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1、第2章 曲柄连杆机构v【知识目标】v1掌握曲柄连杆机构的功用、工作条件及受力分析；v2掌握机体组（气缸体及曲轴箱、油底壳、气缸与气缸套、气缸盖与气缸垫）的结构及各总成的工作原理；v3掌握活塞连杆组（活塞、活塞环、连杆、轴瓦）的结构及各总成的工作原理；v4掌握曲轴飞轮组（曲轴、飞轮、扭转减振器）的结构及各总成的工作原理；v【能力目标】v1掌握曲柄连杆机构总成及零部件的结构、构造原理、拆装步骤要领；v2了解曲柄连杆机构的维护及保养知识；v3能够熟练使用常用工具、量具及相关设备，掌握曲柄连杆机构拆卸、装配等基本能力；v4培养学生团结合作，观察、分析及综合归纳能力。2.1 概述v2.1.1功用与组成v
2、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，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力组成v（1）机体组：主要包括气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套、曲轴箱和油底壳等不动件。v（2）活塞连杆组：主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件。v（3）曲轴飞轮组：主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器等机构。受力分析v受力分析气体压力、往复运动惯性力、离心力、摩擦力2.2 机体组气缸体v气缸体气缸体内引导活塞做往复运动的圆筒就是气缸，气缸外面制有水套以散热。曲轴箱上有主轴承座孔，还有主油道和分油道。2、气缸的排列形式（1）直列式：多用于六缸以下的发动机。（2）V型式：它缩短了发动机的长度和高度，多用于八缸以
3、上的发动机。（3）对置式：是V型的特殊形式。3、曲轴箱的型式（1）平分式定义：主轴承座孔中心线位于曲轴箱分开面上。特点：刚度小，前后端呈半圆形，与油底壳接合面的密封较困难。应用：中小型发动机。（2）龙门式定义：主轴承座孔中心线高于曲轴箱分开面。特点：刚度较大，油底壳前后端为一平面，密封简单可靠。应用：大中型发动机（3）隧道式：主轴承座孔不分开。特点：刚度最大，主轴承同轴度易保证，主轴承用滚动轴承。应用：负荷较大的柴油机。气缸套气缸套1.目的：解决成本与寿命之间的矛盾。气缸内镶了用耐磨的高级铸铁材料制成的气缸套，而缸体则可用价廉的普通铸铁或质量轻的铝合金制成，这样，既延长了使用寿命，又节省了好材
4、料。2.型式型式（1）干式缸套13mm 定义：其外表面不直接与冷却水接触。特点：1)壁厚较薄（1mm3mm）；2)与缸体承孔过盈配合；3)不易漏水漏气。13mm（2）湿式缸套定义：其外表面直接与冷却水接触。特点：1)壁厚较厚（5mm9mm）；2)散热效果好；3)易漏水漏气；4)易穴蚀 59mm0.050.15mm密封：上部：缸套顶面高出缸体0.05mm0.15mm，当气缸盖螺栓拧紧后，缸套与缸体凸台接合处、缸套与缸垫接合处，承受较大的压紧力。0.050.15mm1）下部：13个耐热耐油的橡胶密封圈二、气缸盖二、气缸盖三、气缸垫三、气缸垫2.构造金属石棉垫：外包铜皮和钢片，且在缸口、水孔、油道口
5、周围卷边加强，内填石棉（常掺入铜屑或钢丝，以坚强导热）。汽缸盖螺栓拧紧方法油底壳2.3 活塞连杆组组成：活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承。活塞活塞（一）功用1、与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室；2、承力传力：承受气体压力，并将此力传给连杆，以推动曲轴旋转。（二）材料：汽车发动机活塞广泛采用铝合金。其特点为1、质量小（约为铸铁活塞的50%70%）；2、导热性好（约为铸铁的三倍）；3、热膨胀系数大。（三）组成根据其作用，活塞可分为顶部、环槽部、裙部和活塞销座四部分。1、顶部：是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。汽油机活塞的顶部形状有：（1）平顶：受热面积小，广泛。（2）凸顶：与半球形燃烧室配
6、用。（3）凹顶：高压缩比发动机为了防止碰撞气门，用凹坑的深度来调整压缩比。2、活塞销座：用以安装活塞销。在销座孔两端有卡环槽，用以安装卡环。活塞裙部为活塞运动导向和承受侧压力。其型式有（1）全裙式：裙部为一薄壁圆筒。（2）拖板式：将非承压面的裙部全部去掉。1、变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力NPPSPRPTP（四）活塞的变形及采取的相应措施（1）活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变小。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而小。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
7、力作用的结果。2、变形规律（1）活塞纵断面制成上小下大的截锥形。（2）活塞横断面制成椭圆形，长轴垂直于销座孔轴线方向，即侧压力方向。（3）销座处凹陷0.5mm1.0mm。3.结构措施（4）裙部开绝热膨胀槽（“T”形或形槽），其中横槽叫绝槽，竖槽叫膨胀槽。（5）采用双金属活塞：即在活塞裙部或销座内嵌铸入钢片，以减少裙部的膨胀量。1）恒范钢片式：活塞销座通过恒范钢片与裙部相连，而恒范钢片（含镍33%36%）的膨胀系数仅为铝合金的十分之一。这样，使裙部膨胀量大为减少（五）偏置销座1、定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一面（图示左侧）偏移1mm2mm。2、作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击2.3.2活
8、塞环（一）气环1.作用：（1）密封：防止气缸内的气体窜入油底壳；（2）传热：将活塞头部的热量传给气缸壁；（3）辅助刮油、布油。2.活塞环的间隙（1）端隙1：又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为0.25mm0.50mm；（2）侧隙2：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0.03mm0.07mm。油环一般侧隙较小，0.025mm0.07mm；（3）背隙3：是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙。0.5mm1mm；233.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
9、壁压紧，形成第一密封面。第一密封面（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。PjFP1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。5.气环的断面形状（1）矩形环：结构简单，与缸壁接触面积大，散热好，但易泵油。（2）锥形环1）特点：与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮油作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。2）安装注意：锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）；锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上。（
10、3）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。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。e1）特点具有锥形环的特点；减小了泵油作用；作功行程环不再扭曲，两个密封面达到完全接触，利于散热。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。（二）油环1.作用：刮油。即将气缸壁上多余的润滑油刮下来。2.类型（1）整体式其外圆上切有环形槽，槽底开有回油用的小孔或窄槽。（2）组合式：v由上下刮油片和产生径
11、向、轴向弹力的衬簧组成。2.3.3活塞销（一）作用：连接活塞和连杆，并传递活塞的力给连杆。（二）结构：用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体。（三）连接方式1.全浮式（1）定义：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。(2)装配：1）销与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。v(1)定义：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）v(2)装配：加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈配合。2.半浮式2.3.4连杆v（一）功用：v将活塞的力传给曲轴，变活塞的往复运动为曲轴的旋转运动。v（二）
12、组成：v连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。v（三）构造v1、小头：用来安装活塞销，以连接活塞。v2、杆身：常做成“工”字形断面。v3、大头：与曲轴的连杆轴颈相连。大头一般做成分开式，即连杆体大头和连杆盖。(1)切口形式：有平切口和斜切口两种。锯齿形定位：依靠接合面的齿形定位。套或销定位：依靠套或销与连杆体（或盖）的孔紧配合定位。止口定位（四）连杆的安装1、不能破坏连杆杆身与盖的配对及装合方向，在二在者的同一侧打有配对标记。2、不能装反，也不能乱缸，在杆身上有方向标记，大头侧面有缸号标记。（五）连杆轴承（俗称小瓦）v1.作用：v保护连杆轴颈及连杆大头孔。v（1）白合金（巴氏合金）
13、：减磨性能好，但机械强度低，且耐热性差。常用于负荷不大的汽油机。v（2）铜铅合金：机械强度高，承载能力大，耐热性好。多用于高负荷的柴油机。但其减磨性能差。v(3)铝基合金：有铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金三种。n2.减磨层材料v3.组成：v由钢背和减磨层组成。钢背由1mm3mm的低碳钢制成。减磨层为0.3mm0.7mm的减磨合金，层质较软能保护轴颈。1）铝锑镁合金和低锡铝合金：械性能好，负载能力强，但其减磨性能差。主要用于柴油机。2)高锡铝合金：具有较好的机械性能和减磨性能，广泛应用于柴油机和汽油机。轴瓦的定位由曲轴、飞轮、减振器等组成。2.4 曲轴飞轮组曲轴v（一）功用v1.把活塞连杆组
14、传来的气体压力转变为扭矩对外输出。v2.驱动配气机构及其它附属装置。v材料：大多采用优质中碳钢或中合金碳钢。有的采用球墨铸铁。（二）构造：v曲轴包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重、后端轴等，一个连杆轴颈和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。1.主轴颈和连杆轴颈v1)主轴颈是曲轴的支承部分。v每个连杆轴颈两边都有一个主轴颈者，称为全支承曲轴；主轴颈数等于或少于连杆轴颈数者称为非全支承曲轴。2)曲轴上有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道，以便润滑主轴颈和连杆轴颈。曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈的。平衡重的作用是平衡各机件产生的离心惯性力及其力矩。2.曲柄和平衡重：3.曲拐的布置v（1）布置原则
15、v1）使各缸作功间隔角尽量相等。对直列多缸四冲程发动机，作功间隔角为720/缸数。v2)连续作功的两缸相隔尽量远，减少主轴承连续载荷和避免相邻两缸进气门同时开启的抢气现象。v3）V型发动机左右两气缸尽量交替作功v（2）常用曲拐布置1）直列四冲程四缸发动机曲拐对称布置于同一平面内。相邻作功气缸的曲拐夹角为7200/4=1800。发动机工作顺序有13421243动画曲轴转角第一缸第三缸第四缸第二缸0180作功压缩进气排气180360排气作功压缩进气360540进气排气作功压缩540720压缩进气排气作功其工作循环表如下：直列四冲程六缸发动机v曲拐对称布置于三个平面内。v相邻作功气缸的曲拐夹角为72
16、00/6=1200。v发动机工作顺序有153624和142635两种。v动画vV型8缸发动机工作情况v动画4.前端轴与后端轴v（1）作用：v前端轴用来安装正时齿轮、皮带轮及起动爪等；后端轴有凸缘盘，用来安装飞轮。（2）前后端的密封：v曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑油沿轴颈流出，在曲轴前后都设有防漏装置。常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。5.曲轴的轴向定位vv（1 1）结构：结构：v在某一道主轴承的两侧装止推片。止推片由低碳钢背和减磨层组成。vv（2）安装注意：止推片有减磨层的一面朝向转动件。当曲轴向前窜动时，后止推片承受轴向推力；向后窜动时，前止推片承受轴向推力。飞
17、轮vv（一）功用（一）功用v1、贮存能量：在作功行程贮存能量，用以完成其它三个行程，使发动机运转平稳。v2、利用飞轮上的齿圈起动时传力。v3、将动力传给离合器。v4、克服短暂的超负荷。l（二）构造v1、飞轮为一外缘v有齿圈的铸铁圆盘。v2、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。051015v曲柄连杆机构主要由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组组成。它受到气体作用力、运动质量的惯性力、离心力、相对运动件接触表面的摩擦力等。龙门式气缸体的结构特点是强度刚度好，结构紧凑轻巧，多种汽车发动机应用此种结构。v轿车发动
18、机多用整体气缸盖。气缸垫的功用是保证结合面处有良好的密封性，进而保证燃烧室的密封，防止气缸漏气和水套漏水。v活塞顶部的功用一是与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室，二是承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。v活塞组成燃烧室，受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。活塞在工作时会产生机械变形和热变形，把活塞加工成其裙部断面为长轴、垂直于活塞销方向的椭圆形或其他形状。采用双金属活塞是为了限制活塞裙部的膨胀量。活塞的销孔中心线偏离活塞中心线平面，销孔轴线向在做功行程中受侧向力的一面偏移了一段距离，这样防止活塞在越过上止点时发生“敲缸”现象，从而降低噪声。v气环起密封和导
19、热两大作用。扭曲环在安装时，必须注意环的断面形状和方向，应将其内圆切槽向上，外圆切槽向下，不能装反。组合油环在高速发动机上得到较广泛的应用。v在发动机运转过程中，采用“全浮式”活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套的连接配合，使活塞销各部分的磨损比较均匀。v连杆大头分为平切口和斜切口两种，连杆大头的两部分用连杆螺栓紧固在一起。连杆传递气体作用力、活塞连杆组往复运动时的惯性力和连杆大头绕曲轴旋转产生的旋转惯性力。v连杆轴承是由钢背和减磨层组成的分开式薄壁轴承。v曲轴一般由前端（自由端）、主轴颈、曲柄、平衡重、连杆轴颈和后端组成。轿车发动机多采用全支承曲轴，为平衡曲轴的离心力和离心力矩，曲轴设置平衡重。为了减小扭振，曲轴前端安装有减振器。曲轴轴向定位通过止推装置实现。曲轴的形状和各曲拐的相对位置取决于缸数、气缸排列方式和发火次序。v飞轮的功能是储存一部分能量。