曲柄连杆机构结构与工作原理

二、曲柄连杆机构结构与工作原理

曲柄连杆机构由活塞连杆组和曲轴飞轮组两部分组成，其作用是将燃气作用在活塞顶上的压力转化为曲轴旋转运动而对外输出动力。

1.活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆组成，如图2.17所示。

图2.17　活塞连杆组的组成

1）活塞

活塞一般都是用铝合金或高级铸铁耐热钢制成。它与汽缸盖、汽缸壁共同构成燃烧室，承受气压力并通过活塞销和连杆把动力传给曲轴。活塞由顶部、头部和裙部三部分构成。

顶部：承受气压力，有多种形状，如图2.18所示。

图2.18　活塞顶部的形式

头部：最下一道活塞环槽以上部位，一般有3～4道环槽。它承受气压力并传给连杆，与活塞环一起实现对汽缸密封，传热给汽缸壁。

裙部：自油环槽下端面起至活塞底面，其作用是承受侧压力和活塞往复运动导向，如图2.19所示。

图2.19　活塞裙部的形式

2）活塞环

活塞环有气环和油环两种。气环的作用主要是密封和传热，油环起到刮油和布油的作用。它们都是由优质灰铸铁或合金铸铁制成，第一道环往往镀铬，以提高其耐磨性。

活塞环的三隙：开口间隙、侧隙和背隙，如图2.20所示。

图2.20　活塞环的三隙

d-活塞环内径；B-活塞环宽度；Δ₁-开口间隙；Δ₂-侧隙；Δ₃-背隙

①气环密封原理（如图2.21所示）。

图2.21　气环密封原理

第一密封面：活塞环在自由状态下，其外圆直径略大于汽缸内径，装入汽缸后，产生一定弹力F，与缸壁压紧，形成密封面。

第二封面：活塞环与环槽侧面密封的压紧力是气体压力、惯性力和摩擦力代数和，在做功与压缩行程时，气体压力使活塞环被压紧在环槽下侧面形成第二封面。

②活塞环的泵油作用

由于侧隙和背隙存在，活塞下行时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下机油充入环槽下方；而当活塞上行时，环靠在环槽下方；机油挤压到环槽上方，如此反复，实现泵油，如图2.22所示。

图2.22　活塞环的泵油作用

气环有多种不同的断面形状，分别是矩形环、锥形环、桶面环、扭曲环和梯形环，如图2.23所示。

图2.23　气环的断面形状

③扭曲环的工作原理及安装

a.工作原理：活塞扭曲环装入汽缸后，外侧拉伸应力合力F₁与内侧压缩应力合力F₂之间有一力臂e，产生扭转力偶矩M，使环外圆周扭曲成上小下大锥形，使环边缘与环槽上、下端面接触，防止活塞环窜动和泵油。如图2.24所示。

图2.24　扭曲环的工作原理

b.安装：外切口向下，内切口向上。

油环有整体式和组合式两种（如图2.25所示），其作用是刮油及泵油（如图2.26所示）。

图2.25　油环的类型

图2.26　油环的刮油和泵油作用

3）活塞销

活塞销是空心圆柱体，其作用是连接活塞与连杆小头，将活塞承受气体作用力传给连杆。它由低碳钢或低碳合金钢制造，表面渗碳处理后进行精磨和抛光。

活塞销有全浮式和半浮式两种连接方式。

①全浮式：活塞销在连杆衬套和活塞销座孔中都能转动。

②半浮式：活塞销与座孔和衬套只有一处浮动。

4）连杆

连杆由杆身、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承组成，如图2.27所示。其作用是将活塞承受力传给曲轴，使活塞往复运动转变为曲轴旋转运动。

图2.27　连杆

另外，连杆形成了小端、杆身和大端三部分构成的结构形式。小端孔中有减磨的青铜衬套，杆身内钻有纵向的压力油通道；大端一般制成分开式，连杆盖用螺栓紧固在大端上。连杆螺栓必须按原厂规定力矩，分2～3次拧紧。

2.曲轴飞轮组的结构

1）曲轴

曲轴由前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重和后端凸缘等组成，如图2.28所示。其作用是把活塞连杆组传来的气体压力转变为转矩并对外输出，并驱动其他辅助装置。

图2.28　曲轴的结构

曲轴的支撑形式分为全支撑和非全支撑，如图2.29所示。

图2.29　曲轴的支撑形式

曲轴平衡重的作用：F₁和F₂形成的力矩M₁-2，以及F₃和F₄形成的力矩M₃-4使曲轴弯曲变形，引起主轴颈和轴承的偏磨，为此，在曲柄相反方向设置平衡重，如图2.30所示。

图2.30　曲轴平衡重的作用

2）曲拐布置形式

曲轴形状和各曲拐相对位置（曲拐布置），取决于缸数，汽缸排列形式和各缸工作顺序。

①直列四缸四冲程发动机曲拐布置如图2.31所示。

图2.31　直列四缸四冲程发动机曲拐布置

工作顺序有1-3-4-2和1-2-4-3。

工作循环表（假定一缸为压缩行程上止点，绘制工作循环）如表2.4所示。

表2.4

②直列六缸四冲程发动机曲轴曲拐布置如图2.32所示。

图2.32　直列六缸四冲程发动机曲轴曲拐布置

工作顺序：1-5-3-6-2-4或1-4-2-6-3-5。

绘制工作循环表（假定一缸为压缩行程上止点）如表2.5所示。

表2.5

3）飞轮（如图2.33所示）

图2.33　飞轮

①作用：通过储存和释放能量来提高发动机运转的均匀性和改善发动机克服短暂的超负荷能力。

②结构：外缘上压有齿圈，便于启动发动机，刻有点火正时记号，校准点火时间。