第二章 曲柄连杆机构

第二章 曲柄连杆机构本章内容提要 曲柄连杆机构概述 机体组 活塞连杆组 曲柄飞轮组主讲教师唐永革联系电话：一节 概述 一、曲柄连杆机构的功用与组成 功用：是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。 组成：由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三组零件组成 。二、工作条件的特点高温、高压、高速和化学腐蚀 三、气体作用力 曲柄连杆机构在工作中主要受到气体作用力和运动质量惯性力，其次还有摩擦力及外界阻力等 。 气体作用力 主要存在作功和压缩行程中，其受力情况如图所示。 气体的作用力的大小是随着活塞的位移而变化的。第一节 概 述往复运动的物体，当运动速度变化时，就要产生往复惯性力；物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力 。活塞向下运动时，前半程是 加速 运动，惯性力 向上；后半程是 减速 ，惯性力 向下 。如图所示。偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，即 离心力 。其方向沿曲柄半径向外，其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关。摩擦力 ：在任何一对互相压紧并作相对运动的零件之间，必定存在摩擦力，其值最大值取决于正压力和摩擦因数。 上述各种力作用在曲柄连杆机构的有关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转的载荷，因此要在结构上采取相应措施。机体组是发动机的支架，是各种机构和系统主要零件的装配基体。它把发动机的各种机构核系统组成一个整体，保持了它们之间必要的相互关系。汽缸体是其它机构和系统装配的基体，要有足够的刚度和强度。工艺性好 刚度和强度较好 刚度最好，但须与组合式曲轴配合使用水冷：利用水套中循环中流动的冷却水带走多余的热量，它的散热性好，冷却均匀可靠。汽车发动机上采用较多是水冷。风冷：在汽缸体外表面铸成散热片，以增大散热面积，利用风扇产生高速空气流吹到外表面带走热量，它的结构简单、使用维修方便。气缸表面工作条件恶劣，应提高其耐磨性。 如气缸体全部采用优质材料，将增加成本。所以用普通铸铁或铝合金制成气缸，再用合金铸铁或合金钢制成气缸套，将缸套嵌入缸体。这样既可提高气缸表面的耐磨性，提高发动机的寿命，又可节约贵重金属，降低成本 。气缸套有干式和湿式两种，如图所示。干缸套：不直接与冷却液接触，刚性好，不易漏水。湿缸套：与冷却液直接接触，铸造、拆装方便，冷却效果好，但易漏气、漏水 。 湿缸套广泛应用于汽车柴油机上。为了防止漏水，采取在缸套凸缘下装有纯铜垫片，在下支承带装 13道橡胶密封圈等措施。垂直布置、排成一列，它的结构简单，但长度高度质量都比较大，一般用于缸数不多于 6缸的发动机。左右排成两列，它的长度高度都比较小，但缸体形状复杂，且宽度大，多用于多缸大功率的发动机。排成两列，布置在同一平面内，高度最小，是轿车和大客车布置较为方便。气缸盖的主要功用是密封气缸上部，并与活塞顶部和气缸一起形成燃烧室。汽油机的燃烧室由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成。结构较简单、紧凑，在压缩终了时能形成挤压涡流 结构也简单，但不够紧凑。北京 92QG2型发动机采用这种结构较前两种更紧凑，由于其散热面积小，有利于促进燃料的完全燃烧，和减少排气中的有害气体，故现代发动机上用的较多。气缸盖衬垫 是气缸盖底面与汽缸体顶面之间的密封件 ， 用来保证燃烧室不漏气 。较多是金属 -石棉垫 .主要功用：贮存机油（润滑油）并封闭曲轴箱。油底壳受力小，一般采用薄钢板冲压而成。其形状决定于发动机的总布置和油箱的容量。有些油底壳底部还铸有散热肋片，以加强壳内机油的散热。发动机在车架上的支承是弹性的，是为了消除行驶中车架的扭转变形对发动机的影响，以及减少传给底盘和乘员的振动和噪声。发动机一般通过气缸体或飞轮壳或变速器壳上的支撑来支承在车架上。一般有三点支承和四点支承两种，四点支承是前后各两个支承点，三点支承是前二后一或前一后二的布置。其作用是承受气缸中气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞顶部还与汽缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。顶部 形状主要取决于燃烧室的选择与设计。汽油机活塞顶部多为平顶，柴油机活塞顶部则多为凹凸不平。头部 切有三、四道环槽用来安装活塞环，油环槽底部还有些小孔与活塞的空腔相连。裙部 的作用是用来导向和承受侧压力。裙部有活塞销，用来连接连杆。由于工作时裙部产生变形，因此把裙部加工成椭圆形，且长轴垂直于活塞销。活塞环包括气环和油环两种。其中，气环用来密封燃烧室并传导热量。气环是有切口的弹性环，安装到气缸内，依靠弹性压紧在气缸壁上。发动机工作时，燃气压力作用到第一道的环上，向下并向外将气环压紧到气缸活塞环槽和壁上，使燃气无法漏出。这时由气环切口漏出的燃气，体积膨胀、压力和流速下降。这样经过几道切口相互错盖气环漏气量大大减少，从而对气缸实现了有效的密封。活塞环切口是燃气漏入曲轴箱的主要通路，因此切口的形状和装入气缸后的间隙大小对漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响。切口间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；间隙过小，活塞环受热膨胀后有可能卡死或折断。切口间隙值一般为0.250.8mm。工艺性好 密封性好其密封作用和工艺性介于前两种之间对于二冲程发动机的缸壁上，若开有进、排气口时，要避免活塞环因开口碰到气口边缘而折断，所以利用嵌入活塞的销钉对活塞环周向定位。气环的断面形状有多种，有矩形环、扭曲环、锥形环、梯形环等矩形环工艺性好，成本低，导热效果较好，但耐磨性、密封性较差，并存在泵油作用。矩形环随活塞作往复运动时，会把气缸壁上的机油不断送入气缸中，这种现象称为 “气环的泵油作用 ”。活塞下行时 ， 环将压靠在环槽的上端面 ，壁上的机油就被刮入下边隙与背隙内 。 当活塞上行时 ， 环又压靠环槽的下端面上 ，第一道环背隙里的机油经过上边隙就进入汽缸中 。 如此反复 ，缸壁的机油将窜入气缸内 ， 会在燃烧室内和环槽处形成积炭和增加机油消耗 。 它一般应用在性能指标不高的发动机上 ， 在高速 、 高负荷的强化发动机上很少应用 。扭曲环 是在矩形环的内圆边缘或外圆边缘切口当扭曲环随同活塞装入气缸时，由于断面不对称，外侧和内侧作用力合力之间有一力臂 e，产生了扭转力矩，使扭曲环产生扭曲，从而使环的边缘与环槽的上下端面接触。其优点是提高了表面接触应力，防止环在环槽内上下窜动而造成的泵油作用，同时增加了密封性。但扭曲环加工加较复杂些。 在安装扭曲环时，必须注意环的断面形状和方向，不能装反。油环是用来刮掉气缸表面多余的润滑油的普通环： 一般是用合金铸铁制造。其外圆中部切有凹槽，槽的底部有很多排油小孔或狭缝。组合环 ： 由三点刮油片和弹性轴向衬环、径向衬环组成。轴向衬环夹装在第二、第三刮油片之间，径向衬环使三点刮油片压紧在气缸壁上。它的优点是，刮油片很薄，对缸壁触压大、刮油能力强，各刮油片相互独立，所以对气缸的适应性好，而且质量小，油通路大。它的缺点是制造成本高。油环在随活塞上下往复运动时，将气缸壁多余的机油刮下，经活塞油环底部的回油孔流入活塞空腔，并落回油底壳。活塞销的功用是链接 活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件很差，因此要求有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。为此，活塞销通常做成空心圆柱体。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造，先经表面渗碳处理，提高表面硬度，从而获得良好的耐磨性。活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的链接配合，一般多采用 “全浮式 ”，即发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套内，还可以在销座孔内缓慢地转动，以使活塞销各部分的磨损比较均匀。浮式活塞销的优点：可以使活塞销各部分的磨损比较均匀。为了防止活塞销轴向窜动刮伤气缸壁，在活塞销两端装上卡环，进行轴向定位。连杆的功用是连接活塞和曲轴，把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将活塞承受的力传给曲轴。连杆一般用中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后再进行机械加工和热处理。由于连杆承受多种交点载荷，所以要求在质量尽可能小的条件下，有足够的刚度和强度。连杆由连杆小头、杆身和连杆大头组成。小头孔中有青铜衬套和集油孔，杆身做成工字形截面，以提高它的强度和刚度。为了装配方便，常把连杆大头做成大头和连杆盖，连杆大头按剖分面的方向分为平切口和斜切口两种。垂直连杆中心线的平切口型的常用于汽油机；相对连杆中心线倾斜3060度的斜切口型的多用于柴油机。主要由曲轴和飞轮以及具有不同作用的的零件和附件组成.曲轴的功用是承受连杆传来的力，并由此造成绕其本身轴线的力矩，然后通过飞轮将动力传给汽车的传动系。同时它还可以驱动配气机构及其它辅助装置。飞轮是 一个转动惯量很大的圆盘。其 主要功用是 将作功行程中传输给曲轴的一部分功储存起来，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，因此要保证飞轮有足够的转动惯量。曲轴由若干个曲拐组成，前端装有起动爪、皮带轮、正时齿轮，后端装有凸缘盘。曲拐的数目取决于气缸的数目及其排列方式。直列式的曲拐数目等于气缸数； V形的曲拐数等于气缸数的一半。按曲轴的主轴颈数，可把曲轴分为全支承曲轴和非全支承两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴，否则称为非全支承曲轴。全支承曲轴的优点 是可以提高曲轴的刚度和弯曲强度，并且可减轻主轴承的载荷，提高它的使用寿命。其缺点是曲轴的加工表面增多，主轴承增多，使机体加长。这两种形式的曲轴均可用于汽油机，但柴油机多采用全支承曲轴，只是因为其载荷较大的缘故。另外，曲轴按曲拐之间的连接方式还可以分为整体式和组合式两类。其中，整体式曲轴 （图2-46） 不可拆，各个曲拐及前、后端都做成一个整体；而组合式曲轴（图 2-7） 是将曲轴的各部分分段加工，再组合成整体。取决于气缸数、气缸排列方式 (直列或 V形等）和发火次序。发火顺序就是各缸的点火顺序，也是各缸作功行程的顺序 。发火间隔角就是各缸的发火的间隔时间，用曲轴的转角来表示。对于缸数为 i 的四冲程发动机，发火间隔角为（ 720/ i ）度。为了保证发动机运转平稳， 对发动机发火次序有如下要求 : (1)作功间隔要均匀 。就是发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都发火一次，且各缸发火间隔时间均匀； （ 2）要避免进气重叠现象 。就是相邻两缸进气门不要同时打开，以免影响进气；(3)要注意对惯性力矩进行平衡。根据以上要求，四冲程直列 4缸发动机曲拐布置和发火次序如下：发火间隔角为（ 720/ 4）度 =180度， 4个曲拐布置在同一平面内，有利于消除惯性力。发火次序有两种可能的排列法，即1-2-4-3或 1-3-4-2 。它们的工作循环见表 2-1和表 2-2 。对于 6杠发动机 ， 发火间隔角为 720/6=120度 ， 6个曲拐分别布置在三个平面内 ， 各平面夹角 120度。 曲轴上的平衡重的作用 平衡重是用来平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力。 如图，第一和第四曲柄销的离心力 F1 和 F4与第二和第三曲柄销的离心力 F2 和F3互相平衡； F1和 F2形成的力偶矩 M1-2与 F3和 F4形成的力偶矩 M3-4 也能互相平衡。但两个力偶矩都给曲轴造成了弯曲载荷。曲轴若刚度不够就会产生弯曲变形，引起主轴颈和轴承偏磨。 为了减轻主轴承负荷，改善其工作条件，一般都在曲柄的相反方向设置平衡重。 加平衡重导致曲轴质量和材料消耗增加，锻造工艺复杂。因此，是否加平衡重，要是具体情况而定。 有的发动机 （如 6102型发动机） 的曲轴，各曲拐的离心力和离心力矩本身都能平衡，虽然存在弯矩，但由于采用全支承，本身刚度又大，所以就没必要设置平衡重的 。 曲轴的轴向定位 由于曲轴经常受到离合器施加于飞轮的轴向作用力，有的曲轴前端采用斜齿轮传动，使曲轴产生前后窜动，影响了曲柄连杆机构各零件的正确位置，增大发动机磨损、异响和振动，故必须进行轴向定位。 曲轴轴向定位一般采用滑动推力轴承，安装在曲轴前端或中后部主轴承上。推力轴承有两种形式：翻边主轴瓦的翻边部分和 单制的具有减 磨合金层的止 推片。 由于曲轴 受热膨胀时， 又应允许它能 自由伸长，所 以曲轴上只能 有一处设置轴 向定位装置。 曲轴扭转减振器 曲轴是一种扭转弹性系统，其本身具有一定的自振频