第二章 曲柄连杆机构.doc

第二章 曲柄连杆机构2.1 概述22.2 机体组32.3 活塞连杆组122.4 曲轴飞轮组29学习目标： 1.掌握机体组的组成及各零部件的安装要求；2.掌握活塞的结构类型及为防止活塞热变形采取的结构措施； 3.掌握活塞环的密封原理； 4.掌握曲轴的构造特点；5.掌握连杆的构造特点； 6.掌握常见曲拐的布置特点。学习方法：介绍发动机曲柄连杆机构的结构及组成，通过实物和多媒体课件动态演示相结合，使学生掌握各零部件的结构特点和安装要求。 学习内容： 2.1 概述2.2 机体组 2.3 活塞连杆组 2.4 曲轴飞轮组 学习重点： 1.气缸体的结构类型和特点；2 活塞的结构、变形及相应的结构措施； 3.活塞环的密封原理；4.曲轴的结构特点及曲拐的布置。 作业习题： 1.试说明曲柄连杆机构的作用、组成和工作条件。2.为什么大多数气缸要用缸套？试比较干式和湿式缸套的特点。3.气缸垫有何作用？安装时应注意哪些事项 ?4.活塞的作用是什么 ? 由哪几部分组成？5.活塞采用特殊结构的原因是什么？一般活塞的形状有何特点 ?6.活塞环分为几种，作用如何 ?7.试述连杆的作用及构造。8.试述曲轴的作用，曲拐的布置与哪些因素有关？9.飞轮的作用是什么？ 2.1 概述功用 曲柄连杆机构的功用是：把燃气作用在活塞顶上的压力转变为曲轴的转矩，以向工作机械输出机械能。组成 曲柄连杆机构的主要零件可以分成三组：机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组。工作条件 在发动机作功时，气缸内最高温度可达 2500K 以上，最高压力可达 5 9MPa ，现代汽车发动机最高转速可达 3000 6000r min ，则活塞每秒钟要行经约 100 200 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 ( 如气缸、气缸盖、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。2.2 机体组机体组主要由气缸体、曲轴箱、油底壳、气缸套、气缸盖、气缸垫和发动机支承等组成如图2-2-1。2.2.1 气缸体与曲轴箱 气缸体是气缸的壳体，曲轴箱是支承曲轴作旋转运动的壳体，二者组成了发动机的机体。水冷式发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，称为气缸体曲轴箱，也可简称为气缸体，如图2-2-2 所示。风冷式发动机常将气缸体与曲轴箱分开制造再用螺栓连接起来。 气缸体作为发动机各个机构和系统的装配基体，承受较大的机械负荷和热负荷，气缸体本身应具有足够的刚度、强度和良好的耐热性，其具体结构型式分为三种，如图2-2-3 所示。(1)一般式气缸体缸体下平面通过曲轴中心线，这种缸体刚度虽不如其他两种，但缸体高度低，重量轻，容易加工。小轿车和轻型载货车用汽油机由于负荷率低，常采用这种结构形式。(2)龙门式气缸体 缸体下平面低于曲轴中心线，这种结构形式的缸体虽重些，但刚度好，一般柴油机和负荷较大的汽油机采用这种形式的缸体，大多数 V 型发动机和铝合金缸体发动机多采用这种型式。(3)隧道式气缸体缸体上的曲轴轴承座为整体式，形成隧道样，这种缸体的发动机采用滚动轴承的盘形曲轴，安装时，曲轴从一端插入，这种缸体比较笨重，但刚度最好。 气缸体内引导活塞做往复运动的圆筒就是气缸。多缸发动机气缸的排列型式决定了发动机外形尺寸和结构特点，对发动机气缸体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置。可分为：直列式、 V 型式、对置式三种，如图2-2-4a和图2-2-4b 所示。图 2-2-4a图 2-2-4b(1)直列式一般缸体是竖立的，气缸是垂直排成单行，结构简单，加工方便，但高度较高，长度较长，六缸以下发动机多采用这种型式。(2)V 型式 气缸分为左右两边排列成 V 型，其优点是发动机总长度缩短，高度降低，结构紧凑，功率增大，刚度加强，重量减轻等。但发动机宽度加大，形状复杂，加工困难。一般用于八缸以上功率较大的发动机上。(3)对置式把气缸对置排列在同一水平面上，这样降低了发动机的总高度，结构也更加紧凑。一般使用于车身底板下安装发动机的大型公共汽车上。气缸工作表面由于经常与高压、高温的燃气相接触，且有活塞在其中作高速往返运动，所以必须耐高温、耐磨损、耐腐蚀。为了保证气缸表面能在高温下正常工作，必须随时加以冷却，冷却方式有两种：一种是水冷；另一种是风冷（图2-2-5 ）。 汽车发动机上常采用水冷却。发动机用水冷却时，气缸周围和气缸盖中均有用以充水的空腔，称为水套。轿车上常用敞开式水套和封闭式水套两种。敞开式的水套在气缸体平面敞开，缸体重量轻，结构紧凑，冷却较好，变形小，寿命长。 曲轴箱有前后壁和中间隔板，其上制有主轴承孔。为了给这些轴承润滑，在侧壁上钻有主油道，前后壁和中间隔板上钻有分油道。2.2.2 气缸套 缸体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。但最近铝合金使用越来越普遍，因为铝合金缸体重量轻、导热性良好，冷却液容量可以减少。起动后，缸体可较快达到工作温度，并且和铝活塞膨胀系数完全一致，受热后间隙变化小，可减少冲击噪音和机油消耗，且和铝缸盖膨胀系数相同，工作时可减少冷热冲击所产生的热应力。 气缸壁要求有足够的耐磨性，其它部分的耐磨性能要求不高，因此，大型发动机上广泛采用镶入缸体内的气缸套，形成气缸工作表面，常将缸套分为干式和湿式两种，如图2-2-7。 (1)干式缸套干式缸套的特点是外表面不与冷却水接触，它是一个耐磨性能良好的薄壁套筒，壁厚一般为 1 3.5mm ， 它具有整体式气缸体的优点，强度和刚度都较好，但加工比较复杂，内、外表面都需要进行精加工，拆装不方便，散热不良。(2)湿式缸套 湿缸套是一个与冷却水直接接触的厚壁套筒，壁厚应保证缸套有足够的强度和刚度，一般为缸径的 5% 10% ，。 它散热良好，冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，而与水接触的外表面不需要加工，拆装方便，但缺点是强度、刚度都不如干式气缸套好，而且容易产生漏水现象。应该采取一些防漏措施。2.2.3 气缸盖 气缸盖密封气缸并与活塞顶、气缸内壁上部共同形成燃烧室，顶置发动机缸盖上还要布置进、排气道以及相应的冷却水套，对顶置凸轮轴发动机还要考虑凸轮轴的支承，还有火花塞或喷油器以及缸盖螺栓的布置等，结构十分复杂。水冷式气缸盖有三种结构型式：整体式、分体式、单体式。 (1)整体式缸盖 多缸发动机的整列气缸共用一个缸盖的称为整体式气缸盖，一般用于缸径较小的发动机。缸径小于 110mm 的发动机多采用整体式缸体，这种型式结构紧凑，可缩短气缸中心距，但刚度小，制造、维修不便。(2)分体式缸盖 多缸发动机的整列气缸中，分开为二缸一盖或三缸一盖的称为分体式气缸盖。缸径大于 110mm 且小于 150mm 的发动机多采用分体式缸盖。(3)单体式缸盖 多缸发动机每缸采用一个缸盖的称为单体式气缸盖。单体式缸盖刚度大，制造、修理方便，备件存储比较优越，但缸心距较大，且要用专门的回水管回流缸盖冷却水，故结构复杂，缸径大于 150mm 的发动机多采用单体式缸盖，风冷发动机均采用单体式缸盖。 各种型式的缸盖底面都与气缸、活塞共同形成燃烧室，有气道、气门的布置，有火花塞或喷油器的布置，有冷却水套和导流片或导水管的布置等。对顶置气门和顶置凸轮轴还要布置摇臂轴承座、凸轮轴轴承座以及气门座和气门导管等。 汽油机的燃烧室是由活塞顶面和气缸盖上相应的凹坑所组成，其型式各不相同，但大致有以下几种：(1)楔形燃烧室 燃烧室横向剖面呈楔形，有较大的挤气面产生压缩涡流，使距火花塞燃烧最远处得到很好冷却，有利于抑制爆震的产生，这种燃烧室气门多列于一侧，如图2-2-9a ）所示。 图2-2-9a 图2-2-9b 图2-2-9c(2)浴盆式燃烧室 这种燃烧室形状象浴盆，燃烧室中可适当布置挤气面，燃烧温度较低，工作较柔和，只是进气受到室壁的影响，如图2-2-9b ）。(3)半球形燃烧室 这种燃烧室的气门呈横向 V 形排列。因此气门头部直径可以做得较大，换气好。火花塞多位于燃烧室得中部，抗爆性好，经济性、动力性好，如图2-2-9c ）。(4)浅蓬形燃烧室 这种燃烧室断面象蓬形，由半球形发展而成，燃烧室紧凑，适于装置多气门。进、排气门分布在缸盖两侧，呈 V 形，但其夹角较球形小，这种气门有利于驱动。2.2.4 气缸垫气缸垫置于气缸盖与气缸体之间，作用是保证燃烧室的密封，防止漏气、漏水。 气缸垫的材料要有一定的弹性，能补偿结合面的不平度，以确保密封，同时要有好的耐热性和耐压性，在高温高压下不烧损、不变形， 拆装方便，能重复使用，寿命长。目前应用的气缸垫结构大致有金属石棉垫、纯金属垫等几种。 2.2.5 油底壳 油底壳的主要功能是储存机油并封闭曲轴箱。油底壳一般受力很小，多采用薄钢板冲压而成，其形状决定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，采用了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够吸到机油，油底壳后部一般做的较深。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塞。多数放油塞是磁性的，能吸附机油中的金属屑，减少发动机运动件的磨损。 2.2.6 发动机支承 发动机一般通过气缸体和飞轮壳或变速器壳上的支撑支承在车架上。发动机的支承方法，一般有三点支承和四点支承两种，发动机在车架上的支承是弹性的，这是为了消除在汽车行驶过程中车架的扭转变形对发动机的影响，以减少传给底盘和乘员的噪音和振动。2.3 活塞连杆组活塞连杆组由活塞组和连杆组两部分组成，如图2-3-1 所示。2.3.1 活塞组活塞组包括：活塞、活塞环、活塞销等。2.3.1.1活塞 活塞是发动机的重要传力机构，活塞与缸盖、气缸形成密闭的容器，保证工作过程的顺利进行，同时将燃气压力通过连杆把力传给曲轴输出。在工作过程中，活塞承受周期性变化的气体压力和惯性载荷，并在气缸中作高速往复运动，将力传给连杆，同时承受交变的侧压力。发动机工作时，燃气温度高达 2000 以上，活塞顶部接触燃气，因高温使材料机械性能降低，甚至产生高温蠕变。当顶部温度超过 370400 时，还会产生热裂现象。第一道环槽温度超过 200220 ，就会造成活塞环粘结。进气时，活塞又受到冷的新气冲刷，造成温度不均，引起大的热应力和活塞变形。活塞工作温度高且作往复变速运动，润滑又困难，所以极易磨损。根据活塞的工作条件，对活塞的要求是： 有足够的刚度、强度和耐热性，以承受燃气的高温高压；加工精度要求高，保证密封又不增加磨损；尽量降低重量，以减少惯性载荷；润滑性和耐磨性良好，以提高寿命。 铝合金材料基本上满足上面的要求，因此，活塞一般都采用高强度铝合金，但在一些低速柴油机上采用高级铸铁或耐热钢。 活塞的基本结构可分为顶部、头部、裙部三部分如图2-3-2 所示。(1)活塞顶部活塞顶部形成燃烧室的底部，主要有平顶、凹顶和凸顶等几种型式，具体形状取决于燃烧室的要求。汽油机活塞顶部多为平顶，如图2-3-3a )所示，其优点是加工简单，而且减少顶部与燃气的接触面积，从而使应力分布均匀。 现代高压缩比、多气门发动机，为满足燃烧室的要求也有略微凸起或凹下的形状，以及为了避免活塞与气门碰撞而制成凹坑，如图 2-3-3b和图 2-3-3c )所示。 柴油机活塞顶部由于燃烧系统的不同，形状有较大的差异。非直喷式的涡流室式或预燃室式燃烧室的活塞顶部基本为平顶或微浅凹坑，而直喷式燃烧室为了混合气形成的需要，一般均有较复杂的形状)。 活塞顶部的厚度通常是从中间向四周逐渐增厚，以保证足够的刚度和散热要求。在没有特殊冷却装置的情况下，顶部的热量通过活塞环和裙部，经缸筒将热散到冷却介质。对增压强化发动机来说，为降低顶部温度负荷，有专门的油道冷却活塞顶部。它通过机油循环冷却活塞。 (2)活塞头部 活塞头部是活塞环槽以上的部分。其主要作用有三： 1 )承受压力并传给连杆； 2 )与活塞环一起实现气缸的密封； 3 )将活塞顶吸收的热量通过活塞环传导到气缸壁上。头部切有若干道用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有 23 道环槽，上面 12 道用以安装气环，下面一道用以安装油环。在油环槽底面上钻有许多径向小孔，被油环从气缸壁上刮下来的多余机油，经这些小孔流回油底壳。 (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，其作用是为活塞在气缸内做往复运动导向和承受侧压力。 1)裙部长度和类型 活塞裙部较长时，导向性能好，裙部比压小，并有利于减少活塞在气缸内的侧偏。但裙部较长时也有一些缺点：活塞高度、重量、发动机高度的值都比较大。所以通常在保证允许的比压下，取最小长度，现代发动机活塞裙部有 3 种类型，如图2-3-5 所示。 短行程的轿车发动机多采用拖板式或半拖板式。一些载重车汽油机或柴油机常采用全裙式，有的还在裙部下端装有活塞环。 2)裙部膨胀变形控制裙部工作时受垂直气体压力 P 及侧压力 N 的作用，因此裙部沿活塞销方向变形增大。同时金属受热膨胀，因金属分布不均也使活塞销方向的膨胀量大。为使活塞在缸内工作时不致卡住，采用了如下一些措施： 椭圆锥裙裙部断面制成椭圆形，椭圆的长轴在垂直活塞销的方向，即在连杆摆动平面内或承受侧压力导向平面内，椭圆的短轴在活塞销的方向。裙部轴向呈锥形，上小下大。这样活塞工作过程中，受力受热膨胀变形时，形成圆柱形，不致在气缸内卡住。 在活塞裙部销座处铸入膨胀系数小的恒范钢片限制活塞裙部的变形，使变形量减小。当镶片在销座内表面时，可控制变形向着销座方向发展。 活塞裙部沿销座外端面在铸造时 0.5mm1mm 或深陷为特殊形销座，使销座两端处有充分的膨胀余地。 裙部开有绝热膨胀槽如图2-3-8 在裙部受侧向力较小的面，开有“ T ”形或“” 形槽。其中横槽叫绝热槽，其作用是减少头部热量向裙部传导，从而减少裙部的热膨胀。竖槽叫膨胀槽，其作用是使裙部具有一定的弹性和热态起补偿作用，使活塞在装配较小的情况下热膨胀时不致卡缸。(4)经过变形的活塞 为了提高活塞的工作性能，有些发动机采用经过变形了的活塞。1)偏心活塞 偏心活塞是指活塞销中心偏离活塞销轴线的活塞(图2-3-9 )。从发动机前面看，偏向左面或侧压力大的一面，其主要目的是减少活塞在气缸内的敲击。这种偏心活塞的偏心量不易观察出来，一般都有标记，安装时方向不能搞错， 否则换向敲击力会增大，使裙部受损。2)桶形活塞 由于活塞上部受热较强，活塞侧面的形状，通常制成锥形、梯形或锥形和柱形组合，也有较复杂的变椭圆形(即椭圆度随活塞高度而变化)。显示了几种不同的活塞侧面形状，现代汽车上的活塞有的还使用一种裙部中部隆起的桶形裙部，它不仅考虑了温度等因素引起的变形，而且还考虑到油楔的形成，从而减小摩擦，延长寿命。2.3.1.2 活塞环 活塞环包括气环和油环两种，如图2-3-11 ，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。气环所起的密封和导热的两大作用中，密封作用是主要的，因为密封是导热的前提，如果气环密封性能不好，高温燃气直接从气环外圆表面漏入曲轴箱，此时不但由于气环和气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，最后将导致活塞和气环烧坏。通常每个活塞装有 2 3 道气环。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机油膜，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。此外，油环也起到封气的辅助作用。通常每个活塞 1 2 道油环。 活塞环是在高温、高压、高速和润滑恶劣的条件下工作的，它的运动情况很复杂，不仅与缸壁间有相对高速的滑动摩擦，而且与环槽侧面上下撞击，因此活塞环的磨损是发动机中磨损最快的零件之一。这要求活塞环的材料应具有好的耐磨性、导热性、耐热性、磨合性、冲击韧性和足够的弹性等。一般多选用优质灰铸铁、球墨铸铁或合金铸铁制造，有的还采用米表面镀鉻或喷钼，以减少磨损。发动机工作时，活塞、活塞环都会发生热膨胀。活塞环既要相对于气缸上下运动，活塞又相对于环横向移动，因此活塞环在安装时应留有端隙、侧隙、背隙三处间隙，如图2-3-12 。端隙 1 又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙，一般在 0.250.50mm之间。侧隙 2 又称边隙是环高方向与环槽之间的间隙。第一道环一般为0.040.10mm，其它气环为0.030.07mm，油环较小，一般为0.0250.07mm。背隙是活塞及活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部间的间隙，一般为0.51mm。为了测量方便，维修中以环的厚度与环槽的深度差来表示。气环 1)气环的密封原理气环可能漏气的通道有三条：环面与气缸壁间；环与环槽的侧面间；开口间隙处。前两处是可以密封的，其密封原理如图2-3-13所示。第一密封面的建立 活塞环在自由状态下，其外圆直径略大于缸径，所以装入气缸后，环就产生一定的弹力与缸壁压紧，形成了第一密封面。 第二密封面的建立 由于活塞头部与缸壁间有间隙，活塞环还有侧隙和背隙，气缸内未被密封的气体不能通过第一密封面下窜，便窜入侧隙和背隙， 把环压到环槽端面形成第二密封面。气环的第二次密封 窜入活塞环背隙和侧隙的气体，产生背压力和侧压力，使环对缸壁和环槽进一步压紧，显著加强了第一、第二密封面的密封。此即为气环的第二次密封。有了两个密封面的密封，理论上只有开口处是唯一的漏气通道。因此安装时相互按一定位置错开，形成迷宫式封气路线（图2-3-14），其漏气量在高速发动机上是很微小的，一般仅为进气量的 0.2 1.0 。这也是往复活塞式发动机至今有巨大生命力的原因之一。 2)活塞的泵油作用及危害 由于侧隙和背隙的存在，当发动机工作时，活塞环便产生了泵油作用。环在气压力、惯性力、摩擦力的作用下，反复地靠在环的上、下沿，其过程是：当活塞带着活塞环下行（进气行程）时，环靠在环槽的上方，环从缸壁上刮下来的润滑油充入环槽下方，见图2-3-15a ）；当活塞又带动活塞环上行（压缩行程）时，环又靠在环槽的下方，同时将油挤压到环槽的上方，见图2-3-15b ），如此反复运动，就将润滑油泵到活塞顶。 活塞环的泵油作用，一方面对润滑困难的气缸都是有利的，另一方面随着发动机转速的日益提高，泵油作用加剧，不仅增加了润滑油的消耗，而且可能使火花塞因沾油而不能产生电火花，并使燃烧室内积炭增多，甚至环槽内形成积炭，挤压活塞环而失去密封性。另外还加剧了气缸等件的磨损。 为此，多在结构上采取如下措施：即尽量减小环的质量，气环采取特殊断面形状，油环下设减压腔，气环下面的油环加衬簧或用组合式油环等方式。 3)气环的断面形状 为了提高压强和密封，加速磨合，减小泵油和改善润滑（布油和刮油），除合理选择材料及加工工艺外，在构造上出现了许多不同断面形状的气环，常见的有如下几种（图2-3-16）： 矩形环 结构简单，制造方便，且与缸壁接触面积大，有利于活塞头部的散热。 锥形环 其锥角一般为 30 60 ，这种活塞环只能按图示方向安装（环上多有标记）。由于它与缸壁是线接触，单位压力大，有利于密封和磨合。随着磨合里程的增加，接触也逐渐增大，最后便成为普通的矩形环了。另外，这种环在活塞下行时有刮油作用，上行时有布油作用，并且可形成楔形油膜而改善润滑。锥形环传热性差，常装到第二、三道环槽上由于锥角很小不易识别，为避免装错，在环端上侧面标有记号（向上或 TOP ）等。 扭曲环 将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。为了减少开口处的漏气量，外圆下方切口的环，在离开口 3mm5mm 内仍保持原矩形断面。 当活塞环装入气缸后， 由于断面不对称，产生不平衡力的作用，使活塞环发生扭曲变形。 扭曲后的环面与锥形环相似，线接触，有利于密封和走合；能刮油、布油和形成楔形油膜。减少了环在环槽内的上下移动量，从而减小了泵油作用，并减小了冲击力，使磨损减轻。作功行程作用于环上侧及背面的燃烧压力足以使环不再扭曲，两个密封面达到完整接触，既有利于散热，也使单位压力不致过大。 目前被广泛地应用于第 2 道活塞环槽上，安装时必须注意断面形状和方向，内切口朝上，外切口朝下，不能装反。 梯形环 某些热负荷较大的柴油机，第一道环容易因结胶而粘结在环槽内失去作用，因而采用了梯形环。这种环当活塞在侧压力作用下左、右换向时，环的侧隙 2 和背隙3 将不断变化，使胶状油焦不断从环槽中被挤出，避免了上述故障。另外，当发动机停转，活塞冷却时，其径向收缩会加大2 ，起抵消轴向收缩而减小2 的作用，使活塞环不会滞住，这对冷车启动有利。半梯形环除上述作用外，还具有内切口扭曲环特点。 桶形环 桶形环是近几年来出现的一种新结构环，其特点是活塞环的外圆面为凸圆弧形。当桶形环上下移动时，均能与气缸形成楔形空间，使机油容易进入摩擦面，从而使磨损大为减少；环面与缸壁是圆弧接触，能很好地适应活塞的摆动，避免了棱角负荷；接触面积小，有利于密封。 随着发动机的高压缩比、高速、大功率和短行程的发展，气环趋于轻而窄。其优点是：面窄摩擦热小，不易拉毛；质轻而不易产生跳动和颤振；可减小活塞的环带部尺寸，从而减小活塞高度，使活塞质量减小。 油环 油环分为整体式与组合式两种。 (1)整体式油环 如图 2-3-18所示，环的外圆柱面中间加工有凹槽，槽中钻有小孔或开切槽。当活塞向下移动时，油环将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。 (2)组合式油环 它由一个径向衬环、三个扁平环 ( 上面两片，下面一片 ) 和一个轴向波形环组成。其材料为弹簧钢，三个扁平环的外圆表面镀铬。轴向波形环使扁平环贴紧槽上下端面，形成端面密封，以防机油上窜；径向衬环使扁平环外围紧贴气缸壁，以便活塞下行时刮去气缸壁上多余的机油。由于扁平环较薄，径向衬环弹力较大，各扁平环独立工作，能很好地适应气缸壁不均匀磨损和活塞变形摆动的影响。组合环具有对缸壁接触压力高且均匀、刮油能力强、密封性良好等优点，应用日益增多。 2.3.1.3 活塞销 功用：连接活塞与连杆，并将活塞所受的燃气压力传结连杆。工作条件：活塞销承受着很大的周期性的冲击载荷，为此，要求活塞销要有足够的强度和刚度。特别是刚度最为重要。另外要求尽量的轻，以减小运动质量的惯性力。由于销、销座和连杆小头的润滑靠飞溅油雾润滑，润滑条件很差，因此要求销的表面耐磨。结构形状有三种：圆柱形、组合形、两段截锥形 。 圆柱形孔结构简单，加工容易，但从受力角度分析，中间部分应力最大，两端较小，所以这种结构质量较大，往复惯性力大；为了减小质量，减小往复惯性力，活塞销做成两段截锥形孔，接近等强度梁，但孔的加工较复杂；组合形孔的结构介于二者之间。 活塞销与活塞销座的连接形式： (1)全浮式活塞销 活塞销与活塞销座的连接现代大多采用全浮式连接，即在发动机运转过程中，活塞销不仅可以在连杆小头衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢的转动，以使活塞销各部分的磨损比较均匀。在采用铝活塞时，由于销座的热膨胀量大于钢质活塞销，为了保证工作热状态下销与销座的正常工作间隙 (0.01 0.02mm) ，在冷态装配时，销与销座孔采用过渡配合。在装配时应把活塞放在 70 80 的油中加热，然后把销用手轻推入销孔中。为了防止活塞销轴向窜动而刮伤气缸壁，在活塞销座孔两端用卡环嵌在销座环槽中加以轴向定位。 (2)半浮式活塞销半浮式连接就是销与销座孔和连杆小头两处中，一处固定，一处浮动，其中大多采用活塞销与连杆小头固定的方式，即加热连杆小头后，将销压入，为过盈配合，销与座孔间有一定装配间隙。这种连接方式是销座孔内无卡簧，小头处无衬套，省去了衬套的作业内容，适用于轻型高速发动机。2.3.2 连杆组 连杆是活塞与曲轴连接的部件，其功用是将活塞承受的力传给曲轴，并将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。 连杆主要承受的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷，因此要求连杆具有足够的强度和刚度。强度不足会导致杆身、大头盖及连杆螺栓的断裂，造成严重事故。若刚度不足则会造成大头失圆而破坏润滑，连杆螺栓承受附加载荷。杆身弯曲会造成活塞和气缸偏磨、活塞环漏气与窜油等。为了增加强度和刚度，应采用合理的结构设计，同时应选用强度高而轻的材料，以及合理的工艺。连杆材料一般选用优质中碳 45 号结构钢模锻。强化柴油机则采用 40Cr 等合金钢以及 40MnB 、 40MnVB 等硼钢作材料。 连杆分为大头、小头、杆身三部分 (1) 连杆小头 连杆小头除传力外还相对于活塞销作往复摆动。因此在要求强度和刚度的同时还要求耐磨和减少摩擦力。为此一般在连杆小头孔中都压入减摩的青铜衬套。为了润滑活塞销与连扦衬套这对摩擦副，在小头及衬套上钻出集油孔或铣出集油槽，收集发动机运转时飞溅上来的润滑油用来进行润滑。有的发动机连杆小头采用压力润滑，在连杆杆身内钻有纵向的压力油通道。 (2) 连杆杆身连杆杆身也承受交变载荷的作用，因此，杆身要具有足够的断面积。为了在较小的重量下得到较大的刚度，高速发动机的连杆杆身大都采用“工”字形的断面，其长轴在连杆摆动平面内。为了使连杆从小头到大头传力比较均匀，杆身断面一般从小头到大头逐渐加大。连杆体上有些钻有喷油孔，喷出的油润滑气缸、活塞销、活塞环、活塞等。(3) 连杆大头连杆大头与曲轴上的连杆轴颈相连接，因此要求有足够的强度和刚度，以保证整机的可靠性。连杆大头与连杆盖的分开面大多垂直连杆轴线，称为平切口连杆。由于平切口连杆的大端具有较大的刚度，轴承孔受力变形小及制造费用低，大都采用这种结构。 在某些柴油机上，为了增加曲轴轴承的工作能力而采用连杆轴颈 ( 曲柄销 ) 略大于气缸直径。为了使连杆大头在卸下连杆盖以后仍能从气缸抽出，连扦大头一般采用斜切口，斜角大多为 45 度。某些 V 形发动机为了使曲轴箱外形更为紧凑，也采用斜切口连杆。斜切口连杆刚度较差，变形较大。当连杆受拉伸时，沿连杆杆体与连杆盖结合面方向作用着很大的横向力，使连杆螺栓承受剪切力。为此必须采用能承受较大剪力的定位元件，才能保证工作可靠。斜切口连杆的常用定位有止口定位、套筒定位和锯齿定位三种，如图 2-3-23 所示。1) 止口定位。优点是工艺简单，成本低。但不能防止大头盖止口向外变形，连杆体止口向内变形，这种盖与体都是单向定位，定位不可靠。止口因加工误差或拆装变形对大头孔影响较大，且大头横向尺寸较大，不紧凑。2)套筒定位。连杆体的孔和连杆盖的孔分别加工，然后压配一个刚度大，且剪切强度高的短套筒。这样，拆装大头盖十分方便。其缺点是套筒孔的加工要求高，若孔距不够准确时会出现过定位而引起大头孔严重失圆。另外大头横向尺寸也较大。 3)锯齿形定位 优点是锯齿接触面积大，贴合紧密，定位可靠，结构紧凑。对节距公差要求较严，但现代采用拉削工艺能较好的满足要求，故这种定位在某些柴油机中常被采用。 在轿车发动机中斜切口连杆应用很少。一般都采用尺寸紧凑的平切口形式。 V 形发动机连杆 V 形发动机由于左右两缸的连杆装在同一个曲柄销上，故其结构随安装布置而不同。 V 形发动机的连杆布置有如下三种形式：并列式连杆布置、主副连杆布置形式、叉形连杆布置形式。 连杆螺栓及轴瓦 连杆螺栓一般采用韧性较好的优质碳素钢或优质合金钢制成，并经热处理。连杆螺栓装配时要按规定的扭紧力矩上紧，使螺栓具有足够的预紧力以保证连杆轴瓦与大头孔良好的贴合，保证连杆体与连杆盖之间有足够的压紧力。扭紧力矩过小，连杆剖分面处易产生缝隙，使连杆螺栓受到很大附加拉力而造成疲劳断裂；反之，扭紧力矩过大，超过了螺栓材料的屈服极限，会造成螺栓变形甚至断裂。为此安装连杆螺栓时，应当用扭力扳手将两个螺栓分 2 3 次交替均匀地拧紧至规定力矩。 为防止螺纹连接自行松脱，连杆螺栓处设有防松装置，常用的有开口销、锁片、铁丝、自锁螺母、螺纹表面镀铜等方法。 安装在连杆大头孔中的连杆轴瓦是剖分成两半的滑动轴承 。轴瓦是在厚 1 3mm 的薄钢背的内圆面上浇铸 0.3 0.7mm 厚的减磨合金膜，起到减小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采用。在铜铅合金减磨层上再镀一层厚度为 0.02 0.03mm 的铜或锡，即能用于高度强化的柴油机。连杆轴瓦的背面应有精度很高的表面粗糙度。半个轴瓦在自由状态下不是半圆形，当它们装入连杆大头孔内时，又有过盈，故能均匀地紧贴在大头孔壁上，具有很好的承受载荷和导热的能力。这样可以提高其工作可靠性和延长使用寿命。 为了防止连杆轴瓦在工作中发生转动或轴向移动，在两个连杆轴瓦的剖分面上，分别冲压出高于钢背面的两个定位凸键 3 。装配时，这两个凸键分别嵌入在连杆大头和连杆盖上的相应凹槽中。在连杆轴瓦内表面上还加工有油槽 2 ，用以贮油，保证可靠润滑。2.4 曲轴飞轮组曲轴飞轮组主要由曲轴和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。如图2-4-1 为四缸发动机的曲轴飞轮组。2.4.1 曲轴 曲轴的功用是把活塞的往复运动变为旋转运动，对外输出功率并用来驱动发动机各辅助系统工作。曲轴在工作中受到周期性变化的气体压力、往复运动质量惯性力、旋转运动质量惯性力及力矩的作用。这些周期性的交变载荷会引起曲轴的振动和疲劳破坏，同时在曲轴轴颈与轴承之间造成严重磨损，因此要求曲轴具有足够的强度和刚度，特别是曲柄部分的强度，而刚度不足，曲轴的挠曲变形大，会使活塞、连杆、轴承等工作条件恶化。同时要求轴颈表面有良好的润滑条件和耐磨性，质量要轻。曲轴一般用优质中碳钢或合金钢锻造而成，轴颈表面经精加工和热处理。为了节约钢材、降低成本，近年来也用高强度的球墨铸铁来铸造曲轴。曲轴的结构型式可分为整体式与组合式两大类。整体式曲轴是将曲轴做成一个整体零件。它的优点是具有较高的强度和刚度、结构紧凑、质量轻，目前在汽车发动机上多采用该型式。组合式曲轴是将曲轴分成若干个零件分别进行加工，然后组装在一起，构成完整的曲轴。其优点是加工方便，便于系列产品通用，缺点是强度和刚度较差，装配较复杂。国产 135 系列柴油机采用组合式曲轴。以下将主要介绍整体式曲轴。曲轴形状比较复杂，它可分为主轴颈、曲柄销 ( 又称连杆轴颈 ) 、曲柄、曲轴前端和曲轴后端等五个部分，并通过主轴颈支承在主轴承上旋转。 主轴颈 按照曲轴的主轴颈数，可以把曲轴分为全支承曲轴和非全支承曲轴两种。在相邻的两个曲拐之间，都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴，否则称为非全支承曲轴。因此直列式发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数 ( 包括曲轴前端和后端的主轴颈 ) 比气缸数多一个； V 型发动机的全支承曲轴，其主轴颈总数比气缸数的一半多一个。 全支承曲轴的优点是可以提高曲轴的刚度和弯曲强度，并且可减轻主轴承的载荷。其缺点是曲轴的加工表面增多，主轴承数增多，使机体加长。这两种型式的曲轴，均可用于汽油机，但柴油机因载荷较大多采用全支承曲轴。 曲柄销 它与连杆大头相连，并在连杆轴承中转动，曲柄销与气缸数相等。为了使曲轴易于平衡，曲柄销都对称布置。如四缸发动机曲轴的一、四缸曲柄销在同一侧，二、三缸曲柄销在另一侧，两者相差 180。 曲柄 曲柄是主轴颈与曲柄销的连接部分，也是曲轴受力最复杂、结构最薄弱的环节。曲柄形状多数呈矩形或椭圆形，它与主轴颈和曲柄销的连接处形状突然变化，存在着严重的应力集中现象，曲轴裂缝或断裂大多数出现在这个部位。为了减小这种应力集中现象，此处都采用过渡圆角连接。但过渡圆角半径过大会使轴承的承压面积减小。为了平衡曲轴旋转的惯性力，往往在曲柄上与曲柄销相反的方向装有平衡重 ( 或制成整体 ) 。 前端轴与后端轴前端轴是第一道主轴颈之前的部分，通常有键槽和螺栓，用来安装正时齿轮、皮带轮、扭转减振器等。后端轴是最后一道主轴颈之后的部分，一般在其后端有凸缘盘，飞轮用螺栓紧固于曲轴后端面上。其中有的汽油喷射发动机的产生点火和喷油脉冲的信号发生器齿轮装在飞轮的前端或后端。 曲轴的前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑油沿轴颈流出油底壳，在曲轴前后都设有防漏装置。常用的防漏装置油挡油盘、填料油封、自紧油封、回油螺栓等。为常见的自紧油封的曲轴前后端结构 曲轴的轴向定位 为阻止车辆行驶时，离合器经常结合与分离和带锥齿轮驱动时施加于曲轴上的轴向力以及在上、下坡行驶或突然加速、减速出现的曲轴轴向窜动，曲轴必须有轴向定位，以保证曲柄连杆机构的正常工作。但也应允许曲轴受热后能自由膨胀，所以曲轴轴向上只能有一处设置定位装置。 轴向定位是通过止推装置实现的。止推装置有翻边轴瓦、止推片、止推环和轴向止推滚珠轴承等多种形式。 (1) 翻边轴瓦 翻边轴瓦放在曲轴的某一主轴承内，靠翻边轴瓦两外侧表面的减摩合金层 ( 与轴瓦内表面的合金层相同 ) 减低与轴颈端面相对运动时的摩擦阻力并可挡住曲轴的左、右窜动。翻边轴瓦工艺复杂，成本高现巳很少采用。 (2) 止推片 止推片是外侧有减摩合金层的半环状钢片，装在机体或主轴承盖的槽内为防止止推片的转动，止推片上有凸起卡在槽内，止推片用 4 片，也可用 2 片。 (3) 止推环 如图 2-4-5c) 所示。当止推装置放在曲轴第一主轴颈 ( 曲轴自由端 ) 上时，可采用两个带有减摩合金层的止推钢环的形式。因为它可从曲轴端部直接套入主轴颈上。为防止止推环转动，止推环上有止转销孔与主轴承盖上的止转销相配合。安装止推环时钢背应面向机体与轴承盖。止推片与止推环广泛用于发动机曲轴止推。(4) 轴向止推滚珠轴承 在轴向力大且频繁作用时，多采用轴向止推滚珠轴承。轴向止推滚珠轴承装在曲