[交通运输]第三章曲柄连杆机构14节讲义.ppt

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1、第二章 曲柄连杆机构第一节 概述,一、曲柄连杆机构的作用：1、将活塞的往复直线运动转变为曲轴的旋转运动；2、将作用在活塞顶上的燃气压力转变为曲轴的输出扭矩。二、组成：机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组。三、工作特点：高温、高压、高速、化学腐蚀。,四、受力分析：1、气体作用力：在作功行程中，气体作用力Fp作用在活塞顶上，传到活塞销上，分解为Fp1、Fp2，分力Fp1沿连杆传到曲柄销上，并可分解为FR和FS，垂直于曲柄的分力FS对曲轴中心形成转矩Ttq，推动曲轴旋转；分力Fp2则将活塞压向气缸的左侧。,（1）作功行程图3-1 气体压力作用情况示意图,2、往复惯性力与离心力：活塞加速度：在上止点前后活塞

2、加速度是正值，往复惯性力朝上；在下止点前后活塞加速度是负值，往复惯性力朝下。如图（3-2）。偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，其方向沿曲柄半径向外。曲轴转速愈高，往复惯性质量和旋转惯性质量愈大，则往复惯性力与离心力愈大，惯性力使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈（轴承）受周期性变化的附加负荷，加快磨损。若不加以平衡，惯性力传到气缸体外，引起发动机的振动。,（1）活塞在上半行程时的惯性力,（2）活塞在下半行程时的惯性力,图3-2往复惯性力和离心力作用情况示意图,3,在压缩行程中，作用在活塞顶上的气体压力FP也可以分解为两个分力FP1和FP2，而FP1又可以分解为Fs

3、和FR，分力Fs对曲轴造成一个旋转阻力矩Ttq，企图阻止曲轴旋转，而FP2则将活塞压向气缸的另一侧。总之，气体压力作用在活塞顶上，通过活塞销、连杆传力给曲轴，最终由机体主轴承承受。同时，曲轴终端产生输出扭矩，而倾倒力矩则使机体左右摇晃，因此，需通过螺栓使机体固定在安装基础上。,（2）压缩行程图3-3气体压力作用情况示意图,第二节 机体组,3、摩擦力：忽略不计。五、总结：曲柄连杆机构（包括机体组）各有关零件受到压缩、拉伸、弯曲和扭转作用。,机体组由气缸体（有的发动机有曲轴箱）、气缸盖和油底壳组成。一、气缸体 水冷发动机的气缸体与曲轴箱常铸成一体，简称气缸体，有的水冷发动机的气缸体象风冷发动机的气

4、缸体一样，将气缸体与上曲轴箱（其内腔为曲轴运动的空间）分开铸造，而把油底壳称之为下曲轴箱。气缸体内孔一般镶入气缸套，其内表面形成气缸工作表面。,（一）作用：1、内孔：（1）形成气缸工作容积（2）活塞运动导向 2、外部（1）各机构和系统的装配基体（2）散热,（二）要求：1、耐高温、高压 2、耐磨损 3、耐腐蚀 4、足够的刚 度和强度,（三）材料和工艺：1、材料（1）气缸套：优质合金铸铁或合金钢（2）气缸体：灰铸铁或铝合金,2、气缸工作表面制造工艺（2级加工精度）,（1）精镗（2）珩磨（网纹状）,1、改善磨合条件，磨合 时间短,2、避免拉缸（金属熔着磨损）,漏气:功率下降窜机油:冒蓝烟活塞卡死,三

5、、气缸体结构特点：,1、按具体结构形式分为三种：（1）一般式气缸体：曲轴轴线与气缸体下表面在同一平面上（图3-4a）。其优点是制造方便，质量轻，高度低，但刚度低，适用于汽油机。（2）龙门式气缸体：气缸体下表面移至曲轴轴线以下（图3-4 b）。,（a）一般式,（b）龙门式,（c）隧道式,图3-4 气缸体示意图,其优点是刚度和强度较好，但工艺性较差，适用于柴油机和强化汽油机。（3）隧道式气缸体：气缸体上有完整的主轴承座孔（图3-4 c）。其优点是刚度最好，主轴承座孔不易变形，便于安装滚动主轴承支承的组合曲轴，各缸主轴承孔同轴度易保证，制造方便，但质量大，高度高。2、按冷却方式分：,（1）水冷式：气

6、缸体内铸有冷却水套（图3-5）,（2）风冷式：气缸体外铸有散热片（图3-6）,3、按镶缸套方式分为两种：（1）干式缸套：图（a）所示，不直接与冷却水接触，薄壁（1-3mm），过盈压配在气缸体内孔中。其优点是：密封性好，气缸体刚性好，不易变形。缺点是：a、制造成本增加：气缸体内孔、缸套外圆亦需精加工，且薄壁缸套刚性差，加工装夹时易变形。b、热负荷增加：缸套外圆与气缸体内孔理论上是完全接触，但加工误差使之不可能完全接触，因而散热面积小，影响缸套散热，必然使缸套、活塞等热负荷严重。c、气缸体铸造工艺性差：水套封闭，去渣困难。d：缸心距增加，曲轴易弯曲变形：水套封闭。,图3-5 水冷发动机和气缸盖,图

7、3-6风冷发动机的气缸体和气缸盖,气缸套,水套,气缸体,图 3-7（a）干式气缸套,（2）湿式缸套：图（b）所示，气缸体水套敞开，缸套与冷却水直接接触，薄厚（5-9mm），缸套下端带橡胶封水圈，气缸套外圆上大，下小（因为气缸套下端带1-3道橡胶封水圈），且上端与气缸体内孔配合紧，下端配合松，以方便推入气缸体内孔。,0.050.15mm,气缸套,水套,气缸体,橡胶封水圈,图 3-7（b）湿式气缸套,（轴向定位）,（径向定位）,（径向定位）,湿式缸套压配在气缸体内孔时，上部凸肩顶面高出气缸体顶面0.05-0.15 mm，这样紧固缸盖时，可将缸垫压得更紧，以密封燃气。湿式缸套优点是：气缸套冷却好；制

8、造成本低；气缸体铸造工艺性好；缸心距短，曲轴不易弯曲。湿式缸套缺点是：气缸体刚性差，容易变形，易漏气、漏水；气缸套外圆表面易产生穴蚀现象，常见涂漆。,4、按气缸排列形式分,单列,双列,直立,平卧,V型（，相邻两缸的连杆大头共用一个曲柄销）,水平对置（=，每缸的连杆大头各占用一个曲柄销）,（1）,（1）,（2）,（2）,（3）,（3）,图3-8 多缸发动机气缸排列型式,（1）单列直立式（直列式）,（2）V型,（3）水平对置式,图3-9一汽奥迪100型发动机气缸体（一般式）,1-机油泵2-主轴瓦3-主轴承盖4-飞轮5-转速传感器脉冲齿6-止推垫片7-曲轴8-气缸体9-链轮图3-10桑塔纳时代超人2

9、000GSI型轿车AJR发动机的气缸体及相关零件（龙门式）,二、气缸盖与气缸垫,（一）气缸盖1、基本组成：气缸盖上应有进、排气门座及气门导管和进、排气门通道等。2、作用：（1）密封气缸上部（2）构成燃烧室（与气缸壁和活塞顶一起）（3）构成供给系中进、排气系统及冷却系、润滑系的一部分（铸 有进、排气通道及冷却水套或散热片、润滑油道）3、要求：（1）耐高温、高压（2）耐腐蚀（3）足够的刚度和强度4、材料：（1）铝合金压铸：a、导热性好（汽油机及少数 b、质量轻 柴油机）c、铸造流动性好（风冷发动机散热片铸造容易）d、刚度低:易变形导致漏气、漏水 f、强度低:气缸盖螺栓孔易拉毛 g、不耐高温:超过3

10、50C，强度急剧降低,（1）降低热负荷，避免热应 力过大而开裂,(2）可提高压缩比（汽油机）,（2）灰铸铁或合金铸铁：a、刚度、强度高（大部分柴油机）b、耐高温 c、导热性差:缸盖底面鼻梁区易开裂 d、质量重,5、结构特点：（1）多缸发动机(图片1、短片1、2、3),a、单体气缸盖：每缸一盖，刚性好，制造容易，维修方 便，但缸心距较长，曲轴容易弯曲。,b、整体气缸盖：只有一盖，缸心距最短，发动机紧凑，曲 轴刚性好，但气缸盖刚性差，制造困难，维修成本增加。（现代发动机大部分采用）,c、组合气缸盖：如两缸一盖，便于系列化。,（2）按所用燃料分 a、汽油机：（1）气缸盖中心加工有装火花塞的孔（2）进

11、、排气道一般铸在气缸盖的一侧（进气管布置在排 气管的上部，利用废气加热进气管壁面油膜，促进雾 化),但现代汽油机采用半球形燃烧室时则进、排气道铸 在气缸盖的两侧（3）燃烧室在气缸盖上，气缸盖底部有凹坑。b、柴油机：（1）气缸盖中心加工有装喷油器的孔（2）进、排气道铸在气缸盖的两侧（避免进气加热，影响 充气效率，降低发动机功率）（3）车用中小功率柴油机的气缸盖底部没有凹坑（直喷式 燃烧室一般在活塞顶上，分开式燃烧室则在气缸盖内部）。（3）按冷却方式分：a、水冷：内铸水套，入水口与气缸体上水套相通，上 部出水口通过节温器与散热器入水口相通。b、风冷：外铸散热片，平行于来流方向。,图3-10 捷达轿

12、车发动机的气缸盖（进、排气管在同侧，顶置凸轮轴）,图3-11 进、排气管在同一侧的桑塔纳轿车发动机气缸盖1-气缸垫 2-气缸盖3-衬垫4-压条5-气缸盖罩（顶置凸轮轴）,图3-12 桑塔纳时代超人2000GSI轿车AJR发动机气缸盖及相关零件（进、排气管在两侧，顶置凸轮轴）1-凸轮轴同步带轮2-凸轮轴油封3-凸轮轴轴承盖4-凸轮轴5-液压挺杆6-气缸盖7-进气门8-排气门,6、汽油机燃烧室：（1）要求：a、结构尽可能紧凑，F/V小 b、压缩终了时能形成一定强 度的挤压涡流,减少热量损失缩短火焰传播距离,提高i,提高火焰传播速率促进油、气混合,促使混合气,及时充分,燃烧,（2）结构形式：a、半球

13、形燃烧室：b、楔形燃烧室：c、盆形燃烧室：,结构较简单、紧凑压缩终了时能形成挤压涡流,结构较简单、紧凑能形成进气涡流,结构最为紧凑，高。配气机构复杂（进、排气门分置两侧，气门倾斜，气门传动困难）,图3-13 汽油机燃烧室形状（a）半球形燃烧室（b）楔形燃烧室（c）盆形燃烧室,（a）,（b）,（c）,（二）气缸垫,1、作用：密封,燃气冷却水、机油,2、要求：,（1）一定的强度要求（2）耐热、耐腐蚀（3）一定的弹性,a、密封（变形以补偿结合面的不平度）b、能重复使用（在一定公差内）,3、材料与结构：（1）金属+石棉：石棉中间夹有金属丝或金属屑，且外覆铜皮或钢皮，水孔和燃烧室孔周围另用镶边增强，以防

14、被高温燃气烧坏，常用，有很好的弹性和耐热性，能重复使用，但制造厚度均一性较差，使用时注意光滑面朝气缸体，否则容易被燃气或冷却水冲坏。,（2）金属片：带凸纹，强度高，冲压,低碳钢板铜板铝板,适用于增压等强化发动机,图3-14 气缸盖衬垫的结构（1）金属-石棉板（2）冲压钢板,（2）,（1）,4、气缸盖螺栓的拧紧次序：必须由中央对称地向四周扩展的顺序分几次进行，最后一次要用扭力扳手按工厂规定的数值拧紧，一则保证密封性，二则避免损坏气缸垫，三则保证压缩比的一致性。铝合金制成的气缸盖到最后必须在发动机冷的状态下拧紧，这样，发动机热起来时会增加密封性，因为铝合金气缸盖的热膨胀比钢螺栓的大；铸铁气缸盖则一

15、般在发动机热车时最后拧紧，因为装配时拧紧的螺栓在发动机工作初始后不久会松弛。,图3-15 丰田佳美3S-FE发动机气缸盖螺栓的拆、装卸顺序,三、油底壳,1、作用：储存机油并密封曲轴箱。2、要求：（1）结合面平整，密封性好（2）刚性好，避免振动、机械噪声过大（3）散热性好3、材料与结构：一般用薄的低碳合金钢板冲压而成，为了加强油底壳内机油的散热，也有的发动机采用铝合金铸造的油底壳，油底壳底部铸有散热肋片。油底壳形状决定于发动机的总体布置和机油容量，后部一般做得较深，以便发动机纵向倾斜时机油泵能吸到机油。油底壳内还设有挡油板，避免油面波动太大，机油泵吸进气泡，供油不畅。油底壳底部装有磁性放油塞，以

16、便吸集机油中的金属屑，减少发动机运动零件的磨损。,图3-16 桑塔纳轿车油底壳结构,21,二、活塞环：,分成气环和油环两大类。.,（一）作用：,（2）传热（将活塞头部吸收的70%80%的热量传导给气缸壁）。.,2、油环：,（3）辅助密封。.,（二）工作特点：,（2）交变的弯曲应力（气缸壁沿高度方向有加工锥度，环有开口）。.,1、气环：,（三）要求：,（2）耐高温（第1道气环）、耐磨。.,（四）材料：,（2）第1道气环的工作表面一般都镀上多孔性铬（硬度高，并能储存少量机油，以改善润滑条件）；.,图3-17 活塞环,（1）密封（防止燃气漏入曲轴箱）；是主要作用，是传热作用的前提。.,（1）润滑（气

17、缸壁上铺油膜）；.,（2）刮油（气缸壁上多余机油刮落回曲轴箱）；.,（1）高温、高压、高速，润滑不良，磨损严重；.,（1）足够的强度、冲击韧性；.,（1）一般用合金铸铁，少数高速强化柴油机用钢片环（以提高弹力和冲击韧性）；.,（3）其余气环一般镀锡（铸铝活塞）或磷化（锻铝活塞）（以改善磨合性能）。,22,（五）气环的密封机理：,第一密封面（气环装入气缸时产生的初始弹力F1）；.,图3-18 气环的密封机理,图3-19 各环间隙处的气体压力递减图,1、第一密封面很重要，若失效，则第二密封面建立不起来，因此气环装入气缸时产生的初始弹力F1很重要。.,第二密封面（燃气压力F2）；.,气环的切口端呈迷

18、宫式布置（减少漏气）。.,2、由图3-19可知，第一道气环的初始弹力F1要求最小，随后的几道气环的初始弹力F1大小要求依次递增。,23,（1）切口形状：,1）直角切口：工艺性好，密封效果差；,2）阶梯切口：密封好，工艺性差；.,3）斜切口：介于中间，但套装时尖角易折断；.,4）带防转销钉槽切口：方向不可装反，否则，漏气量急剧增加。,图320 气环的切口形状,（六）气环的结构特点：,24,由于矩形环的“泵油”作用，气缸壁上的机油将源源不断地上窜入活塞顶上燃烧室内烧掉，排气管冒蓝烟。,图322 矩形环的泵油作用,1）矩形环：,（a）矩形环,（2）气环的断面形状：,工艺最简单，导热性好，但存在“泵油

19、”现象。.,矩形环的“泵油”作用原理解释：,活塞下行时，分两种情况：,在进气行程中，由于环与缸壁的摩擦阻力以及环本身的惯性，环将靠紧环槽的上侧平面，缸壁上的机油就被刮入下边隙与背隙内；.,在膨胀作功行程中，燃气压力的作用大于摩擦阻力和惯性的影响，环被压紧在环槽的下侧平面，下边隙与背隙内的机油上窜。.,活塞上行时，在摩擦阻力、惯性、缸内气体压力的作用下，环将靠紧在环槽的下侧平面，下边隙与背隙内的机油上窜。,结论：,图321 气环的断面形状,25,2）扭曲环：,a)正扭曲环：,内圆上边缘切去部分金属或外圆下边缘切去部分金属；.,b)反扭曲环：,内圆下边缘切去部分金属或外圆上边缘切去部分金属；.,图

20、323 气环的断面形状,（b）正扭曲内切环,（c）反扭曲内切环,图324 扭曲环的作用原理,环的扭曲变形应使环的端面与气缸壁形成的楔形尖角向下。这样，活塞向上运动时，因“油楔”作用使环悬浮于气缸壁，改善润滑，减少摩擦阻力；活塞向下运动时，向下刮油。但如果装反使尖角朝上，则活塞向上运动时，向上刮油，机油消耗率剧增，排气冒蓝烟。,扭曲环成因见图324所示：,活塞环装入气缸后，其外侧气缸壁的作用力F1与内侧环的弹力F2不在一条直线上，于是产生扭曲力矩M，从而使环的边缘与环槽的上下侧平面都接触，避免了因环在环槽内的上下窜动造成的“泵油”现象。.,26,总结：,扭曲环的优点：,a)密封性、磨合性好（线接

21、触）；.,b)防止“泵油”现象；.,c)形成油楔，改善润滑；.,d)提高刮油能力。.,扭曲环的缺：,a)扭转角不超过1，工艺性差；.,b)不可装反，否则机油消耗率成倍增加，环上有朝上记号。.,b)仍有“泵油”现象。.,（d）锥面环,优点：,缺点：,b)避免棱缘负荷，能很好适应活塞的摆动及气缸表面；.,小锥角，不超过2，方向不可装反。优缺点同扭 曲环，但仍有“泵油”现象。.,3）锥面环：,4）桶面环：,与气缸壁凸圆弧面接触。,a)活塞上下移动时均能形成油楔作用，改善润滑；.,c)密封性改善。.,a)工艺性差（凸圆弧面难加工）；.,（f）桶面环,27,图325 气环的断面形状,缺点是环上、下两侧平

22、面难以精磨，工艺性差，仍有“泵油”现象。,5）梯形环：,如图325所示，侧压力方向的交替变化，使环槽间隙时而减小，时而增大，间隙中的结焦被挤出，避免环因粘结而折断，常做第一道气环。,（e）梯形环,（a）间隙变化,（b）受力情况,图326梯形环工作示意图,28,（2）油环的断面形状如图327所示，均分布若干个中间泄油孔，设计重点在于提高与气缸壁的接触比压，以提高刮油能力（图327）。,（3）油环分为两种类型：,1）普通槽孔式油环：合金铸铁，鼻形倒角（图328）,图327油环的刮油作用,（a）,（b）,（七）油环的结构特点：,（1）油环 置于最后一道环槽，背隙内气体压力极低，因此，油环置于气缸内时

23、，必须具有较大的初始弹力。.,（a）异向外倒角油环.,图328 油环的断面形状,（b）同向外倒角油环.,（c）同向内倒角油环.,（d）鼻式油环.,（e）双鼻式油环.,29,图329 组合油环1-上刮片 2-衬簧 3-下刮片 4-活塞,接触比压大，刮油能力强，泄油 通路大，惯性质量小，但制造成本高（图329）。,2）组合钢片式油环：,30,三、活塞销与销座,（一）活塞销,（3）组合形：居中。,（c）两段截锥型,1、作用：,连接活塞和连杆小头，传递动力。.,2、要求：,（1）足够的刚度、强度和冲击韧性；.,（2）表面耐磨；.,（3）质量小。.,3、材料与工艺：,一般为低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳

24、或渗氮热处理以提高心部冲击韧性和表面硬度，然后进行精磨和研磨。.,4、结构特点：,管状（图 330所示）。.,（1）等截面圆柱形：易加工，但质量大；.,（2）两段截锥形：等强度梁，质量小，但难加工；.,图 330 活塞销的内孔形状,（a）圆柱型,（b）组合形,31,由于铝合金活塞销座的热膨胀量大于钢活塞销，因此，在冷态装配时，活塞销与活塞销座孔为过渡配合，装配时，应先将铝合金活塞预热（7090C的水或油中加热），然后将销装入。（短片4）,4-卡环,5、活塞销连接方式（模型1、动画1）,活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接配合，一般采用“全浮式”（图3-31所示），即.,在发动机运转过程中，

25、活塞销不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢转动，以使活塞销表面的磨损比较均匀。但.,必须在活塞销座两端用卡环定位，防止活塞销轴向窜动。.,图3-31 活塞销连接方式,1-连杆小头衬套,2-活塞销,3-连杆,32,四、连杆,在质量尽可能小的前提下有足够的刚度和强度。,刚度不足的后果：,（1）大头孔失圆：烧轴瓦，甚至咬死。.（2）杆身弯曲：偏磨，漏气，窜机油。.,（1）连杆小头：一般压入减磨的锡青铜衬套4，小头顶部铸有工艺凸台，减重用；.,4,5,6,7,1-连杆小头 2-杆身 3-连杆大头4-衬套 5-轴瓦 6-轴瓦上的凸肩7-连杆螺栓 8-润滑油槽 9-连杆盖,8,9,图3-32

26、连杆结构,（2）杆身：通常做成“工”字形断面，以求在刚度足够的前提下尽可能减少惯性质量，有的杆身钻有润滑油道。,1、作用：,传递动力，将活塞往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。.,2、工作特点：,复杂平面运动，承受压缩、拉伸、弯曲等交变载荷。.,3、要求：,4、材料与工艺：,中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成。.,5、结构特点：,由连杆小头1、杆身2、连杆大头3（包括连杆盖9）三部分组成。,小头顶部开有润滑油槽，收集飞溅油雾，润滑活塞销。.,33,通常做成分开式的，以便于拆装活塞连杆组，被分开的部分叫连杆盖9，两者之间用连杆螺栓连接。连杆与连杆盖之间有配对记号，拆装时应注意一致。.,图333 连杆装

27、配标记,（3）连杆大头：(动画4),连杆大头孔内过盈压入上、下两半薄壁钢轴瓦，在其内表面上涂有0.30.7mm厚的减磨合金层，具有保持油膜、减少摩擦阻力和易于磨合的作用，主要有巴氏合金、铜铝合金、高锡铝合金。轴瓦背面制有定位凸肩，防止轴瓦转动；轴瓦内表面开有油槽用以储油和作垃圾槽用。.,34,6、车用发动机连杆分类：,（1）平切口：,图334平切口连杆螺栓定位,连杆大头沿着与杆身轴线垂直的方向切开，汽油机和较小功率柴油机用。.,定位可靠，结构简单（利用连杆螺栓上经过精加工的圆柱凸台或光圆柱部分与精加工的连杆螺栓孔来保证）；.,连杆大头沿着与杆身轴线成3060 夹角切开，常用于曲柄销直径较粗的较

28、大功率柴油机，否则，连杆大头尺寸太大，无法从气缸中拆下活塞连杆组。.,定位不可靠（切口方向受到附加剪切力，连杆螺栓易剪断，连杆盖脱落会击穿气缸体）。,优点是：,（2）斜切口：,缺点是：,35,定位可靠（锯齿接触面大，贴合紧密），结构紧凑，但齿距公差要求高，否则，会因个别齿脱空影响连杆组件的刚度，也会造成连杆大头孔失圆。,图335斜切口连杆大头的定位方式,斜切口定位方式：,1）止口定位：,工艺简单，但定位不可靠（径向脱离无法阻止）,2）套筒定位：,定位精度较高，但工艺要求高（若孔距不准确，则可能因过定位而造成大头孔严重失圆）,3）锯齿定位：,（a）止口定位,（b）套筒定位,（c）锯齿定位,36,

29、7、V型发动机连杆分类,相邻两缸的一个连杆大头做成叉形，另一个连杆大头套于其叉形中。两缸活塞连杆组的运动规律相同，左右两缸中心线不需错位，但叉形连杆大头结构和制造工艺比较复杂，而且连杆大头的刚度也不高。,图336 V型发动机连杆示意图,（1）并列连杆：,左右两缸的连杆一前一后地装在同一个曲柄销上，连杆可以通用，两缸活塞连杆组的运动规律相同，但曲轴加长，刚度降低。常用于V6、V8汽车发动机。,（2）主副连杆：,副连杆铰接在主连杆凸耳上，曲轴不加长，但相邻两缸活塞连杆组运动规律和受力不相同。.,（3）叉形连杆：,（a）并列连杆,（b）主副连杆（动画2）,（c）叉形连杆,37,第三节 活塞连杆组,活

30、塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成.(.动画1),图 337活塞连杆组,第1道气环,第2道气环,组合油环,活塞销,活塞,连杆,连杆螺栓,连杆轴瓦,连杆盖,1、作用：,（1）构成燃烧室；.,2、要求：,（1）活塞质量小：往复惯性力小；.,3、材料与工艺：,a、共晶铝硅合金（铸铝、锻铝）；.,（质量小，导热性好，适用于一般发动机）.,b、组合式：,上半部用钢，下半部用铝合金，沉头螺栓连接。.,1、刚度好，高温强度高；.,仅适用于极少数大功率 强化柴油机,一、活塞,（2）传递动力。.,（2）热膨胀系数小：冷态装配间隙小，减轻敲缸现象；.,（6）足够的刚度和强度：,（3）导热性好：减轻热负荷，

31、第一道环槽不易积碳，活塞 顶不易热裂；,（4）耐磨：环槽不易磨损，裙部不易磨损；.,（5）耐高温：高温时机械强度不会下降太多；.,a、销座不会弯曲变形；.,b、活塞顶不会压碎。.,（1）材料：,2、热膨胀系数低，配缸间隙小；.,3、耐磨（环槽）；.,4、质量居中。.,38,（2）工艺：,a、铸造：质量大，加工工序多；.,4、结构特点：,图338 活塞结构,活塞销座,活塞销,活塞销卡环,b、锻造：居中；.,c、模锻：质量小，加工少。.,（1）基本结构：,由顶部、头部、裙部组成（图3-38所示）。,1活塞顶部；.,2活塞头部；.,3活塞裙部。.,39,a、顶部：,）平顶：,（a）平顶.,（b）凹顶

32、.,（c）凸顶.,图339 活塞顶形状,组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应阻热。.,但有的汽油机如桑塔纳2000GSI轿车AJR发动机的活塞顶是凹顶，主要为减少往复惯性质量，改善混合气形成和燃烧，有时可用来调节发动机的压缩比。,吸热面积小，制造工艺简单（四冲程汽油机）.,）凸顶：,刚性好、强度高，但吸热面积大，难加工（二冲程汽油机，凸顶有利于扫气）.,）凹顶：,一般适用于车用直喷式柴油机，如形、四角形燃烧室。,40,）热负荷较高的汽油机活塞一般在第一道环槽内镶铸耐热材料奥氏体铸铁制造的护圈，因为第一道环槽温度高，铝合金材料硬度大幅下降，易磨损，导致燃气泄漏和窜机油。.,图340

33、活塞环槽护圈（a）一道护圈（b）二道护圈,）四冲程汽油机一般2-3道气环，1道油环，最低一道油环槽内转有许多径向小孔，气缸壁上多余机油刮下后，经过这些小孔流回油底壳。,b、头部：,油环槽以上部分。其主要作用是：,）承受燃气压力，并传给连杆（说明包括活塞销座）；.,）与活塞环一起实现气缸的密封；.,）将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导给气缸体。.,其主要结构特点是：,）活塞内腔呈流线型，由到活塞顶的最小厚度逐渐扩大，并使活塞头部 第一道环槽处于活塞内腔最低位置之上，目的是使活塞顶吸收的热量平 均分摊给各道活塞环，避免第一道活塞环过热；.,）有的汽油机的活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄的隔热

34、槽，隔 断传给第一道活塞环的热流通路，迫使热流方向折转，目的同上；.,41,1、活塞往复直线运动导向（裙部长度不能过短，否则活塞运动时摆头）；.,2、热变形：销座附近金属堆积，受热后热膨胀量大。.,机械变形和热变形均使得裙部断面变成长轴沿活塞销方向的椭圆。,（a）弯曲变形,（b）挤压变形,（c）销座热变形,（d）裙部综合变形,图341 活塞裙部的椭圆变形,c、裙部：,油环槽底面至活塞底端的外圆柱表面。其主要作用是：,2、承受侧压力（裙部应有一定的刚度和承压面积）。.,发动机工作时活塞裙部的变形（动画3）,1、机械变形：燃气压力作用在活塞顶上，导致销座弯曲变形，裙部挤压变形；.,结论：,42,冷

35、态敲缸现象:(动画5）,（a）活塞销对中布置,冷态装配间隙若无或过小，则由于活塞工作时的机械变形和热变形时裙部直径增大，容易拉伤气缸壁（又称拉缸），轻则造成漏气、窜机油，重则活塞卡死。.,活塞工作时侧压力方向的交替变化，活塞越过上止点时，时而是活塞的次推力面侧贴紧气缸壁（压缩行程时贴紧气缸壁的一侧），时而是活塞的主推力面侧贴紧气缸壁（作功行程时贴紧气缸壁的一侧），形成金属敲缸声音，加剧裙部磨损。显然，发动机冷车时敲缸现象严重。,活塞装配时应留有间隙。.,由于冷态装配间隙的存在，.,43,偏向主推力面侧12mm，可使活塞越过上止点之前就完成推力面侧的换向，避免峰值压力时刻过渡，因而可以减轻敲缸现

36、象，但增加了裙部尖角处的磨损，常见于汽油机。.,（b）活塞销负偏置,图342活塞销偏置时的工作情况,减轻冷态敲缸现象的主要结构措施：,(1)活塞销偏置：,通过改进结构措施，制成反椭圆裙部断面，牵制裙部工作时的热变形，从而在保证活塞工作时不拉缸的前提下减小活塞配缸间隙，减轻发动机冷车敲缸现象。,(2)减少冷态装配间隙：,44,次推力面侧开横向隔热直槽（油环槽内，兼做泄油槽）和纵向膨胀补偿斜槽（避免拉伤气缸壁）；,（b）,（a）,（c）,（d）,（e）,裙部的结构特点：,（1）裙部横断面呈反椭圆形：.,活塞裙部加工成短轴沿活塞销方向，但注意椭圆度不可过大，否则活塞上下运动时因棱缘负荷过大易拉伤气缸

37、壁；.,（2）沿高度方向呈上小下大的圆锥形：,上热下冷；.,（3）裙部次推力面侧开“T”形槽或“”形槽：,45,活塞销座下方挖去大块金属，以减轻往复惯性质量，避免下止点时活塞裙部下端与曲轴平衡重相碰，并且可使裙部富有弹性，补偿热变形。,（f）,（g）,（h）,图343 活塞裙部的不同形状和结构,（4）销座附近裙部凹陷0.51.0mm：,减少此处金属堆积，以减少热变形；.,销座内侧镶铸热膨胀系数极低的恒范钢片，牵制此处热变形；.,（5）双金属活塞：,（6）拖板式裙部：,46,1、起动爪,第四节 曲轴飞轮组,2、起动爪锁紧垫圈,3、扭转减震器,4、带轮,5、挡油片,6、定时齿轮,7、半圆键,8、曲

38、轴,9、主轴承上下轴瓦,10、中间轴瓦,11、止推片,12、螺柱,13、润滑脂嘴,14、螺母,15、齿环,16、圆柱销,17、一、六气缸活塞处在上止点时的记号（钢球）,47,图3-44 桑塔纳2000时代超人轿车AJR发动机曲轴飞轮组零件分解图,曲轴带轮,曲轴正时齿形带轮,曲轴链轮（驱动油泵）,止推片,主轴承下轴瓦,转速传感器脉冲轮,飞轮,飞轮齿圈,曲轴正时齿形带轮,凸轮轴正时齿形带轮,正时齿形带,水泵齿形带轮,张紧轮,48,1、作用：,将作用在活塞顶上的燃气压力转变为曲轴转矩输出给传动系；驱动配气机构和其他辅助装置。,2、工作条件：,3、要求：,（3）旋转惯性力系达到良好的平衡（离心力合力及

39、其合力矩为零 时称为完全平衡，亦称动平衡）。.,4、材料及工艺：,（1）多采用优质中碳钢或中碳合金钢如铬镍钢（18CrNi5）、铬铝钢（34CrAl16）模锻而成，其主轴颈和曲柄销工作表面均需高频淬火或氮化，再经过精磨；其轴颈圆角过渡处不经淬火，采用滚压强化工艺，以提高疲劳强度。优点是机械疲劳强度高，轴颈直径可以较细，发动机结构紧凑，但表面加工质量要求高，否则，容易引起应力集中。.,一、曲轴,承受周期性变化的气体压力、往复惯性力、离心力以及由此产 生的扭矩、弯矩的共同作用。.,（1）足够的刚度、疲劳强度和冲击韧性；.,（2）各工作表面润滑良好、耐磨；.,（2）过去，国产的许多发动机采用高强度的

40、稀土球墨铸铁铸造曲轴，优点是制造成本低，铸铁比钢的耐磨性、抗扭振性好，但发动机体积庞大。,49,5、曲轴的基本组成：,6、曲轴的结构特点：,3）曲轴后端 6（功率输出端）。.,7、曲轴的基本分类：,3）V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。.,图3-45 整体式曲轴,可分为整体式曲轴和组合式曲轴。.,图346组合式曲轴（6135柴油机）,1）曲轴前端3（自由端）；,3-前端轴,左、右主轴颈1.组成的曲拐；.,2-连杆轴颈（曲柄销）,2）若干个由曲柄销2、.,左、右曲柄5.（包括平衡块4）、.,1-主轴颈,4-平衡块,5-曲柄,6-后端凸缘,1）曲轴的曲拐数取决于气缸的数目和排 列形式；.,2

41、）直列式发动机曲轴的曲拐数等于气缸数；,5-定位螺栓,1、3-滚动轴承,2-连接螺栓,4-曲柄,50,为减轻质量和离心力（为保证刚度要求，轴颈直径较粗），有时将曲柄销和主轴颈做成空心的，可兼做润滑油道。.,第一道主轴颈之前的部分（图347）。装有驱动其他装置的机件（正时齿轮4、.,图2-47 曲轴前端结构,止推垫片,（驱动风扇和水泵）带轮,起动爪,油封,甩油盘,正时齿轮,滑动推力轴承,（1）整体式曲轴刚性好，现代车用发动机多采用模锻而成的中碳钢或中碳合金钢整体式曲轴，以追求发动机结构紧凑。.,（2）组合式曲轴用于稀土球墨铸铁铸造的曲轴，特点是制造成本低，便于系列化。.,(a)全支承曲轴:,在相

42、邻曲拐之间都设置一个主轴颈。.,优点是曲轴刚性好，不易弯曲，缺点是缸心距加大，机体加长，制造成本增加。柴油机多用全支承曲轴。.,(b)非全支承曲轴:,多用于中小功率的汽油机。.,(3)曲轴前端：,扭转减振器等。,带轮7）.,及起动爪8、.,止推垫片3、.,甩油盘5、.,油封6、.,51,回油螺纹的螺旋方向应为右旋，当曲轴旋转时，机油也被带动旋转，因为机油有粘性，所以受到机体后盖孔壁的摩擦阻力Fr。,图349回油螺纹的封油原理,8-主轴承盖,(4)曲轴后端：,最后一道主轴颈之后的部分。一般在其后端为安装飞轮的法兰盘。.,曲轴前、后端的封油原理：,常用的防漏装置有甩油盘、填料油封、自紧油封和回油螺

43、纹等。一般发动机都采用复合式防漏装置，由甩油盘与其它一至二种防漏装置组成。.,曲轴前端甩油盘的外斜面应朝外，当被齿轮挤出和甩出的润滑油落到甩油盘上时，沿壁面流回油底壳中。,Fr可分解为平行于螺纹的分力Fr1和垂直于螺纹的分力Fr2。机油在Fr1的作用下，顺着螺纹槽道流回机油盘。,图348曲轴后端的结构（6100）,1-轴承座（曲轴箱体）.,2-甩油盘.,3-回油螺纹.,4-飞轮.,5-飞轮螺栓、螺母,6-曲轴凸缘盘.,7-填料油封.,52,轴向（推力）轴承用于限制曲轴的轴向窜动（发动机工作时，曲轴常受到离合器施加于飞轮的轴向力作用而有轴向窜动的趋势），保证曲柄连杆机构各零件正确的相对位置。但曲

44、轴受热膨胀时，又应允许其自由伸长，故曲轴上的轴向定位装置必须有，但只能设于一处，通常设在中间主轴承处。现代车用发动机常将径向轴承和推力轴承合而为一，制成翻边滑动轴承。,图348 多层推力轴承 1-凸肩 2-油槽 3-钢质薄壁 4-基层 5-镍涂层 6-磨耗层 7-油孔 8-卷边,(5)曲轴主轴承：,曲轴轴承按其承载方向可分为径向轴承和轴向（推力）轴承。.,径向轴承用于支承曲轴，一般用滑动轴承，即上、下两半轴瓦，少数大功率柴油机用滚动轴承（与球墨铸铁铸成的组合式曲轴对应）。.,53,平面曲拐，相邻曲拐两两相对（图349），发火顺序是1或12431，发火间隔角等于720/4=180。,图349 直

45、列四缸发动机曲拐布置,(6)多缸发动机曲拐布置和发火顺序：曲轴的形状和各曲拐的相对位置取决于气缸数、气缸排列形式和各缸的作功行程交替顺序（发火顺序）。.,发火顺序的要求：,(a)发动机每完成一个循环，各缸都应发火一次，且各缸作功间隔应均匀，即发火间隔角应等于720/I;.,(b)应使连续作功的两缸相距尽可能远，避免相邻两缸发生进气重叠现象，同时降低主轴承负荷。.,直列四缸发动机：,54,四缸发动机发火次序排列表,55,56,空间曲拐，各平面曲拐成120夹角，发火间隔角是720/6=120（图350），发火顺序是15 3 6 2 4 1或1 4 2 6 3 5 1。,图350 直列六缸发动机的曲

46、拐布置,直列六缸发动机：,57,表2-3 直列六缸机工作循环表（发火顺序：1-5-3-6-2-4-1）,58,空间曲拐，各平面曲拐成90夹角，发火间隔角是720/8=90（图351），发火顺序是184365721。,图351 V型八缸发动机的曲拐布置,V型八缸发动机：,59,60,但曲轴的局部（即内部）却受到较大的弯曲力矩，过大会使主轴承过载，振动加剧。因此，四缸机一般在曲柄的反方向上设置平衡重，通常采用四块平衡重，以免曲轴转动惯量过大，容易发生共振，降低发动机最高工作转速。六缸机通常采用八块平衡重，方案较多。,（a）受力分析,（b）平衡重布置,图352 直列四缸机平衡重作用示意图,(8)曲轴

47、平衡重布置：,平衡重一般用于平衡发动机不平衡的离心力及离心力矩，有时也被用于部分平衡往复惯性力。.,对于发动机常用的直列四缸机、六缸机，从整体上看，旋转惯性力系和一阶往复惯性力系已得到完全平衡（由于曲拐均匀布置且相对于曲轴中央主轴颈成镜面对称，惯性力合力及其合力矩均为零）（六缸机二阶往复惯性力系也已得到完全平衡，但四缸机的二阶往复惯性力系惯性力合力不为零），.,61,二、曲轴扭转减振器,曲轴转动惯量愈大，自振频率愈低，愈易发生共振，曲轴扭转振幅极大，破坏配气相位的准确性，产生冲击噪声，甚至导致曲轴因扭转变形过大而断裂。.,曲轴是一种扭转弹性系统，连杆作用于曲柄销上的力呈周期性变化，使曲轴转速忽

48、快忽慢，造成曲轴的扭转振动。.,因此，对曲轴刚度较小、转动惯量较大、缸数多及转速高的发动机，一般在曲轴前端装有曲轴扭转减振器，此处扭转振幅最大。,62,惯性盘5与圆盘3有了相对角振动，橡胶垫4的扭转变形消耗了扭转振动能量，振幅减小。,图353 8V100型发动机橡胶式扭转减振器,6-带盘,1、摩擦式扭转减振器（汽车发动机）：,其工作原理是使曲轴扭转振动能量逐渐消耗于减振器内的摩擦，从而使振幅逐渐减小。可分为：,（a）橡胶式扭转减振器（图353）,转动惯量较大的惯性盘5与薄钢片制成的减振器圆盘3都同橡胶垫4硫化粘结，,减振器圆盘3毂部用螺栓固装于曲轴前端的风扇带轮6上，后者与曲轴前端螺栓固紧，因

49、此，圆盘3与带轮、曲轴同步转动，,1-曲轴前端,2-带轮毂,3-减振器圆盘,4-橡胶垫,5-惯性盘,63,橡胶减振器的主要优点是结构简单、质量小、工作可靠，但橡胶对曲轴扭转振动的衰减作用不够强，而且，橡胶易因摩擦生热而容易老化。.,两个惯性盘1松套在风扇带轮6的轮毂上（之间有衬套），轴向上在带轮与平衡重4之间，可轴向移动，但不能相对转动。,2,图354 干摩擦式扭转减振器 1-惯性盘 2-弹簧 3-曲轴 4-平衡重 5-摩擦片 6-带轮,（b）干摩擦式扭转减振器（图2-56）:,这样，当曲轴带动带轮、平衡重发生扭转振动时，由于惯性盘、带轮、平衡重与摩擦片之间的摩擦消耗了曲轴扭转振动的能量，振幅

50、减小。,在带轮6与一惯性盘之间以及平衡重4与另一惯性盘之间各有一摩擦片5。装在两个惯性盘之间的弹簧2使惯性盘压紧摩擦片。,64,（c）硅油-橡胶式扭转减振器（图2-57）:该减振器结构紧凑（质量和容积均较小）、减振性能良好。减振体2浮动地装在密封外客1中，两者之间间隙很小（0.50.7mm），其中充满高粘度的有机硅油。当曲轴发生扭转振动时，带着外壳1一起振动，而转动惯量较大的减振体2基本上是匀速转动，于是两者之间发生相对滑动，使硅油受剪切，摩擦生热而消耗振动的能量，从而减小了扭转振幅。显然，摩擦使硅温度升高，粘度下降，对曲轴的扭振衰减作用减弱。,图355 150系列车用柴油机粘液摩擦式扭转减振