第2章-曲柄連桿機(jī)構(gòu)

汽車拖拉機(jī)學(xué)2009年8月第2章曲柄連桿機(jī)構(gòu)張黎驊AUTOMOBILEANDTRACTOR主要內(nèi)容§2.1機(jī)體組§2.2活塞連桿組§2.3曲軸飛輪組§2.4曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析與平衡§2.5小結(jié)第2章曲柄連桿機(jī)構(gòu)一、功用將燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，再通過連桿將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而對(duì)外輸出動(dòng)力。1、機(jī)體組2、活塞連桿組3、曲軸飛輪組二、組成承受機(jī)械載荷：1、氣體壓力、往復(fù)慣性力、離心力、摩擦力2、汽車行駛中產(chǎn)生的沖擊力。以上各種力，使曲柄連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)體的各零件承受了不同形式的載荷，為保證工作可靠，需要采取相應(yīng)結(jié)構(gòu)措施。三、工作條件曲軸箱氣缸體氣缸墊氣缸蓋氣缸油道和水道油底殼§2.1機(jī)體組機(jī)體組組成1、氣缸體:水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體和上曲軸箱常鑄成一體，稱為氣缸體—曲軸箱。氣缸體的工作特點(diǎn)：高溫、高壓、高速運(yùn)動(dòng)摩擦。氣缸體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：足夠的強(qiáng)度和剛度，高精度內(nèi)表面。奧迪100汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體氣缸體曲軸箱一、氣缸體（1）按氣缸體與油底殼安裝平面位置不同名稱性能應(yīng)用一般式（平分式）機(jī)體高度小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工拆卸。剛度和強(qiáng)度差。492Q汽油機(jī)，90系列柴油機(jī)。龍門式強(qiáng)度和剛度較好。工藝性差、結(jié)構(gòu)笨重、加工困難。捷達(dá)、富康、桑塔納隧道式結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強(qiáng)度好。難加工、工藝性差、曲軸拆卸不方便。負(fù)荷較大的柴油機(jī)上。油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。氣缸體上曲軸的主軸承孔為整體式。2、分類散熱片2.風(fēng)冷式氣缸體1.水冷式氣缸體水道（2）根據(jù)冷卻方式不同（3）根據(jù)氣缸的排列方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易，但發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度和高度較大?？s短了機(jī)體的長(zhǎng)度和高度，增加了剛度，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的重量；形狀復(fù)雜，加工困難。高度小，總體布置方便。轎車中應(yīng)用不多3.對(duì)置式氣缸體1.直列式氣缸體2.V型氣缸體a、整體式氣缸體：氣缸直接鏜在氣缸體上。b、鑲嵌式氣缸體：氣缸套鑲嵌到氣缸體內(nèi)的氣缸。類型構(gòu)造性能及應(yīng)用整體式氣缸直接鏜在氣缸體上強(qiáng)度和剛度好，能承受大負(fù)荷。成本高。鑲嵌式用耐磨優(yōu)質(zhì)材料制成氣缸套，再裝到一般材料制成的氣缸體內(nèi)。降低了制造成本，便于修理和更換氣缸套，延長(zhǎng)了氣缸體的使用壽命。（4）整體式和鑲嵌式氣缸體名稱特點(diǎn)零件圖干缸套外壁不直接與冷卻水接觸。壁厚1~3mm。濕缸套外壁直接與冷卻水接觸。壁厚5~9mm。強(qiáng)度和剛度都較好，加工復(fù)雜，拆裝不便，散熱不良。散熱良好、冷卻均勻、加工容易。強(qiáng)度和剛度不如干缸套，易漏水。性能如何？（5）干缸套和濕缸套氣缸墊氣缸蓋氣缸蓋罩襯墊安裝火花塞三、氣缸蓋功用：密封氣缸的上部，與活塞、氣缸等共同構(gòu)成燃燒室。材料：灰鑄鐵或合金鑄鐵，鋁合金。工作條件：由于接觸溫度很高的燃?xì)?，所以承受的熱?fù)荷很大。上置式凸輪軸鋁合金與鑄鐵相比有何優(yōu)越性？導(dǎo)熱性好、利于提高壓縮比，適用與高速高強(qiáng)化汽油機(jī)三、氣缸蓋名稱特點(diǎn)示意圖應(yīng)用半球形結(jié)構(gòu)緊湊、火焰行程段、燃燒速率高、熱損失小、熱效率高桑塔納夏利富康楔形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、散熱面積小、熱損失少；火花塞置于燃燒室最高處，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長(zhǎng)切諾基盆形工藝性好、成本低、進(jìn)排氣效果不如半球形燃燒室捷達(dá)奧迪燃燒室的要求？四、燃燒室1、功用：安裝在氣缸蓋和氣缸體之間，保證氣缸蓋與氣缸體接觸面的密封，防止漏氣、漏水和漏油。2、材料：有彈性、耐熱性、耐壓性3、安裝時(shí)注意方向五、氣缸墊為了保證整個(gè)氣缸蓋平面均勻壓緊，緊固氣缸蓋螺栓時(shí)，必須使用扭矩扳手按規(guī)定順序，分2～3次擰緊到規(guī)定扭矩。拆卸氣缸蓋時(shí)，松開氣缸蓋螺栓的順序與緊固順序相反，分2～3次完成。注意不要在熱車時(shí)拆卸氣缸蓋，以免氣缸蓋變形翹曲。汽缸蓋的安裝與拆卸490Q柴油機(jī)缸蓋螺釘擰緊力矩為140~150N.m。氣環(huán)油環(huán)活塞銷活塞連桿連桿螺栓連桿軸瓦連桿蓋§2.2活塞連桿組1、功用：承受氣體壓力，并通過活塞銷和連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)。2、工作環(huán)境：高溫、散熱條件差；頂部工作溫度高達(dá)600~700K，且分布不均勻；高速，線速度達(dá)到10m/s，承受很大的慣性力?；钊敳砍惺茏罡呖蛇_(dá)3~5MPa（汽油機(jī)）的壓力。3、材料：鋁合金，質(zhì)量小、導(dǎo)熱性好；灰鑄鐵活塞應(yīng)具備的特點(diǎn)A剛度和強(qiáng)度應(yīng)足夠大，傳力可靠。B導(dǎo)熱性能好，耐高壓、高溫、磨損C質(zhì)量較小，盡可能減少往復(fù)慣性力（一）活塞功用：是燃燒室的組成部分，主要作用承受氣體壓力。4、結(jié)構(gòu)（1）活塞頂部形狀示意圖平頂凸頂凹頂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、受熱面積小、應(yīng)力分布較均勻，多用在汽油機(jī)上。凸起呈球狀、頂部強(qiáng)度高，起導(dǎo)向作用、有利于改善換氣過程。凹坑的形狀、位置必須有利于可燃混合氣的燃燒；提高壓縮比，防止碰氣門?；钊敺诸愇恢茫旱谝坏阑钊叟c活塞銷孔之間的部分。氣環(huán)槽油環(huán)槽工作條件最惡劣，應(yīng)離頂部遠(yuǎn)些。作用1、安裝活塞環(huán)、與活塞環(huán)一起密封氣缸。2、將頂部吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁?；钊N孔（2）活塞頭部位置：從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的部分，包括銷座孔。作用：對(duì)活塞在氣缸內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力，防止破壞油膜。（3）活塞裙部--活塞裙部制成橢圓形，短軸在銷座軸方向。--上小下大的圓錐形形狀。銷座方向裙部受側(cè)壓力的作用，導(dǎo)致活塞發(fā)生變形工作時(shí)向里變形錐形不受壓力的部分，去掉后可以減輕質(zhì)量。（4）活塞裙部形狀(1)側(cè)壓力作用(2)汽缸氣體壓力作用(3)受熱膨脹活塞裙部的變形規(guī)律和原因分析--活塞裙部沿圓周方向變形不均勻，形成橢圓形，長(zhǎng)軸軸在銷座軸方向。--活塞裙部沿軸向方向變形不均勻，形成上大下小的圓錐形。缸壁間隙：活塞裙部與氣缸套的最大間隙。間隙過大，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)敲缸；間隙過小，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸，甚至抱缸。上小下大的圓錐形拖板式活塞開槽活塞（汽油機(jī)）絕熱槽膨脹槽圓槽雙金屬活塞活塞銷偏置活塞銷對(duì)中布置活塞銷偏移布置1）鍍錫油膜破壞時(shí)，起潤(rùn)滑作用；又可加速磨合作用。2）涂石墨(柴油機(jī)）易脆斷可加速磨合，自潤(rùn)滑。3）表面粗糙化有規(guī)律的粗糙化，可加速磨合，溝谷可存機(jī)油潤(rùn)滑。裙部表面的保護(hù)（二）活塞環(huán)是具有彈性的開口環(huán)，分為氣環(huán)和油環(huán)。工作條件：高溫、高壓、高速、極難潤(rùn)滑。平均壽命：6萬公里切口氣環(huán)（1）氣環(huán)作用：保證氣缸與活塞間的密封性，防止漏氣，并把活塞頂部吸收的大部分熱量傳給氣缸壁，再由冷卻水將其帶走。開口間隙側(cè)隙背隙活塞環(huán)間隙1.端間隙（開口間隙）端間隙過小，活塞環(huán)易卡死，從而加速與缸壁的磨損，甚至使環(huán)折斷或刮傷缸壁;端間隙過大，易漏氣和上竄機(jī)油?；钊h(huán)在正確的汽缸內(nèi)的安裝位置上，其切口處保留的間隙，稱為端間隙。其大小與缸徑、順序有關(guān)。一般為0.25~0.3mm?；钊h(huán)裝入活塞環(huán)槽時(shí)，活塞環(huán)與環(huán)槽之間的間隙，稱為側(cè)間隙。一般為0.04~0.15mm。側(cè)間隙過小，活塞環(huán)會(huì)因受熱膨脹而卡死在環(huán)槽中，使環(huán)失去彈性，不起密封與刮油作用；側(cè)間隙過大，密封性不好，環(huán)與環(huán)槽撞擊嚴(yán)重而加速磨損，對(duì)于氣環(huán)還會(huì)加劇“泵油作用”。2.側(cè)間隙活塞環(huán)裝入活塞環(huán)槽時(shí)，活塞環(huán)背面與環(huán)槽之間的間隙，稱為背隙。(一般為0.5~1mm)。為了測(cè)量方便，維修中以環(huán)的厚度與環(huán)槽的深度差來表示背隙。3.背隙第一密封面第二密封面氣體作用力氣體作用力慣性力自身彈力摩擦力活塞環(huán)的密封原理第一密封面：活塞環(huán)直徑大于氣缸直徑，裝入后產(chǎn)生彈性貼緊在氣缸壁上而形成；加強(qiáng)密封：竄入環(huán)槽的少量氣體作用在環(huán)的背面（背隙處），加強(qiáng)了第一密封面作用；第二密封面：竄入環(huán)槽的少量氣體作用在環(huán)槽底面，形成第二密封面；第一密封面（自身彈力）第二密封面（慣性力、摩擦力、氣體作用力）第二次密封（高壓氣體作用）靠活塞環(huán)彈簧力產(chǎn)生的密封（第一密封面）是第二次密封的前提。錯(cuò)口安裝活塞環(huán)的密封原理活塞環(huán)的密封原理氣環(huán)的泵油作用演示氣環(huán)斷面形狀形狀特點(diǎn)示意圖矩形環(huán) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、易于生產(chǎn)、應(yīng)用面廣；但有泵油作用扭曲環(huán)斷面不對(duì)稱，受力不平衡，使活塞環(huán)扭曲，減小泵油作用，減輕磨損錐面環(huán)減少了環(huán)與氣缸壁的接觸面，提高了表面接觸壓力，有利于磨合和密封；可形成油膜改善潤(rùn)滑，但導(dǎo)熱性差，不適用第一道環(huán)梯形環(huán)可將沉積在環(huán)中的結(jié)膠擠出，避免環(huán)折斷，且密封性較好；但加工困難，精度要求高桶面環(huán)上下均可形成油膜，且對(duì)活塞的擺動(dòng)適應(yīng)性好，接觸面小，利于密封，但外圓為凸圓弧形，加工困難種類普通油環(huán)組合式油環(huán)示意圖特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，成本低與汽缸壁接觸壓力高，適應(yīng)性好，刮油效果強(qiáng)，但成本高刮油片軸向襯環(huán)徑向襯環(huán)刮油片回油孔（2）油環(huán)油環(huán)的刮油作用（三）活塞銷構(gòu)造：活塞銷的內(nèi)孔形狀有圓柱形，兩段截錐形，以及兩段截錐與一段圓柱的組合形。作用：連接活塞和連桿小頭，并把活塞承受的氣體壓力傳遞給連桿。連桿活塞銷全浮式半浮式全浮連接的特點(diǎn)：活塞銷能在連桿小頭、銷座孔中自由轉(zhuǎn)動(dòng)，三者間可相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減少了磨損并使磨損均勻活塞銷的連接方式（四）連桿作用：連接活塞與曲軸，并把活塞承受的氣體壓力傳給曲軸，使活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿組件分解圖連桿的結(jié)構(gòu)小頭：內(nèi)有青銅襯套桿身：一般為“工”字形斷面，抗彎強(qiáng)度好，重量輕大頭：與曲軸相連，做成“分開式”。平切口與桿身軸線垂直，斜切口與桿身軸線成30-60°夾角。切口的定位方式：平切口：螺栓定位斜切口：四種定位方式裝配記號(hào)：面向發(fā)動(dòng)機(jī)前方V型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的布置形式并列式主副式叉式連桿軸瓦定位凸鍵油槽潤(rùn)滑減磨合金層§2.4曲軸飛輪組一、曲軸飛輪組的組成起動(dòng)爪正時(shí)齒輪主軸瓦皮帶輪扭轉(zhuǎn)減振器飛輪飛輪螺栓曲軸二、曲軸1、功用：把活塞連桿組傳來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ貙?duì)外輸出。還用來驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)及其他各種輔助裝置。2、工作條件：受氣體壓力、慣性力、慣性力矩。承受交變載荷的沖擊。3、結(jié)構(gòu)曲拐：由一個(gè)連桿軸頸和它兩端曲柄及主軸頸構(gòu)成。前端軸連桿軸頸曲軸軸頸后端軸平衡重曲拐曲柄4、曲軸的支承方式概念：在相鄰的兩個(gè)曲拐之間都設(shè)置一個(gè)主軸頸的曲軸，稱為全支承曲軸，否則稱為非全支承曲軸。種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)應(yīng)用全支承曲軸提高曲軸的剛度和彎曲強(qiáng)度，減輕主軸承的載荷曲軸的加工表面增多，主軸承數(shù)增多，使機(jī)體加長(zhǎng)應(yīng)用較廣泛，柴油機(jī)一般多采用此種支撐方式非全支承曲軸縮短了曲軸的長(zhǎng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)總體長(zhǎng)度有所減小主軸承載荷較大承受載荷較小的汽油機(jī)可以采用此種方式5、曲軸的潤(rùn)滑潤(rùn)滑方式：壓力潤(rùn)滑相應(yīng)結(jié)構(gòu)：曲柄銷和主軸頸的空心結(jié)構(gòu)主軸頸、曲柄銷和軸瓦上的油道油道6、平衡重平衡重的作用：平衡離心慣性力和力矩，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，減小軸承載荷。平衡重的位置：曲柄的反方向上（或其背面）平衡重的類型：整體式、裝配式

密封圈（sealingring)

曲軸(crankshaft)止推片（thrustbearing)缸體(cylinderblock)

皮帶輪（pulley)

正時(shí)齒輪（timinggear)啟動(dòng)爪甩油盤7、曲軸的前端的密封飛輪曲軸回油螺紋石棉油封缸體主軸瓦蓋8、曲軸后端的密封9、曲軸的軸向定位防止曲軸的軸向竄動(dòng)，采用止推裝置進(jìn)行軸向定位。類型：翻邊軸瓦：軸瓦兩側(cè)各翻出一側(cè)面立邊，來擋住曲軸的軸向移動(dòng)。但工藝復(fù)雜，成本高，很少采用。止推片：半環(huán)狀鋼片，裝在主軸承蓋槽內(nèi)。止推鋼環(huán)：用于曲軸第一道主軸頸（自由端）1）相鄰作功的兩缸相距盡可能遠(yuǎn)；2）作功間隔角相等，即曲軸每轉(zhuǎn)720／i;3)曲軸的自身平衡。4)V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右氣缸盡量交替作功。曲軸的形狀和曲拐相對(duì)位置(即曲拐的布置)取決于氣缸數(shù)、氣缸排列形式和發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火順序。10.曲軸曲拐的布置（2）常見曲軸曲拐的布置1）四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐布置四個(gè)曲拐在同一平面內(nèi)，點(diǎn)火間隔：180°2）四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序點(diǎn)火順序：各缸完成同名行程的次序。另一發(fā)火次序：1-2-4-33）直列四沖程六缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸曲拐布置4）四沖程六缸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序四、曲軸扭轉(zhuǎn)減振器（一）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)自由扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

強(qiáng)迫扭轉(zhuǎn)振動(dòng)共振功率損失、曲軸扭轉(zhuǎn)變形甚至扭斷、正時(shí)齒輪產(chǎn)生沖擊噪聲、磨損嚴(yán)重等臨界轉(zhuǎn)速：發(fā)生共振時(shí)的轉(zhuǎn)速（二）扭轉(zhuǎn)減振器皮帶盤慣性盤橡膠墊減振器圓盤皮帶輪轂曲軸前端功用：吸收曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能量，消減扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。安裝：扭轉(zhuǎn)振動(dòng)較大的曲軸自由端當(dāng)曲軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)，力圖保持等速轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性盤便與橡膠層發(fā)生了內(nèi)摩擦，從而消耗了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能量，消減了扭振。橡膠摩擦式扭轉(zhuǎn)減振器四、飛輪（1）功用：將在作功行程中輸入于曲軸的功能的一部分貯存起來，用以在其他行程中克服阻力，帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)越過上、下止點(diǎn)，保證曲軸的旋轉(zhuǎn)角速度和輸出轉(zhuǎn)矩盡可能均勻，并使發(fā)動(dòng)機(jī)有可能克服短時(shí)間的超載荷，同時(shí)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給離合器。（2）構(gòu)