第04章曲柄连杆机构.doc

第四章 曲柄连杆机构第一节 概 述一、功用与组成 曲柄连杆机构是内燃机完成工作循环、实现能量转换的传动机构它在作功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动；而在进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变为活塞的往复直线运动因此曲柄连杆机构的功用是：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 曲柄连杆机构由以下3部分组成： 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 活塞连杆组 主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件 曲轴飞轮组 主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器、平衡轴等机构二、工作条件及受力分析 曲柄连杆机构是在高温、高压、高速以及有化学腐蚀的条件下工作的在发动机作功时，气缸内的最高温度可达2 500k以上，最高压力可达5 MPa～9MPa，现代汽车发动机最高转速可达3 000r／min～6 000r／min，则活塞每秒钟要行经约100~200个行程，可见其线速度是很大的此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件(如气缸、气缸盖，活塞等)还将受到化学腐蚀。

由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此它在工作时的受力情况是很复杂的在此只对受力情况作简单分析曲柄连杆机构受的力主要有气体压力，往复惯性力，旋转运动件的离心力以及相对运动件接触表面的摩擦力1．气体压力 在每个工作循环的四个行程中，气缸内气体压力始终存在而且是不断变化的作功行程压力最高，其瞬间最高压力汽油机可达3MPa～5MPa；柴油机可达5MPa～9MPa，这意味着作用在曲柄连杆机构上的瞬间冲击力可达数万牛顿(N)下面分析各机件作功行程的受力情况 如图4-1a所示，气体压力对气缸盖和活塞顶作用有大小相等，方向相反的力，分别用集中力和Pp表示作用力Pp经活塞传到活塞销上，分解为Np和Sp两个力Np垂直于气缸壁，它使活塞的一个侧面压向气缸壁，称为侧压力该力以O为支点形成一个与曲轴转向相反的力矩，有使发动机向左翻倒的倾向，故被称为翻倒力矩力Sp通过活塞销推压连杆，并沿连杆方向传到曲柄销上，使曲柄销处受压Sp又可分解为沿曲轴方向的法向力Rp和垂直于曲柄方向的切向力了Tp力Rp使曲轴主轴颈处受压并使曲轴弯曲；力Tp除了也具有力Rp的类似作用外，它以曲柄半径为力臂产生的扭矩M还可使曲轴扭转变形，但也正是此扭矩能够对外输出动力，因而它是分解后唯一有效的力。

依此法分析，气体压力较小的压缩冲程的受力状况(见图4-lb)在压缩冲程中，气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力这时作用在活塞顶的气体总压力Pp，也可以分解为两个分力Np和Sp，而Sp又分解为Rp，SpRp使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；Sp对曲轴造成一个旋转阻力矩Mp，企图阻止曲轴旋转而Np则将活塞压向气缸的另一侧壁 进、排气冲程气体压力很小，可以忽略 综上所述，气体压力使气缸盖承受向上的推力，活塞顶承受向下的推力、活塞侧面与气缸壁间有侧压力，活塞销处、连杆杆身、曲柄销处及曲轴主轴颈处，均受压力，曲轴还承受弯曲力矩和扭转力矩在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随活塞的位移而变化的，再加上连杆在左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴轴颈的表面以及二者的支承表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损的不均匀性同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀图4-1 气体压力作用简图a-作功冲程受力情况；b-压缩冲程受力情况 2．往复惯性力和离心力 往复运动的物体，当运动速度变化时，就要产生往复惯性力物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力这两种力在曲柄连杆机构的运动中都是存在的为了分析方便，将其产生的惯性力简化为往复惯性力和离心惯性力。

（1）往复惯性力 是指活塞组件和连杆小头在气缸内作往复运动所产生的惯性力，用Pj表示其大小与机件的质量及加速度成正比，其方向总与加速度的方向相反 活塞在气缸内从上止点向下止点运动时，速度由零开始作加速运动，至接近中部时速度最大，这一段惯性力向上(如图4-2a)然后作减速运动，则惯性力变为向下(图4-2b)，至下止点时速度减为零活塞从下止点向上运动时，前半行程作加速运动，惯性力向下，后半行程作减速运动，惯性力向上于是可知，活塞上半行程时，惯性力都向上，下半行程时，惯性力都向下在上下止点处，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，加速度等于零，惯性力也等于零 由于往复惯性力与气缸压力都可认为作用于气缸中心线上，只是上下方向有时不同，因此，惯性力分解后会引起各传动机件受力而使机件损坏，与气体压力大致相似，不再赘述但惯性力不作用于气缸盖上，它在单缸发动机内部是不平衡的，会引起发动机上下振动多缸发动机有可能在各缸之间相互平衡(有的活塞在上半行程，有的活塞在下部行程)，引起发动机振动的倾向大为减小图4-2 往复惯性力和离心力作用简图a-活塞上半行程；b-活塞下半行程 （2）离心惯性力 是指曲柄、连杆轴颈、连杆大头等围绕曲轴轴线作圆周运动产生的离心惯性力，用Pc表示，简称离心力。

其大小与运动件的质量、旋转半径、角速度的平方成正比，其方向总是背离曲轴中心向外(图4-2)，它给主轴颈及主轴承以附加力连杆下端质量的离心力还给连杆轴颈和连杆轴承以附加力，而加速了这些部位的磨损另外，离心力也可引起发动机的振动 由上可知，发动机的振动，决不是气缸内燃烧气体的爆炸压力引起的，而是未加平衡的往复惯性力和离心力所致当发动机高速运转时，后两者叠加在一起，可引起发动机剧烈地振动为此发动机在结构上采取了各种平衡措施(如附加的平衡轴和平衡重等)，要注意其装配位置 3．摩擦力 曲柄连杆机构中相互接触的表面作相对运动时都存在有摩擦力，其大小与正压力和摩擦系数成正比，其方向总与相对运动的方向相反摩擦力的存在是造成配合表面磨损的根源 为了方便，上述各力是分别分析的，实际上这些力不是单独存在的，各机件所受的力是各种力的综合 曲柄连杆机构产生的惯性力和摩擦力都是有害的，现代高速发动机尽量减少运动件的质量和活塞的行程，以减小惯性力；同时，保证运动件有较高的加工精度和装配精度，并采取加强润滑等措施，以减小摩擦力上述各种力，作用在曲柄连杆机构和机体的各有关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷，为了保证工作可靠，减小磨损，在结构上必须采取相应的措施。

第二节 机体组机体组是发动机的骨架，也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，承受各种载荷机体组主要由气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖和气缸垫等组成一、气缸体 气缸体是气缸的壳体，曲轴箱是支承曲轴作旋转运动的壳体，二者组成了发动机的机体水冷式发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，称为缸体气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间作为发动机各个机构和系统的装配基体，还要承受高温高压气体作用力，活塞在其中作高速往复运动，因而要求气缸体应具有足够的刚度和强度气缸内壁经过精加工，其工作表面的粗糙度、形状和尺寸精度都比较高，如图4-3所示图4-3 气缸体总成1、10、13、16-衬垫；2-后端板；3-飞轮；4-螺栓；5-曲轴后油封；6-后油封挡圈；7主轴承；8-主轴承盖；9-放油塞；11-油底壳；12-机油集滤器；14-止推垫；15-曲轴；17-正时齿轮罩；18-曲轴前油封；19-螺栓；20-气缸体根据其具体结构形式，气缸体可分为三种：一般式气缸体、龙门式气缸体和隧道式气缸体，如图4-4所示。

发动机的曲轴轴线与曲轴箱分开面在同一平面上的为一般式气缸体，其特点是便于机械加工，但刚度较差，曲轴前后端的密封性较差，多用于中小型发动机，如图4-4a所示若发动机的曲轴轴线高于曲轴箱分开面的则称为龙门式气缸体其特点是结构刚度和强度较好，密封简单可靠，维修方便，但工艺性较差，如图4-4b所示隧道式气缸体的主轴承孔不分开，其特点是其结构刚度比龙门式的更高，主轴承的同轴度易保证，但拆装比较麻烦，多用于主轴承采用滚动轴承的组合式曲轴，如图4-4c所示图4-4 气缸体示意图a-一般式气缸体；b-龙门式气缸体；c-隧道式气缸体1-气缸体；2-水套；3-凸轮轴孔座；4-加强筋；5-湿缸套；6-主轴承座；7-主轴承座孔；8-安装油底壳的加工面；9-安装主轴承盖的加工面汽车用多缸发动机气缸的排列型式如图4-5所示其中常见的有直列式、V型和对置式三种图4-5a所示为直列式，发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置直列式气缸体机构简单，加工容易，但发动机长度和高度较大，一般六缸以下的发动机多采用直列式有些汽车为了降低发动机的高度，有时也将气缸布置成倾斜的图4-5b所示为V型，发动机气缸排成两列，左右两列气缸中心线夹角γ<180°。

V型气缸体与直列式气缸体相比，缩短了机体的长度和高度，增加了气缸体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状复杂多用于六缸以上的发动机目前有V6、V8、V12和V16等机型 图4-5气缸的排列型式a-直列式；b-V型；c-对置式图4-5c所示为对置式，发动机气缸排成两列，左右两列气缸中心线的夹角γ=180°，其高度比其它型式的小，使得汽车(特别是轿车和大型客车)的总布置更为方便根据工作条件和结构特点，气缸体的材料一般采用优质灰铸铁、球墨铸铁，为提高耐磨性，有时在铸铁中加入少量合金元素如镍、钼、铬、磷等，有些气缸进行了表面处理，如表面淬火、镀铬、磷化等；有的则可从材料、加工精度和结构等方面来考虑在有些负荷比较轻，缸径又不大的汽油机中，在气缸体上直接加工出气缸内壁铝合金缸体耐磨性不好，必须在气缸体内镶入气缸套，形成气缸工作表面气缸套有干式和湿式两种，如图4-6所示干式缸套不直接与冷却水接触，如图4-6a所示镶干式缸套，它是在气缸体上压入特殊耐磨性好的合金铸铁的缸套或合金钢缸套，壁厚一般为1~3 mm湿式气缸套(图4-6b)则与冷却水直接接触，壁厚一般为5~9 mm。

气缸套的外表面有两个保证径向定位的凸出的圆环带A和B，分别称为上支承定位带和下支承密封带气缸套的轴向定位是利用上端的凸缘C为了密封气体和冷却水，有的气缸套凸缘C下面还有紫铜垫片气缸套的上支承定位带直径略大，与气缸套座孔配合较紧密下支承密封带与座孔配合较松，通常装有1~3道橡胶密封圈来封水常见的密封结构形式有两种一种形式是将密封环槽开在缸套上，将具有一定弹性的橡胶密封圈4装入环槽内，如图4-6b所示另一种形式是将安置密封圈的环槽开在气缸体上，这种结构的工艺性较差，故应用较少，如图4-6c所示气缸套装入座孔后，通常气缸套顶面略高出气缸体上平面0.05~0.15 mm这样当紧固气缸盖螺栓时，可将气缸盖衬垫压得更紧，以保证气缸的密封性，防止冷却水和气缸内的高压气体窜漏湿式气缸套的优点是在气缸体上没有封闭的水套，铸造方便，容易拆卸更换，冷却效果较好其缺点是气缸体的刚度差，易出现漏气漏水为保证气缸表面能在高温下正常工作，必须对气缸和气缸盖及时加以冷却冷却方式有两种：一种用水来冷却(水冷)；另一种直接用空气来冷却(风冷)汽车发动机较多采用水冷发动机，用水冷却时气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称为水套。

气缸体和气缸盖上的水套是相互连通的。