2.1  曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與受力

曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成。它是將活塞頂?shù)娜細(xì)鈮毫D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩，輸出機(jī)械能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

式中 ——連桿比， ＝R/L，一般在1/3～1/4；

ω——曲軸角速度，勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，它等于 ；

活塞位移、速度和加速度曲線（圖2-2）。

曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)：

（1）曲軸雖然作勻速運(yùn)動(dòng)，而活塞的速度卻是不均勻的。在上、下止點(diǎn)處速度等于零，在α=90⁰稍前處和α=270⁰稍后處達(dá)到**大值。即活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和從下止點(diǎn)向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的約前半個(gè)行程是加速，后半個(gè)行程是減速。

1.氣體作用力（圖2-3）

F_P——燃燒氣體作用在活塞的頂部力（可分解為F_P1和F_P2）；

F_P2——側(cè)壓力（使氣缸活塞產(chǎn)生磨損，并有使機(jī)體翻轉(zhuǎn)的趨勢，故機(jī)體下部的兩側(cè)應(yīng)固定在車架上，若有松動(dòng)，將造成發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)）。

F_P1可分解為F_R和F_S

F_R——法向力；

F_S——切向力（推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)）。

氣體壓力變?yōu)樽枇Α?/div>

圖2-4  往復(fù)慣性力和離心力 a)活塞在上半行程時(shí)的慣性力    b) 活塞在下半行程時(shí)的慣性力

2.往復(fù)慣性力與離心力（圖2－4） 

圖2-5  氣缸體 1-曲軸支乘孔  2-機(jī)體  3-氣缸  4--水道

圖2-6  氣缸套 a)干式氣缸套   b)濕式氣缸套 1-機(jī)體  2-氣缸套  3-水套 4-密封圈

氣缸：是是燃燒作功的場所。為了節(jié)省貴金屬材料，降低成本，方便維修，現(xiàn)代汽車廣泛采用鑲?cè)敫左w內(nèi)的氣缸套（圖2-6）。

圖2-7  風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī) 1-散熱片  2-氣缸

濕式氣缸套：外壁直接與冷卻水接觸，氣缸套僅在上、下各有一圓環(huán)地帶和氣缸體接觸，壁厚一般為5～9mm。它散熱良好，冷卻均勻，加工容易，通常只需要精加工內(nèi)表面，而與水接觸的外表面不需要加工，拆裝方便，但其強(qiáng)度、剛度不如干式氣缸套好，而且容易產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，所以常加橡膠密封圈4等防止漏水，使用和維修時(shí)應(yīng)密切注意，否則將產(chǎn)生冷卻液漏入油底殼的嚴(yán)重后果。

圖2-8  氣缸體結(jié)構(gòu)形式 a)一般式    b)龍門式    c)隧道式 1-氣缸體  2-水套  3-氣缸  4-濕式氣缸套  5-凸輪軸座孔  6-加強(qiáng)筋  7-主軸承座  8-主軸承座孔  9-油底殼座面

(2) 龍門式氣缸體：油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度和剛度都好，能承受較大的機(jī)械負(fù)荷；但工藝性較差，結(jié)構(gòu)笨重，加工較困難。

圖2-10  汽油機(jī)燃燒室 a) 半球形燃燒室  b) 楔形燃燒室  c) 浴盆形燃燒室

(1) 半球形燃燒室：它是橫剖面呈半球形的一種燃燒室。其結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，火花塞布置在燃燒室中央，火焰行程短，燃燒速率高，散熱少，熱效率高?？刹捎?氣門結(jié)構(gòu)，充氣效率高，排氣凈化好，在轎車發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用。

圖2-11  氣缸墊

結(jié)構(gòu)：目前應(yīng)用較多的是銅皮——石棉結(jié)構(gòu)的氣缸墊，其翻邊處有三層銅皮，壓緊時(shí)不易變形。有的氣缸墊還采用在石棉中心用編織的綱絲網(wǎng)或有孔鋼板為骨架，兩面用石棉及橡膠粘結(jié)劑壓成。有的采用實(shí)心有彈性的金屬片作為氣缸墊，以適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化要求。

圖2-12  活塞連桿組件 1－活塞 2－活塞環(huán) 3－活塞銷  4－連桿  5－連桿螺栓  6－連桿蓋  7－連桿軸瓦

由頂部、頭部和裙部三部分組成（圖2-13）。

圖2-14  活塞頂部形狀 a)平頂活塞  b) 凸頂活塞  c) 凹頂

a)

b)

c)

圖2-13  活塞的結(jié)構(gòu) 1－活塞頂部  2－活塞頭部  3－活塞裙部

圖2-15  活塞頂部記號(hào)

有些活塞頂打有各種記號(hào)（圖2-15），用以顯示活塞及活塞銷的安裝和選配要求，應(yīng)嚴(yán)格按要求進(jìn)行。

圖2-16  活塞裙部結(jié)構(gòu)之一 a) 裙部橢圓  b) 錐形  c) 階梯形 d) 桶形

b)

c)

d)

a)

1）預(yù)先將活塞裙部加工成橢圓形,橢圓的長軸方向與銷座垂直。

圖2-17  活塞裙部結(jié)構(gòu)之二 a）裙部開槽  b）拖板式活塞  c）裙部鑄恒范鋼

b)

c)

a)

3）預(yù)先在活塞裙部開槽（圖2-17a）。在裙部開橫向的隔熱槽，可以減小活塞裙部的受熱量；在裙部開縱向膨脹槽，可以補(bǔ)償裙部受熱后的變形量。槽的形狀有“T”形或“Π”形。裙部開豎槽后，會(huì)使其開槽的一側(cè)剛度變小，在裝配時(shí)應(yīng)使其位于作功行程中承受側(cè)壓力較小的一側(cè)。通常柴油機(jī)活塞受力大，裙部一般不開槽。

圖2-18  活塞銷孔偏置結(jié)構(gòu) e-偏移量

5）裙部鑄恒范鋼(圖2-17c)。為了減小鋁合金活塞裙部的熱膨脹量，有些汽油機(jī)活塞在活塞裙部或銷座內(nèi)鑄入熱膨脹系數(shù)低的恒范鋼片。恒范鋼為低碳鐵鎳合金，其膨脹系數(shù)僅為鋁合金的1/10，而銷座通過恒范鋼片與裙部相連，牽制了裙部的熱膨脹變形量。

圖2-19  氣環(huán)密封原理

（1）氣環(huán)結(jié)構(gòu)原理（圖2-19）：氣環(huán)開有切口，具有彈性，在自由狀態(tài)下外徑大于氣缸直徑，它與活塞一起裝入氣缸后，外表面緊貼在氣缸壁上，形成第一密封面；被封閉的氣體不能通過環(huán)周與氣缸之間，便進(jìn)入了環(huán)與環(huán)槽的空隙，一方面把環(huán)壓到環(huán)槽端面形成第二密封面，另一方面，作用在環(huán)背的氣體壓力又大大加強(qiáng)了第一密封面的密封作用。汽油機(jī)一般采用2道氣環(huán)，柴油機(jī)一般采用3道氣環(huán)。

圖2-20  氣環(huán)的斷面形狀 a) 矩形環(huán)  b)錐面環(huán)  c)正扭曲內(nèi)切環(huán)  d)梯形環(huán)  e)桶面環(huán)

1）矩形環(huán)：其斷面為矩形，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，易于生產(chǎn)，應(yīng)用**廣。但矩形環(huán)隨活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)把氣缸壁面上的機(jī)油不斷送入氣缸中(圖2-21)。這種現(xiàn)象稱為”氣環(huán)的泵油作用”。

a)

b)

圖2-21  矩形環(huán)泵油作用 a)活塞下行  b)活塞上行

圖2-22  扭曲環(huán)作用原理 a) 矩形環(huán)  b) 扭曲環(huán)

3）扭曲環(huán)（圖2-20c、d）：扭曲環(huán)是在矩形環(huán)的內(nèi)圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分，使斷面呈不對稱形狀，在環(huán)的內(nèi)圓部分切槽或倒角的稱內(nèi)切環(huán)，在環(huán)的外圓部分切槽或倒角的稱外切環(huán)。裝入氣缸后，由于斷面不對稱，外側(cè)作用力合力F₁（圖2-22b）與內(nèi)側(cè)作用力合力F₂之間有一力臂e，產(chǎn)生了扭曲力矩，使活塞環(huán)發(fā)生扭曲變形。活塞上行時(shí)，扭曲環(huán)在殘余油膜上“浮過”，可以減小摩擦和磨損?；钊滦袝r(shí)，則有刮油效果，避免機(jī)油上竄。同時(shí)，由于扭曲環(huán)在環(huán)槽中上、下跳動(dòng)的行程縮短，可以減輕“泵油”的副作用。目前被廣泛應(yīng)用于第2道活塞環(huán)槽上，安裝時(shí)必須注意斷面形狀和方向，內(nèi)切口朝上，外切口朝下，不能裝反。

圖2-23  油環(huán) a) 普通油環(huán)  b) 組合油環(huán) 1-刮油鋼片 2-軸向襯環(huán) 3－徑向襯環(huán)

1) 普通油環(huán)

圖2-25  活塞銷的連接方式 a)      全浮式  b) 半浮式 1-連桿小頭  2-連桿襯套  3-活塞銷  4-活塞銷座  5-卡環(huán)

全浮式：指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞銷、連桿小頭和活塞銷座都有相對運(yùn)動(dòng)，使磨損均勻?；钊N兩端裝有卡環(huán)5，進(jìn)行軸向定位。由于鋁活塞熱膨脹量比鋼大，為了保證高溫工作時(shí)活塞銷與活塞銷座孔有正常間隙（0.01～0.02mm），在冷態(tài)時(shí)為過渡配合，裝配時(shí)，應(yīng)先把鋁活塞加熱到一定程度，再把活塞銷裝入。

圖2-26  連桿的結(jié)構(gòu) 1-連桿襯套  2-連桿小頭  3-連桿桿身  4-連桿螺釘  5-連桿大頭  6-連桿軸瓦  7-連桿蓋  8-連桿軸瓦凸鍵  9-凹槽

連桿桿身： “工”字形斷面，抗彎強(qiáng)度好，重量輕，大圓弧過渡，且上小下大，采用壓力法潤滑的連桿，桿身中部制有連通大、小頭的油道。

圖2-27  連桿大頭 a)平分式  b) 斜分式 1-連桿裝配標(biāo)志  2-機(jī)油噴孔  3-連桿蓋裝配標(biāo)志

平分——分面與連桿桿身軸線垂直（圖2-27a），汽油機(jī)多采用這種連桿。因?yàn)橐话闫蜋C(jī)連桿大頭的橫向尺寸都小于氣缸直徑，可以方便地通過氣缸進(jìn)行拆裝。

連桿蓋與連桿的定位:把連桿大頭分開可取下的部分叫連桿蓋，連桿與連桿蓋配對加工，加工后，在它們同一側(cè)打上配對記號(hào)3，安裝時(shí)不得互相調(diào)換或變更方向。為此，在結(jié)構(gòu)上采取了定位措施。平切口連桿蓋與連桿的定位多采用連桿螺栓定位，利用連桿螺栓中部精加工的

圖2-28  分開式連桿大頭定位方法 a) 鋸齒定位  b)圓銷定位  c)套筒定位  d)止口定位

圓柱凸臺(tái)或光圓柱部分與經(jīng)過精加工的螺栓孔來保證（圖3-26）。斜切口連桿常用的定位方法有鋸齒定位、圓銷定位、套筒定位和止口定位（圖3-28）。

圖2-29  連桿軸瓦 1-鋼背  2-油槽  3-定位凸鍵  4-減磨合金層

連桿軸瓦（圖2-29）：

圖2-30  叉形連桿 a) 并列式  b) 主副式  c) 叉式

（1）并列式:相對應(yīng)的左右兩缸連桿并列安裝在同一連桿軸頸上。

圖2-31  曲軸飛輪組件 1-曲軸皮帶輪  2-曲軸正時(shí)齒輪皮帶輪  3-曲軸鏈輪  4-曲軸前端  5-曲軸主軸頸  6-曲柄臂  7-曲柄銷（連桿軸頸）  8-平衡重塊  9-轉(zhuǎn)速傳感器脈沖輪  10-飛輪  11-主軸瓦  12-主軸承蓋  13-螺母  14-止推墊片  15-主軸瓦  16-止推墊片

1.曲軸

圖2-33  曲軸受力與平衡 a) 受力  b) 慣性力平衡

非全支承曲軸：曲軸的主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)目少或與氣缸數(shù)目相等，主軸承載荷較大，但縮短了曲軸的總長度，使發(fā)動(dòng)機(jī)的總體長度有所減小。

4缸

a)

b)

圖2-32  曲軸的支承方式 a) 非全支承  b) 全支承

機(jī)的平衡（圖2-33）。在一些高檔發(fā)動(dòng)機(jī)上，還采用加裝平衡軸的方法進(jìn)行慣性力的平衡，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

曲軸軸向定位

圖2-34  曲軸前端結(jié)構(gòu) 1、2-滑動(dòng)推力軸承  3-止推片  4-定時(shí)齒輪  5-甩油盤  6-油封  7-帶輪  8-起動(dòng)爪

：由于曲軸經(jīng)常受到離合器施加于飛輪的軸向力作用，有的曲軸前端采用斜齒傳動(dòng)，使曲軸產(chǎn)生前后竄動(dòng)，影響了曲柄連桿機(jī)構(gòu)各零件的正確位置，增大了發(fā)動(dòng)機(jī)磨損、異響和振動(dòng)，故必須進(jìn)行曲軸軸向定位。另外，曲軸工作時(shí)會(huì)受熱膨脹，還必須留有膨脹的余地。

圖2-35  4缸四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄布置

 4缸四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄布置及工作順序：點(diǎn)火間隔角為720°/4＝180°，4個(gè)曲柄布置在同一平面內(nèi)（圖2-35）。1、4缸與2、3缸互相錯(cuò)開180°，其發(fā)火順序的排列有兩種可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循環(huán)分別見表2-1和表2-2。

圖2-36  6缸四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄布置

6缸四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄布置及工作順序：點(diǎn)火間隔角為720°/6=120°，6個(gè)曲柄分別布置在三個(gè)平面內(nèi)（圖2-36），有兩種點(diǎn)火順序， 1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5，國產(chǎn)汽車都采用前一種，其工作循環(huán)見表2-3。

8缸四行程V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄布置及工作順序：

圖2-37  8缸四行程發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄布置

點(diǎn)火間隔角為720°/8=90°，發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩列對應(yīng)的一對連桿共用一個(gè)曲柄，所以V型八缸發(fā)動(dòng)機(jī)只有四個(gè)曲柄（圖2-37）。曲柄布置可以與4缸發(fā)動(dòng)機(jī)相同，4個(gè)曲柄布置在同一平面內(nèi)，也可以布置在兩個(gè)互相錯(cuò)開90°的平面內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)得到更好地平衡。點(diǎn)火順序?yàn)?-8-4-3-6-5-7-2。其工作循環(huán)見表2-4。

圖2-38  曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 1-橡膠墊  2-皮帶輪（前慣性盤）  3-后慣性盤  4-橡膠體  5-皮帶輪轂

作用：吸收曲軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的能量，消減扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，避免發(fā)生強(qiáng)烈的共振及其引起的嚴(yán)重惡果。（曲軸是一種扭轉(zhuǎn)彈性系統(tǒng)，各曲柄的旋轉(zhuǎn)速度忽快忽慢呈周期性變化。安裝在曲軸后端的飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量**大，可以認(rèn)為是勻速旋轉(zhuǎn)，由此造成曲軸各曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)比飛輪時(shí)快時(shí)慢，這種現(xiàn)象稱之為曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)甚至?xí)嗲S。）

本章小結(jié) 1. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是將活塞頂?shù)娜細(xì)鈮毫D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩輸出機(jī)械能的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于活塞的變速往復(fù)運(yùn)動(dòng)、曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和連桿的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致各零部件受到拉、壓、剪、扭、振動(dòng)、摩擦等復(fù)雜應(yīng)力作用，造成曲柄連桿機(jī)構(gòu)相關(guān)零件的不均勻磨損和發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，必需對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行平衡和固定。 2. 曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括機(jī)體組件（氣缸體、氣缸或氣缸套、氣缸蓋、氣缸墊等）、活塞連桿組件（活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等）及曲軸飛輪組件（曲軸、飛輪等）。曲柄連桿機(jī)構(gòu)組裝時(shí)應(yīng)注意各零部件的相互配合位置關(guān)系及各重要螺釘?shù)臄Q緊力矩和擰緊方法。 3. 氣缸體分一般式、龍門式、隧道式三種；氣缸套有干式、濕式兩種；汽油機(jī)燃燒室常見有半球形燃燒室、 楔形燃燒室、浴盆形燃燒室。不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，具有不同功能。 4. 活塞一般都采用高強(qiáng)度鋁合金制成。其頂部有各種凹坑，組成各種燃燒室；頭部有活塞環(huán)槽；裙部起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。整個(gè)活塞呈上小下大，裙部橢圓形；有的開有膨脹槽等防止活塞卡死。 5. 活塞環(huán)有氣環(huán)和油環(huán)兩類。氣環(huán)起密封、傳熱作用，有矩形環(huán)、扭曲環(huán)、錐面環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)等各種截面形狀；油環(huán)起布油、刮油、傳熱作用，有普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種?；钊h(huán)安裝時(shí)應(yīng)注意安裝位置和方向。 6. 曲軸的曲柄布置應(yīng)該使各缸點(diǎn)火順序均勻分布在7200曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)。4缸機(jī)的點(diǎn)火順序只有1-2-4-3和1-3-4-2兩種。根據(jù)曲軸的曲柄布置和發(fā)火順序，可分析多缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的工作狀況。

【復(fù)習(xí)思考題】

發(fā)表于 @ 2008年06月05日 10:41:00 |點(diǎn)擊數(shù)（）

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