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曲柄連桿機構

2010-12-24 11:31:43    

 

一、曲柄連桿機構的功用及組成

曲柄連桿機構是發動機的主要運動機構。其功用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動,同時將作用于活塞上的力轉變為曲軸對外輸出的轉矩,以驅動汽車車輪轉動。曲柄連桿機構由活塞組、連桿組和曲軸飛輪組的零件組成。

 

二、活塞組

(一)活塞
  1.活塞的功用及工作條件 活塞的主要功用是承受燃燒氣體壓力,并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉。此外活塞頂部與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。 活塞是發動機中工作條件最嚴酷的零件。作用在活塞上的有氣體力和往復慣性力。活塞頂與高溫燃氣直接接觸,使活塞頂的溫度很高。活塞在側壓力的作用下沿氣缸壁面高速滑動,由于潤滑條件差,因此摩擦損失大,磨損嚴重。
        


  2.活塞材料 現代汽車發動機不論是汽油機還是柴油機廣泛采用鋁合金活塞,只在極少數汽車發動機上采用鑄鐵或耐熱鋼活塞。


  3.活塞構造 活塞可視為由頂部、頭部和裙部等3部分構成。 1)活塞頂部。汽油機活塞頂部的形狀與燃燒室形狀和壓縮比大小有關。大多數汽油機采用平頂活塞,其優點是受熱面積小,加工簡單。采用凹頂活塞,可以通過改變活塞頂上凹坑的尺寸來調節發動機的壓縮比。  柴油機活塞頂部形狀取決于混合氣形成方式和燃燒室形狀。在分隔式燃燒室柴油機的活塞頂部設有形狀不同的淺凹坑,以便在主燃燒室內形成二次渦流,增進混合氣形成與燃燒。 柴油機還有另一類燃燒室,稱為直噴式燃燒室。其全部容積都集中在氣缸內,且在活塞頂部設有深淺不一、形狀各異的燃燒室凹坑。在直噴式燃燒室的柴油機中,噴油器將燃油直接噴入燃燒室凹坑內,使其與運動氣流相混合,形成可燃混合氣并燃燒。
      


  2)活塞頭部。由活塞頂至油環槽下端面之間的部分稱為活塞頭部。在活塞頭部加工有用來安裝氣環和油環的氣環槽和油環槽。在油環槽底部還加工有回油孔或橫向切槽,油環從氣缸壁上刮下來的多余機油,經回油孔或橫向切槽流回油底殼。 活塞頭部應該足夠厚,從活塞頂到環槽區的斷面變化要盡可能圓滑,過渡圓角 R 應足夠大,以減小熱流阻力,便于熱量從活塞頂經活塞環傳給氣缸壁,使活塞頂部的溫度不致過高。 在第一道氣環槽上方設置一道較窄的隔熱槽的作用是隔斷由活塞頂傳向第一道活塞環的熱流,使部分熱量由第二、三道活塞環傳出,從而可以減輕第一道活塞環的熱負荷,改善其工作條件,防止活塞環粘結。 
        

 

活塞環槽的磨損是影響活塞使用壽命的重要因素。在強化程度較高的發動機中,第一道環槽溫度較高,磨損嚴重。為了增強環槽的耐磨性,通常在第一環槽或第一、二環槽處鑲嵌耐熱護圈。在高強化直噴式燃燒室柴油機中,在第一環槽和燃燒室喉口處均鑲嵌耐熱護圈,以保護喉口不致因為過熱而開裂。
          


  3)活塞裙部。 活塞頭部以下的部分為活塞裙部。裙部的形狀應該保證活塞在氣缸內得到良好的導向,氣缸與活塞之間在任何工況下都應保持均勻的、適宜的間隙。間隙過大,活塞敲缸;間隙過小,活塞可能被氣缸卡住。此外,裙部應有足夠的實際承壓面積,以承受側向力。活塞裙部承受膨脹側向力的一面稱主推力面,承受壓縮側向力的一面稱次推力面。 
            

 

發動機工作時,活塞在氣體力和側向力的作用下發生機械變形,而活塞受熱膨脹時還發生熱變形。這兩種變形的結果都是使活塞裙部在活塞銷孔軸線方向的尺寸增大。因此,為使活塞工作時裙部接近正圓形與氣缸相適應,在制造時應將活塞裙部的橫斷面加工成橢圓形,并使其長軸與活塞銷孔軸線垂直。現代汽車發動機的活塞均為橢圓裙。 
                


在活塞銷座處鑲鑄恒范鋼片的活塞稱恒范活塞。由于恒范活塞在銷座處只靠恒范鋼片與活塞裙相連且恒范鋼的熱膨脹系數只有鋁合金的1/10左右,因此當溫度升高時,在恒范鋼片的牽制下,裙部在活塞銷孔軸線方向的熱膨脹量很小。若將普通碳素鋼片鑄在銷座處的鋁合金層內側形成雙金屬壁,則由于兩種金屬的熱膨脹系數不同,當溫度升高時雙金屬壁發生彎曲,而鋼片兩端的距離基本不變,從而限制了裙部的熱膨脹量。因為這種控制熱膨脹的作用隨溫度升高而增大,所以稱這種活塞為自動熱補償活塞。
              


在現代汽車發動機上廣泛采用半拖鞋式裙部或拖鞋式裙部的活塞。在保證裙部有足夠承壓面積的條件下,將不承受側向力一側的裙部部分地去掉,即為半拖鞋式裙部;若全部去掉則為拖鞋式裙部。優點是: ①質量輕,比全裙式活塞輕10%~10%,適應高速發動機減小往復慣性力的需要。 ②裙部彈性好,可以減小活塞與氣缸的配合間隙。 ③能夠避免與曲軸平衡重發生運動干涉。 
                


    活塞銷孔軸線通常與活塞軸線垂直相交。這時,當壓縮行程結束、作功行程開始,活塞越過上止點時,側向力方向改變,活塞由次推力面貼緊氣缸壁突然轉變為主推力面貼緊氣缸壁,活塞與氣缸發生“拍擊”,產生噪聲,且有損活塞的耐久性。在許多高速發動機中,活塞銷孔軸線朝主推力面一側偏離活塞軸線1~2mm。壓縮壓力將使活塞在接近上止點時發生傾斜,活塞在越過上止點時,將逐漸地由次推力面轉變為由主推力面貼緊氣缸壁,從而消減了活塞對氣缸的拍擊。
       


  4.活塞的冷卻 高強化發動機尤其是活塞頂上有燃燒室凹坑的柴油機,為了減輕活塞頂部和頭部的熱負荷而采用油冷活賽。用機油冷卻活塞的方法有:

1)自由噴射冷卻法。 從連桿小頭上的噴油孔或從安裝在機體上的噴油嘴向活塞頂內壁噴射機油。

2)振蕩冷卻法。 從連桿小頭上的噴油孔將機油噴入活塞內壁的環形油槽中,由于活塞的運動使機油在槽中產生振蕩而冷卻活塞。
  3)強制冷卻法。 在活塞頭部鑄出冷卻油道或鑄入冷卻油管,使機油在其中強制流動以冷卻活塞。強制冷卻法廣為增壓發動機所采用。
            

 
  5.活塞的表面處理 根據不同的目的和要求,進行不同的活塞表面處理,其方法有:1)活塞頂進行硬模陽極氧化處理,形成高硬度的耐熱層,增大熱阻,減少活塞頂部的吸熱量。2)活塞裙部鍍錫或鍍鋅,可以避免在潤滑不良的情況下運轉時出現拉缸現象,也可以起到加速活塞與氣缸的磨合作用。3)在活塞裙部涂覆石墨,石墨涂層可以加速磨合過程,可使裙部磨損均勻,在潤滑不良的情況下可以避免拉缸。

 

(二)活塞環
  1.活塞環的功用及工作條件 活塞環分氣環和油環兩種。  氣環的主要功用是密封和傳熱。保證活塞與氣缸壁間的密封,防止氣缸內的可燃混合氣和高溫燃氣漏入曲軸箱,并將活塞頂部接受的熱傳給氣缸壁,避免活塞過熱。油環的主要功用是刮除飛濺到氣缸壁上的多余的機油,并在氣缸壁上涂布一層均勻的油膜。活塞環工作時受到氣缸中高溫、高壓燃氣的作用,并在潤滑不良的條件下在氣缸內高速滑動。由于氣缸壁面的形狀誤差,使活塞環在上下滑動的同時還在環槽內產生徑向移動。這不僅加重了環與環槽的磨損,還使活塞環受到交變彎曲應力的作用而容易折斷。


  2.活塞環材料及表面處理 根據活塞環的功用及工作條件,制造活塞環的材料應具有良好的耐磨性、導熱性、耐熱性、沖擊韌性、彈性和足夠的機械強度。目前廣泛應用的活塞環材料有優質灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵和鋼帶等。第一道活塞環外圓面通常進行鍍鉻或噴鉬處理。多孔性鉻層硬度高,并能儲存少量機油,可以改善潤滑減輕磨損。鉬的熔點高,也具有多孔性,因此噴鉬同樣可以提高活塞環的耐磨性。


  3.氣環

1)氣環的密封原理:活塞環在自由狀態下不是正圓形,其外廓尺寸比氣缸直徑大。當活塞環裝入氣缸后,在其自身的彈力作用下環的外圓面與氣缸壁貼緊形成第一密封面,氣缸內的高壓氣體不可能通過第一密封面泄漏。高壓氣體可能通過活塞頂岸與氣缸壁之間的間隙進入活塞環的側隙和徑向間隙中。進入側隙中的高壓氣體使環的下側面與環槽的下側面貼緊形成第二密封面,高壓氣體也不可能通過第二密封面泄漏。進入徑向間隙中的高壓氣體只能環的外圓面與氣缸壁更加貼緊。這時漏氣的惟一通道就是活塞環的開口端隙。如果幾道活塞環的開口相互錯開,那么就形成了迷宮式漏氣通道。由于側隙、徑向間隙和端隙都很小,氣體在通道內的流動阻力很大,致使氣體壓力p迅速下降,最后漏入曲軸箱內的氣體就很少了,一般僅為進氣量的0.2%~1.0%。 

 

2)氣環開口形狀: 開口形狀對漏氣量有一定影響。直開口工藝性好,但密封性差;階梯形開口密封性好,工藝性差;斜開口的密封性和工藝性介于前兩種開口之間,斜角一般為30°或45°。  
                


    3)氣環的斷面形狀:氣環的斷面形狀多種多樣,根據發動機的結構特點和強化程度,選擇不同斷面形狀的氣環組合,可以得到最好的密封效果和使用性能。常見的氣環斷面形狀如上右圖 矩形環斷面為矩形。形狀簡單,加工方便,與氣缸壁接觸面積大,有利于活塞散熱。但磨合性差,而且在與活塞一起作往復運動時,在環槽內上下竄動,把氣缸壁上的機油不斷地擠入燃燒室中,產生“泵油作用”,使機油消耗量增加,活塞頂及燃燒室壁面積炭。
                


    錐面環,環的外圓面為錐角很小的錐面。理論上錐面環與氣缸壁為線接觸,磨合性好,增大了接觸壓力和對氣缸壁形狀的適應能力。當活塞下行時,錐面環能起到向下刮油的作用。當活塞上行時,由于錐面的油楔作用,錐面環能滑越過氣缸壁上的油膜而不致將機油帶入燃燒室。錐面環傳熱性差,所以不用作第一道氣環。由于錐角很小,一般不易識別,為避免裝錯,在環的上側面標有向上的記號。 
               


    扭曲環斷面不對稱的氣環裝入氣缸后,由于彈性內力的作用使斷面發生扭轉,故稱扭曲環。扭曲環斷面扭轉原理。活塞環裝入氣缸之后,其斷面中性層以外產生拉應力,斷面中性層以內產生壓應力。拉應力的合力F1指向活塞環中心,壓應力合力F2的方向背離活塞環中心。由于扭曲環中性層內外斷面不對稱,使 F1 與 F2 不作用在同一平面內而形成力矩M。在力矩M的作用下,使環的斷面發生扭轉。 
    

 

若將內圓面的上邊緣或外圓面的下邊緣切掉一部分,整個氣環將扭曲成碟子形,則稱這種環為正扭曲環;若將內圓面的下邊緣切掉一部分,氣環將扭曲成蓋子形,則稱其為反扭曲環。在環面上切去部分金屬稱為切臺。當發動機工作時,在進氣、壓縮和排氣行程中,扭曲環發生扭曲,其工作特點一方面與錐面環類似,另一方面由于扭曲環的上下側面與環槽的上下側面相接觸,從而防止了環在環槽內上下竄動,消除了泵油現象,減輕了環對環槽的沖擊而引起的磨損。在作功行程中,巨大的燃氣壓力作用于環的上側面和內圓面,足以克服環的彈性內力使環不再扭曲,整個外圓面與氣缸壁接觸,這時扭曲環的工作特點與矩形環相同。(如上右圖) 梯形環,斷面為梯形。其主要優點是抗粘結性好。當活塞頭部溫度很高時,竄入第一道環槽中的機油容易結焦并將氣環粘住。在側向力換向活塞左右擺動時,梯形環的側隙、徑向間隙都發生變化將環槽中的膠質擠出。楔形環的工作特點與梯形環相似,且由于斷面不對稱,裝入氣缸后也會發生扭曲。梯形環多用作柴油機的第一道氣環。 桶面環,環的外圓面為外凸圓弧形。其密封性、磨合性及對氣缸壁表面形狀的適應性都比較好。桶面環在氣缸內不論上行或下行均能形成楔形油膜,將環浮起,從而減輕環與氣缸壁的磨損。 開槽環,在外圓面上加工出環形槽,在槽內填充能吸附機油的多孔性氧化鐵,有利于潤滑、磨合和密封。 

      


    頂岸環,斷面為“L”形。因為頂岸環距活塞頂面近,作功行程時,燃氣壓力能迅速作用于環的上側面和內圓面,使環的下側面與環槽的下側面、外圓面與氣缸壁面貼緊,有利于密封;由于同樣的原因,頂岸環可以減少汽車尾氣HC的排放量。 
          


    頂岸環,斷面為“L”形。因為頂岸環距活塞頂面近,作功行程時,燃氣壓力能迅速作用于環的上側面和內圓面,使環的下側面與環槽的下側面、外圓面與氣缸壁面貼緊,有利于密封;由于同樣的原因,頂岸環可以減少汽車尾氣HC的排放量。 
         


    3)槽孔撐簧式油環。 在槽孔式油環的內圓面加裝撐簧即為槽孔撐簧式油環。一般作為油環撐簧的有螺旋彈簧、板形彈簧和軌形彈簧三種。這種油環由于增大了環與氣缸壁的接觸壓力,而使環的刮油能力和耐久性有所提高。  4)鋼帶組合油環。 其結構形式很多, 鋼帶組合油環由上、下刮片和軌形撐簧組合而成。撐簧不僅使刮片與氣缸壁貼緊,而且還使刮片與環槽側面貼緊。這種組合油環的優點是接觸壓力大,既可增強刮油能力,又能防止上竄機油。另外,上下刮片能單獨動作,因此對氣缸失圓和活塞變形的適應能力強。但鋼帶組合油環需用優質鋼制造,成本高。

 

(三)活塞銷

1.活塞銷的功用及工作條件 活塞銷用來連接活塞和連桿,并將活塞承受的力傳給連桿或相反。活塞銷在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負荷,且由于活塞銷在銷孔內擺動角度不大,難以形成潤滑油膜,因此潤滑條件較差。為此活塞銷必須有足夠的剛度、強度和耐磨性,質量盡可能小,銷與銷孔應該有適當的配合間隙和良好的表面質量。在一般情況下,活塞銷的剛度尤為重要,如果活塞銷發生彎曲變形,可能使活塞銷座損壞。


  2.活塞銷材料及結構 活塞銷的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼,如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面滲碳淬硬,再經精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性,又保證有較高的強度和沖擊韌性。 活塞銷的結構形狀很簡單,基本上是一個厚壁空心圓柱。其內孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易,但活塞銷的質量較大;兩段截錐形孔的活塞銷質量較小,且因為活塞銷所受的彎矩在其中部最大,所以接近于等強度梁,但錐孔加工較難。
                

三、連桿組 連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸承等零件。習慣上常常把連桿體、連桿蓋和連桿螺栓合起來稱作連桿,有時也稱連桿體為連桿。


  1.連桿組的功用及工作條件 連桿組的功用是將活塞承受的力傳給曲軸,并將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。連桿小頭與活塞銷連接,同活塞一起作往復運動;連桿大頭與曲柄銷連接,同曲軸一起作旋轉運動,因此在發動機工作時連桿作復雜的平面運動。連桿組主要受壓縮、拉伸和彎曲等交變負荷。最大壓縮載荷出現在作功行程上止點附近,最大拉伸載荷出現在進氣行程上止點附近。在壓縮載荷和連桿組作平面運動時產生的橫向慣性力的共同作用下,連桿體可能發生彎曲變形。


  2.連桿組材料 連桿體和連桿蓋由優質中碳鋼或中碳合金鋼,如45、40Cr、42CrMo或40MnB等模鍛或輥鍛而成。連桿螺栓通常用優質合金鋼40Cr或35CrMo制造。一般均經噴丸處理以提高連桿組零件的強度。纖維增強鋁合金連桿以其質量輕、綜合性能好而備受注目。在相同強度和剛度的情況下,纖維增強鋁合金連桿比用傳統材料制造的連桿要輕30%。


  3.連桿構造 連桿由小頭、桿身和大頭構成。 

      

 

  1) 連桿小頭 小頭的結構形狀取決于活塞銷的尺寸及其與連桿小頭的連接方式。 
        


  在汽車發動機中連桿小頭與活塞銷的連接方式有兩種,即全浮式和半浮式。全浮式活塞銷工作時,在連桿小頭孔和活塞銷孔中轉動,可以保證活塞銷沿圓周磨損均勻。為防止活塞銷兩端刮傷氣缸壁 ,在活塞銷孔外側裝置活塞銷擋圈。半浮式活塞銷是用螺栓將活塞銷夾緊在連桿小頭孔內,這時活塞銷只在活塞銷孔內轉動,在小頭孔內不轉動。小頭孔不裝襯套,銷孔中也不裝活塞銷擋圈。


  2) 連桿桿身 桿身斷面為工字形,剛度大、質量輕、適于模鍛。工字形斷面的Y-Y軸在連桿運動平面內。有的連桿在桿身內加工有油道,用來潤滑小頭襯套或冷卻活塞。如果是后者,須在小頭頂部加工出噴油孔。 
               


  3) 連桿大頭 連桿大頭除應具有足夠的剛度外,還應外形尺寸小,質量輕,拆卸發動機時能從氣缸上端取出。連桿大頭是剖分的,連桿蓋用螺栓或螺柱緊固,為使結合面在任何轉速下都能緊密結合,連桿螺栓的擰緊力矩必須足夠大。  結合面與連桿軸線垂直的為平切口連桿,而結合面與連桿軸線成30°~60°夾角的為斜切口連桿。平切口連桿體大端的剛度較大,因此大頭孔受力變形較小,而且平切口連桿制造費用較低。汽油機均采用平切口連桿。柴油機連桿既有平切口的也有斜切口的。一般柴油機由于曲柄銷直徑較大,因此連桿大頭的外形尺寸相應較大,欲在拆卸時能從氣缸上端取出連桿體,必須采用斜切口連桿。連桿蓋裝合到連桿體上時須嚴格定位,以防止連桿蓋橫向位移。平切口連桿利用連桿螺栓上一段精密加工的圓柱面與精密加工的螺栓孔來實現連桿蓋的定位。斜切口連桿的連桿螺栓由于承受較大的剪切力而容易發生疲勞破壞。為此,應該采用能夠承受橫向力的定位方法。
          


  4) 連桿螺栓 工作時連桿螺栓承受交變載荷,因此在結構上應盡量增大連桿螺栓的彈性,而在加工方面要精細加工過渡圓角,消除應力集中,以提高其抗疲勞強度。連桿螺栓用優質合金鋼制造,如40Cr、35CrMo等。經調質后滾壓螺紋,表面進行防銹處理。

                 


  4.V型發動機連桿 V型發動機左右兩個氣缸的連桿安裝在同一個曲柄銷上,其結構隨安裝形式的不同而不同。 1)并列連桿 兩個完全相同的連桿一前一后并列地安裝在同一個曲柄銷上。連桿結構與上述直列式發動機的連桿基本相同,只是大頭寬度稍小一些。并列連桿的優點是前后連桿可以通用,左右兩列氣缸的活塞運動規律相同。缺點是兩列氣缸沿曲軸縱向須相互錯開一段距離,從而增加了曲軸和發動機的長度。 2)主副連桿 一個主連桿一個副連桿組成主副連桿,副連桿通過銷軸鉸接在主連桿體或主連桿蓋上。一列氣缸裝主連桿,另一列氣缸裝副連桿,主連桿大頭安裝在曲軸的曲柄銷上。主副連桿不能互換,且副連桿對主連桿作用以附加彎矩。兩列氣缸中活塞的運動規律和上止點位置均不相同。采用主副連桿的V型發動機,其兩列氣缸不需要相互錯開,因而也就不會增加發動機的長度。 3)叉形連桿 指一列氣缸中的連桿大頭為叉形;另一列氣缸中的連桿與普通連桿類似,只是大頭的寬度較小,一般稱其為內連桿。叉形連桿的優點是兩列氣缸中活塞的運動規律相同,兩列氣缸無需錯開。缺點是叉形連桿大頭結構復雜,制造比較困難,維修也不方便,且大頭剛度較差。
          

 

四、曲軸飛輪組

(一)曲軸
  1.曲軸的功用及工作條件 曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉變為轉矩,用以驅動汽車的傳動系統和發動機的配氣機構以及其他輔助裝置。曲軸在周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用下工作,承受彎曲和扭轉交變載荷。因此,曲軸應有足夠的抗彎曲、抗扭轉的疲勞強度和剛度;軸頸應有足夠大的承壓表面和耐磨性;曲軸的質量應盡量小;對各軸頸的潤滑應該充分。


  2.曲軸材料 曲軸一般由45、40Cr、35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成,軸頸表面經高頻淬火或氮化處理,最后進行精加工。現代汽車發動機廣泛采用球墨鑄鐵曲軸。球墨鑄鐵價格便宜,耐磨性能好,軸頸不需硬化處理,同時金屬消耗量少,機械加工量也少。為提高曲軸的疲勞強度,消除應力集中,軸頸表面應進行噴丸處理,圓角處要經滾壓處理。


  3.曲軸構造 曲軸基本上由若干個單元曲拐構成。一個曲柄銷,左右兩個曲柄臂和左右兩個主軸頸構成一個單元曲拐。單缸發動機的曲軸只有一個曲拐,多缸直列式發動機曲軸的曲拐數與氣缸數相同,V型發動機曲軸的曲拐數等于氣缸數的一半。將若干個單元曲拐按照一定的相位連接起來再加上曲軸前、后端便構成一根曲軸。多數發動機的曲軸,在其曲柄臂上裝有平衡重。按單元曲拐連接方法的不同,曲軸分為整體式和組合式兩類。


  4.曲拐布置與多缸發動機的工作順序 各曲拐的相對位置或曲拐布置取決于氣缸數、氣缸排列形式和發動機工作順序。當氣缸數和氣缸排列形式確定之后,曲拐布置就只取決于發動機工作順序。在選擇發動機工作順序時,應注意以下幾點: 1)應該使接連作功的兩個氣缸相距盡可能的遠,以減輕主軸承載荷和避免在進氣行程中發生搶氣現象。 2)各氣缸發火的間隔時間應該相同。發火間隔時間若以曲軸轉角計則稱發火間隔角。在發動機完成一個工作循環的曲軸轉角內,每個氣缸都應發火作功一次。對于氣缸數為 i 的四沖程發動機,其發火間隔角應為720°/i,即曲軸每轉720°/i 時,就有一缸發火作功,以保證發動機運轉平穩。 3)V型發動機左右兩列氣缸應交替發火。 四沖程直列四缸發動機的發火間隔角為720°/4=180°。4個曲拐在同一平面內。發動機工作順序為1-3-4-2或1-2-4-3,其工作循環見表2-1和表2-2。  四沖程直列四缸發動機工作循環表 
           


      四行程直列六缸發動機的發火順序和曲拐布置:四行程直列六缸發動機發火間隔角為720°/6=120°,六個曲拐分別布置在三個平面內,發火順序是1-5-3-6-2-4,其工作循環表見表2-3。 
           


      四沖程V型六缸發動機的發火間隔角仍為120°,3個曲拐互成120°。工作順序R1-L3-R3-L2-R3-L1。面對發動機的冷卻風扇,右列氣缸用R表示,由前向后氣缸號分別為R1、R2、R3;左列氣缸用L表示,氣缸號分別為L1、L2和L3,工作循環見表2-4。            

 


  四沖程V8發動機的發火間隔角為720°/8=90°, 4個曲拐互成90°。工作順序基本上有兩種:R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2和L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1 

         


  (二)曲軸前、后端密封 曲軸前端借助甩油盤和橡膠油封實現密封。發動機工作時,落在甩油盤上的機油,在離心力的作用下被甩到定時傳動室蓋的內壁上,再沿壁面流回油底殼。即使有少量機油落到甩油盤前面的曲軸上,也會被裝在定時傳動室蓋上的自緊式橡膠油封擋住。  曲軸后端的密封裝置。由于近年來橡膠油封的耐油、耐熱和耐老化性能的提高,在現代汽車發動機上曲軸后端的密封越來越多地采用與曲軸前端一樣的自緊式橡膠油封。自緊式油封由金屬保持架、氟橡膠密封環和拉緊彈簧構成。 

 

(三)曲軸扭轉減振器 當發動機工作時,曲軸在周期性變化的轉矩作用下,各曲拐之間發生周期性相對扭轉的現象稱為扭轉振動,簡稱扭振。當發動機轉矩的變化頻率與曲軸扭轉的自振頻率相同或成整數倍時,就會發生共振。共振時扭轉振幅增大,并導致傳動機構磨損加劇,發動機功率下降,甚至使曲軸斷裂。為了消減曲軸的扭轉振動,現代汽車發動機多在扭轉振幅最大的曲軸前端裝置扭轉減振器。汽車發動機多采用橡膠扭轉減振器、硅油扭轉減振器和硅油橡膠扭轉減振器等。


  1.橡膠扭轉減振器 減振器殼體與曲軸連接,減振器殼體與扭轉振動慣性質量粘結在硫化橡膠層上。發動機工作時,減振器殼體與曲軸一起振動,由于慣性質量滯后于減振器殼體,因而在兩者之間產生相對運動,使橡膠層來回揉搓,振動能量被橡膠的內摩擦阻尼吸收,從而使曲軸的扭振得以消減。橡膠扭轉減振器結構簡單,工作可靠,制造容易,在汽車上廣為應用。但其阻尼作用小,橡膠容易老化,故在大功率發動機上較少應用。


  2.硅油扭轉減振器 由鋼板沖壓而成的減振器殼體與曲軸連接。側蓋與減振器殼體組成封閉腔,其中滑套著扭轉振動慣性質量。慣性質量與封閉腔之間留有一定的間隙,里面充滿高粘度硅油。當發動機工作時,減振器殼體與曲軸一起旋轉、一起振動,慣性質量則被硅油的粘性摩擦阻尼和襯套的摩擦力所帶動。由于慣性質量相當大,因此它近似作勻速轉動,于是在慣性質量與減振器殼體間產生相對運動。曲軸的振動能量被硅油的內摩擦阻尼吸收,使扭振消除或減輕。硅油扭轉減振器減振效果好,性能穩定,工作可靠,結構簡單,維修方便,所以在汽車發動機上的應用日益普遍。但它需要良好的密封和較大的慣性質量,致使減振器尺寸較大。


  3.硅油—橡膠扭轉減振器 硅油—橡膠扭轉減振器中的橡膠環6主要作為彈性體,并用來密封硅油和支撐慣性質量1。在封閉腔內注滿高粘度硅油。硅油—橡膠扭轉減振器集中了硅油扭轉減振器和橡膠扭轉減振器二者的優點,即體積小、質量輕和減振性能穩定等。


  四、飛輪
    對于四沖程發動機來說,每四個活塞行程作功一次,即只有作功行程作功,而排氣、進氣和壓縮三個行程都要消耗功。因此,曲軸對外輸出的轉矩呈周期性變化,曲軸轉速也不穩定。為了改善這種狀況,在曲軸后端裝置飛輪。 飛輪是轉動慣量很大的盤形零件,其作用如同一個能量存儲器。在作功行程中發動機傳輸給曲軸的能量,除對外輸出外,還有部分能量被飛輪吸收,從而使曲軸的轉速不會升高很多。在排氣、進氣和壓縮三個行程中,飛輪將其儲存的能量放出來補償這三個行程所消耗的功,從而使曲軸轉速不致降低太甚。 除此之外,飛輪還有下列功用:飛輪是摩擦式離合器的主動件;在飛輪輪緣上鑲嵌有供起動發動機用的飛輪齒圈2;在飛輪上還刻有上止點記號,用來校準點火定時或噴油定時以及調整氣門間隙。


  五、 汽車發動機滑動軸承 汽車發動機滑動軸承有連桿襯套、連桿軸承、主軸承和曲軸止推軸承等。
  1.連桿軸承和主軸承 連桿軸承和主軸承均承受交變載荷和高速摩擦,因此軸承材料必須具有足夠的抗疲勞強度,而且要摩擦小、耐磨損和耐腐蝕。 連桿軸承和主軸承均由上、下兩片軸瓦對合而成。每一片軸瓦都是由鋼背和減摩合金層或鋼背、減摩合金層和軟鍍層構成,前者稱為二層結構軸瓦,后者稱三層結構軸瓦。

 

鋼背是軸瓦的基體,由1~3mm厚的低碳鋼板制造,以保證有較高的機械強度。在鋼背上澆鑄減摩合金層,減摩合金材料主要有白合金、銅基合金和鋁基合金。白合金也叫巴氏合金,應用較多的錫基白合金減摩性好,但疲勞強度低,耐熱性差,溫度超過100℃硬度和強度均明顯下降,因此常用于負荷不大的汽油機。銅鉛合金的突出優點是承載能力大,抗疲勞強度高,耐熱性好。但磨合性能和耐腐蝕性差。為了改善其磨合性和耐腐蝕性,通常在銅鉛合金表面電鍍一層軟金屬而成三層結構軸瓦,多用于高強化的柴油機。鋁基合金包括鋁銻鎂合金、低錫鋁合金和高錫鋁合金。含錫20%以上的高錫鋁合金軸瓦因為有較好的承載能力、抗疲勞強度和減摩性能而被廣泛地用于汽油機和柴油機。軟鍍層是指在減摩合金層上電鍍一層錫或錫鉛合金,其主要作用是改善軸瓦的磨合性能并作為減摩合金層的保護層。  軸瓦在自由狀態時,兩個結合面外端的距離比軸承孔的直徑大,其差值稱為軸瓦的張開量。在裝配時,軸瓦的圓周過盈變成徑向過盈,對軸承孔產生徑向壓力,使軸瓦緊密貼合在軸承孔內,以保證其良好的承載和導熱能力,提高軸瓦工作的可靠性和延長其使用壽命。


  2.曲軸止推軸承 汽車行駛時由于踩踏離合器而對曲軸施加軸向推力,使曲軸發生軸向竄動。過大的軸向竄動將影響活塞連桿組的正常工作和破壞正確的配氣定時和柴油機的噴油定時。為了保證曲軸軸向的正確定位,需裝設止推軸承,而且只能在一處設置止推軸承,以保證曲軸受熱膨脹時能自由伸長。曲軸止推軸承有翻邊軸瓦、半圓環止推片和止推軸承環3種形式。翻邊軸瓦(是將軸瓦兩側翻邊作為止推面,在止推面上澆鑄減摩合金。

 

 

軸瓦的止推面與曲軸止推面之間留有0.06~0.25mm的間隙,從而限制了曲軸軸向竄動量。  半圓環止推片一般為四片,上、下各兩片,分別安裝在機體和主軸承蓋上的淺槽中,用定位舌或定位銷定位,防止其轉動。裝配時,需將有減摩合金層的止推面朝向曲軸的止推面,不能裝反。止推軸承環為兩片止推圓環,分別安裝在第一主軸承蓋的兩側。 

 

 

現代轎車特別重視乘坐的舒適性和噪聲水平,為此必須將引起汽車振動和噪聲的發動機不平衡力及不平衡力矩減小到最低限度。在曲軸的曲柄臂上設置的平衡重只能平衡旋轉慣性力及其力矩,而往復慣性力及其力矩的平衡則需采用專門的平衡機構。 當發動機的結構和轉速一定時,一階往復慣性力與曲軸轉角的余弦成正比,二階往復慣性力與二倍曲軸轉角的余弦成正比。發動機往復慣性力的平衡狀況與氣缸數、氣缸排列形式及曲拐布置形式等因素有關。 現代中級和普及型轎車普遍采用四沖程直列四缸發動機。平面曲軸的四缸發動機的一階往復慣性力、一階往復慣性力矩和二階往復慣性力矩都平衡,惟二階往復慣性力不平衡。為了平衡二階往復慣性力需采用雙軸平衡機構。兩根平衡軸與曲軸平行且與氣缸中心線等距,旋轉方向相反,轉速相同,都為曲軸轉速的二倍。兩根軸上都裝有質量相同的平衡重,其旋轉慣性力在垂直于氣缸中心線方向的分力互相抵消,在平行于氣缸中心線方向的分力則合成為沿氣缸中心線方向作用的力,與 FjII 大小相等,方向相反,從而使 FjII 得到平衡。
            

 

 

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