汽车构造第02章曲柄连杆机构教案资料课件.ppt
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1、2023-1-281汽车构造汽车构造电子教案电子教案第二章 曲柄连杆机构2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第2页第一节 概述曲柄连杆机构的功用功用,是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩,以向工作机械输出机械能。曲柄连杆机构的主要零件主要零件可以分成三组:机体组、活塞连杆以及曲轴飞轮组。曲柄连杆机构的工作条件的特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。曲柄连杆机构在高压下作变速运动,因此它在工作中的受力情况受力情况很复杂,其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第3页对曲柄连杆机构进行受力分析l气体作用力l往复惯性力与离心力l摩擦力(摩
2、擦力主要取决于运动零件的制造质量与润滑情况,其数值相对较小,在对机构进行受力分析时可忽略。)2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第4页气体作用力 在每个工作循环的四个行程中,气体压力始终存在。但由于进气、排气两行程中气体压力较小,对机件影响不大,故这里主要研究作功和压缩行程中的气体作用力。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第6页一、气缸体2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第7页 气缸工作表面必须耐高温、耐磨损、耐腐蚀耐高温、耐磨损、耐腐蚀。为了满足以上要求,一般可以从气缸的材料、加工精度和结构等方面来采取措施。为了保证气缸表面能在高温下正常工作,必须对气缸和气缸盖随时加以冷却。
3、2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第8页多缸发动机的气缸排列形式 对于多缸发动机,气缸的排列形式决定了发动机外形结构,对于发动机气缸体的刚度和强度也有影响,并关系到汽车总体布置情况。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第9页2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第10页气缸套有干式和湿式两种,如图2-9所示。干缸套(图2-9 bc)不直接与冷却水接触,壁厚一般为13mm。湿缸套(图2-9 dh)则与冷却水直接接触,壁厚一般为59mm。湿缸套的优点是在气缸体上没有密闭的水套,铸造方便,容易拆卸更换,冷却效果也较好;其缺点是气缸体的刚度差,易于漏气、漏水。湿缸套广泛应用于汽车柴油机上。
4、在某些负荷比较小,缸径又不大的柴油机中,为使结构紧凑,可以不另外安装气缸套,而是直接在气缸体上加工出气缸内壁。气缸套2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第11页二、气缸盖与气缸衬垫 气缸盖气缸盖 气缸盖的主要功用是密封气缸上部,并与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。气缸衬垫气缸衬垫 气缸盖与气缸体之间置有气缸盖衬垫,以保证燃烧室的密封。它们的优缺点是什么呢?2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第12页气缸盖的材料 气缸盖由于形状复杂,一般都采用灰铸铁或合金铸铁铸成,有的汽油机气缸盖用铝合金铸造,因铝的导热性比铸铁好,有利于提高压缩比。铝合金盖的缺点是刚度低,使用中容易变形。CA6102型
5、发动机采用铜钼低合金铸铁铸造的整体式气缸盖。汽油机的燃烧室是由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成。汽油机的燃烧室是由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成。燃烧室形状对发动机的工作影响很大。燃烧室形状对发动机的工作影响很大。(柴油机燃烧室将在(柴油机燃烧室将在“柴油机供柴油机供给系给系”一章中讨论。)一章中讨论。)对燃烧室的基本要求对燃烧室的基本要求汽油机常用燃烧室形状的分类汽油机常用燃烧室形状的分类汽油机的燃烧室2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第13页对燃烧室的基本要求 结构尽可能紧凑,表面积要小,以减少热量损失及缩短火焰行程;要使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动,以提高混合气燃烧速
6、度,保证混合气得到及时和充分的燃烧。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第14页汽油机燃烧室的形状2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第15页气缸盖衬垫的构造 目前应用较多的是金属石棉衬垫,如图2-12a、b所示。石棉之间加有金属丝或金属屑,而外覆铜皮或钢皮。水孔和燃烧室孔周围另用镶边增强,以防被高温燃气烧坏。这种衬垫压紧厚度为1.22mm,有很好的弹性和耐热性,能重复使用,但厚度和质量的均一性较差。安装气缸衬垫时,应注意把光滑的一面朝气缸体,否则容易被气体冲坏。有的发动机还采用在石棉中心用编织的钢丝网(图2-12c)或有孔钢板(冲有带毛刺小孔的钢板)(图2-12d)为骨架,两面用石棉
7、及橡胶粘结剂压成的气缸盖衬垫。近年来,国内还正在试验采用膨胀石墨作为衬垫的材料。很多强化的汽车发动机采用实心的金属片作为气缸盖衬垫(图2-12e)。这种气缸垫由单块光整冷轧的低碳钢板制成,在需要密封的气缸孔和水孔、油孔周围冲压出一定高度的凸纹,利用凸纹的弹性变形来实现密封。解放CA1091型汽车6102型发动机的气缸垫,就采用了这种较先进的加强型无石棉气缸垫,其结构如图2-12f所示,在气缸口密封部位采用五层薄钢板组成,并设计成圆形,没有石棉夹层,从而消除了气囊的产生,也减少了工业污染。在油孔和水孔周围均包有钢护圈以提高密封性。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第16页气缸盖衬垫应满足的
8、要求:气缸盖衬垫应满足的要求:(1)在高温、高压燃气作用下有足够的强度,不易损坏。(2)耐热和耐腐蚀,即在高温、高压燃气下或有压力的机油和冷却水的作用下不烧损、不变质。(3)具有一定弹性,能补偿结合面的不平度,以保证密封。(4)拆装方便,能重复使用,寿命长。气缸盖用螺栓固紧在气缸体上。拧紧螺栓时,必须按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序规定的拧紧力矩值拧紧,以免损坏气缸垫和发生漏水现象。如果气缸盖由铝合金制成,则最后必须在发动机冷的状态下拧紧,这样热起来时会增加密封的可靠性,因为铝气缸盖的膨胀比钢螺栓的大;铸铁气缸盖则可以在发动机热态时最后拧紧。2023-1-2
9、8哈尔滨工业大学(威海)第17页2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第18页三、油底壳 主要功用是贮存机油并封闭曲轴箱。油底壳受力很小。其形状决定于发动机总体布置和机油的容量。散热肋片。后部较深。挡油板。底部装有放油塞。有的放油塞是磁性的。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第19页四、发动机的支承2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第20页第三节 活塞连杆组活塞活塞活塞环活塞环活塞销活塞销连杆连杆活塞连杆组的组成活塞连杆组的组成2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第21页活塞 活塞的主要作用是承受气缸中的气体压力,并将此力通过活塞销传给连杆,以推动曲轴旋转。活塞顶部还与气缸盖
10、、气缸壁共同组成燃烧室。活塞的工作条件 活塞的材料活塞的基本构造2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第22页2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第23页活塞顶部1.1.平顶活塞平顶活塞优点是吸热面积小,制造工艺简单。汽油机活塞顶部多采用平顶。2.2.凹顶活塞凹顶活塞为了改善混合气的形成和燃烧,有些汽油机采用了凹顶活塞,并且凹坑的大小还可以用来调节发动机的压缩比。二冲程汽油机常采用凸顶活塞。柴油机的活塞顶部常常设有各种各样的凹坑,其具体形状、位置、大小都必须与柴油机混合气的形成或与燃烧要求相适应。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第24页活塞裙部活塞的工作条件对裙部产生的影响采取的
11、措施活塞销座2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第25页 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,以免在气缸内卡死或引起局部磨损,必须预先在冷态下把活塞加工成裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。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制成下陷 0.51.0mm。为了使裙部适应活塞的温度分布,并且裙部与承受侧压力的一边的缸壁之间容易形成双向“油楔”,使活塞无论向上或向下运动时,都能保证裙部有良好的润滑及较高的承载能力,活塞裙部形状可以做成变椭圆桶形。为了减少铝活塞裙部的热膨胀量,有的汽油机活塞在活塞销座中镶铸有“恒范钢片”。柴油机的铸铝活塞的裙部有的镶
12、铸筒形钢片,还有的采用镶铸复式钢片的结构。具体内容2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第26页恒范钢片(含镍33%36%,线膨胀系数约为铸铝合金的1/10),其热膨胀系数低,将其镶铸在活塞销座中以牵制裙部的热膨胀,如图所示。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第27页柴油机的铸铝活塞的裙部有的镶铸筒形钢片,还有的采用镶复式钢片的结构,此种结构在裙部上方受膨胀侧压力的那一面镶入两片比较短的弓形钢片1,在销座位置铸入相应于裙部圆周形状的筒形钢片2。两部分钢片的联合作用,保证了整个裙部的膨胀量很小而且很均匀。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第28页油冷活塞右图a,是利用经过连杆杆身输
13、送到小头的机油喷到活塞顶部底面进行冷却(称为“振荡冷却”);右图b,是在活塞顶部材料内用失蜡铸造法铸出蛇形管,利用安装在机体上的喷油嘴对蛇形管的一端喷入机油的方法,来带走活塞顶的大部分热量。温度升高的机油,从蛇形管的另一端流出。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第29页 这种结构不仅质量轻,而且裙部具有较大的弹性,可使裙部与气缸装配间隙减小很多,也不会卡死。托板式裙部活塞销座2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第30页可使活塞较平稳的从压向气缸的一面过渡另一面,而且过渡时刻早于达到最高燃烧压力的时刻,可以减轻活塞“敲缸”,减小噪声,改善发动机工作的平顺性。有些高速汽油机活塞销孔中心线
14、偏离活塞中心线平面2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第31页活塞环活塞环包括气环气环和油环油环两种:气环用来保证活塞与气缸壁间的密封,防止气缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱,同时还将活塞顶部分的大部分热量传导到气缸壁,再由冷却水或空气带走。油环用来刮除气缸壁上多余的机油,并在气缸壁面涂上一层均匀的机油膜,这样既可以防止机油窜入气缸燃烧,又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。此外,油环也起到封气的辅助作用。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第32页活塞环的工作条件在高温、高压、高速以及润滑困难的条件下工作的活塞环,是发动机所有零件中工作寿命最短的。当活塞环磨损到失效时,将出
15、现发动机起动困难,功率不足,曲轴箱压力升高,机油消耗增大,排气冒蓝烟,燃烧室、活塞等表面严重积碳等不良状况。活塞环的材料目前广泛应用:合金铸铁(在优质灰铸铁中加入少量铜、铬、钼等合金元素)。第一道气环的工作表面一般都镀上多孔性铬。多孔性铬层硬度高,并能贮存少量机油,以改善润滑条件,使环的使用寿命提高23倍。其余气环一般镀锡或磷化,以改善磨合性能。可用喷钼来提高活塞环的耐磨性。在高速强化的柴油机上,还可以采用钢片环来提高弹力和冲击韧度。用粉末冶金的金属陶瓷和聚四氟乙烯制造的活塞环,在国外获得试用。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第33页活塞环2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第34
16、页气环气环所起的密封和导热两大作用,密封是主要的。活塞环有一个切口,且在自由状态下不是圆环形,其外形尺寸比气缸的内径大些。为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置。通常在保证密封的前提下,应该尽可能减少环数。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第35页气环的切口 气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口,因此,切口的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响,切口间隙过大,则漏气严重,使发动机功率减小;间隙过小,活塞环受热膨胀后就有可能卡死或折断。切口间隙值一般为0.250.8mm。第一道气环的温度最高,因而其切口间隙值最大。a,直角形切口;b,阶
17、梯形切口;c,斜切口,容易折损;d,二冲程发动机活塞环的带防转销钉槽切口。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第36页气环的断面a是常用的矩形断面,其工艺性和导热效果较好;“气环的泵油作用”。b是锥形环,可以改善环的磨合,这种环在气缸内可向下刮油,而向上滑动时,由于斜面的油楔作用,可在油膜上浮起,减少磨损。c、d是非矩形断面的扭曲环。它可以防止活塞环在环槽内上下窜动而造成的泵油作用,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。e是梯形环。常用在热负荷较高的柴油机上的第一环。f是桶面环。新型结构,目前广泛地用在强化柴油机中第一环。圆弧面加工困难。2023-1-28哈尔滨工业大学(
18、威海)第37页气环的泵油作用 泵油原理泵油原理 危害危害 窜入气缸内的机油,会使燃烧室内形成积碳和增加机油消耗,并且还可能在环槽(尤其是温度较高的一道气环槽)中形成积碳,使环被卡死在环槽中,失去密封作用,划伤气缸壁,甚至使环折断。消除的方法消除的方法2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第38页消除的方法 为了消除或减少有害的泵油作用,除在气环的下面装有油环外,广泛采用非矩形断面的扭曲环。扭曲环目前在发动机上得到广泛的应用。它在安装时,必须注意环的断面形状和方向,应将其内圆切槽向上,外圆切槽向下,不能装反。其作用原理详见其作用原理详见扭曲环扭曲环 部分部分2023-1-28哈尔滨工业大学(威
19、海)第39页扭曲环 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而产生明显的断面倾斜,其作用原理如图所示。活塞环装入气缸后,其外侧拉伸应力的合力 与内侧压缩应力的合力 之间有一力臂 ,于是产生了扭曲力矩 。它使环扭曲,从而使环的边缘与环槽的上下端面接触,提高了表面接触应力,防止了活塞环在环槽内上下窜动而造成的泵油作用,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。Me2F1F 为了消除或减少有害的泵油作用,除在气环的下面装有油环外,广泛采用非矩形断面的扭曲环。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第40页油环(分为普通油
20、环和组合油环两种)2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第41页普通油环 普通油环外圆面的中间切有一道凹槽,在凹槽底部加工出很多排油小孔或狭缝。油环的刮油作用如图2-34所示。油环上唇的上端面外缘,一般均有倒角,使油环向上运动能够形成油膜。于是,积油可把油环推离气缸壁,易于进入油环的切槽内。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第42页组合式油环的优点片环很薄,对气缸壁的比压大,因而刮油作用强;三个刮油钢片是各自独立的,故对气缸适应性好;质量小;回油通路大。组合油环在高速发动机组合油环在高速发动机上得到广泛应用。上得到广泛应用。其缺点是制造成本高。其缺点是制造成本高。(片环的外表面必须镀(
21、片环的外表面必须镀铬,否则滑动性不好)铬,否则滑动性不好)2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第43页活塞销 活塞销的功用是连接活塞和连杆小头,将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造,先进行表面渗碳处理以提高表面硬度,并保证心部有一定的冲击韧度,然后进行精磨和抛光。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第44页 活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接配合,一般多采用“全浮式”,即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的转动,以使活塞销各部分的磨损比较均匀。当采用铝活塞时,活塞销座的热膨胀量大与钢活塞销。为了保证高温工作时有
22、正常的工作间隙(0.010.02mm),在冷态装配时活塞销与活塞销座孔为过渡配合。装配时,应先将铝活塞放在温度为7090的水或油中加热,然后将销装入。为了防止销的轴向窜动而刮伤气缸壁,在活塞销两端用卡环嵌在销座孔凹槽中加以轴向定位。2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第45页连杆连杆的功用和材料连杆的功用和材料连杆的工作条件连杆的工作条件连杆的组成连杆的组成连杆的定位连杆的定位连杆的分类连杆的分类2023-1-28哈尔滨工业大学(威海)第46页连杆小头 连杆小头与活塞销相连。工作时,小头与销之间有相对转动,因此小头孔中一般压入减磨的青铜衬套。为了润滑活塞销与衬套,在小头和衬套上钻出集油孔或
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