第2章曲柄連桿機構曲柄連桿機構功用及組成曲柄連桿機構受力分析干、濕式缸套的定位及防漏燃燒室、活塞、活塞環、連桿的結構和裝配特點曲軸的結構、定位及防漏用術語

2.1概述

2.1.1功用與組成功用：將熱能轉變為機械能組成：機體組、活塞連桿組、曲軸飛輪組1.氣體壓力2.1.2工作條件及受力分析：高溫、高壓、高速、化學腐蝕

氣缸內氣體壓力不斷變化，最高達3~5MP

氣缸蓋受向上推力活塞頂受向下推力活塞側面與氣缸壁間有側壓力2.往復慣性力和離心力

曲柄連桿機構運動速度的大小方向不斷變化，產生慣性力，分為：（1）往復慣性力：大小：Pj=m×a；方向：與a相反上止點下止點0Vmax0PjaPja上止點下止點0Vmax0PjaPja離心慣性力定義：曲柄、連桿軸頸、連桿大頭等圍繞曲軸軸線作圓周運動的力大小：Pc=mRω2方向：背離曲軸旋轉中心危害：給主軸頸、主軸承、連桿軸頸、連桿軸承附加力，加速部位磨損，引起振動3.摩擦力相互接觸表面作相對運動時存在摩擦力大小：f=Nμ方向：與相對運動方向相反2.2機體組1.結構形式定義：氣缸體是氣缸的殼體，曲軸箱是支乘曲軸旋轉運動的殼體整體式：氣缸體與曲軸箱鑄成一體分開式：氣缸體與曲軸箱分開鑄造，再用螺栓連接2.2.1氣缸體組成：氣缸體、曲軸箱、油底殼、氣缸套和氣缸蓋和氣缸墊功用：作為發動機各個機構和系統的裝配基體，由它來保持發動機各運動件相互之間的位置關系。整體式氣缸體2.工作條件與要求

條件：氣缸與燃氣接觸，活塞作高速運動，曲軸箱承受較大機械和熱負荷。

要求：氣缸體須有足夠的強度、剛度和良好的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕。

3.構造氣缸：引導活塞往復運動的圓筒曲軸箱：支撐曲軸旋轉運動。凸輪軸座孔：支撐凸輪軸的旋轉水套：保證氣缸在高溫下正常工作，對水冷發動機，制有水套。4.氣缸的排列形式優缺點：直列式：結構簡單、長度、高度較大（垂直、傾斜、水平）。對置式：高度最小、使轎車和大客車總布置更方便V型：剛度大、縮短發動機的長度、高度、質量。排列形式：直列排列（<6缸）、V型排列（>8缸），對置式5.曲軸箱型式型式：１）平分式；２）龍門式；３）隧道式優缺點：１）

平分式：便于機械加工，制造方便，但剛度小，多用于中小型發動機２）

龍門式：結構剛度較大，但工藝性較差。多用中型發動機３）

隧道式：結構剛度最大、主軸承同軸度易保證，多用于機械負荷大的大型發動機

為滿足氣缸工作條件、要求，可以從結構、加工精度、材料等方面采取措施。剛度、強度——采用不同的曲軸箱型式。冷卻——水套或散熱器耐磨損、耐高溫、耐腐蝕——材料，氣缸體采用優質灰鑄體，為提高氣缸的耐磨性、加入少量合金元素：鉻、磷6.氣缸與氣缸套缸套：1）干式缸套；2）濕式缸套。干式：不易漏水漏氣，結構剛度大，質量輕，但冷卻，散熱差干式缸套濕式缸套濕式缸套形式：1）缸體上.直接加工缸筒；2）鑲嵌標準缸徑的氣缸套缸套類型缸套的定位徑向定位：凸出的圓環帶A、B軸向定位：上部凸緣的下表面C（三）缸套的密封漲封式：1.密封槽開在缸套上

壓封式：2.密封槽開在缸體上2.2.2氣缸蓋與氣缸墊1.氣缸蓋功用：密封活塞上部，與活塞、氣缸共同構成燃燒室。工作條件：承受燃氣的熱、機械負荷（1）功用及工作條件（3）結構設進、排氣門座及氣門導管和進、排氣通道。水冷：設水套風冷：設散熱片汽油機：設火花塞座孔柴油機：設噴油器座孔（２）分類整體式、塊狀式、單體式特點：

大缸徑發動機多用分開式氣缸蓋，即：一缸一蓋，二缸或三缸一蓋，缸徑較小發動機采用整體式氣缸蓋（3）材料與氣缸蓋的緊固材料：灰鑄體、合金鑄體、鋁合金（重量輕、散熱能力強，但易變形）二次擰緊緊固從中央對稱地向四周、分次逐步進行，最后按規定扭矩擰緊拆卸時按相反方向進行。注意：鋁合金氣缸蓋必須在發動機冷狀態下擰緊（因鋁缸蓋>鋼螺栓）鑄體氣缸蓋在發動機發熱時最后擰緊。缸體缸蓋2.汽油機燃燒室對燃燒室基本要求：（1）面容比要小；（

2）結構緊湊；（

3）能產生一定的渦流運動；（4）充氣效率高；（

5）表面光滑燃燒室類型：（1）楔形；2）半球形；3）碗形；４）盆形；５）蓬形楔形燃燒室盆形燃燒室碗形燃燒室蓬形燃燒室半球形燃燒室2.2.3氣缸墊1.作用與要求.作用：保證氣缸體與氣缸蓋間的密封，防止漏氣、漏水。要求：1）有足夠的強度，不易損壞；2）耐熱耐腐蝕能力

3）具有一定彈性，能補償接合面不平度，確保密封。4）拆裝方便、能重復使用、壽命長2.氣缸墊的構造1）金屬—石棉墊；2）純金屬墊；注意：安裝方向：1）氣缸墊的卷邊朝向易休整面和硬平面2.2.4油底殼構造特點：設放油塞；設擋油板；薄鋼板沖壓而成；軟木襯墊。功用：儲存和冷卻機油并封閉曲軸箱。2.3活塞連桿組2.3.1活塞活塞頂部與缸蓋、缸壁共同組成燃燒室。承受氣體力、將此力通過活塞銷傳給連桿，推動曲軸旋轉。1.功用、工作條件與要求要求:運動速度高、受交變力作用工作條件：工作溫度高、氣體壓力大；3）導熱性好；5）與缸壁間有較小摩擦系數和間隙。2）質量盡量小、保持最小慣性力4）足夠的耐熱性；1）具有足夠的強度和剛度；2.活塞基本構造分為：頂部、頭部和裙部。1）活塞頂部目前廣泛采用鋁合金活塞頂部活塞環活塞銷活塞銷鎖環活塞裙頂部環槽活塞裙結構特點：形狀：平、凹、凸頂

背面有加強筋工藝：力求光潔;

可在頂部噴鍍陶瓷;它耐高溫、耐腐蝕，但與鋁的結合性能較差，易龜裂剝落。2）活塞環槽部3）活塞裙部作用：為活塞運動導向；承受側壓力護圈作用：（1）承受，傳遞氣體壓力；（2）與活塞環一起實現氣缸密封；（3）將活塞頂吸收的熱量通過活塞環傳導到氣缸壁上（2）油環槽底面上鉆許多徑向小孔構造特點：（1）切有2~3道環槽。（1~2裝氣環）（3）加環槽護圈（4）加工隔熱槽受力分析：1）把裙部斷面加工為長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形。2）直徑加工成上小下大的近似圓錐形；3）活塞裙部沿銷座外端面鑄造時凹陷0.5~1mm活塞結構特點：4）采用雙金屬活塞a.恒范鋼片式；b.自動調節式；c.筒形鋼片式5）其他結構

1.噴油冷卻（油冷活塞）

2.隔熱膜（a）溫控結構（b）裙部表面保護1.鍍；2.外表面磷化3.涂石墨（鍛鋁活塞）；4.表面粗糙化（c）偏置銷座（d）減壓腔（e）桶形裙3.活塞的安裝方向和頂面標記活塞頂面有方向標記（因活塞裙部膨脹槽位置、頂部形狀不對稱、氣門坑或偏置銷座等原因）2.3.2活塞環1.作用

1）氣環：密封和傳熱作用。

2）油環：刮油和布油作用。

2.工作條件與缸壁間高速滑動摩擦、與環槽側面的上下撞擊。由于活塞的錐度和橢圓度，活塞環會沿徑向產生一張一縮的運動，使環受交變應力而容易折斷在高溫、高壓、高速潤滑困難下工作。高溫熱負荷使環的耐磨性能、彈性性能下降，是發動機零件中工作壽命最短的。環徑環側環面環厚環高油孔3.材料及表面處理環由優質灰鑄體、球墨鑄體或合金鑄體制造（具有耐磨、導熱、磨合、沖擊韌性和足夠彈性）表面處理：多孔鍍鉻或噴鉬。4.間隙活塞安裝時留有端隙、側隙、背隙Δ1—端隙（開口間隙）Δ2—側隙（邊隙）Δ3—背隙氣環氣環漏氣通道：a.環面與氣缸壁間；b.環與環槽側面間 c.開口端隙處。1）第一密封面建立。在自由態下，D活塞環>D缸徑，裝入氣缸，環產生一定的彈力P0與缸壁壓緊，形成第一密封面。2）第二密封面建立。

氣缸內未被密封的氣體不能通過第一密封面下竄，進入側隙和背隙。

環與環槽的側面密封壓緊力由氣體壓力P1、活塞環慣性力Pj、和摩擦力F三個沿氣缸軸線方向力決定。

∑F=P1+Pj+F∑F<0：靠在環槽的下側（壓縮、作功、排氣行程）∑F>0：靠在環槽的上側（進氣行程）∑F=0：浮動于環槽中跳上跳下（環的顫振，危險）3）氣環第二次密封

竄入活塞環背隙和側隙的氣體，產生背壓力和側壓力，使環對缸壁和環槽進一步壓緊。顯著加強第一、二密封面密封。漏氣通道環槽中氣體壓力的下降4）開口端隙的防漏

它是唯一的漏氣通道，各環的開口按迷宮式封氣路線錯開安裝。活塞環泵油作用及危害活塞下行活塞上行危害：1）增加了潤滑油消耗2）火花塞可能因沾油不能產生電火花3）使燃燒室積碳增多，甚至環槽內形成積碳。擠壓活塞環而失去密封作用。泵油過程：由于側隙和背隙，當活塞下行——環靠在環槽上方——刮下的油充滿環槽下方—活塞上行——環靠在環槽下方——潤滑油泵入活塞頂氣環的特殊斷面（結構措施）采取減小環質量、特殊斷面形狀氣環，油環下設減壓腔或用組合環式油環等方法可減少泵油危害3）扭曲環矩形環錐形環內切口扭曲環外切口扭曲環梯形環桶形環1）矩形環

結構簡單、制造方便，便于活塞頭部散熱2）錐形環線接觸—單位壓力大—利于密封和磨合，但傳熱性較差。扭曲原理活塞環裝入—受壓產生彎曲變形——中性層外產生拉應力——內產生壓應力—拉應力合力F1指向環中心——壓應力合力F2背離環中心——矩形環中性層內外端面對稱——不產生扭矩—扭曲環中性層內外斷面不對稱——形成力偶——活塞環發生微量扭曲變形。矩形環扭曲環特點：1）線接觸、利于密封和走合、能刮油、布油和形成形油膜2）減小了環在環槽內的上下移動量，從而減小了泵油作用3）作功行程側壓和背壓使扭曲環不再扭曲，兩密封面完全接觸。普通油環油孔油環

活塞在上、下行過程中，油環都刮下氣缸壁上多余的潤滑油，經油環徑向油孔和活塞上的回油孔流回油底殼。分類：普通油環和組合油環。1）普通油環

為增強刮油效果，在其外圓上切環行槽，槽底開若干回油用的小孔或窄槽

為保證對缸壁的壓力，又有較好的柔性，改善對缸壁貼合的適應性，有的發動機將油環減薄，在其加裝襯簧活塞下行刮油活塞上行刮油鋼片軸向襯環徑向襯環組合油環2）組合油環組成：鋼片、軸向、徑向襯簧。軸向力：自由狀態襯簧和兩鋼片的總厚度大于環槽的高度徑向力彈力使鋼片第一密封面密封。軸向彈力使兩鋼片分別貼合在環槽上、下側，使第二密封面密封，消除了側隙。2.3.3活塞銷2.結構基本結構：厚壁管狀體；變截面結構3.活塞銷連接方式1）全浮式：活塞銷在連桿小頭及活塞銷座內部都有合適的配合間隙。功用：連接活塞和連桿，把活塞所受的力傳給連桿。1.功用與工作條件工作條件：承受大小和方向不斷變化的沖擊載荷

作低速擺轉運動，油膜不易建立全浮式卡簧活塞銷2）半浮式半浮式連接：銷與銷座孔和連桿小頭兩處，一處固定，一處浮動。2.3.4連桿1.組成與功用

連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸瓦等功用：將活塞承受的力傳給曲軸。

3.連桿體、連桿蓋構造1）小頭：安裝活塞銷，連接活塞。小頭孔內，壓青銅襯套或鐵基粉末冶金襯套。2.工作條件

承受氣體壓力和往復慣性力產生的沖擊性拉壓交變負荷。連桿承受彎曲交變載荷。2）桿身：常為“工”字形斷面，壓力潤滑的連桿身內鉆有縱向油道3）大頭：（1）切口形式：平切口、斜切口；（2）定位方式：連桿螺栓、鋸齒形、套或銷、止口定位4.連桿軸承1）作用與工作條件作用：使連桿軸頸和連桿大頭間保持良好的油膜，減小摩擦阻力，加速磨合。工作條件：（1）承受交變載荷；（3）低速大負荷時潤滑差，可能會燒瓦。（2）高速摩擦（摩擦熱使潤滑油粘度下降，潤滑變壞，磨損加劇）軸瓦連桿蓋鋼背垃圾槽減磨合金層定位唇2）組成鋼背（低碳鋼）：基體

減磨層：由澆鑄在鋼背內圓的薄層減膜合金制成。對減磨合金性能要求：（1）足夠的疲勞強度；（2）良好的減磨性能（3）良好的耐腐蝕性。（4）足夠的結合強度；（4）過盈配合（過盈可保證軸瓦工作時不轉、不移、不振，并可以使軸瓦與座孔緊密貼合，利于散熱。（5）內表面結構有更低的粗糙度，以便建立良好的油膜。3）結構（1）背面結構；（2）定位裝置：定位唇、定位槽、定位孔、定位銷（3）自由彈勢：2.4曲軸飛輪組2.4.1曲軸組成：曲軸、飛輪、正時齒輪、皮帶輪、扭轉減振器1.功用

把活塞連桿組傳來的氣體壓力轉變為扭矩對外輸出；還驅動配氣機構及其他各種輔助裝置2.工作條件及要求1）承受周期變化的氣體壓力、往復慣性力和離心力，2）在周期載荷下，引起扭轉和彎曲振動而產生附加應力3）轉速和負荷不斷變化,軸頸處不易形成良好油膜.4）緊急制動等情況下,曲軸會產生軸向竄動.要求:細長件曲軸工作時會產生彎曲變形、疲勞破壞和軸頸磨損，因此要有足夠的剛度、強度和一定的耐磨性，并需要很好的平衡。3.材料曲軸要求用強度、沖擊韌性和耐磨性較高的材料制造，一般用優質中碳鋼或中碳合金鋼鍛制，主軸頸和曲柄銷表面上——高頻淬火或氮化處理——精磨；4.構造分整體式和組合式兩種：組成：前端軸、主軸頸、曲柄銷、曲柄、平衡重、后端軸曲拐：曲柄銷和它兩端的曲柄及主軸頸構成一個曲拐。1)主軸頸和曲柄銷（連桿軸頸）全支承式非全支承式是高速滑動摩擦部分，表面經淬火處理，軸頸兩端與曲柄連接處都有半徑要求嚴格的圓角，噴丸、滾壓等強化處理。按主軸頸數，曲軸可分為：全支承曲軸、非全支承曲軸全支承曲軸可提高曲軸剛度和彎曲強度，可減輕主軸承載荷。非全支承曲軸結構簡單常用于中小負荷汽油機。連桿軸頸(曲柄銷)曲柄銷一般是空心的，目的是減小質量和離心力。2）曲柄和平衡重作用：曲柄用來連接主軸頸和連桿軸頸；平衡重是平衡發動機不平衡的離心力和離心力矩的。平衡重有的與曲軸制成一體，有的則是裝配式曲軸必須進行動平衡校核無平衡重加平衡重油道：貫穿主軸頸、曲柄和連桿軸頸。空心的曲柄銷減小了重量和離心力，又構成了積污腔。3）曲拐布置（1）各缸作功間隔角要盡量均衡。對直列發動機，連續工作的兩缸相對曲拐夾角要相等，并等于工作循環期間曲軸轉角除以氣缸數。四缸：曲軸轉兩轉（720度）各缸都應作功一次，則相連作功的兩缸對應的曲拐互成：720/4=180度（2）連續作功的兩缸相隔盡量遠。可減少主軸承載荷，避免相連兩缸進氣門同時開啟發生搶氣現象。123412341234（3）V型發動機左右兩排氣缸盡量交替作功。4）曲拐布置盡可能對稱，均勻，使發動機平衡性好a.直列四沖程四缸發動機曲軸曲拐布置該發動機的工作發火順序有兩種：1—3—4—2；1—2—4—3工作順序：1—3—4—2的發動機工作循環表b.直列四沖程六缸發動機曲軸曲拐布置

曲拐均勻布置在互成120度的三個平面內，相連工作兩缸的曲拐夾角為：720/6=120.發火順序為：1—5—3—6—2—4（各缸作功行程在前半部與后半部氣缸交替進行）其工作循環如表：曲軸后端軸軸承座軸承蓋凸緣盤回油螺紋飛輪飛輪螺栓4）前端軸與后端軸組成結構

前端軸結構：裝正時齒輪，皮帶輪、甩油盤、止推片；起動爪。曲軸前端軸起動爪皮帶輪正時齒輪甩油盤后端軸結構：后端有凸緣盤，用來裝飛輪。還一些防漏裝置。不少曲軸沒有凸緣盤，飛輪用螺栓緊固于曲軸后端面。前后端防漏曲軸前端：擋油盤、自緊油封防漏過程：大量潤滑油飛濺落在擋油盤上、盤隨曲軸高速旋轉產生離心力，甩到正時