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曲柄連桿機構中的作用力及力矩

2010-12-24 11:07:28    

 

作用在曲柄連桿機構上的力有氣體力和運動質量慣性力。 氣體力作用于活塞頂上,在活塞的四個行程中始終存在,但只有作功行程中的氣體力是發動機對外作功的原動力。氣體力通過連桿、曲柄銷傳到主軸承。氣體力同時也作用于氣缸蓋上,并通過氣缸蓋螺栓傳給機體。作用于活塞上和氣缸蓋上的氣體力大小相等、方向相反,在機體中相互抵消而不傳至機體外的支承上,但使機體受到拉伸。 曲柄連桿機構可視為由往復運動質量和旋轉運動質量組成的當量系統。往復運動質量包括活塞組零件質量和連桿小頭集中質量,它沿氣缸軸線作往復變速直線運動,產生往復慣性力;旋轉運動質量包括曲柄質量和連桿大頭集中質量,它繞曲軸軸線旋轉,產生旋轉慣性力,也稱離心力。往復慣性力和旋轉慣性力通過主軸承和機體傳給發動機支承。
        

 

二、機體


  1.機體的工作條件及要求 機體是氣缸體與曲軸箱的連鑄體。絕大多數水冷發動機的氣缸體與曲軸箱連鑄在一起,而且多缸發動機的各個氣缸也合鑄成一個整體。風冷發動機幾乎無一例外地將氣缸體與曲軸箱分別鑄制。在發動機工作時,機體承受拉、壓、彎、扭等不同形式的機械負荷,同時還因為氣缸壁面與高溫燃氣直接接觸而承受很大的熱負荷。因此,機體應具有足夠的強度和剛度,且耐磨損和耐腐蝕,并應對氣缸進行適當的冷卻,以免機體損壞和變形。機體也是最重的零件,應該力求結構緊湊、質量輕,以減小整機的尺寸和質量。
          


  2.機體材料 機體一般用高強度灰鑄鐵或鋁合金鑄造。最近,在轎車發動機上采用鋁合金機體的越來越普遍。

 

3.機體構造  機體的構造與氣缸排列形式、氣缸結構形式和曲軸箱結構形式有關。氣缸排列形式有3種:直列式、V型和水平對置式。
       


    氣缸內表面由于受高溫高壓燃氣的作用并與高速運動的活塞接觸而極易磨損。為了提高氣缸的耐磨性和延長氣缸的使用壽命而有不同的氣缸結構形式和表面處理方法。氣缸結構形式也有3種,即無氣缸套式、干氣缸套式和濕氣缸套式。 
          


     


   


    干氣缸套式機體是在一般灰鑄鐵機體的氣缸套座孔內壓入或裝入干式氣缸套式氣缸套不與冷卻液接觸。干式氣缸套的外圓表面和氣缸套座孔內表面均須精加工,以保證必要的形位精度和便于拆裝。  濕氣缸套式機體,其氣缸套外壁與冷卻液直接接觸。用合金鑄鐵制造的濕式氣缸套的壁厚一般為5~8mm。濕式氣缸套下部用1~3道耐熱耐油的橡膠密封圈進行密封,防止冷卻液泄漏。濕式氣缸套上部的密封是利用氣缸套裝入機體后,氣缸套頂面高出機體頂面0.05~0.15mm。  風冷發動機氣缸體結構。由于金屬對空氣的換熱系數僅是金屬對水的換熱系數的1/33。因此必須在風冷氣缸的外壁鑄制散熱片,以增加散熱面積,增強散熱能力。  按曲軸箱結構形式的不同機體有平底式、龍門式和隧道式3種。  平底式機體的底平面與曲軸軸線齊平。這種機體高度小、質量輕、加工方便。但與另外兩種機體相比剛度較差。 龍門式機體是指底平面下沉到曲軸軸線以下的機體機體底平面到曲軸軸線的距離稱作龍門高度。龍門式機體由于高度增加,其彎曲剛度和扭轉剛度均比平底式機體有顯著提高。機體底平面與油底殼之間的密封也比較簡單。 隧道式機體是指主軸承孔不剖分的機體結構。這種機體配以窄型滾動軸承可以縮短機體長度。隧道式機體的剛度大,主軸承孔的同軸度好,但是由于大直徑滾動軸承的圓周速度不能很大,而且滾動軸承價格較貴,因此限制了隧道式機體在高速發動機上的應用。

 

三、氣缸蓋
      

 

1.氣缸蓋工作條件及要求 氣缸蓋承受氣體力和緊固氣缸蓋螺栓所造成的機械負荷,同時還由于與高溫燃氣接觸而承受很高的熱負荷。為了保證氣缸的良好密封,氣缸蓋既不能損壞,也不能變形。為此氣缸蓋應具有足夠的強度和剛度。為了使氣缸蓋的溫度分布盡可能的均勻,避免進、排氣門座之間發生熱裂紋,應對氣缸蓋進行良好的冷卻。


  2.氣缸蓋材料 氣缸蓋一般都由優質灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄造,轎車用的汽油機則多采用鋁合金氣缸蓋。


  3.氣缸蓋構造  氣缸蓋是結構復雜的箱形零件。其上加工有進、排氣門座孔,氣門導管孔,火花塞安裝孔(汽油機)或噴油器安裝孔(柴油機)。在氣缸蓋內還鑄有水套、進排氣道和燃燒室或燃燒室的一部分。若凸輪軸安裝在氣缸蓋上,則氣缸蓋上還加工有凸輪軸承孔或凸輪軸承座及其潤滑油道。 水冷發動機的氣缸蓋有整體式、分塊式和單體式3種結構形式。在多缸發動機中,全部氣缸共用一個氣缸蓋的,則稱該氣缸蓋為整體式氣缸蓋;若每兩缸一蓋或三缸一蓋,則該氣缸蓋為分塊式氣缸蓋;若每缸一蓋,則為單體式氣缸蓋。風冷發動機均為單體式氣缸蓋。 


  4.燃燒室
         


  當活塞位于上止點時,活塞頂面以上、氣缸蓋底面以下所形成的空間稱為燃燒室。在汽油機氣缸蓋底面通常鑄有形狀各異的凹坑,習慣上稱這些凹坑為燃燒室。 在汽油機上廣泛應用的燃燒室有:  1)浴盆形燃燒室,結構簡單,氣門與氣缸軸線平行,進氣道彎度較大。壓縮行程終了能產生擠氣渦流。 2)楔形燃燒室,結構比較緊湊,氣門相對氣缸軸線傾斜,進氣道比較平直,進氣阻力小。壓縮行程終了時能產生擠氣渦流。 3)半球形燃燒室,結構最緊湊,燃燒室表面積與其容積之比(面容比)最小。進排氣門呈兩列傾斜布置,氣門直徑較大,氣道較平直。火焰傳播距離較短,不能產生擠氣渦流。 4)多球形燃燒室是由兩個以上半球形凹坑組成的,其結構緊湊,面容比小,火焰傳播距離短,氣門直徑較大,氣道比較平直,且能產生擠氣渦流。 5)篷形燃燒室,是近年來在高性能多氣門轎車發動機上廣泛應用的燃燒室。 柴油機的分隔式燃燒室有兩種類型: 1)渦流室燃燒室,其主、副燃燒室之間的連接通道與副燃燒室切向連接,在壓縮行程中,空氣從主燃燒室經連接通道進入副燃燒室,在其中形成強烈的有組織的壓縮渦流,因此稱副燃燒室為渦流室。燃油順氣流方向噴射。 2)預燃室燃燒室,其主、副燃燒室之間的連接通道不與副燃燒室切向連接,且截面積較小。在壓縮行程中,空氣在副燃燒室內形成強烈的無組織的紊流。燃油迎著氣流方向噴射,并在副燃燒室頂部預先發火燃燒,故稱副燃燒室為預燃室。
        

  

四、氣缸襯墊

 

1.氣缸襯墊的功用、工作條件及要求

氣缸襯墊是機體頂面與氣缸蓋底面之間的密封件。其作用是保持氣缸密封不漏氣,保持由機體流向氣缸蓋的冷卻液和機油不泄漏。氣缸襯墊承受擰緊氣缸蓋螺栓時造成的壓力,并受到氣缸內燃燒氣體高溫、高壓的作用以及機油和冷卻液的腐蝕。氣缸襯墊應該具有足夠的強度,并且要耐壓、耐熱和耐腐蝕。另外,還需要有一定的彈性,以補償機體頂面和氣缸蓋底面的粗糙度和不平度以及發動機工作時反復出現的變形。

2.氣缸襯墊的分類及結構

按所用材料的不同,氣缸襯墊可分為金屬—石棉襯墊、金屬—復合材料襯墊和全金屬襯墊等多種。

 

五、 油底殼
            


  油底殼的主要功用是儲存機油和封閉機體或曲軸箱。 油底殼用薄鋼板沖壓或用鋁鑄制而成。油底殼內設有擋板,用以減輕汽車顛簸時油面的震蕩。此外,為了保證汽車傾斜時機油泵能正常吸油,通常將油底殼局部做得較深。油底殼底部設放油螺塞。有的放油螺塞帶磁性,可以吸引機油中的鐵屑。  六、 發動機的支承 發動機一般通過機體和飛輪殼或變速器殼上的支承支撐在車架上。發動機的支承方法,一般有三點支承和四點支承兩種。三點支承可布置成前一后二或前二后一。采用四點支承法時,前后各有兩個支承點。
      

 

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