第三章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

工程機(jī)械發(fā)動機(jī)構(gòu)造第三章曲柄連桿機(jī)構(gòu)

第一節(jié)固定件

包括：

氣缸蓋、氣缸墊、氣缸體、氣缸套、曲軸箱）。一、氣缸體氣缸體、曲軸箱、機(jī)體的關(guān)系氣缸體與上曲軸箱合稱機(jī)體。下曲軸箱又稱油底殼。干、濕式曲軸箱根據(jù)箱內(nèi)是否貯存有機(jī)油來分類。大多數(shù)工程機(jī)械和汽車發(fā)動機(jī)用濕式。氣缸體(機(jī)體)功用：是內(nèi)燃機(jī)的主體，是其它零部件和附件的支承骨架。結(jié)構(gòu)：有氣缸或氣缸套安裝孔；有氣缸蓋、曲軸箱、飛輪殼、正時齒輪箱安裝孔；設(shè)有冷卻水套、潤滑油道和其他孔道。工作條件：受力復(fù)雜，受氣體爆發(fā)壓力、螺栓預(yù)緊力、往復(fù)慣性力、旋轉(zhuǎn)慣性力、傾倒力矩作用。要求：強(qiáng)度、剛度大，結(jié)構(gòu)緊湊。材料：（1）一般用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵；（2）整體氣缸的機(jī)體，可在鑄鐵中加少量合金元素；（3）某些高速小型汽油機(jī)，用鋁合金鑄造；（4）鑄鋼。

工藝：鑄造或鑄焊結(jié)合。分類（主要按曲軸箱剖分面特點）：（1）龍門式：剛度大，柴油機(jī)中廣泛采用；（2）隧道式：剛度大，適用小型單、雙缸發(fā)動機(jī)中。用于多缸機(jī)則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，笨重。（3）一般式：質(zhì)量輕，剛度差，適用于小型車用汽油機(jī)。（4）單體氣缸：氣缸體與曲軸箱分開制造，適用于風(fēng)冷式內(nèi)燃機(jī)。其他要點：

與龍門式機(jī)體配套的主軸承蓋也需剛度、強(qiáng)度大，其斷面形狀為“I”、“T”形，并有加強(qiáng)筋。（二）氣缸與氣缸套功用：氣缸內(nèi)壁與活塞頂、氣缸蓋底面共同形成燃燒室。工作條件：機(jī)械應(yīng)力大，熱應(yīng)力大，摩擦嚴(yán)重。要求：強(qiáng)度大，耐磨性好。材料：廣泛采用高磷鑄鐵，耐磨性好，成本低；另外還有用含硼鑄鐵、鈮合金鑄鐵。工藝：內(nèi)表面用表面淬硬，鍍鉻、氮化、噴鍍等。外表面用鍍鎘、鍍鋅、鍍鉻等。分類：1.直接在機(jī)體上鏜孔，適用于負(fù)荷輕缸徑小的汽油機(jī)。2.獨立氣缸套：適用于柴油機(jī)和強(qiáng)化程度高的汽油機(jī)。

a、干式：外表面不與冷卻水直接接觸。優(yōu)點：剛度好，冷卻水密封好。缺點：散熱較差，加工面大，成本高，拆裝困難。適用：汽油機(jī)

b、濕式：外表面直接與冷卻水接觸。優(yōu)點：散熱好，拆裝方便，機(jī)體鑄造容易。缺點：剛度、密封差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。適用：柴油機(jī)結(jié)構(gòu)（濕式）：（1）圓環(huán)帶5，徑向定位及密封。（2）凸緣6，軸向定位。（3）下凸出環(huán)帶裝有1-3個封水圈。（4）切口，避免與連桿相碰。二、氣缸蓋功用：封閉氣缸上部，與氣缸上部及活塞頂構(gòu)成燃燒室。結(jié)構(gòu)：柴油機(jī)布置有渦流室或預(yù)燃室，汽油機(jī)布置燃燒室；配氣機(jī)構(gòu)、點火系、供給系等另部件安裝孔；進(jìn)、排氣道，水冷水套。工作條件：熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力大。要求：強(qiáng)度、剛度大，導(dǎo)熱性好，耐熱。材料：（1）優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵，常用；（2）合金鑄鐵、球墨鑄鐵，大型或強(qiáng)化柴油機(jī)；（3）鋁合金，部分汽油機(jī)和有特殊要求的柴油機(jī)，導(dǎo)熱性好，質(zhì)量小，剛度低。工藝：鑄造。分類（結(jié)構(gòu)型式）：1、整體缸蓋：汽油機(jī)優(yōu)點：零件少，結(jié)構(gòu)緊湊；缺點：剛度差，易變形，維修不經(jīng)濟(jì)。2、單體缸蓋：大型或強(qiáng)化柴油機(jī)優(yōu)點：剛度大，變形小，密封好，

經(jīng)濟(jì)性好缺點：零件多，總質(zhì)量及長度增加。3、塊狀缸蓋：載重汽車、工程機(jī)械柴油

機(jī)上。其他要點：氣缸蓋螺栓的擰緊

1、按一定順序以規(guī)定扭矩擰緊；

2、冷車擰緊后，熱機(jī)后再擰緊一次；

3、螺栓一般用中碳鋼、合金鋼制造，調(diào)質(zhì)處理。三、氣缸墊功用：密封氣、水、油。要求：①足夠的強(qiáng)度；②耐熱和耐腐蝕；③一定的彈性；④拆裝方便，壽命長。條件：溫度高，壓力大。材料：

1、金屬——石棉缸墊，常用；

2、塑性金屬，強(qiáng)化或增壓柴油機(jī)。結(jié)構(gòu)：輪廓同缸蓋，油、水孔處鑲邊增強(qiáng)。四、油底殼（下曲軸箱）功用：貯油、密封曲軸箱。材料：薄鋼板、鑄鐵、鋁合金。結(jié)構(gòu)：散熱片、放油塞、底面呈斜面。五、發(fā)動機(jī)的支承1、固定支承：固定式發(fā)動機(jī)剛性固定在基座上。2、彈性支承：通過氣缸體、飛輪殼、變速器殼彈性支承在車架上。有三點支承、四點支承兩種形式。三點支承：前端兩點通過曲軸箱支承在車架上，后端一點通過變速器殼支承在車架上。四點支承：前端兩點通過曲軸箱支承在車架上，后端二點通過飛輪殼支承在車架上。車用發(fā)動機(jī)的常用支承第二節(jié)活塞連桿組

包括：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿一、活塞功用：承受燃?xì)鈮毫?，并將力?jīng)連桿傳給曲軸。工作條件：高溫，高壓，熱負(fù)荷大，高速運(yùn)動，潤滑條件差。要求：強(qiáng)度、剛度大，耐熱性好，質(zhì)量小，耐磨性好。材料：

1、鑄鐵：耐磨，強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小，成本低；質(zhì)量大，導(dǎo)熱性差。

2、鋁合金：質(zhì)量小，導(dǎo)熱性好，利于采用較高轉(zhuǎn)速和壓縮比；但熱膨脹系數(shù)大。結(jié)構(gòu)：

分為頂部、頭部、裙部、銷座1、頂部：是構(gòu)成燃燒室的一部分，形狀與發(fā)動機(jī)有關(guān)，活塞頂內(nèi)壁可能有噴油機(jī)構(gòu)和加強(qiáng)筋。

a、平頂，汽油機(jī)；制造簡單，受熱面積小。

b、凸頂，二沖程汽油機(jī)，排氣好。

c、特殊形狀，柴油機(jī)，部分汽油機(jī)。2、頭部：頭部壁較厚，上切有環(huán)槽，上為氣環(huán)槽，下為油環(huán)槽，油環(huán)槽底面鉆有回油孔。另還可能有：隔熱槽：在第一道環(huán)槽上方，用于汽油機(jī)；環(huán)槽護(hù)圈：耐熱耐磨，高速柴油機(jī)。積炭槽：吸附潤滑油和雜質(zhì)，防止咬合。3、銷座用以安裝活塞銷，銷座部分較厚，有加強(qiáng)筋。4、裙部頭部最低一道環(huán)槽以下的部分，用以導(dǎo)向和傳遞側(cè)向力。工藝：

1、主體鑄造；

2、提高鋁合金活塞耐磨性的方法：熱處理、鍍錫、噴涂石墨、表面陽板氧化處理。

3、克服鋁合金熱膨脹系數(shù)大的措施：

a.上小下大；

b.裙部制成橢圓形；

c.裙部切槽（汽油機(jī)）；

d.鑲鑄膨脹系數(shù)小的鋼片。分類：整體鋁合金、整體鑄鐵、鋼頂鋁裙。其他要點：

裙部變形的原因：受Pg、PN及熱膨脹應(yīng)力的作用。二、活塞環(huán)功用：

1、氣環(huán)：密封、傳熱；

2、油環(huán)：刮除多余潤滑油，使油膜均勻分布，避免或減弱泵油作用和積炭。工作條件：高溫、高速、潤滑差，磨損嚴(yán)重。要求：有一定彈力，端面平滑，機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、工藝性好，對氣缸壁磨損小。材料：優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、合金鑄鐵、球墨鑄鐵、鋼（第一道環(huán)）。

工藝：氣環(huán)的表面處理：第一道氣環(huán)，多孔性鉻層，鉬層；第二、三道氣環(huán)，有時多孔性鉻層，鍍錫、磷化處理。結(jié)構(gòu)：1、氣環(huán)的斷面形狀

a、矩形環(huán)：易于制造，應(yīng)用廣泛，磨合性較差。

b、錐面環(huán)：磨合較快，有刮油作用；磨損快、壽命短。

c、扭曲環(huán)：易于磨合，有刮油作用，增加密封性，防止環(huán)上下竄動

而造成泵油和磨損。

d、梯形環(huán)：能將環(huán)槽中的積炭擠碎，防止活塞環(huán)結(jié)焦卡住。用于熱

負(fù)荷較大的發(fā)動機(jī)。

e、桶形環(huán)：易于磨合，潤滑性好，密封性好，用于強(qiáng)化發(fā)動機(jī)。扭曲環(huán)的工作原理2、油環(huán)基本結(jié)構(gòu)：與矩形斷面氣環(huán)相似，但中間有凹槽，槽底部有排油小孔或狹縫。結(jié)構(gòu)型式：（1）普通油環(huán)：有倒角油環(huán)，鼻形油環(huán)，合裝油環(huán)等，以提高刮油能力。（2）鋼片組合油環(huán)：由片簧、襯簧組成，能避免彈力減弱。（3）漲圈油環(huán)：彈力好，制造安裝方便。

端隙：0.2～0.6mm（汽）0.4～0.8mm（柴）側(cè)隙：0.04～0.08mm（汽）0.08～0.16mm（柴）背隙：一般為：0.5--1mm

各環(huán)開口處錯開角度活塞環(huán)的間隙：為了保證氣缸的密封性，又防止環(huán)卡死或脹死在環(huán)槽中，安裝時，活塞環(huán)應(yīng)留有端隙、側(cè)隙和背隙。其他要點：1、封氣原理：

a.外圓表面靠本身彈力和活塞環(huán)背壓貼合；

b.上、下端面靠往復(fù)運(yùn)動貼合；

c.開口位置相錯開，使氣體壓力迅速下降；2、泵油作用：

a.活塞向下，環(huán)緊壓上端面，潤滑油進(jìn)入環(huán)下面和背面間隙；

b.活塞向上，環(huán)又壓向下端面，潤滑油被擠壓向上。三、活塞銷功用：連接活塞與連桿，承受并傳遞氣體壓力和活塞往復(fù)慣性力。工作條件：高溫，周期性沖擊負(fù)荷大，潤滑條件差，軸承面比壓大，高速運(yùn)動。要求：強(qiáng)度高，外表面硬度高，耐摩，內(nèi)部韌性強(qiáng)，質(zhì)量小。材料：20號鋼或合金鋼。工藝：冷擠壓成型，外表面滲碳或氮化處理后，再精磨。結(jié)構(gòu)：空心圓柱體。裝配：采用浮式安裝；軸向由擋圈限位。四、連桿功用：連接活塞與曲軸，傳遞力和運(yùn)動。工作條件：復(fù)雜的交變應(yīng)力和復(fù)雜運(yùn)動。要求：強(qiáng)度、剛度足夠，疲勞強(qiáng)度高，質(zhì)量輕。材料及工藝：

a.中碳鋼、合金鋼，調(diào)質(zhì)、高溫形變、表面噴丸、光整加工；

b.球墨鑄鐵，小功率柴油機(jī)；

c.硼鋼，鍛造，淬硬。結(jié)構(gòu)：

連桿小頭、桿身、連桿大頭、連桿螺栓。連桿小頭：

用于安裝活塞銷，小頭軸承材料有錫青銅（常用），鋁青銅（強(qiáng)化發(fā)動機(jī)用）、鋼背減摩合金，鐵基粉末冶金襯套。潤滑方式：飛濺、壓力。形狀：可能呈斜面形，承載能力強(qiáng)，重量輕。連桿桿身：

形狀：斷面呈“工”字形。

特點：質(zhì)量小，強(qiáng)度、剛度大，桿身向大小頭過渡處采用較大圓弧，避免應(yīng)力集中。連桿大頭：一般做成可分的，兩個半部用連桿螺栓連接。少數(shù)做成整體。剖分形式：（1）平切口：剖分面垂直桿身中心線。剛度大，加工容易，連桿螺栓不受剪切作用，用于高速內(nèi)燃機(jī)。曲柄銷直徑受限制（連桿螺栓安裝尺寸較大）。（2）斜切口：部分面與桿身中心線呈一定角度?？梢栽龃笄N直徑，提高曲軸剛度，增大摩擦接觸面積；V型發(fā)動機(jī)的曲軸箱外形可更緊湊。常用定位措施：止口，銷套，鋸齒。裝配注意事項：連桿和連桿蓋配對加工，正反面不能反。連桿螺栓：

受交變慣性力作用，材料、工藝要求高。材料采用中碳合金鋼；工藝上采用精加工、調(diào)質(zhì)、磁力探傷等措施。需按規(guī)定扭矩擰緊，并有防松措施。

（三）連桿軸承工作條件：交變沖擊力大，工作面滑動速度高，易發(fā)熱和磨損。要求：機(jī)械強(qiáng)度高，耐腐蝕性，耐熱性，減摩性好。分類：（1）軸瓦；（2）滾動軸承；（3）不另裝軸承。軸瓦構(gòu)造：分開式薄壁圓環(huán)，由“鋼背—減摩合金—（表層）”構(gòu)成。內(nèi)表面有周向淺槽（縱向油槽）、油孔，外表面有凸鍵。材料：減摩合金材料：

a.錫基白合金：減摩性好，耐腐蝕，疲勞強(qiáng)度低。廣泛用于汽油機(jī)。

b.銅鉛合金（或鉛青銅合金）：疲勞強(qiáng)度高，承載能力大，耐磨性好，減摩性較差，不耐腐蝕，成本較高。常用于柴油機(jī)。

c.鋁基合金：疲勞強(qiáng)度高，減摩性較好，耐腐蝕性好，成本低。表層材料：鉛錫合金，可有效改善減摩合金表面性能（磨合性、順應(yīng)性、抗咬合性、耐腐蝕性）。裝配：軸瓦制造精度高，具互換性，不需手工加工。裝配時有適當(dāng)油膜間隙，且保持干凈。第三節(jié)曲軸飛輪組功用：傳遞力矩和運(yùn)動。工作條件：承受彎曲，扭轉(zhuǎn)，剪切，拉壓等復(fù)雜交變應(yīng)力；扭振、彎曲振動引起的附加應(yīng)力；軸承副承受高比壓。要求：強(qiáng)度、剛度大，軸頸承壓面大，耐磨性好，避免應(yīng)力集中，扭振小，輸出扭矩均勻。材料：優(yōu)質(zhì)中碳鋼、合金鋼、硼鋼、球墨鑄鐵。工藝：表面高頻淬火，精磨，拋光，圓角滾壓強(qiáng)化，圓角表面淬火。

桑塔納2000時代超人轎車AJR發(fā)動機(jī)曲軸飛輪組零件分解圖曲軸帶輪曲軸正時齒形帶輪曲軸鏈輪（驅(qū)動油泵）止推片主軸承下軸瓦轉(zhuǎn)速傳感器脈沖輪飛輪飛輪齒圈曲軸正時齒形帶輪凸輪軸正時齒形帶輪正時齒形帶水泵齒形帶輪張緊輪結(jié)構(gòu)：主軸頸、曲柄銷、曲柄臂、自由端、功率輸出端、平衡塊。分類：（1）按主軸承支承分：a、全支承b、非全支承（2）按結(jié)構(gòu)型式分：a、整體b、組合式曲柄銷：

功用：與連桿大頭配合個數(shù)：直列等于氣缸數(shù)，V型等于氣缸數(shù)的一半。結(jié)構(gòu)：中空。主軸頸：功用：支承主軸承，分為滑動軸承，滾動軸承。主軸承結(jié)構(gòu)材料與連桿軸承類似，一般軸出端軸頸與中間主軸頸較長。曲柄臂：功用：連接曲柄銷和主軸頸，加工有油道。平衡塊：

功用：平衡不平衡慣性力和力矩，減小主軸承負(fù)荷。曲軸自由端：

功用：安裝正時齒輪、皮帶輪、起動爪，扭振減振器，軸向止推片等。曲軸功率輸出端：功用：安裝飛輪、擋油圈、回油螺紋等。油封裝置：

功用：防止?jié)櫥吐┏銮S箱。

材料：毛氈、硅橡膠、聚脂橡膠、取勝四氟乙烯等。（三）曲軸軸向定位（止推片）目的：保證曲柄連桿機(jī)構(gòu)的正確位置，保證正時。位置：輸出端，中央主軸承，自由端。軸向游隙：0.10～0.50mm。飛輪：

功用：貯存功能，便于起動，運(yùn)行平穩(wěn)，改善扭振性能。

材料：鑄鐵。結(jié)構(gòu)：圓盤狀，質(zhì)量主要分布在輪緣上。要點：（1）要進(jìn)行動平衡；（2）有上止點標(biāo)記。內(nèi)燃機(jī)動力學(xué)

內(nèi)燃機(jī)動力學(xué)方面主要了解5個內(nèi)容：1、內(nèi)燃機(jī)發(fā)火次序的確定；2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析；3、曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析；4、內(nèi)燃機(jī)的平衡；5、內(nèi)燃機(jī)軸系的扭振

曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析：

1、氣體作用力：在作功行程中，氣體作用力Fp作用在活塞頂上，傳到活塞銷上，分解為Fp1、Fp2，分力Fp1沿連桿傳到曲柄銷上，并可分解為FR和FS，垂直于曲柄的分力FS對曲軸中心形成轉(zhuǎn)矩Ttq，推動曲軸旋轉(zhuǎn)；分力Fp2則將活塞壓向氣缸的左側(cè)。（1）作功行程

氣體壓力作用情況示意圖2、往復(fù)慣性力與離心力：活塞加速度：在上止點前后活塞加速度是正值，往復(fù)慣性力朝上；在下止點前后活塞加速度是負(fù)值，往復(fù)慣性力朝下。如圖（2偏離曲軸軸線的曲柄、曲柄銷和連桿大頭繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力，其方向沿曲柄半徑向外。曲軸轉(zhuǎn)速愈高，往復(fù)慣性質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)慣性質(zhì)量愈大，則往復(fù)慣性力與離心力愈大，慣性力使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件和所有軸頸（軸承）受周期性變化的附加負(fù)荷，加快磨損。若不加以平衡，慣性力傳到氣缸體外，引起發(fā)動機(jī)的振動。（1）活塞在上半行程時的慣性力（2）活塞在下半行程時的慣性力往復(fù)慣性力和離心力作用情況示意圖在壓縮行程中，作用在活塞頂上的氣體壓力FP也可以分解為兩個分力FP1和FP2，而FP1又可以分解為Fs和FR，分力Fs對曲軸造成一個旋轉(zhuǎn)阻力矩Ttq，企圖阻止曲軸旋轉(zhuǎn)，而FP2則將活塞壓向氣缸的另一側(cè)?？傊?，氣體壓力作用在活塞頂上，通過活塞銷、連桿傳力給曲軸，最終由機(jī)體主軸承承受。同時，曲軸終端產(chǎn)生輸出扭矩，而傾倒力矩則使機(jī)體左右搖晃，因此，需通過螺栓使機(jī)體固定在車架上。（2）壓縮行程氣體壓力作用情況示意圖1.曲軸的形狀和內(nèi)燃機(jī)發(fā)火次序的確定

發(fā)火次序：以第1缸為基準(zhǔn)的各氣缸作功行程發(fā)生的順序。為滿足發(fā)動機(jī)工作平衡性和動力學(xué)性能的要求，曲軸的形狀與沖程數(shù)，氣缸數(shù)、氣缸排列方式等許多因素有關(guān)，在設(shè)計時應(yīng)考慮。本節(jié)主要討論已知曲軸形狀推知可能的發(fā)火次序，確定最佳發(fā)火次序，掌握常見發(fā)動機(jī)的發(fā)火次序。曲柄圖：從自由端觀察的曲軸結(jié)構(gòu)示意圖(編號、夾角、旋向)。確定發(fā)火次序的基本原則：

(1)發(fā)火間隔角均勻（確定所有可能的發(fā)火次序）；

發(fā)火間隔角

式中i

為缸數(shù)

(2)避免相鄰兩缸連續(xù)發(fā)火（確定最佳發(fā)火次序）。。

例：直列六缸機(jī)可能發(fā)火次序：1－5－3－6－2－4－11－2－3－6－5－4－11－5－4－6－2－3－11－2－4－6－5－3－1最佳