机体组及曲柄连杆机构.docx
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机体组及曲柄连杆机构
一、概述
1功用：
作功冲程：
热能——往复机械能——曲轴旋转
其他冲程：
曲轴旋转运动——活塞往复运动（依靠曲轴与飞轮惯性）
2组成：
1.机体组气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖、气缸垫——不动件（图2-2）P41
2.活塞连杆机构：
活塞、活塞环、活塞销、连杆——运动件（图2-19）P55
3曲轴飞轮组：
曲轴、飞轮减震器。
P55
组成：
启动爪——扭转减振器——皮带轮——正时齿轮——曲轴——主轴瓦——飞轮螺栓——飞轮
3工作条件：
高温、高压、高速、化学腐蚀。
曲柄连杆机构
4要求：
曲柄连杆机构的零件：
质量小、热膨胀系数小、导热性能好、耐热、耐腐蚀。
5作用在曲柄连杆机构和机体的各有关零件上的力：
气体作用力、运动质量往复惯性和离心力、摩擦力。
二、机体组
1、气缸体
（1）气缸体
作用：
发动机的各个机构和系统的装配基体。
要求：
气缸体应具有足够的刚度和强度。
结构形式1）一般式（水平式）便于机加工，刚度小，多用于中小型发动机。
2）龙门式工艺性差，刚度强度较好，大中型发动机。
3）隧道式拆装困难，刚度比龙门式好。
（2）气缸
1）要求：
耐高温，耐磨损，耐腐蚀。
从气缸材料、加工精度、结构方面采取措施。
2）材料：
优质合金铸铁，并提高加工精度。
3）冷却方式水冷——水在水套中流动、风冷——散热片
4）气缸布置形式单列式：
结构简单、易加工、长度高度较大。
双列式：
1）V型——长度高度缩短，宽度大，形状复杂，夹角小于180度。
2）对置——高度小，利于汽车总体布置，夹角=180度。
5）气缸套
名称
特点
示意图
性能
干缸套
外壁不直接与冷却水接触
1）壁厚较薄（1——3mm）
2）与刚体承孔过盈配合
3）不易漏水漏气
强度刚度都较好，加工复杂，拆装不便，散热不良
湿缸套
外壁直接与冷却水接触
1）壁厚较厚（5——9mm）
2）散热效果较好
3）易漏水漏气
4）易穴蚀
强度刚度不如干气缸套，易漏水。
加工容易、散热良好、冷却均匀。
定位：
1）径向：
靠上下两个凸台的、与气缸体间为动配合的圆环带A和B。
2）轴向：
利用缸套上部凸缘与缸体相应的台阶。
密封：
1）上部：
缸套顶面高出缸体0.05-0.15mm，当气缸盖螺栓拧紧后，缸套与缸体凸台接合处、缸套与缸垫结合处，承受较大的预紧力。
2）下部：
1——3个耐油、耐热的橡胶密封圈。
2、气缸盖与气缸衬套
（1）气缸盖
1）作用：
封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁形成燃烧室。
2）结构：
单体气缸盖、块状气缸盖、
整体式气缸盖特点及性能：
缩短发动机长度，刚度差，发动机缸径<105mm时用。
3）材料：
灰铸铁、合金铸铁。
4）燃烧室：
要求：
结构紧凑，冷却面积小，以减少热量损失；使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动。
结构：
名称
特点
示意图
应用
半球形
结构紧凑、排气效果好、火焰行程短、燃烧速率高、热损失少、热效率高。
1）气门呈横向V型排列，因此气门头部直径可以做的较大，换气好；
2）火花塞位于燃烧室的中部火焰行程短，燃烧速度最高，动力性、经济性最好。
高速发动机常用燃烧室；
3）CO和HC排放最少，而NO排放较高。
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，燃烧速度较快
1）气门斜置，气流导流较好，充气效率高
2）有挤气冷激面，可形成挤气涡流
燃烧速度较快，CO和HC排放较低而ＮＯ的排放稍高。
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，燃烧速度较低。
1）气门平行于气缸轴线
2）有挤气冷激面，可形成挤气涡流
3）盆的形状狭窄，气门尺寸受限，唤起质量较差，燃烧速度较低，CO和HC排放较高而ＮＯ的排放较低。
捷达、奥迪
（2）气缸盖衬垫
3、油底壳
4、发动机支承
三、活塞连杆组
1、活塞
（1）作用
（2）要求质量小——高速；热膨胀系数小——高温；导热性好和耐磨——高压；
（3）材料：
铝合金，高级铸铁或耐热钢（个别）
（4）构造（见下表）
（4）构造表
1）顶部
形状
示意图
特点
平顶
结构简单、制造容易、受热面积小
应力分布均匀，多用在汽油机上。
凸顶
凸顶呈球状、顶部强度高，起导向作用、有利于改善换气过程。
凹顶
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（高压缩比发动机为了防止碰气门，也可用凹坑的深度来调整压缩比）
2）头部位置：
第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分。
注意：
活塞头部工作条件恶劣，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。
活塞头部作用
（3）将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。
3）群部
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，防止破坏油膜。
活塞变形及采取相应的措施
a.变形原因：
热膨胀、侧压力和气体压力
由活塞群部变形图可看出（a）受热膨胀（b）受侧压力（c）受气体压力，最终变形如图（d）
可见，活塞裙部变形为沿着活塞销轴线向外膨胀。
（活塞销处的金属量比较大）
b.变形规律
（1）活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙减小。
（因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁。
（2）活塞自上而下膨胀量由大尓小
（因温度上高下低，壁厚上厚下薄）
（3）裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方向。
（因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用结果）
c．结构措施
（1）活塞纵断面制成上小下大的截锥形。
例：
阶梯形活塞、锥形活塞
（2）活塞裙部制成椭圆形，长轴长轴垂直于销座孔轴线方向，即侧压力方向。
销座处凹陷0.5-1.0mm。
（3）裙部开隔热膨胀槽，其中横槽叫隔热槽，竖槽叫膨胀槽。
（柴油机一般不开）
（4）偏置销座
1）定义：
活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移1——2mm。
作功时，侧压力在左侧。
2）作用：
减轻活塞换向时对气缸壁的敲击。
3）原理：
因销座偏置，在接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边，使活塞倾斜，裙部下端提前换向。
当活塞越过上止点，侧向压力反向时活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。
偏置销座使活塞换向分成两步：
一步：
在气体压力较小时进行，且裙部弹性好，有缓冲作用；使换向冲击力减小
二步：
虽气体压力大，但它是个渐变过程。
2、活塞环
作用：
气环——密封：
防止高温高压燃气大量漏人曲轴箱。
传热：
将活塞顶部的大部分热量传到气缸壁上，再由冷却水和空气带走。
油环——使气缸壁上机油膜均匀分布，改善润滑条件，辅助封气。
要求：
耐热，耐磨，有较高的强度和冲击韧性。
材料：
合金铸铁
（1）气环气环尽量少（2——3个）安装时切口错开。
气环结构与密封原理：
活塞环间隙1）端隙Δ1：
又称开口间隙，使活塞环装入气缸后开口处的间隙。
一般为0.25——0.50mm。
2）侧隙Δ2：
又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。
第一道0.04mm～0.10mm；其它气环0.03mm～0.07mm。
油环一般侧隙较小，0.025mm～0.07mm
3）背隙Δ3：
是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙。
0.5mm～1mm
气环的密封原理
（1）第一密封面的建立：
环在自由状态下，环外径＞缸径，装缸后在其弹力P0作用下与缸壁压紧，形成第一封面。
（2）第二密封面的建立：
活塞环在运动时产生惯性力Pj，与缸壁间产生摩擦力F，以及侧隙有气体压力P1，在这三个力的共同作用下，使环靠在环槽的上侧或下侧，形成第二密封面。
（3）气环的第二次密封：
窜入背隙和侧隙的气体，使环对缸壁和环槽进一步压紧，加强了第一、二密封面的密封。
活塞环的泵油作用及危害
原因：
（1）存在侧隙和背隙；
（2）环运动时在环槽中靠上靠下。
危害：
（1）增加了润滑油的消耗；
（2）火花塞沾油不跳火；
（3）燃烧室积碳增多，燃烧性能变坏；
（4）环槽内形成积碳，挤压活塞环而失去密封性。
（5）加剧气缸磨损。
措施：
（1）采用扭曲环；
（2）采用组合式油环；
（3）油环下设减压腔；
气环的断面形状
形状
特点
安装图
备注
矩形环
结构简单、制造方便、易于生产、应用广泛。
结构简单，与缸壁接触面积大，散热好，但易泵油。
扭曲环
将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。
安装：
内上切扭曲环装入第一道环槽，外下切扭曲环装入第二、三道环槽。
安装：
注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。
断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲。
1）具有锥形环的特点；
2）减少了泵油作用；
3）作功行程环不在扭曲
两个密封面达到完全接触，利于散热。
内切口扭曲环
外切口扭曲环
扭曲原理：
当活塞环装入气缸后，环受到压缩产生弯曲变形，断面中性层以外产生拉应力、中性层以外产生压应力，矩形环由于中性层内外断面不对称，使F和F不在同一平面内，从而形成力偶M，在力偶的作用下，活塞环发生微量的扭曲变形。
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。
与缸壁线接触，有利于密封和磨合。
下行有刮油作用。
上行有部油作用，并可形成楔形油膜
安装注意:
1.锥角朝下（在环端有向上或top等标记）；安装时不能装反，否则会引起机油上窜。
2.锥形环传热性查，常装到第二、三道环槽上。
梯形环
加工困难，精度要求高
当活塞在侧压力作用下左、右换向时，环的侧隙和背隙将不断变化，使胶状油焦不断从环槽中被挤出。
梯形环用于热负荷较大的柴油机的第一道环。
桶面环
1）外圆为凸圆弧形
2）环面与缸壁圆弧接触，避免了棱角负荷；
3）环上下运动时，均能形成楔形油膜。
气环切口形状：
直角口、梯形口、平行口等。
（2）油环
1）普通油环：
合金铸铁制造，外圆面中间切有一道凹槽，槽底部加工出小孔。
2）组合油环：
三个刮油钢片和两个弹簧衬环组成。
组合环特点：
1）密封好：
第一密封面，靠径向力，（因衬簧长大于刮片长而产生径向力）
第二密封面，靠轴向力，（因衬簧和钢片总厚度大于环槽高而产生轴向力）
2）无侧隙，不窜油。
3）刮油能力强：
因钢片薄，对缸壁比压大。
4）上下片可分别动作，适应性好。
5）回油能力强。
3、活塞销
1）功用：
连接、传力。
2）要求：
有足够的强度，刚度和表面耐磨性，质量尽可能小。
3）结构：
减少质量，采用空心钢管。
4）材料：
低碳合金钢，经表面渗碳处理。
5）连接方式
连接方式
定义
装配
示意图
全浮式
在发动机正常工作温度下，活塞销在连杆小头孔和活塞销座孔中都能转动。
1）销和销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配法。
2）热装合：
将活塞放入热水或热油中加热后，迅速将销装入。
半浮式
销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一处浮动。
（一般固定连杆小头）
加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈配合。
4、连杆
1）功用：
将活塞承受的力传给曲轴，从而使活塞往复运动转变为曲轴的旋转运动。
2）要求：
质量尽可能小的条件下，有足够的刚度和强度。
3）材料：
中碳钢或合金钢
4）结构：
小头、杆身、大头。
5）切口的定位形式
平切口：
利用连杆螺栓上加工的圆柱凸台光圆柱部分。
斜切口：
止口定位
套筒定位
锯齿定位
采用较多的定位方式有：
连杆螺栓定位、
套筒定位
锯齿定位
优点是接触面积大，贴合紧密，定位可靠，节距公差要求严格。
定位销定位
工艺简单，但定位不大可靠。
利用连杆螺栓上加工的圆柱凸台光圆柱部分。
在连杆盖的每个螺栓孔中压配一个刚度很大，且剪切强度极高的短套筒，配合精度高，工艺要求高
四、曲轴飞轮组
1、曲轴
（1）功用：
1）把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。
2）驱动配气机构及其他附属装置。
材料：
大多采用优质中碳钢或中合金碳钢。
有的采用球磨铸铁。
（2）曲轴有三部分组成
曲轴前端——自由端
曲拐——曲柄销，曲柄，主轴颈
曲轴后端——
曲轴的曲拐数目取决于气缸的数目和排列方式。
直列式：
曲拐数=气缸数
V列式：
曲拐数=气缸数一半
对置式：
曲拐数=气缸数一半
（3）曲轴分类按主轴颈数分：
全支承曲轴、非全支承曲轴
全支承曲轴
非全支承曲轴
定义
每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈
主轴颈数等于或少于连杆轴颈数
示意图
优点
提高曲轴的刚度和弯曲强度，减轻主轴承的载荷
缩短了曲轴的长度，使发动机总体长度有所减少。
缺点
曲轴的加工表面增多，主轴承数增多，使机体加长。
主轴承载荷较大。
应用
柴油机
承受载荷较小的汽油机
（4）曲轴的形状和位置
取决于缸数，气缸排列方式和发火次序。
在安排多缸发动机发火次序时，应注意四点：
1）使连续作功的两缸相距应尽可能远，以减轻主轴承的载荷。
2）避免可能发生的进气重叠现象（即相邻两缸进气门同时开启）以免影响充气。
3）作功间隔应力求均匀，就是说在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应发火作功一次且各缸发火间隔角（以曲轴转角表示，称发火间隔角）应力求均匀
4）V型发动机左右两缸尽量交替作功
对缸数为i的四冲程发动机而言，发火间隔角为720°/i。
发火次序以“尽可能远”原则选取。
在选定某缸为第一缸着火，则第二次着火就不应在同向曲拐所对应的那个缸，而应在除第一缸外，远离第一次着火缸的那一缸。
常用曲拐布置
1）直列四冲程四缸发动机工作顺序：
各缸完成同名行程的次序。
曲拐对称布置于同一平面内。
相邻作功气缸的曲拐夹角为720°/4=180°
发动机工作顺序：
1-3-4-21-2-4-3
2）直列四冲程六缸发动机
发动机工作顺序1-5-3-6-2-41-4-2-6-3-5
曲拐对称布置于三个平面内。
相邻作功气缸的曲拐夹角为720°/6=120°
a.直列式分左手排列和右手排列两种形式。
左手排列．即：
从曲轴前端看第二缸在第一缸左侧，
右手排列，即：
从曲轴前端看，第二缸在第一缸的右侧。
第一缸与第六缸、第二缸与第五缸、第三缸与第四缸在同一平面内，曲轴配角为120°，使用四道或七道轴颈。
点火顺序：
左手曲轴为1—5一3—6—2—4。
右手曲轴为l—4—2—6—3—5
b.V型左右排的相对气缸共用一道曲柄销，使用四道轴颈，
点火顺序为l—6—5—4—3—2（右1—左3—右3—左2—右2—左1）。
3）四行程V型八缸发动机
发动机工作顺序：
1-8-4-3-6-5-7-2
曲拐对称布置于四个平面内（或一个）
相邻作功气缸的曲拐夹角720/8=90
？
（1）直列式：
八缸直列式曲轴又分4—4型和2—4—2型。
用两根直列四缸曲轴成90°连接在一起，称为4—4曲轴，将一根四缸直列曲轴断成二节，分别接在另一根曲轴的前后端的称为2—4—2曲轴。
4—4曲轴第一与第四缸，第二与第三缸，第五与第八缸，第六与第七缸在同一平面，点火顺序为1—8—3—7—4—5—2一6，2—4—2曲轴第一与第八缸，第二与第七缸，第三与第六缸．第四与第五缸在同一平面，点火顺序为：
l一6—2—5—8—3—7—4，这两种型式的曲轴使发动机整体结构变长，且平衡性较差．现代发动机已不采用。
？
（2）V式:
左右相对的气缸共用一个曲柄销，曲轴配角为90°，使用三道或五道轴颈，因各发动机标法不同，点火顺序也不相同，但基本的点火顺序有两种，即1—5—4—8—6—3一7一2（左1一右1一左4一右2一左3一右3一左2）；l一8—4—3—6—5—7—2（右1一右4一左2一右2一左3一右3一右4一左1）不太明白
2、飞轮
（1）功用：
1）贮存能量：
在作功行程贮存能量用以完成其他三个行程，使发动机运转平稳。
2）利用飞轮上的齿圈启动时传力。
3）将动力传给离合器。
4）克服短暂的超负荷。
（2）构造1）飞轮为一外缘有齿圈的铸铁圆盘。
2）有的飞轮上有一缸上止点记号和点火提前角刻度线（汽油机）或供油提前角刻度线（柴油机），以便调整和检验点火正时，供油提前角和气门间隙。
3）飞轮与曲轴在制造时一起进行过动平衡实验，在拆装时为了不破坏它们之间的平衡关系，飞轮与曲轴之间应有严格不变的相对位置。
通常用定位销和不对称布置的螺栓来定位。
圆周装有齿环，安装齿环时通常将齿环加热后套入，冷却后即紧密结合在一起。
3、扭转减振器
（1）扭转振动
在发动机工作过程中，经连杆传给连杆轴颈的作用力的大小和方向都是周期性变化的，所以曲轴各个曲拐的旋转速度也是忽快忽慢呈周期性变化。
安装在曲轴后端的飞轮转动惯量最大，可以认为是匀速旋转，由此造成曲轴各曲拐的转动比飞轮时快时慢，这种现象称之为曲轴的扭转振动。
当曲轴第一、二缸作功行程时，有使曲轴前部向前转动的倾向，而曲轴后部则因飞轮惯性不能立刻跟随转动，此时曲轴产生扭曲现象。
第一，二缸作功行程以后．飞轮惯性反使曲轴后都较前部转得快，而发生另一方向扭转。
这种来回扭转若不加以控制，在某种转速时会产生共振，而曲轴经长时间承受扭转应力会产生疲劳而折断。
减振器就是起吸收振动的作用。
当曲轴前端发生加速或减速时，减振器上的配重就发生迟滞作用，而吸收扭转振动。
减振器有磨擦片式、橡胶式和液体式三种。
（2）扭转减振器
（3）曲轴的平衡
曲轴如果局部重量不均．运转时将产生剧烈振动，致使曲轴疲劳折断。
因此，在曲柄销对面必须加上配重以保持平衡。
配重有些可用螺丝固定，可拆卸，有的配重直接铸造在曲轴上。
现代的高速发动机为减小噪音，平衡轴来提高平衡度。
平衡轴通常使用两根，断面为半圆，使用胶木齿轮与曲轴齿轮相啮合，平衡轴与曲轴转动方向相反，以消除曲轴转动的惯性力。
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