|
使用说明书 |
发动机曲柄连杆机构和机体组的结构分类 |
摘要：曲柄连杆机构是机械传动中常用的一种机构，它可以将连续圆周运动变成间断直线运动或者间断直线运动变成连续圆周运动。因此，曲柄连杆机构是柴油发动机的核心部件之一，对发动机的性能和寿命有着重要的影响。康明斯发电机厂家在本文中将从曲柄连杆机构的构成、工作原理、动力学分析等方面展开讨论，以提高发动机的功率、效率和可靠性。
一、曲柄连杆机构工作原理
在发动机作功时，气缸内最高温度可以高达2500k以上，最高压力可达5～9MPa，现代柴油机最高转速可达3000～6000r/min，则活塞每秒要进行约100～200个行程，可见其线速度是很大的。此外，可与燃气混合气和燃烧废气接触的机件（如气缸、气缸盖、活塞组等）还将受到化学腐蚀。因此，曲柄连杆机构的工作条件的特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。由于曲柄连杆机构是在高压下作变速运动，因此它在工作中的受力情况很复杂，其中有气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及外界阻力等。对机构进行受力分析如图1、图2、图3图4所示。
1、气体作用力
在每个工作循环的四个行程中，气体压力始终存在。但由于进气、排气两行程中气体压力较小，对机件影响不大，故这里主要研究作功和压缩行程中的气体作用力。
（1）在作功行程中，气体压力是推动活塞向下运动的力。这时燃烧气体产生的高压直接作用在活塞的顶部。设活塞所受总力Fp传到活塞销上，可分解为Fp1和Fp2，分力Fp1通过活塞销传给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上；还可分解为两个分力Fr和Fs，分力Fr沿曲柄方向使曲轴主轴径与主轴承之间产生压紧力；与曲柄垂直的分力Fs除了使主轴颈和主轴承之间产生压紧力外，还对曲轴形成转矩T，推动曲轴旋转；力Fp2把活塞压向气缸壁，形成活塞与缸壁间的侧压力，有使机体翻倒的趋势，故机体下部的两侧应支承在车架上。
（2）在压缩行程中，气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力。这时作用在活塞顶的气体总压力Fp'也可以分解为两个分力Fp1'和Fp2'，而Fp1'又分解为Fr'、Fs'。Fr'使曲轴主轴径与主轴承间产生压紧力，Fs'对曲轴造成一个旋转阻力矩T'，企图阻止曲轴旋转，而Fp2'则将活塞压向气缸的另一侧壁。
（3）在工作循环的任何行程中，气体作用力的大小都是随着活塞的位移而变化的，再加上连杆在左右摇摆，因而作用在活塞销和曲轴轴径的表面以及两者的支承表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损不均匀。同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀。
2、往复惯性力与离心力
往复运动的物体，当运动速度变化时，就要产生往复惯性力。物体绕某一中心作旋转运动时，就会产生离心力。这两种力在曲柄连杆机构的运动中都是存在的。
（1）活塞和连杆小头在气缸中作往复直线运动时，速度很高，而且数值在不断变化。当活塞丛上止点向下止点运动时，其速度变化规律是：从零开始，逐渐增大，临近中间达到最大值，然后又逐渐减小至零。也就是说，当活塞向下运动时，前半行程是加速运动，惯性力向上，以Fj表示；后半行程是减速运动，惯性力向下，以Fj’表示。同理，当活塞向上时，前半行程惯性力向下，后半行程惯性力向上。
（2）活塞、活塞销和连杆小头的质量越大，曲轴转速越高，则往复惯性力也越大。它使曲柄连杆机构的各零件后来所有轴颈受周期性的附加载荷，加快轴承的磨损；未被平衡的变化着的惯性力传到气缸体后，还会引起发动机的振动。
（3）偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，即离心力，其方向沿曲柄半径向外，其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关。曲柄半径长，旋转部分质量大，曲轴转速高，则离心力大。离心力Fc在垂直方向的分力Fcy与往复惯性力Fj方向总是一致的，因而加剧了发动机的上、下振动；而水平方向分力Fcx则使发动机产生水平方向的振动。离心力使连杆大头的轴瓦和曲柄销、曲轴主轴颈及其轴承受到又一附加载荷，增加了它们的变形和磨损。
3、摩擦力
在任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间，必定存在摩擦力，其最大值决定于上述各种力对摩擦面形成的正压力和摩擦因数。
上述各种力作用在曲柄连杆机构和机体的各有关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷。
|
图1 柴油机曲柄连杆机构受力示意图 |
图2 曲柄连杆机构受力分析 |
|
图3 柴油机曲柄连杆机构中作用力及传递 |
图4 柴油机旋转惯性力的平衡 |
二、曲柄连杆机构类型与组成
1、曲柄连杆机构分类
（1）中心曲柄连杆机构
其特点是活塞销运动轨迹与曲轴轴线相交，这种机构最为简单，加工容易。中心曲杆的几何特性完全由曲柄连杆比确定，其中r为曲柄半径，即曲轴主轴颈轴线到连杆轴颈或曲轴销轴线的距离，l为连杆长度，即连杆大小头孔轴线的距离。
（2）偏心曲柄连杆机构。
其特点是活塞销运动轨迹不与曲轴轴线相交，或者曲轴轴线相对气缸轴线偏移（目的在于减小燃烧膨胀行程活塞对气缸的作用力），或者活塞销轴线相对活塞轴线偏移（目的在于减轻上止点附近活塞对气缸的拍击），不过在这两种情况下偏心量e都不大。
（3）关节曲柄连杆机构。
用于少数双列式V型及全部三列W型、四列X型和多列星型柴油机中。柴油机的一列气缸用主连杆与曲柄销相连，其他各列气缸则用副连杆与主连杆上的副连杆销相连，形成关节式的摇摆运动。这种机构的优点是副连杆大小头轴承均无高速滑动，尺寸可以缩小，而主连杆大头的轴承可以有足够大的尺寸。
2、曲柄连杆机构组成
曲柄连杆机构由曲柄、连杆和活塞三个部分组成，如图5所示。曲柄是一个弯曲的轴，一般用于将旋转运动转化为直线运动。连杆是曲柄的一端与活塞的另一端连接的结构物，它可以将曲柄的旋转运动转化为活塞的往复直线运动，或将活塞的往复直线运动转化为曲柄的旋转运动。而活塞就是连接到连杆上的一个移动元件，一般用于将压力进行转移或从某个位置移动到另一个位置。
（1）活塞组
由活塞、活塞环、活塞销及其固定件组成。活塞直接承受高温高压燃气的作用，一般由铝合金制成。汽油机的活塞顶部多为平顶，柴油机则多有凹坑，其形状与燃烧室型式有关。活塞上部装有活塞环以密封高温高压的燃气，防止泄漏。活塞裙部在活塞运动时起导向作用并承受侧向压力。为了避免工作时产生拉缸或敲缸，活塞裙部与气缸之间应有适当的间隙。由于活塞受热和受气体压力作用后，裙部发生变形，因此有的活塞裙部加工成椭圆形，长轴在垂直于活塞销的方向，使工作变形后仍能保持圆形;有的活塞裙部沿纵向作成锥形或桶形，使工作受热时上下间隙相同，裙部与气缸贴合良好。活塞环包括气环和油环，共2～4道，材料多为合金铸铁。气环用于防止气缸内的燃气漏入曲轴箱;油环主要用于气缸刮油和导油，同时有密封燃气作用。油环对气缸壁的压力要适当，回油要畅通，否则机油消耗量会增加。活塞销是活塞与连杆的连接件，安装在活塞销孔内，常用弹簧锁环等防止活塞销轴向位移。
（2）连杆组
包括连杆、连杆轴瓦和连杆螺栓。连杆将活塞组与曲轴相连接。杆身断面多为“工”字形。连杆小头通过活塞销与活塞相连，内有衬套。连杆大头内孔装有连杆轴瓦，与曲轴的曲柄销连接。大头通常剖分成两半，用连杆螺栓紧固。
（3）曲轴飞轮组
曲轴飞轮组结构如图6所示。主要用于对外输出功率并驱动配气机构及其他辅助设备。曲轴承受连杆传来的气体压力、往复运动质量的惯性力、旋转惯性力以及工作中产生的弯曲和扭转振动，因此对其强度和刚度要求较高。曲轴主轴承有滑动轴承与滚动轴承两种，整体式曲轴多用滑动轴承，组合式曲轴有的采用滚动轴承。为了平衡曲柄连杆机构旋转的惯性力，在曲轴曲柄上与曲柄销相反的方向装有平衡重，而有的平衡重与曲柄制成一体。飞轮为铸铁圆盘，用螺钉固定在曲轴后端接盘上。飞轮具有较大的转动惯量，可储存和放出能量，起着调节曲轴转速变化和稳定转速的作用。
|
图5 曲柄连杆机构组成示意图 |
图6 曲轴飞轮组结构示意图 |
三、机体组结构
曲柄连杆机构是柴油发电机的主要机构，它承受缸内气体压力，将燃料燃烧所释放出来的热能转变为机械能，将活塞往复直线运动转变为曲轴的旋转运动，并向传动装置输出动力。曲柄连杆机构包含的零件较多，大致可将其分成三大组成部分，即机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。机体组具有安装在柴油机上静止不动的特点，所以又称为固定件。活塞连杆组和曲轴飞轮组在柴油机工作过程中不停地作往复直线运动和旋转运动，故又称为运动件。机体组包括气缸体、气缸盖、气缸套、气缸衬垫、主轴承盖、油底壳及曲轴箱等主要零件。机体组是柴油机的基础，柴油机零件几乎全部安装在机体上。
1、汽缸盖
气缸盖及气缸垫用于密封气缸，气缸盖并与活塞顶组成燃烧室。气缸盖借高强度螺栓压紧在气缸体上。气缸盖和气缸体内部的水套和油道以及油底壳分别组成冷却系和润滑系。
2、汽缸套
气缸套的内壁对活塞运动起导向作用，在运动中受高温高压燃气的作用所产生热应力和机械应力而磨损。气缸套磨损后可更换，便于维修。柴油机多采用湿式气缸套，其外壁直接与冷却水接触，上部多利用凸缘底面与气缸体支承面压紧密封，下部通常用2～3道耐油耐热的橡胶密封环密封;有些柴油机采用干式气缸套或无缸套结构。
3、曲轴箱
曲轴箱的结构有三种形式。
（1）曲轴箱和气缸体铸成一体。
（2）曲轴箱和气缸体分开铸造，两者之间用螺栓连接。
（3）曲轴箱分成上下两部分，下曲轴箱用薄钢板或铝合金制成，贮存机油并起密封、防护作用，上曲轴箱与气缸体制成一体，为一整体铸件，通常又称作机体。
4、气缸体
气缸体是柴油机的骨架，具有足够的刚度。它是曲柄连杆机构和其他机构的安装基础。气缸套装在缸套安装孔内，主轴承座用来支承曲轴。气缸体内设有冷却水和机油的通路，二冲程柴油机的气缸体上还有换气通道。 机体的结构形式有三种，即龙门式、隧道式和平分式（如图7所示）。
（1）龙门式机体
其特点是主轴承座是分开式的，主轴从机体的下方拆装，机体的下平面位于曲轴中心线以下。一般式机体的特点是机体的下平面与曲轴中心线在同一平面内，隧道式机体的特点是主轴承座为整体式的，曲轴从机体后方装入。康明斯柴油机机体通常采用龙门式结构。
（2）隧道式机体
其特点是主轴承座为整体式，呈隧道形，曲轴可由后端或侧面装入。其刚度、强度是三种形式中最好的，但拆装曲轴不方便。小型发动机由于曲轴短，安装方便，所以采用这种结构比较合适。
（3）平分式（又称一般式）机体
其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种汽缸体的优点是机体高度小，质是轻，结构紧凑 ，便于加工，曲轴拆装方便；其缺点是刚度和强度较差。
5、油底壳
油底壳是曲轴箱的下半部，又称为下曲轴箱，结构如图8所示。作用是封闭曲轴箱作为贮油槽的外壳，防止杂质进入，并收集和储存由柴油机各摩擦表面流回的润滑油，散去部分热量，防止润滑油氧化。油底壳多由薄钢板冲压而成，有利于润滑油杂质的沉淀，侧面装有油尺，用来检查油量。此外，油底壳底部最低处还装有放油螺塞。
|
图7 气缸体分类示意图 |
图8 油底壳结构组成图 |
总结：
通过上述介绍曲柄连杆机构的基本结构和工作原理，来分析曲柄连杆机构的动力学特性，包括振动、载荷传递、磨损等方面的问题，以及对性能的影响。综上所述，对柴油发电机曲柄连杆机构的设计和优化进行全面研究，是每个柴油发电机厂家必修课，为提高发动机性能、降低成本、提高可靠性等方面提供参考。
----------------
以上信息来源于互联网行业新闻，特此声明！
若有违反相关法律或者侵犯版权，请通知我们！
温馨提示：未经我方许可，请勿随意转载信息！
如果希望了解更多有关柴油发电机组技术数据与产品资料，请电话联系销售宣传部门或访问我们官网：https://www.11fdj.com
- 上一篇：柴油发电机排气烟囱施工规范
- 下一篇：康明斯柴油发电机组控制器的开停机操作
