汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)

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1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的曲柄連桿機(jī)構(gòu) 【概述】 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)，完成能量轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，用來傳遞力和改變運(yùn)動(dòng)方式。工作中，曲柄連桿機(jī)構(gòu)在做功行程中把活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對外輸出動(dòng)力，而在其他三個(gè)行程中，即進(jìn)氣、壓縮、排氣行程中又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?？偟膩碚f曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)借以產(chǎn)生并傳遞動(dòng)力的機(jī)構(gòu)。通過它把燃料燃燒后發(fā)出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲柄連桿機(jī)構(gòu)直接與高溫高壓氣體接觸，曲軸的旋轉(zhuǎn)速度又很高，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的線速度相當(dāng)大，同時(shí)與可燃混合氣和燃燒廢氣接觸，曲柄連桿機(jī)構(gòu)還受到化學(xué)腐蝕作用，并且潤滑困難?？梢?，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工

2、作條件相當(dāng)惡劣，它要承受高溫、高壓、高速和化學(xué)腐蝕作用。 【組成】 曲柄連桿機(jī)構(gòu)的主要零件可以分為三組，即機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組。 機(jī)體組 機(jī)體是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，是發(fā)動(dòng)機(jī)各機(jī)構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)的所有主要零件和附件，承受各種載荷。因此，機(jī)體必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度。發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體組主要由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋和氣缸墊等零件組成。 氣缸體 氣缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基體，并由它來保持發(fā)動(dòng)機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件相互之間的準(zhǔn)確位置關(guān)系。氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸，下半部為支承曲軸的曲軸箱，其內(nèi)腔為曲軸運(yùn)動(dòng)的空間。在氣缸體內(nèi)部鑄有許多加強(qiáng)筋，冷卻水套和潤

3、滑油道等。 一、氣缸體的工作條件、要求及材料 （1）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度、耐磨損和耐腐蝕、適當(dāng)冷卻 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)中最大的零件 ? 承受拉、壓、彎、扭等機(jī)械負(fù)荷 ? 承受高溫燃?xì)夂艽蟮臒嶝?fù)荷 ? 發(fā)動(dòng)機(jī)大部分零件安裝在機(jī)體上 （2）力求結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕 ? 盡量減小整機(jī)的重量（發(fā)動(dòng)機(jī)最大的零件） ? 加強(qiáng)肋（減小質(zhì)量、保證剛度與強(qiáng)度） （3）機(jī)體材料 ? 一般高強(qiáng)度灰鑄鐵或球墨鑄鐵、合金鑄鐵 ? 為了減輕質(zhì)量、加強(qiáng)散熱采用鋁合金 二、氣缸體的分類 （一）按結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)氣缸體與油底殼安裝平面的位置不同，通常把氣缸體分為一般式、龍門式和隧道式三種形式

4、。 （1） 一般式氣缸體 其特點(diǎn)是油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。這種氣缸體的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)體高度小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，便于加工，曲軸拆裝方便；但其缺點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差 （2）龍門式氣缸體 其特點(diǎn)是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。它的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度都好，能承受較大的機(jī)械負(fù)荷；但其缺點(diǎn)是工藝性較差，結(jié)構(gòu)笨重，加工較困難。 （3）隧道式氣缸體 這種形式的氣缸體曲軸的主軸承孔為整體式，采用滾動(dòng)軸承，主軸承孔較大，曲軸從氣缸體后部裝入。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強(qiáng)度好，但其缺點(diǎn)是加工精度要求高，工藝性較差，曲軸拆裝不方便。 （二）按冷卻方式分 為了能夠使氣缸內(nèi)表面在高溫下正常工作，必

5、須對氣缸和氣缸蓋進(jìn)行適當(dāng)?shù)乩鋮s。冷卻方法有兩種，一種是水冷，另一種是風(fēng)冷。 （1）水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸周圍和氣缸蓋中都加工有冷卻水套，并且氣缸體和氣缸蓋冷卻水套相通，冷卻水在水套內(nèi)不斷循環(huán)，帶走部分熱量，對氣缸和氣缸蓋起冷卻作用。 （2）風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)是以空氣作為冷卻介質(zhì)的發(fā)動(dòng)機(jī)。它在氣缸及缸蓋的外壁鑄造出一些散熱片，并用冷卻風(fēng)扇使空氣高速吹過散熱片表面，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)散出的熱量, 使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。 （三）按氣缸的排列形式 現(xiàn)代汽車上基本都采用水冷多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，對于多缸發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸的排列形式?jīng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)外型尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的剛度和強(qiáng)度也有影響，并關(guān)系到汽車的總體布置。按照氣缸的排列方式不

6、同，氣缸體還可以分成單列式，V型和對置式三種。 三、氣缸套 氣缸套主要分為干式氣缸套和濕式氣缸套兩種。 （1）干式氣缸套：即氣缸套的外表面不直接與冷水接觸。主要用于中、小型發(fā)動(dòng)機(jī)。 （2）濕式氣缸套：即氣缸套的外表面與冷卻水直接接觸。主要用于大負(fù)荷或鋁合金氣缸體的發(fā)動(dòng)機(jī)。 曲軸箱（油底殼） 缸體下部用來安裝曲軸的部位稱為曲軸箱，曲軸箱分上曲軸箱和下曲軸箱。上曲軸箱與氣缸體鑄成一體，下曲軸箱用來貯存潤滑油，并封閉上曲軸箱，故又稱為油底殼圖。油底殼受力很小，一般采用薄鋼板沖壓而成，其形狀取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的總體布置和機(jī)油的容量。油底殼內(nèi)裝有穩(wěn)油擋板，以防止汽車顛動(dòng)時(shí)油面波動(dòng)過大。油底殼底部還

7、裝有放油螺塞，通常放油螺塞上裝有永久磁鐵，以吸附潤滑油中的金屬屑，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損。在上下曲軸箱接合面之間裝有襯墊，防止?jié)櫥托孤? 氣缸蓋 氣缸蓋安裝在氣缸體的上面，從上部密封氣缸并構(gòu)成燃燒室。它經(jīng)常與高溫高壓燃?xì)庀嘟佑|，因此承受很大的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋內(nèi)部制有冷卻水套，缸蓋下端面的冷卻水孔與缸體的冷卻水孔相通。利用循環(huán)水來冷卻燃燒室等高溫部分。 一、氣缸蓋的結(jié)構(gòu) 缸蓋上裝有進(jìn)、排氣門座，氣門導(dǎo)管孔，用于安裝進(jìn)、排氣門，還有進(jìn)氣通道和排氣通道等。汽油機(jī)的氣缸蓋上加工有安裝火花塞的孔，而柴油機(jī)的氣缸蓋上加工有安裝噴油器的孔。頂置凸輪軸式發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸蓋上還加工有凸輪軸軸

8、承孔，用以安裝凸輪軸。 氣缸蓋一般采用灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄成，鋁合金的導(dǎo)熱性好，有利于提高壓縮比，所以近年來鋁合金氣缸蓋被采用得越來越多。 二、燃燒室形式 氣缸蓋是燃燒室的組成部分，燃燒室形狀直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)，所以對燃燒室有兩個(gè)基本要求：（1）結(jié)構(gòu)要緊湊，冷去面積要小，以減少熱量損失，縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。（2）充氣效率高，混合氣在壓縮過程中具有一定的渦流運(yùn)動(dòng)，以提高混合氣的混合質(zhì)量為燃燒速度，保證混合氣及時(shí)、完全地燃燒。由于汽油機(jī)和柴油機(jī)的燃燒方式不同，其氣缸蓋上組成燃燒室的部分差別較大。汽油機(jī)的燃燒室主要在氣缸蓋上，而柴油機(jī)的燃燒室主要在活塞頂部的凹坑。 汽油機(jī)

9、的燃燒室是由活塞頂部與氣缸蓋上相應(yīng)的凹部空間形成。常見的三種形式為半球形燃燒室、楔形燃燒室和盆形燃燒室。 （1）半球形燃燒室 半球形燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊，火花塞布置在燃燒室中央，火焰行程短，故燃燒速率高，散熱少，熱效率高。這種燃燒室結(jié)構(gòu)上也允許氣門雙行排列，進(jìn)氣口直徑較大，故充氣效率較高，雖然使配氣機(jī)構(gòu)變得較復(fù)雜，但有利于排氣凈化，在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛地應(yīng)用。 （2）鍥形燃燒室 楔形燃燒室結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，散熱面積小，熱損失也小，能保證混合氣在壓縮行程中形成良好的渦流運(yùn)動(dòng)，有利于提高混合氣的混合質(zhì)量，進(jìn)氣阻力小，提高了充氣效率。氣門排成一列，使配氣機(jī)構(gòu)簡單，但火花塞置于楔形燃燒室高處，火焰?zhèn)鞑?/p>

10、距離長些，切諾基轎車發(fā)動(dòng)機(jī)采用這種形式的燃燒室。 （3）盆形燃燒室 盆形燃燒室，氣缸蓋工藝性好，制造成本低，但因氣門直徑易受限制，進(jìn)、排氣效果要比半球形燃燒室差。捷達(dá)轎車發(fā)動(dòng)機(jī)、奧迪轎車發(fā)動(dòng)機(jī)采用盆形燃燒室。 三、氣缸蓋的安裝 拆卸：從兩邊向中間分2~3次逐步擰松。 安裝：從中間向兩邊分2~3次逐步擰緊。 氣缸墊 氣缸墊裝于氣缸體和氣缸蓋之間，其作用是保證氣缸體和氣缸蓋之間的密封性，防止氣缸漏氣、水套漏水和潤滑油泄漏。 氣缸墊的材料要有一定的彈性，能補(bǔ)償結(jié)合面的不平度，以確保密封，同時(shí)要有好的耐熱性和耐壓性，在高溫高壓下不燒損、不變形。目前應(yīng)用較多的是銅皮——棉結(jié)構(gòu)的氣

11、缸墊，由于銅皮——棉氣缸墊翻邊處有三層銅皮，壓緊時(shí)較之石棉不易變形。有的發(fā)動(dòng)機(jī)還采用在石棉中心用編織的綱絲網(wǎng)或有孔鋼板為骨架，兩面用石棉及橡膠粘結(jié)劑壓成的氣缸墊。 活塞連桿組 活塞連桿組是發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要運(yùn)動(dòng)組件。其作用是將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及將作用在活塞頂上的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S承的轉(zhuǎn)矩。活塞連桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等組成。 活塞 活塞的作用是與氣缸蓋和氣缸壁共同組成燃燒室，承受氣缸中燃燒氣體的壓力，并將通過活塞銷傳給連桿，以推動(dòng)曲軸的旋轉(zhuǎn)。 一、活塞的工作條件 活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬

12、時(shí)溫度可達(dá)2500K以上，因此，受熱嚴(yán)重，而散熱條件又很差，所以活塞工作時(shí)溫度很高，頂部高達(dá)600～700K，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是作功行程壓力最大，汽油機(jī)高達(dá)3～5MPa，柴油機(jī)高達(dá)6～9MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用；活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度(8～12m/s)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化，這就產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力，同時(shí)受到燃?xì)獾幕瘜W(xué)腐蝕作用。 二、活塞的結(jié)構(gòu) 活塞由活塞頂部、頭部和裙部三大部分組成。 （1）活塞頂部 根據(jù)活塞頂部

13、形狀的不同可分為平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成形頂活塞。 （2）活塞頭部 全裙式裙部 活塞環(huán)槽以上的部分稱為活塞頭部。上面加工有若干道用來安裝氣環(huán)與油環(huán)的環(huán)槽，上面的2~3道安裝氣環(huán)，下面的1~2道安裝油環(huán)。在油環(huán)槽的底面鉆有許多徑向小孔，可使油環(huán)刮下來的潤滑油通過小孔流回油底殼。 （3）活塞裙部 拖板時(shí)裙部 活塞環(huán)以下的部分稱為活塞裙部?；钊共康淖饔檬窃跉飧變?nèi)為活塞的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向并承受側(cè)壓力。活塞裙部有兩種：全裙式裙部和拖板式裙部。 （4）活塞銷座孔 活塞銷座孔的作用是安裝活塞銷，并將氣體的壓力傳給連桿。兩座孔外端加工有卡環(huán)槽，用來安裝卡環(huán)以限

14、制活塞銷的軸向竄動(dòng)。 活塞在運(yùn)動(dòng)過程中受到側(cè)壓力的作用，而一般發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞銷座孔軸線與活塞軸線垂直相交，這樣的布置形式會(huì)使敲缸噪聲大；將其偏移1~2mm，這樣大減小的敲缸聲。 活塞環(huán) 活塞環(huán)裝配在活塞環(huán)槽中，與活塞連桿組一起裝于氣缸體內(nèi)?；钊h(huán)是保證氣缸與活塞間的密封性，防止漏氣，并且要把活塞頂部吸收的大部分熱量傳給氣缸壁，由冷卻水帶走。其中密封作用是主要的，因?yàn)槊芊馐莻鳠岬那疤?。如果密封性不好，高溫燃?xì)鈱⒅苯訌臍飧妆砻媪魅肭S箱。這樣不但由于環(huán)面和氣缸壁面貼合不嚴(yán)而不能很好散熱，而且由于外圓表面吸收附加熱量而導(dǎo)致活塞和氣環(huán)燒壞；油環(huán)起布油和刮油的作用，下行時(shí)刮除氣缸壁上

15、多余的機(jī)油，上行時(shí)在氣缸壁上鋪涂一層均勻的油膜。這樣既可以防止機(jī)油竄入氣缸燃燒掉，又可以減少活塞、活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦阻力，此外，油環(huán)還能起到封氣的輔助作用?；钊h(huán)的工作條環(huán)境極其惡劣，是壽命最短的零件之一。為延長其使用壽命，通常第一道氣環(huán)外圓面進(jìn)行多孔鍍鉻處理。其余的采用鍍錫或磷化處理，以改善其磨合性。 （1）氣環(huán) 氣環(huán)為一帶切口的環(huán)狀態(tài)結(jié)構(gòu)，在自由狀態(tài)下時(shí)其外形尺寸略大于氣缸內(nèi)徑。。氣環(huán)的主要作用是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中高溫、高壓燃?xì)飧Z入曲軸箱，并將活塞頭部的大部分熱量傳給氣缸壁，避免活塞過熱。 （2）油環(huán) 油環(huán)的作用是活塞上行

16、時(shí)，使飛濺在氣缸壁上的潤滑油均勻頒布，有利于活塞、活塞環(huán)和氣缸壁的潤滑；活塞下行時(shí)，刮除氣缸壁上多余的潤滑油，防止?jié)櫥透Z入氣缸燃燒。 活塞銷 活塞銷的作用是連接活塞和連桿小頭，并將活塞所承受的氣體作用力傳給連桿。 活塞銷在高溫條件下承受很大的周期性沖擊載荷，潤滑條件較差，因此必須具有足夠的剛度、強(qiáng)度和良好的耐磨性，質(zhì)量盡可能小。 連桿組 連桿組的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，將活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 *連桿軸瓦：安裝在連桿大頭孔內(nèi)，用以保護(hù)連桿軸頸及連桿大頭孔。是由鋼帶各減磨合金層組成的分開

17、式薄壁軸承。 曲軸飛輪組 曲軸飛輪組包括曲軸和飛輪。 曲軸 曲軸的作用是把活塞連桿組傳來的氣體作用為轉(zhuǎn)變?yōu)榱?。另外還可用來驅(qū)動(dòng)配氣機(jī)構(gòu)及其他各種輔助裝置。 一、曲軸的結(jié)構(gòu) 曲軸主要由前端軸、若干個(gè)曲拐和后端軸三部分組成。曲軸有整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)兩種類型。 （1）整體式曲軸 （2）組合式曲軸 二、曲軸的支承方式 根據(jù)主軸頸數(shù)的不同，曲軸分為全支承和非全支承兩種。 三、曲拐的布置與多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序 在安排發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序時(shí)應(yīng)盡量遵循如下規(guī)則 （1）使連續(xù)作功的兩缸盡可能相距遠(yuǎn)些。 （2）各氣

18、缸的作功間隔角應(yīng)該相等（720/i）。 （3）如果是V型發(fā)動(dòng)機(jī)，則左右兩列氣缸應(yīng)交替作功。 四、曲軸前后端的密封 曲軸的前、后端必須設(shè)有密封裝置，以防止?jié)櫥脱馗左w前、后端的產(chǎn)軸承座孔流到機(jī)體外部。常用的密封方式有：自緊油封、填料油封、擋油盤密封和回油螺紋密封等。 五、曲軸的軸向定位與主軸承 發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由于曲軸在各種軸向力的作用下產(chǎn)生軸向移動(dòng)，從而使軸柄連桿機(jī)構(gòu)的正確關(guān)系受到破壞。曲軸多采用滑動(dòng)推力軸承來限制軸向移動(dòng)量。 飛輪 飛輪的主要作用是將作功行程中發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給曲軸的一部分能量儲(chǔ)存起來，用于非作功（進(jìn)氣、壓縮、排氣）行程克服短期超負(fù)荷的能力，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳給離合器。