使用說(shuō)明書(shū)

發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)體組的結(jié)構(gòu)分類(lèi)

 

摘要：曲柄連桿機(jī)構(gòu)是機(jī)械傳動(dòng)中常用的一種機(jī)構(gòu)，它可以將連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)變成間斷直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或者間斷直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變成連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和壽命有著重要的影響?？得魉拱l(fā)電機(jī)廠(chǎng)家在本文中將從曲柄連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)成、工作原理、動(dòng)力學(xué)分析等方面展開(kāi)討論，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、效率和可靠性。

 

一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)工作原理

 

      在發(fā)動(dòng)機(jī)作功時(shí)，氣缸內(nèi)最高溫度可以高達(dá)2500k以上，最高壓力可達(dá)5～9MPa，現(xiàn)代柴油機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000～6000r/min，則活塞每秒要進(jìn)行約100～200個(gè)行程，可見(jiàn)其線(xiàn)速度是很大的。此外，可與燃?xì)饣旌蠚夂腿紵龔U氣接觸的機(jī)件（如氣缸、氣缸蓋、活塞組等）還將受到化學(xué)腐蝕。因此，曲柄連桿機(jī)構(gòu)的工作條件的特點(diǎn)是高溫、高壓、高速和化學(xué)腐蝕。由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)是在高壓下作變速運(yùn)動(dòng)，因此它在工作中的受力情況很復(fù)雜，其中有氣體作用力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量慣性力、摩擦力以及外界阻力等。對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析如圖1、圖2、圖3圖4所示。

1、氣體作用力

      在每個(gè)工作循環(huán)的四個(gè)行程中，氣體壓力始終存在。但由于進(jìn)氣、排氣兩行程中氣體壓力較小，對(duì)機(jī)件影響不大，故這里主要研究作功和壓縮行程中的氣體作用力。

（1）在作功行程中，氣體壓力是推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)的力。這時(shí)燃燒氣體產(chǎn)生的高壓直接作用在活塞的頂部。設(shè)活塞所受總力Fp傳到活塞銷(xiāo)上，可分解為Fp1和Fp2，分力Fp1通過(guò)活塞銷(xiāo)傳給連桿，并沿連桿方向作用在曲柄銷(xiāo)上；還可分解為兩個(gè)分力Fr和Fs，分力Fr沿曲柄方向使曲軸主軸徑與主軸承之間產(chǎn)生壓緊力；與曲柄垂直的分力Fs除了使主軸頸和主軸承之間產(chǎn)生壓緊力外，還對(duì)曲軸形成轉(zhuǎn)矩T，推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)；力Fp2把活塞壓向氣缸壁，形成活塞與缸壁間的側(cè)壓力，有使機(jī)體翻倒的趨勢(shì)，故機(jī)體下部的兩側(cè)應(yīng)支承在車(chē)架上。

（2）在壓縮行程中，氣體壓力是阻礙活塞向上運(yùn)動(dòng)的阻力。這時(shí)作用在活塞頂?shù)臍怏w總壓力Fp'也可以分解為兩個(gè)分力Fp1'和Fp2'，而Fp1'又分解為Fr'、Fs'。Fr'使曲軸主軸徑與主軸承間產(chǎn)生壓緊力，F(xiàn)s'對(duì)曲軸造成一個(gè)旋轉(zhuǎn)阻力矩T'，企圖阻止曲軸旋轉(zhuǎn)，而Fp2'則將活塞壓向氣缸的另一側(cè)壁。

（3）在工作循環(huán)的任何行程中，氣體作用力的大小都是隨著活塞的位移而變化的，再加上連桿在左右搖擺，因而作用在活塞銷(xiāo)和曲軸軸徑的表面以及兩者的支承表面上的壓力和作用點(diǎn)不斷變化，造成各處磨損不均勻。同樣，氣缸壁沿圓周方向的磨損也不均勻。

2、往復(fù)慣性力與離心力

      往復(fù)運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度變化時(shí)，就要產(chǎn)生往復(fù)慣性力。物體繞某一中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生離心力。這兩種力在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中都是存在的。

（1）活塞和連桿小頭在氣缸中作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度很高，而且數(shù)值在不斷變化。當(dāng)活塞叢上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度變化規(guī)律是：從零開(kāi)始，逐漸增大，臨近中間達(dá)到最大值，然后又逐漸減小至零。也就是說(shuō)，當(dāng)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，前半行程是加速運(yùn)動(dòng)，慣性力向上，以Fj表示；后半行程是減速運(yùn)動(dòng)，慣性力向下，以Fj’表示。同理，當(dāng)活塞向上時(shí)，前半行程慣性力向下，后半行程慣性力向上。

（2）活塞、活塞銷(xiāo)和連桿小頭的質(zhì)量越大，曲軸轉(zhuǎn)速越高，則往復(fù)慣性力也越大。它使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件后來(lái)所有軸頸受周期性的附加載荷，加快軸承的磨損；未被平衡的變化著的慣性力傳到氣缸體后，還會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。

（3）偏離曲軸軸線(xiàn)的曲柄、曲柄銷(xiāo)和連桿大頭繞曲軸軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣性力，即離心力，其方向沿曲柄半徑向外，其大小與曲柄半徑、旋轉(zhuǎn)部分的質(zhì)量及曲軸轉(zhuǎn)速有關(guān)。曲柄半徑長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)部分質(zhì)量大，曲軸轉(zhuǎn)速高，則離心力大。離心力Fc在垂直方向的分力Fcy與往復(fù)慣性力Fj方向總是一致的，因而加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)的上、下振動(dòng)；而水平方向分力Fcx則使發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生水平方向的振動(dòng)。離心力使連桿大頭的軸瓦和曲柄銷(xiāo)、曲軸主軸頸及其軸承受到又一附加載荷，增加了它們的變形和磨損。

3、摩擦力

      在任何一對(duì)互相壓緊并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件表面之間，必定存在摩擦力，其最大值決定于上述各種力對(duì)摩擦面形成的正壓力和摩擦因數(shù)。

      上述各種力作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)體的各有關(guān)零件上，使它們受到壓縮、拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等不同形式的載荷。

 

圖1  柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力示意圖	圖2  曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力分析
圖3  柴油機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)中作用力及傳遞	圖4  柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)慣性力的平衡

 

二、曲柄連桿機(jī)構(gòu)類(lèi)型與組成

 

1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)分類(lèi)

（1）中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)

      其特點(diǎn)是活塞銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)軌跡與曲軸軸線(xiàn)相交，這種機(jī)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，加工容易。中心曲桿的幾何特性完全由曲柄連桿比確定，其中r為曲柄半徑，即曲軸主軸頸軸線(xiàn)到連桿軸頸或曲軸銷(xiāo)軸線(xiàn)的距離，l為連桿長(zhǎng)度，即連桿大小頭孔軸線(xiàn)的距離。

（2）偏心曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

      其特點(diǎn)是活塞銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)軌跡不與曲軸軸線(xiàn)相交，或者曲軸軸線(xiàn)相對(duì)氣缸軸線(xiàn)偏移（目的在于減小燃燒膨脹行程活塞對(duì)氣缸的作用力），或者活塞銷(xiāo)軸線(xiàn)相對(duì)活塞軸線(xiàn)偏移（目的在于減輕上止點(diǎn)附近活塞對(duì)氣缸的拍擊），不過(guò)在這兩種情況下偏心量e都不大。

（3）關(guān)節(jié)曲柄連桿機(jī)構(gòu)。

      用于少數(shù)雙列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型柴油機(jī)中。柴油機(jī)的一列氣缸用主連桿與曲柄銷(xiāo)相連，其他各列氣缸則用副連桿與主連桿上的副連桿銷(xiāo)相連，形成關(guān)節(jié)式的搖擺運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是副連桿大小頭軸承均無(wú)高速滑動(dòng)，尺寸可以縮小，而主連桿大頭的軸承可以有足夠大的尺寸。

2、曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成

      曲柄連桿機(jī)構(gòu)由曲柄、連桿和活塞三個(gè)部分組成，如圖5所示。曲柄是一個(gè)彎曲的軸，一般用于將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。連桿是曲柄的一端與活塞的另一端連接的結(jié)構(gòu)物，它可以將曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒒钊耐鶑?fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而活塞就是連接到連桿上的一個(gè)移動(dòng)元件，一般用于將壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)移或從某個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。

三、機(jī)體組結(jié)構(gòu)

 

      曲柄連桿機(jī)構(gòu)是柴油發(fā)電機(jī)的主要機(jī)構(gòu)，它承受缸內(nèi)氣體壓力，將燃料燃燒所釋放出來(lái)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，將活塞往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并向傳動(dòng)裝置輸出動(dòng)力。曲柄連桿機(jī)構(gòu)包含的零件較多，大致可將其分成三大組成部分，即機(jī)體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組。機(jī)體組具有安裝在柴油機(jī)上靜止不動(dòng)的特點(diǎn)，所以又稱(chēng)為固定件?；钊B桿組和曲軸飛輪組在柴油機(jī)工作過(guò)程中不停地作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故又稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)件。機(jī)體組包括氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、氣缸襯墊、主軸承蓋、油底殼及曲軸箱等主要零件。機(jī)體組是柴油機(jī)的基礎(chǔ)，柴油機(jī)零件幾乎全部安裝在機(jī)體上。

1、汽缸蓋

      氣缸蓋及氣缸墊用于密封氣缸，氣缸蓋并與活塞頂組成燃燒室。氣缸蓋借高強(qiáng)度螺栓壓緊在氣缸體上。氣缸蓋和氣缸體內(nèi)部的水套和油道以及油底殼分別組成冷卻系和潤(rùn)滑系。

2、汽缸套

      氣缸套的內(nèi)壁對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)起導(dǎo)向作用，在運(yùn)動(dòng)中受高溫高壓燃?xì)獾淖饔盟a(chǎn)生熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力而磨損。氣缸套磨損后可更換，便于維修。柴油機(jī)多采用濕式氣缸套，其外壁直接與冷卻水接觸，上部多利用凸緣底面與氣缸體支承面壓緊密封，下部通常用2～3道耐油耐熱的橡膠密封環(huán)密封;有些柴油機(jī)采用干式氣缸套或無(wú)缸套結(jié)構(gòu)。

3、曲軸箱

      曲軸箱的結(jié)構(gòu)有三種形式。

（1）曲軸箱和氣缸體鑄成一體。

（2）曲軸箱和氣缸體分開(kāi)鑄造，兩者之間用螺栓連接。

（3）曲軸箱分成上下兩部分，下曲軸箱用薄鋼板或鋁合金制成，貯存機(jī)油并起密封、防護(hù)作用，上曲軸箱與氣缸體制成一體，為一整體鑄件，通常又稱(chēng)作機(jī)體。

4、氣缸體

      氣缸體是柴油機(jī)的骨架，具有足夠的剛度。它是曲柄連桿機(jī)構(gòu)和其他機(jī)構(gòu)的安裝基礎(chǔ)。氣缸套裝在缸套安裝孔內(nèi)，主軸承座用來(lái)支承曲軸。氣缸體內(nèi)設(shè)有冷卻水和機(jī)油的通路，二沖程柴油機(jī)的氣缸體上還有換氣通道。    機(jī)體的結(jié)構(gòu)形式有三種，即龍門(mén)式、隧道式和平分式（如圖7所示）。

（1）龍門(mén)式機(jī)體

      其特點(diǎn)是主軸承座是分開(kāi)式的，主軸從機(jī)體的下方拆裝，機(jī)體的下平面位于曲軸中心線(xiàn)以下。一般式機(jī)體的特點(diǎn)是機(jī)體的下平面與曲軸中心線(xiàn)在同一平面內(nèi)，隧道式機(jī)體的特點(diǎn)是主軸承座為整體式的，曲軸從機(jī)體后方裝入?？得魉共裼蜋C(jī)機(jī)體通常采用龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。

（2）隧道式機(jī)體

      其特點(diǎn)是主軸承座為整體式，呈隧道形，曲軸可由后端或側(cè)面裝入。其剛度、強(qiáng)度是三種形式中最好的，但拆裝曲軸不方便。小型發(fā)動(dòng)機(jī)由于曲軸短，安裝方便，所以采用這種結(jié)構(gòu)比較合適。

（3）平分式（又稱(chēng)一般式）機(jī)體

      其特點(diǎn)是油底殼安裝平面和曲軸旋轉(zhuǎn)中心在同一高度。這種汽缸體的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)體高度小，質(zhì)是輕，結(jié)構(gòu)緊湊 ，便于加工，曲軸拆裝方便；其缺點(diǎn)是剛度和強(qiáng)度較差。

5、油底殼

      油底殼是曲軸箱的下半部，又稱(chēng)為下曲軸箱，結(jié)構(gòu)如圖8所示。作用是封閉曲軸箱作為貯油槽的外殼，防止雜質(zhì)進(jìn)入，并收集和儲(chǔ)存由柴油機(jī)各摩擦表面流回的潤(rùn)滑油，散去部分熱量，防止?jié)櫥脱趸?。油底殼多由薄鋼板沖壓而成，有利于潤(rùn)滑油雜質(zhì)的沉淀，側(cè)面裝有油尺，用來(lái)檢查油量。此外，油底殼底部最低處還裝有放油螺塞。

 

圖7  氣缸體分類(lèi)示意圖

圖8  油底殼結(jié)構(gòu)組成圖

 

總結(jié)：

      通過(guò)上述介紹曲柄連桿機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，來(lái)分析曲柄連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，包括振動(dòng)、載荷傳遞、磨損等方面的問(wèn)題，以及對(duì)性能的影響。綜上所述，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化進(jìn)行全面研究，是每個(gè)柴油發(fā)電機(jī)廠(chǎng)家必修課，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、降低成本、提高可靠性等方面提供參考。

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