2.1  曲柄連桿機構(gòu)的運動與受力

曲柄連桿機構(gòu)主要由活塞、連桿、曲軸和飛輪等組成。它是將活塞頂?shù)娜細(xì)鈮毫D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩，輸出機械能的傳動機構(gòu)。

式中 ——連桿比， ＝R/L，一般在1/3～1/4；

ω——曲軸角速度，勻速運動時，它等于 ；

活塞位移、速度和加速度曲線（圖2-2）。

曲柄連桿機構(gòu)的運動特點：

（1）曲軸雖然作勻速運動，而活塞的速度卻是不均勻的。在上、下止點處速度等于零，在α=90⁰稍前處和α=270⁰稍后處達到**大值。即活塞從上止點向下止點運動和從下止點向上止點運動的約前半個行程是加速，后半個行程是減速。

1.氣體作用力（圖2-3）

F_P——燃燒氣體作用在活塞的頂部力（可分解為F_P1和F_P2）；

F_P2——側(cè)壓力（使氣缸活塞產(chǎn)生磨損，并有使機體翻轉(zhuǎn)的趨勢，故機體下部的兩側(cè)應(yīng)固定在車架上，若有松動，將造成發(fā)動機振動）。

F_P1可分解為F_R和F_S

F_R——法向力；

F_S——切向力（推動曲軸旋轉(zhuǎn)）。

氣體壓力變?yōu)樽枇Α?/div>

圖2-4  往復(fù)慣性力和離心力 a)活塞在上半行程時的慣性力    b) 活塞在下半行程時的慣性力

2.往復(fù)慣性力與離心力（圖2－4） 

圖2-5  氣缸體 1-曲軸支乘孔  2-機體  3-氣缸  4--水道

圖2-6  氣缸套 a)干式氣缸套   b)濕式氣缸套 1-機體  2-氣缸套  3-水套 4-密封圈

氣缸：是是燃燒作功的場所。為了節(jié)省貴金屬材料，降低成本，方便維修，現(xiàn)代汽車廣泛采用鑲?cè)敫左w內(nèi)的氣缸套（圖2-6）。

圖2-7  風(fēng)冷發(fā)動機 1-散熱片  2-氣缸

濕式氣缸套：外壁直接與冷卻水接觸，氣缸套僅在上、下各有一圓環(huán)地帶和氣缸體接觸，壁厚一般為5～9mm。它散熱良好，冷卻均勻，加工容易，通常只需要精加工內(nèi)表面，而與水接觸的外表面不需要加工，拆裝方便，但其強度、剛度不如干式氣缸套好，而且容易產(chǎn)生漏水現(xiàn)象，所以常加橡膠密封圈4等防止漏水，使用和維修時應(yīng)密切注意，否則將產(chǎn)生冷卻液漏入油底殼的嚴(yán)重后果。

圖2-8  氣缸體結(jié)構(gòu)形式 a)一般式    b)龍門式    c)隧道式 1-氣缸體  2-水套  3-氣缸  4-濕式氣缸套  5-凸輪軸座孔  6-加強筋  7-主軸承座  8-主軸承座孔  9-油底殼座面

(2) 龍門式氣缸體：油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉(zhuǎn)中心。優(yōu)點是強度和剛度都好，能承受較大的機械負(fù)荷；但工藝性較差，結(jié)構(gòu)笨重，加工較困難。

圖2-10  汽油機燃燒室 a) 半球形燃燒室  b) 楔形燃燒室  c) 浴盆形燃燒室

(1) 半球形燃燒室：它是橫剖面呈半球形的一種燃燒室。其結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜，火花塞布置在燃燒室中央，火焰行程短，燃燒速率高，散熱少，熱效率高。可采用4氣門結(jié)構(gòu)，充氣效率高，排氣凈化好，在轎車發(fā)動機上廣泛應(yīng)用。

圖2-11  氣缸墊

結(jié)構(gòu)：目前應(yīng)用較多的是銅皮——石棉結(jié)構(gòu)的氣缸墊，其翻邊處有三層銅皮，壓緊時不易變形。有的氣缸墊還采用在石棉中心用編織的綱絲網(wǎng)或有孔鋼板為骨架，兩面用石棉及橡膠粘結(jié)劑壓成。有的采用實心有彈性的金屬片作為氣缸墊，以適應(yīng)發(fā)動機強化要求。

圖2-12  活塞連桿組件 1－活塞 2－活塞環(huán) 3－活塞銷  4－連桿  5－連桿螺栓  6－連桿蓋  7－連桿軸瓦

由頂部、頭部和裙部三部分組成（圖2-13）。

圖2-14  活塞頂部形狀 a)平頂活塞  b) 凸頂活塞  c) 凹頂

a)

b)

c)

圖2-13  活塞的結(jié)構(gòu) 1－活塞頂部  2－活塞頭部  3－活塞裙部

圖2-15  活塞頂部記號

有些活塞頂打有各種記號（圖2-15），用以顯示活塞及活塞銷的安裝和選配要求，應(yīng)嚴(yán)格按要求進行。

圖2-16  活塞裙部結(jié)構(gòu)之一 a) 裙部橢圓  b) 錐形  c) 階梯形 d) 桶形

b)

c)

d)

a)

1）預(yù)先將活塞裙部加工成橢圓形,橢圓的長軸方向與銷座垂直。

圖2-17  活塞裙部結(jié)構(gòu)之二 a）裙部開槽  b）拖板式活塞  c）裙部鑄恒范鋼

b)

c)

a)

3）預(yù)先在活塞裙部開槽（圖2-17a）。在裙部開橫向的隔熱槽，可以減小活塞裙部的受熱量；在裙部開縱向膨脹槽，可以補償裙部受熱后的變形量。槽的形狀有“T”形或“Π”形。裙部開豎槽后，會使其開槽的一側(cè)剛度變小，在裝配時應(yīng)使其位于作功行程中承受側(cè)壓力較小的一側(cè)。通常柴油機活塞受力大，裙部一般不開槽。

圖2-18  活塞銷孔偏置結(jié)構(gòu) e-偏移量

5）裙部鑄恒范鋼(圖2-17c)。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)鑄入熱膨脹系數(shù)低的恒范鋼片。恒范鋼為低碳鐵鎳合金，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。

圖2-19  氣環(huán)密封原理

（1）氣環(huán)結(jié)構(gòu)原理（圖2-19）：氣環(huán)開有切口，具有彈性，在自由狀態(tài)下外徑大于氣缸直徑，它與活塞一起裝入氣缸后，外表面緊貼在氣缸壁上，形成第一密封面；被封閉的氣體不能通過環(huán)周與氣缸之間，便進入了環(huán)與環(huán)槽的空隙，一方面把環(huán)壓到環(huán)槽端面形成第二密封面，另一方面，作用在環(huán)背的氣體壓力又大大加強了第一密封面的密封作用。汽油機一般采用2道氣環(huán)，柴油機一般采用3道氣環(huán)。

圖2-20  氣環(huán)的斷面形狀 a) 矩形環(huán)  b)錐面環(huán)  c)正扭曲內(nèi)切環(huán)  d)梯形環(huán)  e)桶面環(huán)

1）矩形環(huán)：其斷面為矩形，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，易于生產(chǎn)，應(yīng)用**廣。但矩形環(huán)隨活塞往復(fù)運動時，會把氣缸壁面上的機油不斷送入氣缸中(圖2-21)。這種現(xiàn)象稱為”氣環(huán)的泵油作用”。

a)

b)

圖2-21  矩形環(huán)泵油作用 a)活塞下行  b)活塞上行

圖2-22  扭曲環(huán)作用原理 a) 矩形環(huán)  b) 扭曲環(huán)

3）扭曲環(huán)（圖2-20c、d）：扭曲環(huán)是在矩形環(huán)的內(nèi)圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分，使斷面呈不對稱形狀，在環(huán)的內(nèi)圓部分切槽或倒角的稱內(nèi)切環(huán)，在環(huán)的外圓部分切槽或倒角的稱外切環(huán)。裝入氣缸后，由于斷面不對稱，外側(cè)作用力合力F₁（圖2-22b）與內(nèi)側(cè)作用力合力F₂之間有一力臂e，產(chǎn)生了扭曲力矩，使活塞環(huán)發(fā)生扭曲變形。活塞上行時，扭曲環(huán)在殘余油膜上“浮過”，可以減小摩擦和磨損?；钊滦袝r，則有刮油效果，避免機油上竄。同時，由于扭曲環(huán)在環(huán)槽中上、下跳動的行程縮短，可以減輕“泵油”的副作用。目前被廣泛應(yīng)用于第2道活塞環(huán)槽上，安裝時必須注意斷面形狀和方向，內(nèi)切口朝上，外切口朝下，不能裝反。

圖2-23  油環(huán) a) 普通油環(huán)  b) 組合油環(huán) 1-刮油鋼片 2-軸向襯環(huán) 3－徑向襯環(huán)

1) 普通油環(huán)

圖2-25  活塞銷的連接方式 a)      全浮式  b) 半浮式 1-連桿小頭  2-連桿襯套  3-活塞銷  4-活塞銷座  5-卡環(huán)

全浮式：指當(dāng)發(fā)動機工作時，活塞銷、連桿小頭和活塞銷座都有相對運動，使磨損均勻?；钊N兩端裝有卡環(huán)5，進行軸向定位。由于鋁活塞熱膨脹量比鋼大，為了保證高溫工作時活塞銷與活塞銷座孔有正常間隙（0.01～0.02mm），在冷態(tài)時為過渡配合，裝配時，應(yīng)先把鋁活塞加熱到一定程度，再把活塞銷裝入。

圖2-26  連桿的結(jié)構(gòu) 1-連桿襯套  2-連桿小頭  3-連桿桿身  4-連桿螺釘  5-連桿大頭  6-連桿軸瓦  7-連桿蓋  8-連桿軸瓦凸鍵  9-凹槽

連桿桿身： “工”字形斷面，抗彎強度好，重量輕，大圓弧過渡，且上小下大，采用壓力法潤滑的連桿，桿身中部制有連通大、小頭的油道。

圖2-27  連桿大頭 a)平分式  b) 斜分式 1-連桿裝配標(biāo)志  2-機油噴孔  3-連桿蓋裝配標(biāo)志

平分——分面與連桿桿身軸線垂直（圖2-27a），汽油機多采用這種連桿。因為一般汽油機連桿大頭的橫向尺寸都小于氣缸直徑，可以方便地通過氣缸進行拆裝。

連桿蓋與連桿的定位:把連桿大頭分開可取下的部分叫連桿蓋，連桿與連桿蓋配對加工，加工后，在它們同一側(cè)打上配對記號3，安裝時不得互相調(diào)換或變更方向。為此，在結(jié)構(gòu)上采取了定位措施。平切口連桿蓋與連桿的定位多采用連桿螺栓定位，利用連桿螺栓中部精加工的

圖2-28  分開式連桿大頭定位方法 a) 鋸齒定位  b)圓銷定位  c)套筒定位  d)止口定位

圓柱凸臺或光圓柱部分與經(jīng)過精加工的螺栓孔來保證（圖3-26）。斜切口連桿常用的定位方法有鋸齒定位、圓銷定位、套筒定位和止口定位（圖3-28）。

圖2-29  連桿軸瓦 1-鋼背  2-油槽  3-定位凸鍵  4-減磨合金層

連桿軸瓦（圖2-29）：

圖2-30  叉形連桿 a) 并列式  b) 主副式  c) 叉式

（1）并列式:相對應(yīng)的左右兩缸連桿并列安裝在同一連桿軸頸上。

圖2-31  曲軸飛輪組件 1-曲軸皮帶輪  2-曲軸正時齒輪皮帶輪  3-曲軸鏈輪  4-曲軸前端  5-曲軸主軸頸  6-曲柄臂  7-曲柄銷（連桿軸頸）  8-平衡重塊  9-轉(zhuǎn)速傳感器脈沖輪  10-飛輪  11-主軸瓦  12-主軸承蓋  13-螺母  14-止推墊片  15-主軸瓦  16-止推墊片

1.曲軸

圖2-33  曲軸受力與平衡 a) 受力  b) 慣性力平衡

非全支承曲軸：曲軸的主軸頸數(shù)比氣缸數(shù)目少或與氣缸數(shù)目相等，主軸承載荷較大，但縮短了曲軸的總長度，使發(fā)動機的總體長度有所減小。

4缸

a)

b)

圖2-32  曲軸的支承方式 a) 非全支承  b) 全支承

機的平衡（圖2-33）。在一些高檔發(fā)動機上，還采用加裝平衡軸的方法進行慣性力的平衡，使發(fā)動機運轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)。

曲軸軸向定位

圖2-34  曲軸前端結(jié)構(gòu) 1、2-滑動推力軸承  3-止推片  4-定時齒輪  5-甩油盤  6-油封  7-帶輪  8-起動爪

：由于曲軸經(jīng)常受到離合器施加于飛輪的軸向力作用，有的曲軸前端采用斜齒傳動，使曲軸產(chǎn)生前后竄動，影響了曲柄連桿機構(gòu)各零件的正確位置，增大了發(fā)動機磨損、異響和振動，故必須進行曲軸軸向定位。另外，曲軸工作時會受熱膨脹，還必須留有膨脹的余地。

圖2-35  4缸四行程發(fā)動機曲柄布置

 4缸四行程發(fā)動機曲柄布置及工作順序：點火間隔角為720°/4＝180°，4個曲柄布置在同一平面內(nèi)（圖2-35）。1、4缸與2、3缸互相錯開180°，其發(fā)火順序的排列有兩種可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循環(huán)分別見表2-1和表2-2。

圖2-36  6缸四行程發(fā)動機曲柄布置

6缸四行程發(fā)動機曲柄布置及工作順序：點火間隔角為720°/6=120°，6個曲柄分別布置在三個平面內(nèi)（圖2-36），有兩種點火順序， 1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5，國產(chǎn)汽車都采用前一種，其工作循環(huán)見表2-3。

8缸四行程V型發(fā)動機曲柄布置及工作順序：

圖2-37  8缸四行程發(fā)動機曲柄布置

點火間隔角為720°/8=90°，發(fā)動機左右兩列對應(yīng)的一對連桿共用一個曲柄，所以V型八缸發(fā)動機只有四個曲柄（圖2-37）。曲柄布置可以與4缸發(fā)動機相同，4個曲柄布置在同一平面內(nèi)，也可以布置在兩個互相錯開90°的平面內(nèi)，使發(fā)動機得到更好地平衡。點火順序為1-8-4-3-6-5-7-2。其工作循環(huán)見表2-4。

圖2-38  曲軸扭轉(zhuǎn)減振器 1-橡膠墊  2-皮帶輪（前慣性盤）  3-后慣性盤  4-橡膠體  5-皮帶輪轂

作用：吸收曲軸扭轉(zhuǎn)振動的能量，消減扭轉(zhuǎn)振動，避免發(fā)生強烈的共振及其引起的嚴(yán)重惡果。（曲軸是一種扭轉(zhuǎn)彈性系統(tǒng)，各曲柄的旋轉(zhuǎn)速度忽快忽慢呈周期性變化。安裝在曲軸后端的飛輪轉(zhuǎn)動慣量**大，可以認(rèn)為是勻速旋轉(zhuǎn)，由此造成曲軸各曲柄的轉(zhuǎn)動比飛輪時快時慢，這種現(xiàn)象稱之為曲軸的扭轉(zhuǎn)振動。當(dāng)振動強烈時甚至?xí)嗲S。）

本章小結(jié) 1. 曲柄連桿機構(gòu)是將活塞頂?shù)娜細(xì)鈮毫D(zhuǎn)變?yōu)榍S的轉(zhuǎn)矩輸出機械能的傳動機構(gòu)。由于活塞的變速往復(fù)運動、曲軸的旋轉(zhuǎn)運動和連桿的復(fù)合運動，導(dǎo)致各零部件受到拉、壓、剪、扭、振動、摩擦等復(fù)雜應(yīng)力作用，造成曲柄連桿機構(gòu)相關(guān)零件的不均勻磨損和發(fā)動機振動，必需對發(fā)動機進行平衡和固定。 2. 曲柄連桿機構(gòu)包括機體組件（氣缸體、氣缸或氣缸套、氣缸蓋、氣缸墊等）、活塞連桿組件（活塞、活塞環(huán)、活塞銷、連桿、連桿軸瓦等）及曲軸飛輪組件（曲軸、飛輪等）。曲柄連桿機構(gòu)組裝時應(yīng)注意各零部件的相互配合位置關(guān)系及各重要螺釘?shù)臄Q緊力矩和擰緊方法。 3. 氣缸體分一般式、龍門式、隧道式三種；氣缸套有干式、濕式兩種；汽油機燃燒室常見有半球形燃燒室、 楔形燃燒室、浴盆形燃燒室。不同結(jié)構(gòu)特點，具有不同功能。 4. 活塞一般都采用高強度鋁合金制成。其頂部有各種凹坑，組成各種燃燒室；頭部有活塞環(huán)槽；裙部起導(dǎo)向作用，并承受側(cè)壓力。整個活塞呈上小下大，裙部橢圓形；有的開有膨脹槽等防止活塞卡死。 5. 活塞環(huán)有氣環(huán)和油環(huán)兩類。氣環(huán)起密封、傳熱作用，有矩形環(huán)、扭曲環(huán)、錐面環(huán)、梯形環(huán)、桶面環(huán)等各種截面形狀；油環(huán)起布油、刮油、傳熱作用，有普通油環(huán)和組合油環(huán)兩種。活塞環(huán)安裝時應(yīng)注意安裝位置和方向。 6. 曲軸的曲柄布置應(yīng)該使各缸點火順序均勻分布在7200曲軸轉(zhuǎn)角內(nèi)。4缸機的點火順序只有1-2-4-3和1-3-4-2兩種。根據(jù)曲軸的曲柄布置和發(fā)火順序，可分析多缸發(fā)動機各缸的工作狀況。

【復(fù)習(xí)思考題】

發(fā)表于 @ 2008年06月05日 10:41:00 |點擊數(shù)（）

舊一篇:第1章 發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)與工作原理 | 新一篇:第6章 柴油機燃料供給與燃燒