第4章 运动机件.docx

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第4章运动机件

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4.1第四章说明

运动机件在整个柴油机中占有举足轻重的地位，所以课件第四章是内燃机结构课最重要的部分之一。

第四章内容多、结构复杂，对课件开发小组来说是一个挑战。

纵观整个第四章可以说，第四章是综合运用3dsmax等软件而制作完成的。

3dsmax涉及的知识摄像机、材质、灯光、特殊光效等等实在过于复杂，而且本章中使用到的动画种类繁多，现在只对本章中所使用的动画进行一个简单的分类总结。

至于软件的使用将在以后的小结中来阐述。

本章课件中使用到的动画大致可分为结构演示动画、结构组装动画、原理演示动画等。

结构演示动画中，主要是表现物体结构特点，通过三维动画演示并用一些视觉效果来突出零件整体或局部结构中一般或特殊的地方，最主要的是让学习者通过观看动画对零件结构特点能有一目了然的效果。

如在第四章的蛇形油管冷却活塞中，为突出活塞内的蛇形油管，在活塞结构演示后期蛇形管出现后将活塞外部设置为由0-0.2透明度的渐变透明动画，这样蛇形管的形态就很清晰了。

结构组装动画涉及动画技术因素较多，特别是对摄像机的复杂运动控制较繁琐，另外零件结构较复杂，数目较多，因此制作中会经常遇到很多问题。

这就需要动画制作这对3dsmax有一定的认识和运用能力。

原理演示动画中，首先要求动画制作者本身对运动机件的工作原理有很清楚的了解，才能保证动画制作的正确性，如在制作多刚内燃机发火顺序是就要求动画制作这对多刚发火顺序有一个清楚的认识。

如果动画制作者对发火顺序不能做到心中有数，那做出来的动画就可想而知了。

总之，对3dsmax动画制作和控制要涉及众多的修改命令和控制技巧，也要求动画制作者本身具有一定的内燃机专业知识。

在内燃机中运动机件，主要指曲柄连杆机构。

由活塞组，连杆组和曲轴等部分组成。

4.2运动件受力状况

曲柄连杆机构的功用是将热能转变为机械功，也就是说燃料燃烧是的气体压力使活塞做直线运动，通过连杆变成曲轴旋转运动而对外输出有效功。

旋转着的曲轴又使活塞不断地往复运动，从而保证了连续地实现柴油机的工作循环。

作用在曲柄连杆机构上的力主要有：

1：

汽缸内的气体压力PI

2：

运动机件的惯性力PII

P=P+PII

受理分析如图4-1

将合力P分解得：

1．垂直于汽缸中心线的侧推力N；

2．沿连杆中心线的连杆力S

作用：

侧推力N产生摩擦

连杆力S使连杆压缩或拉伸

3*图4-1曲柄连杆受理分析

分解S为T，K

切向力T对曲轴中心的力矩M=T。

R

法向力K引起曲轴弯曲

注意：

根据牛顿第三定律，侧推力N对曲轴中心的力矩等于旋转力矩M，作用在机件上，与M方向相反。

并使柴油机倾倒。

故称为颠覆力矩。

4.3活塞组

一．活塞组的组成

活塞组由活塞、活塞销、活塞环、衬套和活塞销盖。

二．活塞组的作用

1.与汽缸，汽缸盖共同构成发动机的密闭的工作空间防止燃气漏入曲轴箱，阻止过多的润滑油窜入汽缸内。

2.承受燃气压力，并将其传给连杆和曲轴。

3.承受侧推力，起到了导向作用。

4.二冲程发动机中还有控制气口的作用。

4.3.1活塞

一.活塞的工作条件

1.活塞承受很高的气体压力作用，如图4-2

中速机13-15MPa。

以PA6-280为例:

PZ为13.5MPa，D=280mm受力8.3×10N。

且受力为周期性的冲击力，容易产生交变应力和变形,引起疲劳破坏。

要求：

活塞应具有足够的强度和刚度。

2.活塞承受往复惯性力的作用

3@图4-2活塞工作条件对于中高速机往复惯性力已经达到相当可观的程度。

要求：

在保证强度的前提下，尽量减轻重量，以见效往复惯性力，从而减少机械负荷。

3.活塞承受侧推力的作用

润滑不良，引起活塞裙部的磨损,活塞裙部材料有高的

耐磨性。

4.活塞受到高温燃气周期性的加热作用

高速大功率瞬时温度达2273K，活塞表面温度达623-773K，长期高温--材料强度下降，会出现热疲劳，热变形和龟裂。

结构要求：

要求在保证强度的前提下，尽量减轻重量，以见效往复惯性力，从而减少机械负荷活。

塞应具有足够的刚度和强度。

（1）良好的结构形式，合理的散热和冷却方式，以减小热负荷。

（2）材料有足够的抗热性，较好的导热性，，保证有足够的热强度。

（3）热膨胀系数小，以保持与缸套的合理配合间隙。

二.活塞的结构形式

从有无冷却的角度可分为：

非冷却活塞和冷却式活塞

整体铝活塞，整体油冷活塞，组合式油冷塞，组合式水冷活塞。

1．整体铝活塞

（1）活塞的基本结构包括：

顶部、环槽、活塞销座和裙部。

活塞顶部、汽缸盖和汽缸壁组成燃烧室组成燃烧室。

如图4-3

3@图4-3整体吕活塞@图4-4活塞头部特点

（2）活塞头部：

从活塞顶至活塞销座以上最末一道环槽之间的部分成为活塞头部。

开有数道环槽，2-3道气环槽，1-2道油环槽。

高速机较少，低速机较多。

a.活塞头部特点：

因温度及压力沿高度方向变化很大，引起各处热变形不一致，为了保证活塞在工作温度下与缸套间有一定的均匀间隙，活塞头在常温下加工成锥体，或多个锥度不同的截锥体的组合，上部锥度大，下部锥度小。

如图4-4

b.活塞顶部形状如图4-5

．平顶．盆顶

．W型．凹顶

．凸顶．深坑1

深坑

a平顶b盆顶cW型

d凹顶e凸顶f深坑1

g深坑2

@图4-5活塞顶部形状

注：

为了防止气阀早开晚关而引起启发与活塞顶相碰，在活塞表面加工出避碰凹坑。

（3）活塞裙部：

头部以下部分统成为裙部。

受机械负荷和热负荷

（4）结构特点：

由于活塞在工作过程中，承受较强的机械负荷和热负荷，工作条件十分恶劣，因此，活塞在结构上具有一些共同的特点。

（5）温度分布分布线图如图4-6

散热方式：

a．顶部吸收的热量62-67%由活塞环传给汽缸盖，由汽缸套传给冷却水。

b．14%由活塞裙部传给缸套。

c．期于部分由活塞内表面传给曲轴箱中飞溅的滑油和气体。

图4-6活塞温度分布

（6）改善措施

a.圆弧过渡：

非冷却整体铝活塞的头部热流密度很大，为降低活塞头部和环槽温度，加大散热面积，保证热流密度大致相等，顶底内壁和侧壁相连接部分多用大圆弧过渡，同时减少了应力集中。

（见课件动画演示）

b.隔热槽：

整体铝活塞第一环槽因温度高，材料硬度下降较多，及润滑条件差，环槽磨损严重。

这些常常是限制活塞使用期限的重要因素。

为了改善这种情况，某些柴油机活塞在第一道环槽上方车隔热槽，改变顶部热流方向，将部分原来由第一道环散走的热量分散到第二、三道环散走。

如图4-7

图4-7隔热槽

（图片说明：

前图为示意图片@和图为三维图片3@）

c.耐磨镶座：

整体铝活塞第一环槽因温度高，材料硬度下降较多，及润滑条件差，环槽磨损严重。

这些常常是限制活塞使用期限的重要因素。

为了改善这种情况，有些柴油机活塞在第一或第一和第二道环槽处铸入耐磨镶座以提高环槽部分的耐磨性。

如图4-8

图4-8耐磨镶座

（7）功能特点

优点：

铝合金的特点是密度小，仅为铸铁的三分之一；导热性好，导热系数比铁高1-2倍。

对于高速轻型、强化度不高（Pe<1MPa）的柴油机的活塞，为降低惯性力，减轻重量，增强导热性，广泛采用铝合金整体活塞

不足：

铝合金的缺点是热膨胀系数大，比铸铁大2-2.5倍，因此冷车时与缸套间隙大，容易轻型柴油机实用引起较大的振动和磨损，热强度低，耐磨性差等。

（8）改进方法

a．活塞顶阳极化处理，减少热传导。

b．采用，裙部喷镀石墨或二氧化钼。

2．整体油冷活塞

为了适应柴油机的热负荷和机械负荷不断增加的需要，保证活塞顶的足够强度又使第一道环的温度不至太高，在强化度较高的中、高速柴油机中普遍采用了整体油冷活塞即在整体活塞顶部及环槽部开有冷却液流道或冷却腔，用润滑系统中冷却油作为冷却介质，对活塞顶部及环槽区进行强制冷却。

例：

蛇形油管冷却活塞，冷却油腔活塞。

如图4-9

a.蛇形油管冷却活塞：

采用螺旋形铜管或钢管铸入活塞本体，使冷却油流经蛇型管，在润滑油压力作用下进行循环冷却。

为了增强冷却效果，也有铸成后再用酸蚀掉铜管。

b.冷却油腔活塞：

活塞头内部设置冷却油腔，冷却油不充满整个油腔，一般只充30-50%，由于活塞往复运动的惯性，冷却油在油腔中震荡冲刷，冷却油与油腔面相对运动速度较大，容易形成紊流，冷却效果较好。

a蛇型油管冷却活塞b冷却油腔活塞

图4-9整体油冷活塞

3.组合式油冷活塞

（1）采用组合式的原因

a.强化强度提高，活塞头部的热负荷增加。

一般的铝合金不能满足要求。

b.出于减小往复惯性力的考虑，减轻重量。

（2）制作方法

a.用耐热材料制成活塞头部

b.用铝合金或铸铁制造活塞裙部

c.然后将二者用螺栓连接起来。

（见课件三维动画演示图）

（3）工作特点：

a.内外腔支撑部分面积大，气体压力引起的应力小，顶部可以做的较薄，也就减小了热应力。

b.由于活塞头与活塞裙部是分体的，所以冷却腔的布置受工艺上的限制少，能耐更好地满足冷却的要求。

特别是环槽区可加强冷却，冷却油出口设在油腔高度的中部，以形成振荡冷却。

4.3.2活塞销

1.功用

连接活塞与连杆，将活塞承受的力传给连杆。

2.工作条件

（1）承受燃烧压力产生的交变冲击力。

（2）与活塞销座及连杆的配合面承压面积不能大，相对运动速度低，不易形成油膜，润滑条件差，很容易磨损。

3.要求

（1）很高的强度

（2）良好的韧性

（3）耐磨

（4）重量轻

一般活塞销采用优质低碳钢或低碳合金钢制造，表面渗碳淬火，使得表面硬而耐磨，内部韧性高耐冲击。

4.活塞销结构形式如图4-10

（1）直内孔

（2）圆锥形内孔

（3）圆柱圆锥组合形

a直内孔b圆锥内孔c圆柱圆锥组合形

3@图4-10活塞销的内孔形式

无论何种形式，都要求有很高的加工精度和光洁度。

5.活塞销与连杆小头及活塞销座的连接方式

（1）活塞销固定与连杆

优点：

增大了刚度，不容易弯曲变形

缺点：

局部磨损

（2）活塞销在连杆小头和活塞销座中浮动

优点：

结构简单，工作中活塞销座中缓慢转动，磨损均匀，载荷分布均匀，，提高疲劳强度。

（3）机构沙锅内要求有轴向定位装置

a.弹簧挡圈（卡簧）如图4-11

b.铝合金挡塞

@图4-11防止活塞销轴向移动的装置

4.3.3活塞环

活塞环分为气环和油环两种

a.气环

一般高速机有2-3道气环，中速机有3-4道气环，低速机有5-6道气环，油环一般是1-2道。

目前的趋向是减少环数，强化第一道环。

因此柴油机所消耗的摩擦功中约有50%是活塞环和活塞裙与缸套间的摩擦引起的。

b.油环

油环一般是1-2道。

1.作用

（1）密封汽缸，防止燃气漏入曲轴箱。

（主要由气环完成）

自由状态为椭圆形，工作状态下为圆形的开口环。

在气体的压力与自身的弹性作用下，与汽缸壁，环槽紧密贴合。

如图4-12并非绝对密封，只能做到漏泄最少。

图4-12活塞涨圈的防滑原理

（2）导热

燃料燃烧产生的的热量有一部分经活塞环传向气缸壁，再由冷却水带走。

对于非冷却活塞，这部分热量可达活塞顶部承受热量的60-70%。

）调节润滑油：

刮油和布油，油的作用为润滑。

（3）调节滑油

为保证活塞环能在高温，高压下沿气缸壁面正常滑动，在缸壁上应保持一定厚度的油膜。

滑油过多或过少都不利于内燃机的正常工作。

刮油和布油

（4）支承活塞活塞

活塞的外径略小于气缸内径，活塞在气缸内即有往复运动，在侧推力的作用下又有横向运动，运动不稳定。

而活塞环在运动中始终与气缸壁及活塞环槽贴紧，对活塞销有支撑作用。

3．气环的结构

应保证较高的密封性，便于磨合，耐磨损，对润滑有调节作用。

（1）矩形环如图4-13（a）

优点：

结构简单，加工方便