第二章曲柄连杆机构受力

速
0
不同形式的载荷，为了保证工作
可行减少磨损，在结构上要采取
相应的措施。
第二节 机体组（气缸体曲轴箱组）
机体组：包括机体、气缸盖、缸垫、气缸盖罩、主轴承盖、 以及油底壳。
机体组是发动机的 支架，是曲柄连杆 机构、配气机构和 发动机各系统主要 零部件的装配基体。 气缸盖用来封闭气 缸顶部，并与活塞 顶和气缸壁一起形 成燃烧室。 另外，气缸盖和机 体内的水套和油道 以及油底壳又分别 是冷却系和润滑系 的组成部分。
往复惯性力与离心力作用的后果：加剧发动机的振动（上下振动，水平振动）, 增加发动机曲柄连杆机构的各部件及所有轴颈、轴承的磨损。
3、摩擦力：存在于作相对运动而又相互接触的零件表面之间。如气缸壁与
活塞间等。
*上述各力作用于曲柄连杆机构
及机体的各有关零件上，使它们 受到压缩、拉伸、弯曲、扭转等
加0
速
减 vmax
3、多缸发动机的气缸排列形式： 直列式：发动机的各气缸成一字型排列。 双列式：V型 Φ<180° ； P型 Φ=180°。
结构简单、加工容 易，但发动机长度 和高度较大。
缩短了机体的长度 和高度，增加了宽 度，减轻了发动机 的重量；形状复杂， 加工困难。
高度小，总体 布置方便。多 用于赛车。
对置气缸式发动机
状 5)篷形燃烧室，是近年来在高性能多气门轿车发动机上广
泛应用的燃烧室。
柴油机的分隔式燃烧室有两种类型： 1)涡流室燃烧室，其主、副燃烧室之间的连接通道与副燃烧室切向
连接，在压缩行程中，空气从主燃烧室经连接通道进入副燃烧室， 在其中形成强烈的有组织的压缩涡流，因此称副燃烧室为涡流室。
2)预燃室燃烧室，其主、副燃烧室之间的连接通道不与副燃烧室切向 连接，且截面积较小。在压缩行程中，空气在副燃烧室内形成强 烈的无组织的紊流。燃油迎着气流方向喷射，并在副燃烧室顶部 预先发火燃烧，故称副燃烧室为预燃室。

第二章 曲柄连杆机构
§2.1 概述 §2.2 机体组 §2.3 活塞连杆组 §2.4 曲轴飞轮组 连接关系图示 作业
2014年7月12日
本课件用于汽车专业教学
教学目的与要求
1、掌握曲柄连杆机构功用及组成。 2、了解曲柄连杆机构受力情况。
3、掌握气缸体与曲轴箱的型式，气缸的排列型式，气缸盖的功用、组成及其缸盖
回目录
气缸体、曲轴箱
§2.2 机体组
气缸盖
气缸盖、气缸垫
油底壳
气缸垫
油道和水道
气缸体 曲轴箱
油底壳
气缸
机 体 组 图 示
水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体， 称为气缸体——曲轴箱。
一 、 气 缸 体 和 曲 轴 箱
缸体是发动机中最大的单独式部件，它基本上是 一个金属体，为了达到润滑和冷却的目的，该部 件被制造成既有汽缸又有油道和水道网。另外， 缸体的侧面装有机油滤清器、水泵以及其它辅助 部件。
1.往复惯性力： 0 max 0
惯性力 离心力
上止点
活
前半行程 后半行程
（惯性力向上）（ 惯性力向下）
塞
下止点
当活塞从下止点向上止点运动时，正好相反。
2.离心力： 其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲
轴转速有关。离心力总是沿着半径背离圆心方向。 上止点
惯性力FJ
离 心 力 FC
下止点
（顺时针旋转）
力、摩擦力等。
曲柄连杆机构的组成
曲柄连杆机构
机体组
活塞连杆组
曲轴飞轮组
气 缸 体
曲 轴 箱
气 缸 盖
气 缸 套
气 缸 垫
油 底 壳
活 塞
活 塞 环
活 塞 销

四、连杆
1、作用：连接活塞与曲轴，并把活塞承受的气体压力传给 曲轴，使活塞的往复运动变成曲轴的旋转运动。 连杆小头 杆身 连 杆
组
件 分 连杆 大头 解 图
2、连杆大头的连接形式：平切式、斜切式
平切式
斜切式
3、连杆轴瓦
4、V型发动机连杆的布置形式
并列式
主副式
叉型式
第四节 曲轴飞轮组
飞轮 正时齿轮 皮带轮 扭转减振器 起动爪
1、气缸盖
功用：密封气缸的上部，与活塞、气缸等共同构成燃烧室。
材料：灰铸铁或合金铸铁，铝合金。 工作条件：由于接触温度很高的燃气，所以承受的热负荷很大。
分类：分开式（柴油机），整体式（汽油机）
2、燃烧室
名称 半球形 特点
结构紧凑、火焰行程短、 燃烧速率高、热损失小、 热效率高
示意图
应用
桑塔纳 夏利 富康
高度小，总体 布置方便。
（4）干式气缸套和湿式气缸套
名称 特 点 示意图
强度和刚 度都较好， 加工复杂， 拆装不便， 散热不良。
干缸套
外壁不直接与冷却水接 触。壁厚1～3mm。
湿缸套
外壁直接与冷却水接触。 壁厚5～9mm。
散热良好、冷 却均匀、加工 容易。 强度 和刚度不如干 缸套，易漏水。
二、气缸盖、气缸垫和气缸盖罩
5、为使活塞在各种工况下均能与气缸壁间保持合理的密封 和运动间隙，制造活塞是通常采取下列结构措施：
（1）预先做成阶梯形、锥形
活塞沿高度方向温度很不 均匀，活塞的温度是上部高、 下部低，膨胀量也相应是上部 大、下部小。为了使工作时活 塞上下直径趋于相等，即为圆 柱形，就必须预先把活塞制成 上小下大的阶梯形、锥形。
A 刚度和强度应足够大，传力可靠。 活塞应 具备的 特点 B 导热性能好，耐高压、高温、磨损 C 质量较小，尽可能减少往复惯性力 D 耐热的活塞顶及弹性的活塞裙 E 活塞与气缸壁间有较小的摩擦系数

汽
车 4.保证火焰的传播距离最短,以防止不正常 燃烧.
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四、气缸垫
1、功用：安装在气缸盖和气缸体之间，保证气 缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水 和漏油。 2、材料：有弹性、耐热性、耐压性 3、安装时注意方向
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气环
切口
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气环结构
开口间隙： 背隙： 侧隙：
气环的密封作用：
第一密封面：活塞环直径大于气缸直径，装入后产生弹性贴紧在气缸 壁上而形成； 加强密封：窜入环槽的少量气体作用在环的背面（背隙处），加强了 第一密封面作用； 第二密封面：窜入环槽的少量气体作用在环槽底面，形成第二密封面；
用 气 材料耐 缸制磨 套成优 ，的质 再气材 装缸料 到体制 一内成 般。降 于 延 寿修低长命理了了。和制气更造缸换成体气本的缸，使套便用，
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（5）干缸套和湿缸套
名称
特点
外壁不直接与冷却 干缸套 水接触。壁厚
2~3mm。
示意图
强度和刚 度都较好， 加工复杂， 拆装不便， 散热不良。
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（2）按冷却方式分
1、水冷 2、风冷
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散热片
风冷气缸体和气缸盖
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结构简单、加工 容易，但发动机 长度和高度较大。
汽 车
缩短了机体的长度和高度， 增加了刚度，减轻了发动 机的重量；形状复杂，加 工困难。六缸以上发动机 使用

曲柄连杆机构的优 化设计
提高发动机的输 出功率
降低发动机的燃 油消耗
提高发动机的可 靠性和耐用性
降低发动机的噪 声和振动
提高发动机的环 保性能
提高发动机的经 济性
优化曲柄连杆机构的设计参数，如曲柄半径、连杆长度等 采用先进的材料和制造工艺，提高曲柄连杆机构的强度和耐磨性 优化曲柄连杆机构的运动轨迹，提高发动机的输出功率和燃油经济性
汽车构造课件第二章 曲柄连杆机构
汇报人：PPT
目录
添加目录标题
曲柄连杆机构概述
曲柄连杆机构的运 动学分析
曲柄连杆机构的受 力分析
曲柄连杆机构的优 化设计
曲柄连杆机构的故 障诊断与维护
添加章节标题
曲柄连杆机构概述
连接发动机曲 轴和活塞，实
现动力传递
控制活塞往复 运动，实现发
动机做功
调节发动机转 速和扭矩，实 现发动机性能
06
曲柄连杆机构的受力平衡条件是保证发动机正常工作的重要因素 曲柄连杆机构的受力平衡条件主要包括曲柄、连杆、活塞等部件的受力平衡 曲柄连杆机构的受力平衡条件需要满足力矩平衡、力平衡和位移平衡等条件 曲柄连杆机构的受力平衡条件可以通过计算和实验方法进行验证和优化
静力分析：分析曲柄连杆机构在静止状态下的受力情况 动力分析：分析曲柄连杆机构在运动状态下的受力情况 应力分析：分析曲柄连杆机构在受力状态下的应力分布 疲劳分析：分析曲柄连杆机构在长期受力状态下的疲劳寿命 振动分析：分析曲柄连杆机构在振动状态下的受力情况 热力分析：分析曲柄连杆机构在受热状态下的受力情况
优化
保护发动机， 防止活塞撞击 缸壁，延长发
动机寿命
曲柄：连接活塞连杆，传递动力 连杆：连接活塞和曲柄，传递动力 活塞：在气缸内上下运动，压缩气体

•
销座凹陷
–
活塞环
• 活塞环的分类和功用
– –
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气环（压缩环）：防止气缸内的混合气及爆发气体、废气泄 漏（密封和导热作用）。 油环：将残留在气缸壁面上的润滑油刮掉，并在气缸壁上铺 涂一层均匀的机油膜（刮油，布油、辅助封油）。 高温、高压、高速及润滑困难。
•
工作条件
–
•
材料：要求耐热、耐磨及高的强度和冲击韧性
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汽油机的燃烧室
• 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。燃烧室的形状对发动机的工作影响较大。
•
对燃烧室有三点基本要求：
1. 结构尽可能紧凑，冷却面积小，以减少热量损失及缩短火焰 行程； 2. 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 燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧 3. 有增大进气门的直径或进气道通过面积，以增加进气量，从 而提高发动机的转矩和功率
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第二章 曲柄连杆机构
Logo
概述
• 曲柄连杆机构的功用与组成
– 功用：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。 – 组成：机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组
• 曲柄连杆机构的工作条件
– – – – 高温：2500K 高压：5～9MPa 高速：3000～6000r/min（100～200行程每秒） 化学腐蚀
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• 活塞环在自由状态下外廓尺寸大于气缸直径，当装入气缸 后，在自身弹力作用下环的外圆面与气缸壁形成第一道密 封面。 • 进入活塞环的侧隙中的高压气体使下侧面与环槽的下侧面 贴紧形成第二道密封面。 • 进入径向间隙的高压气体只能使活塞环的外圆面与气缸壁 更加贴紧。 • 漏气的唯一通道即活塞环的开口端隙，如果几道活塞环开 口相互错开，则形成迷宫式漏气通道，气体在其中的流动 阻力大，压力下降快，则最后漏气量仅为0.2%-1%

2.2 活塞连杆组构造和维修
2.2.2 活塞环
一、分类与功用 1.分类: 油环 气环 2.气环功用: 保证活塞与气缸壁的密封 防止气缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱 将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁由冷却水或空气带走 3.油环的作用: 刮除气缸壁多余机油，铺涂均匀油膜，防止机油串入气缸燃烧 减少活塞和活塞环与气缸的磨损
飞轮图
2.4 曲轴飞轮组构造和维修
2.4.4 曲轴飞轮组的检修
一、曲轴的检修 1.曲轴的常见损伤 轴颈磨损
曲轴主轴颈和连杆轴颈的磨损是不均匀的，且磨损部位有一定的规 律性。 弯扭变形
所谓曲轴弯曲是指主轴颈的同轴度误差大于0.05mm。 裂纹
曲轴的裂纹多发生在曲柄与轴颈之间的过渡圆角处以及油孔处。
2.4 曲轴飞轮组构造和维修
2.曲轴的检修 检验项目主要是： （1）裂纹的检验 （2）变形的检验 （3）磨损的检验 曲轴轴颈磨损的检修先检视轴颈有无磨痕和损伤，再测量主轴颈和 连杆轴颈的圆度误差和圆柱度误差。 对曲轴短轴颈的磨损以检验圆度误差为主，对长轴颈则必须检验圆 度和圆柱度误差。
曲轴弯曲检查图
一、活塞的选配
1.活塞的正常磨损 活塞环槽的磨损 活塞裙部的磨损 活塞销座孔磨损等
活塞环槽的磨损较大，以第一道环槽的磨损最为严重，各环槽由上 而下逐渐减轻。
2.活塞的异常损坏 活塞刮伤 顶部烧蚀等
根据气缸的修理尺寸选配活塞。
2.2 活塞连杆组构造和维修
3.活塞选配 （1）选用同一修理尺寸和同一分组尺寸的活塞。 活塞裙部的尺寸是镗磨气缸的依据，即气缸的修理尺寸是哪一级， 也要选用哪一级修理尺寸的活塞。 只有在选用同一分组活塞后，才能按选定活塞的裙部尺寸进行镗磨 气缸。 （2）同一发动机必须选用同一厂牌的活塞。 （3）在选配的成套活塞中，尺寸差和质量差应符合要求。

形状：汽油机： 凸顶（二冲程） 平顶（四冲程） ② 活塞头部：作用：承受气压力、传力、密封、传热。 形状： 上部2—3道气环环槽 柴油机：凹顶
下部1—2道油环环槽
a、为防止第一道环因温度过高而产生拉缸， 常在头部顶岸开隔热槽。目的：改变热流方向， 将原来应由第一环承受的热量，散走一部分到 二、三道环。 b、为防止环槽磨损可铸入用奥氏体铸铁 （耐热、耐磨）做成的环槽护圈。
优点：高温强度高，耐磨性好，铸造性能好，成本低。 缺点：比重大，导热性差。 现代发动机活塞的材料是铝合金。 优点：导热性好。比灰铸铁大了3—4倍，比重小。 缺点：热膨胀系数大耐磨性差，成本高。高温下易变形。要采 取热处理加以弥补 。
4、活塞的构造：顶部、头部、裙部。
① 活塞顶部：作用：与缸盖共同围成燃烧室。
均布的合力Fp
Fp2 作用于缸壁 Fp1 沿连杆方向作用于曲柄销上 Fp1 ① FR使主轴曲轴颈与主轴承产生压紧。 ① ②
② Fs除使主轴颈与主轴承产生压紧力还对曲轴形成扭矩T，推动曲轴
旋转， T= Fs × r
压缩行程：
F`p2 把活塞压向气缸另一侧
F`p
F`p1
F`R F`s=>T`=F`s × r (旋转阻力矩，阻碍曲轴旋
度和强度差。
龙门式
气缸体下表面降至曲轴轴线以下。
强度和刚度较好。工艺性差、结构笨重、加工困难。
中、重型载重车
特重型的柴油机 隧道式 结构紧凑、刚度和强度好。难加工、工艺性差、曲轴 上。
拆卸不方便。
主轴承不分开（配用组合式曲轴）。
3、气缸体的冷却方式：
（图1）
水冷：在气缸及缸盖中设水套——充水的空腔。
往复惯性力与离心力作用的后果：加剧发动机的振动（上下振动，水平振动）， 增加发动机曲柄连杆机构的各部件及所有轴颈、轴承的磨损。

a、汽油机： （1）气缸盖中心加工有装火花塞的孔
（2）进、排气道一般铸在气缸盖的一侧（进气管布置在排气管的 上部，利用废气加热进气管壁面油膜，促进雾化),但现代汽油机 采用半球形燃烧室时则进、排气道铸在气缸盖的两侧 （3）燃烧室在气缸盖上，气缸盖底部有凹坑。
b、柴油机： （1）气缸盖中心加工有装喷油器的孔
8
第二节 机体组
• 机体组由气缸体（有的发动机有曲轴箱）、气缸盖 和油底壳组成。 • 一、气缸体 • 水冷发动机的气缸体与曲轴箱常铸成一体，简称 气缸体，有的水冷发动机的气缸体象风冷发动机的 气缸体一样，将气缸体与上曲轴箱（其内腔为曲轴 运动的空间）分开铸造，而把油底壳称之为下曲轴 箱。气缸体内孔一般镶入气缸套，其内表面形成气 缸工作表面。
b、质量轻
c、铸造流动性好（风冷发动机散热片铸造容易） d、刚度低:易变形导致漏气、漏水
f、强度低:气缸盖螺栓孔易拉毛
g、不耐高温:超过350C，强度急剧降低 （2）灰铸铁或合金铸铁： （大部分柴油机） a 、刚度、强度高 b 、耐高温 c 、 导热性差: 缸盖底面鼻梁区易开裂(温差大而使热应力过大) d 、质量重
气缸套
水套
气缸体
图 2-6 （a）干式气缸套
（2）湿式缸套： 0.050.15mm （轴向定位） 图（b）所示，气缸体水套敞开，缸套 与冷却水直接接触，薄厚（5-9mm），缸套 气缸套 （径向定位） 下端带橡胶封水圈，气缸套外圆上大，下 小（因为气缸套下端带1-3道橡胶封水圈）， 水套 且上端与气缸体内孔配合紧，下端配合松， 气缸体 以方便推入气缸体内孔。 橡胶封水圈 湿式缸套压配在气缸体内孔时，上部 （径向定位） 凸肩顶面高出气缸体顶面0.05-0.15 mm， 这样紧固缸盖时，可将缸垫压得更紧，以 图 2-6 （b）湿式气缸套 密封燃气。 湿式缸套优点是：气缸套冷却好；制 造成本低；气缸体铸造工艺性好；缸心距 短，曲轴不易弯曲。 湿式缸套缺点是：气缸体刚性差，容 易变形，易漏气、漏水；气缸套外圆表面 易产生穴蚀现象，常见涂漆。

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2.3机体组
2.3.1汽缸体
1.汽缸体的结构形式 水冷发动机的汽缸体和曲轴箱通常铸成一体，可称为汽缸体
一曲轴箱，也可简称为汽缸体。汽缸体上半部有一个或若十个为 活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为汽缸;下半部为支承曲轴 的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。作为发动机各个机构和系 统的装配基体，汽缸体本身应具有足够的刚度和强度。其具体结 构形式分为三种，如图2-4所示。
汽缸套有干式和湿式两种，如图2-10所示。
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2.3机体组
2.3.2汽缸盖与汽缸衬垫
1.汽缸盖 汽缸盖的主要功用是密封汽缸上部，并与活塞顶部和汽缸一
起形成燃烧室。同时，汽缸盖也为其他零部件提供安装位置。汽 缸盖的燃烧室一侧直接受到高温、高压燃气的作用。在承受热负 荷时，由于形状复杂，冷却不均匀，各部分温差大，特别是在进、 排气门口之间以及进、排气门口与汽油机的火花塞之间(或进、排 气门)与柴油机的喷油器之间的所谓“鼻梁区”，热应力很高，是 容易出现裂纹损坏的部位;而汽缸盖在机械负荷和热负荷作用下产 生的变形会导致进、排气门密封被破坏和汽缸盖密封(气封、水封、 油封)被破坏，影响发动机的动力性、经济性和工作可靠性。因此， 要求汽缸盖应具有足够的强度和刚度。
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2.5曲轴飞轮组
按照曲轴的主轴颈数，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支 承曲轴两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴， 称为全支承曲轴;否则称为非全支承曲轴。
因此，直列发动机的全支承曲轴，其主轴颈的总数(包括曲轴 前端和后端的主轴颈)比汽缸数多一个;V形发动机的全支承曲轴， 其主轴颈的总数比汽缸数的一半多一个。全支承曲轴的优点是可 以提高曲轴的刚度和恋曲强度，并目可减轻主轴承的载荷。其缺 点是曲轴的加工表面增多，主轴承增多，使机体加长。这两种形 式的曲轴均可用于汽油机，但柴油机多采用全支承曲轴，这是因 为其载荷较大的缘故。