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第二章曲柄连杆机构第一节概述1.曲柄连杆机构的运动分析曲柄连杆机构的主要零件机体组活塞连杆组曲轴飞轮组曲柄连杆机构的工作条件：高温，高压，高速和化学腐蚀。曲柄连杆机构是往复活塞式内燃机的主要工作机构，而且还是热功转换的主要机构，它承受燃料燃烧时产生的气体力，并将其传给曲轴对外输出做功，同时将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。上止点中间下止点加速度变化j=jmax0j=-jmax速度变化0v=vmax0运动学分析：一般假设：活塞作往复直线运动连杆作复杂的平面运动曲轴作匀速旋转运动（ω定值）加速度：j=ω2·r(cosα+λcos2α)λ=r/lλ—连杆比；r—曲柄半径；l—连杆长度；α—曲柄转角（与y轴正相夹角）位移：x＝r（1＋λ（sin2α－cosα）/2）速度：v=rω（sinα＋λsin2α/2）右图：活塞位移，速度与加速度随曲轴转角的变化关系活塞由中间向上行：增大上止点减小反向增大下止点反向减小j=0jmaxj=0jmaxj=0作用在活塞上的力：气体力，往复惯性力j=rω2cosα——一级加速度——一级往复惯性力j=rω2λcos2α——二级加速度——二级往复惯性力运动特点（1）曲轴基本做匀速运动，活塞的速度却不均匀。在上下止点处速度为零，在90°稍前处和270°稍后处达到最大。即活塞从上止点向下止点运动和从下止点向上止点运动的约前半个行程是加速，后半个行程是减速。（2）由于活塞运动速度的变化，导致加速度的变化，在速度为零处的加速度最大，而速度最大处的加速度为零。（3）加速度的变化，导致了惯性力的产生，使发动机产生冲击、振动和磨损，需采取相应平衡措施。2.曲柄连杆机构的受力分析作用在曲柄连杆机构上的三个主要力气体力（主要为燃气压力），往复惯性力和离心惯性力气体力：气缸内气体作用在活塞顶部的力。压缩冲程，气体力是活塞的运动阻力；做功冲程则为推动力。气体力做功压缩上止点曲轴转角Fp=Ap(p1-p2)Ap—活塞顶在垂直于气缸中心线的平面上的投影面积（m2）Ap=πd2/4P1—气缸中的气体压力（实测而得）P2—曲轴箱中的气体压力（非曲轴箱扫气则为大气压）如上图所示Fp2—垂直于气缸轴线的力，称为侧压力。(使活塞一侧面压向气缸壁，其在一个工作循环中大小和方向都不断变化，随活塞运动而在左右两侧间跳动)因为在做功冲程中此力达最大，所以活塞左侧承受的侧压力较大分析：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，再加上连杆左右摇摆，因而作用在缸套、活塞、活塞销和曲轴轴颈表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损不均匀。往复惯性力和离心力往复惯性力方向与加速度方向相反，前半行程朝上，后半行程向下（活塞向下运动时）曲轴每转一圈，活塞在气缸上半部时，；活塞在气缸下半部时，。Fj=-mj·jmj——活塞组及连杆作往复运动部分大小、方向呈的质量（一般等于连杆全重的20%～周期性变化30%）j—活塞加速度Fj沿气缸中心线作用在活塞销上，并通过连杆和曲轴传到内燃机机体和机架上，从而引起内燃机振动。离心惯性力Fc=-mj·ω2·r——（大小恒定，方向由大头轴颈圆心指向外）Fc始终沿曲柄臂方向并垂直于曲轴轴线向外，此力主要由承受。往复惯性力总向上往复惯性力总向下曲轴主轴承总结：缸内气体力作用活塞顶，同时也作用在缸盖上，大小相等，方向相反，所以在机体内平衡，不传到机体外。传到机体外部支承上的力有倾倒力矩和Fj、Fc。F=合力（是Fp和Fj的合力）→→→→→F=Fp+Fj=Fs+Fn→→→Fs=Ft+Fk(令力，加速度和位移向下为正，反之负；顺时针为正，反之负）→→Fn：侧向力Ft：切向力→→Fs：连杆力Fk：径向力作平衡力Ft′与Ft〞,使Ft与Ft′构成力偶，力矩为MFnFkFFsFtFnFt′FtMrFk′Fs〞Ft〞MFnFn′FFs〞M′M′=Fn·︱AO︱M′=-MM=Ft·r—曲柄半径Fn与Fn′构成力偶，力矩M′力矩M通过曲轴对外输出做功，M’作用在发动机机体上，并传给发动机支承，使机体向左或向右倾倒趋势，称为倾倒力矩（所以发动机工作应紧固在机座上)第二节机体组机体：气缸体，曲轴箱，油底壳1.机体的结构形式：（材料：灰铸铁）平分式：上曲轴箱底平面与曲轴中心线在同一平面上——适用于汽油机分（一般式）（优：加工和曲轴拆装方便，制造方便，质量轻，高度低；缺：刚度差）龙门式：上曲轴箱底平面低于曲轴中心线类（优：刚度强度较好，曲轴可在下方拆装，较方便，但工艺性较差，适用于柴油机和强化汽油机）隧道式：安装曲轴主轴承的孔没剖分（支承刚性最好，便于安装滚动主轴承支承的组合曲轴，各缸主轴承孔同轴度易保证，制造方便，但质量大，高度高，拆装不便）（特点：主轴承座孔尺寸应大于曲拐的外廓尺寸，才可安装）（曲拐：由主轴颈，曲柄和曲柄销组成）—（P74图2-46）水冷：缸体与上曲轴箱连成一体冷却方式（灰铸铁）风冷：缸体与曲轴箱分开（铸铁或铸铝）气缸体1.气缸体作用：1、内孔：（1）形成气缸工作容积（2）活塞运动导向2、外部：（1）各机构和系统的装配基体（2）散热要求：1、耐高温、高压2、耐磨损3、耐腐蚀4、足够的刚度和强度材料和工艺：1、材料（1）气缸套：优质合金铸铁或合金钢（2）气缸体：灰铸铁或铝合金2、气缸工作表面制造工艺（1）精镗改善磨合条件（2级加工精度）（2）珩磨（网纹状）磨合时间短避免拉缸气缸排列形式：直列式，V型，对置式气缸：气缸体内用来引导活塞作往复运动的圆筒形空间气缸壁：气缸的内壁因活塞与气缸壁在高温下作高速相对运动，润滑条件差，磨损严重。气缸壁磨损过度，活塞环与气缸壁间会失去密封性，燃气会漏入曲轴箱，使发动机性能恶化。因此对气缸材料，加工精度与表面粗糙度要求较高。整体式气缸（无缸套）：刚性好，不易发生水套漏水，但铸造困难且耗材。气缸套：干式：不直接与冷却水接触，薄壁（δ=1～4mm），过盈压配在气缸体内孔中。密封性好，刚度好，工艺性复杂，加工困难缺点是：a、制造成本增加：气缸体内孔、缸套外圆亦需精加工，且薄壁缸套刚性差，加工装夹时易变形。b、热负荷增加：缸套外圆与气缸体内孔理论上是完全接触，但加工误差使之不可能完全接触，因而散热面积小，影响缸套散热。c、气缸体铸造工艺性差：水套封闭，去渣困难。气缸套气缸套水套气缸体湿式：气缸体水套敞开，缸套与冷却水直接接触，壁厚（δ=5～9mm），缸套下端带橡胶封水圈，气缸套外圆上大，下小（因为气缸套下端带1-3道橡胶封水圈），且上端与气缸体内孔配合紧，下端配合松，以方便推入气缸体内孔。湿式缸套压配在气缸体内孔时，上部凸肩顶面高出气缸体顶面0.05-0.15mm，这样紧固缸盖时，可将缸垫压得更紧，以密封燃气。湿式缸套优点是：气缸套冷却好；制造成本低；气缸体铸造工艺性好。缺点是：气缸体刚性差，容易变形，易漏气、漏水；气缸套外圆表面易产生穴蚀现象。3.气缸盖与气缸衬垫气缸盖：（须有足够的刚度，冷却好）一般用铝合金或优质灰铸铁。功用：密封气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室并构成供给系、进、排气系统及冷却系、润滑系的一部分对燃烧室的要求：结构紧凑，表面积小（减小热损失及缩短火焰行程）使压缩终了具有一定涡流运动（提高混合气燃烧速度，保证及时充分燃烧）汽油机燃烧室形状楔形结构简单紧凑，压缩终了时能形成挤压涡流浴盆形结构简单不紧凑，能形成进气涡流半球形结构紧凑，高，配气机构复杂碗形蓬形0.050.15mm气缸套水套气缸体橡胶封水圈（轴向定位）（径向定位）（径向定位）气缸盖气缸垫气缸垫：（足够强度，耐热，耐腐蚀，有弹性，拆装方便，寿命长）作用：是防止漏气漏油漏水材料与结构：（1）金属+石棉：石棉中间夹有金属丝或金属屑，且外覆铜皮或钢皮，水孔和燃烧室孔周围另用镶边增强，以防被高温燃气烧坏，具有很好的弹性和耐热性，能重复使用，但制造厚度均一性较差，使用时注意光滑面朝气缸体，否则容易被燃气或冷却水冲坏（2）金属片：带凸纹，强度高，冲压适用于增压等强化发动机3.油底壳功用：收集和储存机油并封闭曲轴箱（用于平分式或龙门式）柴油机油底壳多用铸铁；汽油机油底壳多用钢板冲压油标尺有两道刻线，润滑油面应在两刻线之间，过高会耗油，过低导致润滑不足油底壳形状决定于发动机的总体布置和机油容量，后部一般做得较深，以便发动机纵向倾斜时机油泵能吸到机油。油底壳内还设有挡油板，避免油面波动太大，机油泵吸进气泡，供油不畅。油底壳底部装有磁性放油塞，以便吸附机油中的金属屑，减少发动机运动件磨损。4.发动机支承三点支承四点支承低碳钢板铜板铝板气缸盖螺栓的拧紧次序必须由中央对称地向四周扩展的顺序分几次进行，最后一次要用扭力扳手按工厂规定的数值拧紧。目的：一则保证密封性，二则避免损坏气缸垫，三则保证压缩比的一致性。铝合金制成的气缸盖到最后必须在发动机冷态下拧紧，这样，发动机热起来时会增加密封性，因为铝合金气缸盖的热膨胀比钢螺栓的大；铸铁气缸盖则一般在发动机热车时最后拧紧，因为装配时拧紧的螺栓在发动机工作初始后不久会松弛。丰田佳美3S-FE发动机气缸盖螺栓的拆、装卸顺序第三节活塞连杆组1——活塞2——活塞环3——活塞销4——连杆5——连杆螺栓6——连杆盖7——连杆轴瓦1.活塞活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成1.功用:①把受到的气体力传给连杆，曲轴对外输出转矩②与气缸壁、气缸盖组成燃烧室2.工作条件①高的机械负荷②高的热负荷③高速往复运动，磨损剧烈④左右摆动、撞击3.要求（1）活塞质量小——往复惯性力小（2）热膨胀系数小——冷态装配间隙小，减轻敲缸现象（3）导热性好——减轻热负荷，第一道环槽不易积碳，活塞顶不易热裂（4）耐磨——环槽不易磨损，裙部不易磨损（5）耐高温——高温时机械强度不会下降太多（6）足够的刚度和强度——销座不会弯曲变形；活塞顶不会压碎4.材料共晶铝硅合金（铸铝、锻铝）——（质量小，导热性好，线膨胀系数小，适用于一般发动机）；组合式：上半部用钢，下半部用铝合金，沉头螺栓连接——（刚度好，高温强度高；热膨胀系数低，装配间隙小；耐磨；质量居中；仅适用于极少数大功率强化柴油机）5.工艺:铸造；锻造；模锻6.结构特点由顶部、头部、裙部组成顶部：组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应阻热活塞连杆组第1道气环第2道气环组合油环活塞销活塞连杆连杆螺栓连杆盖连杆轴瓦活塞结构活塞销座活塞销活塞销卡环1—活塞顶部2—活塞头部3—活塞裙部平顶:吸热面积小，制造工艺简单（四冲程汽油机）凸顶:刚性好、强度高，但吸热面积大，难加工（二冲程汽油机，凸顶有利于扫气）凹顶:一般适用于车用直喷式柴油机，如形、四角形、花瓣形燃烧室但有的汽油机如桑塔纳2000GSI轿车AJR发动机的活塞顶是凹顶，主要为减少往复惯性质量，改善混合气形成和燃烧，有时可用来调节发动机的压缩比。头部（防漏部、环槽部）油环槽以上部分主要作用：（1）承受燃气压力，并传给连杆（2）与活塞环一起实现气缸的密封（防止燃油漏入曲轴箱，阻止机油窜入）（3）将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导给气缸体结构特点：1）活塞内腔呈流线型，由活塞顶的最小空径逐渐扩大，使活塞顶吸收的热量平均分摊给各道活塞环，避免第一道活塞环过热2）有的汽油机的活塞在第一道环槽上面，切出一道较环槽窄而宽的隔热槽，隔断传给第一道活塞环的热流通路，使热流方向折转3）热负荷较高的汽油机活塞一般在第一道环槽内镶铸耐热材料（奥氏体铸铁）制造的护圈，因为第一道环槽温度高，铝合金材料硬度大幅下降，易磨损，导致燃气泄漏和窜机油4）四冲程汽油机一般2-3道气环，1道油环，最低一道油环槽内钻有许多径向小孔，气缸壁上多余机油刮下后，经小孔流回油底壳裙部（导向部）油环槽底面至活塞底端的外圆柱表面主要作用：（1）活塞往复直线运动导向（2）承受侧压力发动机工作时活塞裙部的变形1）机械变形：燃气压力作用在活塞顶上，导致销座弯曲变形；裙部挤压变形2）热变形：销座附近金属堆积，受热后热膨胀量大（a）弯曲变形（b）挤压变形（c）销座热变形（d）裙部综合变形结论：机械变形和热变形均使得裙部断面