柴油机曲柄连杆机构课件.ppt

1、目标与要求目标与要求掌握曲柄连杆机构的组成、功用、结构和工作原理；掌握曲柄连杆机构的组成、功用、结构和工作原理；熟悉机体组的组成与结构特点；熟悉机体组的组成与结构特点；掌握曲柄连杆机构的标记、拆装与检测；掌握曲柄连杆机构的标记、拆装与检测；了解曲柄连杆机构的受力；了解曲柄连杆机构的受力；了解湿式缸套穴蚀的机理及改善方法；了解湿式缸套穴蚀的机理及改善方法；掌握缸套的拆装与检修方法；掌握缸套的拆装与检修方法；认识清洁对发动机寿命的重要性。认识清洁对发动机寿命的重要性。理论学习理论学习 曲柄连杆机构概述 一、（一）曲柄连杆机构的组成与功用（一）曲柄连杆机构的组成与功用 曲柄连杆机构由活塞连杆组和曲轴

2、飞轮组两部分组成，如图2-1所示。机体组主要由气缸体、气缸盖和曲轴箱组成，活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件组成，曲轴飞轮组主要由曲轴和飞轮等机件组成。图图2-1 2-1 曲柄连杆机构曲柄连杆机构 活塞为一端开放的圆罐状结构，可以在气缸内做往复运动。活塞通过活塞销与连杆的一端（连杆小头）相连，通常活塞、连杆小头与活塞销之间都可相对转动。连杆的另一端（连杆大头）安装在曲轴的连杆轴颈上。曲轴安装在机体的主轴承座中；飞轮则安装在曲轴的输出端（后端），位于机体的外侧。曲柄连杆机构的功用曲柄连杆机构的功用2.曲柄连杆机构是发动机的主要运动件，其作用是将活塞在气缸中的往复直线运动转变为曲轴

3、的旋转运动，并将做功行程中气缸内燃气对活塞顶的压力传递至曲轴，转变为扭矩，以对外做功。可见，曲柄连杆机构是往复式发动机中进行运动形式转换和动力传递的机构。发动机产生的动力大部分由曲轴后端的飞轮传递给外部设备或中间连接部件（如离合器、变速箱等）；还有一部分动力通过通常安装在曲轴前端的齿轮或皮带驱动其他辅助机构和系统，如机油泵、冷却水泵、燃油泵、配气机构和压气机等。分析曲柄连杆机构的运动规律是分析曲柄连杆机构受力的基础。曲柄连杆机构中应用最广泛、最典型的是气缸中心线通过曲轴回转中心的曲柄连杆机构，或称为中心曲柄连杆机构，如图2-2所示。在此机构中，活塞沿气缸中心线做往复直线运动；曲轴绕曲轴回转中心

4、做旋转运动；连杆的小头随活塞一起做往复直线运动，其大头则随连杆轴颈一起绕曲轴回转中心做旋转运动。所以，整个连杆所做的运动是一种复杂的平面摆动。（二）曲柄连杆机构的运动规律（二）曲柄连杆机构的运动规律图图2-2 2-2 中心曲柄连杆机构简图中心曲柄连杆机构简图11活塞销活塞销;2;2活塞活塞;3;3气缸气缸;4;4连杆连杆;55曲柄销曲柄销;6;6曲柄臂曲柄臂;7;7主轴承主轴承 在分析活塞、连杆的运动规律时，取活塞销中心的上止点位置A1为直角坐标系原点，气缸中心线为x轴，以指向曲轴方向为正；活塞销中心的瞬时位置A到上止点A1的距离为活塞位移X；为曲轴转角，从气缸中心线沿曲柄转动方向度量，以顺时

5、针为正；为连杆中心线偏离气缸中心线的角度，称为连杆摆角，以连杆在气缸中心线右侧为正。L为连杆长度；R为曲柄半径；为曲柄连杆比，=R/L。为曲轴平均角速度，=n/30,n为曲轴转速（r/min）。发动机在运转时，因为作用到曲轴上的转矩是波动的，所以曲轴的实际瞬时转速也是波动变化的。平时所称的发动机转速实际上是平均转速。当曲柄从OB1位置转过角时，活塞由A1位置运动到A点，据图2-2所示的几何关系有 X=R(1-cos)+(1-cos)/在忽略掉一些较小的量后可得到活塞位移的近似公式为 X=R(1+/2sin2cos)由此得到活塞速度v和加速度a的近似表达式分别为 v=R(sin+/2sin 2)

6、a=R2(cos+cos 2)由上式可见，活塞加速度a可近似地认为是由两个简谐函数组成：a=R2cos （2-1）a=R2cos 2 （2-2）活塞加速度的规律受的影响。1/4时活塞的运动规律如图2-3所示；1/4时活塞的运动规律如图2-4所示。图图2-4 1/42-4 1/42-3 1/4时活塞的运动规律时活塞的运动规律（三）曲柄连杆机构受力分析（三）曲柄连杆机构受力分析 作用在活塞上的气体力Pg为 P g=(p g-p g)D2/4 （2-3）式中，p g为气缸内气体压力，在一个工作循环内，气缸内气体压力p g是变化的；p g 为曲轴箱气体压力，在动力计算中，可近似地取为100 kPa气体

7、力气体力1.曲柄连杆机构的惯性力曲柄连杆机构的惯性力2.活塞、活塞销与活塞销卡环在缸内做往复直线运动。而连杆的运动则比较复杂，其小头部分随活塞销做往复直线运动；同时，其大头部分随曲轴做旋转运动，而连杆杆身则要将这两部分连接起来并随其运动，故连杆的运动实际上是一种比较复杂的平面运动。为简化起见，在动力计算中，可以认为连杆的一部分质量参与了往复直线运动，并称之为小头换算质量m ca，而另一部分质量则参与了旋转运动，将其称为大头换算质量（又称离心质量）m cb。这两部分质量的换算，可根据动力效应相同的原则进行。大、小头换算质量之和等于原连杆质量mc，即 mca+mcb=mc 换算系统的重心与原连杆重

8、心重合，即设原连杆长度（大、小头孔中心之间的距离）为l，其重心至小头、大头孔中心的距离分别为la、lb，则mcala-mcb lb=0 两个换算质量对于连杆重心的转动惯量之和等于原连杆对其重心的转动惯量，即mcal2a+mcbl2b=mir 2i 一般做近似计算时，可仅考虑前两个条件，故可得到小头换算质量mca及大头换算质量mcb分别为 mc a=mc lcb/L （2-4）mc b=mc lca/L （2-5）（1）往复质量m j 与往复惯性力P j。往复质量m j为 m j=m p+m jca （2-6）式中，m p为活塞、活塞销、活塞销卡环的总质量；m ca为小头换算质量，即连杆换算到活

9、塞销处的质量。往复惯性力P j为P j=-m ja=m jR2cos m jR2cos 2=P j+P j(2-7)式中，P j=m jR2cos，称为一阶（或一级）往复惯性力；P j=m jR2cos 2，称为二阶（或二级）往复惯性力。负号表示往复惯性力的方向与活塞往复运动加速度的方向相反，作用在活塞销中心。实际上，如果在计算活塞的速度、加速度等运动参数时不忽略一些较小项的话，那么还会出现三阶、四阶及更高阶的往复惯性力。这些高阶往复惯性力虽然实际存在，但其数值很小，故通常略去。（2）作用于连杆轴颈的离心质量m cb与离心惯性力p r c。作用于连杆轴颈的离心质量即为连杆大头换算质量m cb。

10、作用于连杆轴颈的离心惯性力p r c为 p r c=m cbR2 其作用在连杆轴颈的中心，方向始终沿着曲柄中心线向外。（2）作用于连杆轴颈的离心质量m cb与离心惯性力p r c。作用于连杆轴颈的离心质量即为连杆大头换算质量m cb。作用于连杆轴颈的离心惯性力p r c为 p r c=m cbR2 其作用在连杆轴颈的中心，方向始终沿着曲柄中心线向外。设曲柄旋转半径为R，一块曲柄的实际质量为m q,曲柄重心到主轴颈中心距离为，则可得到两块曲柄换算到连杆轴颈中心的质量m qr为m qr=2m qp/R 由此得到作用于主轴颈的离心质量m r为m r=m r 2+m cb+m qr (2-8)作用于主

11、轴颈的离心惯性力P r为 P r=m r R2 (2-9)作用于主轴颈的离心惯性力P r作用在主轴颈的中心，方向始终沿着曲柄中心线向外。摩擦力摩擦力3.曲柄连杆机构中互相接触的表面做相对运动时都存在摩擦力，其大小与正压力和摩擦系数成正比，其方向总是与相对运动的方向相反。摩擦力的存在是造成配合表面磨损的根源。曲柄连杆机构中里的传递曲柄连杆机构中里的传递4.柴油机工作时气体力P g和往复惯性力P j都作用在活塞上，所以活塞上所受的合力P为 P=P g+P j (2-10)在实际计算中，为避免数字过大，便于估计与比较不同类型柴油机的机械负荷，有时采用“单位活塞面积的作用力”，即P g、P j、P、P

12、 r和P rc等力与活塞面积的比值。通过这样的换算求得的各零件作用力，其单位为牛/米2（N/m2），扭矩的单位为牛米/米2(Nm/m2)，将它们乘以活塞面积后才是实际的作用力。图图2-5 2-5 作用在活塞上的气体力作用在活塞上的气体力P Pg g、惯性、惯性力力P Pj j和合力和合力P P随曲柄转角随曲柄转角变化变化 为了减轻活塞对缸壁的敲击，现代柴油机常将活塞销中心线向做功冲程中受侧压力较大的一面偏移12 mm。在分析活塞连杆机构总体受力时，不妨略去此活塞销中心的偏移，还是认为作用在活塞上的合力作用在活塞中心，沿气缸中心线方向通过活塞销传递给连杆。沿气缸中心线作用在活塞上的总力P可以分解

13、为两个分力（见图2-6），即沿连杆中心线作用的连杆力S和把活塞推向气缸壁的侧压力PN。它们的大小为图图2-6 2-6 曲柄连杆机构的力和力矩曲柄连杆机构的力和力矩 连杆力S通过连杆作用在曲柄销上，分解为两个分力，即推动曲柄转动的切向力T和沿曲柄中心作用的法向力K。对于各力向主轴承的传递，法向力K通过曲柄传递到主轴承上；对切向力T，根据力的平移法则，可以在主轴颈上加上两个方向相反、大小等于T且平行于T的力T和T。这样力T和T便组成一个力偶Mt，该力偶的大小为 Mt=TR (2-15)Mt即为柴油机输出的指示扭矩，在扣除摩擦阻力、附件传动等损耗之后，便是柴油机的有效扭矩Me。力T作用在主轴承上，与

14、作用在主轴承上的法向力K合成为力S。显然，力S与连杆力S是完全相等的。S也可以分解为作用于主轴承水平方向分力PN和垂直方向分力P。可以看出，力P等于作用在活塞上的总力P，力PN则与气缸侧压力PN大小相等而方向相反。PN、T、K诸力随曲柄转角的变化如图2-7所示。在曲柄销中心处还作用有离心惯性力Prc，此力也经曲柄传到主轴承上，它与曲柄销及两块曲柄产生的离心惯性力合成，共同作用在主轴承上。当发动机转速一定时，主轴颈处的离心惯性力Pr的大小不变，但方向随曲轴旋转而改变。图图2-7 PN2-7 PN、T T、K K随曲柄转角随曲柄转角的变化的变化 如图2-8所示，对分离体曲柄（曲轴）而言，除了前面已

15、说明的作用在曲柄销处的切向力T、法向力K和离心惯性力Pr c(Prc=mcbR2)之外，在主轴颈上还受到主轴承作用的支承反力T、K和Pr(Pr=mrR2)。其中，力T和作用在曲柄销处的力T组成柴油机输出扭矩Mt，带动工作机械。根据反作用原理，被带动的工作机械必然给曲轴一个反作用扭矩Mt，两者在曲轴上自行平衡。图图2-8 2-8 曲柄受力情况曲柄受力情况 如图2-9所示，对分离体机体而言，在机体的垂直方向上作用着两个力：作用在气缸盖上的气体力Pg和作用在主轴承处的垂直分力P，它们的合力就是往复惯性力Pj，此合力通过机座作用在基础上。因为Pj的大小和方向都呈周期性变化，所以会使柴油机产生上下跳动。

16、图图2-9 2-9 机体受力情况机体受力情况 虽然气体力P g也是周期性变化的，但由于在机体内得到了平衡，它除了使缸盖螺栓和机体承受周期性的拉伸外，不会引起柴油机的跳动。但当柴油机燃烧过于粗暴或缸套、连杆、曲轴等零件的刚度不足时，P g会使这些零件产生弹性变形，造成柴油机的高频振动和噪声。作用在主轴承上的力还有离心惯性力P r，它在机体内部不能平衡。P r虽然大小不变，但其方向随曲柄一起转动，呈周期性变化，能使柴油机在连杆运动平面内产生上下、左右的跳动。作用在气缸壁上的侧压力PN和作用在主轴承上的水平分力PN（由T与K所合成的S分解至x轴方向所得）组成一个力偶M。M有使柴油机产生横向倾倒的趋势

17、，故称为倾倒力矩。由图2-9可知，在连杆、曲柄与气缸中心线组成的三角形内有 可见，倾倒力矩M和输出扭矩Mt大小相等、方向相反，但前者作用在机体上，后者作用在曲柄上。倾倒力矩实际上是输出扭矩的支承反力矩，它们在柴油机内部不能平衡。倾倒力矩由柴油机的地脚螺栓承受。由于M呈周期性变化，因此会使柴油机产生绕其重心左右摇摆（横向）的振动。综上所述，作用在单缸柴油机机体上并传给基础的力有往复惯性力P j、离心惯性力P r 和倾倒力矩M，它们都会引起柴油机和基础的振动。机体组 二、机体组主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸垫和气缸套等零部件组成。机体构成发动机的骨架，是所有运动件、固定件和其他附件的安装基础。

18、气缸盖、气缸套和活塞顶部共同组成燃烧室，是承受高温与高压的主要机件，气缸垫则起到密封的作用。水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，可称为气缸体-曲轴箱，也可简称为气缸体或机体。机体上半部有一个或多个圆柱形空腔，称为气缸，活塞便在其中做沿气缸轴线方向的往复运动；下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。机体是发动机各个机构和系统的装配基体，应具有足够的刚度和强度。（一）气缸体与曲轴箱（一）气缸体与曲轴箱气缸体气缸体1.水冷式水冷式机体系统中有冷却水套，采用冷却液作为冷却介质进行冷却风冷式风冷式机体是利用流动于气缸体与气缸盖外表面散热片之间的空气作为冷却介质进行冷却的。1 1）按冷却方式

19、分类）按冷却方式分类2 2）按气缸套形式分类）按气缸套形式分类 机体上部的气缸可制造成单独的圆筒形零件，然后装到机体内，称为气缸套。气缸套外壁不与冷却液直接接触的称为干式气缸套式机体；气缸套外壁直接与冷却液接触的称为湿式气缸套式机体。3 3）按气缸的安装平面分）按气缸的安装平面分 按照气缸的排列方式不同，机体可以分成单（直）列式、V形（左右两列气缸中心线的夹角90）和对置式（左右两列气缸中心线的夹角180）三种（见图2-10和图2-11）。V形机体缩短了机体长度和高度，增加了机体的刚度，减轻了发动机的重量，但加大了发动机的宽度，且形状较复杂，一般用于6缸以上的中型发动机。4 4）按气缸的排列形

20、式分类）按气缸的排列形式分类图图2-11 2-11 直列式机体直列式机体 曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来封闭上曲轴箱，形成曲轴运动空间，其底部用以储存润滑油（机油），故又称为油底壳。油底壳受力很小，通常采用薄钢板冲压而成。其形状决定于发动机的总体布置和润滑油的容量。在有些发动机上，为了加强油底壳内润滑油的散热，采用铝合金铸造油底壳，在壳的底部还铸有相应的散热肋片。曲轴箱曲轴箱2.为了保证在发动机纵向倾斜时机油泵仍然能吸到机油，油底壳的集油槽较深。根据需要，集油槽可设在油底壳前、后或中间。油底壳内还设有挡油板，防止车辆震动时油面波动过大。油底壳底部装有放油塞。

21、有的放油塞是磁性的，能吸附机油中的铁屑，避免其进入润滑油路继续循环，以减少发动机运动零件的磨损。一种新型的悬挂式油底壳如图2-12所示，这种油底壳拆装容易，不易变形，工作可靠。图图2-12 2-12 新型悬挂式油底壳新型悬挂式油底壳 气缸盖的主要功用是封闭气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁共同形成燃烧室。同时气缸盖上有进、排气门座，气门座镶圈，气门导管孔及进、排气道和喷油器座孔等。水冷发动机气缸盖内部有冷却水道，其端面上有冷却液孔与气缸体顶面的冷却液孔相通，以便冷却液循环冷却燃烧室等高温部分。（二）气缸盖、气缸垫与气缸套（二）气缸盖、气缸垫与气缸套气缸盖气缸盖1.多缸发动机的气缸盖有不同的结构形式

22、，只覆盖一个气缸的称为单体气缸盖，能覆盖两个以上气缸的称为块状气缸盖，能覆盖全部气缸的则称为整体气缸盖，如图2-13所示。图图2-13 2-13 整体式气缸盖与气缸垫整体式气缸盖与气缸垫 早先的柴油机通常采用二气门结构，即每个气缸有一个进气门和一个排气门；而现代柴油机大多采用四气门结构，即每个气缸有两个进气门和两个排气门。康明斯某型号柴油机四气门布置的气缸盖如图2-14所示。图图2-14 2-14 四气门布置的气缸盖四气门布置的气缸盖11进气门；进气门；22排气门；排气门；33喷油器座孔喷油器座孔汽缸垫汽缸垫2.气缸垫装在气缸盖和气缸体之间，其功用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏

23、水和漏油。气缸垫应满足如下主要要求。（1）在高温高压燃气作用下有足够的强度，不易冲破，不易损坏。（2）耐热和耐腐蚀，即在高温、高压燃气或有压力的机油和冷却水的作用下不烧损或变质。（3）具有一定弹性，能补偿接合面的不平度，以保证密封。目前应用较多的是金属-石棉气缸垫，如图2-15（a）所示。石棉中间夹有金属丝或金属屑，且外面覆铜皮或钢皮。水孔和燃烧室孔周围另用镶边增强，以防被高温燃气烧坏。这种气缸垫压紧厚度为122 mm，有很好的弹性和耐热性，必要时可重复使用，但厚度和质量的均一性较差。有的发动机采用钢丝网见图2-15（b）或有孔钢板(冲有带毛刺小孔的钢板)见图2-15（c）为骨架，两面用石墨及

24、橡胶黏结剂压成的气缸垫。虽然有时候拆下的气缸垫看起来完好无损，但其在高温下经压缩后弹性及密封性能下降。故一般情况下，不建议重复使用气缸垫，以保证其工作的可靠性。图图2-15 2-15 气缸垫的分类气缸垫的分类汽缸套汽缸套3.气缸套镶嵌在气缸体内的缸套孔中，是发动机重要的固定件之一。它与缸盖、活塞组成了空气（燃气）进行压缩、燃烧和膨胀的空间，并对活塞起到支承和导向的作用。另外，气缸套还向外传递热量。气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种。干式气缸套是一个薄壁圆筒，湿式气缸套为桶形结构。湿式气缸套在缸套上部或中部有一个支承法兰，以便将缸套安装固定在气缸体上。在缸套外圆面的中部或下部设有另一处支承，该支

25、承的下方有12道密封圈，以防止冷却液漏入油底壳污染润滑油。湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却液接触，气缸套仅在上、下各有一圆环地带与气缸体接触，壁厚通常为59 mm。有些发动机新机时并无气缸套，其具有缸套功能的部分与机体加工成了一体，当气缸磨损超限后，将缸套镗孔扩大，再镶入干式气缸套，再行镗孔，以恢复到标准尺寸。其特点是气缸套镶入气缸体后，其外壁不直接与冷却液接触，而和气缸体的内壁面紧密接触，厚度通常为13 mm。气缸套采用优质耐磨材料制成，通常为合金铸铁。采用气缸套有利于修理或更换，延长气缸体的使用寿命。发动机运转时，当活塞接近或到达上止点后，其运动速度逐渐降为零，此后改

26、变运动方向并逐渐加速，远离上止点而去。可见，活塞在上止点前后速度很低甚至为零，使活塞环与缸壁之间难以形成适当的润滑油膜；而且活塞的第一道活塞环往往离燃烧室最近，故第一道活塞环承受着很高的热负荷；高温进一步使原本不良的润滑条件进一步恶化，所以在气缸轴线方向上，上止点附近第一道活塞环位置对应的气缸壁磨损最为严重（见图2-16）。1 1）气缸的工作套件）气缸的工作套件图图2-16 2-16 气缸套磨损气缸套磨损 由于气缸套极易磨损，因此除了采用耐磨材料制作气缸套外，还采取很多其他措施来改善和提高气缸套内壁的耐磨性，这些措施包括表面淬火、氮化处理、多孔性镀铬及把缸壁珩磨出交叉纹路等。需要指出的是，这些

27、气缸套材料和耐磨措施的选择都应和与其相匹配的活塞环一起考虑，不可偏废。湿式气缸套的外壁与冷却液直接接触，由于受到化学作用、电化学作用、应力作用和机械振动等影响，会产生多种腐蚀。其中有一种表现为在气缸套活塞承压面的外侧出现团状分布的小孔群，小孔呈喇叭状，外大内小，向纵深发展，这种腐蚀就称为穴蚀。随着柴油机强化指标的不断提高和向轻型化发展，穴蚀现象也日益严重。有的柴油机甚至仅仅经过几十小时的高负荷运转就会在气缸套外侧产生相当数量的直径为15 mm、深度达23 mm的孔群。这种穴蚀孔一旦形成会很快发展，有的新柴油机运转一个月左右就发生穴蚀穿透缸壁的现象而不得不更换新的气缸套。2 2）气缸套的穴蚀）气

28、缸套的穴蚀 通常认为，气缸套材料本身存在微观小孔、裂纹等缺陷是穴蚀产生的内因；而发动机在工作中，由于连杆的左右摆动与活塞上气体力和惯性力的作用，使得作用在活塞上的侧向推力的方向在一个工作循环中（曲轴旋转720）改变六次；而活塞和气缸壁之间存在的间隙，使活塞在侧向推力改变方向的时候对缸壁产生冲击，引起缸套的振动。气缸壁的侧向振动带动外侧壁面的冷却液跟着运动。当振动加速度值超过一定值时，受到交替拉压的冷却液就跟不上气缸套的振动，在气缸套向内振动时外壁出现局部真空区。要想控制或减缓穴蚀的发生和发展，除了正确选用缸套材料、进行适当的表面处理、改进缸套结构及其与活塞的配合和改善冷却系统等措施以降低缸套的

29、振动之外，还可以在冷却液中加入可以减缓穴蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀的添加剂。美国康明斯公司推荐在冷却液中加入每升容积0.5单位浓度的DCA4添加剂，这种添加剂可以在冷却系统内表面形成一层保护膜，以防止缸套的穴蚀和冷却系统内沉淀物的堆积。康明斯发动机在冷却系统中还加设了可以缓慢释放DCA4的水滤器。这种水滤器可以像其他旋装式滤清器那样更换安装，可以在冷却液中的DCA4浓度（通常要求保持在0.320.79单位每升容积）降低到一定程度时加以更换。活塞连杆组 三三、1.活塞 活塞的主要作用是与气缸盖、气缸壁组成燃烧室，承受气缸中燃气燃烧所产生的作用力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。（一）活

30、塞、活塞环与活塞销（一）活塞、活塞环与活塞销 由于活塞顶部直接与高温燃气接触，燃气的最高温度可达2 500 K以上，因此，活塞的温度也很高（高达600700 K）。高温一方面使活塞材料的机械强度显著下降，另一方面使活塞的热膨胀量增大，容易破坏活塞与其相关零件的配合。活塞顶部在做功冲程时，承受着燃气带冲击性的高压，对于柴油机活塞其最大值可达69 MPa，采用增压时可能更高。高压导致活塞的侧压力加大，加速活塞外表面的磨损，也容易引起活塞变形。活塞在气缸中做高速往复运动，会产生很大的惯性力，它将使曲柄连杆机构的各零件和轴承承受附加的载荷。活塞承受的气压力和惯性力呈周期性变化，因此，活塞的不同部分会受

31、到交变的拉伸、压缩或弯曲载荷；并且由于活塞各部分的温度极不均匀，活塞内部将产生一定的热应力。所以要求活塞要质量小，热膨胀系数小，导热性好和耐磨，且具有足够的强度和刚度。柴油发动机活塞目前广泛采用的材料是铝合金，常用的铝合金整体式活塞如图2-17所示。图图2-17 2-17 铝合金整体活塞铝合金整体活塞 大负荷的柴油机上常采用钢顶铝裙的组合式活塞，这样既满足了对活塞顶部的强度要求，也降低了活塞的重量，如图2-18所示。图图2-18 2-18 钢顶铝裙组合式活塞钢顶铝裙组合式活塞 铝合金活塞具有质量小(约为同样结构的铸铁活塞质量的50%70%)、导热性好(约为铸铁的3倍)的优点。其缺点是热膨胀系数

32、较大，在温度升高时强度和硬度下降较快。为了克服这些缺点，一般要在结构设计、机械加工或热处理及冷却方式上采取各种措施加以弥补。铝合金整体式活塞的成型方法有铸造、锻造和液态模锻并纤维加强等几种。活塞顶面还可以采用阳极氧化处理来提高表面强度。铝合金整体式活塞即使采取了各种措施来提高其强度，但在热负荷较高时仍有可能产生活塞顶部烧蚀，所以柴油机常采用喷射机油到活塞内腔来带走热量的方法对活塞进行冷却。有些大型柴油机将压力机油从连杆轴颈通过连杆体中的油道引入到活塞头部的冷却油腔，机油随活塞上下运动而在油腔内激荡，吸收活塞头部的热量，然后从相应的出口流回油底壳。活塞的基本构造可分为顶部、头部和裙部三个部分。（

33、1）活塞顶部。活塞顶部的形状与选用的燃烧室形式有关。活塞顶部加工应力求光洁。（2）活塞头部。活塞头部是指活塞环槽及以上部分，包括火力岸及环带区两部分。其主要作用有以下三个。承受气体压力并传给连杆。与活塞环一起实现气缸的密封。将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁上（一部分热量由冷却机油带走）。活塞头部切有若干道环槽，用以安装活塞环。现代发动机的活塞为减小摩擦阻力，一般只有三道环槽，上面两道用以安装气环，下面一道用以安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小通孔，被油环从气缸壁上刮下来的多余机油经过这些小孔流回油底壳。由于活塞头部的温度从顶向下逐渐降低，由此产生的热膨胀呈上大下小的形态。活塞环槽

34、的磨损常常是限制活塞使用寿命的一个重要因素。在热负荷较高的发动机中，由于活塞的第一道环槽温度较高，铝合金材料的硬度下降，再加上活塞环与环槽的相对运动，润滑条件恶劣，更加速了环槽的磨损。为了保护和加强活塞环槽，可在铝合金活塞环槽部位铸入采用耐磨材料制造的环槽镶圈（见图2-17）。采用耐磨镶圈后，环槽的寿命可以提高310倍。（3）活塞裙部。活塞裙部是指自油环槽下端面起至活塞底面的部分。其作用是承受侧压力及为活塞在气缸内做往复运动导向，并限制活塞摇晃的幅度。因结构需要，活塞裙部金属材料的分布是不均匀的，活塞销座部分材料分布较多且刚度较大，致使裙部在受热变形时，在沿活塞销轴线方向的增量大于其他方向，如

35、图2-19（a）所示。在侧压力N作用下，活塞裙部直径在活塞销轴线方向上也增大，如图2-19(b)所示。活塞工作时，燃气压力P均匀作用在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞销两端的销座处，由此而产生的变形亦使裙部直径沿活塞销座轴线方向增大，如图2-19（c）所示。图图2-19 2-19 活塞裙部受力变形趋势活塞裙部受力变形趋势 综上所述，活塞工作时产生的机械变形和热变形，使得其裙部断面有变成椭圆的倾向，且其长轴在活塞销轴线方向上。再分析活塞销的受力情况，发现活塞销在工作中会产生中间向上、两端向下的弯曲变形，这会加剧活塞销座的应力集中现象。为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持比较均匀的间

36、隙，以免活塞裙部在气缸内卡滞、拉缸或局部磨损，可以在常温下预先把活塞裙部断面加工成椭圆形，但其长轴垂直于活塞销轴线方向。为了减少销座附近处的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面金属材料削去少许，使其下陷0510 mm。由于活塞沿轴线方向的温度分布和质量分布都不均匀，因此各个横断面的热膨胀量不尽相同，普遍呈上大下小的状态。铝合金活塞的这种现象尤为显著。活塞在工作时由于侧压力瞬时换向，使活塞与缸壁的接触面会突然由一侧转移至另一侧，使活塞对缸壁产生“敲击”（俗称活塞敲缸）。因此，现代发动机采用一种偏心活塞，即将活塞销座轴线向做功冲程中受侧压力较大的一侧偏移12 mm。再分析活塞销的受力情况，发现

37、活塞销在工作中会产生中间向上、两端向下的弯曲变形，这会加剧活塞销座的应力集中现象。为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持比较均匀的间隙，以免活塞裙部在气缸内卡滞、拉缸或局部磨损，可以在常温下预先把活塞裙部断面加工成椭圆形，但其长轴垂直于活塞销轴线方向。为了减少销座附近处的热变形量，有的活塞将销座附近的裙部外表面金属材料削去少许，使其下陷0.51.0 mm。采用偏心活塞的发动机，当压缩行程接近终了，活塞接近上止点时，活塞裙部提前换向；当活塞越过上止点后，由于活塞在受到燃烧压力之前已经完成换向，活塞对气缸的侧压力方向已经改变，因此活塞对气缸的冲击力大为减小，从而减轻了敲击振动和噪声。活塞环按功用

38、可分为气环和油环，如图2-20所示。环的外圆表面是其工作面。1 1）活塞环的功用及其工作条件）活塞环的功用及其工作条件活塞环活塞环2.图图2-20 2-20 活塞环活塞环 油环的功用是将气缸壁上多余的机油刮回油底壳，并在气缸壁上形成均匀的油膜。此外，油环也兼起密封作用。活塞环在高温、高压、变速及润滑差的条件下工作，因此，活塞环是发动机上寿命最短的零件之一。活塞环多采用优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁(在优质灰铸铁中加入少量铜、铬、铝等合金元素)制成。组合油环还采用弹簧钢片制造。有些发动机第一道活塞环的工作表面镀上多孔性铬。多孔性铬层硬度高并能储存少量机油，可改善润滑条件，使环的使用寿命提高23倍

39、。其余气环一般镀锡或磷化，以改善其磨合性能。此外，还可用喷钼的方法来提高活塞环的耐磨性。发动机在工作时，活塞环在高温下随活塞在气缸内往复运动，在各个方向上都会产生受热膨胀现象。为保证活塞环在各种工况下都能可靠地工作而不卡死，活塞环安装后应具有适当的开口间隙，与活塞环槽间应有适当的侧隙和背隙，如图2-21所示。2 2）活塞环的结构）活塞环的结构图图2-21 2-21 活塞环间隙活塞环间隙11活塞环工作状态活塞环工作状态;2;2活塞环自由状态活塞环自由状态;33工作面工作面;4;4内表面内表面;5;5活塞活塞;6;6活塞活塞环环;7;7气缺气缺 11开口间隙开口间隙;22侧隙侧隙;33背隙背隙;d

40、 d内径内径;B B宽度宽度 （1）开口间隙又称端隙，是活塞环冷态(常温)下装入气缸后开口处的间隙。（2）侧隙又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道环因工作温度较高，一般其侧隙比其他环大些，油环侧隙比气环小。（3）背隙是活塞和活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部间的间隙。为方便测量，维修中以环的径向厚度与环槽的深度差来表示背隙，但此数值比实际背隙略小。气环在自由状态下外径大于气缸直径，装入气缸后，其外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面，被封闭的气体不能从环周与气缸之间通过，便进入了环与环槽的空隙，把环压到环槽端面形成第二密封面，如图2-22所示。同时，作用在环背的气体压力又大大加强了

41、第一密封面的密封作用，密封效果与气环数量和质量有关。现代柴油机通常采用两道气环一道油环。安装时，各活塞环的开口通常呈120错开，而且避开活塞销方向和活塞受力面方向。切口相互错开的气环构成“迷宫式”封气装置，可以有效地对气缸中的高压燃气进行密封。3 3）气环）气环图图2-22 2-22 不同结构的气环的工作原理不同结构的气环的工作原理 （1）矩形环是气环常用的一种基本形式，其工艺性和导热效果较好，但矩形断面的气环随活塞做往复运动时，容易将气缸壁上的机油不断送入气缸中，恶化燃烧环境并增加机油消耗量。（2）锥面环是矩形环的改进型，可以改善环的磨合，即可以在较短的时间内完成磨合，这种环在气缸内向下运动

42、时刮去缸壁多余的润滑油；而向上滑动时由于斜面的油膜作用，可在油膜上浮起，这样可以显著减少磨损，延长活塞环的工作寿命。（3）扭曲环是在矩形环的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分。将这种环随同活塞装入气缸时，由于环的弹性内力不对称作用，产生明显的断面倾斜，其工作原理如图2-23所示。图图2-23 2-23 扭曲环的工作原理扭曲环的工作原理 活塞环装入气缸后，其外侧拉伸应力的合力F1与内侧压缩应力的合力F2之间有一力臂e，于是产生了扭曲力矩M。它使环外圆周扭曲成上小下大的锥形，从而使环的边缘与环糟的上、下端面接触，提高了表面接触应力，同时增加了密封性。扭曲环还易于磨合并有向下刮油的作用。扭曲环因其容易

43、加工，目前在发动机上得到广泛的应用。在装配扭曲环到活塞上时须注意上、下方向，不可装反。（4）梯形环常用在热负荷较高的柴油机上。其作用原理是当活塞受侧压力的作用而改变位置时，环的侧隙会发生相应变化，这样可以挤出可能沉积在环槽中的结焦，避免了环被黏在环槽中失去弹性而引起折断，故具有较强的抗黏着能力。（5）桶面环是近年来兴起的一种新型结构，目前已普遍地在强化柴油机中用作第一环。其特点是活塞环的外圆面为凸圆弧形。当桶面环上、下运动时，均能与气缸壁形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，从而使磨损大为减少。桶面环与气缸是圆弧接触，故对气缸表面的适应性和对活塞偏摆的适应性均较好，有利于密封。它的缺点是凸圆弧表

44、面加工较复杂。图图2-24 2-24 油环的结构及工油环的结构及工作原理作原理4 4）油环）油环 （1）整体式油环一般是用合金铸铁制造的。其外圆面的中间切有一道凹槽，在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔或狭缝。油环的刮油作用及断面形状如图2-24（c）、（d）所示。油环上唇的上端面外缘一般均有倒角，使油环向上运动时能够形成油膜。油膜可以把油环推离气缸壁，使其易于进入油环的切槽内。下唇的下端面外缘并不倒角，这样向下刮油能力较强。（2）一种由三个刮油片和两个弹性衬环（轴向和径向衬环）组成的组合式油环，如图2-24 所示。轴向衬环夹装在第二、第三刮油片之间。径向衬环使三片刮油片压紧在气缸壁上。这种油环

45、的优点是：片环很薄，对气缸壁的比压大，因而刮油作用强；三个刮油片是各自独立的，故对气缸的适应性好；质量小；回油通路大。因此，组合式油环在高速发动机上得到较广泛的应用。其缺点是制造成本高。活塞销活塞销3.活塞销的功用是连接活塞与连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆，其结构如图2-25所示。图图2-25 2-25 活塞、活塞销与卡环活塞、活塞销与卡环 活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件较差，在中小型发动机中，一般仅靠飞溅润滑。因此要求活塞销有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。为此，活塞销通常做成空心圆柱体。活塞销的内孔形状有圆柱形、两段截锥形，以及两段截锥与一段圆柱的组合

46、形等。圆柱形孔容易加工，但活塞销的质量较大；两段载锥形孔的活塞销质量较小，又接近等强度梁的要求(活塞销所承受的弯矩在中部最大，距中部越远处越小），但孔的加工工艺较复杂；组合形孔的结构则介于两者之间。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造，先经表面渗碳处理以提高表面硬度，并保证心部具有一定的冲击韧性，然后进行精磨和抛光。活塞销与活塞销座孔和连杆小头的连接有全浮式和半浮式两种形式，现代柴油机通常采用全浮式结构。全浮式活塞销在发动机正常工作温度时，不仅可以在连杆小头衬套孔内转动，还可以在活塞销座孔内缓慢地转动，使活塞销各部分的磨损均匀。活塞销座孔外侧设有活塞销卡环槽，活塞销卡环安装在槽内，防止活塞销轴向

47、移动拉伤缸壁。连杆将活塞和曲轴可动连接起来，其功用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。在传递和转换过程中，连杆承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复运动的惯性力，这些力的大小和方向都呈周期性变化。因此，连杆受到的是拉伸、压缩和弯曲等组合交变载荷，这就要求连杆在质量尽可能小的条件下具有足够的刚度和强度。通常连杆采用中碳钢或合金钢经模锻、辊锻或铸造，再经机械加工和热处理制成。（二（二）连杆与连杆轴承）连杆与连杆轴承连杆连杆1.连杆由小头、杆身和大头(包括连杆大头盖)三部分组成，如图2-26所示。图图2-26 2-26 连杆连杆 连杆大头按剖分面的角度可分为

48、斜切口与平切口（直切口）两种，如图2-27所示。图图2-27 2-27 连杆大头的形式及其分裂面连杆大头的形式及其分裂面 现在通常采用整体加工的方式对连杆大头进行加工，即先加工好连杆大头的两个侧面，再加工好大头孔、连杆螺栓孔和螺纹（斜切口连杆），然后采用激光切割。这样加工的连杆大头盖和连杆大头之间的结合面是毛糙不平的偶件。连杆盖在装配时应注意方向，不得装反。V形发动机左右两侧对应的两气缸的连杆安装在同一个曲轴曲柄销上，常见的有如下三种布置形式。（1）并列连杆。相对应的左右两缸的连杆一前一后地装在同一个曲柄销上。这样布置的优点是连杆可以通用，两列气缸的活塞连杆的运动规律相同。其缺点是两列气缸轴心

49、线沿曲轴轴向要错开一段距离，因而使曲轴的长度增加、刚度降低。（3）叉形连杆。左右两列气缸对应的两个连杆中，一个连杆的大头做成叉形，跨于另一个连杆的厚度较小的片形大头两侧，如图2-28（b）所示。叉形连杆式布置的优点是两列气缸中的活塞连杆组的运动规律相同，左右对应的两气缸轴心线不需要在曲轴轴向错位。其缺点是叉形连杆大头结构和制造工艺较复杂，且其刚度往往显得不足。图图2-28 2-28 主副连杆与叉形连杆结构主副连杆与叉形连杆结构连杆轴承连杆轴承2.为了减小摩擦阻力和连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，也称连杆轴瓦，如图2-29所示。图图2-29 2-29 连杆轴瓦连杆轴瓦 由于上、下

50、轴瓦的负载相差很大，因此有的发动机采用了不同材质制成的上、下轴瓦，它们有不同的零件号，在这种情况下，一定注意上、下轴瓦不可装错。上、下轴瓦在自由状态下都不是标准的半圆形，且其外径比大头孔径略大，当它们装入连杆大头孔内时，用连杆大头盖压紧后，轴瓦与大头孔呈过盈配合状态，故能均匀而紧密地贴合在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力。这种状态可大大提高轴瓦的工作可靠性和延长其使用寿命。为提高配合精度，要求瓦背及大头孔都具有很高的光洁度。为了防止连杆轴瓦在工作中发生转动或轴向移动，在两个连杆轴瓦的剖分面上，分别冲压出高于钢背面的两个定位舌。装配时，这两个定位舌分别嵌入连杆大头和连杆大头盖上的相应凹