汽车发动机检测与维修：曲柄连杆机构结构与原理

曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。曲柄连杆机构示意如图1－1 所示。

1.机体组

机体是发动机的骨架和外壳，很多零部件和附属件以及辅助系统的元件都安装在机体上。它是发动机的固定件，是发动机形状和尺寸的主要决定因素。

机体组由气缸体、曲轴箱、气缸套、油底壳、气缸盖、气缸垫等零部件组成。

1）气缸体

气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，它保持发动机各运动件之间的准确位置关系。

气缸体的结构如图2－1 所示，气缸体由上、下两部分组成，上部分有若干个气缸，下部分是曲轴箱。气缸体的上、下平面用来安装气缸盖和下曲轴箱，是气缸修理的加工基准。

2）曲轴箱

曲轴箱主要有3 种结构形式，分别为平分式、龙门式和隧道式。

（1）平分式。采用平分式曲轴箱的气缸体，其曲轴轴线与气缸体下平面在同一平面上，如图2－2 所示。这种气缸体的特点是便于机械加工，但其刚度较差，曲轴前、后端的密封性较差，多用于中小型发动机。

图2－1　气缸体的结构

图2－2　采用平分式曲轴箱的气缸体

（2）龙门式。采用龙门式曲轴箱的气缸体，其发动机的曲轴轴线高于气缸体下平面，如图2－3 所示。这种缸体的特点是结构刚度和强度较好、密封简单可靠、维修方便，但其工艺性较差，多用于大中型发动机。

图2－3　采用龙门式曲轴箱的气缸体

（3）隧道式。隧道式曲轴箱的主轴承孔不分开，采用隧道式曲轴箱的气缸体如图2－4所示。它的特点是结构刚度最大、质量最大、主轴承的同轴度易保证，但其拆装比较麻烦，多用于主轴承采用滚动轴承的组合式曲轴。

图2－4　采用隧道式曲轴箱的气缸体

3）气缸套

气缸套通常有干式和湿式两种结构形式。

（1）干式气缸套。干式气缸套的特点是外表面不与冷却水接触，如图2－5 所示，它是一个耐磨性能良好的薄壁套筒，壁厚一般为1～3 mm。干式气缸套的优点是刚度和强度大、气缸中心距小；缺点是散热不良，加工比较复杂，内、外表面都需要进行精加工，不便于安装。

图2－5　干式气缸套

（2）湿式气缸套。湿式气缸套的特点是外表面与冷却水直接接触，如图2－6 所示，壁厚应保证缸套有足够的强度和刚度，一般为缸径的5%～10%。湿式气缸套的优点是导热性好、便于更换、缸体铸造简单、材料可按需要选择；缺点是缸体刚度差、容易漏水。

图2－6　湿式气缸套

水冷式气缸周围和气缸盖中均有用来充水的空腔，称为水套。气缸体和气缸盖上的水套是相互连通的，利用水套中的冷却水流过高温零件的周围而将热量带走。

4）油底壳

油底壳的结构示意如图2－7 所示。其主要功能是贮存机油并封闭曲轴箱。由于油底壳受力不大，可采用薄钢板、铝合金和塑料等材料制成。油底壳底部还装有放油螺塞，通常放油螺塞上装有永久磁铁，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。

图2－7　油底壳的结构示意

5）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构成燃烧室。

气缸盖一般由优质灰铸铁或合金铸铁铸造，轿车用的汽油机则多采用铝合金气缸盖。其上加工有进、排气门座孔，气门导管孔，火花塞安装孔（汽油机）或喷油器安装孔（柴油机），如图2－8 所示。在气缸盖内还铸有水套，进、排气道和燃烧室或燃烧室的一部分。若凸轮轴安装在气缸盖上，则气缸盖上还加工有凸轮轴承孔或凸轮轴承座及其润滑油道。

（1）气缸盖罩。气缸盖罩示意如图2－9 所示，其功能主要为遮盖并密封气缸盖，将机油保持在内部，使之与外界空气和污染物隔离，防止机油变质。

图2－8　气缸盖示意

图2－9　气缸盖罩示意

气缸盖罩多用铝合金铸造或由薄钢板冲压制成，与气缸盖接合面须加上橡胶衬垫（如图2－8所示）。

（2）燃烧室。汽油机的燃烧室由活塞顶部及气缸盖上相应的凹部空间组成，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑内。

汽油机常用的燃烧室按形状可分为半球形、楔形和盆形，如图2－10 所示。

图2－10　汽油机燃烧室的分类

（a）半球形燃烧室；（b）楔形燃烧室；（c）盆形燃烧室

6）气缸垫

气缸垫是气缸体顶面与气缸盖底面之间的密封件，如图2－11 所示，用来保证气缸体与气缸盖之间的密封，防止漏气、漏水、漏油。

图2－11　气缸垫

由于气缸垫需要接触高温、高压气体以及冷却液、机油等，在使用中很容易出现烧蚀的现象，所以其应具备足够的强度，耐热、耐腐蚀，不易烧蚀或变质，有较长的使用寿命，还应具有一定的弹性，能够弥补接合面间的不平，以保证气缸的密封性。

发生烧蚀、损坏或发动机大修时必须更换新的气缸垫。

按照使用的材料不同，常见的气缸垫主要可分为金属型橡胶气缸垫、全金属型气缸垫、复合型气缸垫和黏结型气缸垫等，如图2－12 所示。

图2－12　不同材料类型的气缸垫

（a）金属型橡胶气缸垫；（b）全金属型气缸垫；（c）复合型气缸垫；（d）黏结型气缸垫

2.活塞连杆组

活塞连杆组由活塞、活塞销座、活塞环、活塞销和连杆等机件组成，如图2－13 所示。

1）活塞

活塞如图2－14 所示，其主要功能是承受燃烧气体压力，并将此压力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。此外，活塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。

图2－13　活塞连杆组结构示意

图2－14　活塞

目前，汽油机活塞广泛采用铝合金材料，有的柴油机活塞也采用高级铸铁或耐热钢制造。

活塞的基本结构包括顶部、头部和裙部3 个部分，如图2－15 所示。

（1）活塞顶部。活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状与燃烧室形状和压缩比的大小有关，主要有平顶、凸顶、凹顶和成型顶4 种形式，如图2－16 所示。

图2－15　活塞的基本结构

图2－16　活塞顶部的结构类型

（2）活塞头部。活塞头部是活塞环槽以上的部分，其作用是承受气体压力，并将压力通过活塞销座、活塞销传给连杆；与活塞环一同实现气缸的密封；将活塞顶部吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁。发动机活塞一般有2～3 道气环槽和1 道油环槽。

（3）活塞裙部。自油环槽下端面起至活塞底面的部分称为活塞裙部。

活塞裙部承受膨胀侧向力的一面称为主推力面，承受压缩侧向力的一面称为次推力面，如图2－17 所示。

图2－17　活塞裙部承受侧向力示意

2）活塞销座

活塞销座位于活塞裙部的上部，加工有座孔，用以安装活塞销。有些活塞销座孔内加工有卡环槽，以便安装活塞销卡环，防止活塞销工作时轴向窜动。

一般地，活塞销座轴线都位于活塞中心线平面内，当活塞越过上止点改变运动方向时，由于侧压力瞬时换向，活塞与气缸壁接触面突然由一侧平移到另一侧［如图2－18（a）所示］，产生活塞对气缸壁的“敲击”（俗称“活塞敲缸”）。因此，有些发动机将活塞销座轴线向做功行程中受侧压力较大的一面偏移1～2 mm，如图2－18（b）所示。这样，当活塞接近上止点时，作用在活塞销座轴线右侧的气体压力大于左侧，使活塞倾斜，活塞裙部下端提前换向，侧压力相反时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向，而使换向冲击大大减少。

图2－18　活塞运动过程示意

（a）活塞销对中布置；（b）活塞销偏置

3）活塞环

活塞环安装在活塞头部的活塞环槽中，其按功能可分为油环和气环两类，如图2－19所示。

（1）活塞环的作用。

①气环的作用是保证活塞和气缸壁间的密封，防止气缸中的高温、高压燃气大量窜入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却水或空气带走。一般发动机每个活塞上装有2～3 道气环，如图2－20 所示。

图2－19　活塞环

图2－20　气环及油环安装位置示意

②油环用来刮除气缸壁上多余的机油，并在气缸壁上铺涂一层均匀的油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的磨损和摩擦阻力。当活塞向下移动时，油环将气缸壁上多余的机油刮下，通过小孔或切槽流回曲轴箱；当活塞向上移动时，刮下的机油仍通过回油孔流回曲轴箱。油环的刮油作用如图2－21 所示。此外，油环也起到封气的辅助作用。通常每个活塞有1～2 道油环。

目前广泛采用的活塞材料是优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁。不少发动机的第一道活塞环，甚至所有活塞环，其工作表面都进行了多孔镀铬或喷钼。

（2）活塞环的结构。

①气环是具有一定弹力和断面形状的开口环。

②油环根据结构的不同可分为整体式与组合式两种，如图2－22 所示。

图2－21　油环的刮油作用

图2－22　油环类型

（a）整体式油环；（b）组合式油环

（3）活塞环的间隙。发动机在工作时，活塞及活塞环都会发生膨胀。活塞环在气缸内应有端隙，与环槽间应有侧隙和背隙，如图2－23 所示。

①活塞环的端隙（Δ1）：端隙又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。

②活塞环的侧隙（Δ2）：侧隙又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。

③活塞环的背隙（Δ3）：背隙是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙。

（4）活塞环的密封原理。为减少气体的泄漏，在装入气缸时，各道活塞环的开口应相互错开，形成迷宫式的漏气路线，以增大漏气阻力，减少漏气量。图2－24 所示为3 道活塞环开口的安装角度示意。

图2－23　活塞环的间隙

图2－24　活塞环开口的安装角度示意

4）活塞销

活塞销的功能是连接活塞与连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆，如图2－25所示。活塞销在高温下承受很大的周期冲击载荷，润滑条件较差（一般靠压力润滑和飞溅润滑），因此要求活塞销要有足够的刚度和强度，表面须耐磨，质量尽可能小，如图2－26所示。因此，活塞销通常制成空心圆柱体。

图2－25　活塞销的安装位置

图2－26　活塞销

活塞销一般由低碳钢制造，先经过表面渗碳处理，以提高表面硬度，并保证心部具有一定的冲击韧性，然后进行精磨和抛光。活塞销与活塞座孔和连杆小头的连接方式一般有全浮式和半浮式两种，如图2－27 所示。

（1）全浮式。在发动机正常工作温度时，活塞销能在连杆衬套和活塞销座孔中自由转动，从而增大了实际接触面积，减小了磨损并使磨损均匀，因此被广泛采用。

图2－27　活塞销的连接方式

（a）全浮式；（b）半浮式

（2）半浮式。半浮式就是活塞销与活塞座孔或连杆小头两处，一处固定，另一处浮动。大多采用活塞与连杆小头的固定方式。

5）连杆

连杆的作用是将活塞与曲轴连接，并将活塞承受的气体压力传给曲轴，使活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动并产生转矩。

连杆由连杆小头、连杆杆身和连杆大头3 部分组成，如图2－28 所示。

连杆小头与活塞销连接。其结构形状取决于活塞销的尺寸及其与连杆小头的连接方式。连杆杆身通常制成“工”字形断面，在强度和刚度足够的前提下可减小质量。有的连杆杆身内加工有油道，用来为活塞销与衬套进行压力润滑，如图2－29 所示。连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，一般制成分开式，被分开的部分称为连杆盖，用连杆螺栓紧固在连杆大头上。连杆大头的结构形式可分为平切口和斜切口两种，如图2－30 所示。

图2－28　连杆结构

图2－29　连杆杆身和油道

为防止连杆和连杆盖装配错误，一般在出厂时同侧均刻有配对标记，如图2－31 所示。连杆轴承也称作连杆轴瓦，装在连杆大头的孔内，用以保护连杆轴颈及连杆大头，如图2－32 所示。

3.曲轴飞轮组

曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和滑动轴承、曲轴皮带轮、曲轴正时齿轮和曲轴链轮等组成，如图2－33 所示。

图2－30　连杆大头的结构形式

（a）平切口；（b）斜切口

图2－31　连杆大头的安装标记

图2－32　连杆轴承

图2－33　曲轴飞轮组及其主要部件

1）曲轴

曲轴的功能是把活塞连杆组传来的气体压力转变为转矩并对外输出。另外，曲轴还用来驱动发动机的配气机构和其他各种辅助装置。

曲轴的基本结构包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重及后端凸缘等，如图2－34 所示。一个连杆轴颈和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。

为了保证发动机在运转时，实现曲轴和飞轮的动平衡，曲轴上都严格设置有平衡重。平衡重用来平衡连杆大头、连杆轴颈和曲柄销等产生的离心力及力矩，以使发动机运转平稳。多数曲轴采用在曲柄臂上打孔的形式进行配重，如图2－34 所示。

图2－34　曲轴的构造

曲轴前端装有驱动配气凸轮轴的正时齿轮、驱动发电机和空调压缩机的带轮等。曲轴后端有安装飞轮用的凸缘盘。

发动机工作时，由于曲轴箱内具有一定的气体压力，为了防止机油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴的前端和后端都设有油封。前油封通常安装在机油链轮室箱体盖上；后油封一般安装在后油封座上。部分大型发动机为了加强曲轴前、后端的密封性，还会采用甩油盘、回油螺纹等封油装置。

（1）曲拐的布置。一个连杆轴颈和它两端的曲柄及相邻两个主轴颈构成一个曲拐，如图2－35 所示。曲轴的曲拐数取决于发动机气缸的数目和排列方式。直列式发动机的曲拐数等于气缸数；V 形发动机的曲拐数等于气缸数的一半。

（2）发动机曲拐的工作顺序。如多缸发动机气缸数为i，则发动机做功间隔角为720°／i。

常见多缸发动机曲拐的布置和工作顺序如下：

①直列四缸四冲程发动机的曲拐布置。直列四缸四冲程发动机的曲拐被对称布置在同一平面内，如图2－36 所示。做功间隔角为720°／4＝180°，各缸工作顺序有1－3－4－2 和1－2－4－3 两种。工作循环如表2－1 所示。

图2－35　曲拐

图2－36　直列四缸四冲程发动机曲拐布置

表2－1　直列四缸四冲程发动机工作循环（工作顺序1—3—4—2）

②直列六缸四冲程发动机的曲拐布置。直列六缸四冲程发动机的曲拐被均匀布置在互成120°的3 个平面内，如图2－37 所示。做功间隔角为720°／6＝120°，各缸工作顺序有1－5－3－6－2－4 和1－4－2－6－3－5 两种。其中以第一种工作顺序应用较为普遍。工作循环如表2－2 所示。

图2－37　直列六缸四冲程发动机的曲拐布置

表2－2　直列六缸四冲程发动机工作循环（工作顺序1－5－3－6－2－4）

（3）曲轴扭转减振器。发动机工作时，由于经连杆传给曲轴的作用力呈周期性变化，所以曲轴旋转的瞬时角速度也呈周期性变化。安装在曲轴后端的飞轮，由于转动惯量很大，可以看作等速运动，这造成曲轴相对飞轮转动时快时慢，使曲轴产生扭转振动。当振动频率与曲轴的自振频率呈整数倍关系时，曲轴扭转振动便因共振而加剧，从而引起功率损失、正时齿轮或链条磨损增加，严重时甚至会将曲轴扭断。为了削减曲轴的扭转振动，有的发动机在曲轴前端装有扭转减振器。

常用的扭转减振器有橡胶式、摩擦式和黏液（硅油）式等形式。

2）飞轮

飞轮的功能是将做功行程的部分能量存储起来，以便在其他行程带动曲柄连杆机构工作；提高曲轴运转的均匀性和克服发动机短时的超负荷；将发动机的动力传给离合器。

飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，在它的外缘上压有一个起动用的齿圈，在发动机起动时与起动机齿轮啮合，带动曲轴旋转，如图2－38 所示。有些飞轮上通常刻有第一缸点火正时记号，以便校准点火时间，如图2－39 所示。

图2－38　飞轮

图2－39　飞轮上的正时记号

3）滑动轴承（轴瓦）

发动机滑动轴承主要包括连杆衬套、连杆轴承、曲轴主轴承和曲轴止推轴承等。

（1）连杆轴承。连杆轴承和曲轴主轴承均承受交变载荷和高速摩擦，因此轴承材料必须具有抗疲劳强度高、摩擦小、耐磨损和耐腐蚀等特点。

连杆轴承包括连杆上瓦和连杆下瓦，如图2－40 所示，其安装在连杆和曲轴的连接部位，具有耐磨、连接、支撑、传动作用。

（2）曲轴主轴承。曲轴主轴承俗称“大瓦”，如图2－41 所示，装于主轴承座孔中，将曲轴支承在发动机的机体上。为了向连杆轴承输送润滑油，在主轴承上都开有周向油槽和通油孔。

（3）曲轴止推轴承。

汽车在行驶时，由于驾驶人员在踩踏离合器时会对曲轴施加轴向推力，所以可能使曲轴发生轴向窜动。为了保证曲轴轴向的正确定位，需装设止推轴承，以保证曲轴受热膨胀时能自由伸长。曲轴止推轴承有翻边轴瓦（如图2－42 所示）、半圆环止推片和止推轴承环3 种形式。

图2－40　连杆轴承

图2－41　曲轴主轴承

图2－42　翻边轴瓦