《柴油机构造与维修（第三版）》课件 项目二　曲柄连杆机构

31项目二曲柄连杆机构32目录任务1机体组任务2活塞连杆组任务3曲轴飞轮组33任务1机体组341.能讲述机体组的作用及组成。2.能讲述气缸的排列形式。3.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成机体组的拆卸与检测。4.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成气缸体和气缸盖的检修。5.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成气缸磨损的检修。学习目标35某重型载货汽车行驶近500000km，客户反映该车发动机动力不足、燃油及润滑油消耗量增加、排气管冒烟严重。经检查，发现气缸压缩压力下降，初步判定是该车气缸套、活塞及活塞环磨损严重，发动机需要大修。通过本任务的学习，能否掌握柴油机大修的流程及方法呢？情境导入36曲柄连杆机构使柴油机实现热能与机械能的转换，其主要作用是将燃料燃烧时产生的热能转变为推动活塞往复运动的机械能，再通过连杆将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动而对外输出动力。相关知识37曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分组成，如图所示。曲柄连杆机构的组成1—曲轴带轮2—曲轴正时齿形带轮3—曲轴链轮4—曲轴5—主轴承上轴瓦6—连杆大头上轴瓦7—连杆8—连杆小头轴瓦9—卡环10—活塞销11—第一道气环12—第二道气环13—油环14—活塞15—连杆螺栓16—飞轮17—转速传感器脉冲轮18—连杆大头下轴瓦

19—连杆盖20—连杆螺母21—止推片22—主轴承下轴瓦38机体组主要由气缸体、气缸盖、气缸垫和油底壳等零部件组成，如图所示。机体组的组成39一、气缸体气缸体下部用来安装曲轴的部位称为曲轴箱。曲轴箱分上曲轴箱和下曲轴箱，水冷柴油机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体

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曲轴箱，也称为气缸体，如图所示。气缸体401.结构形式（见下图）（1）一般式一般式气缸体的油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度，其优点是高度小、重量轻、结构紧凑、便于加工、曲轴拆装方便；缺点是刚度、强度较差，密封性差，主要用于中小型柴油机。气缸体的结构形式a）一般式b）龙门式c）隧道式41（2）龙门式龙门式气缸体的油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心，其优点是强度和刚度好，能承受较大的机械负荷；缺点是工艺性较差、结构笨重、加工较困难。这种气缸体主要用于大中型柴油机。（3）隧道式隧道式气缸体曲轴的主轴承孔为整体式且直径较大，一般采用滚动轴承，曲轴从气缸体后部装入。这种形式的气缸体的优点是结构紧凑、刚度和强度好；缺点是加工精度要求高、工艺性较差、曲轴拆装不方便，主要用于负荷较大的柴油机。422.冷却方式气缸体内引导活塞做往复运动的圆筒是气缸。为了使气缸内表面能够在高温下正常工作，必须对气缸体进行适当冷却。冷却方法有两种，一种是水冷，另一种是风冷，如图所示。气缸体的冷却方式a）水冷b）风冷433.排列形式现代汽车上基本采用水冷多缸柴油机。对于多缸柴油机，气缸的排列形式决定了柴油机的外形尺寸和结构特点，对柴油机机体的刚度和强度也有影响，并关系到汽车的总体布置。按气缸的排列形式不同，可将气缸体分成直列式、V形和对置式，如图所示。气缸的排列形式a）直列式b）V形c）对置式44（1）直列式柴油机的各个气缸排成一列，一般是垂直布置的。直列式气缸体结构简单、加工容易，一般六缸以下柴油机多采用直列式。（2）V形为了降低柴油机的高度，将柴油机气缸排成两列并倾斜一定角度，左右两列气缸中心线的夹角

γ＜180°，称为V形柴油机。（3）对置式气缸排成两列，左右两列气缸在同一水平面上，即左右两列气缸中心线的夹角

γ

＝180°，称为对置式。454.气缸套的形式（1）无气缸套无气缸套的气缸也称整体式气缸，气缸直接镗在气缸体上，如图所示。整体式气缸46（2）干式气缸套干式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁不直接与冷却液接触，而与气缸体直接接触，且壁厚较薄，一般为1～3mm。它具有整体式气缸的优点，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，散热不好，如图所示。干式气缸套47（3）湿式气缸套湿式气缸套的特点是气缸套装入气缸体后，其外壁直接与冷却液接触，气缸套仅在上、下各有一圆环形带和气缸体接触，壁厚一般为5～9mm。它的优点是散热良好，冷却均匀，加工容易，通常只需要精加工内表面，与冷却液接触的外表面不需要加工，拆装方便；缺点是强度、刚度不如干式气缸套好，且容易漏液，需采取防漏措施，如图所示。湿式气缸套48二、油底壳下曲轴箱用来储存润滑油，并封闭上曲轴箱，又称为油底壳，如图所示。油底壳受力很小，其形状取决于柴油机的总体布置和润滑油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠簸时油面波动过大；其底部还装有放油螺塞，放油螺塞带有磁性，可吸附润滑油中的金属屑，减少柴油机的磨损。上、下曲轴箱接合面之间装有衬垫，以防止润滑油泄漏。油底壳49三、气缸盖气缸盖安装在气缸体的上面，从上部密封气缸并构成燃烧室。气缸盖经常与高温高压燃气接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷柴油机气缸盖内部制有冷却水套，气缸盖下端面的冷却液孔与气缸体的冷却液孔相通，利用冷却液的循环来冷却燃烧室等高温部分。501.分类按气缸盖数量不同，气缸盖分为单体式和整体式两种类型。（1）单体式气缸盖单体式气缸盖的每一个气缸都设有一个气缸盖，其优点是制造容易，维修方便，气缸的密封性好，受热膨胀余地大，热应力小。在大、中型柴油机中普遍采用单体式气缸盖。（2）整体式气缸盖几个气缸的气缸盖连成一体称为整体式气缸盖，其优点是具有良好的刚性，较小的气缸中心距，便于排气道布置，常用于高速柴油机中。512.结构气缸盖上加工有进气门座、排气门座、气门导管孔、安装喷油器的孔，部分机型气缸盖内部还设计有燃油回油腔。顶置凸轮轴式柴油机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安装凸轮轴。3.材料气缸盖一般由灰铸铁或合金铸铁铸成。铝合金的导热性好，有利于提高柴油机的压缩比，因此铝合金气缸盖应用广泛。52四、气缸垫气缸垫安装在气缸盖和气缸体之间，其作用是保证气缸盖与气缸体接触面的密封，防止漏气、漏水和漏油，如图所示。按材料不同，气缸垫分为金属石棉垫、金属复合材料垫和全金属垫等。气缸垫53拧紧气缸盖螺栓时，必须按由中央对称地向四周扩展的顺序分2～3次进行，最后一次拧紧到规定的力矩，如图所示。气缸盖螺栓的拧紧顺序54五、机体组常见故障1.气缸体和气缸盖变形气缸体和气缸盖变形主要是由气缸盖螺栓拆装顺序不当、高温下拆卸气缸盖、长期高速大负荷工作、装配时螺栓孔内存在污物或拧紧力矩过大等因素引起的。气缸体和气缸盖变形后，气缸的密封性下降，会造成柴油机漏气、漏水甚至冲坏气缸垫等故障。气缸体变形引起曲轴主轴承座孔同轴度误差增大，会加剧曲轴及其轴承的磨损。此外，气缸体和气缸盖的变形还会影响离合器和变速器的正常工作。552.气缸体和气缸盖裂纹气缸体和气缸盖裂纹会导致冷却液或润滑油泄漏，影响柴油机正常工作。造成气缸体或气缸盖裂纹的主要原因是柴油机在严冬较长时间停用时，没有放尽冷却液或未使用防冻液；柴油机高温状态时骤加冷却液或冲洗柴油机；拆装或搬运不慎，使气缸体或气缸盖受到严重振动或碰撞。563.气缸磨损在正常使用情况下，气缸沿高度方向的磨损呈上大下小的锥形，最大磨损发生在活塞处于上止点时第一道活塞环对应的气缸壁位置，与活塞环不接触的气缸体上平面由于几乎不发生磨损而形成明显的缸肩，如图所示。特殊情况下，尤其是沙尘较大且润滑不良或连杆扭曲时，气缸套可能会呈现中间大、两头小的腰鼓形磨损。气缸套在径向截面内呈不规则的椭圆形磨损，最大磨损一般发生在气缸的前后或左右方向。气缸的锥形磨损57任务2活塞连杆组581.能讲述活塞连杆组的组成。2.能讲述活塞连杆组各零部件的结构特点和工作原理。3.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成活塞连杆组的拆卸与装配。4.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成活塞环的检测。5.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成连杆的检验与校正。学习目标59某重型载货汽车行驶近300000km，客户反映该车燃油及润滑油消耗增加，排气管冒蓝烟、废气有刺鼻的气味。经检查，初步判定是该车活塞及活塞环磨损严重导致。通过本任务内容的学习，能否对柴油机的活塞及活塞环的磨损程度进行检查和判定呢？情境导入60活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等部件组成，如图所示。相关知识活塞连杆组的组成61一、活塞活塞的作用是承受气体压力，并通过活塞销传给连杆带动曲轴旋转。1.对活塞的要求（1）要有足够的刚度和强度，传力可靠。（2）导热性能好，有充分的散热能力。（3）质量小，尽可能地减小往复惯性力。（4）要耐高压、耐磨损。（5）活塞与缸壁间要保持最小的间隙。（6）活塞与缸壁间应有较小的摩擦系数。622.活塞的结构活塞由活塞顶部、活塞头部和活塞裙部三部分组成，如图所示。活塞的结构63（1）活塞顶部活塞顶部承受气体压力，是燃烧室的组成部分，其形状、位置、大小与燃烧室的具体形式有关，都是为了满足可燃混合气的形成和燃烧要求。柴油机活塞顶部形状取决于混合气的形成方式和燃烧室形状。采用分隔式燃烧室的柴油机，活塞顶部设有形状不同的凹坑，如图所示，以便在主燃烧室内形成二次涡流，增强混合气的形成与燃烧。分隔式燃烧室的活塞顶部形状64柴油机还有另一类燃烧室，称为直喷式燃烧室，其全部容积都集中在气缸内，且在活塞顶部设有深浅不一、形状各异的凹坑，如图所示。直喷式燃烧室的活塞顶部形状65（2）活塞头部活塞头部是指第一道活塞环槽到活塞销孔的部分。柴油机压缩比高，一般有3～5道环槽，上部环槽安装气环，下部环槽安装油环。第一道环槽工作条件最恶劣，一般应离顶部较远些。活塞头部除用来安装活塞环外，还有密封和传热作用。活塞头部与活塞环一起密封气缸，防止可燃混合气漏到曲轴箱内，同时还将活塞顶部吸收热量的70%～80%通过活塞环传给气缸壁。66活塞头部的形状如图所示。活塞头部的形状a）阶梯形b）锥形67（3）活塞裙部活塞裙部是指从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括安装活塞销的销座孔。活塞裙部对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力。裙部的长短取决于侧压力的大小和活塞直径。其结构特点如下：1）裙部为椭圆形。活塞裙部变形682）上部做成阶梯形或锥形。如图所示，活塞沿垂直方向的温度分布不均匀，一般是上部高、下部低，因此膨胀量也是上部大、下部小。为了使活塞工作时的上、下直径趋于相等（即为圆柱形），就必须预先把活塞制成上小下大的阶梯形或锥形。活塞裙部沿垂直方向的形状a）阶梯形b）锥形693）拖板式活塞。有些活塞为了减小质量，在裙部开孔或把裙部不受侧压力的两边切去一部分，以减小惯性力，减小活塞销座孔附近的热变形量，形成拖板式活塞或短活塞，如图所示。拖板式活塞裙部弹性好、质量小，活塞与气缸的配合间隙较小，适用于高速柴油机。拖板式活塞704）活塞裙部镶筒形钢片。如图所示，在浇铸这种活塞时，筒形钢片夹在铝合金中间。活塞裙部镶筒形钢片a）结构b）筒形钢片的形状71二、活塞环活塞环是具有弹性的开口环，有气环和油环之分，其结构如图所示。活塞环a）气环b）整体式油环c）组合式油环1—外圆面2—侧面3—内圆面4—径向厚度5—环高6—开口7—开口端面8—端隙9—侧隙10—背隙11—回油孔12—上刮油唇13—下刮油唇14—上刮片15—撑簧16—下刮片721.气环气环的作用是保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并且把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，由冷却液带走。气环的密封面732.油环油环有普通油环和组合式油环两种。（1）普通油环普通油环又称为整体式油环（见下图b），环的外圆柱面中间加工有凹槽，槽中钻有回油孔或开有切槽。当活塞向下运动时，将气缸壁上多余的润滑油刮下，通过回油孔或切槽流回曲轴箱；当活塞向上运动时，刮下的润滑油仍通过回油孔流回曲轴箱。有些普通油环还在外侧上边制有倒角，使环随活塞上行时形成油楔，起到均布润滑油的作用，如图所示。74活塞环a）气环b）整体式油环c）组合式油环1—外圆面2—侧面3—内圆面4—径向厚度5—环高6—开口7—开口端面8—端隙9—侧隙10—背隙11—回油孔12—上刮油唇13—下刮油唇14—上刮片15—撑簧16—下刮片75油环的回油作用a）活塞下行b）活塞上行76（2）组合式油环（见下图c）组合式油环由上、下刮片和撑簧组成。这种油环的接触压力高，对气缸壁表面的适应性好，且回油通路大，质量小，刮油效果明显。汽车柴油机上越来越多地采用组合式油环，但其缺点是制造成本高。活塞环a）气环b）整体式油环c）组合式油环1—外圆面2—侧面3—内圆面4—径向厚度5—环高6—开口7—开口端面8—端隙9—侧隙10—背隙11—回油孔12—上刮油唇13—下刮油唇14—上刮片15—撑簧16—下刮片77三、活塞销活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，并把活塞承受的气体压力传给连杆。活塞销在高温下周期性地承受很大的冲击载荷，其本身又做摆转运动，且在润滑条件很差的环境下工作，因此，活塞销要具有足够的强度和刚度，且表面应韧性、耐磨性好，质量小。活塞销一般做成空心圆柱体，采用低碳钢和低碳合金钢制成，外表面经渗碳淬火处理以提高其硬度，精加工后进行光磨，有较高的尺寸精度。78活塞销与活塞销座孔及连杆小头衬套孔的连接配合有两种方式，如图所示，即全浮式安装和半浮式安装。活塞销的连接配合方式a）全浮式b）半浮式791.全浮式安装柴油机在正常温度工作时，全浮式安装的活塞销能在连杆衬套和活塞销座孔中自由转动，增大了实际接触面积，减小了磨损且使磨损均匀，因此这种安装方式被广泛应用，如上图a所示。2.半浮式安装如上图b所示，活塞销中部与连杆小头采用紧固螺栓连接，活塞销只能在两端座孔内自由摆动，而与连杆小头没有相对运动。活塞销不会轴向蹿动，也不需要锁片。活塞销半浮式安装在乘用车上应用较多。80四、连杆的结构与检验连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴承轴瓦等零部件组成，如图所示。连杆组的组成a）正切口式b）斜切口式811.连杆的结构连杆分为连杆小头、连杆杆身和连杆大头（包括连杆盖）三个部分。（1）连杆小头连杆小头与活塞销相连。对于全浮式活塞销，由于工作时连杆小头孔与活塞销之间有相对运动，因此常在连杆小头孔中压入减磨的青铜衬套。为了润滑活塞销与衬套，在连杆小头和衬套上铣有油槽或钻有油孔，以收集柴油机运转时飞溅上来的润滑油。有些柴油机的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。半浮式活塞销与连杆小头是固定连接的，因此连杆小头孔内不需要衬套，也不需要润滑。82（2）连杆杆身连杆杆身通常做成“I”字形断面，抗弯强度高，质量小，适于模锻。有的连杆在杆身内加工有油道，用来润滑连杆小头衬套或冷却活塞。（3）连杆大头连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，大头有整体式和分开式两种（一般采用分开式）。832.连杆的检验连杆变形可用连杆检验仪进行检验，连杆检验仪有多种类型，常用的是百分表式和三点规式。用三点规式连杆检验仪检验连杆弯曲变形如图所示。三点规式连杆检验仪检验连杆弯曲变形84任务3曲轴飞轮组851.能讲述曲轴飞轮组的组成。2.能讲述曲轴飞轮组各零部件的结构特点和工作原理。3.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成曲轴飞轮组的拆卸与装配。4.依据汽车维修操作要求，熟练、规范地完成曲轴径向间隙和轴向间隙的检测。学习目标86某重型载货汽车行驶近400000km，客户反映在行驶过程中，发动机有沉闷的异响声，踩下离合器踏板，异响消失。经检查，初步判定为曲轴轴向间隙过大，导致曲轴轴向窜动。通过本任务的学习，能否对柴油机曲轴轴向间隙进行检查和判定呢？情境导入87曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮和其他附件等组成，如图所示。相关知识曲轴飞轮组88一、曲轴曲轴是柴油机的重要机件之一，其主要作用是把活塞连杆组传来的气体压力变为旋转的动力并对外输出；另外，曲轴还用来驱动配气机构和其他辅助装置。工作时，曲轴承受气体压力、惯性力及惯性力矩的作用（受力大且复杂），同时还承受交变载荷的冲击作用。曲轴是高速旋转件，因此，要求其具有足够的刚度和强度，能承受冲击载荷，耐磨损且润滑良好。89曲轴一般用中碳钢或中碳合金钢模锻而成。曲轴一般由主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成，如图所示。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成一个曲拐，直列式柴油机曲拐的数等于气缸数，V形柴油机曲拐数等于气缸数的一半。曲轴901.主轴颈主轴颈是曲轴的支承部分，曲轴通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴颈的数目不仅与柴油机气缸数有关，还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴，如图所示。曲轴的支承方式a）全支承曲轴b）非全支承曲轴91（1）全支承曲轴曲轴的主轴颈数比气缸数多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主轴颈。全支承曲轴的强度和刚度都比较好，并且减轻了主轴承载荷，减小了磨损。大部分汽车柴油机曲轴多采用这种形式。（2）非全支承曲轴曲轴的主轴颈数比气缸数目少或与气缸数目相等，这种支承方式称为非全支承曲轴。非全支承曲轴的主轴承载荷较大，缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。有些汽油机因承受载荷较小可以采用这种曲轴形式。922.连杆轴颈曲轴的连杆轴颈是曲轴与连杆的连接部分，通过曲柄与主轴颈相连，在连接处用圆弧过渡，以减少应力集中。直列式柴油机的连杆轴颈数与气缸数相等，V形柴油机的连杆轴颈数等于气缸数的一半。3.曲柄曲柄是主轴颈和连杆轴颈的连接部分，其断面为椭圆形，为了平衡惯性力，曲柄处铸有（或紧固有）平衡块。平衡块用来平衡柴油机不平衡的离心力矩，有时还用来平衡一部分往复惯性力，从而使曲轴旋转平稳。934.曲轴前端曲轴前端装有正时齿轮、驱动风扇和水泵带轮等。为了防止润滑油沿曲轴轴颈外漏，在曲轴前端装有一个甩油盘，在齿轮室盖上装有油封。5.曲轴后端曲轴后端用来安装飞轮，在后轴颈与飞轮凸缘之间制成挡油凸缘与回油螺纹，并用密封圈密封，以防止润滑油向后蹿漏。946.曲轴轴颈的检测（1）曲轴裂纹的检测曲轴取出经清洗后，首先检查主轴颈及各连杆轴颈表面有无毛糙、疤痕和凹槽，然后检查有无裂纹。（2）曲轴弯曲的检测曲轴弯曲变形多数是使用或修理不当引起的，严重的变形一般是机械事故引起的。柴油机曲轴弯曲变形会影响其正常工作。95（3）曲轴扭曲的检测检测曲轴扭曲变形时，将曲轴置于检验平板的V形架上，将第一、第六缸连杆轴颈转到水平位置，用百分表测量两轴颈至检验平板的距离，求得同一方位上两轴颈至平板距离的高度差ΔA，即可求得曲轴扭转变形的扭转角θ：式中R——曲柄半径。96（4）曲轴轴颈磨损的检测曲轴轴颈的磨损通常用外径千分尺来测量，如图所示。曲轴轴颈磨损的检测97二、柴油机的着火顺序和曲拐布置曲轴的形状和曲拐相对位置（即曲拐的布置）取决于气缸数、气缸排列和柴油机的着火顺序。1.四缸四行程直列式柴油机的着火顺序和曲拐的布置四缸四行程直列式柴油机曲拐的布置如图所示。四缸四行程直列式柴油机曲拐的布置98四缸四行程直列式柴油机的着火间隔角为720°/4＝180°，曲轴每转半圈（180°）做功一次，四个气缸的做功行程是交替进行的，并在720°内完成。因此，可使曲轴获得均匀的转速，工作平稳、柔和。对于每一个气缸来说，其工作过程和单缸柴油机的工作过程完全相同，但要求它按照一定的顺序工作，即柴油机的工作顺序，也称为柴油机的着火顺序。可见，多缸柴油机的工作顺序就是各缸完成同名行程的次序。99四缸柴油机四个曲拐布置在同一平面内，1、4缸在上，2、3缸在下，互相错开180°，其着火顺序的排列只有两种可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，两种工作顺序的柴油机工作循环分别见下表。着火顺序为1-3-4-2的四缸四行程直列式柴油机工作循环表100着火顺序为1-2-4-3的四缸四行程直列式柴油机工作循环表1012.六缸四行程直列式柴油机的着火顺序和曲拐的布置六缸四行程直列式柴油机曲拐的布置如图所示。六缸四行程直列式柴油机曲拐的布置102六缸四行程直列式柴油机的着火间隔角为720°/6=120°，六个曲拐互成120°。工作顺序为1-5-3-6-2-4或1-4-2-6-3-5，前者应用比较普遍，其工作循环见下表。着火顺序为1-5-3-6-2-4的六缸四行程直列式柴油机工作循环表1033.八缸四行程V形柴油机的着火顺序和曲拐的布置八缸四行程V形柴油机的着火间隔角为720°/8=90°。V形柴油机左右两列中对应的一对连杆共用一个曲拐，因此八缸V形柴油机只有四个曲拐，如图所示。八缸四行程V形柴油机曲拐的布置104曲拐布置可以与四缸柴油机相同，四个曲拐布置在同一平面内，也可以布置在两个互相错开的90°的平面内，使柴油机得到更好的平衡。八缸四行程V形柴油机的着火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2，其工作循环见下表。

着火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2的八缸四行程V形柴油机工作循环表105三、飞轮（见下图）飞轮用来储存做功行程的能量，以克服