第二章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)造

第二章

曲柄連桿機(jī)構(gòu)2/24/20241第一節(jié)概述一、功用：將燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，再轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而對(duì)外輸出動(dòng)力。2/24/20242二、組成：機(jī)體組活塞連桿組曲軸飛輪組2/24/20243曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)受的力主要有氣壓力P，往復(fù)慣性力Pj，旋轉(zhuǎn)離心力Pc和摩擦力F。2/24/20244第二節(jié)機(jī)體組2/24/202451.氣缸體構(gòu)造氣缸體內(nèi)引導(dǎo)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的圓筒就是氣缸，氣缸外面制有水套以散熱。曲軸箱上有主軸承座孔，還有主油道和分油道。2/24/202462.氣缸的排列形式（1）

直列式：多用于六缸以下的發(fā)動(dòng)機(jī)。（2）

V型式：它縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度和高度，多用于八缸以上的發(fā)動(dòng)機(jī)。（3）對(duì)置式：是V型的特殊形式。2/24/20247直列式發(fā)動(dòng)機(jī)2/24/20248V形發(fā)動(dòng)機(jī)2/24/20249對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)2/24/202410對(duì)置式2/24/2024113.曲軸箱的型式2/24/202412（1）

平分式定義：主軸承座孔中心線位于曲軸箱分開面上。特點(diǎn)：剛度小，前后端呈半圓形，與油底殼接合面的密封較困難。應(yīng)用：中小型發(fā)動(dòng)機(jī)。2/24/202413（2）

龍門式、定義：主軸承座孔中心線高于曲軸箱分開面。特點(diǎn)：剛度較大，油底殼前后端為一平面，密封簡(jiǎn)單可靠。應(yīng)用：大中型發(fā)動(dòng)機(jī)。2/24/202414（3）

隧道式定義：主軸承座孔不分開。特點(diǎn)：剛度最大，主軸承同軸度易保證，主軸承用滾動(dòng)軸承。應(yīng)用：負(fù)荷較大的柴油機(jī)。2/24/202415二、油底殼1.功用：貯存和冷卻機(jī)油并封閉曲軸箱。2.構(gòu)造：（1）用薄鋼板沖壓而成。（2）

內(nèi)部設(shè)有穩(wěn)油擋板，以防止汽車振動(dòng)時(shí)油底殼油面產(chǎn)生較大的波動(dòng)。（3）最低處有放油塞曲軸箱與油底殼之間有密封襯墊。2/24/2024162/24/202417三、氣缸套1.目的：解決成本與壽命之間的矛盾。氣缸內(nèi)鑲了用耐磨的高級(jí)鑄鐵材料制成的氣缸套，而缸體則可用價(jià)廉的普通鑄鐵或質(zhì)量輕的鋁合金制成，這樣，既延長(zhǎng)了使用壽命，又節(jié)省了好材料。2/24/2024182.型式（1）

干式缸套1~3mm

定義：其外表面不直接與冷卻水接觸。特點(diǎn)：1)壁厚較薄（1mm～3mm）；2)與缸體承孔過盈配合；3)不易漏水漏氣。2/24/2024192.型式（2）

濕式缸套定義：其外表面直接與冷卻水接觸。特點(diǎn)：1)壁厚較厚（5mm～9mm）；2)散熱效果好；3)易漏水漏氣；4)易穴蝕2/24/2024202/24/202421定位：1）徑向：靠上下兩個(gè)凸出的、與氣缸體間為動(dòng)配合的圓環(huán)帶A和B。2）軸向：利用缸套上部凸緣與缸體相應(yīng)的臺(tái)階。2/24/202422密封：上部：缸套頂面高出缸體0.05mm～0.15mm，當(dāng)氣缸蓋螺栓擰緊后，缸套與缸體凸臺(tái)接合處、缸套與缸墊接合處，承受較大的壓緊力。2/24/202423密封：1）下部：1～3個(gè)耐熱耐油的橡膠密封圈。2/24/202424四、氣缸蓋1.結(jié)構(gòu)：氣缸蓋上有冷卻水套、燃燒室、進(jìn)排氣門道、氣門導(dǎo)管孔和進(jìn)排氣門座、火花塞孔（汽油機(jī)）或噴油器座孔。2/24/2024252/24/2024262、汽油機(jī)燃燒室1）

盆形燃燒室：其特點(diǎn)為（1）

氣門平行于氣缸軸線；（2）

有擠氣—冷激面，可形成擠氣渦流；（3）盆的形狀狹窄，氣門尺寸受限，換氣質(zhì)量較差，燃燒速度較低，CO和HC排放較高而NO的排放較低。2/24/2024272/24/2024282）楔形燃燒室：其特點(diǎn)為（1）

氣門斜置，氣流導(dǎo)流較好，充氣效率高；（2）

有擠氣—冷激面，可形成擠氣渦流；燃燒速度較快，CO和HC排放較低而NO的排放稍高。2/24/2024293）半球形燃燒室：其特點(diǎn)為（1)氣門成橫向V型排列，因此氣門頭部直徑可以做得較大，換氣好；（2)火花塞位于燃燒室的中部火焰行程短，燃燒速度最高，動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性最好。是高速發(fā)動(dòng)機(jī)常用的燃燒室；（3)CO和HC排放最少，而NO的排放較高。2/24/202430五、氣缸墊1.作用：保證氣缸體與氣缸蓋間的密封，防止漏水、漏氣2/24/202431金屬骨架—石棉墊：

2.構(gòu)造金屬—石棉墊：（見a、b）外包銅皮和鋼片，且在缸口、水孔、油道口周圍卷邊加強(qiáng)，內(nèi)填石棉（常摻入銅屑或鋼絲，以堅(jiān)強(qiáng)導(dǎo)熱）。以編織的鋼絲網(wǎng)（圖c）或有孔鋼板（圖d）為骨架，外覆石棉，只在缸口、水孔、油道口處用金屬片包邊。2/24/202432第三節(jié)活塞連桿組2/24/202433組成：活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸承。2/24/202434一、活塞（一）功用1、與氣缸蓋、氣缸壁等共同組成燃燒室；2、承力傳力：承受氣體壓力，并將此力傳給連桿，以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。2/24/202435（二）材料：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞廣泛采用鋁合金。其特點(diǎn)為1、質(zhì)量?。s為鑄鐵活塞的50%～70%）；2、導(dǎo)熱性好（約為鑄鐵的三倍）；3、熱膨脹系數(shù)大。2/24/202436（三）組成根據(jù)其作用，活塞可分為頂部、環(huán)槽部、裙部和活塞銷座四部分。2/24/202437四、活塞的結(jié)構(gòu)1.頂部：是燃燒室的組成部分，用來承受氣體壓力。汽油機(jī)活塞的頂部形狀有：（1）

平頂：受熱面積小，廣泛采用。（2）

凸頂：與半球形燃燒室配用。（3）凹頂：高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)為了防止碰撞氣門，也可用凹坑的深度來調(diào)整壓縮比。2/24/2024382/24/2024392、活塞銷座：用以安裝活塞銷。在銷座孔兩端有卡環(huán)槽，用以安裝卡環(huán)。2/24/202440（四）活塞的變形及采取的相應(yīng)措施1.變形原因：熱膨脹側(cè)壓力氣體壓力。2/24/2024412.變形規(guī)律（1）活塞的熱膨脹量大于氣缸的膨脹量，使配缸間隙變小。因活塞溫度高于氣缸壁，且鋁合金的膨脹系數(shù)大于鑄鐵；2/24/2024422.變形規(guī)律（2）活塞自上而下膨脹量由大而小。因溫度上高下低，壁厚上厚下??；2/24/2024432.變形規(guī)律（3）裙部周向近似橢圓形變化，長(zhǎng)軸沿銷座孔軸線方向。因銷座處金屬量多而膨脹量大，以及側(cè)壓力作用的結(jié)果。2/24/2024443.結(jié)構(gòu)措施（1）

活塞縱斷面制成上小下大的截錐形。（2）

活塞橫斷面制成橢圓形，長(zhǎng)軸垂直于銷座孔軸線方向，即側(cè)壓力方向。（3）

銷座處凹陷0.5mm～1.0mm。2/24/2024453.結(jié)構(gòu)措施（4）

裙部開絕熱—膨脹槽（“T”形或形槽），其中橫槽叫絕熱槽，豎槽叫膨脹槽。2/24/202446（5）采用雙金屬活塞：即在活塞裙部或銷座內(nèi)嵌鑄入鋼片，以減少裙部的膨脹量。2/24/2024471）恒范鋼片式：活塞銷座通過恒范鋼片與裙部相連，而恒范鋼片（含鎳33%～36%）的膨脹系數(shù)僅為鋁合金的十分之一。這樣，使裙部膨脹量大為減少。2/24/2024483)筒形鋼片式：澆鑄時(shí)，將鋼筒夾在鋁合金中，冷凝時(shí)鋼筒內(nèi)外側(cè)的鋁合金分別產(chǎn)生“收縮縫隙”和拉應(yīng)力。工作時(shí)因要先消除“收縮縫隙”和拉應(yīng)力而膨脹量減小。2/24/202449（五）偏置銷座1.定義：活塞銷座朝向承受作功側(cè)壓力的一面（圖示左側(cè)）偏移1mm～2mm。2.作用：減輕活塞換向時(shí)對(duì)氣缸壁的敲擊。2/24/2024503.原理因銷座偏置，在接近上止點(diǎn)時(shí)，作用在活塞銷座軸線以右的氣體壓力大于左邊，使活塞傾斜，裙部下端提前換向。而活塞在越過上止點(diǎn)，側(cè)壓力反向時(shí)，活塞才以左下端接觸處為支點(diǎn)，頂部向左轉(zhuǎn)（不是平移），完成換向。2/24/2024512/24/202452偏置銷座工作原理動(dòng)畫2/24/202453分析可見偏置銷座使活塞換向分成了兩步，第一步是在氣體壓力較小時(shí)進(jìn)行，且裙部彈性好，有緩沖作用；第二步雖氣體壓力大，但它是個(gè)漸變過程。為此，兩步過渡使換向沖擊力大為減弱。2/24/202454二、活塞環(huán)活塞環(huán)按其功用可分為：氣環(huán)油環(huán)2/24/202455（一）氣環(huán)1.作用：（1）密封：防止氣缸內(nèi)的氣體竄入油底殼；（2）

傳熱：將活塞頭部的熱量傳給氣缸壁；（3）輔助刮油、布油。2/24/2024562.氣環(huán)的分類2/24/202457（1）

矩形環(huán)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與缸壁接觸面積大，散熱好，但易泵油。矩形環(huán)動(dòng)畫2/24/202458（2）

錐形環(huán)

1）特點(diǎn)：與缸壁線接觸，有利于密封和磨合。下行有刮油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。

2）

安裝注意：錐角朝下（在環(huán)端有向上或TOP等標(biāo)記）；錐形環(huán)傳熱性差，常裝到第二、三道環(huán)槽上。錐形環(huán)動(dòng)畫2/24/202459（3）

扭曲環(huán)：將矩形環(huán)內(nèi)圓上方或外圓下方切成臺(tái)階或倒角而成。內(nèi)切口扭曲環(huán)動(dòng)畫內(nèi)切口扭曲環(huán)動(dòng)畫2/24/2024602/24/2024612/24/202462扭曲環(huán)工作原理當(dāng)活塞環(huán)裝入氣缸后，環(huán)受到壓縮產(chǎn)生彎曲變形，斷面中性層以外產(chǎn)生拉應(yīng)力F拉、中性層以外產(chǎn)生壓應(yīng)力F壓，矩形環(huán)由于中性層內(nèi)外斷面不對(duì)稱，使F拉和F壓不在同一平面內(nèi)，從而形成力偶M，在力偶的作用下，活塞環(huán)發(fā)生微量的扭曲變形。扭曲環(huán)扭曲原理動(dòng)畫2/24/202463扭曲環(huán)特點(diǎn)1.具有錐形環(huán)的特點(diǎn)，減小了泵油作用；2.作功行程環(huán)不再扭曲，兩個(gè)密封面達(dá)到完全接觸，利于散熱。2/24/202464扭曲環(huán)的安裝內(nèi)上切扭曲環(huán)裝入第一道環(huán)槽，切口方向朝上。外下切扭曲環(huán)裝入第二、三道環(huán)槽。切口方向朝下。2/24/202465（4）

桶形環(huán)其特點(diǎn)為1）

環(huán)的外圓面為凸圓弧形；2）

環(huán)面與缸壁圓弧接觸，避免了棱角負(fù)荷；3）環(huán)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，均能形成楔形油膜。2/24/202466（5）梯形環(huán)

當(dāng)活塞在側(cè)壓力作用下左、右換向時(shí)，環(huán)的側(cè)隙和背隙將不斷變化，使膠狀油焦不斷從環(huán)槽中被擠出。梯形環(huán)用于熱負(fù)荷較大的柴油機(jī)的第一道環(huán)。2/24/202467（二）油環(huán)

1.作用：刮油，即將氣缸壁上多余的潤(rùn)滑油刮下來。2.類型整體式組合式2/24/202468（1）

整體式油環(huán)其外圓上切有環(huán)形槽，槽底開有回油用的小孔或窄槽。2/24/202469（2）

組合式：由上下刮油片和產(chǎn)生徑向、軸向彈力的襯簧組成。2/24/2024702/24/202471組合式油環(huán)特點(diǎn)1）密封好：第一密封面，靠徑向力，因襯簧長(zhǎng)大于刮片長(zhǎng)而產(chǎn)生徑向力。第二密封面，靠軸向力，因襯簧和鋼片總厚度大于環(huán)槽高而產(chǎn)生軸向力。2)無側(cè)隙，不竄油。3)刮油能力強(qiáng)：因鋼片薄，對(duì)缸壁比壓大。4)上下片可分別動(dòng)作，適應(yīng)性好。5)回油能力強(qiáng)。2/24/2024722.活塞環(huán)的間隙（1）端隙Δ1：

又稱開口間隙，是活塞環(huán)裝入氣缸后開口處的間隙。一般為0.25mm～0.50mm；2/24/202473（2）側(cè)隙（2）側(cè)隙又稱邊隙，是環(huán)高方向上與環(huán)槽之間的間隙。第一道0.04mm～0.10mm；其它氣環(huán)0.03mm～0.07mm。油環(huán)一般側(cè)隙較小，0.025mm～0.07mm；2/24/202474（3）背隙（3）背隙Δ3：是活塞環(huán)裝入氣缸后，活塞環(huán)背面與環(huán)槽底部的間隙。0.5mm～1mm；2/24/202475活塞環(huán)的泵油作用及危害原因：（1）存在側(cè)隙和背隙；

（2）

環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)在環(huán)槽中靠上靠下。

2/24/2024762/24/202477活塞環(huán)泵油動(dòng)畫2/24/202478活塞環(huán)的泵油作用及危害危害：（1）增加了潤(rùn)滑油的消耗；（2）

火花塞沾油不跳火（3）

燃燒室積碳增多，燃燒性能變壞；（4）

環(huán)槽內(nèi)形成積碳，擠壓活塞環(huán)而失去密封（5）

加劇了氣缸的磨損。

措施：（1）采用扭曲環(huán)；（2）

采用組合式油環(huán)；（3）

油環(huán)下設(shè)減壓腔2/24/202479三、活塞銷2/24/202480（一）作用：連接活塞和連桿，并傳遞活塞的力給連桿。2/24/202481（二）結(jié)構(gòu)：用低碳鋼或低碳合金鋼制成的厚壁管狀體。2/24/202482（三）連接方式1.全浮式（1）定義：在發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度下，活塞銷在連桿小頭孔和活塞銷座孔中都能轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)裝配：1）銷與銷座孔在冷態(tài)時(shí)為過渡配合，采用分組選配法。2）

熱裝合：將活塞放入熱水或熱油中加熱后，迅速將銷裝入。2/24/2024832/24/202484（三）連接方式2.半浮式(1)定義：銷與銷座孔和連桿小頭兩處，一處固定，一處浮動(dòng)。（一般固定連桿小頭）(2)裝配：加熱連桿小頭后，將銷裝入，冷態(tài)時(shí)為過盈配合。

2/24/2024852/24/202486四、連桿（一）功用：將活塞的力傳給曲軸，變活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)為曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2/24/202487（二）組成：連桿組由連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等組成。2/24/202488三）構(gòu)造1.小頭：用來安裝活塞銷，以連接活塞。2.桿身：常做成“工”字形斷面。3.大頭：與曲軸的連桿軸頸相連。大頭一般做成分開式，即連桿體大頭和連桿蓋。2/24/202489(1)切口形式平切口斜切口2/24/202490(2)切口定位方式連桿螺栓定位：靠連桿螺栓的光圓柱部分與螺栓孔的配合來定位。其定位精度較差，用于直切口連桿。2/24/202491(2)切口定位方式鋸齒形定位：依靠接合面的齒形定位。2/24/202492(2)切口定位方式套或銷定位：依靠套或銷與連桿體（或蓋）的孔緊配合定位。2/24/202493(2)切口定位方式止口定位口2/24/202494(3)噴油孔有的連桿的大頭面對(duì)氣缸主承壓面的一側(cè)，鉆一噴油孔（1mm～1.5mm），以潤(rùn)滑氣缸主承壓面。2/24/202495（四）連桿的安裝1.不能破壞連桿桿身與蓋的配對(duì)及裝合方向，在二在者的同一側(cè)打有配對(duì)標(biāo)記。2.不能裝反，也不能亂缸，在桿身上有方向標(biāo)記，大頭側(cè)面有缸號(hào)標(biāo)記。2/24/202496（五）連桿軸承（俗稱小瓦）1.作用：保護(hù)連桿軸頸及連桿大頭孔。2/24/2024972.組成：由鋼背和減磨層組成。鋼背由1mm～3mm的低碳鋼制成。減磨層為0.3mm～0.7mm的減磨合金，層質(zhì)較軟能保護(hù)軸頸。2/24/202498軸瓦的定位2/24/202499第四節(jié)曲軸飛輪組由曲軸、飛輪、減振器等組成。2/24/20241002/24/2024101一、曲軸（一）功用1.把活塞連桿組傳來的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榕ぞ貙?duì)外輸出。2.驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)及其它附屬裝置。材料：大多采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼或中合金碳鋼。有的采用球墨鑄鐵。2/24/2024102（二）構(gòu)造：曲軸包括前端軸、主軸頸、連桿軸頸、曲柄、平衡重、后端軸等，一個(gè)連桿軸頸和它兩端的曲柄及主軸頸構(gòu)成一個(gè)曲拐。2/24/20241031.主軸頸和連桿軸頸1)主軸頸是曲軸的支承部分。每個(gè)連桿軸頸兩邊都有一個(gè)主軸頸者，稱為全支承曲軸；主軸頸數(shù)等于或少于連桿軸頸數(shù)者稱為非全支承曲軸。2/24/20241041.主軸頸和連桿軸頸

2)曲軸上有貫穿主軸頸、曲柄和連桿軸頸的油道，以便潤(rùn)滑主軸頸和連桿軸頸。2/24/20241052.曲柄和平衡重：曲柄是用來連接主軸頸和連桿軸頸的。平衡重的作用是平衡各機(jī)件產(chǎn)生的離心慣性力及其力矩。2/24/20241063.曲拐的布置1）

布置原則(1)

使各缸作功間隔角盡量相等。對(duì)直列多缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，作功間隔角為7200/缸數(shù)。(2)連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠(yuǎn)，減少主軸承連續(xù)載荷和避免相鄰兩缸進(jìn)氣門同時(shí)開啟的搶氣現(xiàn)象。(3)

V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩氣缸盡量交替作功2/24/20241073.曲拐的布置2）

常用曲拐布置（1）

直列四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)曲拐對(duì)稱布置于同一平面內(nèi)。相鄰作功氣缸的曲拐夾角為7200/4=1800。發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序有1—3—4—21—2—4—32/24/20241081.42.32/24/2024109曲軸轉(zhuǎn)角第一缸第三缸第四缸第二缸0~180作功壓縮進(jìn)氣排氣180~360排氣作功壓縮進(jìn)氣360~540

進(jìn)氣排氣作功壓縮540~720壓縮