第二章机体组及曲柄连杆机构

第二章机体组及曲柄连杆机构机体组活塞连杆组曲轴飞轮组2023/1/131§2.1概述一、功用将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。二、组成1、机体组2、活塞连杆组3、曲轴飞轮组2023/1/132三、工作条件承受机械载荷：1、气体压力、往复惯性力、离心力、摩擦力2、汽车行驶中产生的冲击力。以上各种力，使曲柄连杆机构和机体的各零件承受了不同形式的载荷，为保证工作可靠，需要采取相应结构措施。2023/1/133受力分析曲柄连杆机构受的力主要有气压力P，往复惯性力Pj，旋转离心力Pc和摩擦力F。PPjPCF2023/1/1341、

气压力：气压力P的集中力PP分解为侧压力NP和SP，SP分解为RP和TP，RP使曲轴主轴颈处受压，TP为周向产生转矩的力。(1)作功行程：侧压力NP向左，活塞的左侧面压向气缸壁，左侧磨损严重NPSPPRPTP2023/1/135(2)压缩行程：侧压力NP向右，活塞的右侧面压向气缸壁，右侧磨损严重NPPSPRPTP2023/1/1362、

往复惯性力Pj：活塞在上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下。在上下止点活塞运动方向改变，速度为零，加速度最大，惯性力也最大；在行程中部附近，活塞运动速度最大，加速度为零，惯性力也等于零。Pj2023/1/1373、

离心惯性力PC：旋转机件的圆周运动产生离心惯性力，方向背离曲轴中心向外。离心力加速轴承与周颈的磨损，也引起发动机振动而传到机体外。Pc2023/1/1384、摩擦力F：指相互运动件之间的摩擦力，它是造成配合表面磨损的根源。F2023/1/139§2.2机体组机体组组成：曲轴箱气缸体气缸垫气缸盖气缸油道和水道油底壳2023/1/1310一、气缸体1、气缸体:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱。气缸体的工作特点：高温高压、高速运动摩擦气缸体的结构特点：足够的强度和刚度，高精度内表面一汽奥迪100汽车发动机气缸体气缸体曲轴箱2023/1/13112、分类（1）按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为名称性能应用一般式（平分式）机体高度小、重量轻、结构紧凑，便于加工拆卸。刚度和强度差。492Q汽油机，90系列柴油机。龙门式强度和刚度较好。工艺性差、结构笨重、加工困难。捷达轿车、富康轿车、桑塔纳轿车隧道式结构紧凑、刚度和强度好。难加工、工艺性差、曲轴拆卸不方便。负荷较大的柴油机上。油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。气缸体上曲轴的主轴承孔为整体式。2023/1/1312气缸体要求足够的强度和刚度,且耐磨损和耐腐蚀,并应对汽缸进行适当的冷却,以免机体损坏变形.汽缸体的材料一般为高强度灰铸铁或铝合金铸造.最近轿车铝合金机体越来越多.优点:1)导热性好;2)质量轻;3)散热性好;4)与铝活塞的热膨胀系数相同,降低噪音和机油消耗.2023/1/1313（2）按冷却方式分散热片风冷气缸体和气缸盖1、水冷

2、风冷2023/1/1314结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大。缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状复杂，加工困难。六缸以上发动机使用2023/1/1315高度小，总体布置方便。轿车中应用不多水平对置气缸式发动机2023/1/1316（3）根据气缸的排列方式名称特点形状直列式结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大。V型缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状复杂，加工困难。水平对置式高度小，总体布置方便。2023/1/1317（4）整体式气缸体和镶嵌式气缸体a、整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。b、镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内的气缸。类型构造性能及应用整体式气缸直接镗在气缸体上强度和刚度好，能承受大负荷。成本高。镶嵌式用耐磨优质材料制成气缸套，再装到一般材料制成的气缸体内。降低了制造成本，便于修理和更换气缸套，延长了气缸体的使用寿命。2023/1/1318（5）干缸套和湿缸套名称特点示意图干缸套外壁不直接与冷却水接触。壁厚2~3mm。湿缸套外壁直接与冷却水接触。壁厚5~9mm。强度和刚度都较好，加工复杂，拆装不便，散热不良。散热良好、冷却均匀、加工容易。强度和刚度不如干缸套，易漏水。性能如何？2023/1/1319二、曲轴箱1、概念：曲轴箱：气缸体下部用来安装曲轴的部分。2、结构：上轴箱与气缸体铸成一体下轴箱贮存润滑油（油底壳）3、材料：薄钢板冲压（下曲轴箱）2023/1/1320三、气缸盖1.功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。2.材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。3.工作条件：由于接触温度很高的燃气，所以承受的热负荷很大。上置式凸轮轴铝合金与铸铁相比有何优越性？导热性好、利于提高压缩比，适用与高速高强化汽油机2023/1/1321气缸垫气缸盖气缸盖罩衬垫安装火花塞2023/1/1322捷达轿车气缸盖总成

2023/1/13234、燃烧室名称特点示意图应用半球形结构紧凑、火焰行程段、燃烧速率高、热损失小、热效率高桑塔纳夏利富康楔形结构简单、紧凑、散热面积小、热损失少；火花塞置于燃烧室最高处，火焰传播距离长切诺基盆形工艺性好、成本低、进排气效果不如半球形燃烧室捷达奥迪燃烧室的要求？2023/1/1324燃烧室的要求:1.结构紧凑2.能增大进气门直径或进气通道面积;3.在压缩行程终点产生挤气涡流4.保证火焰的传播距离最短,以防止不正常燃烧.2023/1/1325四、气缸垫1、功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。2、材料：有弹性、耐热性、耐压性3、安装时注意方向2023/1/1326安装朝向1.缸盖与缸体同为铸铁,卷边朝向缸盖(易休整平面);2.铝合金气缸盖,铸铁缸体,卷边朝向缸体(硬平面);3.缸盖与缸体同为铝合金,卷边朝向缸体(硬平面).国外发动机有的使用耐热密封胶,取代气缸垫.2023/1/1327五发动机的支撑一般为三点支撑(前一后二,例解放CA6102型;前二后一北京492QA型),四点支撑,例跃进NJ1061A型.2023/1/1328第三节曲柄连杆机构曲柄连杆机构由活塞组,连杆组和曲轴飞轮组组成.2023/1/1329活塞组气环油环活塞销活塞连杆连杆螺栓连杆轴瓦连杆盖2023/1/1330（一）活塞1、功用：承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。2、工作环境：高温、散热条件差；顶部工作温度高达600~700K，且分布不均匀；高速，线速度达到10m/s，承受很大的惯性力。活塞顶部承受最高可达3~5MPa（汽油机）的压力。

3、材料： 铝合金：质量小导热性好；灰铸铁活塞应具备的特点A刚度和强度应足够大，传力可靠。B导热性能好，耐高压、高温、磨损C质量较小，尽可能减少往复惯性力2023/1/13314、结构（1）活塞顶部功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。2023/1/1332活塞顶分类形状示意图平顶凸顶凹顶结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀，多用在汽油机上。凸起呈球状、顶部强度高，起导向作用、有利于改善换气过程。凹坑的形状、位置必须有利于可燃混合气的燃烧；提高压缩比，防止碰气门。2023/1/1333（2）活塞头部位置：第一道活塞槽与油环槽之间的部分。气环槽油环槽工作条件最恶劣，应离顶部远些。

1、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸、

2、防止可燃混合气漏到曲轴箱内，

3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。作用：活塞销孔2023/1/1334（3）活塞裙部位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，防治破坏油膜。2023/1/1335常见活塞裙部的类型半拖鞋式裙部和拖鞋式裙部活塞.优点:1.质量轻,比全裙式活塞轻10％~20％;2.裙部弹性好,可以减小活塞与汽缸的配合间隙;3.能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉.2023/1/1336裙部表面的保护1）镀锡油膜破坏时，起润滑作用；又可加速磨合作用。2）涂石墨(柴油机）易脆断可加速磨合，自润滑。3）表面粗糙化有规律的粗糙化，可加速磨合，沟谷可存机油润滑。2023/1/1337思考题:

1.活塞是圆柱形吗?为何活塞要做成这种形状?2.活塞裙部的槽有什么作用?2023/1/1338（4）活塞形状--工作时，活塞受热膨胀，由于销座方向的金属材料较多，所以膨胀量较大。所以在生产时先将活塞制成椭圆形，短轴在销座轴方向。--上小下大的圆锥形形状。销座方向裙部受侧压力的作用，导致活塞发生变形工作时向里变形桶形不受压力的部分，去掉后可以减轻质量。2023/1/1339开槽活塞（汽油机）绝热槽膨胀槽圆槽2023/1/1340活塞裙部结构上小下大的圆锥形裙部椭圆形,长轴垂直与销座孔方向;桶形活塞开槽活塞2023/1/13415.活塞的冷却1)自由喷射冷却法;2)振荡冷却法;3)强制冷却法.(广为增压发动机采用)6.活塞的表面处理1)活塞顶进行硬摸阳极氧化处理;2)活塞裙部镀锡或镀锌,避免拉缸;3)活塞裙部涂覆石墨.2023/1/1342（二）活塞环是具有弹性的开口环，分为气环和油环。工作条件：高温、高压、高速、极难润滑。平均寿命：6万公里（1）气环作用：保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，再由冷却水将其带走。切口气环2023/1/1343气环结构开口间隙：背隙：侧隙：气环的密封作用：第一密封面：活塞环直径大于气缸直径，装入后产生弹性贴紧在气缸壁上而形成；加强密封：窜入环槽的少量气体作用在环的背面（背隙处），加强了第一密封面作用；第二密封面：窜入环槽的少量气体作用在环槽底面，形成第二密封面；2023/1/1344气环的泵油作用2023/1/1345气环的泵油作用演示2023/1/1346气环断面形状：形状特点示意图矩形环 结构简单、制造方便、易于生产、应用面广；但有泵油作用扭曲环断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲，减小泵油作用，减轻磨损锥面环减少了环与气缸壁的接触面，提高了表面接触压力，有利于磨合和密封；可形成油膜改善润滑，但导热性差，不适用第一道环梯形环可将沉积在环中的结焦挤出，避免环折断，且密封性较好；但加工困难，精度要求高桶面环上下均可形成油膜，且对活塞的摆动适应性好，接触面小，利于密封，但外圆为凸圆弧形，加工困难2023/1/1347（2）油环种类普通油环组合式油环示意图特点结构简单，易加工，成本低与汽缸壁接触压力高，适应性好，刮油效果强，但成本高刮油片轴向衬环径向衬环刮油片回油孔2023/1/1348a.油环的刮油作用2023/1/1349b.油环的类型1)槽孔式油环2)槽孔撑簧式油环3)刚带组合式油环2023/1/1350（三）活塞销作用：连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传递给连杆。构造：活塞销的内孔形状有圆柱形，两段截锥形，以及两段截锥与一段圆柱的组合形。2023/1/1351活塞销的连接方式连杆活塞销全浮式半浮式全浮连接的特点：活塞销能在连杆小头、销座孔中自由转动，三者间可相对运动，减少了磨损并使磨损均匀2023/1/1352活塞销的偏置使活塞从压缩行程到作功行程柔和的从气缸的一边过渡到另一边，减少敲缸的声音。2023/1/1353三连杆组1.作用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。连杆组件分解图2023/1/1354

连杆组的工作条件:受压缩,拉伸和弯曲等交变负荷.

连杆组的要求:足够的抗疲劳强度,刚度,质量轻.2.连杆组材料优质中碳钢或中碳合金钢.3.连杆构造2023/1/1355切口的定位方式：平切口：螺栓定位斜切口：四种定位方式2023/1/1356V型发动机连杆的布置形式并列式主副式叉式2023/1/1357连杆轴瓦连杆螺栓定位凸键油槽润滑减磨合金层2023/1/1358§2.4曲轴飞轮组一、曲轴飞轮组的组成起动爪正时齿轮主轴瓦皮带轮扭转减振器飞轮飞轮螺栓曲轴2023/1/1359二、曲轴1、功用：把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。还用来驱动发动机的配气机构及其他各种辅助装置。2、工作条件：受气体压力、惯性力、惯性力矩。承受交变载荷的冲击。2023/1/13603、结构：前端轴连杆轴颈曲轴轴颈后端轴平衡重曲拐曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄及主轴颈构成。曲柄2023/1/1361曲轴的结构曲拐：由主轴颈、连杆轴颈、曲柄组成2023/1/1362曲轴的主轴颈主轴颈：用于支撑曲轴的部位。主轴颈数：主轴颈数＝气缸数＋1：全支承曲轴主轴颈数＝气缸数÷2＋1：V型全支承曲轴非全支承曲轴主轴颈数少于全支承曲轴2023/1/13634、曲轴的支承方式概念：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。优点缺点应用全支承曲轴提高曲轴的刚度和弯曲强度，减轻主轴承的载荷曲轴的加工表面增多，主轴承数增多，使机体加长应用较广泛，柴油机一般多采用此种支撑方式非全支承曲轴缩短了曲轴的长度，使发动机总体长度有所减小主轴承载荷较大承受载荷较小的汽油机可以采用此种方式2023/1/13645、曲轴的类型整体式：应用广泛组合式：一般用于隧道式气缸体，分段加工，整体加长。2023/1/13656、曲轴的润滑润滑方式：压力润滑相应结构：曲柄销和主轴颈的空心结构主轴颈、曲柄销和轴瓦上的油道2023/1/13667、平衡重平衡重的作用：平衡离心惯性力和力矩，使发动机运转平稳，减小轴承载荷。平衡重的位置：曲柄的反方向上（或其背面）平衡重的类型：整体式、装配式2023/1/13678、曲轴的前端和后端曲轴前端：正时齿轮或正时齿形带轮、皮带轮、甩油盘曲轴后端：安装飞轮用凸缘、回油螺纹等曲轴前后端密封：前端借助甩油盘和橡胶油封实现密封．后端由自紧式油封．2023/1/13689、曲轴的轴向定位防止曲轴的轴向窜动，采用止推装置进行轴向定位。类型：翻边轴瓦：轴瓦两侧各翻出一侧面立边，来挡住曲轴的轴向移动。但工艺复杂，成本高，很少采用。止推片：半环状钢片，装在主轴承盖槽内。止推钢环：用于曲轴第一道主轴颈（自由端）2023/1/1369桑塔纳轿车发动机曲轴飞轮组2023/1/1370三、曲拐的布置（1）一般规律

1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。3）V型发动机左右气缸尽量交替作功。4）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。2023/1/1371（2）常见曲轴曲拐的布置1）四冲程四缸发动机曲拐布置四个曲拐在同一平面内，点火间隔：180°2023/1/13722）四冲程四缸发动机点火顺序点火顺序：各缸完成同名行程的次序。另一发火次序：1