汽車技術(shù)文檔-第2章 曲柄連桿機構(gòu)

第二章

曲柄連桿機構(gòu)第一節(jié)概述曲柄連桿機構(gòu)的功用與組成功用：把燃氣作用在活塞頂上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩，以向工作機械輸出機械能。組成：機體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組曲柄連桿機構(gòu)的工作條件高溫：2500K高壓：5～9MPa高速：3000～6000r/min（100～200行程）化學腐蝕受力分析由于曲柄連桿機構(gòu)是在高壓下變速運動的，因此它受力情況十分復雜。氣體作用力往復慣性力與離心力摩擦力外界阻力氣體作用力一般的轎車發(fā)動機，活塞承受的燃燒室爆發(fā)氣體的壓力約30～50kg/㎝2。如果按活塞半徑約4.25㎝的中型車計算，一個活塞承受的壓力約2800kg，等于瞬間舉起兩臺中型車的力量往復慣性力與離心力慣性力如上圖所示，活塞的運動速度很高，且數(shù)值在不斷變化。當其從上止點向下止點運動時，其速度變化規(guī)律是：從零開始，逐漸增大，臨近中間達到最大值，然后又逐漸減小至零。也就是說，前半行程是加速運動，慣性力向下（Fj）；后半行程是減速運動，慣性力向上（Fj‘）。該慣性力使曲柄連桿機構(gòu)承受周期性的附加載荷，加快軸承的磨損，引起發(fā)動機的振動。離心力曲柄、曲柄銷和連桿大頭繞曲軸軸線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力。離心力分解后，F(xiàn)cy與Fj方向一致，F(xiàn)cy‘與Fj‘方向一致，因而離心力加劇了發(fā)動機的上下振動；Fcx、Fcx‘使發(fā)動機產(chǎn)生水平方向的振動。離心力使曲柄連桿機構(gòu)承受又一附加載荷，增加機構(gòu)的變形和磨損。摩擦力為了保證工作可靠、減少磨損，在結(jié)構(gòu)上必須采取相應(yīng)的措施機體組的基本組成：

氣缸體、氣缸蓋、氣缸墊、油底殼氣缸體的功用與結(jié)構(gòu)形式功用：發(fā)動機各個機構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基體結(jié)構(gòu)：上半部有一個或若干個為活塞在其中運動導向的圓柱形空腔，稱為氣缸；下半部為支承曲軸的曲軸箱型式：一般式、龍門式、隧道式冷卻方式：水冷、風冷排列方式：直列、V型、對置式水冷式氣缸體和氣缸蓋1.氣缸2.水套3.氣缸蓋4.燃燒室5氣缸墊風冷式氣缸體和氣缸蓋1氣缸體2氣缸蓋3散熱片冷卻方式氣缸的排列型式氣缸體的工作條件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，所以必須耐高溫、高壓、磨損、腐蝕。且作為發(fā)動機各個機構(gòu)系統(tǒng)的裝配基體，本身還應(yīng)有足夠的剛度和強度。一般從氣缸的材料、加工精度、結(jié)構(gòu)等方面入手材料：灰口鑄鐵、優(yōu)質(zhì)合金鑄鐵、鋁合金2級精度氣缸套的形式與結(jié)構(gòu)氣缸套的型式干式——缸套外表面不直接與冷卻水接觸，壁厚一般為2～3mm。濕式——缸套外表面與冷卻水直接接觸，壁厚一般為5～8mm。特點：定位和密封。濕缸套的優(yōu)點濕在氣缸體上沒有密封的水套，鑄造方便，容易拆卸更換，冷卻效果也好；其缺點是氣缸體的剛度差，易于漏氣、漏水。濕缸套廣泛應(yīng)用于汽車柴油機上缸套的安裝缸套裝入座孔后，通常缸套定面略高于氣缸體上平面0.05~0.15mm。氣缸套氣缸蓋功用密封氣缸上部，并與活塞頂部和氣缸壁一起形成燃燒室。材料一般采用灰口鑄鐵或合金鑄鐵鑄成。有的汽油機采用鋁合金鑄造，鋁的導熱性比鑄鐵好，有利于提高壓縮比，但剛度較低，容易變形。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜，主要有燃燒室、冷卻燃燒室周圍用的循環(huán)水套、進排氣門座、氣門導管孔和進排氣通道、潤滑油油路、搖臂軸支承座。柴油機設(shè)有安裝噴油器的座孔，汽油機設(shè)有火花塞座孔分類：單體氣缸蓋——一缸一蓋；塊狀氣缸蓋——能覆蓋部分（兩個以上）氣缸；整體氣缸蓋——能覆蓋全部氣缸汽油機的燃燒室汽油機的燃燒室是由活塞頂部及缸蓋上相應(yīng)的凹部空間組成。燃燒室的形狀對發(fā)動機的工作影響較大。對燃燒室有三點基本要求：結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，冷卻面積小，以減少熱量損失及縮短火焰行程；使混合氣在壓縮終了時具有一定的渦流運動，以提高混合氣燃燒速度，保證混合氣得到及時和充分燃燒有增大進氣門的直徑或進氣道通過面積，以增加進氣量，從而提高發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和功率汽油機常用燃燒室的形狀：汽油機燃燒室形狀氣缸墊功用：氣缸蓋與氣缸體之間置有氣缸蓋襯墊，以保證燃燒室的密封。要求在高溫、高壓燃氣作用下有足夠的強度，不易損壞。耐熱和耐腐蝕，即在高溫、高壓燃氣下或有壓力的機油和冷卻水的作用下不燒損、不變質(zhì)。具有一定彈性，能補償結(jié)合面的不平度，以保證密封。拆裝方便，能重復使用，壽命長。結(jié)構(gòu)金屬-石棉襯墊—石棉中間夾有金屬絲或金屬屑，外覆銅皮或鋼皮金屬-復合材料襯墊全金屬襯墊安裝方向：把氣缸墊光滑的一面朝氣缸體，否則容易被氣體沖壞

汽缸墊油底殼功用：貯存機油并封閉曲軸箱。材料：采用薄鋼板沖壓而成。在有些發(fā)動機上，為了加強散熱，采用了鋁合金鑄造的油底殼，在其底部還鑄有相應(yīng)的散熱肋片。結(jié)構(gòu)：一邊深一邊淺，目的是為了保證在發(fā)動機縱向傾斜時機油泵能吸到機油。油底殼還設(shè)有擋油板，防止汽車行駛時油面波動過大。油底殼底部裝有放油塞。有的放油塞是磁性的，能吸集機油中的金屬屑，以減少發(fā)動機運動零件的磨損?；钊B桿組的組成：

活塞功用承受氣缸中的氣體壓力，并將此壓力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)。活塞頂部還與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。工作條件高溫：活塞承受燃氣最高溫度可達2500K，活塞頂部的溫度高達600～700K。高壓：汽油機3～5MPa，柴油機6～9MPa。高速：活塞在氣缸中高速運動，車用汽油機轉(zhuǎn)速為4000～6000rpm，活塞的平均速度可達10～14m/s。要求要求活塞質(zhì)量小，熱膨脹系數(shù)小，導熱性好和耐磨。材料汽車發(fā)動機目前廣泛采用的活塞材料是鋁合金。在個別的汽油機上采用高級鑄鐵或耐熱鋼制造活塞。活塞的結(jié)構(gòu)活塞組成：頂部、頭部和裙部三個部分活塞的頂部活塞頭部活塞環(huán)槽以上的部分。主要作用：承受氣體壓力，并傳給連桿；與活塞環(huán)一起實現(xiàn)氣缸的密封；將活塞頂部吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁活塞的裙部和銷座活塞裙部活塞裙部是指自油環(huán)槽下端面起至活塞底面底部分。作用是為活塞在氣缸內(nèi)作往復運動導向和承受側(cè)向壓力活塞銷座作用是將活塞頂部氣體作用力經(jīng)活塞銷傳給連桿。銷座孔內(nèi)有安放彈性卡環(huán)的卡環(huán)槽?？ōh(huán)用來防止活塞銷在工作中發(fā)生軸向竄動

活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

活塞是橢圓的圓錐形

裝活塞銷的銷座部分，體積大，金屬堆積，受熱后膨脹量大。所以預先將銷座部分作成短徑的橢圓狀，受熱以后變成正圓形。處于高溫下的頭部（300℃）膨脹系數(shù)大于裙部（130℃），所以作成圓錐形，這樣受熱后變成圓筒形。以上形狀變化很小，人們用肉眼看不到活塞裙部變形活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

-鑲防脹鋼片把鎳含量大，膨脹系數(shù)極小的鋼片（稱為恒范鋼片）埋入銷座的周圍，從內(nèi)部抑制鋁的膨脹（含鎳33％～36％，線膨脹系數(shù)約為鑄鋁合金的1/10）。還有的柴油機鑄鋁活塞的裙部鑲鑄圓筒式鋼片恒范活塞及

自動熱補償活塞活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

裙部開有絕熱膨脹槽

活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

活塞銷偏置活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

拖鞋式活塞

為了減小活塞質(zhì)量，將活塞的裙部銑去一部分，形成拖鞋式裙部，使活塞具有較大的彈性，從而減小裝配間隙，避免卡死活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

油冷活塞自由噴射冷卻：振蕩冷卻：強制冷卻活塞的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計

環(huán)槽護圈、銷座凹陷環(huán)槽護圈活塞環(huán)槽的磨損常常是限制活塞使用壽命的一個重要因素。為了保護和加強活塞環(huán)槽，可在鋁合金活塞環(huán)槽部位鑄入采用耐熱材料制造的環(huán)槽護圈。銷座凹陷為了減少銷座附近處的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷0.5～1.0mm

活塞環(huán)活塞環(huán)的分類和功用氣環(huán)（壓縮環(huán)）：防止氣缸內(nèi)的混合氣及爆發(fā)氣體、廢氣泄漏（密封和導熱作用）。油環(huán)：將殘留在氣缸壁面上的潤滑油刮掉，并在氣缸壁上鋪涂一層均勻的機油膜（刮油，布油、輔助封油）。工作條件高溫、高壓、高速及潤滑困難。材料：要求耐熱、耐磨及高的強度和沖擊韌性活塞環(huán)材料是合金鑄鐵。第一道氣環(huán)的工作表面一般都鍍上多孔性鉻。其硬度高，并能儲存少量機油，以改善潤滑，其余氣環(huán)一般鍍錫或者磷化（改善磨合性能）。還可用噴鉬來提高活塞環(huán)的耐磨性。在高速強化的柴油機上，還可采用鋼片環(huán)、粉末冶金的金屬陶瓷和聚四氟乙烯制造的活塞環(huán)。氣環(huán)的結(jié)構(gòu)-切口形狀開口間隙一般為0.25～0.8mm。第一道氣環(huán)的溫度最高，因而其切口間隙值最大。氣環(huán)的切口形狀有：直角形切口工藝性好；階梯形切口密封性較好，但工藝性交叉；斜切口，斜角一般為30°或45°,其密封作用和工藝性均介于前二者之間，但其銳角部分在套裝入活塞時容易折損氣環(huán)的密封原理活塞環(huán)在自由狀態(tài)下外廓尺寸大于氣缸直徑，當裝入氣缸后，在自身彈力作用下環(huán)的外圓面與氣缸壁形成第一道密封面。進入活塞環(huán)的側(cè)隙中的高壓氣體使下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面貼緊形成第二道密封面。進入徑向間隙的高壓氣體只能使活塞環(huán)的外圓面與氣缸壁更加貼緊。漏氣的唯一通道即活塞環(huán)的開口端隙，如果幾道活塞環(huán)開口相互錯開，則形成迷宮式漏氣通道，氣體在其中的流動阻力大，壓力下降快，則最后漏氣量僅為0.2%-1%氣環(huán)的泵油原理及危害氣環(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，這種現(xiàn)象稱為“氣環(huán)的泵油作用”。竄入氣缸的機油，會使燃燒室內(nèi)形成積碳和增加機油消耗，并且還可能在環(huán)槽（第一道）中形成積碳，使環(huán)被卡死在環(huán)槽中，失去其密封作用，劃傷氣缸壁，甚至使環(huán)折斷氣環(huán)的結(jié)構(gòu)-斷面形狀氣環(huán)的結(jié)構(gòu)-斷面形狀矩形環(huán)：其工藝性和導熱效果較好，但易產(chǎn)生泵油作用。錐形環(huán)：可以改善環(huán)底磨合，這種環(huán)在氣缸內(nèi)，可向下刮油，而向上滑動時由于斜面底油楔作用，可以在油膜上浮起，減少磨損。桶面環(huán)：用作強化柴油機的第一環(huán)。其特點是活塞環(huán)的外圓面為凸圓弧形。當桶面環(huán)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，且有利于密封，缺點是凸圓弧形不易加工。氣環(huán)斷面形狀-扭曲環(huán)扭曲環(huán)：正扭曲環(huán)負扭曲環(huán)將這種環(huán)隨同活塞裝入氣缸時，由于環(huán)底彈性內(nèi)力不對稱作用產(chǎn)生明顯的斷面傾斜。從而使環(huán)的邊緣與環(huán)槽的上下斷面接觸，提高了表面底接觸應(yīng)力，防止了活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)上下竄動而造成底泵油作用，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。氣環(huán)斷面形狀-梯形環(huán)活塞受側(cè)壓力的作用而改變位置時，環(huán)的側(cè)隙δ相應(yīng)發(fā)生變化，使沉積在環(huán)槽中的結(jié)焦被擠出，避免了環(huán)被粘在環(huán)槽中而引起折斷油環(huán)油環(huán)的作用油環(huán)的作用是向氣環(huán)提供適量的潤滑油，同時刮落氣缸壁上殘留的油，防止油進入燃燒室油環(huán)的結(jié)構(gòu)槽孔式槽孔撐簧式鋼帶組合式活塞銷功用：連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿。工作條件及結(jié)構(gòu)：活塞銷在高溫下承受很大的周期性沖擊載荷，潤滑條件較差（一般靠飛濺潤滑），因而要求有足夠的剛度和強度，表面耐磨，質(zhì)量盡可能小。為此，活塞銷通常做成空心圓柱體。內(nèi)孔形狀有：兩段截錐形、圓柱形、兩段截錐和一段圓柱的組合形。材料：低碳鋼或者低碳合金鋼，先經(jīng)表面滲碳處理以提高表面硬度，并保證心部具有一定的沖擊韌性，然后進行精磨和拋光

活塞銷活塞銷連接方式全浮式：在正常工作溫度下（發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)中）?；钊N不僅可以在連桿小頭襯套孔內(nèi)，還可以在銷座孔內(nèi)緩慢地轉(zhuǎn)動，以使活塞銷各部分地磨損比較均勻。半浮式：（少用）在正常工作溫度下，活塞銷不能