第三節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

一、曲柄連桿機(jī)構(gòu)的功用及組成

曲柄連桿機(jī)構(gòu)是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其功用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將作用于活塞上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)矩，以驅(qū)動(dòng)汽車車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄連桿機(jī)構(gòu)由活塞組、連桿組和曲軸飛輪組的零件組成。

第三節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

二、活塞組

(一)活塞

1．活塞的功用及工作條件

活塞的主要功用是承受燃燒氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)。此外活塞頂部與氣缸蓋、氣缸壁共同組成燃燒室。

活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最嚴(yán)酷的零件。作用在活塞上的有氣體力和往復(fù)慣性力?；钊斉c高溫燃?xì)庵苯咏佑|，使活塞頂?shù)臏囟群芨??；钊趥?cè)壓力的作用下沿氣缸壁面高速滑動(dòng)，由于潤(rùn)滑條件差，因此摩擦損失大，磨損嚴(yán)重。

2．活塞材料

現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不論是汽油機(jī)還是柴油機(jī)廣泛采用鋁合金活塞，只在極少數(shù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用鑄鐵或耐熱鋼活塞。

3．活塞構(gòu)造

活塞可視為由頂部、頭部和裙部等3部分構(gòu)成。

1)活塞頂部。汽油機(jī)活塞頂部的形狀與燃燒室形狀和壓縮比大小有關(guān)。大多數(shù)汽油機(jī)采用平頂活塞，其優(yōu)點(diǎn)是受熱面積小，加工簡(jiǎn)單。采用凹頂活塞，可以通過改變活塞頂上凹坑的尺寸來調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比。

柴油機(jī)活塞頂部形狀取決于混合氣形成方式和燃燒室形狀。在分隔式燃燒室柴油機(jī)的活塞頂部設(shè)有形狀不同的淺凹坑，以便在主燃燒室內(nèi)形成二次渦流，增進(jìn)混合氣形成與燃燒。

柴油機(jī)還有另一類燃燒室，稱為直噴式燃燒室。其全部容積都集中在氣缸內(nèi)，且在活塞頂部設(shè)有深淺不一、形狀各異的燃燒室凹坑。在直噴式燃燒室的柴油機(jī)中，噴油器將燃油直接噴入燃燒室凹坑內(nèi)，使其與運(yùn)動(dòng)氣流相混合，形成可燃混合氣并燃燒。

2)活塞頭部。由活塞頂至油環(huán)槽下端面之間的部分稱為活塞頭部。在活塞頭部加工有用來安裝氣環(huán)和油環(huán)的氣環(huán)槽和油環(huán)槽。在油環(huán)槽底部還加工有回油孔或橫向切槽，油環(huán)從氣缸壁上刮下來的多余機(jī)油，經(jīng)回油孔或橫向切槽流回油底殼。

活塞頭部應(yīng)該足夠厚，從活塞頂?shù)江h(huán)槽區(qū)的斷面變化要盡可能圓滑，過渡圓角 R 應(yīng)足夠大，以減小熱流阻力，便于熱量從活塞頂經(jīng)活塞環(huán)傳給氣缸壁，使活塞頂部的溫度不致過高。

在第一道氣環(huán)槽上方設(shè)置一道較窄的隔熱槽的作用是隔斷由活塞頂傳向第一道活塞環(huán)的熱流，使部分熱量由第二、三道活塞環(huán)傳出，從而可以減輕第一道活塞環(huán)的熱負(fù)荷，改善其工作條件，防止活塞環(huán)粘結(jié)。

活塞環(huán)槽的磨損是影響活塞使用壽命的重要因素。在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動(dòng)機(jī)中，第一道環(huán)槽溫度較高，磨損嚴(yán)重。為了增強(qiáng)環(huán)槽的耐磨性，通常在第一環(huán)槽或第一、二環(huán)槽處鑲嵌耐熱護(hù)圈。在高強(qiáng)化直噴式燃燒室柴油機(jī)中，在第一環(huán)槽和燃燒室喉口處均鑲嵌耐熱護(hù)圈，以保護(hù)喉口不致因?yàn)檫^熱而開裂。

3)活塞裙部。 活塞頭部以下的部分為活塞裙部。裙部的形狀應(yīng)該保證活塞在氣缸內(nèi)得到良好的導(dǎo)向，氣缸與活塞之間在任何工況下都應(yīng)保持均勻的、適宜的間隙。間隙過大，活塞敲缸；間隙過小，活塞可能被氣缸卡住。此外，裙部應(yīng)有足夠的實(shí)際承壓面積，以承受側(cè)向力?；钊共砍惺芘蛎泜?cè)向力的一面稱主推力面，承受壓縮側(cè)向力的一面稱次推力面。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，活塞在氣體力和側(cè)向力的作用下發(fā)生機(jī)械變形，而活塞受熱膨脹時(shí)還發(fā)生熱變形。這兩種變形的結(jié)果都是使活塞裙部在活塞銷孔軸線方向的尺寸增大。因此，為使活塞工作時(shí)裙部接近正圓形與氣缸相適應(yīng)，在制造時(shí)應(yīng)將活塞裙部的橫斷面加工成橢圓形，并使其長(zhǎng)軸與活塞銷孔軸線垂直?，F(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞均為橢圓裙。

點(diǎn)擊放大

另外，沿活塞軸線方向活塞的溫度是上高下低，活塞的熱膨脹量自然是上大下小。因此為使活塞工作時(shí)裙部接近圓柱形，須把活塞制成上小下大的圓錐形或桶形。

在活塞銷座處鑲鑄恒范鋼片的活塞稱恒范活塞。由于恒范活塞在銷座處只靠恒范鋼片與活塞裙相連且恒范鋼的熱膨脹系數(shù)只有鋁合金的1/10左右，因此當(dāng)溫度升高時(shí)，在恒范鋼片的牽制下，裙部在活塞銷孔軸線方向的熱膨脹量很小。若將普通碳素鋼片鑄在銷座處的鋁合金層內(nèi)側(cè)形成雙金屬壁，則由于兩種金屬的熱膨脹系數(shù)不同，當(dāng)溫度升高時(shí)雙金屬壁發(fā)生彎曲，而鋼片兩端的距離基本不變，從而限制了裙部的熱膨脹量。因?yàn)檫@種控制熱膨脹的作用隨溫度升高而增大，所以稱這種活塞為自動(dòng)熱補(bǔ)償活塞。

在現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)向力一側(cè)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(diǎn)是：
①質(zhì)量輕，比全裙式活塞輕10％～10％，適應(yīng)高速發(fā)動(dòng)機(jī)減小往復(fù)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(yùn)動(dòng)干涉。

活塞銷孔軸線通常與活塞軸線垂直相交。這時(shí)，當(dāng)壓縮行程結(jié)束、作功行程開始，活塞越過上止點(diǎn)時(shí)，側(cè)向力方向改變，活塞由次推力面貼緊氣缸壁突然轉(zhuǎn)變?yōu)橹魍屏γ尜N緊氣缸壁，活塞與氣缸發(fā)生"拍擊"，產(chǎn)生噪聲，且有損活塞的耐久性。在許多高速發(fā)動(dòng)機(jī)中，活塞銷孔軸線朝主推力面一側(cè)偏離活塞軸線1～2mm。壓縮壓力將使活塞在接近上止點(diǎn)時(shí)發(fā)生傾斜，活塞在越過上止點(diǎn)時(shí)，將逐漸地由次推力面轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍魍屏γ尜N緊氣缸壁，從而消減了活塞對(duì)氣缸的拍擊。

4．活塞的冷卻

高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是活塞頂上有燃燒室凹坑的柴油機(jī)，為了減輕活塞頂部和頭部的熱負(fù)荷而采用油冷活賽。用機(jī)油冷卻活塞的方法有：

1)自由噴射冷卻法。 從連桿小頭上的噴油孔或從安裝在機(jī)體上的噴油嘴向活塞頂內(nèi)壁噴射機(jī)油。

2)振蕩冷卻法。 從連桿小頭上的噴油孔將機(jī)油噴入活塞內(nèi)壁的環(huán)形油槽中，由于活塞的運(yùn)動(dòng)使機(jī)油在槽中產(chǎn)生振蕩而冷卻活塞。

3)強(qiáng)制冷卻法。 在活塞頭部鑄出冷卻油道或鑄入冷卻油管，使機(jī)油在其中強(qiáng)制流動(dòng)以冷卻活塞。強(qiáng)制冷卻法廣為增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所采用。

5．活塞的表面處理

根據(jù)不同的目的和要求，進(jìn)行不同的活塞表面處理，其方法有：

1)活塞頂進(jìn)行硬模陽(yáng)極氧化處理，形成高硬度的耐熱層，增大熱阻，減少活塞頂部的吸熱量。

2)活塞裙部鍍錫或鍍鋅，可以避免在潤(rùn)滑不良的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，也可以起到加速活塞與氣缸的磨合作用。

3)在活塞裙部涂覆石墨，石墨涂層可以加速磨合過程，可使裙部磨損均勻，在潤(rùn)滑不良的情況下可以避免拉缸。

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(二)活塞環(huán)

1．活塞環(huán)的功用及工作條件

活塞環(huán)分氣環(huán)和油環(huán)兩種。

氣環(huán)的主要功用是密封和傳熱。保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸內(nèi)的可燃混合氣和高溫燃?xì)饴┤肭S箱，并將活塞頂部接受的熱傳給氣缸壁，避免活塞過熱。油環(huán)的主要功用是刮除飛濺到氣缸壁上的多余的機(jī)油，并在氣缸壁上涂布一層均勻的油膜?；钊h(huán)工作時(shí)受到氣缸中高溫、高壓燃?xì)獾淖饔?，并在?rùn)滑不良的條件下在氣缸內(nèi)高速滑動(dòng)。由于氣缸壁面的形狀誤差，使活塞環(huán)在上下滑動(dòng)的同時(shí)還在環(huán)槽內(nèi)產(chǎn)生徑向移動(dòng)。這不僅加重了環(huán)與環(huán)槽的磨損，還使活塞環(huán)受到交變彎曲應(yīng)力的作用而容易折斷。

2．活塞環(huán)材料及表面處理

根據(jù)活塞環(huán)的功用及工作條件，制造活塞環(huán)的材料應(yīng)具有良好的耐磨性、導(dǎo)熱性、耐熱性、沖擊韌性、彈性和足夠的機(jī)械強(qiáng)度。目前廣泛應(yīng)用的活塞環(huán)材料有優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鑄鐵和鋼帶等。第一道活塞環(huán)外圓面通常進(jìn)行鍍鉻或噴鉬處理。多孔性鉻層硬度高，并能儲(chǔ)存少量機(jī)油，可以改善潤(rùn)滑減輕磨損。鉬的熔點(diǎn)高，也具有多孔性，因此噴鉬同樣可以提高活塞環(huán)的耐磨性。

3．氣環(huán)

1)氣環(huán)的密封原理：活塞環(huán)在自由狀態(tài)下不是正圓形，其外廓尺寸比氣缸直徑大。當(dāng)活塞環(huán)裝入氣缸后，在其自身的彈力作用下環(huán)的外圓面與氣缸壁貼緊形成第一密封面，氣缸內(nèi)的高壓氣體不可能通過第一密封面泄漏。高壓氣體可能通過活塞頂岸與氣缸壁之間的間隙進(jìn)入活塞環(huán)的側(cè)隙和徑向間隙中。進(jìn)入側(cè)隙中的高壓氣體使環(huán)的下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面貼緊形成第二密封面，高壓氣體也不可能通過第二密封面泄漏。進(jìn)入徑向間隙中的高壓氣體只能環(huán)的外圓面與氣缸壁更加貼緊。這時(shí)漏氣的惟一通道就是活塞環(huán)的開口端隙。如果幾道活塞環(huán)的開口相互錯(cuò)開，那么就形成了迷宮式漏氣通道。由于側(cè)隙、徑向間隙和端隙都很小，氣體在通道內(nèi)的流動(dòng)阻力很大，致使氣體壓力ｐ迅速下降，最后漏入曲軸箱內(nèi)的氣體就很少了，一般僅為進(jìn)氣量的0.2％～1.0％。

2)氣環(huán)開口形狀： 開口形狀對(duì)漏氣量有一定影響。直開口工藝性好，但密封性差；階梯形開口密封性好，工藝性差；斜開口的密封性和工藝性介于前兩種開口之間，斜角一般為30°或45°。(如下左圖)

點(diǎn)擊放大

3)氣環(huán)的斷面形狀：氣環(huán)的斷面形狀多種多樣，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和強(qiáng)化程度，選擇不同斷面形狀的氣環(huán)組合，可以得到最好的密封效果和使用性能。常見的氣環(huán)斷面形狀如上右圖

錐面環(huán)，環(huán)的外圓面為錐角很小的錐面。理論上錐面環(huán)與氣缸壁為線接觸，磨合性好，增大了接觸壓力和對(duì)氣缸壁形狀的適應(yīng)能力。當(dāng)活塞下行時(shí)，錐面環(huán)能起到向下刮油的作用。當(dāng)活塞上行時(shí)，由于錐面的油楔作用，錐面環(huán)能滑越過氣缸壁上的油膜而不致將機(jī)油帶入燃燒室。錐面環(huán)傳熱性差，所以不用作第一道氣環(huán)。由于錐角很小，一般不易識(shí)別，為避免裝錯(cuò)，在環(huán)的上側(cè)面標(biāo)有向上的記號(hào)。

扭曲環(huán)斷面不對(duì)稱的氣環(huán)裝入氣缸后，由于彈性內(nèi)力的作用使斷面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，故稱扭曲環(huán)。扭曲環(huán)斷面扭轉(zhuǎn)原理?；钊h(huán)裝入氣缸之后，其斷面中性層以外產(chǎn)生拉應(yīng)力，斷面中性層以內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力。拉應(yīng)力的合力F1指向活塞環(huán)中心，壓應(yīng)力合力F2的方向背離活塞環(huán)中心。由于扭曲環(huán)中性層內(nèi)外斷面不對(duì)稱，使 F₁ 與 F₂ 不作用在同一平面內(nèi)而形成力矩M。在力矩M的作用下，使環(huán)的斷面發(fā)生扭轉(zhuǎn)。(如下左圖)

若將內(nèi)圓面的上邊緣或外圓面的下邊緣切掉一部分，整個(gè)氣環(huán)將扭曲成碟子形，則稱這種環(huán)為正扭曲環(huán)；若將內(nèi)圓面的下邊緣切掉一部分，氣環(huán)將扭曲成蓋子形，則稱其為反扭曲環(huán)。在環(huán)面上切去部分金屬稱為切臺(tái)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在進(jìn)氣、壓縮和排氣行程中，扭曲環(huán)發(fā)生扭曲，其工作特點(diǎn)一方面與錐面環(huán)類似，另一方面由于扭曲環(huán)的上下側(cè)面與環(huán)槽的上下側(cè)面相接觸，從而防止了環(huán)在環(huán)槽內(nèi)上下竄動(dòng)，消除了泵油現(xiàn)象，減輕了環(huán)對(duì)環(huán)槽的沖擊而引起的磨損。在作功行程中，巨大的燃?xì)鈮毫ψ饔糜诃h(huán)的上側(cè)面和內(nèi)圓面，足以克服環(huán)的彈性內(nèi)力使環(huán)不再扭曲，整個(gè)外圓面與氣缸壁接觸，這時(shí)扭曲環(huán)的工作特點(diǎn)與矩形環(huán)相同。(如上右圖)

梯形環(huán)，斷面為梯形。其主要優(yōu)點(diǎn)是抗粘結(jié)性好。當(dāng)活塞頭部溫度很高時(shí)，竄入第一道環(huán)槽中的機(jī)油容易結(jié)焦并將氣環(huán)粘住。在側(cè)向力換向活塞左右擺動(dòng)時(shí)，梯形環(huán)的側(cè)隙、徑向間隙都發(fā)生變化將環(huán)槽中的膠質(zhì)擠出。楔形環(huán)的工作特點(diǎn)與梯形環(huán)相似，且由于斷面不對(duì)稱，裝入氣缸后也會(huì)發(fā)生扭曲。梯形環(huán)多用作柴油機(jī)的第一道氣環(huán)。

桶面環(huán)，環(huán)的外圓面為外凸圓弧形。其密封性、磨合性及對(duì)氣缸壁表面形狀的適應(yīng)性都比較好。桶面環(huán)在氣缸內(nèi)不論上行或下行均能形成楔形油膜，將環(huán)浮起，從而減輕環(huán)與氣缸壁的磨損。

開槽環(huán)，在外圓面上加工出環(huán)形槽，在槽內(nèi)填充能吸附機(jī)油的多孔性氧化鐵，有利于潤(rùn)滑、磨合和密封。

頂岸環(huán)，斷面為"L"形。因?yàn)轫敯董h(huán)距活塞頂面近，作功行程時(shí)，燃?xì)鈮毫δ苎杆僮饔糜诃h(huán)的上側(cè)面和內(nèi)圓面，使環(huán)的下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面、外圓面與氣缸壁面貼緊，有利于密封；由于同樣的原因，頂岸環(huán)可以減少汽車尾氣HC的排放量。

4．油環(huán)

1)油環(huán)類型：油環(huán)有槽孔式、槽孔撐簧式和鋼帶組合式3種類型。

2)槽孔式油環(huán)。

因?yàn)橛铜h(huán)的內(nèi)圓面基本上沒有氣體力的作用，所以槽孔式油環(huán)的刮油能力主要靠油環(huán)自身的彈力。為了減小環(huán)與氣缸壁的接觸面積，增大接觸壓力，在環(huán)的外圓面上加工出環(huán)形集油槽，形成上下兩道刮油唇，在集油槽底加工有回油孔。由上下刮油唇刮下來的機(jī)油經(jīng)回油孔和活塞上的回油孔流回油底殼。這種油環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，成本低。

3)槽孔撐簧式油環(huán)。

在槽孔式油環(huán)的內(nèi)圓面加裝撐簧即為槽孔撐簧式油環(huán)。一般作為油環(huán)撐簧的有螺旋彈簧、板形彈簧和軌形彈簧三種。這種油環(huán)由于增大了環(huán)與氣缸壁的接觸壓力，而使環(huán)的刮油能力和耐久性有所提高。

4)鋼帶組合油環(huán)。

其結(jié)構(gòu)形式很多， 鋼帶組合油環(huán)由上、下刮片和軌形撐簧組合而成。撐簧不僅使刮片與氣缸壁貼緊，而且還使刮片與環(huán)槽側(cè)面貼緊。這種組合油環(huán)的優(yōu)點(diǎn)是接觸壓力大，既可增強(qiáng)刮油能力，又能防止上竄機(jī)油。另外，上下刮片能單獨(dú)動(dòng)作，因此對(duì)氣缸失圓和活塞變形的適應(yīng)能力強(qiáng)。但鋼帶組合油環(huán)需用優(yōu)質(zhì)鋼制造，成本高。

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(三)活塞銷

1．活塞銷的功用及工作條件

活塞銷用來連接活塞和連桿，并將活塞承受的力傳給連桿或相反?；钊N在高溫條件下承受很大的周期性沖擊負(fù)荷，且由于活塞銷在銷孔內(nèi)擺動(dòng)角度不大，難以形成潤(rùn)滑油膜，因此潤(rùn)滑條件較差。為此活塞銷必須有足夠的剛度、強(qiáng)度和耐磨性，質(zhì)量盡可能小，銷與銷孔應(yīng)該有適當(dāng)?shù)呐浜祥g隙和良好的表面質(zhì)量。在一般情況下，活塞銷的剛度尤為重要，如果活塞銷發(fā)生彎曲變形，可能使活塞銷座損壞。

2．活塞銷材料及結(jié)構(gòu)

活塞銷的材料一般為低碳鋼或低碳合金鋼，如20、20Mn、15Cr、20Cr或20MnV等。外表面滲碳淬硬，再經(jīng)精磨和拋光等精加工。這樣既提高了表面硬度和耐磨性，又保證有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性。

活塞銷的結(jié)構(gòu)形狀很簡(jiǎn)單，基本上是一個(gè)厚壁空心圓柱。其內(nèi)孔形狀有圓柱形、兩段截錐形和組合形。圓柱形孔加工容易，但活塞銷的質(zhì)量較大；兩段截錐形孔的活塞銷質(zhì)量較小，且因?yàn)榛钊N所受的彎矩在其中部最大，所以接近于等強(qiáng)度梁，但錐孔加工較難。

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三、連桿組

連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸承等零件。習(xí)慣上常常把連桿體、連桿蓋和連桿螺栓合起來稱作連桿，有時(shí)也稱連桿體為連桿。

1．連桿組的功用及工作條件

連桿組的功用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿小頭與活塞銷連接，同活塞一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連桿大頭與曲柄銷連接，同曲軸一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連桿作復(fù)雜的平面運(yùn)動(dòng)。連桿組主要受壓縮、拉伸和彎曲等交變負(fù)荷。最大壓縮載荷出現(xiàn)在作功行程上止點(diǎn)附近，最大拉伸載荷出現(xiàn)在進(jìn)氣行程上止點(diǎn)附近。在壓縮載荷和連桿組作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的橫向慣性力的共同作用下，連桿體可能發(fā)生彎曲變形。

2．連桿組材料

連桿體和連桿蓋由優(yōu)質(zhì)中碳鋼或中碳合金鋼，如45、40Cr、42CrMo或40MnB等模鍛或輥鍛而成。連桿螺栓通常用優(yōu)質(zhì)合金鋼40Cr或35CrMo制造。一般均經(jīng)噴丸處理以提高連桿組零件的強(qiáng)度。纖維增強(qiáng)鋁合金連桿以其質(zhì)量輕、綜合性能好而備受注目。在相同強(qiáng)度和剛度的情況下，纖維增強(qiáng)鋁合金連桿比用傳統(tǒng)材料制造的連桿要輕30％。

3．連桿構(gòu)造

連桿由小頭、桿身和大頭構(gòu)成。

連桿

1) 連桿小頭

小頭的結(jié)構(gòu)形狀取決于活塞銷的尺寸及其與連桿小頭的連接方式。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中連桿小頭與活塞銷的連接方式有兩種，即全浮式和半浮式。全浮式活塞銷工作時(shí)，在連桿小頭孔和活塞銷孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，可以保證活塞銷沿圓周磨損均勻。為防止活塞銷兩端刮傷氣缸壁 ，在活塞銷孔外側(cè)裝置活塞銷擋圈。半浮式活塞銷是用螺栓將活塞銷夾緊在連桿小頭孔內(nèi)，這時(shí)活塞銷只在活塞銷孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在小頭孔內(nèi)不轉(zhuǎn)動(dòng)。小頭孔不裝襯套，銷孔中也不裝活塞銷擋圈。

2) 連桿桿身

桿身斷面為工字形，剛度大、質(zhì)量輕、適于模鍛。工字形斷面的Y-Y軸在連桿運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)。有的連桿在桿身內(nèi)加工有油道，用來潤(rùn)滑小頭襯套或冷卻活塞。如果是后者，須在小頭頂部加工出噴油孔。

3) 連桿大頭

連桿大頭除應(yīng)具有足夠的剛度外，還應(yīng)外形尺寸小，質(zhì)量輕，拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)能從氣缸上端取出。チ桿大頭是剖分的，連桿蓋用螺栓或螺柱緊固，為使結(jié)合面在任何轉(zhuǎn)速下都能緊密結(jié)合，連桿螺栓的擰緊力矩必須足夠大。

連桿大頭

4) 連桿螺栓

工作時(shí)連桿螺栓承受交變載荷，因此在結(jié)構(gòu)上應(yīng)盡量增大連桿螺栓的彈性，而在加工方面要精細(xì)加工過渡圓角，消除應(yīng)力集中，以提高其抗疲勞強(qiáng)度。連桿螺栓用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造，如40Cr、35CrMo等。經(jīng)調(diào)質(zhì)后滾壓螺紋，表面進(jìn)行防銹處理。

4．V型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿

V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩個(gè)氣缸的連桿安裝在同一個(gè)曲柄銷上，其結(jié)構(gòu)隨安裝形式的不同而不同。

1)并列連桿

兩個(gè)完全相同的連桿一前一后并列地安裝在同一個(gè)曲柄銷上。連桿結(jié)構(gòu)與上述直列式發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿基本相同，只是大頭寬度稍小一些。并列連桿的優(yōu)點(diǎn)是前后連桿可以通用，左右兩列氣缸的活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。缺點(diǎn)是兩列氣缸沿曲軸縱向須相互錯(cuò)開一段距離，從而增加了曲軸和發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度。

2)主副連桿

一個(gè)主連桿一個(gè)副連桿組成主副連桿，副連桿通過銷軸鉸接在主連桿體或主連桿蓋上。一列氣缸裝主連桿,另一列氣缸裝副連桿，主連桿大頭安裝在曲軸的曲柄銷上。主副連桿不能互換，且副連桿對(duì)主連桿作用以附加彎矩。兩列氣缸中活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和上止點(diǎn)位置均不相同。采用主副連桿的V型發(fā)動(dòng)機(jī)，其兩列氣缸不需要相互錯(cuò)開，因而也就不會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度。

3)叉形連桿

第三節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

四、曲軸飛輪組

(一)曲軸

1．曲軸的功用及工作條件

曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩，用以驅(qū)動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)以及其他輔助裝置。曲軸在周期性變化的氣體力、慣性力及其力矩的共同作用下工作，承受彎曲和扭轉(zhuǎn)交變載荷。因此，曲軸應(yīng)有足夠的抗彎曲、抗扭轉(zhuǎn)的疲勞強(qiáng)度和剛度；軸頸應(yīng)有足夠大的承壓表面和耐磨性；曲軸的質(zhì)量應(yīng)盡量?。粚?duì)各軸頸的潤(rùn)滑應(yīng)該充分。

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(jìn)行精加工?，F(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用球墨鑄鐵曲軸。球墨鑄鐵價(jià)格便宜，耐磨性能好，軸頸不需硬化處理，同時(shí)金屬消耗量少，機(jī)械加工量也少。為提高曲軸的疲勞強(qiáng)度，消除應(yīng)力集中，軸頸表面應(yīng)進(jìn)行噴丸處理，圓角處要經(jīng)滾壓處理。

3．曲軸構(gòu)造

曲軸基本上由若干個(gè)單元曲拐構(gòu)成。一個(gè)曲柄銷，左右兩個(gè)曲柄臂和左右兩個(gè)主軸頸構(gòu)成一個(gè)單元曲拐。單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸只有一個(gè)曲拐，多缸直列式發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲拐數(shù)與氣缸數(shù)相同，V型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的曲拐數(shù)等于氣缸數(shù)的一半。將若干個(gè)單元曲拐按照一定的相位連接起來再加上曲軸前、后端便構(gòu)成一根曲軸。多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸，在其曲柄臂上裝有平衡重。按單元曲拐連接方法的不同，曲軸分為整體式和組合式兩類。

4．曲拐布置與多缸發(fā)動(dòng)機(jī)的工作順序

各曲拐的相對(duì)位置或曲拐布置取決于氣缸數(shù)、氣缸排列形式和發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序。當(dāng)氣缸數(shù)和氣缸排列形式確定之后，曲拐布置就只取決于發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序。在選擇發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1)應(yīng)該使接連作功的兩個(gè)氣缸相距盡可能的遠(yuǎn)，以減輕主軸承載荷和避免在進(jìn)氣行程中發(fā)生搶氣現(xiàn)象。

2)各氣缸發(fā)火的間隔時(shí)間應(yīng)該相同。發(fā)火間隔時(shí)間若以曲軸轉(zhuǎn)角計(jì)則稱發(fā)火間隔角。在發(fā)動(dòng)機(jī)完成一個(gè)工作循環(huán)的曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)，每個(gè)氣缸都應(yīng)發(fā)火作功一次。對(duì)于氣缸數(shù)為 i 的四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其發(fā)火間隔角應(yīng)為720°/i，即曲軸每轉(zhuǎn)720°/i 時(shí)，就有一缸發(fā)火作功，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

3)V型發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩列氣缸應(yīng)交替發(fā)火。

四沖程直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火間隔角為720°/4＝180°。4個(gè)曲拐在同一平面內(nèi)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作順序?yàn)?-3-4-2或1-2-4-3，其工作循環(huán)見表2-1和表2-2。

直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)

四沖程直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)表

四行程直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火順序和曲拐布置：四行程直列六缸發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火間隔角為720°/6=120°，六個(gè)曲拐分別布置在三個(gè)平面內(nèi)，發(fā)火順序是1-5-3-6-2-4，其工作循環(huán)表見表2-3。

四沖程V型六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火間隔角仍為120°,3個(gè)曲拐互成120°。工作順序R1-L3-R3-L2-R3-L1。面對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻風(fēng)扇，右列氣缸用R表示，由前向后氣缸號(hào)分別為R1、R2、R3；左列氣缸用L表示，氣缸號(hào)分別為L(zhǎng)1、L2和L3，工作循環(huán)見表2-4。

四沖程V8發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火間隔角為720°/8＝90°, 4個(gè)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

(二)曲軸前、后端密封

曲軸前端借助甩油盤和橡膠油封實(shí)現(xiàn)密封。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，落在甩油盤上的機(jī)油，在離心力的作用下被甩到定時(shí)傳動(dòng)室蓋的內(nèi)壁上，再沿壁面流回油底殼。即使有少量機(jī)油落到甩油盤前面的曲軸上，也會(huì)被裝在定時(shí)傳動(dòng)室蓋上的自緊式橡膠油封擋住。

曲軸后端的密封裝置。由于近年來橡膠油封的耐油、耐熱和耐老化性能的提高，在現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上曲軸后端的密封越來越多地采用與曲軸前端一樣的自緊式橡膠油封。自緊式油封由金屬保持架、氟橡膠密封環(huán)和拉緊彈簧構(gòu)成。

(三)曲軸扭轉(zhuǎn)減振器

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，曲軸在周期性變化的轉(zhuǎn)矩作用下，各曲拐之間發(fā)生周期性相對(duì)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，簡(jiǎn)稱扭振。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化頻率與曲軸扭轉(zhuǎn)的自振頻率相同或成整數(shù)倍時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。共振時(shí)扭轉(zhuǎn)振幅增大，并導(dǎo)致傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，甚至使曲軸斷裂。為了消減曲軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多在扭轉(zhuǎn)振幅最大的曲軸前端裝置扭轉(zhuǎn)減振器。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用橡膠扭轉(zhuǎn)減振器、硅油扭轉(zhuǎn)減振器和硅油蠶鸞號(hào)ぷ減振器等。

1．橡膠扭轉(zhuǎn)減振器

減振器殼體與曲軸連接，減振器殼體與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)慣性質(zhì)量粘結(jié)在硫化橡膠層上。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，減振器殼體與曲軸一起振動(dòng)，由于慣性質(zhì)量滯后于減振器殼體，因而在兩者之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使橡膠層來回揉搓，振動(dòng)能量被橡膠的內(nèi)摩擦阻尼吸收，從而使曲軸的扭振得以消減。橡膠扭轉(zhuǎn)減振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，制造容易，在汽車上廣為應(yīng)用。但其阻尼作用小，橡膠容易老化，故在大功率發(fā)動(dòng)機(jī)上較少應(yīng)用。

2．硅油扭轉(zhuǎn)減振器

由鋼板沖壓而成的減振器殼體與曲軸連接。側(cè)蓋與減振器殼體組成封閉腔，其中滑套著扭轉(zhuǎn)振動(dòng)慣性質(zhì)量。慣性質(zhì)量與封閉腔之間留有一定的間隙，里面充滿高粘度硅油。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，減振器殼體與曲軸一起旋轉(zhuǎn)、一起振動(dòng)，慣性質(zhì)量則被硅油的粘性摩擦阻尼和襯套的摩擦力所帶動(dòng)。由于慣性質(zhì)量相當(dāng)大，因此它近似作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，于是在慣性質(zhì)量與減振器殼體間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。曲軸的振動(dòng)能量被硅油的內(nèi)摩擦阻尼吸收，使扭振消除或減輕。硅油扭轉(zhuǎn)減振器減振效果好，性能穩(wěn)定，工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，所以在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用日益普遍。但它需要良好的密封和較大的慣性質(zhì)量，致使減振器尺寸較大。

3．硅油―橡膠扭轉(zhuǎn)減振器

硅油―橡膠扭轉(zhuǎn)減振器中的橡膠環(huán)6主要作為彈性體，并用來密封硅油和支撐慣性質(zhì)量1。在封閉腔內(nèi)注滿高粘度硅油。硅油―橡膠扭轉(zhuǎn)減振器集中了硅油扭轉(zhuǎn)減振器和橡膠扭轉(zhuǎn)減振器二者的優(yōu)點(diǎn)，即體積小、質(zhì)量輕和減振性能穩(wěn)定等。

(四)飛輪

對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)來說，每四個(gè)活塞行程作功一次，即只有作功行程作功，而排氣、進(jìn)氣和壓縮三個(gè)行程都要消耗功。因此，曲軸對(duì)外輸出的轉(zhuǎn)矩呈周期性變化，曲軸轉(zhuǎn)速也不穩(wěn)定。為了改善這種狀況，在曲軸后端裝置飛輪。

飛輪是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大的盤形零件，其作用如同一個(gè)能量存儲(chǔ)器。在作功行程中發(fā)動(dòng)機(jī)傳輸給曲軸的能量，除對(duì)外輸出外，還有部分能量被飛輪吸收，從而使曲軸的轉(zhuǎn)速不會(huì)升高很多。在排氣、進(jìn)氣和壓縮三個(gè)行程中，飛輪將其儲(chǔ)存的能量放出來補(bǔ)償這三個(gè)行程所消耗的功，從而使曲軸轉(zhuǎn)速不致降低太甚。

除此之外，飛輪還有下列功用：飛輪是摩擦式離合器的主動(dòng)件；在飛輪輪緣上鑲嵌有供起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)用的飛輪齒圈2；在飛輪上還刻有上止點(diǎn)記號(hào)，用來校準(zhǔn)點(diǎn)火定時(shí)或噴油定時(shí)以及調(diào)整氣門間隙。

第三節(jié) 曲柄連桿機(jī)構(gòu)

五、 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)滑動(dòng)軸承有連桿襯套、連桿軸承、主軸承和曲軸止推軸承等。

1．連桿軸承和主軸承

連桿軸承和主軸承均承受交變載荷和高速摩擦，因此軸承材料必須具有足夠的抗疲勞強(qiáng)度，而且要摩擦小、耐磨損和耐腐蝕。

連桿軸承和主軸承均由上、下兩片軸瓦對(duì)合而成。每一片軸瓦都是由鋼背和減摩合金層或鋼背、減摩合金層和軟鍍層構(gòu)成，前者稱為二層結(jié)構(gòu)軸瓦，后者稱三層結(jié)構(gòu)軸瓦。鋼背是軸瓦的基體，由1～3mm厚的低碳鋼板制造，以保證有較高的機(jī)械強(qiáng)度。在鋼背上澆鑄減摩合金層，減摩合金材料主要有白合金、銅基合金和鋁基合金。白合金也叫巴氏合金，應(yīng)用較多的錫基白合金減摩性好，但疲勞強(qiáng)度低，耐熱性差，溫度超過100℃硬度和強(qiáng)度均明顯下降，因此常用于負(fù)荷不大的汽油機(jī)。銅鉛合金的突出優(yōu)點(diǎn)是承載能力大，抗疲勞強(qiáng)度高，耐熱性好。但磨合性能和耐腐蝕性差。為了改善其磨合性和耐腐蝕性，通常在銅鉛合金表面電鍍一層軟金屬而成三層結(jié)構(gòu)軸瓦，多用于高強(qiáng)化的柴油機(jī)。鋁基合金包括鋁銻鎂合金、低錫鋁合金和高錫鋁合金。含錫20％以上的高錫鋁合金軸瓦因?yàn)橛休^好的承載能力、抗疲勞強(qiáng)度和減摩性能而被廣泛地用于汽油機(jī)和柴油機(jī)。軟鍍層是指在減摩合金層上電鍍一層錫或錫鉛合金，其主要作用是改善軸瓦的磨合性能并作為減摩合金層的保護(hù)層。

軸瓦在自由狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)結(jié)合面外端的距離比軸承孔的直徑大，其差值稱為軸瓦的張開量。在裝配時(shí)，軸瓦的圓周過盈變成徑向過盈，對(duì)軸承孔產(chǎn)生徑向壓力，使軸瓦緊密貼合在軸承孔內(nèi)，以保證其良好的承載和導(dǎo)熱能力，提高軸瓦工作的可靠性和延長(zhǎng)其使用壽命。

2．曲軸止推軸承

汽車行駛時(shí)由于踩踏離合器而對(duì)曲軸施加軸向推力，使曲軸發(fā)生軸向竄動(dòng)。過大的軸向竄動(dòng)將影響活塞連桿組的正常工作和破壞正確的配氣定時(shí)和柴油機(jī)的噴油定時(shí)。為了保證曲軸軸向的正確定位，需裝設(shè)止推軸承，而且只能在一處設(shè)置止推軸承，以保證曲軸受熱膨脹時(shí)能自由伸長(zhǎng)。曲軸止推軸承有翻邊軸瓦、半圓環(huán)止推片和止推軸承環(huán)3種形式。

翻邊軸瓦(是將軸瓦兩側(cè)翻邊作為止推面，在止推面上澆鑄減摩合金。軸瓦的止推面與曲軸止推面之間留有0.06～0.25mm的間隙，從而限制了曲軸軸向竄動(dòng)量。

半圓環(huán)止推片一般為四片，上、下各兩片，分別安裝在機(jī)體和主軸承蓋上的淺槽中，用定位舌或定位銷定位，防止其轉(zhuǎn)動(dòng)。裝配時(shí)，需將有減摩合金層的止推面朝向曲軸的止推面，不能裝反。止推軸承環(huán)為兩片止推圓環(huán)，分別安裝在第一主軸承蓋的兩側(cè)。