机体组的结构与检修.doc

【知识要求】掌握机体组零件作用、结构。了解机体组零件的工作条件、要求和材料。了解机体组零件的损伤形式和原因。掌握气缸的磨损规律及修理方法。【能力要求】能够对气缸盖进行检验。能够对气缸直径、圆度、圆柱度进行检验。能够根据测量数据计算修理尺寸。项目二 机体组的结构与检修一、相关知识(一)概述1曲柄连杆机构的功用曲柄连杆机构的功用是把燃气作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。2曲柄连杆机构的组成曲柄连杆机构由以下三部分组成。(1)机体组：主要包括气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸衬垫、油底壳等机件。(2)活塞连杆组：主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆等机件。(3)曲轴飞轮组：主要包括曲轴、飞轮、扭转减振器等机件(注“减振器”也作“减震器”)。曲柄连杆机构中部分主要零件如图2-1所示。图2-1 活塞连杆及曲轴飞轮组的组成3曲柄连杆机构的工作条件在发动机做功时，气缸内最高温度可达2500K以上，最高压力可达35MPa，现代汽车发动机最高转速可达30006000r/min，则活塞在气缸内每秒钟要完成约100200个行程，可见其线速度是很大的。此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件还会受到化学腐蚀。因此，曲柄连杆机构工作条件的特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。4曲柄连杆机构的运动及受力1)曲柄连杆机构的运动以中心曲柄连杆机构(即曲轴中心线位于气缸中心线上的曲柄连杆机构，如图2-2所示)为例，设中心曲柄半径为R，连杆长度为L，根据力学推导，活塞的位移、速度、加速度a的大小随曲轴转角的变化关系是式中：连杆比，一般为1/41/3；曲轴角速度，匀速运动时，；n曲轴转速(r/min )。活塞位移、速度和加速度曲线如图2-3所示。图2-2 中心曲柄连杆机构简图图2-3 活塞位移、速度、加速度曲线曲柄连杆机构的运动特点如下。(1)曲轴虽然作匀速运动，但活塞的速度却是不均匀的。在上、下止点处速度等于零，在稍前处和稍后处达到最大值。即活塞从上止点向下止点运动和从下止点向上止点运动的约前半个行程是加速，约后半个行程是减速。(2)由于活塞运动速度的变化，导致其加速度的变化，在速度为零处的加速度最大，而速度最大处的加速度等于零。加速度的变化，导致了惯性力的产生，使发动机产生冲击、振动和磨损，需要采取相应的平衡措施。2)曲柄连杆机构受力分析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。在此对受力情况作一简要分析。曲柄连杆机构工作时所受的力主要有气体作用力、往复惯性力与离心力、相对运动件接触表面的摩擦力等。(1)气体作用力。在每个工作循环中，气体压力始终存在并不断变化。但由于进气，排气两行程中气体压力较小，对机件影响不大。故这里主要研究做功和压缩两行程中气体作用力。在做功行程中，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顶部(见图2-4(a)。设活塞所受总压力为Fp，它传到活塞销上，可分解为Sp和Np。分力Sp通过活塞销传给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上。Sp还可分解为两个分力Rp和Tp。沿曲柄方向分力Rp使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；与曲柄垂直的分力Tp除了使主轴颈和主轴承之间产生压紧力外，还使曲轴形成转矩Mp，推动曲轴旋转。分力Np把活塞压向气缸壁，形成活塞与缸壁间的侧压力，使机体产生翻倒的趋势，故机体下部的两侧应支撑在车架上。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，也可分解为两个分力Sp和Np(见图2-4(b)，而Sp又分解为Rp和Tp。Rp使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力；Tp对曲轴造成一个旋转阻力矩Mp，企图阻止曲轴旋转。而Np则将活塞压向气缸的另一侧壁。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颈的表面以及二者的支撑表面上的压力和作用点不断变化，造成各处磨损的不均匀性。同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀。(a) 做功行程 (b) 压缩行程图2-4 气体压力作用情况示意图(2)往复惯性力与离心力。作往复运动的物体，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，如图2-5所示。往复惯性力。活塞组件和连杆小头在气缸中作往复直线运动所产生的惯性力，用表示，其大小与机件的质量及加速度成正比，其方向总与加速度的方向相反。活塞在气缸内的运动速度很高，而且在不断变化。当活塞从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，以表示 (见图2-5(a)；后半行程是减速运动，惯性力向下，以表示(见图2-5(b)。同理，当活塞向上运动时，前半行程惯性力向下，后半行程惯性力向上。活塞、活塞销和连杆小头的质量愈大，曲轴转速愈大，则往复惯性力也愈大。它使曲柄连杆机构的各零件和所有轴颈承受周期性的附加载荷，加快轴承的磨损；这种未被平衡的变化惯性力传到气缸体后，还会引起发动机的振动。离心力。偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头绕曲轴轴线作圆周运动产生的旋转惯性力，简称离心力，用表示，其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关，其方向沿曲柄半径向外。曲柄半径长、旋转部分质量大，曲轴转速高，则离心力大。离心力在垂直方向的分力与往复惯性力方向总是一致的，因而加剧了发动机的上下振动。而水平方向的分力则使发动机产生水平方向振动。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，增加它们的变形和磨损。 (a) 活塞在上半行程时的惯性力 (b) 活塞在下半行程时的惯性力图2-5 往复惯性力和离心力作用情况示意图(3)摩擦力。任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间都存在摩擦力，其大小与对摩擦面形成的正压力和摩擦系数成正比，其方向与相对运动的方向相反。摩擦力是造成零件配合表面磨损的根源。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。为了保证工作可靠，减少磨损，在结构上必须采取相应的措施。(二)气缸体与曲轴箱的结构1气缸体基本结构与功用发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，称为气缸体-曲轴箱，简称为气缸体。气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔，称为气缸。下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。作为发动机各个机构和系统的装配基体，还要承受高温高压气体的作用力，因而要求气缸体应具有足够的刚度和强度。气缸工作表面由于经常与高温、高压的燃气相接触，且有活塞在其中作高速往复运动，故必须耐高温、耐磨损、耐腐蚀。为了满足以上要求，通常从气缸材料、加工精度和结构形式等方面来予以保证。例如采用优质合金铸铁作为气缸体的材料，气缸内壁按2级精度加工并经过珩磨，使其工作表面的粗糙度、形状和尺寸的精度要求都比较高。为了使发动机能在高温下正常工作，必须对气缸体和气缸盖随时加以冷却。按冷却介质的不同，可分为水冷和风冷两种冷却方式。汽车发动机上采用较多的是水冷却。发动机用水冷却时，气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称为水套，如图2-6所示。气缸体和气缸盖上的水套是相互连通的。利用水套中的冷却水流过高温零件的周围而将热量带走。发动机用空气冷却时，在气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片，以增加散热面积，保证散热充分，如图2-7所示。一般风冷发动机的气缸体与曲轴箱是分开铸造的。F6L912Q型发动机属风冷柴油机。图2-6 水冷发动机的气缸体和气缸盖1气缸；2水套；3气缸盖；4燃烧室；5气缸垫图2-7 风冷发动机的气缸体和气缸盖1气缸体；2气缸盖；3散热片2曲轴箱的形式根据其具体结构形式，曲轴箱可分为三种：平分式、龙门式和隧道式，如图2-8所示。 (a) 平分式 (b) 龙门式 (c) 隧道式图2-8 曲轴箱的基本结构形式1气缸体；2水套；3凸轮轴孔座；4加强筋；5湿缸套；6主轴承座； 7主轴承座孔；8安装油底壳的加工面；9安装主轴承盖的加工面若发动机的曲轴轴线与缸体下平面在同一平面上的为平分式(见图2-8(a)，这种结构便于机械加工，但刚度较差，曲轴前后端的密封性较差，多用于中小型发动机，富康ZX轿车TU3.2K发动机，BJ2023吉普车的492QA型发动机的曲轴箱均属于这种结构。若发动机的曲轴轴线高于缸体下平面则称为龙门式(见图2-8(b)。这种结构的特点是结构刚度和强度较好，密封简单可靠，维修方便，但工艺性较差。桑塔纳、捷达、奥迪、解放CA1091型汽车用CA6102发动机都属于这种结构。图2-9为上海桑塔纳发动机的气缸体，它是四缸、水冷、全支承、无缸套、等缸心距、龙门式合金铸铁气缸体，其结构特点是强度刚度好，结构紧凑轻巧。隧道式曲轴箱的主轴承承孔不分开(见图2-8(c)，这种结构特点是其结构刚度比龙门式的更高，主轴承的同轴度易保证，但拆装比较麻烦，用于主轴承采用滚动轴承的组合式曲轴，现已很少采用。图2-9 上海桑塔纳发动机气缸体3气缸与气缸套汽车发动机气缸排列形式基本上有三种：单列式(直列式)、V形和对置式(见图2-10)。单列式发动机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的(见图2-10(a)。但为了降低发动机的高度，有时也把气缸布置成倾斜的，甚至是水平的。这种排列形式的气缸体结构简单，加工容易，但长度和高度较大。一般六缸以下发动机多用单列式，如桑塔纳、捷达、富康、一汽奥迪100型和解放CA1091型等汽车的发动机。V形发动机将气缸排成两列，其气缸中心线的夹角600铸铁0.25铝合金0.35气缸平面度的检验，多采用刀口尺和厚薄规来进行。如图2-29所示，利用等于或略大于被测平面全长的刀口尺，沿气缸上平面的纵向、横向和对角线方向等六处进行测量，以求得其平面度误差。气缸上平面度误差逾限则必须修整气缸上平面。图2-29 气缸平面度的检测1刀口尺；2塞尺(厚薄规)；3缸体上平面气缸上平面的平面度可通过铲削或磨削加工进行修理。几种国产车型气缸的平面度公差要求如表2-4所示。表2-4 几种国产车型气缸的平面度公差 mm 车型 项目现代Terracan东风本田CR-V日产FUGA(Y50)威驰5A、8A平面度公差在全长上出厂规定0.050.070.10.05大修允许0.050.070.10.052气缸盖的检验与修理1)气缸盖裂损的检验与修理气缸盖容易产生裂纹的部位往往与它的结构、工作条件和使用方法不当有关。气缸盖裂纹的检查，通常采用水压试验，如图2-30所示。方法是将气缸盖及气缸衬垫装在气缸体上，将水压机出水管接头与气缸前端水泵入水口处连接好，堵住其他水道口，然后将水压入水套，在300400kPa的压力下，保持5min，气缸盖应无渗漏。如气缸盖由里向外有水珠渗出，即表明该处有裂纹。对应力大的部位的裂纹应采取加热减应焊进行修理，对水套及其应力小的部位的裂纹可以采用胶粘修复。图2-30 气缸盖的水压试验2)气缸盖平面变形的检验与修理气缸盖在使用过程中变形是普遍存在的。气缸盖的变形破坏了其正确的几何形状，影响发动机的装配质量和工作能力。如气缸盖平面度误差逾限，将造成气缸密封不严，漏气、漏水、严重时将冲坏气缸盖衬垫。气缸盖变形后在修理中未进行整形修理，是影响大修发动机耐久性的一项重大因素。气缸盖平面度的检测，多采用刀口尺和厚薄规来进行，方法同气缸体上平面的检测，如图2-29所示。利用等于或略大于被测平面全长的刀口尺，沿气缸盖平面的纵向、横向和对角线方向多处进行测量，以求得其平面度误差。气缸盖下平面的平面度可通过铲削或磨削加工进行修理。几种国产常见车型气缸盖的形位公差要求如表2-5所示。表2-5 几种国产常见车型气缸盖的形位公差 mm 车 型 项 目桑塔纳捷达富康现代Terracan东风本田CR-V日产FUGA(Y50)东风雪铁龙毕加索威驰5A、8A下平面的平面度全长0.050.100.050.050.070.100.050.05进、排气平面的平面度0.100.100.103)清除燃烧室积炭发动机的气缸盖、气缸上沿、活塞顶、活塞环、气门头部及火花塞(或喷油嘴的喷口处)等零件表面，在发动机工作中会粘着一层积炭。积炭是一层粗糙、坚硬且黏结力很强的物质，它可以减少燃烧室的容积，改变压缩比，并在燃烧过程中形成许多炽热点，易发生早燃现象，破坏发动机的正常工作。此外，积炭可以粘结活塞环，形成新的磨料，影响润滑作用。故在汽车使用过程中，应定期清除积炭。清除积炭通常用机械和化学方法，或两者并用。(1)机械方法清除积炭。根据零件的形状和部位，利用专用钢丝刷，装在电动工具上进行刷洗，或用刮刀直接刮除。发动机燃烧室、气门等处的积炭，在拆下气缸盖后，可先用煤油浸泡，使其软化，然后用木质刮刀将其刮除。活塞环槽的积炭可用专用工具(见图2-31)，将其手柄夹紧，予以旋转，清除积炭。就车清除气缸表面和活塞顶部积炭，可将活塞处于上止点位置，在活塞与缸壁缝隙四周涂抹一层润滑脂，以防刮下来的积炭掉入，然后细心地进行刮除。刮除完毕后，均应将其清洗干净。图2-31 清理环槽积炭(2)化学方法清除积炭。化学方法清除积炭是利用化学溶剂对积炭浸泡23h，靠物理或化学作用使积炭软化，然后用刷洗或擦洗法去除。所用化学溶剂可分为有机溶剂和无机溶剂两类。无机溶剂的毒性小、成本低，但退炭效果较差，而且使用时需要加热至8595。使用不当还会对某些有色金属造成腐蚀。有机溶剂具有退炭能力强，常温下使用对有色金属无腐蚀等优点。但成本高、毒性大，在使用中应加强保护。采用无机溶剂清除积炭时，对铁质零件和铝质零件，采用不同的化学配方，如表2-6所示。有机溶剂常见配方如表2-7所示。表2-6 清除积炭无机溶剂配方 kg成 分钢铁零件铝合金零件氢氧化钠2.5碳酸钠3.31.85硅酸钠0.150.85肥皂0.881.00水100100表2-7 清除积炭有机溶剂配方 %配 方 一配 方 二氨水3.0汽油8醋酸乙酯4.5煤油22丙酮1.5松节油17乙醇22氨水15苯40.8苯酚30石蜡1.2油酸84)气缸盖的拆装气缸盖的拆装操作应按照一定的要求，一般在发动机的修理工艺中均有严格的规定。在拆装过程中，主要应注意下列几点。(1)气缸盖螺栓的拧紧力矩。气缸盖螺栓的拧紧力矩太大或太小都将会对发动机产生不良影响，易造成气缸盖变形、漏气等现象。发动机都应按规定的气缸盖螺栓拧紧力矩要求，分几次拧紧至规定值。铝合金气缸盖在冷态下按规定力矩拧紧即可，铸铁气缸盖应在热态下再复紧一遍。有些气缸盖紧固螺栓采用具有良好轴向张力稳定性的塑性域螺栓，这种气缸盖螺栓的紧固方法，按规定力矩拧紧后再分步旋转90或180(因机而异，参考维修手册)。这种螺栓再使用时，需用卡尺测量规定部位的直径或长度，若不符合要求应立即更换，不能继续使用。(2)气缸盖螺栓的拆装顺序。气缸盖螺栓的拆装一般采用对称法：装配时，由中间向两端逐个对称拧紧(见图2-32)；拆卸时，则由两端向中间逐个对称拧松。(3)气缸盖应在冷态时拆卸，拆装过程中不能碰擦下平面，以免损伤接合面。3气缸垫的检验气缸垫的常见损伤是烧蚀击穿，其主要原因是气缸盖和气缸体接合面不平或气缸盖螺栓拧紧力矩不足或气缸垫质量不好所致。气缸垫烧蚀击穿部位一般在水孔或燃烧室孔周围，会导致发动机漏气或冷却水进入机油中。气缸垫主要通过目视检验，要求无烧蚀击穿，无锈蚀、无折皱。损坏的缸垫只能更换，不需修理。发动机大修时，缸垫无论好坏均要换新。图2-32 气缸盖螺栓拧紧顺序三、拓展知识(一)气缸镗削工艺1. 镗缸设备汽车维修行业常用的镗缸设备有T716型单柱金刚镗床和T8011型移动式镗磨缸机。T716型单柱金刚镗床具有刚度好、加工精度和生产率高等特点，T8011型移动式镗磨缸机虽然加工精度较为逊色，但投资少，一机多用，常用于小型维修单位。1)T716型单柱金刚镗床T716型单柱金刚镗床俗称“立式镗缸机”，如图2-33所示，由床身、镗架、工作台、变速箱、传动系统和操纵机构等部分组成。(1)主参数与加工精度。主轴直径 56、75、110mm使用56mm主轴镗孔时最小镗孔深度 57mm最大镗孔深度 160mm使用75mm主轴镗孔时镗孔直径 76115mm最大镗孔深度镗孔直径为76mm时 250mm镗孔直径为115mm时 325mm使用110mm主轴镗孔时镗孔直径 115165mm最大镗孔深度镗孔直径为115mm时 340mm镗孔直径为165mm时 410mm圆度误差 0.0025mm圆柱度误差 0.005mm精加工表面粗糙度 Ra1.25图2-33 T716型单柱金刚镗床1主动轴；2中间轴；3输出轴；4进给传动轴；5进给输出轴；6垂直传动轴；7主轴；8离合器；9进给丝杠；10手动进给轮；11进给离合器(2)传动系统。主电机的动力经变速器输出轴3及轴上的蜗轮副传给垂直传动轴6，经皮带、离合器8、驱动主轴7旋转，变速器共有六种速比，使主轴具有六种主运动转速。主轴进给运动有自动进给、手动进给和快速移动三种方式。自动进给时，进给箱接受变速器传来的驱动力，经进给输出轴5上的蜗轮副、进给离合器11使进给丝杠9旋转，驱动镗架完成自动进给，自动进给有四种进给量；使用手动进给时，先使进给离合器11分离，停止自动进给，再转动手动进给手轮经蜗轮副驱动进给丝杠完成手动进给运动。需要快速移动镗架完成镗床调整时，先使进给离合器分离，开动床身顶上的快速移动电机，经蜗轮副驱杠快速转动使镗架作快速移动。(3)操纵机构。主轴变速手柄有两只(一长一短)，共六种位置，进给手柄也有两只(一长一短)，共四种位置，均有铭牌指示。而工作台的移动由纵向和横向移动手轮操纵。2)T8011型移动式镗磨缸机T8011型移动式镗磨缸机由镗缸和珩磨气缸两部分组成，如图2-34所示，可完成气缸镗削和珩磨两项加工。图2-34 T8011型移动式镗磨缸机1镗缸变速手轮；2镗杆升降手柄；3自动进给离合器；4磨刀砂轮；5中心定位手轮；6、7磨缸行程调节螺钉；8加油孔；9冷却液泵；10磨缸离合手轮；11磨缸锁紧螺钉；12行程刻度盘；13夹紧扳手；14中心定位杆(1)主参数与主要技术规格。镗、磨孔直径 65115mm镗刀小刀架镗削直径 6595mm镗刀大刀架镗削直径 90115mm最大镗、磨深度 300mm镗缸最大切削深度 0.40mm磨缸主轴转速 303r/min磨缸主轴往复运动速度 6.5m/min(2)镗缸主轴的传动。电动机通过蜗轮副驱动变速器的回升轴转动，使镗杆回升系统工作。镗缸变速手轮1控制变速，使镗杆具有两级转速(236、362r/min)。(3)进给运动。推下自动进给离合器3，自动进给离合器接合，回升离合器分离，主轴在转动的同时，完成自动进给运动。(4)镗杆的回升运动。镗杆进给至规定位置时，定位刻度盘的定位机构使回升离合器自动接合，自动进给离合器自动分离，传动系统的升降齿轮反转使镗杆停止转动并上升退刀。(5)磨缸部分的传动。把镗缸变速手轮1推置空挡，使磨缸离合手轮10操纵滑动齿轮与驱动齿轮啮合，驱动珩磨杆转动。珩磨杆的往复运动另有液压传动驱动。2镗缸工艺基准气缸体在经过一个大修间隔里程后，会发生不同程度的变形，用于设计制造的工艺基准已经失去了作为气缸修理基准的意义。只有经过仔细分析，合理另选新的镗缸基准，才有可能提高气缸的镗削精度，延长气缸的使用寿命。新选修理工艺基准的原则有三条：新选基准变形量应最小；原加工精度高；符合基准统一的原则。不但与相关要素的修理基准统一，还应尽可能地与相配合零件的修理基准相统一，通过减小装配的积累误差来提高发动机的修理质量。镗削气缸通常以缸体下平面为基准。在单柱金刚镗床上镗缸，即以缸体下平面为基准，其加工精度高，缸体下平面变形较小，镗后气缸轴线的垂直度误差较低。3刀具材料与切削用量气缸硬度为HB180230，粗镗采用TG6、YG8硬质合金刀具，精镗采用YJ2或YJ3硬质合金刀具，切削速度取125150m/min；气缸硬度为HB363444，宜采用YG2或YG3硬质合金刀具，切削速度取5075m/min。切削深度粗镗第一刀一般不小于0.05mm，因为气缸在工作中有时会形成表面硬层，若切削深度过小，刀尖容易磨耗，合理的切入深度以气缸表面无残留黑皮为宜。最后一刀切入深度也以0.05mm为宜，过大或过小都会影响其表面粗糙度。走刀量一般为0.120.20mm/r。镗削后应留有0.030.05mm的珩磨余量。气缸一律采用同心法镗削。(二)气缸磨削工艺气缸镗削后进行珩磨的目的是使气缸具有合理的表面粗糙度和配合特性，并具有良好的磨合性能。1. 磨削设备汽车维修行业常用的珩磨设备是M4215立式珩磨机，如图2-35所示，它由立柱、底座与工作台6、变速箱2、主轴与涨缩机构1、操纵机构7、液压传动系统4、冷却系统5、磨头与连杆3以及电器设备8等组成。主参数及主要技术规格：珩磨孔直径 50150mm主轴最大行程 370mm主轴接杆伸缩移动长度 180mm最大珩磨孔深度 400mm最大工件高度 480mm主轴轴心至立柱面距离 350mm主轴转速 112、160、224、315r/min主轴往复运动级数 无级主轴连接杆端面至工作台距离 475845mm工作台行程 纵向60mm 横向800mm 工作台高度 470mm外形尺寸 128016802678mm总质量 2100kg图2-35 M4215立式珩磨机1主轴与涨缩机构；2变速箱；3磨头与连杆；4液压传动系统；5冷却系统；6立柱、底座与工作台；7操纵机构；8电器设备2. 网纹磨削法所谓网纹磨削法是指合理地选择珩磨头的往复运动与圆周运动的速度比，以便珩磨后的气缸表面上的磨纹成为深约0.0070.01mm、夹角约为5