【技术】发动机全方位剖析之六,曲柄连杆机构!

闪电奖2019-05-21 23:33:33

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概   述
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

机 体 组
机体组组成:
Ø机体总成(云内4100)
Ø气缸盖总成(云内4100)
一、气缸体
1、气缸体:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体,称为气缸体——曲轴箱

2、气缸体分类
(1)按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为
性能与应用比较
(2)根据冷却方式不同,分为水冷、风冷
(3)根据气缸的排列方式
(4)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,又节约了材料。 

2.型式
(1)   干式缸套1~3mm
定义:其外表面不直接与冷却水接触。
特点:
1)壁厚较薄(1mm~3mm);
2)与缸体承孔过盈配合;
3)不易漏水漏气。

(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(5mm~9mm);
2)散热效果好;
3)易漏水漏气;
4)易穴蚀

 3、定位:
1)径向:靠上下两个凸出的、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。

4、密封:
1)上部:缸套顶面高出缸体0.05mm~0.15mm,当气缸盖螺栓拧紧后,缸套与缸体凸台接合处、缸套与缸垫接合处,承受较大的压紧力。
2)下部:1~3个耐热耐油的橡胶密封圈,用于封水)
(4)干式气缸套和湿式气缸套

二、气缸盖、气缸垫和气缸盖罩
1、气缸盖
结构:气缸盖上有冷却水套、燃烧室、进排气门道、气门导管孔和进排气门座、火花塞孔(汽油机)或喷油器座孔。
功用:密封气缸的上部,与活塞、气缸等共同构成燃烧室。
材料:灰铸铁或合金铸铁,铝合金。
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。

2、气缸盖罩和气缸垫

3、燃烧室
汽油机燃烧室形状

三、油底壳
1、功用:
贮存机油并封闭曲轴箱。

2、构造:
(1)用薄钢板冲压而成。
(2)内部设有稳油挡板,防止汽车振动时油底壳油面产生较大的波动。
(3)最低处有放油螺塞,曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫。



活塞连杆组
一、活塞
1、功用:
1)与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室;
2)承受气体压力,并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。

2、工作环境:
高温、高压、散热条件差。

3、材料: 
铝合金、灰铸铁等。
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。
4、结构
(1)活塞顶部
功用:是燃烧室的组成部分,主要承受气体压力。

顶部:构成燃烧室,承受气体
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

(2)活塞头部
位置:第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分。
作用:
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,
3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。

(3)活塞裙部
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,防治破坏油膜。
5、为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密封和运动间隙,制造活塞是通常采取下列结构措施:
(1)预先做成阶梯形、锥形
活塞沿高度方向的温度很不均匀,活塞的温度是上部高、下部低,膨胀量也相应是上部大、下部小。为了使工作时活塞上下直径趋于相等,即为圆柱形,就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形、锥形。
(2)预先做成椭圆形
椭圆的长轴方向与销座垂直,短轴方向沿销座方向。这样活塞工作时趋近正圆。

(3)活塞裙部开槽
(4)为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量,有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内嵌入钢片。

恒范钢片式活塞的结构特点就是这样的,由于恒范钢为含镍33%~36%的低碳铁镍合金,其膨胀系数仅为铝合金的1/10,而销座通过恒范钢片与裙部相连,牵制了裙部的热膨胀变形量。

6、活塞在工作时的保护措施
(1)在活塞裙部表面涂保护层,可改善铝合金活塞的磨合性;主要有铅、锡、石墨、磷保护层等。

(2)活塞销孔偏置(约1~2mm),以减少换向时的敲击声,减小裙部磨损。     

7、活塞与气缸套的配缸间隙
配缸间隙:活塞裙部直径与气缸套之间的间隙,一般为0.09~0.17mm(若活塞、气缸套材料较好、且机体的刚性和强度较好,可适当减小配缸间隙。
一般活塞裙部直径和气缸套都分组装配。

(1)配缸间隙偏小,容易拉缸;
(2)配缸间隙偏大,容易窜气,机油耗增加。      

二、 活塞环
是具有弹性的开口环,分为气环和油环。
工作条件: 高温、高压、高速、润滑条件差。
材料:合金铸铁或球墨铸铁(有时表面涂有保护层)。

1、气环
*作用:
保证气缸与活塞间的密封性,防止漏气,把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁,再由冷却水将其带走。
*活塞环的间隙
 端隙Δ1:又称闭口间隙。是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为0.25mm~0.50mm;

*气环的断面形状
(1) 矩形环:
结构简单,加工工艺性好,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:
 À锥角朝下(在环端有向上或TOP等标记);
 Á锥形环传热性差,常装到第二、三道环槽上。 

(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。
 1) 特点
À具有锥形环的特点;
Á减小了泵油作用;
Â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:一般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。 
(4桶形环:其特点为
1)  环的外圆面为凸圆弧形;
2)  环面与缸壁圆弧接触,避免了棱角负荷;环上下运动时,均能形成楔形油膜.
(5)梯形环:
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。  
气环的密封原理:
将2~3道气环的切口相互错开形成“迷宫式”封气装置。

气环的泵油原理:
2、油环
油环的刮油作用:
将气缸壁上多余的润滑油刮下来

三、活塞销
作用:连接活塞和连杆小头,并把活塞承受的气体压力传递给连杆。
材料与工艺:优质低碳钢,表面淬火、精磨。
构造:活塞销的内孔形状有圆柱形,两段截锥形,以及两段截锥与一段圆柱的组合形。

形式:全浮式(工作时自由转动)、半浮式。

四、连杆组
作用:连接活塞与曲轴,并把活塞承受的气体压力传给曲轴,使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。
连杆大头的连接形式
构造
1、小头:用来安装活塞销,以连接活塞。
2、杆身:常做成“工”字形断面。
3、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。

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。
3、同一台发动机的连杆有重量分组,不能混装。

连杆轴瓦
连杆轴瓦
1.作用:
保护连杆轴颈及连杆大头孔。

2.组成:
由钢背和减磨层组成。钢背由1mm~3mm的低碳钢制成。减磨层为0.3mm~0.7mm的减磨合金,层质较软能保护轴颈。

3.减磨层材料
(1)白合金(巴氏合金):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。
(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。
  (3)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。

曲轴飞轮组
一、曲轴飞轮组的组成

二、曲轴
1、功用:
把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。还用来驱动发动机的配气机构及其他各种辅助装置。

2、工作条件:
受气体压力、惯性力、惯性力矩。承受交变载荷的冲击。
3、结构:
曲拐:由一个连杆轴颈和它两端曲柄及主轴颈构成。

4、材料:
中碳钢(汽)、合金铸铁(柴)、球墨铸铁。

5、分类:
整体式(常用)
组合式(长用于连杆大头为整体式的小型汽油机和以滚动轴承作为曲轴主轴承的发动机上)

6、组成:
1)主轴颈:用于支撑曲轴。
全支承:
曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个。强度、刚度好,减小了磨损;柴油机和大部分汽油机均采用。

非全支承:
曲轴的主轴颈数少于或等于气缸数。载荷较大,缩短了曲轴的总长度。

(2)连杆轴颈
安装连杆大头、部分中空兼作油道

(3)曲柄
——曲轴臂,用于连接主轴颈和连杆轴颈

(4)平衡块
平衡离心力偶
减轻或消除弯曲
变形
(5)前端轴和后端轴
前端轴:安装正时齿轮及附件(皮带盘等)
(6)曲轴的轴向限位
通常是通过在曲轴的前部、中部或后部安装止推轴承来实现的(翻边轴瓦)。

三、曲拐的布置
(1)一般规律
1) 各缸的作功间隔要尽量均衡,以使发动机运转平稳。
2) 连续作功的两缸相隔尽量远些,最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。
比如:四缸机:1-3-4-2或1-2-4-3
            六缸机:1-5-3-6-2-4;            
3) V型发动机左右气缸尽量交替作功。
4) 曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。

(2)常见曲轴曲拐的布置
对缸数为i的发动机而言,其发火顺序为:
四行程:720°/i
二行程:360°/i

① 四缸四行程发动机的发火顺序和曲拐布置
点火顺序:各缸完成同名行程的次序。
四缸四行程发动机的曲拐布置
②直列四冲程六缸发动机发火顺序和曲拐布置
发火顺序:1-5-3-6-2-4

六缸四行程发动机的曲拐布置
八缸四行程发动机的曲拐布置(红旗轿车SV100型发动机)
1-8-4-3-6-5-7-2

四、曲轴扭转减振器
作用:吸收曲轴扭转振动的能量,使曲轴转动平稳,可靠工作。

种类:橡胶式(车用),硅油式,摩擦片式。  
橡胶摩擦式曲轴扭转减振器结构图

五、飞轮
(一)功用:
1、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。
2、利用飞轮上的齿圈起动时传力。
3、将动力传给离合器。
4、克服短暂的超负荷。
(二)构造

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