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曲柄连杆机构中的作用力及力矩

2010-12-24 11:07:28    

 

作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动质量惯性力。 气体力作用于活塞顶上,在活塞的四个行程中始终存在,但只有作功行程中的气体力是发动机对外作功的原动力。气体力通过连杆、曲柄销传到主轴承。气体力同时也作用于气缸盖上,并通过气缸盖螺栓传给机体。作用于活塞上和气缸盖上的气体力大小相等、方向相反,在机体中相互抵消而不传至机体外的支承上,但使机体受到拉伸。 曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转运动质量组成的当量系统。往复运动质量包括活塞组零件质量和连杆小头集中质量,它沿气缸轴线作往复变速直线运动,产生往复惯性力;旋转运动质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量,它绕曲轴轴线旋转,产生旋转惯性力,也称离心力。往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传给发动机支承。
        

 

二、机体


  1.机体的工作条件及要求 机体是气缸体与曲轴箱的连铸体。绝大多数水冷发动机的气缸体与曲轴箱连铸在一起,而且多缸发动机的各个气缸也合铸成一个整体。风冷发动机几乎无一例外地将气缸体与曲轴箱分别铸制。在发动机工作时,机体承受拉、压、弯、扭等不同形式的机械负荷,同时还因为气缸壁面与高温燃气直接接触而承受很大的热负荷。因此,机体应具有足够的强度和刚度,且耐磨损和耐腐蚀,并应对气缸进行适当的冷却,以免机体损坏和变形。机体也是最重的零件,应该力求结构紧凑、质量轻,以减小整机的尺寸和质量。
          


  2.机体材料 机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。最近,在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍。

 

3.机体构造  机体的构造与气缸排列形式、气缸结构形式和曲轴箱结构形式有关。气缸排列形式有3种:直列式、V型和水平对置式。
       


    气缸内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。为了提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而有不同的气缸结构形式和表面处理方法。气缸结构形式也有3种,即无气缸套式、干气缸套式和湿气缸套式。 
          


     


   


    干气缸套式机体是在一般灰铸铁机体的气缸套座孔内压入或装入干式气缸套式气缸套不与冷却液接触。干式气缸套的外圆表面和气缸套座孔内表面均须精加工,以保证必要的形位精度和便于拆装。  湿气缸套式机体,其气缸套外壁与冷却液直接接触。用合金铸铁制造的湿式气缸套的壁厚一般为5~8mm。湿式气缸套下部用1~3道耐热耐油的橡胶密封圈进行密封,防止冷却液泄漏。湿式气缸套上部的密封是利用气缸套装入机体后,气缸套顶面高出机体顶面0.05~0.15mm。  风冷发动机气缸体结构。由于金属对空气的换热系数仅是金属对水的换热系数的1/33。因此必须在风冷气缸的外壁铸制散热片,以增加散热面积,增强散热能力。  按曲轴箱结构形式的不同机体有平底式、龙门式和隧道式3种。  平底式机体的底平面与曲轴轴线齐平。这种机体高度小、质量轻、加工方便。但与另外两种机体相比刚度较差。 龙门式机体是指底平面下沉到曲轴轴线以下的机体机体底平面到曲轴轴线的距离称作龙门高度。龙门式机体由于高度增加,其弯曲刚度和扭转刚度均比平底式机体有显著提高。机体底平面与油底壳之间的密封也比较简单。 隧道式机体是指主轴承孔不剖分的机体结构。这种机体配以窄型滚动轴承可以缩短机体长度。隧道式机体的刚度大,主轴承孔的同轴度好,但是由于大直径滚动轴承的圆周速度不能很大,而且滚动轴承价格较贵,因此限制了隧道式机体在高速发动机上的应用。

 

三、气缸盖
      

 

1.气缸盖工作条件及要求 气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷,同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。为了保证气缸的良好密封,气缸盖既不能损坏,也不能变形。为此气缸盖应具有足够的强度和刚度。为了使气缸盖的温度分布尽可能的均匀,避免进、排气门座之间发生热裂纹,应对气缸盖进行良好的冷却。


  2.气缸盖材料 气缸盖一般都由优质灰铸铁或合金铸铁铸造,轿车用的汽油机则多采用铝合金气缸盖。


  3.气缸盖构造  气缸盖是结构复杂的箱形零件。其上加工有进、排气门座孔,气门导管孔,火花塞安装孔(汽油机)或喷油器安装孔(柴油机)。在气缸盖内还铸有水套、进排气道和燃烧室或燃烧室的一部分。若凸轮轴安装在气缸盖上,则气缸盖上还加工有凸轮轴承孔或凸轮轴承座及其润滑油道。 水冷发动机的气缸盖有整体式、分块式和单体式3种结构形式。在多缸发动机中,全部气缸共用一个气缸盖的,则称该气缸盖为整体式气缸盖;若每两缸一盖或三缸一盖,则该气缸盖为分块式气缸盖;若每缸一盖,则为单体式气缸盖。风冷发动机均为单体式气缸盖。 


  4.燃烧室
         


  当活塞位于上止点时,活塞顶面以上、气缸盖底面以下所形成的空间称为燃烧室。在汽油机气缸盖底面通常铸有形状各异的凹坑,习惯上称这些凹坑为燃烧室。 在汽油机上广泛应用的燃烧室有:  1)浴盆形燃烧室,结构简单,气门与气缸轴线平行,进气道弯度较大。压缩行程终了能产生挤气涡流。 2)楔形燃烧室,结构比较紧凑,气门相对气缸轴线倾斜,进气道比较平直,进气阻力小。压缩行程终了时能产生挤气涡流。 3)半球形燃烧室,结构最紧凑,燃烧室表面积与其容积之比(面容比)最小。进排气门呈两列倾斜布置,气门直径较大,气道较平直。火焰传播距离较短,不能产生挤气涡流。 4)多球形燃烧室是由两个以上半球形凹坑组成的,其结构紧凑,面容比小,火焰传播距离短,气门直径较大,气道比较平直,且能产生挤气涡流。 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。燃油顺气流方向喷射。 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。
        

  

四、气缸衬垫

 

1.气缸衬垫的功用、工作条件及要求

气缸衬垫是机体顶面与气缸盖底面之间的密封件。其作用是保持气缸密封不漏气,保持由机体流向气缸盖的冷却液和机油不泄漏。气缸衬垫承受拧紧气缸盖螺栓时造成的压力,并受到气缸内燃烧气体高温、高压的作用以及机油和冷却液的腐蚀。气缸衬垫应该具有足够的强度,并且要耐压、耐热和耐腐蚀。另外,还需要有一定的弹性,以补偿机体顶面和气缸盖底面的粗糙度和不平度以及发动机工作时反复出现的变形。

2.气缸衬垫的分类及结构

按所用材料的不同,气缸衬垫可分为金属—石棉衬垫、金属—复合材料衬垫和全金属衬垫等多种。

 

五、 油底壳
            


  油底壳的主要功用是储存机油和封闭机体或曲轴箱。 油底壳用薄钢板冲压或用铝铸制而成。油底壳内设有挡板,用以减轻汽车颠簸时油面的震荡。此外,为了保证汽车倾斜时机油泵能正常吸油,通常将油底壳局部做得较深。油底壳底部设放油螺塞。有的放油螺塞带磁性,可以吸引机油中的铁屑。  六、 发动机的支承 发动机一般通过机体和飞轮壳或变速器壳上的支承支撑在车架上。发动机的支承方法,一般有三点支承和四点支承两种。三点支承可布置成前一后二或前二后一。采用四点支承法时,前后各有两个支承点。
      

 

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