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1、2019/3/18,1,单元二 曲柄连杆机构,2019/3/18,2,1.1 概述 1.1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,2019/3/18,3,1.2组成 一、机体组(不动件) 气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖和气缸垫,2019/3/18,4,二、活塞连杆组(运动件) 由活塞、活塞环、活塞销和连杆组成,三、曲轴飞轮组 曲轴、飞轮、减振器,2019/3/18,5,1.3受力分析 曲柄连杆机构受的力主要有气压力P,往复惯性力Pj,旋转离心力Pc和摩擦力F。,2019/3/18,6,1.3.1气压力 气压力P的集中力PP分解为侧压力
2、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NP向左,活塞的左侧面压向气缸壁,左侧磨损严重,NP,SP,P,RP,TP,2019/3/18,7,(2)压缩行程 侧压力NP向右,活塞的右侧面压向气缸壁,左侧磨损严重,2019/3/18,8,1.3.2 往复惯性力Pj 活塞在上半行程时,惯性力都向上,下半行程时,惯性力都向下。在上下止点活塞运动方向改变,速度为零,加速度最大,惯性力也最大;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。,2019/3/18,9,1.3.3 离心惯性力PC 旋转机件的圆周运动产生离心惯性力
3、,方向背离曲轴中心向外。离心力加速轴承与周颈的磨损,也引起发动机振动而传到机体外。,Pc,2019/3/18,10,4.摩擦力F 指相互运动件之间的摩擦力,它是造成配合表面磨损的根源。,2019/3/18,11,机体组由气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖、气缸垫组成。,2机体组,2019/3/18,12,2.1气缸体与曲轴箱 2.1.1缸体的结构 机体是构成发动机的骨架,是发动机各机构和各系统的安装基础,其内、外安装着发动机的所有主要零件和附件,承受各种载荷。因此,机体必须要有足够的强度和刚度。机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。,2019/3/18,13,2.1.2.
4、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,多用于八缸以上的发动机。 (3)对置式:是V型的特殊形式。,2019/3/18,14,2.1.3. 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。,2019/3/18,15,(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。,2019/3/18,16,(3)隧道式 定义:主轴承座孔不分开。 特点:刚度最大,主轴承同
5、轴度易保证,主轴承用滚动轴承。 应用:负荷较大的柴油机。,2019/3/18,17,2.1.4油底壳 1.功用:贮存和冷却机油并封闭曲轴箱。 2.构造: (1)用薄钢板冲压而成。 (2)内部设有稳油挡板,以防止汽车振动时油底壳油面产生较大的波动。 (3)最低处有放油塞曲轴箱与油底壳之间有密封衬垫。,2019/3/18,18,2.1.5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,又节省了好材料。,2019/3/18,19,2.型式 (1)干式缸套13mm 定义:其外表面不直接与冷
6、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。,2019/3/18,20,(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(59mm); 2)散热效果好; 3)易漏水漏气; 4)易穴蚀,2019/3/18,21,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。,2019/3/18,22,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。,2019/3/18,23,下部:13
7、个耐热耐油的橡胶密封圈,2019/3/18,24,2.1.6气缸盖 1.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。,2019/3/18,25,2.汽油机燃烧室 (1)盆形燃烧室:其特点为 1)气门平行于气缸轴线; 2)有挤气 冷激面,可形成挤气涡流; 3)盆的形状狭窄,气门尺寸受限,换气质量较差,燃烧速度较低,CO和HC排放较高而NO的排放较低。,2019/3/18,26,(2)楔形燃烧室 其特点为: 1)气门斜置,气流导流较好,充气效率高; 2)有挤气冷激面,可形成挤气涡流; 燃烧速度较快,CO和HC排放较低而NO的排放稍高。,20
8、19/3/18,27,(3)半球形燃烧室 其特点为 1)气门成横向V型排列,因此气门头部直径可以做得较大,换气好; 2)火花塞位于燃烧室的中部火焰行程短,燃烧速度最高,动力性、经济性最好。是高速发动机常用的燃烧室;,3)CO和HC排放最少,而NO的排放较高。,2019/3/18,28,2.1.7气缸垫 1.作用 保证气缸体与气缸盖间的密封,防止漏水、漏气。,2019/3/18,29,2.构造 金属石棉垫 包括铜皮和钢片,且在缸口、水孔、油道口周围卷边加强,内填石棉(常掺入铜屑或钢丝,以加强导热)。,2019/3/18,30,(1)金属骨架石棉垫: 以编织的钢丝网(图c)或有孔钢板(图d)为骨架
9、,外覆石棉,只在缸口、水孔、油道口处用金属片包边。,2019/3/18,31,纯金属垫:由单层或多层金属片(铜、铝或低碳钢)制成,用于某些强化发动机。,2019/3/18,32,安装注意: 金属皮的金属石棉垫,缸口金属卷边一面应朝向易修整接触面或硬平面。因卷边一面会对与其接触的平面造成压痕变形。,2019/3/18,33,2.1.8机体的检验,2.1.8.1机体的损伤形式 1.裂纹 2.变形 3.磨损 2.1.8.2机体的检验,2019/3/18,34,3 活塞连杆组,2019/3/18,35,组成:活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承,2019/3/18,36,3.1活塞 3.1.1功用 1
10、.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。,2019/3/18,37,3.1.2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。,2019/3/18,38,3.1.3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。,销座,2019/3/18,39,1.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,广泛采用。 (2)凸顶:与半球形燃烧室配用。 (3)凹顶:高压缩比发动机为了防止碰撞
11、气门,也可用凹坑的深度来调整压缩比。,2019/3/18,40,2.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。,2019/3/18,41,3.1.4活塞的变形及采取的相应措施 1.变形原因:热膨胀、侧压力和气体压力。,2019/3/18,42,2.变形规律 (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,以及侧压力作用的结果。,2019/3/18,43,冷态时,正常工作时,
12、头部椭圆,裙部截锥体,2019/3/18,44,3.结构措施 (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。,2019/3/18,45,(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。,2019/3/18,46,(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。,2019/3/18,47,2) 自动调节式:
13、 膨胀系数小的低碳钢片贴在销座铝层的内侧,依靠钢片的牵制作用,及钢片与铝壳之间的双金属效应来减小裙部侧压力方向的膨胀量。,2019/3/18,48,3)筒形钢片式: 浇铸时,将钢筒夹在铝合金中,冷凝时钢筒内外侧的铝合金分别产生“收缩缝隙”和拉应力。工作时因要先消除“收缩缝隙”和拉应力而膨胀量减小。,2019/3/18,49,3.1.5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。,2019/3/18,50,3.原理:因销座偏置,在接近上止点时,作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边,使活塞倾斜,裙部下端提前换向。而
14、活塞在越过上止点,侧压力反向时,活塞才以左下端接触处为支点,顶部向左转(不是平移),完成换向。,2019/3/18,51,可见偏置销座使活塞换向分成了两步 第一步是在气体压力较小时进行,且裙部弹性好,有缓冲作用; 第二步虽气体压力大,但它是个渐变过程。为此,两步过渡使换向冲击力大为减弱。,2019/3/18,52,3.2 活塞环 活塞环是具有弹性的开口环,有气环和油环之分。 功用:气环的是保证气缸与活塞间的密封性,防止漏气,并且要把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁,由冷却水带走。油环起布油和刮油的作用,下行时刮除气缸壁上多余的机油,上行时在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜。这样既可以防止机油窜入气
15、缸燃烧掉,又可以减少活塞、活塞环与气缸壁的摩擦阻力,此外,油环还能起到封气的辅助作用,2019/3/18,53,3.2.1活塞环的间隙 活塞环有三隙,即端隙、侧隙和北隙 (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;,2019/3/18,54,(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0.04mm0.10mm;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;,2019/3/18,55,3.2.2气环的密封原理 (1)第
16、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作用下与缸壁压紧,形成第一密封面。,2019/3/18,56,(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。,2019/3/18,57,(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。,2019/3/18,58,3.2.3.活塞环的泵油作用及危害 原因: (1)存在侧隙和背隙; (2)环运动时在环槽中靠上靠下。,2019/3/18,59,现象:当活塞带着环下行(
17、进气行程)时,环靠在环槽的上方,环从缸壁上刮下的润滑油充入环槽下方;当活塞又带着环上行(压缩行程)时,环又靠在环槽的下方,同时将油挤压到环槽上,如此反复,就将润滑油泵到活塞顶。,2019/3/18,60,泵油的危害: (1)增加了润滑油的消耗; (2)火花塞沾油不跳火; (3)燃烧室积炭增多,燃烧性能变坏; (4)环槽内形成积炭,挤压活塞环而失去密封性; (5)加剧了气缸的磨损。,2019/3/18,61,防止活塞环泵油的措施: (1)采用扭曲环; (2)采用组合式油环; (3)油环下设减压腔,2019/3/18,62,3.2.4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
18、,但易泵油。,矩形断面,2019/3/18,63,(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。,2019/3/18,64,(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,使拉力和压力不在同一平面内,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。,2019/3/18,65,1)特
19、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。 2)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。,2019/3/18,66,(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。,2019/3/18,67,(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。,2019/3/18,68,3.2.5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
20、(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。,2019/3/18,69,(2) 组合式: 由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬簧组成。,2019/3/18,70,组合式油环的特点,1)密封好:第一密封面,靠径向力,因衬簧长大于刮片长而产生径向力。 第二密封面,靠轴向力,因衬簧和钢片总厚度大于环槽高而产生轴向力。 2) 无侧隙,不窜油。 3) 刮油能力强:因钢片薄,对缸壁比压大。 4) 上下片可分别动作,适应性好。 5) 回油能力强。,2019/3/18,71,3.3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。,
21、2019/3/18,72,(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。,2019/3/18,73,(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。,2019/3/18,74,2.半浮式 (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),(2)装配 加热连杆小头后,将销装入,冷态时为过盈配合。,2019/3/18,75,3.4连杆,3.4.1功用: 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。,3.4.2组成: 连杆组由连杆
22、体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。,2019/3/18,76,3.4.3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,2019/3/18,77,(1)切口形式 有平切口和斜切口两种。,2019/3/18,78,(2)切口定位方式 连杆螺栓定位:靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓孔的配合来定位。其定位精度较差,用于直切口连杆。,2019/3/18,79,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,2019/3/18,80,(3)喷油孔
23、 有的连杆的大头面对气缸主承压面的一侧,钻一喷油孔(1mm1.5mm),以润滑气缸主承压面。,2019/3/18,81,3.4.4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。,2019/3/18,82,3. 5连杆轴承(俗称小瓦),3.5.1作用 保护连杆轴颈及连杆大头孔。,2019/3/18,83,3.5.2组成 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。,2019/3/18,84,3.5.3减磨层材料 (1)白合金
24、(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)铝基合金:有铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金三种。 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。,2019/3/18,85,3.5.4轴瓦的定位,2019/3/18,86,3.6活塞连杆组的检修,2019/3/18,87,2.4 曲轴飞轮组 由曲轴、飞轮、减振器等组成。,2019/3/18,88,2.4.1
25、曲轴,2.4.1.1功用 1.把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。 2.驱动配气机构及其它附属装置。 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。,2019/3/18,89,2.4.1.2构造,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。,2019/3/18,90,1.主轴颈和连杆轴颈 1)主轴颈是曲轴的支承部分。 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。,2019/3/18,91,2)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。
26、,2019/3/18,92,2.曲柄和平衡重 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,2019/3/18,93,3.曲拐的布置 (1)布置原则 1)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7200/缸数。 2)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。 3)V型发动机左右两气缸尽量交替作功,2019/3/18,94,(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。 发动机工作顺序有两种 1342 1243,2019
27、/3/18,95,2019/3/18,96,工作顺序为1342的发动机工作循环表如下,2019/3/18,97,直列四冲程六缸发动机,曲拐对称布置于三个平面内。 相邻作功气缸的曲拐夹角为7200/6=1200 发动机工作顺序有两种:153624和142635,2019/3/18,98,1.6,2.5,3.4,1.6,3.4,2.5,1-5- 3-6-2-4,1-4-2-6-3-5,2019/3/18,99,4.前端轴与后端轴,(1)作用: 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 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
28、设有防漏装置。,2019/3/18,100,常用的防漏装置有挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等,2019/3/18,101,5.曲轴的轴向定位,(1) 结构: 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。,照片,2019/3/18,102,(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。,2019/3/18,103,(3)曲轴的轴向间隙的调整:更换止推片的厚度。,2019/3/18,104,6. 曲轴扭转减振器 曲轴是一种扭转弹性系统,其本身具有一定的自振频率。在发动机工作过程中,经连杆传给连杆轴颈的
29、作用力的大小和方向都是周期性变化的,所以曲轴各个曲拐的旋转速度也是忽快忽慢呈周期性变化。安装在曲轴后端的飞轮转动惯量最大,可以认为是匀速旋转,由此造成曲轴各曲拐的转动比飞轮时快时慢,这种现象称之为曲轴的扭转振动。当振动强烈时甚至会扭断曲轴。扭转减振器的功用就是吸收曲轴扭转振动的能量,消减扭转振动,避免发生强烈的共振及其引起的严重恶果。一般低速发动机不易达到临界转速。但曲轴刚度小、旋转质量大、缸数多及转速高的发动机,由于自振频率低,强迫振动频率高,容易达到临界转速而发生强烈的共振。因而加装扭转减振器就很有必要。,2019/3/18,105,7.曲轴的检修,2019/3/18,106,2.4.2飞轮,2.4.2.1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。,2019/3/18,107,2.4.2.2构造,1.飞轮为一外缘有齿圈的铸铁圆盘,2019/3/18,108,2.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。,0,5,10,15,2019/3/18,109,2.4.2.3飞轮的检修,
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