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发动机曲柄连杆机构原理详解!

2018-01-23  zgg2017
曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环,完成能量转换的传动机构,用来传递力和改变运动方式。是发动机产生并传递动力的机构,通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能,是发动机的能量转换机构。它的结构直接决定了发动机的性能与效率。


发动机工作时,曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣,它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。所以,对曲柄连杆机构的材料与结构要求相当高。

作用在曲柄连杆机构上的力有气体压力和运动部件质量惯性力。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,是发动机振动主要来源。发动机工作是否平顺、安静,与这些力的平衡有很大的关系。一些高档轿车的振动非常小,就是因为这方面做得好。

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曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组:机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。

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现代汽车发动机机体组即车主经常说的发动机的缸体和缸盖及油底壳,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。机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。现在,在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普遍。铝合金缸体的优点是重量轻、散热好。

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发动机的支承部位及支撑材料直接决定了发动机的振动性质,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。现代有些发动机支撑采用了液压衬套,能极大的减少发动机振动对车身的影响。

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活塞连杆组的主要功用是受燃烧气体压力,并将此力通过活塞销传给连杆再传给曲轴,并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。一般细分为活塞组和连杆组。

活塞的主要功用是承受燃烧气体压力,并将此力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。此外活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高温燃气直接接触,使活塞顶的温度很高。活塞在侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动,由于润滑条件差,因此摩擦损失大,磨损严重。现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广泛采用铝合金活塞,只在极少数汽车发动机上采用铸铁或耐热钢活塞。

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连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴,并将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆组在工作时受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷,因此连杆体可能发生弯曲和扭曲变形。连杆体和连杆盖由优质中碳钢或中碳合金钢模锻或辊锻而成。

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曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变为转矩,用以驱动汽车的传动系统和发动机的配气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作,承受弯曲和扭转交变载荷。因此,曲轴应有足够的抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度;轴颈应有足够大的承压表面和耐磨性;曲轴的质量应尽量小;对各轴颈的润滑应该充分。曲轴一般由45、40Cr、35Mn2等中碳钢和中碳合金钢模锻而成,轴颈表面经高频淬火或氮化处理,最后进行精加工。现代汽车发动机广泛采用球墨铸铁曲轴。球墨铸铁价格便宜,耐磨性能好,轴颈不需硬化处理,同时金属消耗量少,机械加工量也少。为提高曲轴的疲劳强度,消除应力集中,轴颈表面应进行喷丸处理,圆角处要经滚压处理。

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现代轿车特别重视乘坐的舒适性和噪声水平,为此必须将引起汽车振动和噪声的发动机不平衡力及不平衡力矩减小到最低限度。在曲轴的曲柄臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力及其力矩,而往复惯性力及其力矩的平衡则需采用专门的平衡机构。发动机往复惯性力的平衡状况与气缸数、气缸排列形式及曲拐布置形式等因素有关。从理论上讲,直列六缸发动机的振动和平顺性是最好的。所以,这么多年来,奔驰与宝马都在使用直六发动机,就是因为这一点。

现代中级和普及型轿车普遍采用四冲程直列四缸发动机。平面曲轴的四缸发动机的一阶往复惯性力、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩都平衡,惟二阶往复惯性力不平衡。为了平衡二阶往复惯性力需采用双轴平衡机构。两根平衡轴与曲轴平行且与气缸中心线等距,旋转方向相反,转速相同,都为曲轴转速的二倍。两根轴上都装有质量相同的平衡重,其旋转惯性力在垂直于气缸中心线方向的分力互相抵消,在平行于气缸中心线方向的分力则合成为沿气缸中心线方向作用的力,与 FjII 大小相等,方向相反,从而使 FjII 得到平衡。

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