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1、第三讲 曲柄连杆机构,曲柄连杆机构的功用:1、承受燃料燃烧时所产生的气体力, 并将此力传给曲轴对外输出作功。 2、同时将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。 曲柄连杆机构是实现热功转换的主要机构。,第一节 曲柄连杆机构的运动与受力,在内燃机工作时,曲柄连杆机构的运动比较复杂,受力较多 且力的大小成周期性变化,很有必要对它们进行分析。 一、气体力 :Fg Fg=(P1P2) 二、惯性力 : 1、往复惯性力 :Fj 1)产生原因: 2)力的大小: 3)力的方向: 4)力的作用点: 5)对发动机的影响:,2.离心惯性力:Fc 1)产生原因: 2)力的大小: 3)力的方向: 4)力的作用点: 5)对发
2、动机的影响: 三.合力 F 1. 合力的定义: 1)合力的大小:始终随活塞运动变化。 2)合力的方向:始终随活塞运动变化。 3)合力的作用点:沿气缸中心线作用在活塞销上。 4)对发动机的影响: 合力对发动机的影响分析见下图,从以上分析可以看出,合力通过曲柄连杆机构,可以分解为 切向力FT,使曲轴扭转,同时推动曲轴旋转作功。还可以分解 为和FN大小相等而方向相反的力,此力与力组成力偶,这个力 偶作用在机体上,使机体有倾倒的趋势。,第二节 内燃机平衡 一. 单缸内燃机平衡 (一)往复惯性力的平衡 有两种方法:单轴平衡法和双轴平衡法。,单轴平衡,双轴平衡,(二)离心惯性力的平衡 此力平衡比较容易,在
3、曲柄臂的延长部分配置适当的平衡重。,离心惯性力的平衡方法,带平衡重的曲轴,二. 多缸内燃机的平衡 1、往复惯性力的平衡 2、 离心惯性力的平衡 多缸内燃机平衡这两种力常采用下图方法。,第三节 活塞组 活塞组由活塞、活塞环及活塞销等零件组成。,一、活塞 1、活塞的功用和工作条件 活塞的功用:1)承受燃气的压力,并将此力传给连杆。 2)活塞的顶部与气缸套、缸盖一起组成燃 烧室。 3)向外传热。 活塞的工作条件:活塞的工作条件十分恶劣。 1)高温:最高燃气温度22732773K,活塞顶部温度 可达473673K。 2)高压:在作功冲程中,活塞受到带冲击性燃气的 高压作用。 3)高速:内燃机是高速运行
4、的动力机械,现代摩托 车用汽油机最高转速达11000转/分。 4)受热不均:活塞顶部和低部的温差较大,活塞易 产生热应力。,2、材料 对材料的要求:有足够的刚度和强度,耐高温,导热性好, 密度小。 常用材料:铝合金和铸铁。 铝合金的特点:1)重量轻,约为铸铁40% 。 2)传热性能良好。 3) 线膨胀系数大。 3、构造,整个活塞可根据所起作用的不同 而分为顶部、头部(又叫防漏部或环 槽部)和裙部。,1)活塞顶部 活塞顶部的形状多种多样,其形状根据机型和燃烧室而定。,汽油机用平顶活塞 二冲程汽油机用凸顶活塞 二冲程柴油机用凸顶活塞,柴油机用活塞顶部形状,2)活塞头部 功用:主要用来安装活塞环;(
5、1)防止燃气漏入曲轴箱; (2)阻止机油窜入燃烧室;(3)通过活塞环将活塞头 部热量传递到气缸壁。 活塞环槽数量:上面23道环槽用于安装气环。 下面12道环槽用于安装油环。 特点:一般活塞头部都做得较厚,且为圆形。,3)活塞裙部 从油槽下端面到活塞底面这一段叫裙部。 功用:主要对活塞在气缸内的运动加以导向(又称导向部)。 特点:和头部相比,裙部较长,壁厚较薄,且为椭圆形。 其它结构特点: (1)汽油机活塞裙部开槽 横槽:切断活塞头部传向裙部的部分热流。 纵槽:在活塞受热后,其膨胀时有余地。 柴油机活塞由于受力大,对裙部刚度要求高,不能开槽。,(3)活塞沿高度方向的外形 共有梯形、圆锥形、桶形(
6、又称中凸形)等多种形式。目 前使用最多的为桶形活塞裙部。 (4)拖板式活塞裙部 高速汽油机为了减轻活塞重量,将销座下方的金属除去。 另外,有些内燃机为了避免活塞位于下止点时与曲柄臂上的平 衡重相碰撞,而将裙部销座下方铣去部分金属。,二、活塞环,活塞环,气环 油环,:形式有多种多样 :可分为整体油环和组合油环,(一)气环 1、功用:1)保证活塞与气缸壁之间的密封,防止高压气 体漏入曲轴箱。 2)把活塞的热量传递到气缸壁。 2、工作条件:气环在高温、高压、高速运动及润滑困难 条件下工作。 3、材料:对材料要求较高,耐热、耐磨、有弹性,并有 较高的强度和冲击韧性。 目前使用较多的是合金铸铁,有些在外
7、圆工作表面 镀耐磨层。,4、气环的密封机理 第一密封面:气环装入气缸后,具有的弹力使环的四周紧 贴在气缸壁上形成。 第二密封面:作用在环上端面的燃气,将环向下压紧在活 塞环槽中,使下端面与环槽贴紧,形成第二密封面。,5、气环的断面形状 气环的断面形状很多,常用矩形环和 扭曲环。,6、气环的切口,气环的切口有直切口、 斜切口、搭接切口和 密封切口。 常采用直切口,其优点 是:加工简单,安装方 便。,7、气环安装注意事项: 1)扭曲环要注意安装时,环的上下面不能装反。 2)各种气环在安装时要将各道气环的切口错开。 一般情况:第一、二道应相错180。 第二、三道应相错90。,(二)油环 油环分普通油
8、环和组合油环。 1、油环的功用:将气缸壁上 多余的机油刮下来,减少机油的 消耗。 2、工作条件:处于工作温度 较低,燃气压力也很低的工作条 件下。 3、普通油环的断面形状和材料:,为了改善普通油环的弹力,采用加装钢片式衬簧或螺旋 式衬簧的方法解决。,普通油环常采用合金铸铁铸造。,组合环的优点:,重量轻,运动中对环槽冲击小,且刮油能力 强。,组合环的缺点:工艺复杂,需用高级钢材,所以成本高。,三、活塞销 1、功用:将活塞与连杆小头活动地连接起来,并将活塞 所受的力传给连杆。 2、工作条件:承受很大的周期性冲击载荷,温度较高, 润滑较差。 3、要求:有足够的强度和刚度,表面耐磨,内部有较好 的韧性
9、和较高的疲劳强度,重量要轻。 4、材料与工艺:采用优质低碳钢或低碳合金钢;表面渗 碳淬火,外圆 表面进行精磨和抛光。 5、安装要求: 1)将活塞加热到一定 温度后,将活塞销 推入销座中。 2)注意安装活塞销限 位装置。,第四节 连杆组,连杆组由连杆、连杆螺栓和连杆轴承等组成。,一、连杆 (一)功用:,1、改变运动形式,:往复运动,转变为曲轴的旋转运动,2、传递力:将活塞承受的力传给曲轴。,(二)工作条件: 1、受力情况:1)活塞顶上的气体力; 2)连杆小头和活塞组的往复惯性力; 3)连杆本身绕活塞销作摆动时的横向惯性力。 2、特点:这些力都是变化的。 3、工作要求:要求较高的刚度和疲劳强度。
10、(三)材料及工艺: 1、材料:多采用40#,45#优质中碳钢,或采用合金钢;也有 采用可锻铸铁和球墨铸铁。 2、工艺:多采用模锻:铸铁材料采用铸造。,(四)构造: 1、连杆小头: 通常为短圆管形,与杆身用 大 园弧连接,小头孔内压入铜套。 2、连杆杆身: 杆身断面形状多采用工字形 断面;也有采用圆形断面。 3、连杆大头: 1) 要求:要求有较高的刚度。因此大头与杆身用较大园弧 过渡,并且要布置加强筋。,2)大头剖分方式: 平切口:多用于汽油机。 斜切口:多用于柴油机。 剖分的另一部分叫连杆盖。 3)大头与连杆盖的定位方式: 平切口:利用螺栓上的精加工 圆柱形部位与精加工螺栓孔 中圆孔部分定位。
11、 斜切口:定位方式有多种。,(4)加工要求: 由于大头孔的精度要求高,应先进行剖分,经过定位组合 后,再进行加工。 由于是配对加工,应在大头和连杆盖的一侧打上配对记号,以 免装错。 二、V型内燃机连杆,V型内燃机连杆三种型式 主副连杆 叉片式连杆,三、轴承(轴瓦) 内燃机中使用的轴承很多,多为滑动轴承(轴瓦),最主要 的为连杆轴承和曲轴轴承。 轴承对内燃机的可靠性、使用寿命和机械效率有很大影响。 1、工作条件: 连杆小头轴承:承受气体力和活塞组的往复惯性力。 连杆大头轴承:承受连杆传来的力和曲轴离心惯性力。 曲轴主轴承: 承受曲轴的离心惯性力。,轴瓦工作表面和轴之间有很高的相对滑动速度,且有交
12、变的 力,轴瓦很容易发热和磨损。 2、减摩材料: 主要有三种: 1)白合金(又称巴氏合金) 2)铜基轴承合金 3)铝基轴承合金,3、构造,内燃机中使用的轴承结构形式多种多样,但对于连杆大头 轴承,曲轴主轴承多做成分开式,其分开两片称为轴瓦。 为了使轴瓦在工作中不转动或轴向移动,在轴瓦上制出定 位凸键。且为了润滑,轴瓦开有油槽或油孔。 轴瓦一般由13毫米厚的 钢带和0.30.7毫米的减摩合 金层组成。,四、连杆螺栓(或连杆螺钉) 平切口连杆大头和连杆盖用连杆螺栓紧固。 斜切口连杆大头和连杆盖用连杆螺钉紧固。 1、功用:用来紧固连杆大头和连杆盖。 2、工作条件:承受交变载荷。 3、材料:多采用韧性
13、较好的优质合金钢或优质碳素钢。 4、装配注意事项: 1)按一定的次序分23次逐步拧紧到规定的力矩。 2)拧紧后,采取防松措施。 常用放松措施有: 穿铁丝;加钢片或使用开口销锁紧。,第五节 曲轴飞轮组,一、曲轴 (一)功用:将活塞和连杆传来的气体力转变为转矩输出,对 外作功,并驱动内燃机本身的一些附件。 (二)工作条件: 1、受力情况十分复杂:1)气体力;2)往复惯性力; 3)离心惯性力;4)以及它们产生的转矩和弯矩。 2、可能产生的不良后果: 1)交变应力引起曲轴疲劳破坏,并使曲轴产生扭转振动 和弯曲振动。 2)主轴径、曲柄销与轴承间以很高的相对速度滑动,如 润滑不良就会产生严重磨损。 (三)
14、材料: 高强度的球墨铸铁:铸造法制造毛坯。 45#优质钢或合金钢:锻造法制造毛坯。,(四)曲轴的构造 1、曲轴的分类 全支承曲轴 非全支承曲轴,整体式曲轴 组合式曲轴,2、曲拐的布置形式: 曲拐布置的原则: 1)各相继工作的两缸之间的着火间隔应尽可能相等。 2)使多缸内燃机的往复惯性力和离心惯性力有可能相互 抵消而达到自行平衡。 3)为了减轻主轴径和主轴承的应力,尽可能相临两缸不 连续着火。,常用两缸机 曲拐布置,不常用两缸机 曲拐布置,常用四缸机 曲拐布置,以上24缸机 都不能完全满足上述要求,而直列六缸机 则 完全满足上述要求。,3、主轴颈与曲柄销: 1)主轴颈:一般粗而短; 2)曲柄销:
15、为减轻重量 一般作成空心。 4、曲柄与平衡重: 1)曲柄:多制成椭圆 或圆形。为提高刚度,具 有一定厚度。 2)平衡重: 功用:为了平衡惯性力。 形状:多为扇形。 其与曲柄结合方式有两种: 与曲柄制作成一个整体; 与曲柄分开制作,用螺栓 连接在一起。,5、曲轴的前端与后端: 1)曲轴的前端: 一般装有起动爪、皮带 轮、油封和正时齿轮等。 2)曲轴的后端: 有回油螺纹、甩油盘等 挡油措施,以及连接飞轮 的法兰。 6、曲轴的轴向定位:,曲轴的轴向间隙: 曲轴的轴向间隙要合适,既不能过小,也不能过大。 间隙过小,曲轴旋转阻力过大,加速零件磨损。 间隙过大,曲轴会轴向窜动,产生振动和噪声。 曲轴轴向定
16、位的方法:,1)曲轴后端的主轴径处定位: 采用翻边轴瓦,或半圆止推片。 优点:可承受后端传动装置的 轴向力,弯曲变形小。 2)曲轴前端的主轴径处定位: 采用整体式止推环。 优点:可保证配气定时和供油 定时不受影响。 缺点:后端受较大轴向力时, 曲轴产生弯曲变形。 3)曲轴的中间主轴径处定位: 采用翻边轴瓦或止推片。 优点:介于两者之间。 安装要求:应将止推片的减磨合金层朝外。,二、飞轮 1、 功用 :储存作功冲程的能量,克服辅助冲程的阻力, 使内燃机工作平稳。 简单说,储存一定能量,在需要时放出。 2、结构:为一个尺寸较大而外缘较厚的圆盘。 外圆是一个光滑的圆柱面:用于手摇起动发动机。 外圆镶
17、有齿圈:用于带有起动装置的发动机。 3、标记:飞轮上刻有记号,便于检查、调整配气和供油 整时。 4、飞轮与曲轴安装定位: 由于飞轮与曲轴通常连接在一起进行动平衡检查,所以它 们必须保持准确的相对位置(定位)。 定位方法: 1)在曲轴法兰上设定位销。 2)固定飞轮的螺栓孔不均 匀分布。,本章要求及思考题 一、要求: 1、了解曲柄连杆机构的受力分析。 2、了解内燃机的平衡方法。 3、掌握活塞组、连杆组及曲轴飞轮组的主要零件的功用, 工作条件,结构特点,材料及加工方法。 二、思考题: 1、曲柄连杆机构的组成与功用是什么? 2、活塞常用什么材料?其主要特点是什么? 3、画出活塞结构简图,根据所起作用分为哪几部分?汽油 机活塞与柴油机活塞有哪些区别? 4、浮式活塞销有什么优点?为什么要轴向定位? 5、扭曲环为什么会产生扭曲的效果?它有何优点? 6、曲轴为什么要轴向定位?定位有几种方式?为什么只有一处定位? 7、曲轴上的平衡重起什么作用?为什么有的曲轴上没有平衡重? 8、连杆大头的剖分型式有几种?它们常用于什么机型? 9、简述连杆大头的加工顺序。 10、飞轮的主要功能是什么?,
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