曲柄连杆机构构造

任务一　曲柄连杆机构构造

【任务目标】

1．掌握曲柄连杆机构的作用和组成。

2．掌握曲柄连杆机构各零件的形状和功用。

3．熟悉不同发动机上的曲柄连杆机构各零件的种类划分。

【任务分析】

学习曲柄连杆机构的整体作用及组成，进一步细分该机构中的零件归类和零件功能，并在此基础上学习它们在发动机上的真正作用及工作原理。通过本任务的学习后，使同学们真正跨入汽车专业大门的门槛。

【相关理论】

一、曲柄连杆机构的作用

曲柄连杆机构是发动机（往复活塞式）的核心机构。其作用是将燃料燃烧后施加在活塞顶上的气体膨胀压力转变为推动曲轴旋转的转矩，并由飞轮对外输出动力。

二、曲柄连杆机构的构造

曲柄连杆机构是发动机上零部件最多、最重要的一个机构。通常由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分构成。

（一）机体组

主要零部件有：气缸体、气缸盖、气缸垫、缸盖螺栓、曲轴主轴承盖及螺栓等。其中气缸体是发动机各工作机构的附件的装配基体，又是曲柄连杆机构、配气机构以及润滑系和冷却系的组成部分。气缸盖装在缸体的上部，活塞处于上止点时，气缸盖、气缸体与活塞、活塞环四者围成的空间构成燃烧室，燃料在里面燃烧产生热能。

1．气缸体

气缸体是发动机各个机构和系统的组成和装配基体，也可把它看成是发动机的本体，是发动机中最重要和最大的一个部件。

气缸体上包括有气缸（套）、曲轴箱、主轴承孔、机油油道、水套等（图2-1）。

图2-1　气缸体示意图

气缸体按气缸的排列形式不同，有直列式、V型式和对置式三种（图2-2）。

图2-2　气缸体排列型式

直列式气缸体：这种缸体的气缸排列成一列。多为垂直布置，有时为了降低发动机高度也采用倾斜或水平布置。其特点是结构简单，多用一块缸盖，应用十分广泛。

V型气缸体：这种缸体的气缸排列成两列（呈V字形），其两列气缸中心线夹角小于180º，其结构特点是缩短了发动机纵向长度，高度较低，缸体刚度增加，结构紧凑，重量较轻，通用性强，但宽度尺寸较大气缸体形状复杂，加工难度较大，制造成本较高。通常把进气系统设置在V字中间，排气系统设置在V字两外侧。

对置式气缸体： 这种缸体的气缸成水平排列成两列，这种缸体就像两个拼凑起来一样。其结构复杂、高度、重心最低，而宽度最宽，活塞对向运动，不易出现机件不平衡而引起的振动问题。

（1）曲轴箱。

曲轴箱的结构有一般式（平分式）、龙门式和隧道式三种（图2-3）。

图2-3　曲轴箱基本结构型式

一般式： 这种缸体的曲轴主轴线与气缸体下平面共面。这种结构便于加工，但刚度低，与油底壳接合面的密封较困难，多用于小型发动机。

龙门式：这种缸体的下平面在曲轴主轴线之下。这种结构的刚度较高，与油底壳接合面的密封较简单，维修方便，但工艺性差，多用于中小型发动机。

隧道式：这种缸体为整体式的主轴孔（曲轴为可拆分段式）。其结构刚度最大，但拆装困难，多用于机械负荷大、主轴承采用滚动轴承的发动机。

（2）气缸套。

按冷却形式的不同缸套分为干式气缸套和湿式气缸套两种。

干式气缸套外表面不直接与冷却水接触，其壁厚为1～3mm，汽油机常用；湿式气缸套的外表面直接与冷却水接触，冷却效果好，其壁厚一般为5～9mm，柴油机常用。

2．气缸盖

气缸盖就是安装于发动机气缸体上面的零件。它有的是用铸铁制成，有的是用铝合金材料制成（图2-4）。

图2-4　气缸盖

气缸盖的主要作用是封闭气缸上部，与活塞顶部和气缸壁一起形成燃烧室。燃烧室主要有盆形、楔形、半球形、双球形和4气门浅蓬形燃烧室等。缸盖内有水套、燃烧室、进（排）气道和进（排）气门座气门导管座孔等。

3．气缸垫

气缸垫就是垫在缸体和缸盖之间的垫子。其作用就是加强缸体与缸盖的密封。常用的气缸垫有金属—石棉垫、纯金属垫和新型耐热密封胶三种(图2-5)。

图2-5　气缸垫

(二)活塞连杆组

活塞连杆组主要包括的零部件有活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴承等（图2-6）。

活塞连杆组的作用是密封、传力。即与气缸壁、气缸盖共同形成燃烧室，并承受气缸中气体压力，将这种力经活塞销传给连杆，再传给曲轴，并推动曲轴旋转。

1．活塞

活塞是用铝合金制成的零件，其作用是与气缸盖、 气缸壁等共同围成燃烧室，并承受气缸中的气体压力，通过活塞销将力传给连杆来推动曲轴。

按部位不同活塞可分为：活塞顶部、活塞槽部、活塞裙部和活塞销座（孔）四个部位（图2-7）。

活塞顶部：燃烧室的组成部分，形状取决于燃烧室的型式。常见的活塞顶有顶活塞、凹顶活塞、凸顶活塞、气门让坑活塞等。活塞顶部上通常打有活塞装配向前标记（图2-8）。

活塞槽部：是安装活塞环的部位。一般由2～3道气环、1道油环组成。气环用于密封，油环用于润滑，油环槽底部有许多油孔，环槽的形状与活塞环断面形状一致，一般为矩形或梯形。

活塞裙部：指油环槽以下并与活塞销方向垂直的部位。起导向并承受侧压力作用。按其大小不同分为全裙式和拖板式活塞。

活塞销座（孔）：用于安装活塞销，是活塞与连杆的连接部位。为了限制活塞销的窜动，在靠近孔的外端处装有卡环。

图2-6　活塞连杆组图

1 连杆组；2 活塞；3 连杆；4 连杆盖；5 连杆衬套；6 连杆螺钉；7 第一道气环；8 第二、三道气环；9 油环；10活塞销；11 活塞销卡环；12 连杆轴瓦；l3 定位套筒。

图2-7　活塞

1 顶部；2 环槽部；3 裙部；4 环岸；5 环槽；6 销座；7 加强筋；8 卡环槽；9 泄油孔及泄油槽。

图2-8　活塞顶部形状

重点提示

活塞销卡环的开口通常向下安装。

2．活塞环

活塞与气缸壁之间保留有合理的间隙，活塞环安装在活塞环槽内，其作用是用来密封这个间隙的，它可以防止窜气，同时使活塞往复运动更圆滑。活塞环分为气环和油环两种，两者配合使用。

气环：也叫压缩环，作用是保证活塞与气缸壁之间的密封，防止气缸内高温、高压的气体窜入曲轴箱，并将活塞的所受的热量传给气缸壁，进而传给冷却水。其中，密封是主要作用，也是导热作用的前提。

活塞环的密封分为一级密封和二级密封，一级密封是指靠活塞的张力产生的密封，二级密封指的是气压作用在活塞环上所产生的密封。

重点提示

活塞环在装配时应保留有一定的端隙、侧隙和背隙，并且第一道气环的开口不能与活塞销和活塞裙部同向；各气环间错开180°的夹角。组合油环的刮油片开口错开180°的角度，衬环开口不得与刮油片开口重合。

知识拓展

Ø 端隙是指活塞环装入气缸后切口端面间的间隙，一般为0.25～0.50mm，第一道气环的端隙要大于第二、第三道环，柴油机活塞环端隙略大于汽油机，且随缸径的增大而增大。

Ø 侧隙是指活塞环高度方向与环槽之间的间隙，第一道气环为0.04～0.10mm，其他一般为0.03～0.07mm，普通油环的侧隙一般为0.025～0.050mm，组合油环没有侧隙。

Ø 背隙是指环随活塞装入气缸后，环的背面与环槽底部之间的间隙，一般为0.5～1.0mm，为了便于测量，通常用环的厚度与槽的深度来表示背隙。

活塞环的断面切口形状种类较多，常见的有矩形环、锥面环、扭曲环、梯形环和桶面环等（图2-9）。

矩形环：应用较多，结构简单、制造方便，导热效果好，但会产生泵油作用。

锥面环：与气缸壁形成线接触，有利于磨合和密封，有下行时刮油、上行时布油的作用，因传热性差，多用于二、三道气环。

扭曲环：在矩形环的内缘上边或外缘的下边切去一部分后形成的环，这种环目前在发动机上广泛使用，安装时内圆切槽向上，外圆切槽向下。

图2-9　活塞环的断面

梯形环：这种环具有挤压环槽内胶结物和二级密封效果强的特点。

桶面环：有利于形成油膜，能很好地适应活塞摆动，密封效果好。

油环： 油环的作用是刮除气缸壁上多余的润滑油，并在气缸壁上形成一层均匀的油膜。通常装1～2道油环。

油环按结构分为普通油环（整体式）和组合油环两种（图2-10）。

图2-10　油环的结构

1 油环钢片；2 轴向环衬；3 径向环衬。

图2-11　活塞销的连接形式

1 连杆衬套；2 活寒销；3 连杆；4 活塞销卡环；5 紧固螺栓。

3．活塞销

活塞销的作用是用于连接活塞和连杆，并将活塞所受的力传给连杆。活塞销通常为空心圆柱体。一般用低碳钢或低碳合金钢制造。

活塞销与活塞销座孔和连杆小端衬套孔的连接方式有全浮式和半浮式两种连接（图2-11）。

图2-12　连杆组件

4．连杆

连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

活塞为往复直线运动，曲轴为旋转运动，而处于两者之间的连杆的运动较为复杂，运动学中把连杆的运动称为平面复合运动。

连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承（瓦）等零件组成（图2-12）。

连杆体与连杆盖的基本结构可分为小端、杆身和大端三个组成部分。小端：用来安装活塞销；杆身：做成“工”或“H”形断面；大端与曲轴的连杆轴颈相连，为了便于安装，一般做成分开式。

连杆杆身与连杆盖之间的剖切面有平切口和斜切口两种。平切口：剖切面与杆身中心线垂直；斜切口：剖切面与杆身中心线成30º～60º夹角（以45º夹角最常见）。

连杆大端的装合有严格的要求。常见的定位方式有：连杆螺栓定位、锯齿形定位、套筒定位和止口定位，后三种多用于斜切口连杆（图2-13）。

图2-13　斜切口连杆大端定位

V型发动机的连杆有并列连杆式、主副连杆式和叉形连杆式三种（图2-14）。

图2-14　V型发动机连杆

1 副连杆；2 主连杆；3 叉形大头连杆；4 片形大头连杆；5 销钉；6 叉形连杆大头与连杆盖的紧固螺钉；7 片形大头轴瓦；8、9 叉形大头轴瓦；10 片形大头连杆盖；11叉形大头连杆盖。

5．连杆轴承

连杆轴承通常采用薄壁滑动轴承，又称连杆轴瓦。目前，汽车发动机轴承采用的减磨合金主要有白合金、铜合金和铝合金（图2-15）。

白合金轴承：又叫巴氏合金，有锡基和铅基两种，应用较多的是锡基白合金，多用于中小型汽油机连杆轴承和主轴承。

铜铅合金轴承：一般由30%左右的铅和70%左右的铜组成，为改善减磨性能，常在其表面电镀一层厚约为0.02～0.03mm的软金属（如铅锡、铅锡铜等），制成“钢背—铜铅合金—表层”三层结构的轴瓦，多用于高负荷的柴油发动机。

图2-15　轴瓦

铝基合金：有铝锑镁合金、低锡铝合金、高锡铝合金三种。前两种合金机械性能好，负载能力强，但减磨效果较差，因此，也电镀一层软金属，主要用于柴油机。高锡铝合金具有较好的机械性能，同时又有比较好的减磨性，目前应用较广。

发动机轴瓦采用剖分成两半的滑动轴承，是在一层1～3mm的钢背内圆柱表面上浇铸一层0.3～0.7mm厚的减磨合金层制成。按材料的不同有二层和三层结构的轴承。

轴瓦在自由状态时的半径略大于孔座半径，半片的轴瓦装入孔座中有一定的高出量，这可以保证轴承盖装合时使轴瓦背紧贴在座孔中。为防止轴瓦转动，座孔和轴瓦分别有定位槽和定位键（又叫定位凸肩）。一般使用中不允许刮削减磨合金层。

（三）曲轴飞轮组

曲轴飞轮组主要由曲轴和飞轮等组成（图2-16）。

图2-16　曲轴飞轮组

图2-17　四缸直列发动机曲拐

1．曲轴

曲轴是发动机最重要的零件之一。其作用是将连杆组传来的气体作用力转变为曲轴的旋转力而对外输出，并带动配气机构和其他辅助装置工作（如发电机、水泵机油泵等）。

汽车用曲轴有整体式和组合式（用于隧道式气缸体）两种，常用整体式。整体式曲轴主要由前端轴、曲拐和后端轴三部分组成。曲拐由每个连杆轴与两端的曲柄以及主轴颈构成一个曲拐，曲拐数与气缸数相等（V型发动机是气缸数的一半）。连杆轴颈也叫曲柄销，与连杆大端装配在一起；主轴颈是曲轴的支承部分，分为全支承和非全支承。

（1）曲拐。

曲拐的布置主要取决于气缸数、气缸排列方式和各缸的工作顺序，并应遵守下列原则：各缸的做功间隔角应均衡；连续做功的两个气缸应尽量远一些；V型发动机两列缸应交替做功；曲拐布置应尽可能对称、均衡。

四冲程直列四缸发动机曲拐布置做功间隔角为180º，四个曲拐在同一平面内。做功顺序有1—3—4—2和1—2—4—3两种（图2-17）。下面以1—3—4—2为例说明它们的工作循环（表2-1）。

表2-1　四冲程直列发动机工作循环表

重点提示

Ø 当1缸做功开始时，与它同步运行的4缸则是进气开始，它们都是同时由上止点开始进行的，但彼此间隔着360º的角度。

Ø 当1、4缸处于上止点时， 2、3缸则在下止点位置。所有缸的冲程间隔角都是由配气机构来保证的。

（2）前端轴。

曲轴前端主要用来驱动配气机构、水泵和发电机等附属装置，故前端轴上有正时齿轮、皮带轮、扭转减振器以及启动爪等。

（3）曲轴后端轴。

多数曲轴后端采用凸缘盘，用于安装飞轮。其后端还采用防漏密封装置。常见的密封装置有：挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。一般多采用两种以上防漏装置组合而成。

（4）曲轴的轴向定位。

曲轴轴向定位一般采用止推片或翻边轴瓦，以保证曲轴在工作时，曲轴的前后窜动符合要求。轴向定位装置只能设置在一处（保证受热膨胀时能自由伸张）（图2-18）。

图2-18　翻边轴瓦

（5）主轴承。

主轴承俗称大瓦（或主轴瓦），其结构和材料与连杆轴承相同，只是安装于气缸体上的一半必须带有油槽和油孔，否则机油无法提供润滑而造成严重的拉瓦抱轴现象。而装于主轴承盖的半片轴瓦则没有这个要求。

2．飞轮

飞轮是一个转动惯量很大的金属圆盘，其作用是：（1）储存做功能量，为非做功提供动力。（2）使曲轴均匀旋转。（3）使发动机能够克服短时间的超负荷。（4）启动机通过飞轮上的齿圈启动发动机。（5）校准发动机点火时刻或喷油时刻。（6）把发动机的动力输出去。飞轮多采用灰口铸铁铸成，通常飞轮上还刻有第一缸上止点记号，用于校准点火时刻。

飞轮和曲轴组合成一体时还必须满足动平衡要求，在拆装过程中不要破坏飞轮和曲轴的这种装配关系。

【工作页】

一、填空题

1．气缸体按结构形式分为________气缸体、________气缸体和________气缸体三种不同的结构缸体。其上面的气缸套按冷却方式不同分为________气缸套和________气缸套两种，其中________气缸套的外圆柱表面直接与冷却水接触，而________气缸套则不直接接触发动机冷却水。

2．常用的气缸垫有三种，它们分别是________、________和________。

3．活塞按其部位分为________、________、________和________四个部分。

4．活塞环分为气环和油环两种，其中第一道气环的开口在______________方向上，第二道气环与第一道气环的开口要错开　　　角度。组合油环的两片刮油片开口要求错开________度。活塞环的断面切口有不同的形状，其中的四种，分别是________、________、________和________，最为常用的是________。

5．连杆与连杆盖的基本结构分为三个部分，分别是连杆的________连杆的

________和连杆的________。其中连杆盖内装的零件名称是________。6．根据图形说出零件名称。

1：________________；2：________________；3：________________；4：________________；5：________________；6：________________；7：________________。

二、简答题

现有一台四缸发动机，其点火顺序是1—3—4—2，当第四缸处于压缩行程上止点时，分析出一、二、三缸处于哪个行程的什么位置？并说出简单理由。

曲轴飞轮组

通过对任务一的学习，你能给自己和老师一个评价吗？

1. 老师的讲解生动、形象，态度和蔼可亲吗？　　　（　　）

2. 工作页是独立完成的吗？给自己一个客观的评价。（　　）

［成绩等级］_____________