第二章 曲柄連桿機構

汽車構造

第二章曲柄連桿機構曲柄連桿機構是發(fā)動機的主要運動機構。功用：將活塞的往復運動轉變?yōu)榍S的旋轉運動，同時將作用于活塞上的力轉變?yōu)榍S對外輸出的轉矩，以驅動汽車車輪轉動。組成：活塞組、連桿組和曲軸飛輪組。2.1概述2.1.1功用與組成活塞組連桿組曲軸飛輪組氣體壓力往復慣性力旋轉慣性力（離心力）2.1.2

受力分析·Fp—燃氣壓力·Fp1—連桿分力·Fp2—側壓力·FR—壓緊力·FS—曲軸旋轉力作功行程時氣缸內(nèi)氣體作用力分析·F'p—氣體壓力·F'p1—連桿分力·F'p2—側壓力·F'R—壓緊力·F'S—旋轉阻力壓縮行程時氣缸內(nèi)氣體作用力分析·Fj—慣性力（向上）·Fc—離心力·Fcy—上下振動·Fcx—水平振動活塞在上半行程時（向下運動）運動慣性力分析·F'j—慣性力(向下)·F'c—離心力·F'cy—上下振動·F'cx—水平振動活塞在下半行程時（向下運動）運動慣性力分析2.2機體組機體的工作條件及要求

機體是氣缸體與曲軸箱的連鑄體。發(fā)動機工作時，機體承受拉、壓、彎、扭等不同形式的機械負荷，同時還因為氣缸壁面與高溫燃氣直接接觸而承受很大的熱負荷。機體應具有足夠的強度和剛度，且耐磨損和耐腐蝕，并應對氣缸進行適當?shù)睦鋮s，以免機體損壞和變形。機體也是最重的零件，應該力求結構緊湊、質量輕，以減小整機的尺寸和質量。機體材料

機體一般用高強度灰鑄鐵或鋁合金鑄造。最近，在轎車發(fā)動機上采用鋁合金機體的越來越普遍。2.2.1汽缸體汽缸曲軸箱油底殼安裝平面和曲軸旋轉中心在同一高度油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉中心汽缸體上曲軸的主軸承孔為整體式一般式龍門式隧道式

1．按照安裝位置劃分高度小，總體布置方便。結構簡單、加工容易，但發(fā)動機長度和高度較大。縮短了機體的長度和高度，增加了剛度，減輕了發(fā)動機重量；形狀復雜，加工困難。2．按照排列方式不同3.汽缸結構形式特點：外壁直接與冷卻水接觸。壁厚5～9mm。

散熱良好、冷卻均勻、加工容易。強度和剛度不如干缸套，易漏水。A、B徑向定位C軸向定位特點：外壁不直接與冷卻水接觸。壁厚1～3mm。強度和剛度都較好，加工復雜，拆裝不便，散熱不良。在風冷氣缸的外壁鑄制散熱片，以增加散熱面積，增強散熱能力。

2.2.2汽缸蓋功用：密封汽缸的上部，與活塞、汽缸等共同構成燃燒室。材料：灰鑄鐵或合金鑄鐵，鋁合金。工作條件：由于接觸溫度很高的燃氣，所以承受的熱負荷很大。

水冷發(fā)動機的氣缸蓋有整體式、分塊式和單體式3種結構形式。在多缸發(fā)動機中，全部氣缸共用一個氣缸蓋的，則稱該氣缸蓋為整體式氣缸蓋；若每兩缸一蓋或三缸一蓋，則該氣缸蓋為分塊式氣缸蓋；若每缸一蓋，則為單體式氣缸蓋。風冷發(fā)動機均為單體式氣缸蓋。汽油機燃燒室名稱特點示意圖應用半球形結構緊湊、火焰行程段、燃燒速率高、熱損失小、熱效率高桑塔納夏利富康楔形結構簡單、緊湊、散熱面積小、熱損失少；火花塞置于燃燒室最高處，火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長切諾基盆形工藝性好、成本低、進排氣效果不如半球形燃燒室捷達奧迪柴油機直噴式燃燒室ω型燃燒室

球形燃燒室柴油機的分隔式燃燒室渦流燃燒室

預燃燃燒室汽缸墊汽缸蓋汽缸蓋罩襯墊安裝火花塞2.2.3汽缸墊功用:保持氣缸密封不漏氣，保持由機體流向氣缸蓋的冷卻液和機油不泄漏。工作條件:承受擰緊氣缸蓋螺栓時造成的壓力，并受到氣缸內(nèi)燃燒氣體高溫、高壓的作用以及機油和冷卻液的腐蝕。要求:具有足夠的強度，并且要耐壓、耐熱和耐腐蝕。還需要有一定的彈性，以補償機體頂面和氣缸蓋底面的粗糙度和不平度以及發(fā)動機工作時反復出現(xiàn)的變形。按所用材料的不同，汽缸墊可分為金屬—石棉襯墊、金屬—復合材料襯墊和全金屬襯墊等多種。汽缸墊結構2.2.4油底殼1、概念：

貯存機油并封閉曲軸箱，又稱為下曲軸箱。2、使用特點：油底殼底部還裝有放油螺塞，通常放油螺塞上裝有永久磁鐵，以吸附潤滑油中的金屬屑，減少發(fā)動機的磨損3、材料：

薄鋼板沖壓

2.3活塞連桿組1-第一道氣環(huán)；2-第二道氣環(huán)；3-組合油環(huán)；4-活塞銷；5-活塞；6-連桿；7-連桿螺栓；8-連桿軸瓦；9-連桿瓦蓋氣環(huán)油環(huán)活塞銷活塞活塞組2.3.1活塞1．活塞的功用及工作條件功用：承受燃燒氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉。工作條件：作用在活塞上的有氣體力和往復慣性力?；钊斉c高溫燃氣直接接觸，使活塞頂?shù)臏囟群芨摺；钊趥葔毫Φ淖饔孟卵貧飧妆诿娓咚倩瑒樱捎跐櫥瑮l件差，因此摩擦損失大，磨損嚴重。2．活塞材料廣泛采用鋁合金，只在極少數(shù)汽車發(fā)動機上采用鑄鐵或耐熱鋼。3．活塞構造頂部：構成燃燒室，承受氣體壓力。頭部:安裝活塞環(huán)，制作較厚。

裙部：導向，傳力。承受側壓力銷座孔處制有加強筋。

結構簡單、制造容易、受熱面積小、應力分布較均勻，多用在汽油機上。凸起呈球狀、頂部強度高，起導向作用、有利于改善換氣過程。凹坑的形狀、位置必須有利于可燃混合氣的燃燒；提高壓縮比，防止碰氣門。（1）活塞頂部

功用：是燃燒室的組成部分，主要作用承受氣體壓力。淺凹坑，方便在主燃燒室形成二次渦流，增進混合氣的形成與燃燒。噴油器將燃油直接噴入燃燒室凹坑內(nèi)，與運動氣流相混合，形成可燃混合氣并燃燒。頭部（2）活塞頭部位置：第一道活塞槽與活塞銷孔之間的部分。工作條件最惡劣，應離頂部遠些。1、安裝活塞環(huán)、與活塞環(huán)一起密封氣缸、2、防止可燃混合氣漏到曲軸箱內(nèi)，3、將頂部吸收的熱量通過活塞環(huán)傳給氣缸壁。作用：增加環(huán)槽的耐磨性。增加活塞的強度，提高第一道環(huán)槽的耐磨性。隔斷由活塞頂傳向第一道活塞環(huán)的熱流。（3）活塞裙部位置：從油環(huán)槽下端面起至活塞最下端的部分，包括銷座孔。作用：對活塞在氣缸內(nèi)的往復運動起導向作用，并承受側向力，防止破壞油膜。裙部活塞裙部的橢圓變形演示4、結構特點（1）預先做成橢圓形橢圓的長軸方向與銷座垂直，短軸方向沿銷座方向。這樣活塞工作時趨近正圓。（2）預先做成階梯形、錐形活塞沿高度方向的溫度很不均勻，活塞的溫度是上部高、下部低，膨脹量也相應是上部大、下部小。為了使工作時活塞上下直徑趨于相等，即為圓柱形，就必須預先把活塞制成上小下大的階梯形、錐形。

（3）活塞裙部開槽橫向絕熱槽減少裙部受熱有的兼作油環(huán)回油孔縱向膨脹槽留有膨脹余地活塞強度降低絕熱槽膨脹槽（4）在現(xiàn)代汽車發(fā)動機上廣泛采用半拖鞋式裙部或拖鞋式裙部的活塞。在保證裙部有足夠承壓面積的條件下，將不承受側向力一側的裙部部分地去掉，即為半拖鞋式裙部；若全部去掉則為拖鞋式裙部。優(yōu)點是：①質量輕，比全裙式活塞輕10％～10％，適應高速發(fā)動機減小往復慣性力的需要。

②裙部彈性好，可以減小活塞與氣缸的配合間隙。

③能夠避免與曲軸平衡重發(fā)生運動干涉。（5）為了減小鋁合金活塞裙部的熱膨脹量，有些汽油機活塞在活塞裙部或銷座內(nèi)嵌入鋼片。

恒范鋼片式活塞的結構特點：恒范鋼為含鎳33%～36%的低碳鐵鎳合金，其膨脹系數(shù)僅為鋁合金的1/10，而銷座通過恒范鋼片與裙部相連，牽制了裙部的熱膨脹變形量。（6）有的汽油機上，活塞銷孔中心線是偏離活塞中心線平面的，向做功行程中受主側壓力的一方偏移了1～2mm。這種結構可使活塞在從壓縮行程轉換到做功行程中較為柔和地從壓向汽缸的一面過渡到壓向汽缸的另一面，以減小敲缸的聲音。在安裝時，這種活塞銷偏置的方向不能裝反，否則換向敲擊力會增大，使裙部受損。4．活塞的冷卻自由噴射冷卻法：從連桿小頭上的噴油孔或從安裝在機體上的噴油嘴向活塞頂內(nèi)壁噴射機油。振蕩冷卻法：從連桿小頭上的噴油孔將機油噴入活塞內(nèi)壁的環(huán)形油槽中，由于活塞的運動使機油在槽中產(chǎn)生振蕩而冷卻活塞。強制冷卻法：在活塞頭部鑄出冷卻油道或鑄入冷卻油管，使機油在其中強制流動以冷卻活塞。2.3.2活塞環(huán)是具有彈性的開口環(huán)，分為氣環(huán)和油環(huán)。工作條件：高溫、高壓、高速、極難潤滑。平均壽命：

6萬公里材料：合金鑄鐵或球墨鑄鐵（有時表面涂有保護層）切口氣環(huán)（1）氣環(huán)

作用：保證氣缸與活塞間的密封性，防止漏氣，并把活塞頂部吸收的大部分熱量傳給氣缸壁，再由冷卻水將其帶走。將2～3道氣環(huán)的切口相互錯開形成“迷宮式”封氣裝置。氣環(huán)的泵油原理：氣環(huán)的斷面形狀（2）油環(huán)：刮除飛濺到氣缸壁上的多余的機油，并在氣缸壁上涂布一層均勻的油膜。種類普通油環(huán)組合式油環(huán)示意圖刮油片軸向襯環(huán)徑向襯環(huán)刮油片油環(huán)的刮油作用集油槽刮油唇回油孔回油孔3.活塞銷作用：連接活塞和連桿小頭，并把活塞承受的氣體壓力傳遞給連桿。材料與工藝:優(yōu)質低碳鋼，表面淬火、精磨。構造：活塞銷的內(nèi)孔形狀有圓柱形，兩段截錐形，以及兩段截錐與一段圓柱的組合形。連桿活塞銷全浮式：活塞銷能在連桿襯套和活塞銷座中自由擺動，使磨損均勻。半浮式：活塞中部與連桿小頭采用緊固螺栓連接，活塞銷只能在兩端銷座內(nèi)作自由擺動。多用于小轎車形式:全浮式（工作時自由轉動）、半浮式。連桿襯套2.3.2連桿組作用：連接活塞與曲軸，并把活塞承受的氣體壓力傳給曲軸，使活塞的往復運動變成曲軸的旋轉運動。連桿組件分解圖組成：連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸承等零件。1連桿小頭

小頭的結構形狀取決于活塞銷的尺寸及其與連桿小頭的連接方式。2連桿桿身結構特點：桿身斷面為工字形，剛度大、質量輕、適于模鍛。油道：潤滑小頭襯套或冷卻活塞3連桿大頭結構特點：具有足夠的剛度外，外形尺寸小，質量輕，拆卸發(fā)動機時能從氣缸上端取出。

連桿大頭是剖分的，連桿蓋用螺栓或螺柱緊固，連桿螺栓的擰緊力矩必須足夠大。

連桿軸瓦4連桿螺栓工作條件：承受交變載荷設計加工要求：結構上應盡量增大連桿螺栓的彈性，而在加工方面要精細加工過渡圓角，消除應力集中，以提高其抗疲勞強度。材料：優(yōu)質合金鋼制造，

如40Cr、35CrMo等熱處理：調質后滾壓螺紋，

表面進行防銹處理。

V型發(fā)動機連桿的布置形式并列式主副式叉型式2.4曲軸飛輪組起動爪正時齒輪主軸瓦皮帶輪扭轉減振器飛輪曲軸2.4.1曲軸1、功用：把活塞連桿組傳來的氣體壓力轉變?yōu)榕ぞ貙ν廨敵觥＿€用來驅動發(fā)動機的配氣機構及其他各種輔助裝置。工作條件：受氣體壓力、慣性力、慣性力矩。承受交變載荷的沖擊。2．曲軸材料曲軸一般由45、40Cr、35Mn2等中碳鋼和中碳合金鋼模鍛而成，軸頸表面經(jīng)高頻淬火或氮化處理，最后進行精加工。中碳鋼（汽）、合金鑄鐵（柴）、球墨鑄鐵。

3、結構：前端軸連桿軸頸（曲柄銷）曲軸軸頸（主軸頸）后端軸平衡重單元曲拐曲拐：由一個連桿軸頸和它兩端曲柄臂及主軸頸構成。曲柄臂4、組成：（1）主軸頸——用于支撐曲軸。曲軸的主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)目多一個。強度、剛度好，減小了磨損；柴油機和大部分汽油機均采用。全支承：非全支承：曲軸的主軸頸數(shù)少于或等于氣缸數(shù)。載荷較大，縮短了曲軸的總長度。（a）全支撐曲軸

（b）非全支撐曲軸（2）連桿軸頸（曲柄銷）（3）曲柄——曲柄臂，用于連接主軸頸和連桿軸頸（4）平衡重平衡離心力偶減輕或消除彎曲變形部分中空兼作油道安裝連桿大頭中空連桿軸徑平衡重曲柄銷1-主軸頸；2-曲軸；3-連桿軸頸；4-圓角；5-積污腔；6-油管；7-開口銷；8-螺塞；9-油道；10-擋油盤；11-回油螺紋；12-曲軸后端曲軸油道（5）前端軸和后端軸前端軸：安裝正時齒輪及附件（皮帶盤等）1、2止推軸承3.止推片4.正時齒輪5.甩油盤6.油封7.皮帶輪8.起動爪曲軸的前端7兩止推軸承白金合面相背曲軸向前移動，后止推軸承與曲軸臂端面摩擦；軸向后移動，前止推軸承與正時齒輪端面摩擦。4186325后端軸：安裝飛輪前后端軸都設有防漏裝置：擋油盤、回油螺紋、油封等。曲軸后端回油螺紋（6）曲軸的軸向限位

通常是通過在曲軸的前部、中部或后部安裝止推軸承來實現(xiàn)的（翻邊軸瓦）。曲軸的前端兩止推軸承白金合面相背曲軸向前移動，后止推軸承與曲軸臂端面摩擦；軸向后移動，前止推軸承與正時齒輪端面摩擦。1321、2.止推軸承3.止推片、主軸頸止推墊片止推墊片連桿軸頸主軸承蓋曲拐的布置1）各缸的作功間隔要盡量均衡，以使發(fā)動機運轉平穩(wěn)。2）連續(xù)作功的兩缸相隔盡量遠些，最好是在發(fā)動機的前半部和后半部交替進行。比如：四缸機：1-3-4-2或1-2-4-3

六缸機：1-5-3-6-2-4；

（1）一般規(guī)律3）V型發(fā)動機左右氣缸盡量交替作功。4）曲拐布置盡可能對稱、均勻以使發(fā)動機工作平衡性好。（2）常見曲軸曲拐的布置對缸數(shù)為i的發(fā)動機而言，其發(fā)火間隔角為：

四行程：720°/i

二行程：360°/i四缸四行程發(fā)動機的曲拐布置四沖程直列四缸發(fā)動機的發(fā)火間隔角為：

720°/4＝180°。4個曲拐在同一平面內(nèi)。發(fā)動機工作順序為1-3-4-2或1-2-4-3。

四沖程直列四缸發(fā)動機工作循環(huán)表

六缸四行程發(fā)動機的曲拐布置四行程直列六缸發(fā)動機發(fā)火間隔角為：720°/6=120°六個曲拐分別布置在三個平面內(nèi)發(fā)火順序是1-5-3-6-2-4。

四沖程V型六缸發(fā)動機的發(fā)火間隔角仍為120°,3個曲拐互成120°。工作順序R1-L3-R3-L2-R3-L1。面對發(fā)動機的冷卻風扇，右列氣缸用R表示，由前向后氣缸號分別為R1、R2、R3；左列氣缸用L表示，氣缸號分別為L1、L2和L3。四沖程V8發(fā)動機的發(fā)火間隔角為720°/8＝90°,4個曲拐互成90°。工作順序基本上有兩種：R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2和L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1。2.4.2飛輪1、功用：將在作功行程中輸入于曲軸的動能的一部分貯存起來，用以在其他行程中克服阻力，帶動曲柄連桿機構越過上、下止點，保證曲軸的旋轉角速度和輸出轉矩盡可能均勻，并使發(fā)動機有可能克服短時間的超載荷，同時將發(fā)動機的動力傳給離合器。2、構造飛輪邊緣部分做的厚些，可以增大轉動慣量。齒圈在發(fā)動機起動時與起動機齒輪嚙合，帶動曲軸旋轉。飛輪上的標記符號：在飛輪輪緣上作有記號(刻線或銷孔)供找壓縮上止點用(四缸發(fā)動機為1缸或4缸壓縮上止點；六缸發(fā)動機為1缸或6缸壓縮上止點)。當飛輪上的記號與外殼上的記號對正時，正好是壓縮上止點