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第二章曲柄连杆机构机体组活塞连杆组曲轴飞轮组§2.1概述一、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。二、组成1、机体组2、活塞连杆组3、曲轴飞轮组三、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。PPjPCF1、气压力：气压力P的集中力PP分解为侧压力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NPSPPRPTPNP(2)压缩行程：侧压力NP向右，活塞的右侧面压向气缸壁，右侧磨损严重NPPSPRPTP2、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。Pj3、离心惯性力PC：旋转机件的圆周运动产生离心惯性力，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。Pc4、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。F四、工作条件高温、高压、高速和化学腐蚀承受机械载荷：1、气体压力、惯性力、离心力、摩擦力2、汽车行驶中产生的冲击力。现代汽车发动机机体组主要由机体、气缸盖、气缸盖罩、气缸衬垫、主轴承盖以及油底壳等组成。镶气缸套的发动机，机体组还包括干式或湿式气缸套。§2.2气缸体与曲轴箱机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。气缸盖用来封闭气缸顶部，并与活塞顶和气缸壁一起形成燃烧室。另外，气缸盖和机体内的水套和油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系统的组成部分。一、气缸体:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体—曲轴箱。是发动机装配的机体。一汽奥迪100汽车发动机气缸体1．机体的工作条件及要求在发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷，同时还因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很大的热负荷。因此，机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体损坏和变形。机体也是最重的零件，应该力求结构紧凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。2．机体材料机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。最近，在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍。3．机体构造名称性能应用一般式机体高度小、重量轻、结构紧凑，便于加工拆卸。刚度和强度差。492Q汽油机。龙门式强度和刚度较好。工艺性差、结构笨重、加工困难。捷达轿车、富康轿车、桑塔纳轿车隧道式结构紧凑、刚度和强度好。难加工、工艺性差、曲轴拆卸不方便。负荷较大的柴油机上。1、按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为二、气缸体的分类：2、根据冷却方式不同(1)、水冷(2)、风冷3、根据气缸的排列方式名称特点形状直列式结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大。V型缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状复杂，加工困难。水平对置式高度小，总体布置方便。4、整体式气缸体和镶嵌式气缸体(1)、整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。(2)、镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内的气缸。类型构造性能及应用整体式气缸直接镗在气缸体上强度和刚度好，能承受大负荷。成本高。镶嵌式用耐磨优质材料制成气缸套，再装到一般材料制成的气缸体内。降低了制造成本，便于修理和更换气缸套，延长了气缸体的使用寿命。5、干缸套和湿缸套外壁不直接与冷却水接触。壁厚1~3mm。强度和刚度都较好，加工复杂，拆装不便，散热不良。外壁直接与冷却水接触。壁厚5~9mm。散热良好、冷却均匀、加工容易。强度和刚度不如干缸套，易漏水。三、气缸盖功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。气缸盖工作条件及要求：气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。为了保证气缸的良好密封，气缸盖既不能损坏，也不能变形，因此气缸盖应具有足够的强度和刚度。为了使气缸盖的温度分布尽可能的均匀，避免进、排气门座之间发生热裂纹，应对气缸盖进行良好的冷却。材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。水冷发动机的气缸盖有整体式、分块式和单体式3种结构形式。在多缸发动机中，全部气缸共用一个气缸盖的，则称该气缸盖为整体式气缸盖；若每两缸一盖或三缸一盖，则该气缸盖为分块式气缸盖；若每缸一盖，则为单体式气缸盖。风冷发动机均为单体式气缸盖。气缸盖的分解图捷达轿车气缸盖总成四、燃烧室名称特点示意图应用半球形结构紧凑、火焰行程短、燃烧速率高、热损失小、热效率高桑塔纳夏利富康楔形结构简单、紧凑、散热面积小、热损失少；火花塞置于燃烧室最高处，火焰传播距离长切诺基盆形工艺性好、成本低、进排气效果不如半球形燃烧室捷达奥迪五、气缸垫1、功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油。2、材料：有弹性、耐热性、耐压性、耐腐蚀六、曲轴箱（油底壳）1、概念：曲轴箱：气缸体下部用来安装曲轴的部分。2、结构：上曲轴箱与气缸体铸成一体下曲轴箱贮存润滑油（油底壳）3、材料：薄钢板冲压七、发动机的支承发动机一般通过机体和飞轮壳或变速器壳上的支承支撑在车架上。发动机的支承方法，一般有三点支承和四点支承两种。三点支承可布置成前一后二或前二后一。采用四点支承法时，前后各有两个支承点。§2.3活塞连杆组一、活塞1、功用：承受气体压力，并通过活塞销和连杆驱使曲轴旋转。2、工作环境：活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。3、材料：铝合金：质量小导热性好；灰铸铁、耐热钢4、结构（1）活塞顶部功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。活塞顶分类形状示意图平顶结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀，多用在汽油机上。凸顶凸起呈球状、顶部强度高，起导向作用、有利于改善换气过程。凹顶凹坑的形状、位置必须有利于可燃混合气的燃烧；提高压缩比，防止碰气门。（2）活塞头部位置：活塞环槽以上的部分。1、承受活塞顶的压力，并传给活塞销。2、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内。3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。作用：（3）活塞裙部位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部表面的保护1）镀锡油膜破坏时，起润滑作用；又可加速磨合作用。2）涂石墨(柴油机）易脆断可加速磨合，自润滑。3）表面粗糙化有规律的粗糙化，可加速磨合，沟谷可存机油润滑。（4）活塞裙部形状工作时，活塞受热膨胀，由于销座方向的金属材料较多，所以膨胀量较大。所以在生产时先将活塞制成椭圆形，短轴在销座轴方向。销座方向裙部受侧压力的作用，导致活塞发生变形工作时向里变形制造时变形后4高强化发动机尤其是活塞顶上有燃烧室凹坑的柴油机，为了减轻活塞顶部和头部的热负荷而采用油冷活赛。用机油冷却活塞的方法有：1)自由喷射冷却法。从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射机油。2)振荡冷却法。从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内壁的环形油槽中，由于活塞的运动使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。3)强制冷却法。在活塞头部铸出冷却油道或铸入冷却油管，使机油在其中强制流动以冷却活塞。强制冷却法广为增压发动机所采用。工作条件：受到高温、高压燃气的作用，润滑不良，高速滑动。由于气缸壁面的形状误差，使活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向移动。这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。活塞环材料及表面处理：活塞环的材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲击韧性、弹性和足够的机械强度。目前广泛应用的材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁和钢带等。第一道活塞环外圆面通常进行镀铬或喷钼处理。多孔性铬层硬度高，并能储存少量机油，可以改善润滑减轻磨损。钼的熔点高，也具有二、活塞环功用：气环的主要功用是密封和传热。油环的主要功用是刮除飞溅到气缸壁上的多余的机油，并在气缸壁上涂布一层均匀的油膜。活塞环安装三隙侧隙背隙端隙（一）气环气环的密封气环的密封原理气环的泵油作用气环的泵油作用形状特点示意图矩形环结构简单、制造方便、易于生产扭曲环断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲锥面环减少了环与气缸壁的接触面，提高了表面接触压力，有利于磨合和密封。梯形环加工困难，精度要求高桶面环外圆为凸圆弧形气环断面形状：活塞环装入气缸之后，其断面中性层以外产生拉应力，断面中性层以内产生压应力。拉应力的合力F1指向活塞环中心，压应力合力F2的方向背离活塞环中心。由于扭曲环中性层内外断面不对称，使F1与F2不作用在同一平面内而形成力矩M。在力矩M的作用下，使环的断面发生扭转。进气、压缩和排气行程中，扭曲环发生扭曲，其工作特点一方面与锥面环类似，另一方面由于扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触，防止了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现象，减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。作功行程中，巨大的燃气压力作用于环的上侧面和内圆面，足以克服环的弹性内力使环不再扭曲，整个外圆面与气缸壁接触，这时扭曲环的工作特点与矩形环相同。（2）油环（普通环组合环）刮油片轴向衬环径向衬环油环的刮油作用三、活塞销1、作用及工作条件：活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的力传给连杆或相反。在高温条件下承受很大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件较差。必须有足够的刚度、强度和耐磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配合间隙和良好的表面质量。其中，刚度尤为重要。2低碳钢或低碳合金钢，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面渗碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工，提高了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲击韧性。结构：厚壁管状体活塞销的连接方式全浮式半浮式偏置销座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1mm～2mm。2、作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击。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。四、连杆组功用：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。连杆组件分解图连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。连杆组材料优质中碳钢或中碳合金钢，如45、40Cr、42CrMo或40MnB等模锻或辊锻而成。连杆螺栓通常用优质合金钢40Cr或35CrMo制造。一般均经喷丸处理以提高连杆组零件的强度。工作条件：连杆作复杂的平面运动，主要受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。最大压缩载荷出现在作功行程上止点附近，最大拉伸载荷出现在进气行程上止点附近。在压缩载荷和连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同作用下，连杆体可能发生弯曲变形。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。定位形式：V型发动机连杆的布置形式并列式主副式叉式并列式优点：连杆可以通用，两列气缸的活塞连杆组运动规律相同。缺点：两列气缸轴心线沿曲轴轴向错开一段距离，使曲轴长度增加，刚度降低。主副连杆式优点：减小了发动机的轴向尺寸；缺点：主副连杆不能互换，运动规律和受力不同。3、叉型连杆式优点：运动规律相同缺点：结构复杂，工艺性差，刚度较低。连杆大头及连杆瓦五、连杆轴承1.作用：保护连杆轴颈及连杆大头孔。2.组成：由钢背和减磨层组成。钢背由1mm～3mm的低碳钢制成。减磨层为0.3mm～0.7mm的减磨合金，层质较软能保护轴颈。3.减磨层材料（1）白合金（巴氏合金）：减磨性能好，但机械