活塞-曲柄机构构成与润滑油系统优化

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：图10-1 活塞-曲柄机构的结构传统四冲程发动机活塞-曲柄机构的结构如图10-1所示。汽油机使用2个气环和1个油环，柴油机使用3个气环和1个油环。使用平面轴承时，为了充分润滑，采用高流量高压润滑油泵和润滑油滤清器。单气缸发动机或难以进行充分润滑的二冲程发动机选择把连杆做成分离式，并使用滚柱轴承。曲轴轴承的比较见表10-1。

图10-1 活塞-曲柄机构的结构

传统四冲程发动机活塞-曲柄机构的结构如图10-1所示。活塞通过连杆连接到曲轴，连杆大头部配备连杆轴承与曲轴连接，小头部与活塞连接。活塞-曲柄系统的强度计算要通过施加在活塞头部的燃烧气体压力和活塞往复运动的惯性力求得。通常，施加在发动机活塞的力，燃烧气体的压力大于活塞的惯性力，但是在高速状态，惯性力可能反而比燃烧气体的压力大。

1.活塞

活塞与气缸盖一起形成燃烧室，把燃烧气体压力和惯性力传递到连杆，在往复运动时除了上止点和下止点之外向气缸壁传递侧向推力，保持活塞环与气缸壁面之间的密封状态，并通过活塞环把燃烧气体的热量传递到气缸壁并进行散热。

在活塞的设计上，因活塞头部通常处于600～750K的高温状态，瞬间会达到4～6MPa的高压，还暴露在2500K以上的火焰中，并以10～15m/S的平均速度进行往复运动，因此有必要充分考虑材料、形状、强度、润滑、耐磨性等，而且为了减少惯性力需要尽量轻量化。

2.活塞环

活塞环的作用是，保持活塞与气缸内壁之间的密封状态，把活塞的热量传递到气缸壁上，并刮出粘附在气缸壁上多余的润滑油，以防止润滑油进入到燃烧室中。汽油机使用2个气环和1个油环，柴油机使用3个气环和1个油环。

活塞环插入活塞，使其端部气体处于切断状态，如图10-2a所示。在活塞环张力和燃烧气体压力的作用下，活塞环槽的下端紧贴在气缸壁上，产生接触压力以保持密封性。虽然接触压力越大其密封性越好，但过大的接触压力会导致活塞环或气缸的磨损和增大摩擦损失。通常，接触压力为44～200kPa。在部分负荷运行状态，因燃烧气体压力过低，或者在高速状态因惯性力过大，如图10-2b所示，活塞环会发生扭转，导致张力显著降低。此时活塞环不能紧贴在活塞环槽的下部，导致窜气量急剧增加，活塞环甚至会在产生环槽上下颤动。

3.连杆

连杆是连接活塞与曲轴的长杆件，其作用是把活塞受到的燃烧气体压力和活塞运动产生的惯性力传递到曲轴。

连杆分为轴承整体式和轴承分离式，如图10-3所示。连杆由小头部、杆和大头部构成，小头部通过活塞销与活塞连接，大头部通过轴承与曲轴销连接。连杆的杆件部位为了对应重复产生的因活塞与小头部的惯性力而产生的拉伸应力和因燃烧气体压力而产生的压缩应力，杆件部位的端面B—B多采用抗区服和抗弯曲能力良好的I型端面形状。

4.曲轴

曲轴是把活塞的直线往复运动转换成旋转运动的重要的轴，由曲轴销、曲轴轴颈、曲轴臂构成。把与连杆连接的部位称为曲轴销，把曲轴坐落在气缸体上的部位称为曲轴轴颈，把连接曲轴销与曲轴轴颈的部位称为曲轴臂。