第二章 曲柄连杆机构

第二章曲柄连杆机构第一节概述一、功用：实现内燃机的工作循环，完成能量的转换，并以曲轴旋转的形式向外输出动力。

二、组成：曲柄连杆机构由以下三部分组成：1．机体组主要包括汽缸体、曲轴箱、油底壳、汽缸套、汽缸盖和汽缸垫等不动件；2．活塞连杆组主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件；3．曲轴飞轮组主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器、平衡轴等机构。

三、主要运动零件的基本运动形式：１、活塞：往复直线运动，另外还有摆动、颤动等。

２、曲轴：旋转运动，还有振动等。

３、连杆：平面运动——平动＋转动，即将活塞的往复直线运动与曲轴旋转运动进行相互转换。

四、运动及受力分析研究零件的受力情况，是研究摩擦和磨损规律的基础，也是研究零件损坏规律的基础。

曲柄连杆机构是在高温、高压和高速以及有化学腐蚀的条件下工作的，虽然各零件的工作条件不同，但机构中各传动件的受力情况是相互牵连的，因此，对其受力情况作简单分析。

受力种类：气体压力、往复惯性力、旋转运动件的离心力以及相对运动件接触表面的摩擦力，对外输出动力时在曲轴上的工作阻力矩以及由于振动引起的附加力和力矩等。

１、气体压力：在整个工作循环中气体压力始终存在，但是进、排气两行程中的气体压力虽然都阻碍曲轴的旋转，但由于作用力很小，故可忽略。

这里主要研究作功、压缩两行程中的气体作用。

(1)作功行程综上所述，燃气的总压力F P最终表现为：侧压力F P2、连杆轴颈与轴承的压紧力Fs、主轴颈与轴承的压紧力R和驱动矩T的作用。

随F P力大小及连杆与曲轴运动位置的变化，上述力和力矩的大小也在不断变化。

(2)压缩行程：通过上述气体压力的作用分析可以看出：由于曲轴运转两圈中只有半圈做功冲程中有驱动力矩，且大小又在变化，其他一圈半都存在着阻力矩阻碍曲轴的旋转，故曲轴运转不平稳。

由于侧压力作用使活塞ββαββαcos )sin(cos )cos(+=+=p p F T F R和汽缸壁两侧磨损大，由于压紧各轴颈和轴承的力的大小、方向和作用点都在变化，因此使曲轴各主轴颈、连杆轴颈及其轴承磨损不均匀。

2、惯性力：首先复习惯性力：其一，凡非匀速运动的物体均要产生惯性力，速度为矢量；其二，惯性力大小和方向的判断；直线运动物体的惯性力，其方向在减速运动时和运动方向一致，在加速运动时和运动方向相反，小与物体的质量及加速度的大小成正比。

圆周运动物体的惯性力，即离心力，方向始终背离圆心向外．大小与物体的质量、旋转半径及角速度的平方成正比。

由于曲柄连杆机构运动速度的大小和方向都是不断变化的，所以要产生惯性力。

为了分析方便，将惯性力简化为往复惯性力和离心惯性力。

(1)往复惯性力：活塞及连杆小头在气缸内作往复直线运动时，速度变化急剧，当到达上、下止点的速度为零，临近行程中间时速度最大。

因此当活塞向下运动时，前半程是加速运动，惯性力向上；后半行程是减速运动，惯性力向下；同理，当活塞向上运动时，前半行程惯性力向下；后半行程惯性力向上。

可见，不管活塞是向上还是向下运动，只要活塞处于气缸上半部时，惯性力总是向上的，而处于气缸下半部时，惯性力总是向下的。

活塞、活塞销及连杆小头的质量愈大，曲轴转速愈高，则往复惯性力也愈大。

它使曲柄连杆机构零件受到周期性的附加载荷，并引起发动机的上下振动。

(2)旋转惯性力：曲轴的连杆轴颈、曲柄臂和连杆大头部是绕曲轴中心线作旋转运动的，因此必然产生旋转惯性力。

若把它分解为水平方向和垂直方向的两分力，则垂直方向的分力总是和往复惯性力的方向一致，将加剧发动机的上下振动，而水平方向的分力则使发动机产生水平方向的振动。

另外旋转惯性力也使各零件受到周期性附加载荷。

第二节内燃机的旋转平稳性和惯性力的平衡由受力分析知，由于分解后得到的切向力呈周期性变化，使发动机转速时快时慢，另一方面，惯性力的作用使发动机产生振动并受到附加载荷，为解决问题可从以下方面考虑：一、旋转平稳性解决曲轴旋转平稳性的方法有：1、安装飞轮。

由于飞轮质量较大，装于曲轴一端，利用它的惯性作用，在作功行程中贮存部分动能，使曲抽转速不致太快；而在其它3个行程中释放动能，又使曲轴转速不致太慢，从而使曲轴旋转较为平稳。

2、把多缸发动机各缸的作功行程均匀错开。

即在发动机完成一个工作循环的曲轴转角内，各缸作功行程的间隔(以曲轴转角表示)应力求均匀。

若多缸发动机的气缸数为i，则四行程发动机各缸的着火间隔应为720／i，二行程发动机各缸的着火间隔应为360/i。

二、惯性力平衡：惯性力的不平衡，可加重各零件的载荷，引起振动，可以采用适当的汽缸数量、气缸排列形式、曲拐的布置等，且可在曲轴上设置平衡重加以平衡。

第三节机体组件机体组主要由汽缸体、曲轴箱、油底壳、汽缸套、汽缸盖和汽缸垫等组成。

一、汽缸体：1、概述：（1）结构型式与功用：汽缸体是汽缸的壳体，曲轴箱是支撑曲轴作旋转运动的壳体，二者组成了柴油机的机体。

其结构型式有整体式和分体式两种。

整体式汽缸体或分体式的曲轴箱是组装柴油机的基础件，并由它来保持柴油机各运动件相互之间的位置关系。

（2）工作条件：汽缸体曲轴箱承受有较大的机械负荷，不仅包括前述的各种力，还有公路工程机械行驶时柴油机本身质量引起的各种冲击力。

汽缸体还要承受较复杂的热负荷——燃烧气体给予汽缸壁的热量，主要通过汽缸体来散失。

还有振动和摩擦，以及腐蚀。

（3）要求：要求汽缸体、曲轴箱具有足够的强度、刚度和良好的耐热性、耐蚀性等。

冷却效果好，结构紧凑，重量轻，具有必要的加工精度和粗糙度等。

（4）材料：一般用灰铸铁，也有采用铝合金材料。

2、汽缸体结构分析：（1）保证汽缸体刚度和强度的结构措施：1）对于多缸、水冷式发动机，其缸体采用整体铸造；2）两缸之间设置隔板和加强筋；3）采用合理的结构形式；采用龙门式汽缸体。

汽缸体按照主轴承座孔的型式不同，有三种结构：其一：一般式（平分式、无裙式）：平分式主轴承座孔中心线位于曲轴箱分界面上，其特点是制造方便，但刚度小，且前后端呈半圆形，与油底壳接合面的密封较困难。

多用于中、小型柴油机。

其二：龙门式（拱桥式）：龙门式主轴承座孔中心线高于曲轴轴线分界面，其特点是结构刚度较大且油底壳前后端为一平面，其密封简单、可靠，被大、中型柴油机所广泛采用。

上述两种型式的主轴承座孔均为分开式，内孔和端面的加工是在主轴承盖上用定位销或定位套(平分式)，或主轴承盖两侧平面(龙门式)定位并用螺栓固定后进行的，因而轴承盖既不可换位也不可换向。

为避免错装，在主轴承盖上都有位置和方向标记。

其三：隧道式：主轴承座孔不分开。

其特点是结构刚度最大，主轴承同轴度易保证。

但与其配套使用的曲轴刚度较差，易引起内燃机强烈振动,故已少用。

（2）缸体的冷却散热：1）水冷：冷却介质为水，水冷式发动机汽缸体的中空夹层形成水套，储存冷却水，通过水的循环流动，带走部分热量，增加散热面积。

2）风冷：冷却介质为空气，风冷式发动机汽缸体与曲轴箱分开铸造，而且在汽缸体与气缸盖外表面铸有铝质散热片，以增加散热面积。

（3）缸体的润滑：在汽缸体内设置油道，利用润滑油来减轻磨损。

（4）为防止汽缸壁过度磨损，汽缸壁应有较高的加工精度及较低的粗糙度，但过低的粗糙度由于油膜形成困难，反而加速汽缸壁的磨损，因此在汽缸壁上留有与汽缸母线成60~67度的绗磨或滚碾的纹路，以储存润滑油。

（5）汽缸体的加工精度：汽缸套孔的圆柱度；凸轮轴承孔的同轴度；主轴承孔的同轴度；汽缸体上下平面的平面度；气缸中心线与主轴承孔中心线的垂直度；汽缸体后端面与主轴承孔中心线的垂直度；凸轮轴承孔的中心线与主轴承孔中心线的平行度等。

（6）为了安装其他零部件，汽缸体上加工有若干孔、凸台、平面和螺栓孔等。

二、汽缸套1、采用汽缸套的目的（1）节约优质材料（2）使用铝合金的汽缸体耐磨性差，必须采用镶入汽缸套的结构（3）为修理方便。

2、汽缸套的种类及其结构与优缺点根据缸套是否直接与冷却水接触，缸套分为干式和湿式两种。

（1）干式缸套：特点：外表面不直接与冷却水接触，其壁厚一般为1～3mm。

为了获得与缸体间足够的实际接触面积，以保证缸套的散热和定位，缸套的外表面和与其配合的汽缸体承孔的内表面都有一定的加工精度，二者一般采用过盈配合。

干式缸套不易漏水漏气故障，缸体结构刚度大、缸心距小、内燃机质量轻，不存在穴蚀；但散热效果差，修理更换不方便。

（2）湿式缸套：特点：其外表面直接与冷却水接触。

它较干式缸套的壁厚大，其厚一般为5～9mm。

湿式缸套的优点是缸体铸造较容易，又便于维修，且散热效果好。

缺点是缸体刚度较差，易产生穴蚀、漏水和漏气，它主要用于高负荷的柴油机和铝合金缸体柴油机。

3、湿式汽缸套的防漏措施（1）良好的定位缸套的径向定位一般靠上下两个凸出的与汽缸体间为动配合的圆环带A和B；轴向定位是利用上部凸缘的下平面C。

因此，缸套的上述部位和汽缸体承孔的相应配合部位应有较高的加工精度。

（2）汽缸套下部靠一～三个耐热耐油橡胶密封圈密封(见图1-2-9)。

其密封形式有涨封式和压封式两种，其中使用较广泛的为图1-2-9a所示的涨封式。

（3）大多数湿式汽缸套装入汽缸体后，其顶面高出缸体一定高度，一般为0.05～0.15mm(见图1-2-8b)。

汽缸盖螺栓拧紧后缸套与缸垫的该部分承受较大的压紧力，具有防止汽缸漏气、水套漏水和保证缸套定位的作用（4）在缸盖压紧后，若发现各缸安装高度不一致时，可在缸套上部凸缘C(见图1-2-8b)的下平面处垫有金属垫片(对铸铁缸体用钢垫或铝垫，对铝合金的缸体应用铝垫，以防止电化学腐蚀) 予以调整，还可提高防漏可靠性。

三、汽缸盖1、概述（1）功用与工作条件功用：用来密封汽缸的上部，与活塞、汽缸等共同构成燃烧室。

工作条件：承受较大的热负荷及机械负荷。

2、要求：（1）应具有足够的强度和刚度；（2）应能根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式，且气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好；（3）结构简单，铸造工艺良好，冷却适当，缸盖温度场分布均匀，尽可能减小热应力。

3、结构（1）型式：单体缸盖：只覆盖一个汽缸，用于D≥140mm；块状缸盖：能覆盖部分（二个以上）汽缸，一般用于125﹤D﹤140mm；整体缸盖：整列汽缸共用，一般D﹤105mm。

（2）结构分析：汽缸盖的结构随气门的布置、冷却方式以及燃烧室的形状而异。

顶置气门式汽缸盖设有冷却水套(水冷式柴油机)或散热片(风冷式柴油机)、燃烧室、进排气道及气门导管孔和进排气门座等，柴油机的汽缸盖设有安装喷油器的座孔。

4、保证汽缸盖密封的措施（1）缸盖下平面有较高的平面度要求；（2）用一定数量的缸盖螺栓均匀紧固缸盖；1）拧紧顺序：应从中央向四周、分2—3次逐步地按规定扭矩拧紧。

拆卸时则在冷态按相反方向进行。

2）拧紧时刻：铸铁缸盖要在柴油机达到正常工作温度后再进行第二次拧紧。