1、第第2章章 曲柄连杆机构曲柄连杆机构2.1 曲柄连杆机构的结构原理曲柄连杆机构的结构原理 2.2 曲柄连杆机构的维修曲柄连杆机构的维修 实训实训2 曲柄连杆机构的拆装曲柄连杆机构的拆装 实训实训3 曲柄连杆机构的检查与调整曲柄连杆机构的检查与调整 实训实训4 汽缸体、汽缸盖、曲轴的检验汽缸体、汽缸盖、曲轴的检验(选做选做)实训实训5 连杆的检验与校正连杆的检验与校正(选做选做)实训实训6 活塞环的选配与偏缸检验活塞环的选配与偏缸检验 实训实训7 曲柄连杆机构的异响诊断曲柄连杆机构的异响诊断 2.1 曲柄连杆机构的结构原理曲柄连杆机构的结构原理 2.1.1 概述概述1.曲柄连杆机构的作用和组成曲
2、柄连杆机构的作用和组成曲柄连杆机构的作用是将燃料燃烧时产生的热能转变为活塞往复运动的机械能，再转变为曲轴旋转运动而对外输出动力。曲柄连杆机构主要由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组组成。(1)机体组：由汽缸体、曲轴箱、汽缸套、汽缸盖、汽缸垫和油底壳等不动件组成，如图2-1所示。图2-1 机体组(a)汽缸盖；(b)汽缸体；(c)油底壳 (2)活塞连杆组：由活塞、活塞环、活塞销和连杆等运动件组成，如图2-2所示。图2-2 活塞连杆组(3)曲轴飞轮组：由曲轴、飞轮等组成，如图2-3所示。图2-3 曲轴飞轮组 发动机做功时，汽缸内的最高温度可达2500 K以上，最高压力可达59 MPa，现代汽车发动机的最
3、高转速可达30006000 r/min，则活塞每秒钟要行经约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(如汽缸、汽缸盖、活塞组等)还将受到化学腐蚀。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。2.受力分析受力分析曲柄连杆机构受力主要有气压力、往复惯性力、旋转离心力和摩擦力。(1)气压力：每个工作循环中始终存在气体压力。但由于进气和排气两个行程中气体压力较小，对机件影响不大，因此这里主要研究做功和压缩两个行程中的气体作用力。在做功行程中，气体压力是指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，如图2-4(a)所示。设活
4、塞所受总压力为Fp，传到活塞销上可分解为Fp1和Fp2。分力Fp1通过活塞销传给连杆，并沿连杆方向作用在曲柄销上。Fp1还可分解为两个分力Fp1a和Fp1b。沿曲柄方向的分力Fp1a使曲轴主轴颈与主轴承之间产生压紧力；与曲柄垂直的分力Fp1b除了使主轴颈和主轴承之间产生压紧力外，还对曲轴形成转矩T，推动曲轴旋转。力Fp2把活塞压向汽缸壁，形成活塞与缸壁间的侧压力，使机体有翻倒的趋势，故机体下部的两侧应支承在车架上。在压缩行程中，气体压力是指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也可以分解为两个分力和，如图2-4(b)所示。而又分解为和。使曲轴主轴颈与主轴承间产生压紧力，对曲轴造成
5、一个旋转阻力矩T，试图阻止曲轴旋转；而则将活塞压向汽缸的另一侧壁。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承表面上的压力和作用点是不断变化的，这样会造成各处磨损的不均匀性。同样，汽缸壁沿圆周方向的磨损也不均匀。图2-4 气压力作用受力分析图(a)做功行程；(b)压缩行程(2)往复惯性力与离心力：往复运动的物体，当运动速度变化时，就会产生往复惯性力。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。活塞和连杆小头在汽缸中作往复直线运动时，速度很高，而且数值在不断变化。当
6、活塞从上止点向下止点运动时，其速度变化的规律是：从零开始，逐渐增大，临近中间位置达最大值，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Fj表示，如图2-5(a)所示；后半行程是减速运动，惯性力向下，以表示，如图2-5(b)所示。同理，当活塞向上运动时，前半行程的惯性力向下，后半行程的惯性力向上。偏离曲轴轴线的曲柄、曲柄销和连杆大头围绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，即离心力。其方向沿曲柄半径向外，其大小与曲柄半径、旋转部分的质量及曲轴转速有关。曲柄半径越长、旋转部分质量越大、曲轴转速越高，则离心力越大。如图2-5所示，离心力Fc在垂直方向的分力Fcy与往复惯
7、性力Fj的方向总是一致的，因而加剧了发动机的上下振动；而水平方向的分力Fcx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。图2-5 往复惯性力与离心力作用受力分析图(a)上半行程；(b)下半行程(3)摩擦力：相互运动件之间的摩擦力，是造成配合表面磨损的根源。在活塞和汽缸壁，连杆主轴径和主轴承、活塞销和销座等配合副表面都存在摩擦力。上述各种力作用在曲柄连杆机构的相关零件上，使它们受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷。2.1.2 机体组机体组机体组由汽缸体、曲轴箱、汽缸套、汽缸盖、汽缸垫、油底壳和发动机支承等组成。1.汽
8、缸体与曲轴箱汽缸体与曲轴箱通常将汽缸体与曲轴箱铸为一体，称为汽缸体-曲轴箱，简称为汽缸体，如图2-6所示。汽缸体内引导活塞作往复运动的圆筒就是汽缸，汽缸外面安装有水套以散热。曲轴箱上有主轴承座孔，还有主油道和分油道。图2-6 汽缸体的构造(a)BJ492发动机汽缸体；(b)奥迪TDI发动机汽缸体 汽缸的排列形式分为以下三种，如图2-7所示。(1)直列式：多用于六缸及六缸以下的发动机。(2)V型式：它缩短了发动机的长度和高度，多用于六缸及六缸以上的发动机。(3)对置式：是V型的特殊形式。图2-7 汽缸的排列型式(a)直列式；(b)V型式；(c)对置式 图2-8 曲轴箱的形式(a)平分式；(b)龙
9、门式；(c)隧道式(1)平分式：主轴承座孔中心线位于曲轴箱分开面上的为平分式曲轴箱。其特点是刚度小，前后端呈半圆形，汽缸与油底壳结合面的密封较困难。该形式的汽缸主要应用于中小型发动机。(2)龙门式：主轴承座孔中心线高于曲轴箱分开面的为龙门式曲轴箱。其特点是刚度较大，油底壳前后端为一平面，密封简单可靠。该形式的汽缸主要应用于大中型发动机。(3)隧道式：主轴承座孔不分开的为隧道式曲轴箱。其特点是刚度最大，易保证主轴承同轴度，主轴承采用滚动轴承。该形式的汽缸主要应用于负荷较大的柴油机。汽缸体的材料应具有足够的强度、良好的浇铸性和切削性且价格低廉，因此常用的缸体材料是铸铁或合金铸铁。但近年来铝合金汽缸
10、体的使用越来越广泛，因为铝合金缸体重量轻、导热性良好，其冷却液容量可以减少。起动后，缸体可较快地达到工作温度，并且和铝活塞膨胀系数完全一致，受热后间隙变化小，可减少冲击噪声和机油消耗；和铝缸盖膨胀系数相同，工作时可以减少冷热冲击所产生的热应力。汽缸壁要求有足够的耐磨性，其他部分的耐磨性能则要求不高。因此，发动机上广泛采用在汽缸体内嵌入汽缸套的方法，形成汽缸工作表面，从而满足对汽缸体和汽缸壁的要求。2.汽缸套汽缸套汽缸套采用耐磨性较好的合金铸铁或合金钢。汽缸套有以下两种结构，如图2-9所示。图2-9 汽缸套(a)干式；(b)湿式 由于汽缸套镶嵌在汽缸体内，在发动机工作过程中承受巨大的横向和纵向作
11、用力，因此需要对其进行可靠的定位。如图2-9所示，湿式汽缸套的径向定位由上下两个凸出的、与汽缸体间为动配合的圆环带A和B(分别称为上支承定位带和下支承密封带)来实现。汽缸套的轴向定位则是利用缸套上部凸缘与缸体相应的台阶。湿式汽缸套与汽缸体之间是冷却液套，需要对其进行密封。汽缸套的下部靠13个耐热耐油的橡胶密封圈密封；在汽缸套的上部，缸套顶面高出缸体0.050.15 mm，当汽缸盖螺栓拧紧后，缸套与缸体凸台结合处、缸套与缸垫结合处，均承受较大的压紧力，具有防止水套漏水、汽缸漏气和保证缸套定位的作用。3.汽缸盖汽缸盖汽缸盖的主要作用是密封汽缸上部，并与活塞顶部和汽缸壁一起形成燃烧室。如图2-10所
12、示，与汽缸盖相连接的元件有气垫机油反射罩、汽缸盖罩和气门罩垫等。在汽缸盖内部装有与汽缸体相通的冷却液套，有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道，有燃烧室、火花塞座孔(汽油机)或喷油器座孔(柴油机)，上置凸轮轴式发动机的汽缸盖上还有用以安装凸轮轴的轴承座。汽油机常用的燃烧室有以下三种，如图2-11所示。(1)盆形燃烧室。其特点为：气门平行于汽缸轴线；有挤气-冷激面，可形成挤气涡流；由于盆的形状狭窄，气门尺寸受限，因此换气质量较差，燃烧速度较低，CO和HC排放较高而NO的排放较低。(2)楔形燃烧室：其特点为：气门斜置，气流导流较好，充气效率高；有挤气-冷激面，可形成挤气涡流；燃烧速度较快，CO和
13、HC排放较低而NO的排放稍高。(3)半球形燃烧室。其特点为：气门成横向V型排列，因此气门头部直径可以做得较大，且换气好；火花塞位于燃烧室的中部，火焰行程短，燃烧速度最高，动力性和经济性最好，是高速发动机常用的燃烧室；CO和HC的排放最少，而NO的排放较高。图2-10 发动机汽缸盖 图2-11 汽油机燃烧室类型(a)盆形燃烧室；(b)楔形燃烧室；(c)半球形燃烧室 4.汽缸垫汽缸垫汽缸盖与汽缸体之间装有汽缸垫，汽缸垫的作用是保证汽缸体与汽缸盖之间的密封，防止漏水、漏气。汽缸垫的构造有以下几种类型，如图2-12所示。(1)金属-石棉垫：见图2-12(a)、(b)，汽缸垫外包铜皮和钢片，且在缸口、水
14、孔、油道口周围卷边加厚，内填石棉(常掺入铜屑或钢丝，以加强导热)。这种衬垫压紧厚度为l.22 mm，有很好的弹性和耐热性，能重复使用，但厚度和质量的均一性较差。图2-12 汽缸盖衬垫的结构(a)(d)金属-石棉网；(e)冲压钢板；(f)无石棉汽缸垫(2)金属骨架-石棉垫：以编织的钢丝网(见图2-12(c)或扎孔铜板(见图2-12(d)为骨架，外覆石棉，只在缸口、水孔、油道口处用金属片包边。(3)纯金属垫：见图2-12(e)，由单层或多层金属片(铜、铝或低碳钢)制成，用于某些强化发动机。例如红旗轿车的发动机即采用此种汽缸垫。这种衬垫在需要密封的汽缸孔和水、油孔周围冲压出一定高度的凸纹，利用凸纹的
15、弹性变形实现密封。(4)无石棉汽缸垫：有的发动机采用较先进的加强无石棉汽缸垫结构，见图2-12(f)，即在汽缸口密封部位采用五层薄钢板，并设计成正圆形，由于没有石棉夹层，从而消除了气囊的产生，在油孔和水孔处均包有钢护圈以提高密封性。解放CA1091型汽车的6102型发动机就采用了这种汽缸垫。安装汽缸盖衬垫时，应注意安装方向。一般是衬垫卷边的一面朝汽缸盖，光滑面朝汽缸体安装。也可根据标记或文字要求进行安装，如衬垫上的文字标记“TOP”、“OPEN”表示朝上，“FRONT”表示朝前。汽缸盖用螺栓固定在汽缸体上，拧紧螺栓时，必须按由中央对称地向四周扩展的顺序分几次进行，最后一次要用扭力扳手按工厂规定
16、的拧紧力矩值(如东风6100-1型汽车发动机，此值为170190 Nm)拧紧，以免损坏汽缸衬垫和发生漏水现象。如果汽缸盖由铝合金制成，则最后必须在发动机冷态下拧紧，这样在热态时能增加密封的可靠性，这是因为铝制汽缸盖的膨胀程度比钢制螺栓的大；而铸铁汽缸盖则应该在发动机热时最后拧紧。5.油底壳油底壳油底壳的作用是储存和冷却机油并封闭曲轴箱。油底壳一般采用薄钢板冲压而成，如图2-13所示。油底壳的形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。在有些发动机上，为了加强油底壳内机油的散热，采用铝合金铸造的油底壳，在壳的底部还铸有相应的散热肋片。为了保证在发动机纵向倾斜时机油泵能经常吸到机油，油底壳后部一般做得
17、较深；油底壳内还设有挡油板，防止汽车振动时油面波动过大，油底壳底部装有放油螺塞。有的放油螺塞是磁性的，能吸附机油中的金属屑，以减少发动机起动零件的磨损。在曲轴箱与油底壳之间还有密封衬垫。图2-13 油底壳6.发动机支承发动机支承发动机一般通过汽缸体和飞轮壳或变速器壳支承在车架上，发动机的支承方法有三点支承和四点支承两种。图2-14(a)所示为三点支承，前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后端一点通过变速器壳支承在车架上。图2-14(b)所示为四点支承，前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后端两点通过飞轮壳支承在车架上。图2-14 发动机支承(a)三点支承；(b)四点支承 2.1.3 活塞连杆组活塞连杆
18、组 活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销和连杆等组成，如图2-15所示.图2-15 活塞连杆组的组成 1、2活塞环；3油环刮片；4油环衬簧；5活塞；6活塞销；7活塞销卡环；8连杆组；9连杆衬套；10连杆；11连杆螺栓；12连杆盖；13连杆螺母；14连杆轴承1.活塞活塞活塞的作用是与汽缸盖、汽缸壁等共同组成燃烧室，用于承受气体压力，并将此力传给连杆以推动曲轴旋转。汽车发动机的活塞广泛采用铝合金材料，其特点为：质量小(约为铸铁活塞的50%70%)；导热性好(约为铸铁的三倍)；热膨胀系数大。活塞的基本构造可分为顶部、头部和裙部三部分，如图2-16所示。在活塞头部加工有活塞环槽和加强筋，在活塞裙部有安装活
19、塞销的活塞销座。图2-16 活塞的组成 1活塞顶；2活塞头；3活塞环槽；4活塞销座；5活塞销；6活塞销锁环；7活塞裙；8加强筋(1)活塞顶部。活塞顶部是燃烧室的组成部分，用来承受气体压力。汽油机活塞的顶部形状如图2-17所示，其分类有：平顶，因其受热面积小，故被广泛采用；凸顶，与半球形燃烧室配合使用；凹顶，高压缩比的发动机为了防止碰撞气门，可利用凹顶的深度来调整压缩比。图2-17 活塞顶部形状(a)平顶；(b)凹顶；(c)凸顶(2)活塞头部。活塞头部是活塞环槽以上的部分，其主要作用为：将气体的作用力传给连杆；与活塞环一起实现汽缸的密封；将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传到汽缸壁上。活塞头部刻有若
20、干道用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有23道环槽，上面两道用于安装气环，下面一道用于安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，使油环从汽缸壁上刮下来的多余机油得以经过这些小孔流回油底壳。活塞头部一般做得较厚，以便于热量从活塞顶经活塞环传给汽缸的冷却壁面，从而防止活塞顶部的温度过高。活塞环槽的磨损常常是影响活塞使用寿命的一个重要因素。在热负荷较高的发动机中，由于活塞的第一道环槽温度较高，铝合金材料硬度下降，再加上活塞环与环槽的相对运动，更加速了环槽的磨损。为了保护和加强活塞环槽，可在铝合金活塞环槽部位铸入由耐热材料制造的环槽护圈，如图2-18所示。采用奥氏体铸铁护圈后，环槽的寿命可以提高310倍
21、。图2-18 活塞环槽护圈(a)一道护圈；(b)两道护圈(3)活塞裙部。活塞裙部是指油环槽下端以下的部分，其作用是为活塞在汽缸内作往复运动导向和承受侧压力，因而裙部要有一定的长度和足够的面积，以保证可靠导向和减轻磨损。裙部的基本形状为一薄壁圆筒，若该圆筒为完整的则称为全裙式(见图2-16)。许多高速发动机为了减小活塞质量，在活塞不受作用力的两侧，即沿销座孔轴线方向的裙部切去一部分，形成拖板式裙部(如图2-19所示)，这种结构的活塞裙部弹性较好，可以减小活塞与汽缸的装配间隙。此外，这种活塞裙部的结构还可为曲轴上的平衡重块准备了运动空间，这对于短行程的高速汽油机来说是很重要的。在有的柴油机上因采用
22、滚柱轴承作为主轴承，为了避免活塞裙部与主轴承座圈相碰，在活塞裙部也铣去了一部分。图2-19 拖板式活塞 活塞工作时，燃烧气体压力p均匀作用在活塞顶上，而活塞销给予的反作用力则作用在活塞头部的销座处，由此而产生的变形是裙部直径沿活塞销座轴线方向增大，见图2-20(a)。侧压力N也使活塞裙部直径在同一方向上增大，见图2-20(b)。此外，活塞销座附近的金属堆积，受热后膨胀量大，致使裙部在受热变形时，沿活塞销座轴线方向的直径增量大于其他方向，因此活塞工作时产生的机械变形和热变形，使得其裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆。图2-20 活塞裙部的变形(a)由于p的变形；(b)由于N的变形；(c)加工成
23、的形状 鉴于上述情况，为了使活塞在正常温度下与汽缸壁间保持有比较均匀的间隙，以免在汽缸内卡死或引起局部磨损，必须预先在冷态下把活塞加工成其裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形，见图2-20(c)。为了减少销座附近处的热变形量，有的活塞制造时将销座附近的裙部外表面下陷0.51.0 mm。由于活塞沿轴线方向的温度分布和质量分布都不均匀，因此各个断面的热膨胀量是上大下小，铝合金活塞的这种差异尤为显著。为了使铝合金活塞在工作状态(热态)下接近一个圆柱形，就必须事先把活塞做成直径上小下大的近似圆锥形。有的汽油机活塞，还开有“”形或“T”形槽，见图2-21。其中横槽的作用是切断从活塞头部向裙部传输热流的
24、部分通道，以减少从头部到裙部的传热，从而使裙部的热膨胀量减少。横槽开在油环槽中时，可兼作油孔。纵槽使裙部具有弹性，从而使冷态下的装配间隙得以尽可能小，而在热态下又因切槽的补偿作用，活塞不致在汽缸中卡死。因裙部开纵槽的一面刚度较小，故装配时应注意使纵槽位于做功行程中不受侧压力的裙部面上，即从发动机前面向后看的右面。纵槽与活塞底面不垂直，可以防止活塞在运动中划伤汽缸壁。纵槽一般不开至裙底，以免过分削弱裙部刚度。图2-21 开槽活塞(a)形槽；(b)T形槽 为了减少铝活塞裙部的热膨胀量，有的汽油机活塞销座中镶铸了热膨胀系数较低的“恒范钢片”(含镍33%36%，线膨胀系数约为铸铝合金的1/10)，以牵
25、制裙部的热膨胀，见图2-22。图2-22 恒范钢片活塞 柴油机铸铝活塞的裙部有的镶铸筒形钢片，见图2-23。还有的采用镶复式钢片的结构，见图2-24，即在裙部上方受侧压力的那一面镶入两片比较矮的弓形钢片，在销座位置铸入相应于裙部周围形状的筒形钢片。两部分钢片的联合作用保证了整个裙部的膨胀量很小而且很均匀。活塞裙部采取了上述结构措施后，与汽缸壁之间的冷态装配间隙便可减小，使之不产生冷“敲缸”现象。为了改善铝合金活塞的磨合性，通常都对活塞裙部进行表面处理。汽油机的铸铝活塞的裙部外表面可镀锡；柴油机的铸铝活塞的裙部外表面可磷化；对于锻铝活塞，在裙部的外表面上可涂以石墨。图2-23 镶筒形钢片的活塞
26、图2-24 镶复式钢片的活塞 活塞销座的作用是将活塞顶部的气体作用力经活塞销传给连杆。销座通常由肋片与活塞内壁相连，以提高其刚度。销座孔内有安放弹性卡环的卡环槽。卡环用来防止活塞销在工作中发生轴向窜动。销座孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内，但也有一些高速汽油机的活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面，见图2-25。活塞销座轴线向在做功行程中受侧向力的一面偏移了12mm，这是因为，如果活塞销对中布置，如图2-25(a)所示，则当活塞越过上止点时侧压力的作用方向改变，会使活塞敲击汽缸壁面产生噪声。如果把活塞销偏移布置，如图2-25(b)所示，则可使活塞较平顺地从压向汽缸的一面过渡到压向另一面，且过渡
27、时刻早于达到最高燃烧压力的时刻，可以减轻活塞“敲缸”，减小噪声，改善发动机工作的平顺性。但这种活塞销偏置的结构，却使活塞裙部两端的尖角负荷增大，引起这些部位的磨损或变形增大。这就要求活塞的间隙应尽可能地减小。图2-25 活塞销位置与活塞的换向过程(a)活塞销对中布置；(b)活塞销偏移布置 2.活塞环活塞环活塞环包括气环和油环两种。1)气环气环的作用是保证活塞与汽缸壁间的密封，防止汽缸中的高温、高压燃气大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到汽缸壁，再由冷却液或空气带走。油环用来刮除汽缸壁上多余的机油，并在汽缸壁上铺涂一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入汽缸燃烧，又可以减小活塞、活
28、塞环与汽缸的磨损和摩擦阻力。此外，油环也起到密封燃气的辅助作用。气环所起的密封和导热两大作用中，密封作用是主要的，如果气环的密封性能不好，高温燃气将直接从气环外圆表面漏入曲轴箱，此时不但由于气环和汽缸贴合不严而不能很好地散热，相反地，气环外圆表面还接受附加的热量，最后必将导致活塞和气环烧坏。活塞环工作时受到汽缸中高温、高压燃气的作用，其温度较高(尤其是第一道气环，温度可高达600K)。活塞环在汽缸内作高速运动，加上高温下机油可能变质，使活塞环的润滑条件变坏，难以保证液体润滑，因此磨损严重。另外由于汽缸壁的锥度和椭圆度，活塞环随活塞在汽缸中作往复运动时，沿径向会产生一张一缩的运动，使活塞环受到交
29、变弯曲应力作用而容易折断。总之，在高温、高压、高速以及润滑困难的条件下工作的活塞环，在发动机所有零件中工作寿命是最短的。当活塞环磨损到失效时，将出现发动机起动困难、功率不足、曲轴箱压力升高、通风系统严重冒烟、机油消耗增大、排气冒蓝烟、燃烧室和活塞表面严重积炭等不良状况。目前广泛应用的活塞环材料是合金铸铁。随着发动机的强化，活塞环特别是第一道气环，承受着很大的冲击负荷，因此要求除材料耐热、耐磨以外，还应有较高的强度和冲击韧性。第一道气环的工作表面一般都镀上多孔性铬。多孔性铬层硬度高，并能储存少量机油，以改善润滑条件，使第一道气环的使用寿命提高23倍。其余气环一般镀锡或磷化，以改善磨合性能。此外，
30、还可用喷铜来提高活塞环的耐磨性。在高速强化的柴油机上，还可以采用钠片环来提高弹力和冲击韧性。用粉末冶金的金属陶瓷和聚四氟乙烯制造的活塞环也在国外获得试用。活塞环有一个切口，在自由状态时不是圆环形，其外形尺寸也比汽缸的内径大些，因此，活塞环装入汽缸后，便产生弹力而紧贴在汽缸壁上，使燃气不能通过活塞环与汽缸接触面之间的间隙，如图2-26所示。活塞环在燃气压力的作用下压紧在环槽的下端面上，于是燃气便绕流到活塞环的背面，并发生膨胀，其压力下降。同时，燃气压力对活塞环背部的作用力使环更紧地贴在汽缸壁上，如图2-27所示。压力已有所降低的燃气，从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时，又把这道气环压贴在
31、第二环槽的下端面上，于是，燃气又绕流到这个环的背面，再发生膨胀，其压力又进一步降低，如此继续进行下去。从最后一道气环漏出来的燃气，其压力和流速已经大大减小，因而泄漏的燃气量就很少了。因此，为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”的封气装置，就足以对汽缸中的高压燃气进行有效的密封。一般汽油机设有两道气环，而柴油机由于压缩比高，常设有三道气环，通常在保证密封的前提下，应尽可能减少环数。图2-26 活塞环的间隙 图2-27 气环的密封原理 汽缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口，因此，切口的形状和装入汽缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响。切口间隙过大，则漏气严重，使发
32、动机的功率减小；切口间隙过小，活塞环受热膨胀后就可能卡死或折断。切口间隙一般为0.250.8 mm。第一道气环的温度最高，故其切口间隙最大。气环的切口形状如图2-28所示。直角形切口的工艺性好；阶梯形切口的密封性较好，但工艺性较差；斜切口的斜角一般为30或45，其密封作用和工艺性均介于前二者之间，但其锐角部位在套装入活塞时容易折损；二行程发动机活塞环的带防转销钉槽的切口，压配在活塞环槽中的销钉，是用来防止活塞环在工作中绕活塞中心线转动的。图2-28 气环的切口形状(a)直角形；(b)阶梯形；(c)斜切口；(d)带防转销钉槽 气环的断面形状有多种，如图2-29所示。其中矩形断面是比较常用的，其工
33、艺性和导热效果较好，但矩形断面的气环随活塞作往复运动时，会把汽缸壁上的机油不断送入汽缸中，这种现象称为“气环的泵油作用”，其泵油原理如图2-30所示。活塞下行时，由于环与缸壁之间的摩擦阻力以及环本身的惯性，气环将压靠在环槽的上端面，缸壁上的机油就被刮入下边隙与背隙内。当活塞上行时，气环又压靠在环槽的下端面，结果第一道环背隙里的油就进入汽缸中，如此反复，结果就像油泵的作用一样，将缸壁的机油最后压入燃烧室。图2-29 气环的断面形状(a)矩形环；(b)锥形环；(c)正扭曲内切环；(d)反扭曲锥面环；(e)梯形环；(f)桶形环 图2-30 气环的泵油作用 窜入汽缸的机油，会使燃烧室内形成积炭和增加机
34、油消耗，并且还可能在环槽(特别是第一道环槽)中形成积炭，使气环被卡死在环槽中，失去密封作用，还易划伤汽缸壁，甚至使环折断。为了消除或减少有害的泵油作用，除在气环的下面装有油环外，还广泛采用非矩形断面的扭曲环，见图2-29(c)、(d)。扭曲环就是在矩形的内圆上边缘或外圆下边缘切去一部分。将这种气环随同活塞装入汽缸时，气环的弹性内力不对称作用会产生明显的断面倾斜，其作用原理如图2-31所示。活塞环装入汽缸后，其外侧拉伸应力的合力F1与内侧压缩应力的合力F2之间有一力臂e，于是产生了扭曲力矩M。它使环外圆周扭曲成上小下大的锥形，从而使环的边缘与环槽的上下端面接触，提高了表面的接触应力，这样防止了活
35、塞环在环槽内上下窜动而造成的泵油作用，同时增加了密封性。扭曲环还易于磨合，并有向下刮油的作用。图2-31 扭曲环的作用原理(a)矩形环；(b)扭曲环 图2-29(b)中的锥形环，可以改善环的磨合，并且在汽缸内可向下刮油，而向上滑动时由于斜面的油楔作用，气环可在油膜上浮起，减少磨损。在热负荷较高的柴油机上，第一道气环常采用梯形环，见图2-29(e)。其主要作用是，当活塞受侧压力的作用而改变位置时，气环的侧隙2相应发生变化，见图2-32，使沉积在环槽中的结焦被挤出，避免了气环被粘在环槽中而引起折断。在做功行程中，作用在梯形环上的燃气作用力R的径向分力Rx加强了环的密封作用，见图2-33。因此，梯形
36、环即使在丧失一些弹力的情况下，仍能与汽缸贴合良好，延长了环的使用寿命。它的主要缺点是上、下两面的精磨工艺比较复杂。图2-32 梯形环工作情况 图2-33 梯形环受力情况 桶形环见图2-29(f)，是近年来兴起的一种新型结构，目前已普遍在强化柴油机中用作第一环。桶形环的特点是活塞环的外圆面为凸圆弧形。因桶形环与汽缸是圆弧接触，故对汽缸壁形成楔形空间，使机油容易进入接触面，从而使磨损大大减少；对汽缸表面的适应性相对活塞偏摆的适应性较好，有利于密封。它的缺点是凸圆弧表面加工较困难。2)油环油环分为普通油环和组合油环。普通油环的结构如图2-34(a)所示，一般是用合金铸铁制造的。其外圆面的中间切有一道
37、凹槽，在凹槽底部加工出很多穿通的排油小孔或狭缝。油环的刮油作用如图2-35所示，无论活塞上行还是下行，油环都能将汽缸壁上多余的机油刮下来经活塞上的回油孔流回油底壳。油环的断面形状见图2-36，油环上刮片的上端面外缘一般均有倒角，使油环向上运动时能够形成油楔。机油可以把油环推离汽缸壁，易于进入油环的切槽内。下刮片的下端面外缘没有倒角，这样向下刮油的能力较强。图2-36(d)、(e)所示为鼻式油环，其刮油能力更强，但加工较困难。图2-34 油环(a)普通油环；(b)组合油环 图2-35 油环的刮油作用 (a)活塞下行；(b)活塞上行 图2-36 油环的断面形状(a)异向外倒角油环；(b)同向外倒角
38、油环；(c)同向内倒角油环；(d)鼻式油环；(e)双鼻式油环 由三个刮油钢片和两个弹性衬环组成的组合式油环如图2-34(b)所示。轴向衬环夹装在第二、三刮油片之间，径向衬环使三个刮油片压紧在汽缸壁上。这种油环的优点是：片环很薄，对汽缸壁的比压大，因而刮油作用强；三个刮油片是各自独立的，故对汽缸的适应性好；质量小；回油通路大。因此，组合油环在高速发动机上得到了较广泛的应用。它的缺点是制造成本高(片环的外表面必须镀铬，否则滑动性不好)。一般活塞上装有12道油环，采用两道油环时，靠下面的一道油环多安装在活塞裙部的下端。3.活塞销活塞销活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，以将活塞承受的气体作用力传给连杆
39、。由于活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件较差(一般靠飞溅润滑)，因而要求其有足够的刚度和强度、表面耐磨且质量尽可能小。因此，活塞销通常做成空心圆柱体，如图2-37所示。活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制成，先经表面渗碳处理以提高表面的硬度，并保证芯部具有一定的冲击韧性，然后进行精磨和抛光。图2-37 活塞销的内孔形状(a)圆柱形；(b)两段截锥形；(c)组合形 活塞销的内孔形状有圆柱形、两段截锥形以及两段截锥与一段圆柱的组合形等。圆柱形孔容易加工，但活塞销的质量较；两段锥形孔的活塞销质量较小，并且接近等强度梁的要求(因活塞销所承受的弯矩在中部最大，距中部愈远处愈小)，但孔的加工较复
40、杂；组合形孔的结构则介于二者之间。活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接配合，一般多采用“全浮式”，见图2-38，即在发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套内转动，还可以在销座孔内缓慢地转动，以使活塞销各部分的磨损比较均匀。半浮式活塞是指销与销座孔和连杆小头两处，一处固定(一般固定连杆小头)，另一处浮动。装配半浮式活塞时也采用热装合，加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈配合。图2-38 全浮式活塞销连接方式 当采用铝活塞时，活塞销座的热膨胀量大于钢活塞销。为了保证高温工作时有正常的工作间隙(0.010.02 mm)，在冷态装配时活塞销与活塞销座孔为过渡配合。装配时，应先将铝活塞放在
41、温度为7090的水或油中加热，然后将销装入。为了防止销的轴向窜动而刮伤汽缸壁，可在活塞销座两端用卡环在销座凹槽中加以轴向定位。4.连杆连杆连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，从而使得活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆承受活塞销传来的气体作用力以及其本身摆动和活塞组往复运动时的惯性力。这些力的大小和方向都是周期性变化的，因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷，这就要求连杆在质量尽可能小的条件下有足够的刚度和强度。连杆的刚度不够，可能产生的结果有：连杆大头变形失圆，导致连杆大头轴瓦因油膜破坏而烧损；连杆杆身弯曲，造成活塞与汽缸偏磨、活塞环漏气和窜油等。连杆一般用中碳钢或合金钢经模锻或辊
42、锻而成，然后经机械加工和热处理。如图2-39所示，连杆组主要由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成。图2-39 连杆组的组成 连杆小头与活塞销相连。工作时小头与销之间有相对转动，因此小头孔中一般压入减摩的青铜衬套。为了润滑活塞销与衬套，在小头和衬套上钻出集油孔或铣出集油槽用来收集发动机运转时被激溅上来的机油，以便润滑。有的发动机连杆小头则采用压力润滑，在连杆杆身内钻有纵向的压力油通道。连杆杆身通常做成“工”字形断面，以求在强度和刚度足够的前提下减小质量。连杆大头与曲轴的曲柄销相连，除了个别小型汽油机的连杆采用整体式大头以外，连杆大头一般做成分开式，被分开的部分称为连杆盖，由特制的连杆螺拴紧
43、固在连杆大头上。连杆盖与连杆大头是组合镗孔的，为了防止装配时配对错误，在每组的同一侧都刻有配对记号。大头孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦(或滚动轴承)紧密结合。连杆大头上还铣有连杆轴瓦的定位凹坑。有的连杆大头连同轴瓦还钻有油孔，从中喷出机油以加强配气凸轮与汽缸壁的激溅润滑。连杆大头按剖分面的方向可分为平切口和斜切口，如图2-40所示。柴油机的连杆，由于受力较大，其大头的尺寸往往超过汽缸直径，为使连杆大头能通过汽缸、便于拆装，一般采用斜切口连杆，见图2-40(a)。斜切口式连杆的大头剖分面与连杆轴线成3060夹角。平切口连杆的剖分面垂直于连杆轴线，见图2-40(b)。一般汽油机连杆大头的尺寸
44、都小于汽缸直径，因而采用平切口。图2-40 连杆构造图(a)斜切口；(b)平切口连杆螺栓是一个经常承受交变载荷的重要零件，一般采用韧性较高的优质合金钢或优质碳素锻钢冷镦成型。连杆大头在安装时，必须紧固可靠。连杆螺栓必须以规定的拧紧力矩，分23次均匀地拧紧，还必须用防松胶或其他锁紧装置紧固，以防止工作时自动松动。平切口的连杆盖与连杆的定位，是利用连杆螺栓上精加工的圆柱凸台或光圆柱部分，与经过精加工的螺栓孔来保证的。斜切口连杆在工作中受到惯性力的拉伸，在切口方向也有一个较大的横向分力，因此在斜切口连杆上必须采用可靠的定位措施。斜切口连杆常用的定位方法如图2-41所示。图2-41 斜切口连杆大头的定
45、位方式(a)锯齿形定位；(b)套或销定位；(c)止口定位 锯齿形定位见图2-41(a)，其优点是锯齿接触面大、结合紧密、定位可靠、结构紧凑。缺点是对齿节距公差要求严格，否则连杆盖装在连杆大头上时，中间会有几个齿脱空，不仅影响连杆组件的刚度，连杆大头孔也会立即失圆。如果能采用拉削工艺，保证齿的节距公差，则这种定位方式还是比较好的。套或销定位见图2-41(b)，是在连杆盖的每一个螺栓孔中压配一个刚度大且剪切强度高的短套筒。因其与连杆大头有精度很高的配合间隙，故装拆连杆盖时也很方便。它的缺点是定位套筒孔的工艺要求高，若孔距不够准确，则可能因过定位(定位干涉)而造成大头孔严重失圆。此外，连杆大头的横向
46、尺寸也必然因此而加大。V型发动机左右两侧对应两汽缸的连杆共同安装于一个曲轴曲柄销上，有以下三种布置形式：(1)并列连杆式：相对应的左右两汽缸的连杆一前一后地装在同一个曲柄销上。这样布置的优点是连杆可以通用，两列汽缸的活塞连杆组的运动规律相同。其缺点是两列汽缸轴心线沿曲轴轴向要错开一段距离，因而使曲轴的长度增加、刚度降低。(2)主副连杆式：见图2-42(a)，一列汽缸的连杆为主连杆，其大头直接安装在连杆轴径全长上；另一列汽缸的连杆为副连杆，其大头与对应的主连杆大头(或连杆盖)上的两个凸耳作铰链连接。这种结构中，左右两列对应汽缸的主、副连杆与其汽缸中心线位于同一平面内，故不致加大发动机的轴向长度。
47、缺点是主、副连杆不能互换，此外，左右两列汽缸的活塞连杆组的运动规律和受力都不一样。(3)叉形连杆式见图2-42(b)，左右两列汽缸对应的两个连杆中，一个连杆的大头做成叉形，跨于另一个连杆的厚度较小的片形大头两端。叉形连杆式布置的优点是：两列汽缸中的活塞连杆组的运动规律相同；左右对应的两汽缸轴心线不需要在曲轴轴向上错位。其缺点是叉形连杆大头的结构和制造工艺比较复杂，而且大头的刚度也不高。图2-42 主副连杆与叉形连杆(a)主副连杆；(b)叉形连杆 5.连杆轴承连杆轴承连杆轴承俗称连杆轴瓦，安装在连杆大头和连杆盖的孔中，是剖分成两半的滑动轴承。轴瓦是在13 mm厚的薄钢背的内圆面上浇铸0.30.7
48、 mm厚的减磨合金层(如巴氏合金、铜铅合金、高锡铝合金等)而成，如图2-43所示。减磨合金具有保持油膜、减少摩擦阻力和加速磨合的作用。巴氏合金轴瓦的疲劳强度较低，只能用于负荷不大的汽油机，而铜铅合金或高锡铝合金轴瓦均具有较高的承载能力与耐疲劳性。含锡量20%以上的高锡铝合金轴瓦，在汽油机和柴油机上均得到广泛应用。在铜铅合金减磨层上再镀一层厚度为0.020.03mm的钢或锡，即能用于高强度强化的柴油机。国外有些柴油机轴承在钢背与锡铝合金层之间加一层Al-Si-Mn合金过渡层以提高结合强度；在表面镀层与锡铝合金层之间再镀一层镍，以防止表层锡向中间合金层扩散，从而构成了五层合金轴承，使其性能更好。连
49、杆轴瓦的背面应有很高的光洁度，轴瓦在自由状态下不是圆形，其曲率半径略大于座孔半径，直径之差称为自由弹势或张开量。当它们装入连杆大头孔内时，又会产生过盈，靠合适的过盈量保证轴瓦均匀地紧贴在大头孔壁上，使其在工作时不转、不移、不振，并利用轴瓦与座孔紧密结合进行散热。这样可以提高其工作可靠性和延长使用寿命。图2-43 连杆轴瓦 2.1.4 曲轴飞轮组曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。其零件和附件的种类和数量取决于发动机的结构和性能要求。典型的实例如图2-44所示。图2-44 EQ6100发动机曲轴飞轮组分解图 1.曲轴曲轴曲轴的作用是承受连杆传递的力，并由此产生绕
50、其本身轴线而旋转的力矩。在发动机工作中，曲轴受到旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力和往复惯性力的共同作用，使曲轴受弯曲与扭转载荷，为了保证工作可靠，因此要求曲轴具有足够的刚度和强度，各工作表面要耐磨而且润滑良好。如图2-45所示，曲轴主要由三部分组成，即：曲轴的前端(或称自由端)；若干个曲柄销和左右两端的曲柄，以及前后两个主轴颈组成的曲拐；曲轴后端(或称功率输出端)；平衡重用来平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力。曲轴的曲拐数取决于汽缸的数目和排列方式。直列式发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数；V型发动机曲轴的曲拐数等于汽缸数的一半。图2-45 曲轴(a)CA610
