汽车发动机的曲柄连杆机构

汽车发动机的曲柄连杆机构

【概述】

曲柄连杆机构是汽车发动机实现工作循环，完成能量转换的传动机构，用来传递力和改变运动方式。工作中，曲柄连杆机构在做功行程中把活塞的往复运动转变成曲轴的旋转运动，对外输出动力，而在其他三个行程中，即进气、压缩、排气行程中又把曲轴的旋转运动转变成活塞的往复直线运动。总的来说曲柄连杆机构是发动机借以产生并传递动力的机构。通过它把燃料燃烧后发出的热能转变为机械能。

发动机工作时，曲柄连杆机构直接与高温高压气体接触，曲轴的旋转速度又很高，活塞往复运动的线速度相当大，同时与可燃混合气和燃烧废气接触，曲柄连杆机构还受到化学腐蚀作用，并且润滑困难。可见，曲柄连杆机构的工作条件相当恶劣，它要承受高温、高压、高速和化学腐蚀作用。

【组成】

曲柄连杆机构的主要零件可以分为三组，即机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。

机体组

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、外安装着发动机的所有主要零件和附件，承受各种

载荷。因此，机体必须要有足够的强度和刚度。发动机的机体组

主要由气缸体、曲轴箱、气缸盖和气缸垫等零件组成。

气缸体

气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，并由它来保持

发动机各运动部件相互之间的准确位置关系。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，冷却水套和润滑油道

等。

一、气缸体的工作条件、要求及材料

（1）应具有足够的强度和刚度、耐磨损和耐腐蚀、适当冷却

?发动机中最大的零件

?承受拉、压、弯、扭等机械负荷

?承受高温燃气很大的热负荷

?发动机大部分零件安装在机体上

（2）力求结构紧凑、质量轻

?尽量减小整机的重量（发动机最大的零件）

?加强肋（减小质量、保证刚度与强度）

（3）机体材料

?一般高强度灰铸铁或球墨铸铁、合金铸铁

?为了减轻质量、加强散热采用铝合金

二、气缸体的分类

（一）按结构形式

根据气缸体与油底壳安装平面的位置不同，通常把气缸体

分为一般式、龙门式和隧道式三种形式。

（1）一般式气缸体其特点是油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。这种气缸体的优点是机体高度小，重量轻，结构紧凑，便于加工，曲轴拆装方便；但其缺点是刚度和强度较差

（2）龙门式气缸体其特点是油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。它的优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷；但其缺点是工艺性较差，结构笨重，加工较困难。

（3）隧道式气缸体这种形式的气缸体曲轴的主轴承孔为整体式，采用滚动轴承，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。其优点是结构紧凑、刚度和强度好，但其缺点是加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。

（二）按冷却方式分

为了能够使气缸内表面在高温下正常工作，必须对

气缸和气缸盖进行适当地冷却。冷却方法有两种，

一种是水冷，另一种是风冷。

（1）水冷发动机的气缸周围和气缸盖中都加工有

冷却水套，并且气缸体和气缸盖冷却水套相通，冷

却水在水套内不断循环，带走部分热量，对气缸和

气缸盖起冷却作用。

（2）风冷发动机是以空气作为冷却介质的发动机。它在气缸及缸盖的外壁铸造出一些散热片，并用冷却风扇使空气高速吹过散热片表面，带走发动机散出的热量, 使发动机冷却。

（三）按气缸的排列形式

现代汽车上基本都采用水冷多缸发动机，对于多

缸发动机，气缸的排列形式决定了发动机外型尺

寸和结构特点，对发动机机体的刚度和强度也有

影响，并关系到汽车的总体布置。按照气缸的排

列方式不同，气缸体还可以分成单列式，V型和

对置式三种。

三、气缸套

气缸套主要分为干式气缸套和湿式气缸套两种。

（1）干式气缸套：即气缸套的外表面不直接与冷水接触。主要用于中、小型

发动机。

（2）湿式气缸套：即气缸套的外表面与冷却水直接接触。主要用于大负荷或

铝合金气缸体的发动机。

曲轴箱（油底壳）

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。上曲轴箱与气缸体铸成一体，下曲轴箱用来贮存润滑油，并封闭上

曲轴箱，故又称为油底壳图。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，以吸附润滑油中的金属屑，减少发动机的磨损。在

上下曲轴箱接合面之间装有衬垫，防止润滑油泄漏。

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。它经常与高温高压燃气相接触，因此承受很大的热负荷和机械负荷。水冷发动机的气缸盖内部制有冷却水套，缸

盖下端面的冷却水孔与缸体的冷却水孔相通。利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

一、气缸盖的结构

缸盖上装有进、排气门座，气门导管孔，用于

安装进、排气门，还有进气通道和排气通道等。汽

油机的气缸盖上加工有安装火花塞的孔，而柴油机

的气缸盖上加工有安装喷油器的孔。顶置凸轮轴式

发动机的气缸盖上还加工有凸轮轴轴承孔，用以安

装凸轮轴。

气缸盖一般采用灰铸铁或合金铸铁铸成，铝合金的导热性好，有利于提高压缩比，所以近年来铝合金气缸盖被采用得越来越多。

二、燃烧室形式

气缸盖是燃烧室的组成部分，燃烧室形状直接影响发动机的动力性、经济性和排放指标，所以对燃烧室有两个基本要求：（1）结构要紧凑，冷去面积要小，以减少热量损失，缩短火焰传播距离。（2）充气效率高，混合气在压缩过程中具有一定的涡流运动，以提高混合气的混合质量为燃烧速度，保证混合气及时、完全地燃烧。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。汽油机的燃烧室主要在气缸盖上，而柴油机的燃烧室主要在活塞顶部的凹坑。

汽油机的燃烧室是由活塞顶部与气缸盖上相应的凹部空间形成。常见的

三种形式为半球形燃烧室、楔形燃烧室和盆形燃烧室。

（1）半球形燃烧室

半球形燃烧室结构紧凑，火花塞布置在燃烧室中央，火焰行程短，故燃

烧速率高，散热少，热效率高。这种燃烧室结构上也允许气门双行排列，进

气口直径较大，故充气效率较高，虽然使配气机构变得较复杂，但有利于排

气净化，在轿车发动机上被广泛地应用。

（2）锲形燃烧室

楔形燃烧室结构简单、紧凑，散热面积小，热损失也小，能保证混合气在

压缩行程中形成良好的涡流运动，有利于提高混合气的混合质量，进气阻力小，

提高了充气效率。气门排成一列，使配气机构简单，但火花塞置于楔形燃烧室

高处，火焰传播距离长些，切诺基轿车发动机采用这种形式的燃烧室。

（3）盆形燃烧室

盆形燃烧室，气缸盖工艺性好，制造成本低，但因气门直径易受限制，进、

排气效果要比半球形燃烧室差。捷达轿车发动机、奥迪轿车发动机采用盆形燃

烧室。

三、气缸盖的安装

拆卸：从两边向中间分2~3次逐步拧松。

安装：从中间向两边分2~3次逐步拧紧。

气缸垫

气缸垫装于气缸体和气缸盖之间，其作用是保证气缸体和气缸盖之间的密封性，防止气缸漏气、水套漏水和润滑油泄漏。

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。目前应用较多的是铜皮——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。

活塞连杆组

活塞连杆组是发动机中的主要运动组件。其作用是

将活塞的往复直线运动转变成曲轴的旋转运动以及将

作用在活塞顶上的气体压力转变为曲轴承的转矩。活塞

连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆轴瓦等组

成。

活塞

活塞的作用是与气缸盖和气缸壁共同组成燃烧室，

承受气缸中燃烧气体的压力，并将通过活塞销传给连杆，

以推动曲轴的旋转。

一、活塞的工作条件

活塞在高温、高压、高速、润滑不良的条件下工作。

活塞直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500K 以上，因此，受热严重，而散热条件又很差，所以活塞工作时温度很高，顶部高达600～700K ，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是作功行程压力最大，汽油机高达3～5MPa ，柴油机高达6～9MPa ，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用；活塞在气缸内以很高的速度(8～12m/s)往复运动，且速度在不断地变化，这就产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力，同时受到燃气的化学腐蚀作用。

二、活塞的结构

活塞由活塞顶部、头部和裙部三大部分组成。

（1）活塞顶部

根据活塞顶部形状的不同可分为平顶活塞、凸顶活塞、凹顶活塞

和成形顶活塞。

（2）活塞头部

活塞环槽以上的部分称为活塞头部。上面加工有若干道用来安装气环与油

环的环槽，上面的2~3道安装气环，下面的1~2道安装油环。在油环槽的底面

钻有许多径向小孔，可使油环刮下来的润滑油通过小孔流回油底壳。

（3）活塞裙部

活塞环以下的部分称为活塞裙部。活塞裙部的作用是在气缸内为活塞的运

动导向并承受侧压力。活塞裙部有两种：全裙式裙部和拖板式裙部。 （4）活塞销座孔

活塞销座孔的作用是安装活塞销，并将气体的压力传给连杆。两座孔外端加工有卡环槽，用来安装卡环以限制活塞销的轴向窜动。

活塞在运动过程中受到侧压力的作用，而一般发动机的活塞销座孔轴线与活塞轴线垂直相交，这样的布置形式会使敲缸噪声大；将其偏移1~2mm ，这样大减小的敲缸声。 全裙式裙部

拖板时裙部

活塞环装配在活塞环槽中，与活塞连杆组一起装于气缸

体内。活塞环是保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，

并且要把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，由冷

却水带走。其中密封作用是主要的，因为密封是传热的

前提。如果密封性不好，高温燃气将直接从气缸表面流

入曲轴箱。这样不但由于环面和气缸壁面贴合不严而不

能很好散热，而且由于外圆表面吸收附加热量而导致活

塞和气环烧坏；油环起布油和刮油的作用，下行时刮除

气缸壁上多余的机油，上行时在气缸壁上铺涂一层均匀

的油膜。这样既可以防止机油窜入气缸燃烧掉，又可以

减少活塞、活塞环与气缸壁的摩擦阻力，此外，油环还能起到封气的辅助作用。活塞环的工作条环境极其恶劣，是寿命最短的零件之一。为延长其使用寿命，通常第一道气环外圆面进行多孔镀铬处理。其余的采用镀锡或磷化处理，以改善其磨合性。

（1）气环

气环为一带切口的环状态结构，在自由状态下时其外形尺寸略大于气缸内径。。气环的主要作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中高温、高压燃气窜入曲轴箱，并将活塞头部的大部分热量传给气缸壁，避免活塞过热。

（2）油环

油环的作用是活塞上行时，使飞溅在气缸壁上的润滑油均匀颁布，有利于活塞、活塞环和气缸壁的润滑；活塞下行时，刮除气缸壁上多余的润滑油，防止润滑油窜入气缸燃烧。活塞销

活塞销的作用是连接活塞和连杆小头，并将活塞所承受的气体作用力传给连杆。

活塞销在高温条件下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件较差，因此必须具有足够的刚度、强度和良好的耐磨性，质量尽可能小。

连杆组的作用是将活塞承受的力传给曲轴，将活塞的往复直线运动转变成曲轴的旋转运动。

*连杆轴瓦：安装在连杆大头孔内，用以保护连杆轴颈及连杆大头孔。是由钢带各减磨合金层组成的分开式薄壁轴承。

曲轴飞轮组

曲轴飞轮组包括曲轴和飞轮。

曲轴

曲轴的作用是把活塞连杆组传来的气体作用为转变为力矩。另外还可用来驱动配气机构及其他各种辅助装置。

一、曲轴的结构

曲轴主要由前端轴、若干个曲拐和后端轴三部分组成。曲轴有整体式结构和组合式结构两种类型。

（1）整体式曲轴（2）组合式曲轴

二、曲轴的支承方式

根据主轴颈数的不同，曲轴分为全支承和非全支承两种。

三、曲拐的布置与多缸发动机的工作顺序

在安排发动机工作顺序时应尽量遵循如下规则

（1）使连续作功的两缸尽可能相距远些。

（2）各气缸的作功间隔角应该相等（720o/i）。

（3）如果是V型发动机，则左右两列气缸应交替作功。

四、曲轴前后端的密封

曲轴的前、后端必须设有密封装置，以防止润滑油沿缸体前、后端的产轴承座孔流到机体外部。常用的密封方式有：自紧油封、填料油封、挡油盘密封和回油螺纹密封等。

五、曲轴的轴向定位与主轴承

发动机工作时，由于曲轴在各种轴向力的作用下产生轴向移动，

从而使轴柄连杆机构的正确关系受到破坏。曲轴多采用滑动推力轴

承来限制轴向移动量。

飞轮

飞轮的主要作用是将作功行程中发动机传输给曲轴的一部分能量储

存起来，用于非作功（进气、压缩、排气）行程克服短期超负荷的

能力，并将发动机的动力传给离合器。