱體(圖2-24)。 活塞銷與活塞銷座孔和連桿小頭襯套孔的連接配合，通常采用“全浮式”(圖2-25）三、活塞銷三、活塞銷圖2-24活塞銷內(nèi)孔形狀a)圓柱形孔b)端部呈錐形擴(kuò)展c)中間封閉式d)單側(cè)封閉式e)內(nèi)有塑料芯的鋼套銷f)成形銷三、活塞銷圖2-25活塞銷的連接方式1活塞銷2連桿3 活塞4卡環(huán) 連桿大頭的切口按剖分面的方向分為平切口和斜切口兩種形式。連桿大頭沿著與桿身軸線垂直的方向切開，稱為平切口連桿(圖2-26)，多適用于汽油機(jī)。有些柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿大頭尺寸較大，為使連桿大頭在擺動(dòng)時(shí)能通過氣缸，在維修拆裝時(shí)能將其從氣缸中抽出，可將連桿大頭沿與連桿桿身軸線成3060(常用45)的方向

12、切開，即為斜切口連桿(圖2-27)。四、連桿四、連桿圖2-26連桿1連桿蓋2連桿軸承3連桿大頭4連桿桿身5連桿小頭襯套6連桿小頭7連桿螺栓 四、連桿圖2-27斜切口連桿大頭的定位方式a)止口定位b) 套筒定位c) 鋸齒定位 連桿軸承裝配在連桿大頭孔內(nèi)，與連桿軸頸(曲柄銷)及連桿大頭孔配合工作。現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用的連桿軸承是剖分成兩半的滑動(dòng)軸承，由鋼背和減磨合金層組成(圖2-28)。四、連桿四、連桿圖2-28連桿軸承1鋼背2油槽3定位凸鍵4減磨合金層四、連桿目前汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承減磨合金主要有：(1)白合金(巴氏合金)有錫基和鉛基兩種，應(yīng)用較多的是錫基白合金。(2)銅鉛合金由質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的銅和質(zhì)量

13、分?jǐn)?shù)70%的鉛組成。(3)高錫鋁合金各方面性能都好，廣泛用于各類汽油機(jī)和柴油機(jī)上。 形發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的結(jié)構(gòu)通常有三種： (1)并列式連桿(圖2-29a)相對應(yīng)的左右兩個(gè)氣缸的連桿，沿曲軸的長度方向一前一后裝配在一個(gè)曲柄銷(曲軸上的連桿軸頸)上。(2)主副連桿(圖2-29b)一列氣缸的連桿為主連桿，連桿大頭直接裝配在曲柄銷的全長上。(3)叉形連桿(圖2-29c)左、右兩列對應(yīng)氣缸的兩個(gè)連桿中，一個(gè)連桿的大頭制成叉形，跨于另一個(gè)連桿的厚度較小的片形大頭兩端。四、連桿圖2-29V 形發(fā)動(dòng)機(jī)連桿a)并列式連桿b)主副連桿c)叉形連桿第四節(jié)曲軸飛輪組一、曲軸二、曲軸扭轉(zhuǎn)減振器三、飛輪第四節(jié)曲軸飛輪組圖2-3

14、0曲軸飛輪組零件1起動(dòng)爪2帶輪3正時(shí)齒輪4曲軸5連桿軸承6主軸承7飛輪一、曲軸1.曲軸功用2.曲軸材料3.曲軸結(jié)構(gòu)4.曲軸形狀1.曲軸功用曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的零件之一，其功用是將活塞連桿組傳來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，再通過飛輪傳遞到汽車底盤的傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)汽車行駛；同時(shí)，還用來驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)和其他輔助裝置(配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸、汽油泵、機(jī)油泵、分電器、柴油機(jī)噴油泵凸輪軸、發(fā)電機(jī)、水泵風(fēng)扇、空氣壓縮機(jī)、汽車空調(diào)壓縮機(jī)等)。 目前，曲軸多采用45、40Cr 、50MnB等鍛鋼和球墨鑄鐵制成。上海大眾轎車及江西五十鈴的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸采用49MnVS材料，提高了曲軸的韌性，改善了其切削性能。一汽奧迪

15、100、捷達(dá)和二汽富康轎車汽油機(jī)以及玉柴YC6105Q、6135Q等柴油機(jī)采用球墨鑄鐵曲軸。2.曲軸材料 曲軸可分為整體式(圖2-31)和組合式(圖2-32)兩種。除連桿大頭為整體式的某些小型汽油機(jī)或采用滾動(dòng)軸承作為曲軸主軸承的發(fā)動(dòng)機(jī)(隧道式氣缸體)采用組合式曲軸外，發(fā)動(dòng)機(jī)多采用整體式曲軸。3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-31整體式曲軸1前端軸2平衡重3連桿軸頸4主軸頸5曲柄6后凸緣3.曲軸結(jié)構(gòu)3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-32組合式曲軸1定位螺栓2滾子軸承3連接螺栓4曲柄 曲軸一般由主軸頸4、連桿軸頸3、曲柄5、平衡重2、前端軸1和后凸緣6(功率輸出端)等組成(圖2-31)。一個(gè)連桿軸頸和它兩端的曲柄及相鄰兩個(gè)主軸頸

16、構(gòu)成一個(gè)曲拐。曲拐的數(shù)目取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)目及其排列方式，直列發(fā)動(dòng)機(jī)的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)；而V形和對置式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲拐數(shù)為氣缸數(shù)的一半。圖2-33為V8發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸。3.曲軸結(jié)構(gòu)3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-33V8發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸 平衡重用來平衡曲軸的離心力及其力矩，有時(shí)也平衡一部分活塞連桿組的往復(fù)慣性力及其力矩，以使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并可減小曲軸主軸承的負(fù)荷。對四缸、六缸等直列多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，因曲拐對稱布置，就整機(jī)而言其慣性力、離心力及其所產(chǎn)生的力矩是平衡的，但曲軸局部卻受彎矩作用(圖2- 34a)。圖中慣性力F1、F4與F2、F3相平衡，力矩M1-2與M3-4相平衡，但M1-2 與M3-4 給曲軸造成彎曲載荷。因此

17、，通常在曲柄的相反方向設(shè)置平衡重，使其產(chǎn)生的力矩與上述慣性力矩相平衡(圖2-34b)。3.曲軸結(jié)構(gòu)3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-34曲柄平衡重作用示意圖a)無平衡重b)加平衡重F1、F2、F3、F4 曲拐和活塞連桿組的慣性力F1、F2、F3、F4平衡重的離心力 曲軸前端是第一道主軸頸之前的部分，裝有驅(qū)動(dòng)其他裝置的零件(正時(shí)齒輪3、帶輪2)及起動(dòng)爪1、止推墊片5等(圖2-35)。 曲軸后端是最后一道主軸頸之后的部分，最后端的曲軸凸緣6(圖2-36)與飛輪4通過飛輪螺栓、螺母5裝配連接。3.曲軸結(jié)構(gòu)3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-35曲軸前端結(jié)構(gòu)1起動(dòng)爪2帶輪3正時(shí)齒輪4甩油盤5止推墊片6滑動(dòng)推力軸承3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-36

18、曲軸后端1軸承座(氣缸體)2甩油盤3回油螺紋4飛輪5飛輪螺栓、螺母6曲軸后凸緣7油封8軸承蓋 徑向軸承用于支撐曲軸，通常是剖分式的滑動(dòng)軸承(圖2-37)。軸承底座是在氣缸體的曲軸箱部分直接加工出來，再由軸承蓋、螺栓共同將滑動(dòng)軸承進(jìn)行徑向定位、緊固。3.曲軸結(jié)構(gòu)3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-37曲軸滑動(dòng)軸承a)單層合金軸承b)雙層合金軸承c)三層合金軸承 推力軸承承受離合器傳來的軸向力，用來限制曲軸的軸向竄動(dòng)，保證曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件正確的相對位置。在曲軸受熱膨脹時(shí)，應(yīng)允許其能自由伸縮，因此曲軸只能有一處設(shè)置軸向定位裝置。曲軸軸承還可將徑向軸承與推力軸承合二為一制成翻邊軸承(圖2-38)。紅旗CA7220E型

19、轎車發(fā)動(dòng)機(jī)即采用翻邊軸承進(jìn)行軸向定位。3.曲軸結(jié)構(gòu)3.曲軸結(jié)構(gòu)圖2-38多層推力軸承1凸肩2油槽3鋼質(zhì)薄壁4基層5鎳涂層6磨耗層7油孔8卷邊 曲軸的形狀和各曲拐的相對位置，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)、氣缸排列方式和各缸的做功行程交替順序(即點(diǎn)火次序)。4.曲軸形狀4.曲軸形狀常見多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲拐布置如下：(1)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)(2)直列六缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)(3)直列五缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)(1)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī) 點(diǎn)火間隔角為720/4180。采用全支撐曲軸時(shí)(圖2-39)，其四個(gè)曲拐布置在同一平面內(nèi)，具有良好的平衡性。點(diǎn)火順序有兩種方式，即1243或1342。若以第一種為例，則其工作循環(huán)如表2-1所示。表2-1直列四缸機(jī)工作循環(huán)表(點(diǎn)火順序：1243)(1)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)圖2-39直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲拐布置(1)直列四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)表2-1直列四缸機(jī)工作循環(huán)表(點(diǎn)火順序：1243)曲軸轉(zhuǎn)角/（）第一缸第二缸第三缸第四缸0180做功壓縮排氣進(jìn)氣180360排氣做功進(jìn)氣壓縮360540進(jìn)氣