汽车发动机构造与检修（第二版）课件：发动机曲柄连杆机构

汽车发动机构造与检修（第二版）

发动机曲柄连杆机构任务一机体组构造与检修【任务描述】客户王先生的雪佛兰科鲁兹汽车已经行驶了60000Km，在行驶过程中，听到发动机舱有放气的尖鸣声，热车时频率尤其高，踩下加速踏板时声音消失，松开踏板后声音又出现了，气缸盖罩盖接触面有渗油现象。王先生开车来到雪佛兰4S店，服务顾问在询问和检查后将车辆交给维修技师，维修技师对此车进行检查后发现气缸盖罩盖漏油，并决定对发动机气缸盖密封件进行更换并测量气缸盖上表面平面度。下面将学习机体组的相关知识并按流程进行气缸盖密封件的检查、清洗及更换。【知识储备】一、曲柄连杆机构的作用曲柄连杆机构是提供燃烧场所，并把燃料燃烧后产生的气体膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。1.将气体的压力变为曲轴的转矩。2.将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动。3.把燃烧作用在活塞顶上的力转变为曲轴的转矩，并输出机械能。图2-1曲柄连杆机构组成二、曲柄连杆机构的组成曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组三部分组成，如图2-1所示。1.机体组：气缸体、气缸垫、气缸盖、曲轴箱、气缸套及油底壳2.活塞连杆组：活塞、活塞环、活塞销、连杆3.曲轴飞轮组：曲轴、飞轮、扭转减振器、平衡轴三、机体组1.机体组的作用机体是构成发动机的骨架，是发动机各机构和各系统的安装基础，其内、外安装着发动机的主要零件和附件，承受各种载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。2.机体组的组成机体组是主要由气缸盖、气缸垫、气缸体和油底壳等组成，如图2-2所示。图2-2机体组3．气缸盖（1）作用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。（2）结构一般水冷式发动机气缸盖内铸有冷却水套，缸盖下端面与缸体上端面向所对应的水套是相通的，利用水的循环来冷却燃烧室壁等高温部分；风冷式发动机气缸盖上铸有许多散热片，靠增大散热面积来降低燃烧室的温度。发动机的气缸盖上应有进、排气门座导管孔和进、排气通道等。汽油机气缸盖还应有火花塞孔，而柴油机则设有安装喷油器的做孔，如图2-3所示。图2-3气缸盖（3）燃烧室气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室的形状对发动机的工作影响很大，由于汽油机和柴油机的燃烧方式不同，其气缸盖上组成燃烧室的部分差别较大。汽油机燃烧室主要有半球形燃烧室、楔形燃烧室、盆型燃烧室，如图2-4所示。图2-4汽油机燃烧室类型4．气缸垫（1）作用气缸盖与气缸体之间装有气缸衬垫，其作用是保证气缸盖与气缸体间的密封，防止燃烧室漏气、水套漏水等，如图2-5所示。（2）材料气缸垫的材料要有一定的弹性，能补偿结合面的不平度，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。应用较多的是铜皮—棉结构的气缸垫，由于铜皮—棉气缸垫翻边处有三层铜皮，压紧时较之石棉不易变形。有的发动机还采用在石棉中心用编织的纲丝网或有孔钢板为骨架，两面用石棉及橡胶粘结剂压成的气缸垫。图2-5气缸垫5．气缸体（1）作用气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，是发动机中最重要的一个部件。气缸体也可称为气缸体—曲轴箱，因为气缸体上部的圆柱形空腔称为气缸，下半部为支承曲轴的曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。在气缸体内部铸有许多加强筋，冷却水套和机油油道等，如图2-6所示。（2）材料缸体的材料一般为灰铸铁或铝合金，可提高气缸的耐磨性，有时在铸铁中加入少量合金元素如镍、钼、铬、磷等。但是，实际上除了与活塞配合的气缸壁表面外，其它部分对耐磨性要求并不高。为了材料上的经济性，广泛采用在缸体内镶入气缸套来形成气缸工作表面。这样，缸套可用耐磨性较好的合金铸铁或合金钢制造，以延长气缸使用寿命，而缸体可用价格较低的普通铸铁材料制造。图2-6气缸体（2）类型①按冷却方式分类气缸体有水冷式缸体和风冷式气缸体，如图2-7所示。水冷式气缸体一般与上曲轴箱铸成一体。气缸体上部是气缸，气缸周围的空腔相互连通构成水套。下半部分是用来支承曲轴的曲轴箱。风冷式气缸体和曲轴箱采用分体式结构，气缸体和曲轴箱分开铸造，然后再装配到一起。气缸体和气缸盖外表面铸有许多散热片来保证充分散热。图2-7水冷式缸体和风冷式缸体②按气缸体与油底壳安装平面的位置不同分类气缸体有一般式、龙门式和隧道式，如图2-8所示。③按照气缸的排列方式分类气缸体有直列、V形和水平对置三种形式，在汽车上常用直列和V形两种，如图2-9所示。图2-8一般式、龙门式和隧道式图2-9直列式、V型和水平对置6.气缸套气缸直接镗在气缸体上叫做整体式气缸，整体式气缸强度和刚度都好，能承受较大的载荷，这种气缸对材料要求高，成本高。如果将气缸制造成单独的圆筒形零件(即气缸套)，然后再装到气缸体内。这样，气缸套采用耐磨的优质材料制成，气缸体可用价格较低的一般材料制造，从而降低了制造成本。同时，气缸套可以从气缸体中取出，因而便于修理和更换，并可大大延长气缸体的使用寿命。气缸套有干式气缸套和湿式气缸套两种，如图2-10所示。（1）干式气缸套外表面不直接与冷水接触，其壁厚一般为1～3mm。缸套外表面与其装配的气缸体内表面采用过盈配合。（2）湿式缸套外表面直接与冷却水接触，冷却效果好。其壁厚比干式缸套厚，一般为5～9mm。图2-10干缸套和湿缸套

7.油底壳油底壳的主要作用是储存机油并封闭曲轴箱。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成。油底壳受力很小，一般采用薄钢板冲压而成，其形状取决于发动机的总体布置和机油的容量。油底壳内装有稳油挡板，以防止汽车颠动时油面波动过大。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，以吸附机油中的金属屑，减少发动机的磨损。在上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止机油泄漏，如图2-11所示。图2-11油底壳8.气缸盖罩盖（1）作用气缸盖罩盖是盖在发动机缸体上的罩壳，能够防止外界杂质进入到发动机内，同时起到密封的作用，如图2-12所示。①遮盖并密封气缸盖，将机油保持在内部，同时将污垢和湿气等污染物隔绝于外。②将机油与空气隔离。在发动机的运转过程中会形成油雾。气缸盖罩较冷的内表面会聚集油雾，使机油冷凝并向下流回油底壳。气缸盖罩内的挡油板或滤清器用来避免机油流向进气道。图2-12气缸盖罩盖③气缸盖罩盖还肩负曲轴箱通风的责任。当活塞在气缸中运动时，发动机内部会集聚压力。如果置之不理，此压力会使各个密封件泄漏，导致发动机效率降低。为了避免这种情况，用一个管子连接气缸盖罩盖和进气道,以便燃烧通风空气。该管可以使用带槽软管插头、螺纹管插头或快换插头来连接，如图2-13所示。④充当机油加注口。这种结构可以简单至一个孔，在其中拧入机油加注口盖即可；也可以是更加复杂的注油管，如图2-14所示。⑤气缸盖罩盖还可以作为传感器安装支座，包括凸轮轴位置和凸轮轴正时传图2-13PCV阀图2-14机油加注口（2）材料气缸盖罩盖多采用热塑性塑料，其特性会随着环境变化，使用增强材料可以减弱环境变化的影响，但这种影响在某种程度上仍会发生。环境因素中最重要的是温度，温度升高时，材料的强度将会降低。另外两个环境因素是老化及与机油接触，这些都会对材料的性质产生削弱。如果长时间不更换气缸盖罩盖密封件，不仅会导致气缸盖罩盖内部机油渗漏，还会导致内部变脏，机油变质。严重时还会导致发动机运转时发出尖锐的哨声，废气泄漏等，如图2-15所示。图2-15气缸盖罩盖机油渗漏3.气缸盖罩盖和气缸盖结合面变形的检修气缸盖变形是指气缸盖与气缸盖罩盖的结合面的平面度误差超限。气缸盖和气缸盖罩盖结合面变形，会导致气缸密封不严，漏气、漏水、漏油等，使发动机无法正常工作。气缸体上平面和气缸盖下平面的翘曲变形可用刀口形直尺和厚薄规检查，如图2-16所示。气缸盖上表面平面度一般不超过0.15mm。当检查结果超过规定值时,可以对翘曲平面进行磨削或铣削加工。气缸盖磨削或铣削量一般不应超过0.20～0.30mm，可通过气缸盖厚度的极限值加以控制。图2-16刀口型直尺和厚薄规【总结及拓展训练】通过本任务的学习，同学们了解曲柄连杆结构和机体组的作用及组成，掌握了气缸盖罩盖密封件的更换方法。本任务与汽车专业领域职业技能等级证书标准中的1-1【汽车动力与驱动系统综合分析技术-模块】—一般维修和气缸盖及气门机构检查保养职业技能要求相对应。同学们要勤加练习，为以后考取相应等级的职业技能等级证书打下基础。现有一辆宝马5系汽车需要更换气缸盖罩盖密封件，如图2-17所示，请同学们根据已学知识并结合该车辆具体情况，进行气缸盖罩盖密封件的更换。图2-17宝马五系气缸盖罩盖密封件发动机曲柄连杆机构任务二活塞连杆组的构造【任务描述】本任务将学习活塞连杆组的作用、组成等相关知识。【知识储备】一、活塞连杆组作用活塞连杆组是发动机的传动件，将活塞的往复运动变为曲轴的旋转运动，对外输出转矩，以驱动汽车车轮转动。二、活塞连杆组的组成活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组成，如图2-18所示。图2-18活塞连杆组三、活塞1.活塞的作用活塞承受气缸的气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转并对外输出动力。活塞的顶部还与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。2活塞的组成活塞主要由顶部，头部和裙部等组成，如图2-19所示。图2-19活塞（1）活塞顶部活塞顶部的形状与选用燃烧室有关。汽油机活塞的顶部一般采用平顶，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。有些为了改变混合汽形成而采用凹顶，凹坑的大小还可以调节发动机压缩比。（2）活塞头部活塞头部是活塞环槽以上部分。其主要作用是承受气体压力，并传给连杆；与活塞一起实现气缸密封；将活塞顶所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。头部有若干道环槽用以安装活塞环，汽油机一般有2～3道环槽，上面1～2道用于气环，下面1道用于安装油环。油环槽底面上钻有许多径向小孔，使被油环所刮下来的多余的机油，经过小孔流回油底壳。（3）活塞裙部活塞裙部是指自油环槽下端面起至活塞底的部分。其作用是为活塞在气缸内做往复运动导向并承受侧压力。活塞工作时，燃烧气体压力作用在活塞的顶部，而活塞销反力作用在头部的销座孔处，由此产生的变形是裙部直径沿活塞销座轴线方向增大（受力变形）。侧压力N使活塞裙部变形；活塞销座孔附近的金属堆，受热膨胀量大，致使裙部在受热变形时，活塞销座孔方向的膨胀量大，裙部是椭圆。为了保证在冷态的情况下活塞于气缸壁的接触，在活塞裙部有开槽。由于活塞沿轴线受热和质量分布不均匀，所以活塞作成一个上小下大的近似圆锥形。（4）活塞销座孔活塞销座孔也是活塞的组成部分之一，它将活塞顶部气体作用力经活塞销传给连杆。销座孔通常有肋片与活塞内部相连，以提高其刚度。销座孔内有安装弹性卡环的卡环槽，卡环用来防止活塞销在工作中发生轴向窜动。四、活塞环活塞环安装在活塞环槽内，用来密封活塞与气缸壁之间的间隙，防止窜气，同时使活塞往复运动顺畅。活塞环包括气环和油环两种类型，如图2-20所示。图2-20活塞环1.气环（1）作用气环主要作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止高温高压燃气进入曲轴箱；同时还将活塞顶部的大部分热量传导给气缸，再由冷却水或空气带走。活塞环工作时受到气缸中气体的高温高压作用，其温度较高，而且在气缸中高速运动，加上机油高温变质，润滑条件变坏，其磨损严重。活塞环磨损失效后，发动机将出现起动困难、功率不足、曲轴箱压力升高、机油损耗量大、排气冒黑烟以及活塞边面积炭严重等情况。由于气缸的磨损不均匀性，使其变成锥度和椭圆性，活塞在其中往复运动，沿颈向产生一张一缩的运动，使环受弯曲应力而容易折断，造成发动机卡死、拉缸、发动机不工作等。（2）材料活塞环一般是用合金铸铁铸造的。第一道气环的工作表面一般镀有多孔铬（多孔铬的硬度高，能储存少量的机油），其它一般镀锡或磷化，改善磨合性能。（3）结构活塞环上有一切口，且自由状态不是圆形，其尺寸比气缸的内径大，所以它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴气缸壁，使燃气不能通过环与气缸壁的接触面的间隙。切口一般是0.25～0.8mm，如图2-21所示。图2-21气环2.油环（1）作用油环主要是刮油、布油和辅助密封作用。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机油膜，这样即可以防止机油串入，又可以减小活塞与气缸的磨损与摩擦阻力。（2）类型油环分为普通油环和组合油环。普通油环一般是由铸铁制成的，其外圆中间切有一道凹槽，在凹槽的底部加工有许多排油孔。组合油环由刮油片和两个弹性衬环组合而成的。轴向衬环夹装在第二第三刮油片之间，如图2-22所示。图2-22油环五、活塞销1.作用活塞销的作用是连接活塞与连杆小端，将活塞承受的气体的作用力传递给连杆，如图2-23所示。图2-23活塞销2.结构与材料活塞销为中空的圆柱体，一般采用低碳钢、低碳合金钢渗碳淬火或用45号中碳钢高频淬火等材料。3.类型根据活塞销的固定方式的不同，可分为全浮式或半浮式两种。活塞销与活塞销座孔的连接配合一般多采用“全浮式”，即在发动机转运过程中，活塞销不仅可以在连杆小端衬套孔内，还可以在销座孔内缓慢地转动，以使活塞销各部分的磨损比较均匀。

半浮式连接，销与连杆小端之间为过盈配合，工作中不发生相对转动；销与活塞销座孔之间为间隙配合。六、连杆1.作用连接活塞和曲轴，把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并将活塞承受的力传给曲轴，如图2-24所示。图2-24连杆2.组成连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，如图2-25所示。图2-25连杆连杆体与连杆盖分为连杆小端、杆身和连杆大端。3.材料和结构连杆一般由中碳钢或合金钢弹压而成。连杆杆身通常作成工字型断面，以求增加其强度和刚度，在其中间有机油油道。连杆小端与活塞销相连，工作时与销之间有相对运动，小端孔中有衬套。在连杆的小端和衬套上钻有小孔，用来润滑连杆小端和活塞销。图2-26连杆大端连杆大端与曲轴的曲柄销相连，大端一般作剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，接特制的连杆螺栓紧固在连杆的大端上。连杆盖与连杆大端是组合搪孔，为了防止装配错误，在同一侧有配对记号。大端孔表面有很高的光洁度，以便与连杆轴瓦紧密贴合。连杆大端还铣有定位坑，连杆的大端还有油孔，如图2-26所示。连杆大端按剖分面可分为平切口和斜切口两种。一般汽油机连杆大端的直径小于气缸的直径，采用平切口；柴油机受力大，其大端直径较大，超过气缸的直径，采用斜切口，一般与连杆轴线成30～60℃夹角。连杆螺栓是经常受交变应力作用的重要零件，安装时，必须牢固可靠，要符合工厂规定的拧紧力矩，分2～3次拧紧。【总结及拓展训练】通过本任务的学习，同学们掌握了活塞连杆组及其主要部件的作用与组成。本任务与汽车专业领域职业技能等级证书标准中的1-1【汽车动力与驱动系统综合分析技术-模块】—缸体和曲轴活塞组件维修知识要求相对应。同学们要勤加练习，为以后考取相应等级的职业技能等级证书打下基础。发动机曲柄连杆机构任务三曲轴飞轮组构造与检修【任务描述】客户王先生的雪佛兰科鲁兹汽车已经行驶了40000Km，最近发现，在发动机冷起动时有异响，在发动机大负荷下声音尤其明显。王先生开车来到雪佛兰4S店，服务顾问在询问和检查后将车辆交给维修技师，维修技师对此车进行检查，发现传动皮带磨损严重，根据保养手册要求进行传动皮带及涨紧轮的更换。下面将学习传动皮带及涨紧轮的相关知识并按流程更换传动皮带及涨紧轮。【知识储备】一、曲轴飞轮组作用把活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，为汽车的行驶和其它需要动力的机构输出扭矩。同时还储存能量，用以克服非做功行程的阻力，使发动机运转平稳。二、曲轴飞轮组的组成曲轴飞轮组由曲轴、飞轮以及其它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2-27所示。图2-27曲轴飞轮组三、曲轴1.曲轴的作用曲轴是发动机最重要的部件之一。其作用是将活塞连杆组传来的气体作用力转变成曲轴的旋转力矩对外输出，并驱动发动机的配气机构及其它辅助装置工作。2.曲轴的组成曲轴主要由曲轴前端、曲轴后端、主轴颈、连杆轴颈，曲柄臂，如图2-28所示。图2-28曲轴（1）曲轴前端曲轴前端主要用来驱动配气机构、水泵和风扇等附属机构，前端轴上安装有正时齿轮(或同步带轮)、风扇与水泵的带轮、扭转减振器以及起动爪等。（2）曲轴后端曲轴后端采用凸缘结构，用来安装飞轮。（3）主轴颈主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴，如图2-29所示。图2-29全支承和非全支承（4）连杆轴颈曲轴与连杆的连接部分，连杆轴颈是发动机中最关键的滑动配合副，一般均进行表面淬火，轴颈过渡圆角处还须进行滚压强化等化等工艺，以提高其抗疲劳强度。（5）曲柄臂曲柄臂是主轴颈与曲柄销的连接部分。一般为了平衡惯性力，曲柄臂处一般铸有平衡重块，从而使曲轴旋转平稳。一个连杆轴颈，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个曲拐。单缸发动机的曲轴只有一个曲拐，多缸直列式发动机曲轴的曲拐数与气缸数相同，V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。3.曲轴的材料曲轴一般选用强度高、耐冲击韧度和耐磨性能好的优质中碳结构钢、优质中碳合金钢或高强度球墨铸铁来锻造或铸造。4.曲拐布置与多缸发动机的工作顺序各曲拐的相对位置或曲拐布置取决于气缸数、气缸排列形式和发动机工作顺序。当气缸数和气缸排列形式确定之后，曲拐布置就只取决于发动机工作顺序。在选择发动机工作顺序时，应注意以下几点：（1）应该使接连做功的两个气缸相距尽可能的远，以减轻主轴承载荷和避免在进气行程中发生抢气现象。（2）各气缸发火的间隔时间应该相同。发火间隔时间若以曲轴转角计则称发火间隔角。对于气缸数为i的四冲程发动机，其发火间隔角应为720°/i，即曲轴每转720°/i时，就有一个气缸做功，以保证发动机运转平稳。（3）V型发动机左右两列气缸应交替发火。以四冲程直列四缸发动机为例，其发火间隔角为720°/4＝180°。4个曲拐在同一平面内。发动机工作顺序为1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循环如图2-30所示。图2-30工作循环四、飞轮飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其作用如同一个能量存储器，如图2-31所示。图2-31飞轮1.在做功行程中发动机传输给曲轴的能量，除对外输出外，还有部分能量被飞轮吸收，从而使曲轴的转速不会升高很多。2.在排气、进气和压缩三个行程中，飞轮将其储存的能量放出来补偿这三个行程所消耗的功，从而使曲轴转速不致降低太多。3.飞轮是摩擦式离合器的主动件。4.在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发动机用的飞轮齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动机发动机时使用。5.飞轮上通常还刻有第一缸点火正时记号，以便校准点火时刻。五、扭转减振器当发动机工作时，曲轴在周期性变化的转矩作用下，各曲柄之间发生周期性相对扭转的现象称为扭转振动，简称扭振。当发动机转矩的变化频率与曲轴扭转的自振频率相同或成整数倍时，就会发生共振。共振时扭转振幅增大，并导致传动机构磨损加剧，发动机功率下降，甚至使曲轴断裂。为了消减曲轴的扭转振动，现代汽车发动机多在扭转振幅最大的曲轴前端安装扭转减振器。汽车发动机多采用橡胶扭转减振器、硅油扭转减振器和硅油-橡胶扭转减振器等。六、传动皮带1.作用驱动发动机附件，连接曲轴与附件，利用皮带与轮子间的摩擦，传递运动和动力。发动机是汽车主要动力来源，因此压缩机、水泵、发电机等都与发动机以皮带连结，利用发动机运转输出带动，提供冷却、润滑、空调、供电及转向辅助等功能，如图2-32所示。图2-32传动皮带2.特点带传动在机械中应用得非常广泛，与啮合传动(齿轮、蜗轮传动)比较，带传动具有下列一些特点：(1)结构简单，制造成本低，安装维护方便。(2)皮带有弹性，可以缓和冲击和振动，运转平稳，工作时噪声较低。(3)适用于较大中心距的传动，但从另一方面看，传动外廓尺寸大，紧凑性差。(4)皮带在皮带