整理第二章曲柄连杆机构.docx

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整理第二章曲柄连杆机构

第二章曲柄连杆机构

§2-1机器与机构

一、机器

1．机器的定义

机器是执行机械运动的装置，用来变换或传递能量、物料与信息，以代替或减轻人的体力和脑力劳动。

根据现代机器的分类，可分为动力机器、加工机器（加工成型、使位置发生变化）和信息机器。

2．机器的组成

机器的种类繁多，其结构和用途各不相同。

然而一部完整的机器可归纳为由四大部分组成：

1）原动机部分（动力）它是驱动整台机器完成预定功能的动力部分，其作用是把其他形式以能量转换为机械能，以驱动机器各部件。

如汽车的发动机。

2）执行部分它是机器中直接完成工作任务的组成部分。

如汽车的驱动轮。

3）传动部分它是将原动机的运动和动力传递给执行部分的中间环节，利用它可以减速、增速、调速、改变转矩以及改变运动形式等，从而满足执行部分的各种要求。

如汽车的变速机构、驱动机构、转向机构。

4）检控部分它包括检测部分和控制部分，其作用是显示和反映机器的运行位置和状态，控制机器正常运行和工作。

随着机电工业的高速发展，检控部分在机电一体化产品（加工中心、工业机器人、现代汽车）中的地位越来越重要。

但对于简单的机器往往只有前三部分组成，有时甚至只有原动机部分和执行部分，如刀泵、排风扇等。

3．机器的特征

从机器的组成、运动和功能角度来看，各种机器具有以下共同的特征。

1）它们是人为的组合体；

2）各实体之间具有确定的相对运动；

3）能代替或减轻人类的劳动来完成功能转换、物料变换或信息传递等。

凡是同时具有以上三种特征的均称为机器。

二、机构

如果仅有上述三个特征中前二个特征的组合体，则称为机构。

机构的功能是完成传递运动、力或改变运动形式的实体组合。

机构是机器的主要组成要素。

一台机器可以只有一种机构，也可以由数种机构组成。

对于机构，其含义也随着科学技术的发展而有所变化。

以前认为机构只能由刚体所组成，现在这一观点已由液体和气体可参与运动的变换而改变。

如果机构中除刚体外，液体或气体也参与运动的变换，则该机构相应称为液压机构或气动机构。

在工程上，通常以“机械”作为机器和机构的总称

三、构件与零件

组成机械的各个相对运动的实体称为构件。

构件可以是单一的零件，也可由多个零件刚性连接而成，如图2－fo所示的连杆，它由连杆体1、连杆盖3、螺栓2及螺母4等零件固定在一起的具有同一运动的刚性实体。

因此构件和零件的区别：

构件是运动的单元，而零件是制造的单元。

机械零件又可分为通用零件和专用零件两大类。

通用零件是指各种机器常用到的零件，如螺钉、螺母、齿轮、弹簧等；专用零件是指某种机器才用到的零件，如电动机中的转子，内燃机中的曲轴、活塞等。

此外，机械中把为完成同一使命、彼此协同工作的一组零件的组合体称为部件，如发动机，减速器，联轴器等。

§2-2平面连杆机构

机构按其运动空间来份，可分为平面机构（纵向、横向）和空间机构。

1．运动副

两构件之间直接接触并能产生相对运动的连接称为运动副。

两构件之间的连接通过点、线、面来实现的接触，按接触特性可分为高副和低副。

A）低副两构件间是面连接的，转动副或移动副（只能沿轴线方向移动）

B）高副两构件间是点、线连接的，

2．平面机构简图的绘制

1）平面机构简图的概念

是为了使问题简化，可不考虑构件和运动副的实际结构，只考虑与运动有关的构件数目、运动副类型及相对位置，用简单线条和规定的符号表示构件和运动副，并按一定比例确定运动副的相对位置及运动有关的尺寸，表明机构的组成和个构件间真实运动关系的简单图形。

2）平面机构简图的绘制

为了绘制机构运动间图，首先把机构的构造和运动情况分析清楚，要明确三类机构：

固定件（称为机架）—机构中支撑活动构件的构件，任何一个机构中必定也只能有一个构件为机架；原动件—机构中作用有驱动力或以知运动规律的构件，一般与机架相连；从动件—机构中除原动件以外的所有活动件。

其次，还需要弄清该机构有多少构件组成，各构件间组成何种运动副，然后按规定的符号和一定的比例尺绘图。

A）分析机构的组成，确定机架、原动件和从动件。

B）由原动件开始，依次分析构件间的相对运动形式，确定运动副的类型和数目。

C）选择适当的试图平面和原动件位置（运动平面）。

D）选择适当的比例尺。

以发动机中的曲柄滑块为例，说明机构简图的绘制。

3．平面机构的自由度

1）平面机构自由度计算

A．自由度作为平面运动的构件相对于参考系所具有的独立运动的数目，称为构件的自由度。

任何做平面运动的自由构件有三个独立的运动，有三各自由度。

B．约束当两构件组成运动副后，他们之间的相对运动受到约束，对相对运动所加的限制称为约束。

每加一个约束，自由构件便失去一个自由度。

运动副的约束数和约束特点，取决于运动副的特点。

平面低副引入两个约束，保留一个自由度；平面高副引入一个约束。

保留两个自由度。

C）机构自由度的计算

机构相对于机架所具有的独立运动数目，称为机构的自由度。

设一个平面机构有N个构件组成，其中有一个为机架，则活动构件为n=N-1。

在没组成运动副之前，共有3n个自由度。

F=3n-2PL-PH

D）自由度计算注意事项

1）复合铰链两个以上的构件在同一处以同轴线的转动副相连，称为复合铰链。

他们构成了两个转动副，而不是一个，（K-1）各转动副。

2）局部自由度与构件运动无关的构件独立运动称为局部自由度，在计算时不计算它。

3）虚约束机构中与其他约束重复而对机构运动不起新的限制作用的运动副。

A．两构件间形成多个具有相同作用的运动副，它一般分为三种情况：

（1）两构件在同一轴线上形成多个转动副，但只有一个转动副起作用。

（2）两构件形成多个导路平行或重合的移动副，计算时只能作一个计算。

（3）两构件组成多处接触点公法线重合的高副。

B．两构件上连接点的运动轨迹相互重合。

C．机构中具有对运动不起作用的对称部分。

§2-3活塞连杆组

活塞连杆组是发动机的传动件，它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力。

活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销及连杆等组成。

一、活塞

1．活塞的作用

它把燃烧气体的压力传给曲轴，使曲轴旋转并输出动力；活塞的顶部还与汽缸盖、汽缸比共同组成燃烧室。

活塞的顶部直接与高温燃气接触，活塞的温度也很高，高温使活塞的机械性能下降，热膨胀量增加；活塞在作功行程中，承受燃气的高压冲击（3~5mP），活塞在汽缸中高速运动，平均速度达到8~12m/s，要求活塞质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨。

一般采用铝合金，个别柴油机也采用高级铸铁或耐热钢。

2．活塞的组成

活塞主要由顶部、头部和裙部组成。

1）活塞顶部

活塞头部的形状与选用燃烧室有关。

汽油机活塞的头部一般采用平顶，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。

有些为了改蒜混合汽形成而采用凹顶，凹坑的大小还可以调节发动机压缩比。

2）活塞的头部

活塞头部是活塞环槽以上部分。

其作用有三：

承受气体压力，并传给连杆；与活塞一起实现汽缸密封；将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传给汽缸比。

头部切有如干道环槽用以安装活塞环，汽油机一般有2~3到环槽，上面1~2道用于气环，下面一道用于安装油环。

油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环所刮下来的多余的机油，经过小孔流回油底壳。

3）活塞群部

活塞群部是指自油环槽下端面起至活塞底面的部分。

其作用是为活塞在气缸内做往复运动导向何承受侧压力。

活塞工作时，燃烧气体压力作用在活塞的顶部，而活塞销反力作用在头部的销座孔处，由此产生的变形是群部直径沿活塞销座轴线方向增大（受力变形）。

侧压力N的使活塞群部变形；活塞销座孔附近的金属堆，受热膨胀量大，致使群部在受热变形时，活塞销座孔方向的膨胀量大，群部是椭圆。

为了保证在冷态的情况下活塞于气缸比的接触，在活塞群部有开槽。

由于活塞沿轴线受热和质量分布不均匀，上大下小，所以活塞作成一个上大下小的近似圆锥形。

4）活塞销座孔

活塞销座孔是将活塞顶部气体作用力经活塞销传给连杆。

销座孔通常有肋片与活塞内避相连，以提高其刚度。

销座孔内有安装弹性卡环的卡环槽，卡环用来防止活塞销在工作中发生轴向串动。

二、活塞环

活塞环包括气环和油环两种。

1．气环（作用、常见故障、结构）

气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止高温高压燃气进入曲轴箱；同时还将活塞顶部的大部分热量传导给气缸比，在由冷却水或空气带走。

活塞环工作时受到气缸中气体的高温高压作用，其温度教高，而且在气缸中高速运动，加上机油高温变质，润滑条件变坏，其磨损严重。

活塞环磨损失效后，发动机出现启动困难、功率不足、曲轴箱压力升高、机油损耗量大、排气冒黑烟，活塞边面基碳严重。

由于气缸的磨损不均匀性，使其变成锥度和椭圆性，活塞在其中往复运动，沿颈项产生一张一缩的运动，使环受弯曲应力而容易折断。

，造成发动机卡死，拉缸、发动机不工作。

活塞环一般是用合金铸铁铸造的。

第一道气环的工作表面一般镀有多孔铬。

（多孔铬的硬度高，能储存少量的机油），其它一般镀锡或磷化，改栓磨合性能。

活塞环上有一切口，且自由状态不是圆形，其尺寸比气缸的内径大，所以它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴气缸比，使燃气不能通过环与气缸比的接触面的间隙。

切口一般是0.25~0.8mm。

2．油环

油环主要是刮油、布油和辅助密封作用。

油环用来刮除气缸比上多余的机油，并在气缸比上铺涂一层均匀机油膜，这样即可以防止机油串入，又可以减小活塞与气缸的磨损与摩擦阻力。

油环分为普通油环和组合油环。

普通油环一般是由铸铁作成的，其外圆中间切有一道凹槽，在凹槽的底部加工有许多排油孔。

组合油环由刮油片和两个弹性寸环组合而成的。

轴向寸环夹装在第二第三刮油片之间。

3．活塞销

活塞销的作用是连接活塞与连杆小端，将活塞承受的气体的作用力传递给连杆。

活塞销为中空的圆柱体，一般采用低碳钢、低碳合金钢渗碳淬火或用45号中碳钢高频淬火。

根据活塞销的固定方式的不同，可分为全浮式或半浮式两种。

1）全浮式

是指活塞销既不固定于活塞销座，又不固定于连杆小头，热态二者均为间隙配合，冷态为过度配合。

只在销子两端的活塞销座孔中的卡环槽中装两只卡环，防止销子滑出。

磨损均匀，磨损量小，弯曲变形量小。

2）半浮式

4、连杆

1．作用

将活塞承受的力传给曲轴，从而使活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动。

连杆承受活塞销传来得气体的作用力以及本身摆动和活塞组往复运动时的惯性力，这些力的大小和方向都是周期性变化的，因此，连杆受到的是压缩、拉升和弯曲等较边载荷。

2．组成

连杆一般由小头、杆身和大头三部分组成的。

连杆一般中碳钢或合金钢弹压而成。

连杆小端与活塞销相连，工作时与销之间有相对运动，小头孔中有寸套（青铜）。

在连杆的小端和寸套上钻有小孔（油道），用来润滑小端和活塞销。

连杆杆身通常作成工字型断面，以求增加其强度和刚度。

在其中间油润滑油道。

连杆大头与曲轴的曲柄销相连，大头一般作剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，接特制的连杆螺栓紧固在连杆的大头上。

连杆盖与连杆大头是组合搪孔，为了防止装配错误，在同一侧有配对记号。

大头孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦紧密贴和。

连杆大头还铣有定位坑，连杆的大端还有有孔。

连杆大头按剖分面可分为平切口和斜切口两种。

一般汽油机连杆大头的直径小于气缸的直径，采用平切口；柴油机受力大，其大头直径较大，超过气缸的直径，采用斜切口，一般与连杆轴线成30~60℃夹角。

连杆螺栓是经常受交变应力作用的重要零件，安装时，必须牢固可靠，要符合工厂规定的拧紧力矩，分2~3次拧紧。

5、活塞连杆组的装配

§2-4曲轴飞轮组

一、曲轴的作用

曲轴的作用是承受连杆传来的力转变成绕其本身轴线旋转的扭矩，并将扭矩通过飞轮输出给传动系；同时驱动配气机构及其他附属装置。

二、曲轴的结构

曲轴按结构来分为整体式和组合式两种。

曲轴主要由三部分组成的，即曲轴的前端（或称自由端）；若干个曲柄销和它两端的曲柄以及前后两个主轴径组成的曲拐；曲轴后端（功率输出端）。

1）曲轴的前端（或称自由端）是按装皮带盘和正时齿轮、油封启动扎或扭力支架用的。

2）曲拐主要由连杆轴径、主轴径、曲柄臂、平衡重等组成。

2）间接使用价值。

间接使用价值（IUV）包括从环境所提供的用来支持目前的生产和消费活动的各种功能中间接获得的效益。

曲轴的曲拐数取决于气缸数目和排列方式。

之列式发动机曲轴的曲拐数等于气缸数，V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。

（2）规划实施中所采取的预防或者减轻不良环境影响的对策和措施有效性的分析和评估；（l）主轴颈

主轴颈是曲轴的支承部位，安装于气缸体的主轴承座孔中。

各道主轴颈的直径一般是相同的，受力较大的前、后及中间主轴颈一般做得长些，以平衡各道轴颈及轴承的磨损。

主轴承一般采用滑动轴承，滑动轴承的结构和所用材料与连杆的滑动轴承相类似。

按照曲轴的主轴颈数；可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。

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。

因此直列式发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数（包括曲轴前端和后端的主轴颈）比气缸数多一个；V型发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数比气缸数的一半多一个。

对于不同的评价单元，可根据评价的需要和单元特征选择不同的评价方法。

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，其缺点是曲轴加工表面增多，主轴径数多，使机体长。

（4）跟踪评价的结论。

（2）连杆轴颈

2.辨识与分析危险、有害因素连杆轴颈与连杆大头相配合。

它通过曲柄臂与主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡以减少应力集中、防止使用中发生裂纹或折断。

为了连杆轴颈的润滑，曲轴上钻有贯穿主轴颈、曲柄管与连杆轴颈的油道，具有一定压力的润滑油经缸体上主油道进人主轴承工作面后通过曲轴内部的油道送到连杆轴颈工作表面，以保证可靠的润滑。

曲柄销不少做成空心的，目的在于减小质量和离心力。

从主轴承经曲柄孔道输来的机油X贮存在此空腔中，曲柄销与轴瓦上钻有径向孔与此油腔相通。

有的结构中，在此小孔内插厂个吸油管，管四位于油腔中心，这样，当曲轴旋转时，进入油腔的机油漓心力作用下，将较重的杂质甩向油腔壁，油腔中心的清洁机油就经吸油管流到曲柄销工Z表面。

为了防止吸油管堵塞，应按时清除杂质。

《中华人民共和国环境保护法》和其他相关法律还规定：

“建设项目防治污染的设施，必须与主体工程同时设计，同时施工，同时投产使用（简称“三同时”）。

防治污染的设施必须经原审批环境影响报告书的环境保护行政部门验收合格后，该建设项目方可投入生产或者使用。

”“三同时”制度和建设项目竣工环境保护验收是对环境影响评价的延续，从广义上讲，也属于环境影响评价范畴。

（3）曲柄臂

用来连接主轴颈和连杆轴颈，其受力情况复杂，往往是整体式曲轴最薄弱的环节。

多数曲轴的曲柄臂都制成椭圆形、圆形或长方形的截面，试验表明，椭圆形曲柄臂最好。

（4）平衡重

考试情况分析用来平衡连杆大头、连杆轴颈及曲柄臂等回转件所引起的离心力，以及活塞连杆组往复运动所产生的惯性力。

离心力和惯性力及其产生的力矩会导致发动机的振动和曲轴的弯曲变形、引起主轴颈和主轴承磨偏。

为减轻轴承的负荷、改善工作条件，一般在曲柄臂的相反方向设置平衡重以达到动平衡。

平衡重可与曲柄制成一体，也可单独制成并用螺栓安装在曲柄相反的方向上。

加平衡重会使曲轴质量增大，制造也困难。

因此，曲轴是否加平衡重要视具体情况而定；对于高速柴油机，一般都设有平衡重。

A.环境影响报告表（5）曲柄销的排列

（2）环境影响后评价。

3）曲轴输出端

安全评价的原理可归纳为四个基本原理，即相关性原理、类推原理、惯性原理和量变到质变原理。

4）曲轴的轴向定位

为保证曲轴正常运转，曲轴轴向必须留有适当的轴向间隙，因此曲轴在缸体中安装时，都有一道轴颈的两侧面止推环推力滑动轴承作为定位装置。

定位装置可以设置在前端、中间或后端。

当定位装置设置在前端时，一般采用整体式止推环（止推垫片）。

当定位装置设在中、后端时一般采用翻边轴瓦或分开式止推轴瓦

二、飞轮

飞轮的结构与工作原理很简短，详细到实验时结合实物介绍