第3章曲柄連桿機構

第3章曲柄連桿機構

3.1概述曲柄連桿機構是在高壓下作變速運動，受力情況復雜。其中有氣體作用力、運動質量慣性力、摩擦力以及外界阻力等。氣體作用力-----在每個工作循環(huán)的四個行程中，氣體壓力始終存在(進氣、排氣氣體壓力較小;作功、壓縮兩行程中氣體作用力較大）。往復慣性力與離心力-----往復運動的物體，當運動速度變化時，就要產(chǎn)生住復慣性力。物體繞某一中心作旋轉運動時，就會產(chǎn)生離心力。這兩種力在曲柄連桿機構的運動中部是存在的。摩擦力-----是任何一對互相壓緊并作相對運動的零件表面之間必定存在的力，其最大值決定于上述各種力對摩擦面形成的正壓力和摩擦系數(shù)。3.1氣缸體與氣缸蓋1、氣缸體水冷發(fā)動機氣缸體：一般式氣缸體----發(fā)動機的曲軸軸線與氣缸體下表面在同一平面上（便于機械加工）。龍門式氣缸體----發(fā)動機氣缸體下表面移至曲軸軸線以下(剛度和強度較好，工藝性較差)。隧道式氣缸體----留有滾動主軸承支承的組合式曲軸的安裝孔（結構剛度比龍門式的更高）。V型發(fā)動機氣缸體風冷發(fā)動機氣缸體：用空氣冷卻，在氣缸體和氣缸蓋外表面鑄有許多散熱片，以增加散熱面積，保證散熱充分。發(fā)動機的排列型式：

水平對置發(fā)動機V型發(fā)動機氣缸：氣缸工作表面由于經(jīng)常與高溫、高壓的燃氣相接觸，且有活塞在其中作高速往復運動（材料、冷卻）。

水冷式氣缸套有干式和濕式兩種：

干缸套----不直接與冷卻水接觸，壁厚一般為l一3mm。

濕缸套-----直接與冷卻水接觸，壁厚一般為5—9mm。發(fā)動機型式氣缸體1氣缸體2氣缸套2、氣缸蓋與氣缸襯墊（1）氣缸蓋氣缸蓋的主要功用是封閉氣缸上部，并與活塞頂部和氣缸壁一起形成燃燒室。氣缸蓋內部也有冷卻水套，其端面上的冷卻水孔與氣缸體的冷卻水孔相通，以便利用循環(huán)水來冷卻燃燒室等高溫部分。發(fā)動機的氣缸蓋上應有進、排氣門座及氣門導管孔和進、排氣通道等。氣缸蓋形狀復雜，一般采用灰鑄鐵或合金鑄鐵，少數(shù)用鋁合金鑄造。單體氣缸蓋----在多缸發(fā)動機中的一列中，只覆蓋一個氣缸的氣缸蓋。缸徑較大的發(fā)動機常采用。整體氣缸蓋----能覆蓋全部氣缸的氣缸蓋。可以縮短氣缸中心距和發(fā)動機的總長度，其缺點是剛性較差，在受熱和受力后容易變形而影響密封；損壞時須整個更換。多用于發(fā)動機缸徑小于105mm的汽油發(fā)動機上。塊狀氣缸蓋----能覆蓋部分(兩個以上)氣缸蓋。缸徑較大的發(fā)動機常采用。氣缸蓋汽油機燃燒室形狀：1)、楔形燃燒室：結構較簡單、緊湊。在壓縮終了時能形成擠氣渦流（紅旗轎車、CA1091型貨車）。2)、盆形燃燒室：結構也較簡單、緊湊（北京492QG）。3)、半球形燃燒室：結構較前兩種更緊湊。但因進排氣門分別置于缸蓋兩側，故使配氣機構比較復雜。但由于其散熱面積?。欣诖龠M燃料的完全燃燒和減少排氣中有害氣體，對排氣凈化有利。氣缸蓋與燃燒室燃燒室及進氣方式缸蓋與氣道（2）氣缸蓋襯墊置于氣缸蓋與氣缸體之間，以保證燃燒室的密封。其應滿足的要求：1)在高溫高壓燃氣作用下有足夠的強度，不易損壞；2)耐熱和耐腐蝕。3)有彈性，能補償接合面的不平度，以保證密封；4)拆裝方便，能重復使用，壽命長。金屬一石棉材料----石棉中間夾有金屬絲或金屬屑，且外覆銅皮或鋼皮。水孔和燃燒室孔周圍另用鑲邊增強，以防被高溫燃氣燒杯。安裝氣缸蓋襯墊時，應注意把光滑的一面朝氣缸體，否則容易被氣體沖壞。金屬片作為襯墊的材料（強化的汽車發(fā)動機）膨脹石墨作為襯墊的材料（研究中）氣缸蓋襯墊的結構1)復合型氣缸墊①金屬石棉型---稱作夾鋼—石棉墊。在復合型氣缸墊中用得最多。由于石棉是致癌性物質，現(xiàn)在都改為用膨脹石墨、纖維系作為壓縮材料。這種材料壓緊厚度為1.2mm—2.0mm，有很好的彈性和耐熱性，并能重復使用。②鋼絲輻板型氣缸墊---其壓縮材料是用石棉橡膠系，芯骨用金屬網(wǎng)。由于接觸面小，壓縮性好。③金屬石墨型氣缸墊---其基本結構與金屬石棉型氣缸墊一樣，只是壓縮材料系采用膨脹石墨，其耐熱性和密封性較好。2)金屬型氣缸墊--利用金屬的彈性進行密封的，故受壓后復原性以及耐熱性良好。這種墊是采用單塊光整冷軋低碳鋼板沖制而成。在需要密封的氣缸孔、水孔及油孔周圍，沖壓出一定高度的凸紋、利用凸紋受壓后的彈性變形來實現(xiàn)密封。氣缸蓋的緊固：擰緊螺栓時，必須按由中央對稱地向四周擴展的順序分幾次進行。最后一次要用扭力扳手按工廠規(guī)定的擰緊力矩值擰緊（氣缸蓋由鋁合金制成，在發(fā)動機冷的狀態(tài)下擰緊；鑄鐵氣缸蓋則在發(fā)動機熱時最后擰緊）。密封墊3、油底殼油底殼的主要功用是貯存機油并封閉曲軸箱。材料：薄鋼板沖壓容積：發(fā)動機的總體布置和機油的容量散熱：機油泵能經(jīng)常吸油：局部凹陷擋油板：防止油面波動過大。放油塞：油底殼底部，有的放油塞是磁性的。油底殼4、發(fā)動機的支承發(fā)動機一般通過氣缸體和飛輪殼或變速器殼上的支撐支承在車架上。發(fā)動機的彈性支承，是為了消除在汽車行駛中車架的扭轉變形對發(fā)動機的影響，以及減少傳給底盤和乘員的振動和噪聲。彈性支承的發(fā)動機運轉時(特別在工作不穩(wěn)定，如低轉速或超載荷時)，可能發(fā)生橫向角振動，與發(fā)動機相連的各種管子和桿子等的結構要考慮發(fā)動機振動對它的影響（如采用軟管）。3.2活塞連桿組活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿等機件組成。1、

活塞活塞的主要作用是承受氣缸中氣體壓力所造成的作用力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉?；钊敳窟€與氣缸蓋氣缸壁共同組成燃燒室?；钊幕緲嬙炜煞猪敳俊㈩^部和裙部三部分?；钊ぷ鳝h(huán)境：高溫度：頂部直接與高溫燃氣（達2500K以上）接觸，活塞的溫度也很高（達600~700K）。高溫----活塞的機械強度下降----熱膨脹量增大----容易破壞活塞與其相關零件的配合。高壓力：在作功行程時，活塞頂部承受著燃氣的帶沖擊性的高壓力（汽油機3~5Mpa，柴油機6~9Mpa）。高壓導致活塞的側壓力大，加速活塞外表面的磨損，也容易引起活塞變形。慣性力：活塞在氣缸中高速運動（汽油機的轉速為4000~6000r／min，活塞的平均速度可達8~12m／s），產(chǎn)生很大的慣性力------曲柄連桿機構的各零件和軸承承受附加的載荷。熱應力：活塞承受的氣壓力和慣性力是呈周期性變化的。要求活塞質量小，熱膨脹系數(shù)小，導熱性好和耐磨。活塞材料：鋁合金、高級鑄鐵、耐熱鋼。

鋁合金活塞：具有質量小(約為同樣結構的鑄鐵活塞的50％一70％)，導熱性好(約為鑄鐵的3倍)的優(yōu)點。缺點是熱膨脹系數(shù)較大，在溫度升高時，強度和硬度下降較快（結構設計、機械加工、熱處理上加以彌補）。鋁活塞的成型方法有鑄造、鍛造和液態(tài)模鍛（高壓擠壓）等幾種?；钊敳科蜋C活塞頂部多采用平頂，其優(yōu)點是吸熱面積小，制造工藝簡單。有些汽油機為了改善混合氣形成和燃燒而采用凹頂活塞；二沖程汽油發(fā)動機采用凸頂活塞；柴油機的活塞頂部常常設有各種各樣的凹坑，位置和大小都必須與柴油機混合氣的形成或與燃燒要求相適應?；钊^部活塞頭部是活塞環(huán)槽以上的部分。其主要作用有三：①承受氣體壓力，并傳給連桿，②與活塞環(huán)一起實現(xiàn)氣缸的密封；③將活塞頂所吸收的熱量通過活塞環(huán)（氣環(huán)、油環(huán)）傳導到氣缸壁上。活塞頭部較厚----熱量從活塞頂經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸的冷卻壁面上----防止活塞項溫度過高。有的發(fā)動機活塞在第一道環(huán)槽上面，切出一道較環(huán)槽窄的隔熱槽，它的作用是隔斷從活塞頂部流下來的部分熱流通路，迫使熱流方向折轉，把原來應由第一道活塞環(huán)散走的熱量，分散給第二、三環(huán)，以消除第一環(huán)過熱后產(chǎn)生積炭和卡死在環(huán)槽中的可能性?；钊h(huán)槽的磨損常常是限制活塞使用壽命的一個重要因素。鋁臺金活塞環(huán)槽部位鑄入采用耐熱材料制造的環(huán)槽護圈，采用奧氏體鑄鐵護圈后，環(huán)槽的壽命可以提高3—10倍活塞裙部是指自油環(huán)槽下端面起至活塞底面的部分。其作用是為活塞在氣缸內作往復運動導向和承受側壓力。燃燒氣體壓力P均布作用、側壓力N的作用、活塞銷座附近的金屬堆積。使得其裙部斷面變成長軸在活塞銷方向上的橢圓。預先在冷態(tài)下把活塞加工成其裙部斷面為長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形。

由于活塞沿軸線方向溫度分布和質量分布都不均勻，各個斷面的熱膨脹量是上大下小，必須事先把活塞做成直徑上小下大的近似圓錐形。有的汽油機活塞，還開有“T”形或“П”形槽。橫槽：切斷從活塞頭部向裙部傳輸熱流的部分通道?？v槽：使裙部具有彈性，從而使冷態(tài)下的裝配間隙得以盡可能小，而在熱態(tài)下又因切槽的補償作用。有的汽油機活塞在活塞銷座中鑲鑄進熱膨脹系數(shù)低的“恒范鋼片”1(含鎳33％一36％，線膨脹系數(shù)約為鑄鋁合金的1／10)以牽制裙部的熱膨脹。

隨著柴油機強化程度的不斷提高，（機械負荷、熱負荷）---油冷活塞。活塞銷座-----是將活塞頂部氣體作用經(jīng)活塞銷傳給連桿。銷座通常有肋片與活塞內壁相連，以提高其剛度。銷座孔內有安放彈性卡環(huán)的卡環(huán)槽

活塞銷的安裝位置如果活塞銷對中布置-----則當活塞越過上死點時側壓力的作用方向改變-----活塞敲擊氣缸壁面產(chǎn)生噪聲。如果把活塞銷偏移布置（在作功行程中受側向力的一面偏移了1—2mm）----活塞較平順地從壓向氣缸的一面過渡到壓向另一面----可以減輕活塞“敲缸”，減小噪聲---帶來活塞裙部兩端的尖角負荷增大---拖板式裙部的活塞?；钊?活塞2、

活塞環(huán)活塞環(huán)包括氣環(huán)、油環(huán)兩種。

活塞環(huán)工作環(huán)境：受到氣缸中高溫(第一環(huán)溫度達600K)、高壓燃氣的作用。另外由于氣缸壁的錐度和橢圓度，活塞環(huán)隨同活塞在氣缸中作高速住復運動時，沿徑向會產(chǎn)生一張一縮的運動，使環(huán)受到交變彎曲應力作用。

氣環(huán)----是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中的高溫、高壓燃氣大量漏入曲軸箱，同時還將活塞頂部的大部分熱量傳導到氣缸壁，再由冷卻水或空氣帶走。密封----導熱的前提，如果氣環(huán)密封性能不好，高溫燃氣將直接從氣環(huán)外圓表面漏入曲軸箱，此時氣環(huán)和氣缸貼合導熱性下降，氣環(huán)外圓表面還接受附加的熱量，最后必將導致活塞和氣環(huán)繞壞。油環(huán)----除氣缸壁上多余的機油，并在氣缸壁上鋪涂一層均勻的機油膜。既防止機油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸的磨損和摩擦阻力。活塞環(huán)失效的后果：在高溫、高壓、高速以及潤滑困難的條件下工作的活塞環(huán)是發(fā)動機所有零件中工作壽命最短的。活塞環(huán)失效---發(fā)動機起動困難---功率不足---曲軸箱壓力升高---通風系統(tǒng)嚴重冒煙---機油消耗增大---排氣冒藍煙---燃燒室、活塞等表面嚴重積炭?；钊h(huán)材料：是合金鑄鐵(銅、鉻、鉬等合金元素)。活塞環(huán)結構工藝與結構：多孔性鉻鍍層-----第一道氣環(huán)的工作表面上。多孔性鉻層硬度高，并能貯存少量機油，以改善潤滑條件，使環(huán)的使用壽命提高2—3倍。鍍錫或磷化----用于氣環(huán)，以改善磨合性能。噴鉬----提高活塞環(huán)的耐磨性。鋼片環(huán)-----用于高速強化的柴油機，以提高彈力和沖擊韌性。金屬陶瓷和聚四氯乙烯：在國外處于試用階段。活塞環(huán)切口形狀：氣環(huán)的泵油作用-----矩形斷面（常用）的氣環(huán)隨活塞作往復運動時，會把氣缸壁上的機油不斷送入氣缸中的現(xiàn)象。氣環(huán)下裝設油環(huán)。氣環(huán)的斷面形狀扭曲環(huán)----扭曲環(huán)是在矩形的內圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分。將這種環(huán)隨同活塞裝入氣缸時，由于環(huán)的彈性內力不對稱作用產(chǎn)生明顯的斷面傾斜?；钊h(huán)的外側拉伸應力的合力F1與內側壓縮應力的合力F2之間有一力臂e-----扭曲力矩M-----環(huán)的外圓周扭曲成上小下大的錐形-----環(huán)的邊緣與環(huán)糟的上下端面接觸加強----提高了表面接觸應力----防止了活塞環(huán)在環(huán)槽內上下竄動而造成的泵油作用----同時增加了密封性----扭曲環(huán)還易于磨合，并有向下刮油的作用。

錐面環(huán)-----可以改善環(huán)的磨合．這種環(huán)在氣缸內，可向下刮油，而向上滑動時由于斜面的油楔作用，可在油膜上浮起，減少磨損。梯形環(huán)-----在熱負荷較高的柴油機上、第一環(huán)常采用梯形環(huán)。當活塞受側壓力的作用而改變位置時，環(huán)的側隙相應發(fā)生變化，使沉積在環(huán)槽中的結焦被擠出，避免了環(huán)被粘在環(huán)槽中而引起折斷。在作功行程中，作用在梯形環(huán)上的燃氣作用力R的徑向分力Rx，加強了環(huán)的密封作用。桶面環(huán)-----作為強比柴油機活塞中的第一環(huán)----外圓面為凸圓弧形。當桶面環(huán)上下運動時----均能與氣缸壁形成楔形空間，使機油容易進入摩擦面，從而使磨損大為減少。-----桶面環(huán)與氣缸是圓弧接觸，故對氣缸表面的適應性和對活塞偏擺的適應性均較好，有利于密封。油環(huán)----普通油環(huán)、組合油環(huán)（材料：合金鑄鐵）。普通油環(huán)---其外圓面的中間切有一道凹槽，在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔或狹縫。組合油環(huán)---片環(huán)很薄，對氣缸壁的比壓大，因而刮油作用強；三個刮油片是各自獨立的，故對氣缸的適應性好；質量?。换赜屯反??；钊h(huán)

3、活塞銷活塞銷的功用---是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿。活塞銷通常做成空心圓柱體。（周期性沖擊載荷、飛濺潤滑，要求有足夠的剛度和強度、小的慣性）活塞銷材料與工藝---低碳鋼或低碳合金鋼，表面滲碳處理----精磨和拋光。全浮式配合---在發(fā)動機運轉過程中，活塞銷不僅可以在連桿小頭襯套孔內，還可以在銷座孔內緩慢地轉動，以使活塞銷各部分的磨損比較均勻。4、

連桿連桿的功用-----是將活塞承受的力傳給曲軸，使得活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動。（活塞銷傳來的氣體作用力、連桿擺動和活塞組往夏運動時的慣性力等周期性變化的力作用------壓縮、拉伸和彎曲）連桿材料與結構-----中碳鋼或合金鋼經(jīng)模鍛或輥鍛而成，然后經(jīng)機械加工和熱處理?！肮ぁ弊中螖嗝孢B桿螺栓----承受交變載荷的重要零件。采用韌性較高的優(yōu)質合金鋼、優(yōu)質碳素鋼鍛制或冷墩成型。擰緊力矩有嚴格的規(guī)定。剖分式連桿大頭-----平切口、斜切口。平切口-----汽油機連桿大頭尺寸一般小于氣缸直徑，可以采用平切口連桿。平切口的連桿蓋與連桿的定位，是利用連桿螺栓上的精加工的圓柱凸臺或光圓柱部分，與經(jīng)過精加工的螺栓孔來保證的。斜切口-----柴油機的連桿，由于受力較大，其大頭的尺寸往往超過氣缸直徑。為使連桿大頭能通過氣缸，大多采用斜切口連桿（300----600）。斜切口連桿常用的定位方法：1)止口定位-----優(yōu)點是工藝簡單，缺點是定位不大可靠，只能單向定位．對連桿蓋止口向外變形或連桿大頭小口向內變形均無法防止。2)套筒定位-----是在連桿蓋的每一個螺栓孔中壓配一個剛度大，而且剪切強度高的短套簡。3)鋸齒定位-----這種定位方式的優(yōu)點是鋸齒接觸面大，貼合緊密，定位可靠，結構緊湊。缺點是對齒節(jié)距公差要求嚴格。連桿軸承-----剖分式滑動軸承薄鋼背的內圓面上澆鑄0.3~0.7mm厚的減摩合金層而成(如巴氏合金----疲勞強度較低、銅鉛合金和高錫鋁合金----有較高的承載能力與耐疲勞性等)-----具有保持油膜，減少磨擦阻力和加速摩合的作用。連桿3.3曲軸飛輪組1、曲軸曲軸的功用:承受連桿傳來的力（離心力、氣體壓力、往復慣性力），形成繞其本身軸線的力矩。（剛度、強度、耐磨、潤滑良好）。曲軸主要由三部分組成：①曲軸的前端(或稱自由端)1；②若干個曲柄銷3和它左右兩端的曲柄4、前后兩個主軸頸2組成的曲拐；③曲軸后端(或稱功率輸出端)6。

曲軸的曲拐數(shù)：決定于氣缸的數(shù)目和排列方式。在相鄰的兩個曲拐之間（全支承曲軸），都設置一個主軸頸的曲軸（直列式發(fā)動機的主軸頸總數(shù)比氣缸數(shù)多一個；V型發(fā)動機的主軸頸總數(shù)比氣缸數(shù)的一半多一個）。全支承曲軸優(yōu)點：可以提高曲軸的剛度和彎曲強度，可減輕主軸承的載荷。缺點：曲軸的加工表面增多，主軸承數(shù)增多，使機體加長。曲軸的工藝結構及材料：曲軸銷為空心----減少質量、儲油。

平衡重----平衡發(fā)動機不平衡的離心力和離心力矩。曲軸前端結構

曲軸后端結構：材料---中碳鋼或中碳合金鋼模鍛---機加工---高頻淬火或氮化---精磨（稀土球墨鑄鐵鑄造）---曲軸必須采用全支承以保證剛度。組合式曲軸：多缸發(fā)動機曲拐布置和發(fā)火次序：四行程直列四缸發(fā)動機發(fā)火次序------發(fā)火間隔角應為7200／4＝1800。

四行程直列六缸發(fā)動機發(fā)火次序------發(fā)火間隔角應為7200／6＝1200。曲軸平衡與軸承2.平衡軸三缸機固有的一級往復慣性力矩和四缸機固有的二級往復慣性力矩無法通過曲軸本身增加平衡塊的方法來完全平衡，而這些不平衡的力和力矩正是造成發(fā)動機振動和噪音的重要原因。夏利三缸發(fā)動機采用的平衡軸。它裝在曲軸的側面，由曲軸前端的齒輪驅動，旋轉方向與曲軸的旋轉方向相反。平衡軸齒輪與曲軸齒輪嚙合時必須對正標記，以保證平衡軸力矩作用平面與不平衡的一級往復慣性力矩作用平面始終在同一平面內。對于直列式四缸發(fā)動機，一般采用雙軸平衡機構，即在曲軸兩側各設置一個帶平衡塊的平衡軸。平衡軸一般用鋼制成，外形似槳，裝在發(fā)動機的底部。平衡軸是由曲軸驅動，但其轉速是曲軸轉速的兩倍，轉動方向與曲軸的轉動方向相反，所以它能產(chǎn)生與曲軸轉動產(chǎn)生的不平衡力相等的轉動力，且其作用方向與發(fā)動機不平衡力的作用方向是相反的。這就很好的起到平衡振動的作用，減小了發(fā)動機的振動和噪聲。3.曲軸扭轉減振器曲軸是一種扭轉彈性系統(tǒng)（具有一定的自振頻率）。在發(fā)動機工作過程中----周