《能源與動(dòng)力裝置》05 往復(fù)活塞式機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析

第五章

往復(fù)活塞式機(jī)械的結(jié)構(gòu)分析

第一節(jié)

往復(fù)活塞式機(jī)械的功能與分類

往復(fù)活塞式機(jī)械：

往復(fù)活塞式機(jī)械：

1、往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，內(nèi)燃機(jī)：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率的熱力原動(dòng)機(jī)。驅(qū)動(dòng)裝置，

2、往復(fù)活塞式壓縮機(jī)和泵：對流體增壓和輸送的工作機(jī)械。耗能裝置。結(jié)構(gòu)基本相似，工作過程相反。一、往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)分類

柴油機(jī)往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)分類所用燃料分類

按著火方式分類

按曲軸轉(zhuǎn)速分類

煤氣機(jī)汽油機(jī)壓燃式（自燃式）：柴油機(jī)

點(diǎn)燃式：汽油機(jī)、煤氣機(jī)、天然氣機(jī)高速：n>1000r/min

中速：n=300～1000r/min

低速：n=60～200r/min天然氣機(jī)按工作循環(huán)沖程數(shù)分類

二沖程式四沖程式按氣缸數(shù)和排列方式分類：單缸、多缸；立式、臥式、V型、星型

二、活塞式壓縮機(jī)和泵的分類：空氣往復(fù)活塞式壓縮機(jī)分類壓縮介質(zhì)分類

按密封方式分類

按曲軸轉(zhuǎn)速分類

氫氣氧氣開啟式封閉式高速：n>1000r/min

中速：n=300～1000r/min

低速：n=60～200r/min制冷劑按氣閥方式布置

逆流式順流式按氣缸數(shù)和排列方式分類：單缸、多缸；立式、臥式、V型、星型

半封閉式全封閉式圖5-1氣缸容積的利用方式a）單作用式；b）雙作用式；c）、d）級差式圖5-1氣缸容積的利用方式a）單作用式；b）雙作用式；c）、d）級差式圖5-2多級壓縮示意圖圖5-2多級壓縮示意圖第二節(jié)

總體結(jié)構(gòu)和主要部件往復(fù)活塞式機(jī)械，無論是熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，還是壓縮機(jī)和泵，其基本構(gòu)造相同。主體機(jī)構(gòu)主要包括氣缸體、氣缸蓋、活塞、連桿、曲軸和飛輪。1—油水分離器，2—噴油泵和調(diào)速器，3—柴油濾清器，4—空氣濾清器，5—空氣壓縮機(jī)，6—進(jìn)氣管，7—節(jié)溫器，8—風(fēng)扇，9—充電發(fā)電機(jī)，10—供油自動(dòng)提前器YC615QC型柴油機(jī)右側(cè)視圖

32—節(jié)溫器，33—?dú)忾T搖臂，34—噴油器，35—?dú)忾T組件，36—推桿，37—活塞組件，38—挺柱，39—連桿組件，40—機(jī)油集濾器。

YC6105QC型柴油機(jī)橫剖面圖

輔助系統(tǒng)配氣機(jī)構(gòu)：空氣濾清器、進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、進(jìn)排氣凸輪軸、挺桿、搖臂及消聲器

燃料供給系統(tǒng)：噴油泵和調(diào)速器、供油自動(dòng)提前器、噴油器、柴油濾清器、油水分離器、輸油泵和柴油管路等

潤滑系統(tǒng)：機(jī)油泵、機(jī)油精濾器、機(jī)油粗濾器、分流離心式機(jī)油濾清器、油底殼及潤滑油道等

冷卻系統(tǒng)：風(fēng)扇、水泵、節(jié)溫器、出水管總成

起動(dòng)操縱與電器系統(tǒng)：直流起動(dòng)電機(jī)、充電發(fā)電機(jī)、各類傳感器、操縱機(jī)構(gòu)、空氣壓縮機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞式壓縮機(jī)與熱力發(fā)動(dòng)機(jī)在主體結(jié)構(gòu)上的主要差別在于閥：往復(fù)活塞式壓縮機(jī)：自動(dòng)閥往復(fù)活塞式熱力發(fā)動(dòng)機(jī)：強(qiáng)制閥單缸四沖程內(nèi)燃機(jī)：強(qiáng)制閥主要構(gòu)成：1–小齒輪、2–氣缸體、3–連桿、4–曲軸、6–大齒輪、7–凸輪軸、8–氣門挺桿、10–活塞、11–氣缸、12–進(jìn)氣閥、13–火花塞、17–排氣閥、18–大齒輪圖5-5氣門裝置簡圖及其驅(qū)動(dòng)a)、b)、c)、d)－具有上置凸輪軸的驅(qū)動(dòng)的頂置式氣門e)－具有下置凸輪軸驅(qū)動(dòng)的頂置氣門f)－下置氣門(側(cè)置式氣門)1一搖臂2一杠桿3一橫梁4一推桿5一挺柱二、主要零部件

1、活塞組：活塞、活塞環(huán)、活塞銷組件1—活塞2—?dú)猸h(huán)3—油環(huán)4—活塞銷5—卡環(huán)6—連桿A—活塞頭部B—活塞頂部C—活塞環(huán)槽部D—活塞裙部E—活塞銷座

活塞:頭部：又分頂部和環(huán)部，活塞頂部的直徑比裙部小。裙部：起導(dǎo)向和承受連桿傳給的側(cè)壓力的作用。

活塞環(huán)：活塞環(huán)槽內(nèi)的開口彈性金屬環(huán)

活塞環(huán)：包括氣環(huán)和油環(huán)。氣環(huán)：主要起密封和散熱作用，防止缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)饴┤肭S箱，并將活塞頂吸收熱量的一部分傳給氣缸套。（2－3道）油環(huán)：起刮油和鋪油的作用氣環(huán)的密封機(jī)理：第一密封面（氣環(huán)裝入氣缸時(shí)產(chǎn)生的初始彈力F1）；第一密封面很重要，若失效，則第二密封面建立不起來，因此氣環(huán)裝入氣缸時(shí)產(chǎn)生的初始彈力F1很重要。第二密封面（燃?xì)鈮毫2）。氣環(huán)的切口端呈迷宮式布置（減少漏氣）。直角切口：工藝性好，密封效果差氣環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：階梯切口：密封好，工藝性差斜切口：介于中間，但套裝時(shí)尖角易折斷氣環(huán)泵油原理內(nèi)燃機(jī)氣環(huán)：防止泵油扭曲環(huán)：正扭曲環(huán),內(nèi)圓上邊緣切去部分金屬或外圓下邊緣切去部分金屬；反扭曲環(huán),內(nèi)圓下邊緣切去部分金屬或外圓上邊緣切去部分金屬正扭曲內(nèi)切環(huán)反扭曲內(nèi)切環(huán)活塞環(huán)裝入氣缸后，其外側(cè)氣缸壁的作用力與內(nèi)側(cè)環(huán)彈力不在一條直線上，于是產(chǎn)生扭曲力矩，從而使環(huán)的邊緣與環(huán)槽的上下側(cè)平面都接觸，避免了因環(huán)在環(huán)槽內(nèi)的上下竄動(dòng)造成的“泵油”現(xiàn)象。內(nèi)燃機(jī)氣環(huán)：防止泵油錐面環(huán)桶面環(huán)梯形環(huán)工藝性差油環(huán)：上行鋪油，下行刮油（1）鋪油：潤滑，氣缸壁上鋪油膜（2）刮油：氣缸壁上多余機(jī)油刮落回曲軸箱中間泄油孔，提高刮油能力內(nèi)燃機(jī)組合鋼片式油環(huán)1-上刮片2-襯簧3-下刮片4-活塞接觸比壓大，刮油能力強(qiáng)，泄油通路大，慣性質(zhì)量小，制造成本高活塞銷：活塞和連桿的連接零件作用：連接活塞和連桿小頭，傳遞動(dòng)力要求：足夠的剛度、強(qiáng)度和沖擊韌性；表面耐磨；質(zhì)量小?；钊N：活塞和連桿的連接零件材料與工藝：一般為低碳鋼或低碳合金鋼，經(jīng)表面滲碳或滲氮熱處理以提高心部沖擊韌性和表面硬度，然后進(jìn)行精磨和研磨。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：管狀。圓柱形：易加工，但質(zhì)量大截錐形：等強(qiáng)度梁，質(zhì)量小，但難加工組合形：居中活塞銷與銷座孔為過渡配合,活塞銷與連桿小頭軸承孔為動(dòng)配合。在運(yùn)行過程中，活塞銷不僅可以在連桿小頭襯套孔內(nèi)，還可以在銷座孔內(nèi)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，以使活塞銷表面的磨損比較均勻。必須在活塞銷座兩端用卡環(huán)定位，防止活塞銷軸向竄動(dòng)。裝配時(shí)，應(yīng)先將活塞預(yù)熱，在70~90oC的油中加熱，然后將銷裝入。活塞銷連接方式連桿45671-連桿小頭2-桿身3-連桿大頭4-襯套5-軸瓦6-軸瓦上的凸肩7-連桿螺栓8-潤滑油槽9-連桿蓋89作用：傳遞動(dòng)力，將活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作特點(diǎn)：復(fù)雜平面運(yùn)動(dòng)，承受壓縮、拉伸、彎曲等交變載荷。要求：在質(zhì)量盡可能小的前提下有足夠的剛度和強(qiáng)度。材料與工藝：中碳鋼或合金鋼經(jīng)模鍛或輥鍛而成。連桿小頭：連桿與活塞銷相連的部分。一般為圓筒形，與桿身連成一體。為了減少磨損、維修方便，小頭都鑲有銅襯套,小頭頂部開有潤滑油槽，收集飛濺油霧，潤滑活塞銷。45671-連桿小頭2-桿身3-連桿大頭4-襯套5-軸瓦6-軸瓦上的凸肩7-連桿螺栓8-潤滑油槽9-連桿蓋89連桿桿身：斷面形狀大多數(shù)是“工”字形，其翼面的長軸安排在連桿擺動(dòng)平面內(nèi)，且斷面尺寸由小頭向大頭逐漸增大。以求在剛度足夠的前提下盡可能減少慣性質(zhì)量桿身鉆有潤滑油道。優(yōu)點(diǎn)：抗彎斷面模數(shù)大；抗彎強(qiáng)度大；使連桿傳力及應(yīng)力均勻分布。45671-連桿小頭2-桿身3-連桿大頭4-襯套5-軸瓦6-軸瓦上的凸肩7-連桿螺栓8-潤滑油槽9-連桿蓋89連桿大頭：連桿與曲軸相連部分，曲柄銷在連桿大頭軸承中作相對高速旋轉(zhuǎn)。通常做成分開式的，以便于拆裝活塞連桿組，被分開的部分叫連桿蓋，兩者之間用連桿螺栓連接。連桿與連桿蓋之間有配對記號，拆裝時(shí)應(yīng)注意一致。連桿裝配標(biāo)記平切口：連桿大頭沿著與桿身軸線垂直的方向切開。優(yōu)點(diǎn)：定位可靠，結(jié)構(gòu)簡單，受力好。斜切口：連桿大頭沿著與桿身軸線成30~60o夾角切開，常用于曲柄銷直徑較粗的場合，否則，連桿大頭尺寸太大，無法從氣缸中拆下活塞連桿組。缺點(diǎn)：定位不可靠，切口方向受到附加剪切力，連桿螺栓易剪斷，連桿蓋脫落會擊穿氣缸體。連桿大頭孔內(nèi)過盈壓入上、下兩半薄壁鋼軸瓦，在其內(nèi)表面上涂有減磨合金層，具有保持油膜、減少摩擦阻力和易于磨合的作用，主要有巴氏合金、銅鋁合金、高錫鋁合金。軸瓦背面制有定位凸肩，防止軸瓦轉(zhuǎn)動(dòng)；軸瓦內(nèi)表面開有油槽。曲軸

:通過連桿將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).

圖5-9四缸高速內(nèi)燃機(jī)曲軸1—皮帶輪2—起動(dòng)爪3—墊圈4、9—前、后擋油盤5—曲軸正時(shí)齒輪6-鍵7—曲軸8—定位銷10—鎖片11—飛輪螺釘12—齒圈13—飛輪14—曲柄銷15—曲柄16—主軸頸17、20—曲軸前、后端氣缸體、氣缸套和氣缸蓋三個(gè)主要固定件機(jī)體：由氣缸體、曲軸箱和機(jī)座或油底殼及主軸承蓋等組成。氣缸體和曲軸箱常鑄成一體。氣缸體結(jié)構(gòu)形式平分式氣缸體：油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)體高度小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，曲軸拆裝方便；缺點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差。龍門式氣缸體：油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度都好；缺點(diǎn)是工藝性較差，結(jié)構(gòu)笨重，加工較困難。隧道式氣缸體：主軸承孔為整體式，采用滾動(dòng)軸承，曲軸從氣缸體后部裝入。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強(qiáng)度好，缺點(diǎn)是加工精度高，工藝性差，曲軸拆裝不方便。氣缸蓋:氣缸蓋的底面和活塞頂與氣缸等共同組成燃燒空間；氣缸蓋上設(shè)有進(jìn)排氣道，并裝有配氣機(jī)構(gòu)的進(jìn)氣和排氣閥組件、搖臂、搖臂座等，還裝有噴油器或火花塞。多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋結(jié)構(gòu)形式有單體式、分段式和整體式三種。單體式多用于大型發(fā)動(dòng)機(jī)。第三節(jié)曲柄——連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)

曲柄連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析是研究往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械在穩(wěn)定工況下曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中所受的各種作用力和它們互相間的關(guān)系。動(dòng)力學(xué)分析是為強(qiáng)度、剛度和磨損計(jì)算以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確定所需的飛輪矩，作為往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械振動(dòng)計(jì)算和平衡分析的基礎(chǔ)，尋求內(nèi)燃機(jī)、泵、壓縮機(jī)平衡的有效途徑，也為其總體設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)值分析的依據(jù)。主要作用力：1.慣性力；2.流體作用力；3.相對運(yùn)動(dòng)表面間所產(chǎn)生的摩擦力一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系曲柄半徑與連桿長度比

1、活塞運(yùn)動(dòng)2、曲柄銷中心的加速度3、連桿的運(yùn)動(dòng)連桿擺角的近似公式

近似公式連桿擺動(dòng)的角速度

擺動(dòng)的角加速度

近似公式

二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)往復(fù)活塞式動(dòng)力機(jī)械工作時(shí)，作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的力主要有：（1）運(yùn)動(dòng)件的慣性力；（2）氣缸中的氣體壓力；（3）構(gòu)件相對運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸面產(chǎn)生的摩擦力；（4）運(yùn)動(dòng)件的重力；相對較小，可忽略對于整個(gè)機(jī)器而言，還有:（5）負(fù)荷的反作用扭矩及機(jī)構(gòu)的支承反力1、慣性力曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的慣性力來自三個(gè)方面：

1.活塞組件往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力；

2.曲柄不平衡質(zhì)量回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心慣性力；

3.連桿運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。運(yùn)動(dòng)件慣性力的大小等于其質(zhì)量和加速度的乘積，且慣性力的方向同加速度的方向相反。

連桿慣性力的分析最為復(fù)雜。研究連桿慣性力，很重要的是要找出它在連桿大小兩頭的表現(xiàn)，也就是要找出它傳給活塞和曲柄之力的大小與方向。通常采用質(zhì)量替代系統(tǒng)。慣性力質(zhì)量替代原則：

1)代替系統(tǒng)的總質(zhì)量要等于原來連桿的總質(zhì)量。

2)代替系統(tǒng)的質(zhì)心位置要與原來連桿的質(zhì)心位置相重合。

3)代替系統(tǒng)對于質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)等于原來連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。將運(yùn)動(dòng)零件的質(zhì)量簡化為兩類：

1)集中在C點(diǎn)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量mp，包括活塞、十字頭部件、連桿部件的小部分質(zhì)量；

2)集中在D點(diǎn)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量mr，包括曲拐、曲柄、連桿部件大部分質(zhì)量。慣性力往復(fù)慣性力I一階往復(fù)慣性力II二階往復(fù)慣性力III通常:旋轉(zhuǎn)慣性力Ir慣性力在動(dòng)力計(jì)算中，凡是使連桿受拉伸的力都取正值，使連桿受壓縮的力取負(fù)值。2、氣體力壓縮過程1-2膨脹過程3-4吸氣過程為ps’的等壓過程。排氣過程為pd’的等壓過程。

軸側(cè)氣缸容