第2章  曲柄连杆机构与机体组件 内容提要 1.曲柄连杆机构的运动与受力 2.机体组件的作用、组成与结构原理 3.曲柄连杆机构的作用、组成与结构原理 4.多缸发动机的工作循环

图2-1曲柄连杆机构简图

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，见图2-1）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x、速度v、  加速度a随曲轴转角α的变化关系是

图2-2

α

n——曲轴转速（r/min）。

图2-3  气体压力作用情况 a)作功行程  b)压缩行程

（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**大，而速度**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，需要采取相应平衡措施。

图2-4  往复惯性力和离心力 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

2.往复惯性力与离心力（图2－4） 

图2-5  气缸体 1-曲轴支乘孔  2-机体  3-气缸  4--水道

图2-6  气缸套 a)干式气缸套   b)湿式气缸套 1-机体  2-气缸套  3-水套 4-密封圈

气缸：是是燃烧作功的场所。为了节省贵金属材料，降低成本，方便维修，现代汽车广泛采用镶入缸体内的气缸套（图2-6）。

图2-7  风冷发动机 1-散热片  2-气缸

湿式气缸套：外壁直接与冷却水接触，气缸套仅在上、下各有一圆环地带和气缸体接触，壁厚一般为5～9mm。它散热良好，冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，而与水接触的外表面不需要加工，拆装方便，但其强度、刚度不如干式气缸套好，而且容易产生漏水现象，所以常加橡胶密封圈4等防止漏水，使用和维修时应密切注意，否则将产生冷却液漏入油底壳的严重后果。

图2-8  气缸体结构形式 a)一般式    b)龙门式    c)隧道式 1-气缸体  2-水套  3-气缸  4-湿式气缸套  5-凸轮轴座孔  6-加强筋  7-主轴承座  8-主轴承座孔  9-油底壳座面

(2) 龙门式气缸体：油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但工艺性较差，结构笨重，加工较困难。

图2-10  汽油机燃烧室 a) 半球形燃烧室  b) 楔形燃烧室  c) 浴盆形燃烧室

(1) 半球形燃烧室：它是横剖面呈半球形的一种燃烧室。其结构紧凑、复杂，火花塞布置在燃烧室中央，火焰行程短，燃烧速率高，散热少，热效率高。可采用4气门结构，充气效率高，排气净化好，在轿车发动机上广泛应用。

图2-11  气缸垫

结构：目前应用较多的是铜皮——石棉结构的气缸垫，其翻边处有三层铜皮，压紧时不易变形。有的气缸垫还采用在石棉中心用编织的纲丝网或有孔钢板为骨架，两面用石棉及橡胶粘结剂压成。有的采用实心有弹性的金属片作为气缸垫，以适应发动机强化要求。

图2-12  活塞连杆组件 1－活塞 2－活塞环 3－活塞销  4－连杆  5－连杆螺栓  6－连杆盖  7－连杆轴瓦

由顶部、头部和裙部三部分组成（图2-13）。

图2-14  活塞顶部形状 a)平顶活塞  b) 凸顶活塞  c) 凹顶

a)

b)

c)

图2-13  活塞的结构 1－活塞顶部  2－活塞头部  3－活塞裙部

图2-15  活塞顶部记号

有些活塞顶打有各种记号（图2-15），用以显示活塞及活塞销的安装和选配要求，应严格按要求进行。

图2-16  活塞裙部结构之一 a) 裙部椭圆  b) 锥形  c) 阶梯形 d) 桶形

b)

c)

d)

a)

1）预先将活塞裙部加工成椭圆形,椭圆的长轴方向与销座垂直。

图2-17  活塞裙部结构之二 a）裙部开槽  b）拖板式活塞  c）裙部铸恒范钢

b)

c)

a)

3）预先在活塞裙部开槽（图2-17a）。在裙部开横向的隔热槽，可以减小活塞裙部的受热量；在裙部开纵向膨胀槽，可以补偿裙部受热后的变形量。槽的形状有“T”形或“Π”形。裙部开竖槽后，会使其开槽的一侧刚度变小，在装配时应使其位于作功行程中承受侧压力较小的一侧。通常柴油机活塞受力大，裙部一般不开槽。

图2-18  活塞销孔偏置结构 e-偏移量

5）裙部铸恒范钢(图2-17c)。为了减小铝合金活塞裙部的热膨胀量，有些汽油机活塞在活塞裙部或销座内铸入热膨胀系数低的恒范钢片。恒范钢为低碳铁镍合金，其膨胀系数仅为铝合金的1/10，而销座通过恒范钢片与裙部相连，牵制了裙部的热膨胀变形量。

图2-19  气环密封原理

（1）气环结构原理（图2-19）：气环开有切口，具有弹性，在自由状态下外径大于气缸直径，它与活塞一起装入气缸后，外表面紧贴在气缸壁上，形成第一密封面；被封闭的气体不能通过环周与气缸之间，便进入了环与环槽的空隙，一方面把环压到环槽端面形成第二密封面，另一方面，作用在环背的气体压力又大大加强了第一密封面的密封作用。汽油机一般采用2道气环，柴油机一般采用3道气环。

图2-20  气环的断面形状 a) 矩形环  b)锥面环  c)正扭曲内切环  d)梯形环  e)桶面环

1）矩形环：其断面为矩形，结构简单，制造方便，易于生产，应用**广。但矩形环随活塞往复运动时，会把气缸壁面上的机油不断送入气缸中(图2-21)。这种现象称为”气环的泵油作用”。

a)

b)

图2-21  矩形环泵油作用 a)活塞下行  b)活塞上行

图2-22  扭曲环作用原理 a) 矩形环  b) 扭曲环

3）扭曲环（图2-20c、d）：扭曲环是在矩形环的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分，使断面呈不对称形状，在环的内圆部分切槽或倒角的称内切环，在环的外圆部分切槽或倒角的称外切环。装入气缸后，由于断面不对称，外侧作用力合力F₁（图2-22b）与内侧作用力合力F₂之间有一力臂e，产生了扭曲力矩，使活塞环发生扭曲变形。活塞上行时，扭曲环在残余油膜上“浮过”，可以减小摩擦和磨损。活塞下行时，则有刮油效果，避免机油上窜。同时，由于扭曲环在环槽中上、下跳动的行程缩短，可以减轻“泵油”的副作用。目前被广泛应用于第2道活塞环槽上，安装时必须注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。

图2-23  油环 a) 普通油环  b) 组合油环 1-刮油钢片 2-轴向衬环 3－径向衬环

1) 普通油环

图2-25  活塞销的连接方式 a)      全浮式  b) 半浮式 1-连杆小头  2-连杆衬套  3-活塞销  4-活塞销座  5-卡环

全浮式：指当发动机工作时，活塞销、连杆小头和活塞销座都有相对运动，使磨损均匀。活塞销两端装有卡环5，进行轴向定位。由于铝活塞热膨胀量比钢大，为了保证高温工作时活塞销与活塞销座孔有正常间隙（0.01～0.02mm），在冷态时为过渡配合，装配时，应先把铝活塞加热到一定程度，再把活塞销装入。

图2-26  连杆的结构 1-连杆衬套  2-连杆小头  3-连杆杆身  4-连杆螺钉  5-连杆大头  6-连杆轴瓦  7-连杆盖  8-连杆轴瓦凸键  9-凹槽

连杆杆身： “工”字形断面，抗弯强度好，重量轻，大圆弧过渡，且上小下大，采用压力法润滑的连杆，杆身中部制有连通大、小头的油道。

图2-27  连杆大头 a)平分式  b) 斜分式 1-连杆装配标志  2-机油喷孔  3-连杆盖装配标志

平分——分面与连杆杆身轴线垂直（图2-27a），汽油机多采用这种连杆。因为一般汽油机连杆大头的横向尺寸都小于气缸直径，可以方便地通过气缸进行拆装。

连杆盖与连杆的定位:把连杆大头分开可取下的部分叫连杆盖，连杆与连杆盖配对加工，加工后，在它们同一侧打上配对记号3，安装时不得互相调换或变更方向。为此，在结构上采取了定位措施。平切口连杆盖与连杆的定位多采用连杆螺栓定位，利用连杆螺栓中部精加工的

图2-28  分开式连杆大头定位方法 a) 锯齿定位  b)圆销定位  c)套筒定位  d)止口定位

圆柱凸台或光圆柱部分与经过精加工的螺栓孔来保证（图3-26）。斜切口连杆常用的定位方法有锯齿定位、圆销定位、套筒定位和止口定位（图3-28）。

图2-29  连杆轴瓦 1-钢背  2-油槽  3-定位凸键  4-减磨合金层

连杆轴瓦（图2-29）：

图2-30  叉形连杆 a) 并列式  b) 主副式  c) 叉式

（1）并列式:相对应的左右两缸连杆并列安装在同一连杆轴颈上。

图2-31  曲轴飞轮组件 1-曲轴皮带轮  2-曲轴正时齿轮皮带轮  3-曲轴链轮  4-曲轴前端  5-曲轴主轴颈  6-曲柄臂  7-曲柄销（连杆轴颈）  8-平衡重块  9-转速传感器脉冲轮  10-飞轮  11-主轴瓦  12-主轴承盖  13-螺母  14-止推垫片  15-主轴瓦  16-止推垫片

1.曲轴

图2-33  曲轴受力与平衡 a) 受力  b) 惯性力平衡

非全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等，主轴承载荷较大，但缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。

4缸

a)

b)

图2-32  曲轴的支承方式 a) 非全支承  b) 全支承

机的平衡（图2-33）。在一些高档发动机上，还采用加装平衡轴的方法进行惯性力的平衡，使发动机运转更加平稳。

曲轴轴向定位

图2-34  曲轴前端结构 1、2-滑动推力轴承  3-止推片  4-定时齿轮  5-甩油盘  6-油封  7-带轮  8-起动爪

：由于曲轴经常受到离合器施加于飞轮的轴向力作用，有的曲轴前端采用斜齿传动，使曲轴产生前后窜动，影响了曲柄连杆机构各零件的正确位置，增大了发动机磨损、异响和振动，故必须进行曲轴轴向定位。另外，曲轴工作时会受热膨胀，还必须留有膨胀的余地。

图2-35  4缸四行程发动机曲柄布置

 4缸四行程发动机曲柄布置及工作顺序：点火间隔角为720°/4＝180°，4个曲柄布置在同一平面内（图2-35）。1、4缸与2、3缸互相错开180°，其发火顺序的排列有两种可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循环分别见表2-1和表2-2。

图2-36  6缸四行程发动机曲柄布置

6缸四行程发动机曲柄布置及工作顺序：点火间隔角为720°/6=120°，6个曲柄分别布置在三个平面内（图2-36），有两种点火顺序， 1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5，国产汽车都采用前一种，其工作循环见表2-3。

8缸四行程V型发动机曲柄布置及工作顺序：

图2-37  8缸四行程发动机曲柄布置

点火间隔角为720°/8=90°，发动机左右两列对应的一对连杆共用一个曲柄，所以V型八缸发动机只有四个曲柄（图2-37）。曲柄布置可以与4缸发动机相同，4个曲柄布置在同一平面内，也可以布置在两个互相错开90°的平面内，使发动机得到更好地平衡。点火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2。其工作循环见表2-4。

图2-38  曲轴扭转减振器 1-橡胶垫  2-皮带轮（前惯性盘）  3-后惯性盘  4-橡胶体  5-皮带轮毂

作用：吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动，避免发生强烈的共振及其引起的严重恶果。（曲轴是一种扭转弹性系统，各曲柄的旋转速度忽快忽慢呈周期性变化。安装在曲轴后端的飞轮转动惯量**大，可以认为是匀速旋转，由此造成曲轴各曲柄的转动比飞轮时快时慢，这种现象称之为曲轴的扭转振动。当振动强烈时甚至会扭断曲轴。）

本章小结 1. 曲柄连杆机构是将活塞顶的燃气压力转变为曲轴的转矩输出机械能的传动机构。由于活塞的变速往复运动、曲轴的旋转运动和连杆的复合运动，导致各零部件受到拉、压、剪、扭、振动、摩擦等复杂应力作用，造成曲柄连杆机构相关零件的不均匀磨损和发动机振动，必需对发动机进行平衡和固定。 2. 曲柄连杆机构包括机体组件（气缸体、气缸或气缸套、气缸盖、气缸垫等）、活塞连杆组件（活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等）及曲轴飞轮组件（曲轴、飞轮等）。曲柄连杆机构组装时应注意各零部件的相互配合位置关系及各重要螺钉的拧紧力矩和拧紧方法。 3. 气缸体分一般式、龙门式、隧道式三种；气缸套有干式、湿式两种；汽油机燃烧室常见有半球形燃烧室、 楔形燃烧室、浴盆形燃烧室。不同结构特点，具有不同功能。 4. 活塞一般都采用高强度铝合金制成。其顶部有各种凹坑，组成各种燃烧室；头部有活塞环槽；裙部起导向作用，并承受侧压力。整个活塞呈上小下大，裙部椭圆形；有的开有膨胀槽等防止活塞卡死。 5. 活塞环有气环和油环两类。气环起密封、传热作用，有矩形环、扭曲环、锥面环、梯形环、桶面环等各种截面形状；油环起布油、刮油、传热作用，有普通油环和组合油环两种。活塞环安装时应注意安装位置和方向。 6. 曲轴的曲柄布置应该使各缸点火顺序均匀分布在7200曲轴转角内。4缸机的点火顺序只有1-2-4-3和1-3-4-2两种。根据曲轴的曲柄布置和发火顺序，可分析多缸发动机各缸的工作状况。

【复习思考题】

发表于 @ 2008年06月05日 10:41:00 |点击数（）

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