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1、汽車發(fā)動機的曲柄連桿機構(gòu)
【概述】
曲柄連桿機構(gòu)是汽車發(fā)動機實現(xiàn)工作循環(huán),完成能量轉(zhuǎn)換的傳動機構(gòu),用來傳遞力和改變運動方式。工作中,曲柄連桿機構(gòu)在做功行程中把活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動,對外輸出動力,而在其他三個行程中,即進氣、壓縮、排氣行程中又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成活塞的往復(fù)直線運動??偟膩碚f曲柄連桿機構(gòu)是發(fā)動機借以產(chǎn)生并傳遞動力的機構(gòu)。通過它把燃料燃燒后發(fā)出的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。
發(fā)動機工作時,曲柄連桿機構(gòu)直接與高溫高壓氣體接觸,曲軸的旋轉(zhuǎn)速度又很高,活塞往復(fù)運動的線速度相當(dāng)大,同時與可燃混合氣和燃燒廢氣接觸,曲柄連桿機構(gòu)還受到化學(xué)腐蝕作用,并且潤滑困難??梢?,曲柄連桿機構(gòu)的工
2、作條件相當(dāng)惡劣,它要承受高溫、高壓、高速和化學(xué)腐蝕作用。
【組成】
曲柄連桿機構(gòu)的主要零件可以分為三組,即機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組。
機體組
機體是構(gòu)成發(fā)動機的骨架,是發(fā)動機各機構(gòu)和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ),其內(nèi)、外安裝著發(fā)動機的所有主要零件和附件,承受各種載荷。因此,機體必須要有足夠的強度和剛度。發(fā)動機的機體組主要由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋和氣缸墊等零件組成。
氣缸體
氣缸體是發(fā)動機各個機構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基體,并由它來保持發(fā)動機各運動部件相互之間的準(zhǔn)確位置關(guān)系。氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸,下半部為支承曲軸的曲軸箱,其內(nèi)腔為曲軸運動的空間。在氣缸體內(nèi)部鑄有許多加強筋,冷卻水套和潤
3、滑油道等。
一、氣缸體的工作條件、要求及材料
(1)應(yīng)具有足夠的強度和剛度、耐磨損和耐腐蝕、適當(dāng)冷卻
? 發(fā)動機中最大的零件
? 承受拉、壓、彎、扭等機械負(fù)荷
? 承受高溫燃氣很大的熱負(fù)荷
? 發(fā)動機大部分零件安裝在機體上
(2)力求結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕
? 盡量減小整機的重量(發(fā)動機最大的零件)
? 加強肋(減小質(zhì)量、保證剛度與強度)
(3)機體材料
? 一般高強度灰鑄鐵或球墨鑄鐵、合金鑄鐵
? 為了減輕質(zhì)量、加強散熱采用鋁合金
二、氣缸體的分類
(一)按結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)氣缸體與油底殼安裝平面的位置不同,通常把氣缸體分為一般式、龍門式和隧道式三種形式
4、。
(1) 一般式氣缸體 其特點是油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。這種氣缸體的優(yōu)點是機體高度小,重量輕,結(jié)構(gòu)緊湊,便于加工,曲軸拆裝方便;但其缺點是剛度和強度較差
(2)龍門式氣缸體 其特點是油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。它的優(yōu)點是強度和剛度都好,能承受較大的機械負(fù)荷;但其缺點是工藝性較差,結(jié)構(gòu)笨重,加工較困難。
(3)隧道式氣缸體 這種形式的氣缸體曲軸的主軸承孔為整體式,采用滾動軸承,主軸承孔較大,曲軸從氣缸體后部裝入。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、剛度和強度好,但其缺點是加工精度要求高,工藝性較差,曲軸拆裝不方便。
(二)按冷卻方式分
為了能夠使氣缸內(nèi)表面在高溫下正常工作,必
5、須對氣缸和氣缸蓋進行適當(dāng)?shù)乩鋮s。冷卻方法有兩種,一種是水冷,另一種是風(fēng)冷。
(1)水冷發(fā)動機的氣缸周圍和氣缸蓋中都加工有冷卻水套,并且氣缸體和氣缸蓋冷卻水套相通,冷卻水在水套內(nèi)不斷循環(huán),帶走部分熱量,對氣缸和氣缸蓋起冷卻作用。
(2)風(fēng)冷發(fā)動機是以空氣作為冷卻介質(zhì)的發(fā)動機。它在氣缸及缸蓋的外壁鑄造出一些散熱片,并用冷卻風(fēng)扇使空氣高速吹過散熱片表面,帶走發(fā)動機散出的熱量, 使發(fā)動機冷卻。
(三)按氣缸的排列形式
現(xiàn)代汽車上基本都采用水冷多缸發(fā)動機,對于多缸發(fā)動機,氣缸的排列形式?jīng)Q定了發(fā)動機外型尺寸和結(jié)構(gòu)特點,對發(fā)動機機體的剛度和強度也有影響,并關(guān)系到汽車的總體布置。按照氣缸的排列方式不
6、同,氣缸體還可以分成單列式,V型和對置式三種。
三、氣缸套
氣缸套主要分為干式氣缸套和濕式氣缸套兩種。
(1)干式氣缸套:即氣缸套的外表面不直接與冷水接觸。主要用于中、小型發(fā)動機。
(2)濕式氣缸套:即氣缸套的外表面與冷卻水直接接觸。主要用于大負(fù)荷或鋁合金氣缸體的發(fā)動機。
曲軸箱(油底殼)
缸體下部用來安裝曲軸的部位稱為曲軸箱,曲軸箱分上曲軸箱和下曲軸箱。上曲軸箱與氣缸體鑄成一體,下曲軸箱用來貯存潤滑油,并封閉上曲軸箱,故又稱為油底殼圖。油底殼受力很小,一般采用薄鋼板沖壓而成,其形狀取決于發(fā)動機的總體布置和機油的容量。油底殼內(nèi)裝有穩(wěn)油擋板,以防止汽車顛動時油面波動過大。油底殼底部還
7、裝有放油螺塞,通常放油螺塞上裝有永久磁鐵,以吸附潤滑油中的金屬屑,減少發(fā)動機的磨損。在上下曲軸箱接合面之間裝有襯墊,防止?jié)櫥托孤?
氣缸蓋
氣缸蓋安裝在氣缸體的上面,從上部密封氣缸并構(gòu)成燃燒室。它經(jīng)常與高溫高壓燃氣相接觸,因此承受很大的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷。水冷發(fā)動機的氣缸蓋內(nèi)部制有冷卻水套,缸蓋下端面的冷卻水孔與缸體的冷卻水孔相通。利用循環(huán)水來冷卻燃燒室等高溫部分。
一、氣缸蓋的結(jié)構(gòu)
缸蓋上裝有進、排氣門座,氣門導(dǎo)管孔,用于安裝進、排氣門,還有進氣通道和排氣通道等。汽油機的氣缸蓋上加工有安裝火花塞的孔,而柴油機的氣缸蓋上加工有安裝噴油器的孔。頂置凸輪軸式發(fā)動機的氣缸蓋上還加工有凸輪軸軸
8、承孔,用以安裝凸輪軸。
氣缸蓋一般采用灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄成,鋁合金的導(dǎo)熱性好,有利于提高壓縮比,所以近年來鋁合金氣缸蓋被采用得越來越多。
二、燃燒室形式
氣缸蓋是燃燒室的組成部分,燃燒室形狀直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放指標(biāo),所以對燃燒室有兩個基本要求:(1)結(jié)構(gòu)要緊湊,冷去面積要小,以減少熱量損失,縮短火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x。(2)充氣效率高,混合氣在壓縮過程中具有一定的渦流運動,以提高混合氣的混合質(zhì)量為燃燒速度,保證混合氣及時、完全地燃燒。由于汽油機和柴油機的燃燒方式不同,其氣缸蓋上組成燃燒室的部分差別較大。汽油機的燃燒室主要在氣缸蓋上,而柴油機的燃燒室主要在活塞頂部的凹坑。
汽油機
9、的燃燒室是由活塞頂部與氣缸蓋上相應(yīng)的凹部空間形成。常見的三種形式為半球形燃燒室、楔形燃燒室和盆形燃燒室。
(1)半球形燃燒室
半球形燃燒室結(jié)構(gòu)緊湊,火花塞布置在燃燒室中央,火焰行程短,故燃燒速率高,散熱少,熱效率高。這種燃燒室結(jié)構(gòu)上也允許氣門雙行排列,進氣口直徑較大,故充氣效率較高,雖然使配氣機構(gòu)變得較復(fù)雜,但有利于排氣凈化,在轎車發(fā)動機上被廣泛地應(yīng)用。
(2)鍥形燃燒室
楔形燃燒室結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,散熱面積小,熱損失也小,能保證混合氣在壓縮行程中形成良好的渦流運動,有利于提高混合氣的混合質(zhì)量,進氣阻力小,提高了充氣效率。氣門排成一列,使配氣機構(gòu)簡單,但火花塞置于楔形燃燒室高處,火焰?zhèn)鞑?/p>
10、距離長些,切諾基轎車發(fā)動機采用這種形式的燃燒室。
(3)盆形燃燒室
盆形燃燒室,氣缸蓋工藝性好,制造成本低,但因氣門直徑易受限制,進、排氣效果要比半球形燃燒室差。捷達轎車發(fā)動機、奧迪轎車發(fā)動機采用盆形燃燒室。
三、氣缸蓋的安裝
拆卸:從兩邊向中間分2~3次逐步擰松。
安裝:從中間向兩邊分2~3次逐步擰緊。
氣缸墊
氣缸墊裝于氣缸體和氣缸蓋之間,其作用是保證氣缸體和氣缸蓋之間的密封性,防止氣缸漏氣、水套漏水和潤滑油泄漏。
氣缸墊的材料要有一定的彈性,能補償結(jié)合面的不平度,以確保密封,同時要有好的耐熱性和耐壓性,在高溫高壓下不燒損、不變形。目前應(yīng)用較多的是銅皮——棉結(jié)構(gòu)的氣
11、缸墊,由于銅皮——棉氣缸墊翻邊處有三層銅皮,壓緊時較之石棉不易變形。有的發(fā)動機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)劑壓成的氣缸墊。
活塞連桿組
活塞連桿組是發(fā)動機中的主要運動組件。其作用是將活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動以及將作用在活塞頂上的氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S承的轉(zhuǎn)矩?;钊B桿組由活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等組成。
活塞
活塞的作用是與氣缸蓋和氣缸壁共同組成燃燒室,承受氣缸中燃燒氣體的壓力,并將通過活塞銷傳給連桿,以推動曲軸的旋轉(zhuǎn)。
一、活塞的工作條件
活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的條件下工作?;钊苯优c高溫氣體接觸,瞬
12、時溫度可達2500K以上,因此,受熱嚴(yán)重,而散熱條件又很差,所以活塞工作時溫度很高,頂部高達600~700K,且溫度分布很不均勻;活塞頂部承受氣體壓力很大,特別是作功行程壓力最大,汽油機高達3~5MPa,柴油機高達6~9MPa,這就使得活塞產(chǎn)生沖擊,并承受側(cè)壓力的作用;活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度(8~12m/s)往復(fù)運動,且速度在不斷地變化,這就產(chǎn)生了很大的慣性力,使活塞受到很大的附加載荷?;钊谶@種惡劣的條件下工作,會產(chǎn)生變形并加速磨損,還會產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力,同時受到燃氣的化學(xué)腐蝕作用。
二、活塞的結(jié)構(gòu)
活塞由活塞頂部、頭部和裙部三大部分組成。
(1)活塞頂部
根據(jù)活塞頂部
13、形狀的不同可分為平頂活塞、凸頂活塞、凹頂活塞和成形頂活塞。
(2)活塞頭部
全裙式裙部
活塞環(huán)槽以上的部分稱為活塞頭部。上面加工有若干道用來安裝氣環(huán)與油環(huán)的環(huán)槽,上面的2~3道安裝氣環(huán),下面的1~2道安裝油環(huán)。在油環(huán)槽的底面鉆有許多徑向小孔,可使油環(huán)刮下來的潤滑油通過小孔流回油底殼。
(3)活塞裙部
拖板時裙部
活塞環(huán)以下的部分稱為活塞裙部?;钊共康淖饔檬窃跉飧變?nèi)為活塞的運動導(dǎo)向并承受側(cè)壓力?;钊共坑袃煞N:全裙式裙部和拖板式裙部。
(4)活塞銷座孔
活塞銷座孔的作用是安裝活塞銷,并將氣體的壓力傳給連桿。兩座孔外端加工有卡環(huán)槽,用來安裝卡環(huán)以限
14、制活塞銷的軸向竄動。
活塞在運動過程中受到側(cè)壓力的作用,而一般發(fā)動機的活塞銷座孔軸線與活塞軸線垂直相交,這樣的布置形式會使敲缸噪聲大;將其偏移1~2mm,這樣大減小的敲缸聲。
活塞環(huán)
活塞環(huán)裝配在活塞環(huán)槽中,與活塞連桿組一起裝于氣缸體內(nèi)?;钊h(huán)是保證氣缸與活塞間的密封性,防止漏氣,并且要把活塞頂部吸收的大部分熱量傳給氣缸壁,由冷卻水帶走。其中密封作用是主要的,因為密封是傳熱的前提。如果密封性不好,高溫燃氣將直接從氣缸表面流入曲軸箱。這樣不但由于環(huán)面和氣缸壁面貼合不嚴(yán)而不能很好散熱,而且由于外圓表面吸收附加熱量而導(dǎo)致活塞和氣環(huán)燒壞;油環(huán)起布油和刮油的作用,下行時刮除氣缸壁上
15、多余的機油,上行時在氣缸壁上鋪涂一層均勻的油膜。這樣既可以防止機油竄入氣缸燃燒掉,又可以減少活塞、活塞環(huán)與氣缸壁的摩擦阻力,此外,油環(huán)還能起到封氣的輔助作用。活塞環(huán)的工作條環(huán)境極其惡劣,是壽命最短的零件之一。為延長其使用壽命,通常第一道氣環(huán)外圓面進行多孔鍍鉻處理。其余的采用鍍錫或磷化處理,以改善其磨合性。
(1)氣環(huán)
氣環(huán)為一帶切口的環(huán)狀態(tài)結(jié)構(gòu),在自由狀態(tài)下時其外形尺寸略大于氣缸內(nèi)徑。。氣環(huán)的主要作用是保證活塞與氣缸壁間的密封,防止氣缸中高溫、高壓燃氣竄入曲軸箱,并將活塞頭部的大部分熱量傳給氣缸壁,避免活塞過熱。
(2)油環(huán)
油環(huán)的作用是活塞上行
16、時,使飛濺在氣缸壁上的潤滑油均勻頒布,有利于活塞、活塞環(huán)和氣缸壁的潤滑;活塞下行時,刮除氣缸壁上多余的潤滑油,防止?jié)櫥透Z入氣缸燃燒。
活塞銷
活塞銷的作用是連接活塞和連桿小頭,并將活塞所承受的氣體作用力傳給連桿。
活塞銷在高溫條件下承受很大的周期性沖擊載荷,潤滑條件較差,因此必須具有足夠的剛度、強度和良好的耐磨性,質(zhì)量盡可能小。
連桿組
連桿組的作用是將活塞承受的力傳給曲軸,將活塞的往復(fù)直線運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動。
*連桿軸瓦:安裝在連桿大頭孔內(nèi),用以保護連桿軸頸及連桿大頭孔。是由鋼帶各減磨合金層組成的分開
17、式薄壁軸承。
曲軸飛輪組
曲軸飛輪組包括曲軸和飛輪。
曲軸
曲軸的作用是把活塞連桿組傳來的氣體作用為轉(zhuǎn)變?yōu)榱?。另外還可用來驅(qū)動配氣機構(gòu)及其他各種輔助裝置。
一、曲軸的結(jié)構(gòu)
曲軸主要由前端軸、若干個曲拐和后端軸三部分組成。曲軸有整體式結(jié)構(gòu)和組合式結(jié)構(gòu)兩種類型。
(1)整體式曲軸 (2)組合式曲軸
二、曲軸的支承方式
根據(jù)主軸頸數(shù)的不同,曲軸分為全支承和非全支承兩種。
三、曲拐的布置與多缸發(fā)動機的工作順序
在安排發(fā)動機工作順序時應(yīng)盡量遵循如下規(guī)則
(1)使連續(xù)作功的兩缸盡可能相距遠些。
(2)各氣
18、缸的作功間隔角應(yīng)該相等(720/i)。
(3)如果是V型發(fā)動機,則左右兩列氣缸應(yīng)交替作功。
四、曲軸前后端的密封
曲軸的前、后端必須設(shè)有密封裝置,以防止?jié)櫥脱馗左w前、后端的產(chǎn)軸承座孔流到機體外部。常用的密封方式有:自緊油封、填料油封、擋油盤密封和回油螺紋密封等。
五、曲軸的軸向定位與主軸承
發(fā)動機工作時,由于曲軸在各種軸向力的作用下產(chǎn)生軸向移動,從而使軸柄連桿機構(gòu)的正確關(guān)系受到破壞。曲軸多采用滑動推力軸承來限制軸向移動量。
飛輪
飛輪的主要作用是將作功行程中發(fā)動機傳輸給曲軸的一部分能量儲存起來,用于非作功(進氣、壓縮、排氣)行程克服短期超負(fù)荷的能力,并將發(fā)動機的動力傳給離合器。