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1、第二章 曲柄连杆机构,机体组活塞连杆组曲轴飞轮组,2.1 概述,一、功用将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。二、组成1、机体组2、活塞连杆组3、曲轴飞轮组,三、受力分析曲柄连杆机构受的力主要有气压力P，往复惯性力Pj，旋转离心力Pc和摩擦力F。,1、 气压力：气压力P的集中力PP分解为侧压力NP和SP， SP分解为RP和TP，RP使曲轴主轴颈处受压，TP为周向产生转矩的力。,(1)作功行程：侧压力NP向左，活塞的左侧面压向气缸壁，左侧磨损严重,NP,SP,P,RP,TP,NP,(2)压缩行程：侧压力NP向右，活塞的右侧面
2、压向气缸壁，右侧磨损严重,2、 往复惯性力Pj：活塞在上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下。在上下止点活塞运动方向改变，速度为零，加速度最大，惯性力也最大；在行程中部附近，活塞运动速度最大，加速度为零，惯性力也等于零。,Pj,3、离心惯性力PC：旋转机件的圆周运动产生离心惯性力，方向背离曲轴中心向外。离心力加速轴承与周颈的磨损，也引起发动机振动而传到机体外。,Pc,4、摩擦力F：指相互运动件之间的摩擦力，它是造成配合表面磨损的根源。,四、工作条件,高温、高压、高速和化学腐蚀承受机械载荷：1、气体压力、惯性力、离心力、摩擦力2、汽车行驶中产生的冲击力。,现代汽车发动机机体组主要由机
3、体、气缸盖、气缸盖罩、气缸衬垫、主轴承盖以及油底壳等组成。镶气缸套的发动机，机体组还包括干式或湿式气缸套。,2.2 气缸体与曲轴箱,机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。气缸盖用来封闭气缸顶部，并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。另外，气缸盖和机体内的水套和油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分。,一、气缸体:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体曲轴箱。是发动机装配的机体。,一汽奥迪100汽车发动机气缸体,1机体的工作条件及要求在发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷，同时还因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承
4、受很大的热负荷。因此，机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体损坏和变形。,机体也是最重的零件，应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。2机体材料机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。最近，在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍。3机体构造,1、按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为,二、气缸体的分类：,2、根据冷却方式不同,(1)、水冷(2)、风冷,3、根据气缸的排列方式,4、整体式气缸体和镶嵌式气缸体,(1)、整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。(2)、镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内的气缸。,5、干缸套和湿缸套,三、气缸盖,功用：密封气缸
5、的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。气缸盖工作条件及要求：气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。为了保证气缸的良好密封，气缸盖既不能损坏，也不能变形，因此气缸盖应具有足够的强度和刚度。为了使气缸盖的温度分布尽可能的均匀，避免进、排气门座之间发生热裂纹，应对气缸盖进行良好的冷却。,材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。,水冷发动机的气缸盖有整体式、分块式和单体式3种结构形式。在多缸发动机中，全部气缸共用一个气缸盖的，则称该气缸盖为整体式气缸盖；若每两缸一盖或三缸一盖，则该气缸盖为分块式气缸盖；若每缸一盖，则为单体式气缸盖。风冷发动机均为单体式气
6、缸盖。,气缸盖的分解图,捷达轿车气缸盖总成,四、燃烧室,五、气缸垫,1、功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。2、材料：有弹性、耐热性、耐压性、耐腐蚀,六、曲轴箱（油底壳）,1、概念：曲轴箱：气缸体下部用来安装曲轴的部分。2、结构：上曲轴箱 与气缸体铸成一体 下曲轴箱 贮存润滑油（油底壳）3、材料：薄钢板冲压,七、 发动机的支承 发动机一般通过机体和飞轮壳或变速器壳上的支承支撑在车架上。发动机的支承方法，一般有三点支承和四点支承两种。三点支承可布置成前一后二或前二后一。采用四点支承法时，前后各有两个支承点。,2.3 活塞连杆组,一、活塞1、功用：
7、承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。2、工作环境：活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。3、材料：铝合金：质量小 导热性好；灰铸铁、耐热钢,4、结构（1）活塞顶部功用：是燃烧室的组成部分，主要 作用承受气体 压力。,活塞顶分类,（2）活塞头部,位置：活塞环槽以上的部分。,1、承受活塞顶的压力，并传给活塞销。2、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内。3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。,作用：,（
8、3）活塞裙部,位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。,裙部表面的保护,1）镀锡油膜破坏时，起润滑作用；又可加速磨合作用。2）涂石墨(柴油机）易脆断可加速磨合，自润滑。3）表面粗糙化有规律的粗糙化，可加速磨合，沟谷可存机油润滑。,（4）活塞裙部形状,工作时，活塞受热膨胀，由于销座方向的金属材料较多，所以膨胀量较大。所以在生产时先将活塞制成椭圆形，短轴在销座轴方向。,销座方向,裙部受侧压力的作用，导致活塞发生变形,工作时向里变形,制造时,变形后,4活塞的冷却 高强化发动机尤其是活塞顶上有燃烧室凹坑的柴油机，为了减轻活塞顶部和头
9、部的热负荷而采用油冷活赛。用机油冷却活塞的方法有：1)自由喷射冷却法。 从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机油。,2)振荡冷却法。 从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中，由于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。 3)强制冷却法。 在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管，使机油在其中强制流动以冷却活塞。强制冷却法广为增压发动机所采用。,工作条件：受到高温、高压燃气的作用，润滑不良，高速滑动。由于气缸壁面的形状误差，使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动。这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。,活塞环材料及表面处
10、理： 活塞环的材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲击韧性、弹性和足够的机械强度。目前广泛应用的材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带等。第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理。多孔性铬层硬度高，并能储存少量机油，可以改善润滑减轻磨损。钼的熔点高，也具有多孔性，因此喷钼同样可以提高活塞环的耐磨性。,二、活塞环,功用：气环的主要功用是密封和传热。 油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。,活塞环安装三隙,侧隙,背隙,端隙,（一）气环,气环的密封,气环的密封原理,气环的泵油作用,气环的泵油作用,气环断面形状：,活塞环装入气缸之后，其断面中性层以外产
11、生拉应力，断面中性层以内产生压应力。拉应力的合力F1指向活塞环中心，压应力合力F2的方向背离活塞环中心。由于扭曲环中性层内外断面不对称，使 F1 与 F2 不作用在同一平面内而形成力矩M。在力矩M的作用下，使环的断面发生扭转。,进气、压缩和排气行程中，扭曲环发生扭曲，其工作特点一方面与锥面环类似，另一方面由于扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触，防止了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现象，减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。作功行程中，巨大的燃气压力作用于环的上侧面和内圆面，足以克服环的弹性内力使环不再扭曲，整个外圆面与气缸壁接触，这时扭曲环的工作特点与矩形环相同。,（2）油环（普通环 组合环）
12、,刮油片,轴向衬环,径向衬环,油环的刮油作用,三、活塞销1、作用及工作条件：活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。其中，刚度尤为重要。,2、活塞销材料及结构 低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工，提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。,结构：厚壁管状体,活塞销的连接方式,全浮式,半浮式,偏
13、置销座1、定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一面（图示左侧）偏移1mm2mm。2、作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击。,3、原理：因销座偏置，在接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边，使活塞倾斜，裙部下端提前换向。而活塞在越过上止点，侧压力反向时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。,四、连杆组,功用：将活塞的力传给曲轴，变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。,连杆组件分解图,连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。,连杆组材料优质中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr、42CrMo或40MnB等模锻或辊锻而成。连杆螺栓通常用优质合金钢40Cr或35CrM
14、o制造。一般均经喷丸处理以提高连杆组零件的强度。,工作条件：连杆作复杂的平面运动，主要受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。最大压缩载荷出现在作功行程上止点附近，最大拉伸载荷出现在进气行程上止点附近。在压缩载荷和连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同作用下，连杆体可能发生弯曲变形。,构造,1、小头：用来安装活塞销，以连接活塞。2、杆身：常做成“工”字形断面。3、大头：与曲轴的连杆轴颈相连。大头一般做成分开式，即连杆体大头和连杆盖。,定位形式：,V型发动机连杆的布置形式,并列式,主副式,叉式,并列式 优点：连杆可以通用，两列气缸的活塞连杆组运动规律相同。 缺点：两列气缸轴心线沿曲轴轴向错开一段距离，使
15、曲轴长度增加，刚度降低。主副连杆式 优点：减小了发动机的轴向尺寸； 缺点：主副连杆不能互换，运动规律和受力不同。3、叉型连杆式 优点：运动规律相同 缺点：结构复杂，工艺性差，刚度较低。,连杆大头及连杆瓦,五、连杆轴承,1.作用：保护连杆轴颈及连杆大头孔。,2.组成： 由钢背和减磨层组成。钢背由1mm3mm的低碳钢制成。减磨层为0.3mm0.7mm的减磨合金，层质较软能保护轴颈。,3.减磨层材料（1）白合金（巴氏合金）：减磨性能好，但机械强度低，且耐热性差。常用于负荷不大的汽油机。（2）铜铅合金：机械强度高，承载能力大，耐热性好。多用于高负荷的柴油机。但其减磨性能差。 (3)铝基合金：有铝锑镁合
16、金、低锡铝合金和高锡铝合金三种。,1）铝锑镁合金和低锡铝合金：械性能好，负载能力强，但其减磨性能差。主要用于柴油机。2)高锡铝合金：具有较好的机械性能和减磨性能，广泛应用于柴油机和汽油机。,2.4 曲轴飞轮组,一、曲轴飞轮组的组成,起动爪,正时齿轮,主轴瓦,皮带轮,扭转减振器,飞轮,飞轮螺栓,曲轴,二、曲轴,1、功用：把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。还用来驱动发动机的配气机构及其他各种辅助装置。2、工作条件：受气体压力、惯性力、惯性力矩。承受交变载荷的冲击。,3、曲轴材料 45、40Cr、35Mn2等中碳钢或中碳合金钢模锻而成，轴颈表面经高频淬火或氮化处理，最后进行精加工。现代汽
17、车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴。为提高曲轴的疲劳强度，消除应力集中，轴颈表面应进行喷丸处理，圆角处要经滚压处理。,曲轴的支承分类,全支承：相邻曲拐间都有主轴颈。非全支承：相邻曲拐间不都有主轴颈。,曲轴支承方式的优缺点,4、曲轴前、后端密封 1）前端：借助甩油盘和橡胶油封实现密封。,2）后端：由于橡胶油封的耐油、耐热和耐老化性能的提高，现代汽车发动机上曲轴后端的密封越来越多地采用与曲轴前端一样的自紧式橡胶油封。自紧式油封由金属保持架、氟橡胶密封环和拉紧弹簧构成。,5、平衡重,现代轿车的舒适性和噪声水平，要求必须将引起汽车振动和噪声的发动机不平衡力及不平衡力矩减小到最低限度。 在曲柄臂上设置的平衡重
18、只能平衡旋转惯性力及其力矩，而往复惯性力及其力矩的平衡则需采用专门的平衡机构。,当发动机的结构和转速一定时，一阶往复惯性力与曲轴转角的余弦成正比，二阶往复惯性力与二倍曲轴转角的余弦成正比。发动机往复惯性力的平衡状况与气缸数、气缸排列形式及曲拐布置形式等因素有关。,四冲程直列四缸发动机：一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩都平衡，惟二阶往复惯性力不平衡。为平衡二阶往复惯性力需采用双轴平衡机构。两根平衡轴与曲轴平行且与气缸中心线等距，旋转方向相反，转速相同，都为曲轴转速的二倍。两根轴上都装有质量相同的平衡重，其旋转惯性力在垂直于气缸中心线方向的分力互相抵消，在平行于气缸中心线方向的分
19、力合成为沿气缸中心线方向作用的力，与 FjII 大小相等，方向相反，使 FjII 平衡。,功用：保证曲柄连杆机构在曲轴受轴向力时能够正常工作。轴向定位措施：1.翻边轴瓦2.止推片3.止推环4.止推轴承,6、曲轴的轴向定位,三、曲拐的布置,（1）一般规律1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。3）避免进气重叠4）V型发动机左右气缸尽量交替作功。5）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。,（2）常见曲轴曲拐的布置,1）四冲程四缸发动机曲拐布置,2）四冲程四缸发动机点火顺序,点火顺序：各缸完成同名行程的次序。
20、,3）直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置及发火顺序,6缸v型排列,工作顺序R1-L3-R3-L2-R3-L1,8缸v型排列,工作顺序基本上有两种：R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2和L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1,四、曲轴扭转减振器,（一）扭转振动自由扭转振动强迫扭转振动,共振,功率损失、曲轴扭转变形甚至扭断、正时齿轮产生冲击噪声等,临界转速：发生共振时的转速,（二）扭转减振器,功用：吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动。,橡胶摩擦式扭转减振器,硅油扭转减振器,硅油橡胶扭转减振器,五、飞轮,将在作功行程中输入于曲轴的功能的一部分贮存起来，用以在其他行程中克服阻力，带动曲柄连杆机构越过上、下止点，保证曲轴的旋转角速度和输出转矩尽可能均匀，并使发动机有可能克服短时间的超载荷，同时将发动机的动力传给离合器。,此外：飞轮是摩擦式离合器的主动件；在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈；在飞轮上还刻有上止点记号，用来校准点火定时或喷油定时以及调整气门间隙。,飞轮边缘部分做的厚些，可以增大转动惯量,
