03曲柄连杆机构

第二章§2－1 概述曲柄连杆机构一、曲柄连杆机构的功用 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、曲轴飞轮组多缸发动机的曲柄连杆机构演示三 、工作条件： 发动机工作时，曲柄连杆机构直接与高温高压气体 接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度 相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆 机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。

可见，曲柄 连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、 高速和化学腐蚀作用。

四 、受力分析 气压力P 往复惯性力Pj 旋转离心力Pc 摩擦力FP F Pj PC1、气压力：气压力的集中力P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N 向左，活塞的左 侧压力 P向左 活塞的左 侧 面压向气缸壁，左侧磨损 严重 (2)压缩行程： 侧压力NP向右 活塞的右 向右，活塞的右 侧面压向气缸壁，右侧磨损 严重NPPRPSP TP TPSPNPP RP2、往复惯性力Pj旋转机件的圆周运动 指相互运动件之间的摩 擦力，它是造成配合表 行程时，惯性力都向上， 产生离心惯性力，方 向背离曲轴中心向外。

面磨损的根源。

下半行程时，惯性力都 离心力加速轴承与周 向下。

在上下止点活塞 颈的磨损，也引起发 运动方向改变，速度为 动机振动而传到机体 零，加速度最大，惯性 外。

外 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。

下行时： 下行时 活塞在上半3、离心惯性力PC4、摩擦力FPjFPc§2－1 机 体 组机体组组成： 汽缸盖 汽缸盖罩 汽缸垫 油道和水道 汽缸体 曲轴箱 汽缸 油底壳一、汽缸体1、汽缸体:作用：发动机的基体和骨架，安装零件 要求： 具有足够的强度和刚度(承受高温高压的气体作用力) 气缸体结构紧凑、重量较轻(减轻发动机的整体重量) 水冷发动机的汽缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为汽缸体— —曲轴箱 曲轴箱2、汽缸体分类（1）按汽缸体与油底壳安装平面位置不同分为油底壳安 装平面和 曲轴旋转 中心在同 一高度一般式 般式龙门式隧道式油底壳安装平 面低于曲轴的 旋转中心汽缸体上曲 轴的主轴承 孔为整体式性能与应用比较名称性能应用机体高度小、重量轻、中小型发动机。

一般式结构紧凑，便于加工拆夏利、富康、卸。

刚度和强度差。

北京BJ492Q 强度和刚度较好。

工艺捷达轿车、桑龙门式性差、结构笨重、加工困难。

塔纳轿车隧道式结构紧凑、刚度和强度好。

难加工、工艺性差、采用滚动轴承的负荷较大的曲轴拆卸不方便。

柴油机上。

（2）根据冷却方式不同分：水冷、风冷冷却水散热片（3）根据汽缸的排列方式结构简单、加缩短了机体的长度和高度，工容易，但发动机长度和高度较大。

增加了刚度，减轻了发动机重量；但宽度增加，形状复杂，加工困难。

高度小，总体布置方便。

对置式：单列式：一般6缸以下的 适用于摩托车V型：一般用于6缸发动机采用直列式.及发动机中置的大客车以上的大功率发动机作用：汽缸体内引导活塞作往复运动的圆柱形二、汽缸空腔。

要求：工作面须耐高温、高压、耐磨损和耐化学腐蚀提高气缸的耐磨性：三、汽缸套(1)采用优质的合金铸铁材料或采用表面处理(表面淬火、镀铬)----成本高(2)气缸套(铝合金气缸体)：使用寿命长、耐磨性好、检修方便及费用低干式气缸套和湿式气缸套名称特点示意图强度和刚外壁度都较好，加工复杂，拆装不便，干缸套不直接与冷却水接触。

壁厚1～3mm。

散热不良。

散热良好、冷却均匀、易制造、易拆卸。

外壁直接与冷却水接强度和刚度不如干缸套，易湿缸套触。

壁厚5～9mm。

漏水、漏气广泛应用于汽车柴油机上。

功用：四、汽缸盖密封汽缸的上部，与活塞顶、汽缸壁等共同构成燃烧室。

材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。

注：铝合金的汽缸盖：有利于提高散热性能和压缩比工作条件：由于接触温度很高的燃气，所以承受的热负荷很大。

分类：整体式：汽油机因缸径较小、缸盖负荷较轻，一般采用整体式气缸盖分开式：功率较大、缸径较大的柴油机多采用分开式汽缸盖，即一缸、二缸或三缸一盖。

优点：制造和维修方便、减小变形对密封的影响结构：内有与汽缸体相通的冷却水套、燃烧室、火花塞座孔(汽油机)或喷油器座孔(柴油机)、进排气道。

五、汽缸盖罩和汽缸垫汽缸盖罩衬垫汽缸盖汽缸垫：功用是保证汽缸盖与汽缸体接触面的密封，防止漏气，漏水和漏油。

汽缸垫作用：密封汽缸 结构形式金属----石棉垫复合式低碳钢六、油底壳1、概念：贮存机油并封闭曲轴箱，又称为下曲轴箱。

2、使用特点：(1)—()设有挡油板减轻油面的波动；(2)油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。

3、材料：(1)薄钢板冲压(2)采用带有散热肋片的铝合金铸造而成的轻金属油底壳燃烧室形状对发动机的工作影响很大(1)要求：结构尽可能紧凑，冷却面积小，以减少热量损失及缩短火焰行程使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动，以提高混合气燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧(2)形状分类汽油机燃烧室形状名称特点示意图应用结构最紧凑、火焰行程桑塔纳半球形短、燃烧速率高、热损失小、热效率高。

但配气机构复杂夏利富康结构简单、紧凑、散热楔形面积小、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工艺性好、成本低、便捷达盆形于维修、进排气效果不如半球形燃烧室奥迪发动机的支承：1、三点支承：可布置成一前两后或二前一后。

2、四点支承：前后各有两个支承点。

§2－3 活塞连杆组1、功用：一、活塞(1)承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转(2)与汽缸盖、汽缸壁共同组成燃烧室2、工作环境：高温、散热及润滑条件差；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，使之变形，破坏配合联结。

3、要求A 刚度和强度应足够大，传力可靠。

活塞应具B 良好的导热性和合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙，耐高压、高温、磨损C质量较小，尽可能减少往复惯性力备的特点C 质量较小，尽可能减少往复惯性力D 耐热的活塞顶及弹性的活塞裙E 活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数4、结构顶部：构成燃烧室，承受气体压力。

头部:安装活塞环，制作较厚。

裙部：导向，传力。

承受侧压力销座孔处制有加强筋。

（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。

结构简单、制造容易、散热面积小、凸起呈球状、顶部强度高，起导向作凹坑的形状、位置必须有利于可燃混合气应力分布较均匀，多用在汽油机上。

用、有利于改善换气过程。

常用于二冲程汽油机的形成与燃烧；调整压缩比，防止碰气门。

（2）活塞头部位置：活塞环槽以上的部分。

头部工作条件最恶劣，应离顶部远些。

1、安装活塞环、与活塞环一起密封汽缸；2、防止可燃混合气漏到曲轴箱内；作用：3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给汽缸壁。

4、承受气体压力，并通过活塞销传给连杆。

构造特点：1）切有3~4道环槽。

（2~3装气环）2）油环槽底面上钻许多径向小孔3）加环槽护圈在强化程度较高的发动机中，第一道环槽温度较高，磨损严重。

为了增强环槽的耐磨性，通常在第一环槽或第一、二环槽处镶嵌耐热护圈。

在高强化直喷式燃烧室柴油机中，在第一环槽和燃烧室喉口处均镶嵌耐热护圈，以保护喉口不致因为过热而开裂。

4）加工隔热槽活塞头部应该足够厚，从活塞顶到环槽区的断面变化要尽可能圆滑，过渡圆角R应足够大，以减小热流阻力，便于热量从活塞顶经活塞环传给气缸壁，使活塞顶部的温度不致过高。

在第一道气环槽上方设置一道较窄的隔热槽的作用是隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热流，使部分热量由第二、三道活塞环传出，从而可以减轻第一道活塞环的热负荷，改善其工作条件，防止活塞环粘结。

隔热槽图示（3）活塞裙部位置：活塞环槽以下的所有部分，包括销座孔。

作用：对活塞在汽缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，防治破坏油膜。

裙部活塞的变形及采取的相应措施a、变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。

b、变形规律（1）活塞的热膨胀量大于汽缸的膨胀量，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，以及侧压力作用的结果。

c.结构措施（1）活塞纵断面制成上小下大的截锥形。

（2）活塞裙部制成椭圆形，长轴垂直于销座孔轴线方向，即侧压力方向。

销座处凹陷0.5mm～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)减少活塞头的热量向裙部扩散横向绝热槽有的兼作油环回油孔留有膨胀余地纵向膨胀槽活塞强度降低4）采用双金属活塞恒范钢片式：活塞销销座通过低膨胀系数的恒范钢片与裙部a.相连，销座膨胀对裙部无直接影响，另恒范钢片牵制裙部。

筒形钢片式：钢筒夹在铝合金之间，冷凝时有“收缩缝隙”b.（内）和铝合金有拉应力；升温时消除，降低活塞裙部膨胀量。

5）其他结构（a）温控结构1)自由喷射冷却法。

从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机油。

2)振荡冷却法。

从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中，由于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。

3)强制冷却法。

在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管，使机油在其中强制流动以冷却活塞。

强制冷却法广为增压发动机所采用。

（b）裙部表面保护1.镀锡；2.外表面磷化3.涂石墨（锻铝活塞）（6）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1mm～2mm。

2、作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击。

7)拖板式活塞在现代汽车发动机上广泛采用拖板式活塞。

在保证裙部有足够承压面积的条件下，将不承受侧向力一侧的裙部部分地去掉，即为半拖鞋式裙部；若全部去掉则为拖鞋式裙部。

优点是：①质量轻，比全裙式活塞轻10％～20％，适应高速发动机减小往复惯性力的需要。

②裙部弹性好，可以减小活塞与气缸的配合间隙。

③能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。

二、活塞环具有弹性的开口环，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（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。

气环尽量少（2-3）；安装时切口错开（迷宫）（2）结构与密封原理活塞环的三个间隙（1）端隙Δ1：又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。