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第二章第二章 曲柄连杆机构曲柄连杆机构 第一节 概述1.曲柄连杆机构的运动分析曲柄连杆机构的运动分析n n曲柄连杆机构的主要零件 机体组机体组活塞连杆组活塞连杆组曲轴飞轮组曲轴飞轮组n n曲柄连杆机构的工作条件：高温，高压，高速和化学曲柄连杆机构的工作条件：高温，高压，高速和化学腐蚀。腐蚀。n n曲柄连杆机构是往复活塞式内燃机的主要工作机构，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。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=jmax 0 j=-jmax 速度变化 0 v=vmax 0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（定值）加速度：j=2r(cos+cos2)=r/l 连杆比；r曲柄半径；l连杆长度；曲柄转角（与y轴正相夹角）位移：xr（1（sin2cos）/2）速度：v=r（sin sin2/2）右图：活塞位移，速度与加速度随曲轴转角的变化关系n n活塞由中间向上行：活塞由中间向上行：增大增大 上止点上止点 减小减小 反向增大反向增大 下止点下止点 反向减小反向减小 j=0 j j=0 jmax max j=0 j j=0 jmaxmax j=0 j=0n n作用在活塞上的力：作用在活塞上的力：气体力，往复惯性力气体力，往复惯性力 j=r j=r 2 2coscos一级加速度一级加速度一级往复惯性力一级往复惯性力 j=r j=r 2 2cos2cos2二级加速度二级加速度二级往复惯性力二级往复惯性力 运动特点运动特点（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曲柄连杆机构的受力分析n n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 n n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=d2/4P1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。n n往复惯性力和离心力往复惯性力和离心力n n往复惯性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）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，曲轴每转一圈，活塞在气缸上半部时，；活塞在气缸下半部时，活塞在气缸下半部时，。F Fj j=-m=-m j jj mj mj j活塞组及连杆作往复运动部分活塞组及连杆作往复运动部分大小、方向呈大小、方向呈 的质量（一般等于连杆全重的的质量（一般等于连杆全重的20%20%周期性变化周期性变化 30%30%）j j活塞加速度活塞加速度 Fj 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机机体和机架上，从而引起内燃机振动 。n n离心惯性力离心惯性力 Fc=-m Fc=-m j j 2 2rr（大小恒定，方向由大头轴颈圆心指向外（大小恒定，方向由大头轴颈圆心指向外 ）Fc Fc始终沿曲柄臂方向并垂直于曲轴轴线向外，此力主要由始终沿曲柄臂方向并垂直于曲轴轴线向外，此力主要由 承受承受 。往复惯性力总向上往复惯性力总向上往复惯性力总向下往复惯性力总向下曲轴主轴承曲轴主轴承 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 Fn：侧向力：侧向力 Ft Ft：切向力：切向力 Fs Fs：连杆力：连杆力 Fk Fk：径向力：径向力 作平衡力作平衡力FtFt与与FtFt,使使FtFt与与FtFt构成力偶，力矩为构成力偶，力矩为M M FnFkFFsFtFnFtFtMrFkFsFtMFnFnFFsM M=FnM=FnAOAO M=-M M=-M M =Ftr M =Ftr曲柄半径曲柄半径 FnFn与与FnFn构成力偶，力矩构成力偶，力矩MM 力矩力矩MM通过曲轴对外输出做功，通过曲轴对外输出做功，MM作用在发动机机体上，并传给发动机支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在机座上)第二节第二节 机体组机体组 机体：机体：气缸体，曲轴箱，油底壳气缸体，曲轴箱，油底壳 1.1.机体的结构形式机体的结构形式：（材料：灰铸铁）：（材料：灰铸铁）平分式平分式：上曲轴箱底平面与曲轴中心线在上曲轴箱底平面与曲轴中心线在同一平面上同一平面上适用于汽油机适用于汽油机分分 （一般式）（优：加工和曲轴拆装方便，一般式）（优：加工和曲轴拆装方便，制造方便，质量轻，高度低制造方便，质量轻，高度低；缺：刚度差）；缺：刚度差）龙门式龙门式：上曲轴箱底平面低于曲轴中心线上曲轴箱底平面低于曲轴中心线类类 （优：刚度强度较好，曲轴可在下方拆（优：刚度强度较好，曲轴可在下方拆装，较方便，装，较方便，但工艺性较差，适用于柴油但工艺性较差，适用于柴油机和强化汽油机机和强化汽油机）隧道式隧道式：安装曲轴主轴承的孔没剖分（支安装曲轴主轴承的孔没剖分（支承刚性最好，承刚性最好，便于安装滚动主轴承支承的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，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（特点：主轴承座孔尺寸应大于曲拐的外廓尺寸，才可安装）外廓尺寸，才可安装）（曲拐：由主轴颈，曲柄和曲柄销组成）（曲拐：由主轴颈，曲柄和曲柄销组成）（P74P74图图2-462-46）水冷：缸体与上曲轴箱连成一体水冷：缸体与上曲轴箱连成一体冷却方式冷却方式 （灰铸铁）（灰铸铁）风冷：缸体与曲轴箱分开风冷：缸体与曲轴箱分开 （铸铁或铸铝）（铸铁或铸铝）气缸体1.1.气缸体气缸体n n作用：作用：1 1、内孔：、内孔：（1 1）形成气缸工作容积形成气缸工作容积 （2 2）活塞运动导向活塞运动导向 2 2、外部、外部 ：（：（1 1）各机构和系统的装配基体）各机构和系统的装配基体 （2 2）散热）散热n n要求：要求：1 1、耐高温、高压、耐高温、高压 2 2、耐磨损、耐磨损 3 3、耐腐蚀、耐腐蚀 4 4、足够的刚度和强度、足够的刚度和强度n n材料和工艺：材料和工艺：1 1、材料、材料 （1 1）气缸套：优质合金铸铁或合金钢）气缸套：优质合金铸铁或合金钢 （2 2）气缸体：灰铸铁或铝合金）气缸体：灰铸铁或铝合金 2 2、气缸工作表面制造工艺、气缸工作表面制造工艺（1 1）精镗）精镗 改善磨合条件改善磨合条件 （2 2级加工精度）级加工精度）（2 2）珩磨（网纹状）珩磨（网纹状）磨合时间短磨合时间短 避免拉缸避免拉缸 气缸排列形式：气缸排列形式：直列式，直列式，V V型，对置式型，对置式 气缸气缸：气缸体内用来引导活塞作往复运动的圆筒：气缸体内用来引导活塞作往复运动的圆筒形空间形空间气缸壁气缸壁：气缸的内壁：气缸的内壁 因活塞与气缸壁在高温下作高速相对运动，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，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气缸材料，加工精度与表面粗糙度要求较高。高。整体式气缸（无缸套）：刚性好，不易发生水套整体式气缸（无缸套）：刚性好，不易发生水套漏水，但铸造困难且耗材。漏水，但铸造困难且耗材。气缸套气缸套：干式干式：不直接与冷却水接触，薄壁（不直接与冷却水接触，薄壁（=1=14mm4mm ），过盈压配在气缸体内孔中），过盈压配在气缸体内孔中。密封密封性好，性好，刚度好，工艺性复杂，加工困难刚度好，工艺性复杂，加工困难缺点是：缺点是：a a、制造成本增加：气缸体内孔、缸套外圆亦制造成本增加：气缸体内孔、缸套外圆亦需精加工，且薄壁缸套刚性差，加工装夹需精加工，且薄壁缸套刚性差，加工装夹时易变形。时易变形。b b、热负荷增加：缸套外圆与气缸体内孔理论热负荷增加：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。全接触，因而散热面积小，影响缸套散热。c c、气缸体铸造工艺性差：水套封闭，去渣困难。气缸体铸造工艺性差：水套封闭，去渣困难。气缸套气缸套气缸套气缸套水套水套气缸体气缸体湿式：湿式：气缸体水套敞开，缸套与冷却水直接接触，壁厚（气缸体水套敞开，缸套与冷却水直接接触，壁厚（=5=59mm 9mm），缸套下端带橡胶封水圈，气缸套外圆上大，下小），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（因为气缸套下端带1-31-3道橡胶封水圈），且上端与气缸体道橡胶封水圈），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。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体顶面0.05-0.15 0.05-0.15 mmmm，这样紧固缸盖时，可将缸垫压得更，这样紧固缸盖时，可将缸垫压得更紧，以密封燃气。紧，以密封燃气。湿式缸套湿式缸套优点是：气缸套冷却好；制造成本低；气缸体铸造工艺优点是：气缸套冷却好；制造成本低；气缸体铸造工艺性好。性好。缺缺点是：气缸体刚性差，容易变形，易漏气、漏水；气点是：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。缸套外圆表面易产生穴蚀现象。3 3.气缸盖与气缸衬垫气缸盖与气缸衬垫 气缸盖气缸盖：（须有足够的刚度，冷却好：（须有足够的刚度，冷却好 ）一般用铝合金或优质）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起形成燃烧室并构成供给系、进、排气系统及冷却系、构成供给系、进、排气系统及冷却系、润滑系的一部分润滑系的一部分对燃烧室的要求：对燃烧室的要求：结构紧凑，表面积小结构紧凑，表面积小（减小热损失及缩短火焰行程）（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使压缩终了具有一定涡流运动（提高混合气燃烧速度，保（提高混合气燃烧速度，保证及时充分燃烧）证及时充分燃烧）汽油机燃烧室形状汽油机燃烧室形状 楔形楔形 结构简单紧凑，结构简单紧凑，压缩终了时能形成挤压涡流压缩终了时能形成挤压涡流 浴盆形浴盆形 结构简单不紧凑，结构简单不紧凑，能形成进气涡流能形成进气涡流 半球形半球形 结构紧凑，结构紧凑，高高，配气机构复杂，配气机构复杂 碗形碗形 蓬形蓬形 0.050.050.050.05 0.150.150.150.15mmmm气缸套气缸套水套水套气缸体气缸体橡胶封水圈橡胶封水圈 （轴向定位）（轴向定位）（径向定位）（径向定位）（径向定位）（径向定位）气缸盖气缸垫n n气缸垫气缸垫：（足够强度，耐热，耐腐蚀，有弹性，拆装方便，寿：（足够强度，耐热，耐腐蚀，有弹性，拆装方便，寿命长命长）作用：是防止漏气漏油漏水作用：是防止漏气漏油漏水材料与结构：材料与结构：（1 1）金属金属+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，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否则容易被燃气或冷却水冲坏（2 2）金属片：带凸纹，强度高，冲压）金属片：带凸纹，强度高，冲压 适用于增压等强化发动机适用于增压等强化发动机3.3.油底壳油底壳 n n功用：收集和储存机油并封闭曲轴箱（用于平分式或龙门式）功用：收集和储存机油并封闭曲轴箱（用于平分式或龙门式）n n柴油机油底壳多用铸铁；汽油机油底壳多用钢板冲压柴油机油底壳多用铸铁；汽油机油底壳多用钢板冲压n n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，过低导致润滑不足滑不足 n n油底壳形状决定于发动机的总体布置和机油容量，油底壳形状决定于发动机的总体布置和机油容量，后部一般做得较深后部一般做得较深，以，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挡油板，避免油，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。以便吸附机油中的金属屑，减少发动机运动件磨损。4.4.发动机支承发动机支承 三点支承三点支承 四点支承四点支承 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。一次要用扭力扳手按工厂规定的数值拧紧。目的：一则目的：一则保证密封性保证密封性，二则，二则避免损坏气缸垫避免损坏气缸垫，三则，三则保保证压缩比的一致性证压缩比的一致性。铝合金制成的气缸盖到最后必须在发动机冷态下拧紧，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；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。时拧紧的螺栓在发动机工作初始后不久会松弛。丰田佳美丰田佳美3S-FE发动机气缸盖螺栓的拆、装卸顺序发动机气缸盖螺栓的拆、装卸顺序第三节第三节 活塞连杆组活塞连杆组 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 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等组成1.1.功用功用:把受到的气体力传给连杆，曲轴对外输出转矩把受到的气体力传给连杆，曲轴对外输出转矩 与气缸壁、气缸盖组成燃烧室与气缸壁、气缸盖组成燃烧室2.2.工作条件工作条件 高的机械负荷高的机械负荷 高的热负荷高的热负荷 高速往复运动，磨损剧烈高速往复运动，磨损剧烈 左右摆动、撞击左右摆动、撞击 3.3.要求要求（1 1）活塞质量小）活塞质量小 往复惯性力小往复惯性力小（2 2）热膨胀系数小）热膨胀系数小 冷态装配间隙小，减轻敲缸现象冷态装配间隙小，减轻敲缸现象（3 3）导热性好）导热性好 减轻热负荷，第一道环槽不易积碳，减轻热负荷，第一道环槽不易积碳，活塞顶不易热裂活塞顶不易热裂（4 4）耐磨）耐磨 环槽不易磨损，裙部不易磨损环槽不易磨损，裙部不易磨损（5 5）耐高温）耐高温 高温时机械强度不会下降太多高温时机械强度不会下降太多（6 6）足够的刚度和强度）足够的刚度和强度 销座不会弯曲变形；活塞顶不会压碎销座不会弯曲变形；活塞顶不会压碎4.材料 共晶共晶铝硅合金（铸铝、锻铝）铝硅合金（铸铝、锻铝）（质量小，导热性好，线膨胀系数小（质量小，导热性好，线膨胀系数小 ，适用于一般发动机），适用于一般发动机）；组合式：上半部用钢，下半部用铝合金，组合式：上半部用钢，下半部用铝合金，沉头螺栓连接沉头螺栓连接 （刚度好，高温强（刚度好，高温强度高；热膨胀系数低，装配间隙小；度高；热膨胀系数低，装配间隙小；耐磨；质量居中；耐磨；质量居中；仅适用于极少数大仅适用于极少数大功率强化柴油机功率强化柴油机）5.工艺:铸造；锻造；模锻铸造；锻造；模锻6.结构特点由由顶部、头部、裙部顶部、头部、裙部组成组成 顶部顶部：组成燃烧室，易热裂、压碎，要：组成燃烧室，易热裂、压碎，要求加工应光洁，材料应阻热求加工应光洁，材料应阻热 活塞连杆组活塞连杆组第第1道气环道气环第第2道气环道气环组合油环组合油环活塞销活塞销活塞活塞连杆连杆连杆螺栓连杆螺栓连杆盖连杆盖连杆轴瓦连杆轴瓦活塞结构活塞结构 活塞销座活塞销座活塞销活塞销活塞销卡环活塞销卡环1活塞顶部活塞顶部2活塞头部活塞头部3活塞裙部活塞裙部平顶平顶:吸热面积小，制造工艺简单（四冲程汽油机）吸热面积小，制造工艺简单（四冲程汽油机）凸顶凸顶:刚性好、强度高，但吸热面积大，难加工（二冲程汽油机，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）凸顶有利于扫气）凹顶凹顶:一般适用于车用直喷式柴油机，如一般适用于车用直喷式柴油机，如 形、四角形、花瓣形燃烧形、四角形、花瓣形燃烧室室 但有的汽油机如桑塔纳但有的汽油机如桑塔纳2000GSI2000GSI轿车轿车AJRAJR发动机的活塞顶是凹顶，发动机的活塞顶是凹顶，主要为减少往复惯性质量，主要为减少往复惯性质量，改善混合气形成和燃烧，有时可用来改善混合气形成和燃烧，有时可用来调节发动机的压缩比。调节发动机的压缩比。头部头部（防漏部、环槽部）（防漏部、环槽部）油环槽以上部分油环槽以上部分主要作用主要作用：（1 1）承受燃气压力，并传给连杆承受燃气压力，并传给连杆（2 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，阻止机油窜入机油窜入 ）（3 3）将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导给气缸体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结构特点：1 1）活塞内腔呈流线型，由活塞顶的最小空径活塞内腔呈流线型，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 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 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（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料硬度大幅下降，易磨损，导致燃气泄漏和窜机油 4 4）四冲程汽油机一般四冲程汽油机一般2-32-3道气环，道气环，1 1道油环，最低一道油环槽内钻道油环，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（导向部）油环槽底面至活塞环槽底面至活塞底端的外圆柱表底端的外圆柱表面面主要作用主要作用：（：（1 1）活塞活塞往复直线运动导向往复直线运动导向 （2 2）承受侧压力）承受侧压力发动机工作时活塞发动机工作时活塞裙部的变形裙部的变形1 1）机械变形：燃气压机械变形：燃气压力作用在活塞顶上，力作用在活塞顶上，导致导致销座弯曲变形；销座弯曲变形；裙部挤压变形裙部挤压变形2 2）热变形：销座附近）热变形：销座附近金属堆积，受热后热金属堆积，受热后热膨胀量大膨胀量大（a）弯曲变形弯曲变形（b）挤压变形挤压变形（c）销座热变形）销座热变形（d）裙部综合变形）裙部综合变形结论：机械变形和热变形均使得裙部断面变成长轴沿活塞销方向的椭圆结构特点结构特点：1 1）裙部横断面呈反椭圆形（活塞裙部加工成短轴沿活塞）裙部横断面呈反椭圆形（活塞裙部加工成短轴沿活塞销方向）销方向）2 2）沿高度方向呈上小下大的圆锥形（同一截面从上到下沿高度方向呈上小下大的圆锥形（同一截面从上到下温度温度 ）3 3）裙部次推力面侧开裙部次推力面侧开“T”“T”形槽或形槽或“”形槽，次推力形槽，次推力面侧开横向隔热直槽（油环槽内，兼做泄油槽）和纵向面侧开横向隔热直槽（油环槽内，兼做泄油槽）和纵向膨胀补偿斜槽（避免拉伤气缸壁）使其具有一定弹性膨胀补偿斜槽（避免拉伤气缸壁）使其具有一定弹性 4 4）销座附近裙部凹陷）销座附近裙部凹陷0.51.0mm0.51.0mm（减少此处金属堆积，以（减少此处金属堆积，以减少热变形）减少热变形）5 5）双金属活塞（销座内侧镶铸热膨胀系数极低的恒范钢）双金属活塞（销座内侧镶铸热膨胀系数极低的恒范钢片，牵制此处热变形）片，牵制此处热变形）6 6）拖板式裙部（活塞销座下方挖去大块金属，以减轻往）拖板式裙部（活塞销座下方挖去大块金属，以减轻往复惯性质量，避免下止点时活塞裙部下端与曲轴平衡重复惯性质量，避免下止点时活塞裙部下端与曲轴平衡重相碰，并且可使裙部富有弹性，补偿热变形）相碰，并且可使裙部富有弹性，补偿热变形）冷态敲缸现象冷态敲缸现象：活塞装配时应留有间隙。冷态装配间隙若活塞装配时应留有间隙。冷态装配间隙若无或过小，则由于活塞工作时的机械变形和无或过小，则由于活塞工作时的机械变形和热变形时裙部直径增大，容易拉伤气缸壁热变形时裙部直径增大，容易拉伤气缸壁（又称拉缸），轻则造成漏气、窜机油，重（又称拉缸），轻则造成漏气、窜机油，重则活塞卡死。则活塞卡死。由于冷态装配间隙的存在。活塞工作时侧压由于冷态装配间隙的存在。活塞工作时侧压力方向的交替变化，时而是活塞的次推力面力方向的交替变化，时而是活塞的次推力面侧贴紧气缸壁，时而是活塞的主推力面侧贴侧贴紧气缸壁，时而是活塞的主推力面侧贴紧气缸壁，形成金属敲缸声，加剧裙部磨损。紧气缸壁，形成金属敲缸声，加剧裙部磨损。显然，发动机冷车时敲缸现象严重。显然，发动机冷车时敲缸现象严重。减轻冷态敲缸现象的主要结构措施减轻冷态敲缸现象的主要结构措施：1)1)活塞销偏置：偏向主推力面侧活塞销偏置：偏向主推力面侧12mm12mm，可使，可使活塞越过上止点活塞越过上止点之前之前就完成推力面侧的换向，就完成推力面侧的换向，避免峰值压力时刻过渡避免峰值压力时刻过渡，因而可以减轻敲缸，因而可以减轻敲缸现象，但增加了裙部尖角处的磨损，常见于现象，但增加了裙部尖角处的磨损，常见于汽油机。汽油机。2)2)减少冷态装配间隙：通过改进结构措施，减少冷态装配间隙：通过改进结构措施，制成反椭圆裙部断面，牵制裙部工作时的热制成反椭圆裙部断面，牵制裙部工作时的热变形，从而在保证活塞工作时不拉缸的前提变形，从而在保证活塞工作时不拉缸的前提下减小活塞配缸间隙，减轻发动机冷车敲缸下减小活塞配缸间隙，减轻发动机冷车敲缸现象。现象。2.活塞环活塞环分成气环和油环分成气环和油环（一）作用（一）作用：1 1、气环：、气环：（1 1）密封（防止燃气漏入曲轴箱）；是密封（防止燃气漏入曲轴箱）；是主要作用。主要作用。（2 2）传热（将活塞头部吸收的）传热（将活塞头部吸收的70%80%70%80%的热量传导给气缸壁）。的热量传导给气缸壁）。2 2、油环：、油环：（1 1）润滑（气缸壁上铺油膜）润滑（气缸壁上铺油膜）（2 2）刮油（气缸壁上多余机油刮落回曲轴箱）刮油（气缸壁上多余机油刮落回曲轴箱）（3 3）辅助密封）辅助密封（二）工作特点（二）工作特点：（1 1）高温、高压、高速，润滑不良，磨损严重）高温、高压、高速，润滑不良，磨损严重（2 2）交变的弯曲应力（气缸壁沿高度方向有加工锥度，环有开口）。）交变的弯曲应力（气缸壁沿高度方向有加工锥度，环有开口）。（三）要求（三）要求：（1 1）足够的强度、冲击韧性）足够的强度、冲击韧性（2 2）耐高温（第）耐高温（第1 1道气环）、耐磨道气环）、耐磨（四）材料（四）材料：（1 1）一般用）一般用合金铸铁，少数高速强化柴油机用钢片环（以提高弹力和冲击韧性）合金铸铁，少数高速强化柴油机用钢片环（以提高弹力和冲击韧性）（2 2）第第1 1道气环的工作表面一般都镀上多孔性铬（硬度高，并能储存少量机油，道气环的工作表面一般都镀上多孔性铬（硬度高，并能储存少量机油，以改善润滑条件）以改善润滑条件）（3 3）其余气环一般镀锡（铸铝活塞）或磷化（锻铝活塞）（以改善磨合性能）其余气环一般镀锡（铸铝活塞）或磷化（锻铝活塞）（以改善磨合性能）（五）气环的密封机理（五）气环的密封机理第一密封面（气环装入气缸第一密封面（气环装入气缸时产生的时产生的初始弹力初始弹力F1F1）第二密封面（第二密封面（燃气压力燃气压力F2F2）气环的切口端呈迷宫式布置气环的切口端呈迷宫式布置（减少漏气）。（减少漏气）。1 1、第一密封面很重要，若、第一密封面很重要，若失效，则第二密封面建立失效，则第二密封面建立不起来，因此不起来，因此气环装入气气环装入气缸时产生的初始弹力缸时产生的初始弹力F1F1很很重要。重要。2 2、由书本、由书本6464页图页图2 22828可知，可知，第一道气环的初始弹力第一道气环的初始弹力F1F1要求最小，随后的几道气要求最小，随后的几道气环环的初始弹力的初始弹力F1F1大小要求大小要求依次递增。依次递增。气环的密封机理（六）气环的结构特点（六）气环的结构特点：（1 1）切口形状：）切口形状：1 1）直角切口：）直角切口：工艺性好，密封效果差工艺性好，密封效果差2 2）阶梯切口：密封好，工艺性差）阶梯切口：密封好，工艺性差3 3）斜切口：）斜切口：介于中间，但套装时尖角易介于中间，但套装时尖角易折断折断4 4）带防转销钉槽切口：）带防转销钉槽切口：方向不可装反，方向不可装反，否则，漏气量急剧增加否则，漏气量急剧增加（2 2）气环的断面形状）气环的断面形状：1 1）矩形环矩形环：工艺最简单，导热性好，但存在工艺最简单，导热性好，但存在“泵油泵油”现象现象矩形环的矩形环的“泵油泵油”作用原理作用原理解释：解释：活塞下行时，分两种情况：在进气行程中，活塞下行时，分两种情况：在进气行程中，由于环与缸壁的摩擦阻力以及环本身的惯由于环与缸壁的摩擦阻力以及环本身的惯性，环将靠紧环槽的上侧平面，缸壁上的性，环将靠紧环槽的上侧平面，缸壁上的机油就被刮入下边隙与背隙内；在膨胀作机油就被刮入下边隙与背隙内；在膨胀作功行程中，燃气压力的作用大于摩擦阻力功行程中，燃气压力的作用大于摩擦阻力和惯性的影响，环被压紧在环槽的下侧平和惯性的影响，环被压紧在环槽的下侧平面，下边隙与背隙内的机油上窜。面，下边隙与背隙内的机油上窜。活塞上行时，在活塞上行时，在摩擦阻力、惯性、缸内气体摩擦阻力、惯性、缸内气体压力的作用下，压力的作用下，环将靠紧在环将靠紧在环槽的下侧平环槽的下侧平面，下边隙与背隙内的机油上窜。面，下边隙与背隙内的机油上窜。由于矩形环的“泵油”作用，气缸壁上的机油将源源不断地上窜入活塞顶上燃烧室内烧掉，使排气管冒蓝烟。2 2）扭曲环：扭曲环：a a）正扭曲环：内圆上边缘切去部分金属或外圆下边缘切去部分金属）正扭曲环：内圆上边缘切去部分金属或外圆下边缘切去部分金属b b）反扭曲环：内圆下边缘切去部分金属或外圆上边缘切去部分金属）反扭曲环：内圆下边缘切去部分金属或外圆上边缘切去部分金属扭曲环成因：扭曲环成因：活塞环装入气缸后，其外侧气缸壁的作用力活塞环装入气缸后，其外侧气缸壁的作用力F1F1与内侧环的弹力与内侧环的弹力F2F2不在一条不在一条直线上，于是产生扭曲力矩直线上，于是产生扭曲力矩MM，从而使环的边缘与环槽的上下侧平面都，从而使环的边缘与环槽的上下侧平面都接触，避免了因环在环槽内的上下窜动造成的接触，避免了因环在环槽内的上下窜动造成的“泵油泵油”现象。现象。环的扭曲变形应使环的扭曲变形应使环的端面与气缸壁形成的楔形尖角向下环的端面与气缸壁形成的楔形尖角向下。（活塞向上运。（活塞向上运动时，因动时，因“油楔油楔”作用使环悬浮于气缸壁，改善润滑，减少摩擦阻力；作用使环悬浮于气缸壁，改善润滑，减少摩擦阻力；活塞向下运动时，向下刮油。但如果装反使尖角朝上，则活塞向上运活塞向下运动时，向下刮油。但如果装反使尖角朝上，则活塞向上运动时，向上刮油，机油消耗率剧增，排气冒蓝烟）。动时，向上刮油，机油消耗率剧增，排气冒蓝烟）。扭曲环的优点：扭曲环的优点：a a）密封性、磨合性好（线接触）密封性、磨合性好（线接触）b b）防止）防止“泵油泵油”现象现象c c）形成油楔，改善润滑）形成油楔，改善润滑d d）提高刮油能力）提高刮油能力缺点：缺点：a a）扭转角不超过）扭转角不超过11，工艺性差，工艺性差b b）不可装反，否则机油消耗率成倍增加，）不可装反，否则机油消耗率成倍增加，环上有朝上记号环上有朝上记号3 3）锥形）锥形环环：小锥角，不超过小锥角，不超过2 2，方向不可装反。优缺点同扭曲环，但仍，方向不可装反。优缺点同扭曲环，但仍有有“泵油泵油”现象。现象。4 4）梯形环）梯形环：侧压力方向的交替变化，使环槽间隙时而减小，时而增大，侧压力方向的交替变化，使环槽间隙时而减小，时而增大，间隙中的结焦被挤出，避免环因粘结而折断，常做第一道气间隙中的结焦被挤出，避免环因粘结而折断，常做第一道气环。缺点是环上、下两侧平面难以精磨，工艺性差，仍有环。缺点是环上、下两侧平面难以精磨，工艺性差，仍有“泵油泵油”现象现象5 5）桶面环桶面环：与气缸壁凸圆弧面接触：与气缸壁凸圆弧面接触优点：优点：a a）活塞上下移动时均能形成油楔作用，改善润滑）活塞上下移动时均能形成油楔作用，改善润滑b b）避免棱缘负荷，能很好适应活塞的摆动及气缸表面）避免棱缘负荷，能很好适应活塞的摆动及气缸表面c c）密封性改善）密封性改善缺缺点：点：a a）工艺性差（凸圆弧面难加工）工艺性差（凸圆弧面难加工）b b）仍有）仍有“泵油泵油”现象现象（七）油环的结构特点：（七）油环的结构特点：（1 1）油环置于最后一道环槽，背隙内气体压力极低，因此，油环）油环置于最后一道环槽，背隙内气体压力极低，因此，油环置于气缸内时，必须具有较大的初始弹力置于气缸内时，必须具有较大的初始弹力（2 2）油环的断面形状如图，均分布若干个中间泄油孔，设计重点）油环的断面形状如图，均分布若干个中间泄油孔，设计重点在于提高与气缸壁的接触比压，以提高刮油能力在于提高与气缸壁的接触比压，以提高刮油能力（3 3）油环分为两种类型：）油环分为两种类型：1 1）普通槽孔式油环：）普通槽孔式油环：合金铸铁，鼻形倒角合金铸铁，鼻形倒角 2 2）组合钢片式油环：接触比压大，刮油能力强，泄油通路大，）组合钢片式油环：接触比压大，刮油能力强，泄油通路大，惯性质量小，但制造成本高惯性质量小，但制造成本高组合油环组合油环1-上刮片上刮片2-衬簧衬簧3-下刮片下刮片4-活塞活塞3.活塞销活塞销（一）活塞销（一）活塞销1 1、作用作用：连接活塞和连杆小头，并将活塞承受的气体力传给连杆连接活塞和连杆小头，并将活塞承受的气体力传给连杆2 2、要求：要求：（1 1）足够的刚度、强度）足够的刚度、强度 （2 2）表面耐磨，内部有较好的韧性和较高的疲劳强度）表面耐磨，内部有较好的韧性和较高的疲劳强度 （3 3）质量小（减少往复惯性力）质量小（减少往复惯性力 ）3 3、材料与工艺材料与工艺：一般为低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳或渗氮处理以提高心部冲击一般为低碳钢或低碳合金钢，经表面渗碳或渗氮处理以提高心部冲击韧性和表面硬度，然后进行精磨和研磨韧性和表面硬度，然后进行精磨和研磨4 4、结构特点结构特点：管状：管状（1 1）等截面圆柱形）等截面圆柱形：易加工，但质量大：易加工，但质量大（2 2）两段截锥形：等强度梁，质量小，但难加工）两段截锥形：等强度梁，质量小，但难加工（3 3）组合形：居中）组合形：居中5 5、活塞销连接方式活塞销连接方式：活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接配合，一般采用活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接配合，一般采用“全浮式全浮式”，在发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座在发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢转动，以使活塞销表面的磨损比较均匀，但必须在活塞销座两端用孔内缓慢转动，以使活塞销表面的磨损比较均匀，但必须在活塞销座两端用卡环定位，防止轴向窜动。由于铝合金活塞销座的热膨胀量大于钢活塞销，卡环定位，防止轴向窜动。由于铝合金活塞销座的热膨胀量大于钢活塞销，因此，在冷态装配时，活塞销与活塞销座孔为过渡配合，装配时，应先将铝因此，在冷态装配时，活塞销与活塞销座孔为过渡配合，装配时，应先将铝合金活塞预热（合金活塞预热（7090C7090C的水或油中加热），然后将销装入。的水或油中加热），然后将销装入。4.连杆连杆1 1、作用：作用：将活塞承受的力传给曲轴将活塞承受的力传给曲轴 ，将活塞往复直线运，将活塞往复直线运动转变为曲轴的旋转运动。动转变为曲轴的旋转运动。2 2、工作特点：工作特点：复杂平面运动，承受压缩、拉伸、弯曲等复杂平面运动，承受压缩、拉伸、弯曲等交变载荷。交变载荷。3 3、受力：受力：活塞顶的气体力；活塞组和连杆小头的往复惯活塞顶的气体力；活塞组和连杆小头的往复惯性力；连杆本身绕活塞销作变速摆动时的横向惯性力性力；连杆本身绕活塞销作变速摆动时的横向惯性力 4 4、要求：要求：在质量尽可能小的前提下有足够的刚度和强度。在质量尽可能小的前提下有足够的刚度和强度。刚度不足的后果：刚度不足的后果：（1 1）大头孔失圆：）大头孔失圆：烧轴瓦，甚至咬死。烧轴瓦，甚至咬死。（2 2）杆身弯曲：偏磨，漏气，窜机油。）杆身弯曲：偏磨，漏气，窜机油。5 5、材料与工艺：材料与工艺：4040，4545 优质中碳钢或合金钢经模锻而成。优质中碳钢或合金钢经模锻而成。6、结构特点：由连杆小头由连杆小头1 1、杆身、杆身2 2、连杆大、连杆大头头3 3（包括连杆盖（包括连杆盖9 9）三部分组）三部分组成。成。（1 1）连杆小头连杆小头：一般压入减磨的锡青铜衬套一般压入减磨的锡青铜衬套4 4，小头顶部铸有工艺凸台，减，小头顶部铸有工艺凸台，减重用；小头顶部开有润滑油槽重用；小头顶部开有润滑油槽，收集飞溅油雾，润滑活塞销。，收集飞溅油雾，润滑活塞销。（2 2）杆身：杆身：通常做成通常做成“工工”字形断面，以字形断面，以求在刚度足够的前提下尽可能求在刚度足够的前提下尽可能减少惯性质量，有的杆身钻有减少惯性质量，有的杆身钻有润滑油道。润滑油道。45671-连杆小头连杆