曲柄连杆机构

曲柄连杆机构
曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的膨胀压力转变为曲轴旋转的转矩，不断输出动力。

曲柄连杆机构是发动机实现工作循环，完成能量转换的主要运动零件。

在作功冲程，它将燃料燃烧产生的热能活塞往复运动、曲轴旋转运动而转变为机械能，对外输出动力；在其他冲程，则依靠曲柄和飞轮的转动惯性、通过连杆带动活塞上
机体组主要由气缸体、气缸盖、气缸垫、曲轴箱和油底壳等部件组成。

气缸体
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。

气缸体有水冷式缸体和风冷式气缸体。

水冷式气缸体一般与上曲轴箱铸成一体。

气缸体上部拍了出所有气缸，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。

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。

气缸体下部的结构有一般式、龙门式、和隧道式三种形式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，缸体的材料一般用灰铸铁，为提高气缸的耐磨性，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，其他部分对耐磨性要求并不高。

为了材料上的经济性，广泛采用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或铝合金材料制造。

气缸套有干式和湿式两种。

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。

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，一般为5～9mm。

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。

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。

气缸垫
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。

活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等主要机件组成。

活塞
活塞的作用是与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室，并承受气缸中气体压力，通过活塞销将作用力传给连杆，以推动曲轴旋转。

活塞可分为头部、环槽部和裙部三部分。

活塞头部活塞是燃烧室的组成部分，其形状取决于燃烧室的形式。

常见的活塞头部形状有平顶式、凹顶式和凸顶式。

活塞环槽活塞环安装在活塞环槽内。

汽油机一般由2～3道环槽,上面1～2道用来安装气环,实现气缸的密封;最下面的一道用来安装油环.在油环槽底面上钻有许多径向回油孔,当活塞向下运动时,油环把气缸壁上多余的机油刮下来经回油孔流回油底壳。

若温度过高，第一道环容易产生积碳，出现过热卡死现象。

活塞裙部活塞裙部起导向作用。

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便顺捷。

活塞环分为气环和油环两种。

活塞销
活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，并将活塞所受的气体作用力传给连杆。

活塞销通常为空心圆柱体，有时也按等强度要求做成截面管状体结构。

活塞销一般采用低碳钢或低碳合金制造。

活塞销与活塞销座孔和连杆小头衬套孔的连接采用全浮式和半浮式连接。

采用全浮式连接，活塞销可以在孔内自由转动；采用半浮式连接，销与连杆小头之间为过盈配合，工作中不发生相对转动；销与活塞销座孔之间为间隙配合。

连杆
连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等零件组成，连杆体与连杆盖分为连杆小头、杆身和连杆大头。

连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。

杆身通常做成“工”或“H”形断面，以求在满足强度和刚度要求的前提下减少质量。

连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。

一般做成分开式，与杆身切开的一半称为连杆盖，二者靠连杆螺栓连接为一体。

连杆轴瓦安装在连杆大头孔座中，与曲轴上的连杆轴颈装和在一起，是发动机中最重要的
飞轮组主要由曲轴和飞轮以及其他不同作用的零件和飞轮以及其他不同作用的零件和附件组成。

曲轴是发动机最重要的机件之一。

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他辅助装置工作。

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。

曲轴后端采用凸缘结构，用来安装飞轮。

主轴颈和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。

曲轴的轴向定位一般采用止推片或翻边轴瓦，定位装置装在前端第一道主轴承处或中部某轴承处。

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。

曲轴在装配前必须经过动平衡校验，对不平衡的曲轴，常在其偏重的一侧平衡重或曲柄上钻去一部分质量，以达到平衡的要求。

飞轮
飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，外缘上压有一个齿圈，与起动机的驱动齿轮啮合，供起动机发动机时使用。

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。

多缸发动机的飞轮应与曲轴一起进行动平衡试验。

为了保证在拆装过程中不破坏飞轮与曲轴间的装配关系，采用定位销或不对称螺栓布置方式，安装时应加以注意。

曲柄连杆机构的作用是提供燃烧场所，把燃料燃烧后气体作用在活塞顶上的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
曲柄连杆机构的受力分析
曲柄连杆机构的受力分析
活塞力
活塞力Fp是气体力Fg往复惯性力Fj和往复摩擦力Fmp沿气缸轴线
方向作用于活塞上的合力。

活塞力的正负方向规定与三个分力相同，所以，它等于三个分力的代数和。

Fp=Fg+Fj+Fmp
按等曲柄转角间隔计算活塞力，就可以求得它随曲柄转角的变化
情况。

侧向力和连杆力
活塞力在活塞销中心B处可以分解为两个分力，一个分力为Fh，
其作用方向垂直于气缸壁，称为活塞侧向力；另一个分力Fc，其作用方向沿着连杆中心线，称为连杆力。

则
Fh=Fptgβ=Fpλsinα/(1-λ*λsinα*sinα)**1/2
Fc=Fp/cosβ=Fp/(1-λ*λsinα*sinα)**1/2
切向力和法向力
连杆力传到曲柄销中心A处由可以分解为两个力，一个分力Ft与
曲柄中心旋转轨迹圆相切，是为切向力；另一个分力Fz沿着曲柄方向作用着，为法向力。

其计算公式为：
Ft=Fcsin(α+β)=Fpsin(α+β)/cosβ
=Fp(sinα+cosαλsinα/(1-λ*λsinα*sinα)**1/2)
Fz=Fccos(α+β)=Fpcos(α+β)/cosβ
=Fp(cosα-sinαλsinα/(1-λ*λsinα*sinα)**1/2)
根据上面两式就可以求得切向力和法向力随曲柄转角的变化情况。

Ft的正方向是反曲柄转向的，Fz的正方向是离开曲柄中心的方向。

总切向力
压缩机的总切向力等于同一曲轴位置上各缸切向力加上压缩机的
切向摩擦力的总和，它是外界原动机所要克服的压缩机的总阻力。

对于
单缸压缩机∑Ft=Ft+Fmr对于多缸压缩机∑Ft=∑(Ft)i+Fmr.
见图3－6
曲柄连杆机构的工作环境：在发动机工作时，气缸内最高温度可达2773K以上，最高压力可达3～7Mpa，现代汽车发动机最高转速可达4000到6000r/min。

此外，与可燃混合气接触的机体还将受到化学腐蚀。

因此，曲柄连杆机构的工作特点是高温、高压、高速和化学腐蚀。

在工作中，曲柄连杆机构受到了气体作用力、往复惯性力与离心力、相对运动件接触面的摩擦力等各种力的作用，使曲柄连杆机构及各相关零件受到压缩、拉伸、弯曲和扭转等不同形式的载荷，从而使曲柄连杆机构出现各种故障，影响其正常工作的能力。

（二）曲柄连杆机构各零部件的检修
1、气缸体与气缸盖的检修
由于拆装螺栓时力矩过大和过小、不按规定的顺序和要求拆卸等原因，都会引起气缸体与汽缸盖的结合平面变形。

气缸体的变形将会破坏零件的正确几何形状，影响发动机的装配质量和工作能力，如气缸体与气缸盖平面度误差逾限，将造成气缸密封不严、漏气、漏水，严重时还将会冲坏气缸盖衬垫。

用一把长的刀形样板尺，沿气缸体或气缸盖平面的纵向、横向和对角线方向多处测量，根据塞尺的厚度测量其平面度误差
气缸体平面局部不平，可用铲削的方法予以修复。

平面变形较大时，可采用平面磨床进行磨削加工修理，但总切削量不宜过大，否则将会影响发动机的压缩比。

气缸盖平面度要求：全长上应不大于0.10mm，在100mm长度上应不大于0.03mm.
2、气缸磨损的检修
气缸在经长期使用以后，其尺寸和形状将会发生改变。

气缸磨损程度是决定发动机是否需要大修的主要依据。

气缸正常的磨损时不均匀磨损：在气缸轴线方向上呈上大下小的不规则锥形磨损，最大磨损部位在第一道活塞环上止点稍靠下的部位，而在气缸最上沿不与活塞环接触的部位，几乎没有磨损，形成一明显的台阶，通常称为“缸肩”。

在同一截面上，与曲轴轴线方向垂直的两侧磨损最大，与轴线平行的两侧磨损最小
检测方法：将内径量表的侧头至于“缸肩”位置，并来回摆动表架，观察百分表的长针顺时针针摆动到极限位置的读数。

分别在纵向平面和横向平面测量一个数据。

两个数据之差的一半即为圆度误差。

用同样的测量方法测量气缸中点，下止点纵向、横向的直径。

六个数据中最大值与最小值之差的一半即为圆柱度误差。

然后参照圆度误差和圆柱度误差标准确定其是否需要修理或更换
3、活塞环的检测
活塞环的损耗主要是活塞环的磨损、弹性减弱和折断等。

作为曲柄连杆机构中最易损坏的零件，对活塞环的要求是：与气缸的修理尺寸一致；具有规定的弹力以保证气缸密封性，环的漏光度、开口间隙、侧隙，背隙符合原厂设计规定
漏光度的技术要求：在活塞环端口左右30°范围内不应有漏光点；在同一活塞环上的漏光点不得多于两处，每处漏光弧长所对应的圆心角不得超过25°，同一环上漏光弧长所对应的圆心角之和不得超过45°；漏光处的缝隙应不大于0.03mm。

当漏光缝隙小于0.015mm时，其漏光弧长所对应的圆心角之和可放宽至120°。

活塞环开口间隙的检测，将活塞环植入气缸套内，并用倒置的活塞的顶部将环推入气缸内相应的位置，然后用塞尺测量。

测量侧隙时，将活塞环放入相应的环槽内，用塞尺测量
4、连杆的维修
在发动机工作中，由于发动机超负荷工作和爆燃等原因，产生复杂的交变载荷，将会对连杆造成弯曲和扭曲变形。

连杆变形后，，使活塞在气缸中歪斜，引起活塞与气缸、连杆轴承与轴颈偏磨，对曲轴连杆机构的工作产生很大的影响。

在汽车维修技术标准中对连杆的变形作了规定：连杆小端轴线与大端轴线应在同一平面，在改平面上的平行度公差未100:0.03mm。

改平面的法向平面上的平面度公差未
100:0.06mm。

校正连杆变形时，先校正扭曲，后校正弯曲，校正时，应避免反复的过校正
5.曲柄连杆机构常见异响的诊断
曲柄连杆机构常见的异响有曲轴主轴承响、连杆轴承响、活塞销响和活塞敲缸响（1）曲轴主轴承响：①发动机一般稳定运转不响，转速突然变化时，发出低沉、钝重、连续的“鏜、鏜”的金属敲击声，严重时发动机发生振动；②转速越高，响声越大；③有负荷时响声明显；④单缸“断火”时，响声无明显变化，相邻两缸“断火”时，响声会明显减弱
故障原因：①主轴承盖螺栓松动或螺栓力矩没有达到规定值；②轴承火轴颈磨损，导致径向径向间隙过大；③润滑不良致使轴承合金销毁或脱落；④轴颈失园、轴承质量不佳、装配不当而造成的早期损坏；⑤润滑油压力太低火润滑油变质故障诊断与排除：①在润滑油加油口出听察，反复变更发动机转速，当突然加速或突然减速，如有明显的沉重响声，则是主轴承响；②发动机在正常温度工作情况下，当发动机转速由低速加速到中速是，有“鏜、鏜、鏜”的有节奏而钝重的响声，发动机温度越高响声越明显，到高速时响声变为杂乱，则有可能曲轴弯曲；
③如果在高速时机体有较大的振动，汽车载重爬坡时，驾驶室里会有振动感，润滑油压力显著下降，则说明轴承间隙过大，合金脱落，应及时修复；④单缸断火，响声无变化，而相邻两缸断火时，响声会有明显减弱，则是主轴承响；⑤若怀疑曲轴轴向窜动发响时，可以踏下离合器踏板，观察曲轴皮带轮是否向前窜动和声响有无变化来辅助诊断。

入曲轴皮带轮向前窜动且声响减轻或消失，即可表明曲轴轴向窜动发响
（2）连杆轴承响：①当发动机突然加速时，有“铛、铛、铛”连续明显的敲击声；②单缸“断火”后，响声明显减弱或消失
故障原因：①连杆轴承盖的固定螺栓松动或折断；②轴承合金烧毁或脱落；③连杆轴承与轴颈磨损过甚，而使径向间隙过大；④轴颈失园、轴承质量不佳、装配
不当而造成的早期损坏；⑤润滑油压力太低火润滑油变质
故障诊断与排除：①使发动机怠速运转，然后又怠速向低速，由低速向中速，再由中速向高速加大节气门进行试验，同时结合逐缸断火试验和在加油口处听诊等方法反复进行。

响声随着转速的升高而增大，抖动节气门，在加油的瞬间异响突出。

响声严重时，在任何转速下均可听到，甚至在怠速时也听到清晰、明显的敲击声；②在怠速、中速和高速情况下，逐缸反复进行断火试验。

如某缸断火后响声明显减弱或消失，在复火的瞬间又能立即出现，则可断定该缸连杆轴承响；③用听诊器或简易听诊杆触在机体上听诊，往往不易听清楚。

但在加油处倾听，可清楚地听到连杆轴承敲击声。

当发动机温度升高时，则响声增大；④诊断中要注意检查润滑油压力。

如果响声严重，又伴随有润滑油压力低，说明轴承轴颈间隙过大。

这往往成为区别连杆轴承响与活塞销、活塞敲缸响的重要依据
（3）活塞销响：①发动机在怠速、低速和从怠速向低速抖动节气门时，可听到明显而又清脆的“嗒、嗒”声；②发动机转速变化时，响声的周期也随着变化；
③发动机温度升高后，响声不减弱；④该缸“断火”后，响声明显减弱或消失故障原因：①活塞销与连杆衬套磨损过度而松旷；②润滑油压力过低，润滑油飞溅不足，润滑能力变差；③活塞销与活塞销座配合松旷
故障诊断与排除：①发动机怠速运转，然后由怠速向低速急抖节气门，响声能随转速的变化而变化。

每抖一次节气门，如能听到清脆而连贯的“嗒、嗒、嗒”的响声，则有可能是活塞销响。

在微抖节气门使发动机转速不断变化的情况下，用听诊器或简易听诊杆触在发响气缸的上部，可听到清脆的响声；②将发动机稳定在响声较强的转速上，逐缸进行断火试验。

当某缸断火后响声明显减弱或消失，在复火的瞬间又能立即出现或出现或连续出现两个响声，则可断定为此缸活塞销响；③若活塞销与连杆衬套配合过大，应更换新的活塞销和连杆衬套后重新铰削；若活塞销与活塞销座配合松旷，则应更换新的活塞销和活塞
（4）活塞敲缸响：①发动机怠速时，在气缸的上部发出清晰的“嗒、嗒、嗒”敲击声；②冷车时响声明显，热车时响声减弱或消失；③该缸“断火”后，响声减弱或消失
故障原因：①活塞与缸壁磨损间隙过大；②连杆变形；③活塞销与连杆小头装配过紧；④活塞顶碰到气缸盖衬垫
故障诊断与排除：①将听诊器或简易听诊杆触在气缸上部进行听诊，响声明显；
②发动机冷车时响声明显，热车时响声减弱或消失；③该缸“断火”后，响声减弱或消失；④若活塞与气缸壁的配合间隙过大时，可更换同一修理尺寸级别的新活塞；若因气缸磨损过大时，则应鏜磨气缸并配以相应修理级别的活塞；⑤为了进一步确诊是否活塞敲缸响，可将发动机熄火，卸下怀疑有响声气缸的火花塞或喷油器往气缸内注入少量的润滑油摇动曲轴数圈，装上火花塞或喷油器，然后发动试验，若响声短时间减弱或消失，过一会又重新出现，则可确诊为活塞敲缸响。

配气机构
工作原理：按照发动机的工作顺序和工作循环的要求，定时开启和关闭各缸的进、排气门，使新气进入气缸，废气从气缸排出。

配气机构的组成：
配气机构由凸轮轴、挺杆、推杆、摇臂、摇臂轴、气门弹簧及气门导管等一些相关部件组成。

凸轮轴在发动机上的布置有下置，侧置和顶置。

现代发动机上常采用顶置式，它位于气缸盖上。

凸轮轴直接通过摇臂驱动气门，省去了一大套如挺杆、推杆等往复运动的部件，很适用于高转速发动机，但也带来传动轴的困难，由于凸轮轴在气缸盖上，气缸盖拆装较为麻烦，并且喷油器的布置也较困难。

另有一种顶置式是凸轮轴的幅轮直接驱动气门。

这种形式的优点不但机构简单、惯性小、对凸轮轴的要求不高，故在新式汽车应用广泛。

那么凸轮轴是靠什么带动使它旋转的呢?
最早形式的汽车多采用正时齿轮传动，曲轴转动时通过它前端的一对齿轮来带动凸轮轴，有时还增加一个中间齿轮(惰轮)。

为了降低传动的噪声，使啮合平稳，正时齿轮多用夹布胶木制成，且为斜齿。

在顶置气门传动机构上多采用链条传动或皮带传动。

皮带的基体为氯丁橡胶，中间夹入玻璃纤维或尼龙织物，强度高，噪声小，质量小，价格低，近年来己广泛用。

一般发动机每个气缸只有一个进气门和一个排气门。

为了提高充气效率，现在多采用多气门技术，例如每个气缸有4个气门。

这种多气门结构对燃油直接喷射的发动机特别有利，喷油器布置在燃烧室中央，点火燃烧途径均匀，各气门的开度也可适当减小。

每缸采用4气门时，气门排列有两种：一是进气门和排气门混合排；另一种是进气门和排气门各自排成一列。

前者的所有气门由一根凸轮轴通过T形杆驱动，但因气门在进气道中所处位置不同，而导致工作条件和效果不好，后者则无比缺点，但需配备两根凸轮轴，凡遇见DOHC字样，就是指顶置式双凸轮轴。

近年来推出的发动机多采用这种形式，当然每个气缸气门数多于4个的也不鲜见，主要目的不外是为了提高充气效率罢了。