第2章 曲柄连杆机构

第2章曲柄连杆机构学习目标●理解曲柄连杆机构的作用和组成●知道曲柄连杆机构的受力分析●掌握机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组主要零件的构造和装配连接关系●掌握机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组主要零件的检测和维修方法●学会曲柄连杆机构的装配与调整第2章曲柄连杆机构曲柄连杆机构是往复活塞式发动机实现能量转换的主要机构。其作用是将燃气作用在活塞顶上的压力转变为曲轴的转矩，使曲轴产生旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构由三部分组成。1、机体组主要包括气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸垫等不动件。2、活塞连杆组主要包括活塞、活塞环、活塞销、连杆等运动件。3、曲轴飞轮组主要包括曲轴、飞轮等机件。2.1概述2.1.1曲柄连杆机构的作用和组成第2章曲柄连杆机构2.1概述2.1.1曲柄连杆机构的作用和组成图2-1发动机曲柄连杆机构的组成第2章曲柄连杆机构1、气体作用力在发动机工作循环的每个行程中，气体作用力始终存在且不断变化。作功行程最高，压缩行程次之，进气和排气行程较小，对机件影响不大，故这里主要分析作功和压缩两行程中的气体作用力。2.1概述2.1.2曲柄连杆机构受力分析第2章曲柄连杆机构在作功行程中，气体压力是推动活塞向下运动的力，燃烧气体产生的高压直接作用在活塞顶部，如图2-2a）所示。活塞所受总压力为FP，它传到活塞销上可分解为FP1和FP2。分力FP1通过活塞传给连杆，并沿连杆方向作用在连杆轴颈上。FP1还可分解为两个分力R和S。沿曲柄方向的分力R使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；与曲柄垂直的分力S除了使主轴颈与主轴承间产生压紧力外，还对曲轴形成转矩T，推动曲轴旋转。FP2把活塞压向气缸壁，形成活塞与缸壁间的侧压力，有使机体翻倒的趋势，故机体下部的两侧应支撑在车架上。在压缩行程中，气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力。这时作用在活塞顶部的气体压力FPˊ也可分解为两个分力FP1ˊ和FP2ˊ，如图2-2b）所示。而FP1ˊ又分解为Rˊ和Sˊ两个分力。Rˊ使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；Sˊ对曲轴造成一个旋转阻力矩Tˊ，企图阻止曲轴旋转。而FP2ˊ则将活塞压向气缸的另一侧壁。在发动机工作循环的任何工作行程中，气体作用力的大小都是随着活塞的位移而变化的，再加上连杆的左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴轴颈的表面以及二者的支撑表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损不均匀。2.1概述2.1.2曲柄连杆机构受力分析第2章曲柄连杆机构2、往复惯性力往复运动的物体，当运动速度变化时，将产生往复惯性力。曲柄连杆机构中的活塞组件和连杆小头在气缸中作往复直线运动，其速度很高且数值变化，当活塞从上止点向下止点运动时，速度变化规律是：从零开始，逐渐增大，临近中间达最大值，然后又逐渐减小至零。即前半行程是加速运动，惯性力向上，以Fj表示，如图2-3a)所示。后半行程是减速运动，惯性力向下，以Fjˊ表示，如图2-3b)所示。同理，当活塞向上运动时，前半行程是加速运动，惯性力向下，后半行程是减速运动，惯性力向上。惯性力使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈承受周期性的附加载荷，加快轴承磨损；未被平衡的变化的惯性力传到气缸体后，还会引起发动机振动。2.1概述2.1.2曲柄连杆机构受力分析3、离心力物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力。在曲柄连杆机构中，偏离曲轴轴线的曲柄、连杆轴颈、连杆大头在绕曲轴轴线旋转时，将产生离心力Fc，其方向沿曲柄向外，如图2.3所示。离心力在垂直方向上的分力Fcy与惯性力Fj的方向总是一致的，因而加剧了发动机的上、下振动。而水平方向的分力Fcx则使发动机产生水平方向的振动。此外，离心力使连杆大头的轴承和轴颈受到又一附加载荷，增加了它们的变形和磨损。4、摩擦力任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间都存在摩擦力。在曲柄连杆机构中，活塞、活塞环、气缸壁之间；曲轴、连杆轴承与轴颈之间都存在摩擦力，它是造成零件配合表面磨损的根源。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。为保证发动机工作可靠，减少磨损，在结构上应采取相应措施。第2章曲柄连杆机构2.1概述2.1.2曲柄连杆机构受力分析第2章曲柄连杆机构1、气缸体与曲轴箱的构造气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，并由它来保持发动机各运动件相互之间的准确位置关系。水冷式发动机通常将气缸体与上曲轴箱铸成一体，简称气缸体，如图2-4所示。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上曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在上曲轴箱上制有主轴承座孔。为了这些轴承的润滑，在侧壁上钻有主油道，前后壁和中间隔板上钻有分油道。气缸体的上、下平面用以安装气缸盖和下曲轴箱，是气缸修理的加工基准。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构下曲轴箱也称油底壳，如图2-5所示。主要用于贮存机油并密封曲轴箱，同时也可起到机油散热作用。油底壳一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机总体结构和机油容量。为保证发动机纵向倾斜时机油泵仍能吸到机油，油底壳中部做得较深，并在最深处装有放油螺塞，有的放油螺塞是磁性的，能吸附机油中的金属屑，以减少发动机运动件的磨损。油底壳内还设有挡油板，防止汽车振动时油面波动过大。为防止漏油，一般都有密封垫，也有的采用密封胶密封。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构（1）气缸体的结构形式气缸体有三种结构形式，即平分式、龙门式和隧道式，如图2-6所示。平分式气缸体其发动机的曲轴轴线与气缸体下平面在同一平面上。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。龙门式气缸体其发动机的曲轴轴线高于气缸体下平面。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，大中型发动机采用。隧道式气缸体主轴承孔不分开，其特点是结构刚度最大，其质量也最大，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。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构（2）气缸的排列方式发动机气缸排列方式有：直列式、V型、VR型、W型、水平对置式等。直列式发动机的各个气缸排成一列，所有气缸共用一根曲轴和一个缸盖，气缸一般垂直布置。直列式结构简单，易于制造，从而在一定程度上降低了成本，但长度和高度较大，故有些发动机为了降低高度，有时也把气缸布置成倾斜的。一般六缸以下发动机多采用直列式。V型发动机将气缸排成二列，其气缸中心线的夹角γ＜1800，最常见的是600～900。这种设计采用一根曲轴驱动两列气缸中的活塞运动，曲轴上每个连杆轴颈上连接两个连杆，发动机必须有两个缸盖。V型结构缩短了发动机的长度，降低了发动机的高度，改善了车辆外部空气动力学特性，且增加了气缸体的刚度，但发动机宽度增大，形状复杂，加工困难，一般多用于气缸数多的大功率发动机上。一些制造厂也设计了一种特殊类型的V型结构，称作W型发动机。它看上去与V型结构很相像，但与V型结构相比，每一侧的活塞数增加了一倍。这种发动机结构非常紧凑，较小的尺寸却有较大的动力。W型结构用在负荷较重的车辆，这些车辆需要10缸或12缸的动力，但却要求尺寸较小。对置式发动机两列气缸之间的夹角为1800，一根曲轴、两个缸盖，曲轴的每个轴颈上连接两个连杆。这种发动机高度最小，用在发动机垂直空间很小的车辆上。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱图2-8直列6缸发动机图2-9V型发动机图2-10W型发动机图2-11VR发动机图2-12水平对置式发动机第2章曲柄连杆机构（3）气缸与气缸套气缸套有两种结构，即干式和湿式，如图2-8所示。干式气缸套不直接与冷却水接触，干式缸套是被压入缸体孔中的，由于缸套自上而下都支撑在缸体上，所以可以加工得很薄，壁厚一般为1～3mm。湿式气缸套与冷却水直接接触，也是被压入缸体的。冷却水接触到缸套的中部，由于它只在上部和下部有支撑，所以必须比干式缸套厚一点，一般壁厚为5～9mm。为了保证径向定位，气缸套外表面有两个凸出的圆环带，即上支承定位带和下支承密封带，轴向定位利用上端凸缘实现。湿式缸套的顶部和底部必须采用密封件，以防止水从冷却系统中渗出。湿式缸套铸造方便，容易拆卸更换，冷却效果好，但气缸体刚度差，易出现漏气漏水。大多数湿式缸套压入缸体后，其顶面高出气缸体上平面0.05～0.15mm。这样当紧固气缸盖螺栓时，可将气缸盖衬垫压得更紧，以保证气缸更好地密封和气缸套更好地定位。水冷式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，利用水套中的冷却水流过高温零件的周围而将热量带走。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱带有一体式气缸孔带有湿式气缸套带有干式气缸套气缸孔在气缸体中加工出来。气缸体浇铸成一体，采用带片状石墨的铸铁或合金铸铁作为气缸体材料。气缸套鑲入气缸体内。冷却液直接接触气缸套并从其周围流过，气缸壁厚为5～9mm。气缸套端部带有凸缘，上端由气缸盖密封垫密封，下端通过密封环将水套与曲轴箱隔开。气缸套采用高级离心铸造工艺制成。气缸套压入气缸孔中。冷却液不直接接触气缸套，气缸套壁厚为1～3mm。气缸套嵌入铝合金和铸铁气缸中，多次镗缸后会造成气缸壁厚不足。第2章曲柄连杆机构2、气缸体的维修（1）气缸体变形的检修1）气缸体变形的检验气缸体的翘曲变形可用平板作接触检验，也可用刀形样板尺（或直尺）和厚薄规（塞尺）检测。用刀形样板尺和厚薄规检测气缸体平面翘曲的方法如图2-9所示。将等于或大于被测平面全长的刀形样板尺放到气缸体平面上，沿气缸体平面的纵向、横向和对角线方向多处用厚薄规进行测量，求得其平面度误差。2）气缸体变形的修理气缸体变形后，可根据变形程度采取不同的修理方法。平面度误差在整个平面上不大于0.05mm或仅有局部不平时，可用刮刀刮平；平面度误差较大时可采用平面磨床进行磨削加工修复，但加工量不能过大，约0.24～0.50mm，否则会影响压缩比。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构（2）气缸体裂纹的检修1）气缸体裂纹的检验气缸体外部明显的裂纹，可直接观察。而对于细微裂纹和内部裂纹，一般采用和气缸盖装合后进行水压试验，如图2-10所示。将气缸盖和气缸衬垫装在气缸体上，将水压机出水管接头与气缸前端水泵入水口处连接好，并封闭所有水道口，然后将水压入水套，要求在0.3～0.4MPa的压力下，保持约5min，应没有任何渗漏现象。如有水珠渗出，则表明该处有裂纹。2）气缸体裂纹的修理在对气缸体裂纹进行修理时，凡涉及漏气、漏水、漏油等问题，一般予以更换。对未影响到燃烧室、水道、油道的裂纹，则根据裂纹的大小、部位、损伤程度等情况选择粘接、焊接等修理方法进行修补。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构（3）气缸磨损的检修1）气缸的磨损规律气缸正常磨损的特征是不均匀磨损。气缸孔沿高度方向磨损成上大下小的倒锥形，最大磨损部位是活塞处于上止点时第一道活塞环对应的气缸壁位置，而该位置以上几乎无磨损形成明显的“缸肩”。气缸沿圆周方向的磨损形成不规则的椭圆形，其最大磨损部位一般是前后或左右方向。造成上述不均匀磨损的原因是：活塞在上止点附近时各道环的背压最大，其中又以第一道环为最大，以下逐道减小；加之气缸上部温度高，润滑条件差，进气中的灰尘附着量多，废气中的酸性物质引起的腐蚀等，造成了气缸上部磨损较大。而圆周方向的最大磨损部位主要是侧向力、曲轴的轴向窜动等造成的。2.2机体组的构造与维修2.2.1气缸体与曲轴箱第2章曲柄连杆机构2）气缸磨损程度的衡量指标气缸的磨损程度一般用圆度和圆柱度表示，也有以标准尺寸和气缸磨损后的最大尺寸之差值来衡量，如桑塔纳、捷达等轿车。圆度误差是指同一截面上磨损