1.2 曲柄连杆机构的结构特征分析_跟我学汽车发动机故障检修-QQ阅读男生武侠网

上QQ阅读APP看书，第一时间看更新

1.2 曲柄连杆机构的结构特征分析

“有形积木无形线”，机构都是由一个个零部件（积木）按照一定的要求和规律（线路）组成的，对“积木”来说一定要掌握其结构形状、功用及安装位置，功用和安装位置又能在整体工作流程中以“线”的形式连接，曲柄连杆机构也不例外，涉及汽车发动机的力路（动力的传递路线）、气路（气体的压缩、膨胀和进出途径）、油路（机油的流动路线）和水路（冷却液的流动路线），由机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组三部分组成。

（1）机体组（也叫气缸体与曲轴箱组）由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸垫等不动部件（积木）组成。与发动机的气路、油路和水路有关，相关部件出现损坏会引起发动机不能起动、起动困难、动力下降、耗油增加、冒白烟、冒蓝烟、漏油、漏气和漏水等故障现象。

（2）活塞连杆组由活塞、活塞环、活塞销、连杆等运动部件组成。与发动机力路、油路和气路有关，相关部件出现损坏会引起发动机不能起动、起动困难、动力下降、发动机抖动、耗油增加、冒蓝烟、异响等故障现象。

（3）曲轴飞轮组由曲轴、飞轮等组成。与发动机力的传递路线有关。相关部件出现损坏会引起发动机不能起动、抖动、异响等故障现象。

1.2.1 机体组的结构特征分析

机体组由气缸体、曲轴箱、气缸盖、气缸套、气缸垫等不动部件组成。尽管机体组是不动的，但是机体组是承载着其他运转件主体，同样受到高温、高压及各种冲击力和摩擦力的影响而损坏。

1.气缸体结构特征分析

气缸体是发动机各个机构和系统的装配基体，并用它来保持发动机各运动部件相互之间的准确位置关系。由于气缸体装配部件较多，同时要承受高温高压气体的作用力，因而要求气缸体具有足够的强度和刚度；为减轻发动机重量，还要求气缸体结构紧凑、重量较轻。因此大部分气缸体采用优质灰铸铁和铝合金材料铸造。

气缸体的上半部有若干个气缸，下半部为支承曲轴的上曲轴箱，其内腔为曲轴运动的空间。如图1-1所示，在上曲轴箱上有主轴承座孔，用于轴承安装。在侧壁上有主油道，前后壁和中间隔板上有分油道，便于轴承的润滑。润滑油的流动路线在润滑系统的有关内容中有详细分析。

汽车发动机多采用水冷方式，利用冷却液带走发动机高温部件的热量，其气缸体冷却液道和气缸盖内的冷却液套相通，与散热器、水泵等组成冷却系。冷却液的流动路线在冷却系统的有关内容中有详细分析。

图1-1 气缸体与上曲轴箱

按气缸体与油底壳安装平面的位置不同，气缸体可以分为一般式气缸体、龙门式气缸体和隧道式气缸体三种形式，如图1-2所示。

（1）一般式气缸体结构特征分析（图1-2a）一般式气缸体也叫平分式气缸体，其油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。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；但刚度和强度较差，多用于中小型发动机。如夏利、富康等轿车发动机用的是一般式气缸体。

（2）龙门式气缸体结构特征分析（图1-2b）油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。优点是强度和刚度都好，能承受较大的机械负荷，密封简单可靠、维修比较方便，缺点是工艺性较差、结构笨重、加工较困难。该类型的气缸体应用普遍。上海桑塔纳、一汽奥迪100、大众捷达、解放CA1091型汽车使用的发动机气缸体都为这一类型。

（3）隧道式气缸体结构特征分析（图1-2c）曲轴的主轴承孔为整体式，主轴承孔较大，曲轴从气缸体后部装入。优点是结构紧凑、刚度和强度好；但加工精度要求高，工艺性较差，曲轴拆装不方便。多用于主轴承采用滚动轴承的负荷较大的柴油机，如黄河JN1181C13型汽车的6135Q型发动机采用的是隧道式气缸体。

图1-2 气缸结构形式

a）平分式 b）龙门式 c）隧道式 1—气缸体 2—水套 3—凸轮轴孔座 4—加强筋 5—气缸套 6—主轴承座 7—主轴承座孔 8—安装油底壳的加工面 9—安装主轴承盖的加工面

气缸是指气缸内引导活塞做往复运动的圆柱形空腔。气缸在发动机上的排列形式主要有三种，如图1-3所示，即直列式（图1-3a）、V型（图1-3b）、水平对置式（图1-3c）。

直列式发动机多用于六缸以下的发动机。各个气缸排成一列，所有气缸共用一根曲轴和一个气缸盖，气缸多采用垂直布置（也有采用斜置布置的）。直列式发动机结构简单，易于制造，成本较低，但长度和高度都较大。如宝马的大部分车型均采用直列式发动机。

V型发动机将气缸排成两列，其气缸中心线夹角γ﹤180°，一般为60°～90°。V型发动机采用一根曲轴驱动两列气缸中的活塞运动，曲轴上每个连杆轴颈上连接两个连杆，所以发动机必须至少有两个或两个以上的气缸盖。该类型发动机的优点是缩短了发动机的长度和高度，增加了气缸体的刚度及稳定性，运转平稳，结构紧凑。缺点是宽度有一定量增大、形状复杂、加工困难。多用于缸数较多的大功率发动机。如雷克萨斯、日产天籁等多数车型采用的是这种排列方式。

图1-3 气缸排列形式

a）直列式 b）V型 c）水平对置式

水平对置式发动机实际上可以看做是一种特殊的V型发动机，其夹角γ=180°。该类型发动机高度最小，应用在一些垂直空间非常小的车辆上。

气缸工作表面要承受高温高压燃气的作用，同时受到做高速运动的活塞及活塞环的摩擦力作用，因此气缸表面必须耐高温、耐高压、耐磨损和耐化学腐蚀。因此，部分气缸利用表面处理（如表面淬火、镀铬等）方式来提高气缸表面的各方面性能，但表面磨损后性能快速下降，且难以修复；也有部分发动机采用优质材料，但成本高。目前普遍采用的是在气缸体内镶入优质合金铸铁或合金钢制造的耐磨性优越的气缸套。

2.气缸套结构特征分析

如图1-4所示，根据是否与冷却液相接触，气缸套可以分为干式气缸套（图1-4a）和湿式气缸套（图1-4b）两种类型。

干式气缸套不直接与冷却液接触，而是用专用仪器压入气缸体孔中，由于缸套自上而下都支撑在缸体上，所以可以加工得很薄，壁厚一般为1～3mm。

图1-4 气缸套

a）干式气缸套 b）湿式气缸套 1—气缸套 2—水套 3—气缸体 4—密封圈

湿式气缸套则直接与冷却液接触，也是用专用仪器压入气缸体孔中。冷却液接触到缸套的中部，由于它只在上部和下部有支撑，所以必须比干式气缸套厚，一般壁厚为5～9mm。为了保证径向定位，气缸套外表面有两个凸出的圆环带，即下支承定位带A和上支承定位带B（图1-4b）；轴向定位则利用上端凸缘实现。为防止漏水，缸套下部设有1～2个耐油耐热的橡胶密封圈。湿式气缸套装入气缸孔后，其顶面一般高出气缸体0.05～0.15mm，主要目的是在紧固气缸盖螺栓时，可将气缸垫压得更紧，以保证气缸良好的密封性，防止冷却液和气缸内高压气体窜漏。湿式气缸套具有散热性好、缸体铸造方便、易拆卸等优点，缺点是气缸体刚度较差，易漏水、漏气。

3.气缸盖结构特征分析

气缸盖的主要功用是密封气缸上部，与活塞顶部和气缸壁形成燃烧室，并承受气缸内气体压力。气缸盖内部也有冷却液套，其端面上的冷却液孔与气缸体的冷却液孔相通，以便利用循环水来冷却燃烧室等高温部分。

如图1-5和图1-6所示分别为桑塔纳2000GSi发动机及东风EQ6100-I型发动机气缸盖结构图。从图中可以看出，发动机的气缸盖上有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道等。汽油机的气缸盖设有火花塞座孔，柴油机则设有安装喷油器的座孔。

气缸盖可以分为分开式气缸盖和整体式气缸盖两种类型。分开式气缸盖即同一发动机上有多个气缸盖，两个缸或三个缸共用一个气缸或每个缸单独使用一个气缸盖，主要应用在一些重量较大、热负荷重的柴油机或者汽油机上。整体式气缸盖是指发动机所有气缸共用一个气缸盖，这种类型的气缸盖多应用在热负荷相对较轻的轿车发动机上。

气缸盖由于形状复杂，一般都采用灰铸铁或合金铸铁铸成，有的汽油机气缸盖用铝合金铸造，因铝的导热性比铸铁好，有利于提高压缩比。铝合金缸盖的缺点是刚度低，使用中容易变形。CA6102型发动机系采用铜钼低合金铸铁铸造的整体式气缸盖。

图1-5 上海桑塔纳2000GSi型轿车发动机气缸盖

1—气缸盖 2—气缸垫 3—机油反射罩 4—气缸盖罩 5—压条 6—气缸盖罩垫 7—加油盖

图1-6 东风EQ6100-I型发动机气缸盖

1—曲轴箱通风空气滤清器总成 2—罩盖螺母 3—密封圈 4—气缸盖螺栓 5—气缸盖罩 6—气缸盖罩垫片 7—气缸盖 8—水堵

4.燃烧室结构特征分析

汽油机的燃烧室是由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间组成的。首先燃烧室的结构尽可能紧凑，表面积要小，以减少热量损失及缩短火焰行程；其次是使混合气在压缩终了时具有一定的涡流运动，以提高混合气燃烧速度，保证混合气得到及时和充分燃烧。

如图1-7所示，汽油机常用燃烧室形状有以下几种。

（1）楔形燃烧室结构特征分析（图1-7a）结构较简单、紧凑，在压缩终了时能形成涡流，但存在较大的激冷面积，易造成燃烧不充分。

（2）盆形燃烧室结构特征分析（图1-7b）结构较简单、气体在里面燃烧速度快，热效率高，制造工艺较好，维修方便。缺点是结构不够紧凑，体积较大。北京492QG型发动机和CA1091型载货汽车采用了这种燃烧室。

（3）半球形燃烧室结构特征分析（图1-7c）结构较前两种紧凑，但因进、排气门分别置于缸盖两侧，使配气机构比较复杂。由于其散热面积小，有利于促进燃料的完全燃烧和减少排气中的有害气体，是现代汽车特别是轿车发动机上使用得较多的一种。

图1-7 常用燃烧室形状示意图

a）楔形燃烧室 b）盆形燃烧室 c）半球形燃烧室

5.气缸垫结构特征分析

气缸垫（图1-8）的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。气缸垫装配在气缸盖与气缸体之间，因接触高温高压燃气，在使用中易被烧蚀，故要求气缸垫能耐热、耐腐蚀，还必须具有足够的强度和弹性。目前应用较多的气缸垫主要有金属-石棉气缸垫和纯金属气缸垫。

金属-石棉气缸垫，其结构如图1-9a、b、c、d所示，该类型的气缸垫外层为铜皮或者钢皮，内层采用夹有金属丝或者金属屑的石棉材料，同时为了防止烧蚀，在冷却液孔及燃烧室孔周围有镶边以增加强度。金属材料具有很好的散热性，而石棉的耐热性和弹性都较好，可以提高气缸的密封性能。安装时，应该特别注意把气缸垫光滑的一面朝向气缸体，否则容易被高压气体冲坏。金属-石棉气缸垫是目前使用最多的一种类型的气缸垫。如奥迪100、大众捷达、丰田凯美瑞等轿车采用的均是这种气缸垫。

纯金属气缸垫，其结构如图1-9e所示，该类型气缸垫基本上由单层或者多层金属片（低碳钢或铜）制造而成。为加强密封，在气缸孔、冷却液孔及机油孔周围冲有弹性凸纹，利用凸纹的弹性实现密封。如红旗CA7560型轿车使用的气缸垫为这一种气缸垫。

图1-8 气缸垫

图1-9 气缸垫的结构

a）、b）、c）、d）金属-石棉气缸垫 e）冲压钢板气缸垫

6.油底壳结构特征分析

油底壳也叫下曲轴箱，如图1-10所示，主要用于储存机油并密封曲轴箱，同时还可起到机油散热的作用。油底壳一般采用薄钢板冲压而成，其形状主要取决于发动机总体结构和机油容量。为保证发动机纵向倾斜时机油泵正常吸油，油底壳中部一般做得较深，并在最深处装有放油螺塞，大部分的放油螺塞有一定磁性，用于吸附机油中的金属屑，以达到清洁润滑油的目的，减少运动机件的磨损。油底壳内设有挡油板，用于防止汽车振动时油面波动过大产生泡沫影响发动机的润滑性能。上下曲轴箱之间一般都有密封垫，有些也采用密封胶密封，主要是为了防止漏油。

图1-10 油底壳

a）薄钢板油底壳 b）轻金属油底壳

7.发动机的支承结构特征分析

发动机支承的作用是支承发动机并给发动机定位，发动机支承一般通过变速器壳和飞轮壳体与车架一起支承发动机。常用的支承方式是三点支承或四点支承，如图1-11所示。三点支承的前支承两点经过曲轴箱支承在车架上，后支承一点通过变速器壳支承在车架上；四点支承则是前支承两点通过曲轴箱支承在车架上，后支承两点通过飞轮壳支承在车架上。图1-12所示为桑塔纳200GSi发动机的支承，该支承方式为三点支承方式。

由于发动机在工作过程中存在很大的震动，并对支承及车架产生周期性冲击，导致车架及支承产生扭曲变形。为了消除这些不良后果，发动机支承一般采用弹性支承。发动机支承上都有纵向拉杆，其作用是防止汽车制动或加速时由于弹性元件变形而产生的发动机纵向位移，它是通过橡胶垫圈与车架纵梁和发动机相连。

图1-11 发动机的支承

a）三点支承 b）四点支承

1—前支承 2—后支承 3—橡胶垫圈 4—纵向拉杆

图1-12 桑塔纳200GSi发动机的支承

1—固定螺母 2—支架固定螺栓 3—发动机左支架 4—橡胶缓冲块 5—发动机悬架后橡胶支承 6—发动机悬架 7—发动机悬架前橡胶支承 8—发动机右支架 9—右支架固定螺栓 10—垫板

1.2.2 活塞连杆组的结构特征分析

活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆、连杆螺栓、连杆轴承、连杆轴承盖等运动部件组成，如图1-13所示。

1.活塞结构特征分析

活塞的主要作用是承受气缸中高温高压气体产生的膨胀压力，并将此压力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转，同时，活塞顶部还与气缸盖、气缸壁组成燃烧室。

由于活塞顶部直接与高温且具有一定腐蚀性的燃气相接触，并受到高速运动、周期变化的气体压力和惯性力作用，加之润滑条件、散热条件都差，因此活塞的工作条件是极为恶劣的，对于活塞的制造以及工艺，也提出了如下要求。

1）制造必须有较高的精度，以保证活塞与气缸壁之间有较小的摩擦系数。

2）材料必须有较小的质量，以降低惯性。

3）有足够的强度和刚度，特别是活塞环槽区内要有较大的强度，防止活塞环损坏。

4）活塞顶部耐热、裙部有一定弹性。

5）良好的导热性能及合理的热膨胀性，以便有合理的安装间隙。

6）一定的耐磨性能，以防止周期性运动带来的过度磨损。

汽车发动机活塞常用铝硅合金材料，采用铸造、锻造、液态模锻等方法制造。活塞的基本构造可分为顶部、头部和裙部三部分，如图1-14所示。

图1-13 JV型发动机活塞连杆组分解图

1—第一道气环 2—第二道气环 3—组合油环 4—活塞销 5—活塞 6—连杆 7—连杆螺栓 8—连杆

轴承9—连杆轴承盖

图1-14 活塞的基本结构

a）全剖 b）部分剖 1—活塞顶部 2—活塞头部 3—活塞环 4—活塞销座 5—活塞销 6—活塞销锁环 7—活塞裙部 8—加强筋 9—环槽

（1）活塞顶部结构特征分析活塞顶部的形状与选用的燃烧室形式有关。活塞顶部的形状主要有平顶、凸顶和凹顶三种，如图1-15所示。汽油机活塞顶部多采用平顶（图1-15a），其

图1-15 活塞顶的形状

a）平顶 b）凹顶 c）凸顶

优点是吸热面积小，制造工艺简单，燃烧室结构紧凑。有些汽油机为了改善混合气形成和燃烧而采用凹顶活塞（图1-15b），凹坑的大小还可以用来调节发动机的压缩比。凸顶活塞（图1-15c）主要用于二冲程汽油机。

（2）活塞头部结构特征分析活塞头部是最下端活塞环槽以上至活塞顶以下的部分。其主要作用如下。

①承受气体压力，并传给连杆。

②与活塞环一起实现气缸的密封。

③将活塞顶部所吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。头部切有若干用以安装活塞环的环槽。汽油机一般有2～3道环槽，上面1～2道用于安装气环，下面一道用于安装油环。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过这些小孔流回油底壳。

活塞头部一般做得较厚，以便于热量从活塞顶部经活塞环传给气缸的冷却壁面上，从而防止活塞顶部的温度过高。

有的发动机活塞在第一道环槽上面切出比环槽窄的隔热槽，其作用是隔断从活塞顶部流下来的部分热流通路，迫使热流方向转折，把原来应由第一道活塞环散走的热量，分散给第二道、第三道环，以消除第一道环过热后产生积炭和卡死在环槽中的可能性。

（3）活塞裙部结构特征分析裙部是指活塞环槽以下的所有部分，其作用是为活塞在气缸内做往复运动时导向和承受侧压力。

图1-16 活塞裙部的椭圆变形

a）弯曲变形 b）销座热膨胀变形 c）挤压变形 d）裙部综合变形

活塞工作时，燃烧气体的压力均匀作用在活塞顶上，而活塞销给予的支反力则作用在活塞裙部的销座处，由此而产生的变形使裙部直径沿活塞销座轴线方向增大（图1-16a）。侧压力的作用也使活塞裙部直径在同一方向上增大（图1-16b）。此外，活塞销座附近的金属堆积受热后膨胀量大，致使裙部在受热变形时，在沿活塞销座轴线方向的直径增量大于其他方向。如图1-16c所示，活塞工作时产生的机械变形和热变形，使其裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆（图1-16d）。鉴于上述情况，为了使活塞在正常工作温度下与气缸壁间保持比较均匀的间隙，以免在气缸内卡死或引起局部磨损，必须预先在冷态下把活塞制成裙部断面为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。为了减少活塞销座附近处的热变形量，有的活塞将活塞销座附近的裙部外表面制成下陷0.5～1.0mm。活塞裙部形状可以做成变椭圆桶形，即在活塞裙部的不同部位其椭圆度不同，椭圆度由下而上逐渐增大，即活塞裙部横截面越往上越扁，裙部纵向截面呈桶形，其轮廓线为一抛物线，故亦称抛物线形活塞裙部。图1-17所示为活塞裙部的不同形状和结构。

图1-17 活塞裙部的不同形状和结构

a）锥形裙部活塞 b）椭圆形裙部活塞 c）恒范钢片式活塞 d）热膨胀自动调节式活塞

（4）活塞销座结构特征分析活塞销座的作用是将活塞顶部的气体作用力经活塞销传给连杆。活塞销座通常有肋片与活塞内壁相连，以提高其刚度。

活塞销座孔内有的设有安放弹性卡环的卡环槽。卡环用来防止活塞销在工作中发生轴向窜动。

活塞销座孔的中心线一般位于活塞中心线的平面内。但也有些高速汽油机的活塞销孔中心线偏离活塞中心线平面，如图1-18a所示。图中活塞销座轴线向在做功行程中受侧向力的一面偏移了1～2mm，这是因为，如果活塞销对中布置，则当活塞越过上止点时侧压力的作用方向改变，会使活塞敲击气缸壁面发出噪声，而如果把活塞销偏移布置（图1-18b），则可使活塞较平稳地从压向气缸的一面过渡到另一面，而且过渡时刻早于达到最高燃烧压力的时刻，可以减轻活塞“敲缸”，减小噪声，改善发动机工作的平顺性。

2.活塞环结构特征分析

活塞环主要可以分为气环和油环两种。

气环的作用是保证活塞与气缸壁间的密封，防止气缸中气体大量漏入曲轴箱，同时还将活塞顶部的大部分热量传导到气缸壁，再由冷却液或空气带走；油环的作用是刮去气缸壁上多余的机油，并在气缸壁面涂上一层均匀的机油膜，这样既可以防止机油窜入气缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与气缸的摩擦阻力和磨损。此外，油环也起到密封的辅助作用。

图1-18 活塞销偏置及其流程

a）活塞销偏移布置 b）活塞销偏移布置流程

活塞环工作时受到气缸中高温、高压燃气的作用，温度较高（尤其是第一环，温度可达600K）。活塞环在气缸内做高速运动，加上高温下部分机油出现变质，使环的润滑条件变坏，难以保证液体润滑，因此磨损严重。

活塞环在发动机运转过程中与高温气体接触将发生热膨胀现象，而周期性的往复运动又使其出现径向伸缩变形。因此，为了保证正常的工作，活塞环在气缸内应该具有以下间隙，如图1-19所示。

1）端隙又称开口间隙，是指活塞环在冷态下装入气缸后，该环在上止点时，环的两端头之间的间隙，一般为0.25～0.50mm。

2）侧隙又称边隙，指活塞环装入活塞后，其侧面与活塞环槽之间的间隙。第一道环因工作温度高，间隙较大，一般为0.04～0.10mm；其他环一般为0.03～0.07mm。油环侧隙比气环小。

3）背隙是指活塞环装入气缸后，活塞环内圆柱面与活塞环槽底部间的间隙，一般为0.50～1.00mm。油环背隙较气环大，有利于增大存油间隙，便于减压泄油。

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。其原因是：活塞下行时，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，如图1-20a所示；当活塞上行时，环又靠在环槽的下方，同时将机油挤压到环槽上方，如图1-20b所示。如此反复运动，就将缸壁上的机油泵入燃烧室。

由于活塞环的泵油作用，使机油窜入燃烧室，会使燃烧室内形成积炭和增加机油消耗，并且还可能在环槽（尤其是第一道气环槽）中形成积炭，使环卡死，失去密封作用，甚至折断活塞环。

图1-19 活塞环的间隙

1—活塞环处于工作状态时的形状 2—活塞环处于自由状态时的形状 3—工作面 4—内表面 5—活塞 6—活塞环 7—气缸 Δ1—开口间隙 Δ2—侧隙 Δ3—背隙 d—活塞环内径 B—活塞环宽度

活塞环有一个切口，且在自由状态下不是圆环形，其外形尺寸比气缸的内径大些，因此，它随活塞一起装入气缸后，便产生弹力而紧贴在气缸壁上。活塞环在燃气压力作用下，压紧在环槽的下端面上（图1-21），于是燃气便绕流到环的背面，并发生膨胀，其压力下降。同时，燃气压力对环背的作用力使环更紧地贴在气缸壁上。压力已有所降低的燃气，从第一道气环的切口漏到第二道气环的上平面时，又把这道气环压贴在第二环槽的下端面上，于是，燃气又绕流到这个环的背面，再发生膨胀，其压力又进一步降低。如此继续进行下去，从最后一道气环漏出来的燃气，其压力和流速已经大大减小，因而泄漏的燃气量也就很少了。因此，为数很少的几道切口相互错开的气环所构成的“迷宫式”封气装置，就足以对气缸中的高压燃气进行有效的密封。

图1-20 活塞环的泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

图1-21 活塞环密封流程

1—第一密封面 2—第二密封面 3—背压力F2 4—活塞环自身弹力F1

气缸内的燃气漏入曲轴箱的主要通路是活塞环的切口，因此，切口的形状和装入气缸后的间隙大小对于漏入曲轴箱的燃气量有一定的影响，切口间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；间隙过小，活塞环受热膨胀后就有可能卡死或折断。切口间隙值一般为0.25～0.8mm。第一道气环的温度最高，因而其切口间隙值最大。气环的切口形状如图1-22所示。直角形切口工艺性好（图1-22a）；阶梯形切口的密封性好，但工艺性较差（图1-22b）；图1-22c所示为斜切口，斜角一般为30°或45°，其密封作用和工艺性均介于前两种之间，但其锐角部位在套装入活塞时容易折损；图1-22d所示为二冲程发动机活塞环的带防转销钉槽的切口。压配在活塞环槽中的销钉，是用来防止活塞环在工作中绕活塞中心线转动的。

图1-22 气环的切口形状

a）直角形 b）阶梯形 c）斜口形 d）带防转销钉槽形

气环断面形状主要有以下几种：

1）矩形环（图1-23a）的优点是结构简单，制造方便，散热性好，废品率低；缺点主要是有泵油作用，容易造成机油消耗量过大并有可能形成燃烧室积炭，另外，矩形环的刮油性、磨合性及密封性较差。现代汽车基本不采用。

2）锥面环（图1-23b）的优点是与气缸壁的接触为线接触，密封和磨合性能较好，刮油作用明显，容易形成油膜以改善润滑；缺点是传热性能较差。锥面环主要应用在除第一道环的其他环。

3）扭曲环（图1-23c、d）是现代汽车发动机广泛应用的一种活塞环。这主要是因为扭曲环除具有锥面环的优点之外，还能减小泵油作用，减轻磨损、提高散热性能。安装扭曲环时应特别注意：内圆切槽向上，外圆切槽向下，不能装反。

4）梯形环（图1-23e）的主要优点是能把沉积在环槽中的结焦挤出，从而避免了活塞环被粘结而出现折断。同时其密封性能优越，使用寿命长。缺点主要是上下两端面的精磨工艺较复杂。梯形环在热负荷较大的柴油发动机上使用较多。

5）桶面环（图1-23f）的优点是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜改善润滑，对活塞在气缸内摆动的适应性好，接触面积小，有利于密封；缺点是凸圆弧面加工困难，多用于强化柴油发动机的第一道环。

图1-23 气环的断面形状

a）矩形环 b）锥面环 c）正扭曲内切环 d）反扭曲锥面环 e）梯形环 f）桶面环

油环可以分为普通油环和组合油环两种，如图1-24所示。

1）普通油环如图1-24a所示，又叫整体式油环。环的外圆柱面中间加工有凹槽，槽中钻有小孔或开切槽，当活塞向下运动时，将缸壁上多余的机油刮下，通过小孔或切槽流回曲轴箱；当活塞上行时，刮下的机油仍通过回油孔流回曲轴箱。有些普通环还在其外侧上边制有倒角，使环在随活塞上行时形成油膜，可起均分布润滑油的作用，下行刮油能力强，减少了润滑油的上窜。这种类型的油环的优点是结构简单、造价低，早期发动机上使用较多；但其强度低，易磨损，磨损后刮油效果不理想、寿命较短。现代汽车发动机基本上不采用。

2）如图1-24b所示，组合油环一般由上刮片、衬环、下刮片三层组成。优点是质量小、刮油能力强、对缸套变形适应性好、回油通路大等。正因为如此，尽管组合油环造价相对较高，在现代汽车上仍旧得到了广泛的应用。

无论活塞上行或下行，油环都能将气缸壁上多余的机油刮下来经活塞上的回油孔流回油底壳。油环的刮油作用如图1-25所示。

图1-24 油环

a）整体式油环 b）组合式油环

3.活塞销结构特征分析

活塞销的功用是连接活塞和连杆小头，将活塞承受的气体作用力传给连杆。活塞销在高温下承受很大的周期性冲击载荷，润滑条件较差（一般靠飞溅润滑），因而要求有足够的刚度和强度，表面耐磨，质量尽可能小。为此，活塞销通常制成空心圆柱体。

活塞销一般用低碳钢或低碳合金钢制造，先经表面渗碳处理，以提高表面硬度，并保证心部具有一定的冲击韧性；然后进行精磨和抛光。

如图1-26所示，活塞销的形状主要有圆柱形和锥形（图1-26a、b），质量较小；中间或单侧封闭的活塞销如图1-26c、d所示，适用于二冲程发动机；内部有塑胶芯的钢套销（图1-26e），用于要求不高的汽油机；成形销（图1-26f），用于增压发动机。

活塞销按照其与活塞销座和连杆小头的连接方式可以分为全浮式和半浮式两种，如图1-27所示。

（1）全浮式结构特征分析在发动机正常工作温度时，活塞销能在连杆衬套和活塞销座孔中自由转动，因而增大了实际接触面积，减小了磨损且使磨损均匀，所以被广泛采用，如图1-27a所示。装配时，应先将活塞在温度为70～90℃的水或油中加热，然后将销装入。为防止活塞销因轴向窜动而刮伤气缸壁，在活塞销座两端用卡环加以轴向定位。

（2）半浮式结构特征分析半浮式连接就是销与座孔或连杆小头两处，一处固定，一处浮动。其中大多数采用活塞销与连杆小头的固定方式，如图1-27b所示。

图1-25 油环的刮油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

图1-26 活塞销形状

a）圆柱形 b）端部呈锥形扩展 c）中间封闭式 d）单侧封闭式 e）内有塑料芯的钢套销 f）成形销

图1-27 活塞销的连接方式

a）全浮式 b）半浮式

4.连杆结构特征分析

连杆的作用是将活塞承受的力传给曲轴，并把活塞的上下往复运动转变为曲轴的旋转运动。

连杆工作时，承受活塞顶部气体压力和惯性力的作用，而这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此，连杆受到的是压缩、拉伸和弯曲等交变载荷。这就要求连杆强度高、刚度大、重量轻。连杆一般都采用中碳钢或合金钢经模锻或辊锻而成，然后进行机加工和热处理。

如图1-28所示，连杆的结构主要包括连杆小头、连杆大头（包括连杆盖）、杆身三部分。

对全浮式活塞销，由于工作时小头孔与活塞销之间有相对运动，所以常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，在小头和衬套上铣有油槽或钻有油孔以收集发动机运转时飞溅上来的润滑油用以润滑。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。半浮式活塞销是与连杆小头过盈配合的，所以小头孔内不需要衬套，也不需要润滑。

连杆杆身通常做成“I”字形断面，其抗弯强度好、重量轻，大圆弧过渡，且上小下大，采用压力法润滑的连杆，杆身中部都制有连通大、小头的油道。

连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连。连杆大头的切口形式可以分为平切口和斜切口两种。

图1-28 连杆组件

1—连杆大头 2—连杆轴承 3—止推凸肩 4—衬套 5—连杆小头 6—杆身 7—连杆螺栓 8—连杆盖

1）平切口式连杆：切分面与连杆杆身轴线垂直，是汽油机普遍采用的一种形式。这是因为一般汽油机连杆大头的横向尺寸都小于气缸直径，可以方便地通过气缸进行拆装。

2）斜切口式连杆：切分面与连杆杆身轴线成30°～60°夹角，是柴油机上使用较多的一种形式。这是因为，柴油机压缩比大，受力较大，曲轴的连杆轴颈较粗，相应的连杆大头尺寸往往超过了气缸直径，为了使连杆大头能通过气缸，便于拆装，一般都采用斜切口，最常见的是45°夹角。

为了便于安装，连杆大头一般做成剖分式，被分开的部分称为连杆盖，用连杆螺栓紧固在连杆大头上。连杆大头与连杆盖是组合加工的，为防止配对错误，在同一侧刻有配对记号，如图1-29所示。

连杆与连杆盖在结构上采取了定位措施。平切口连杆盖与连杆的定位多采用连杆螺栓定位，利用连杆螺栓中部精加工的圆柱凸台或光圆柱部分与经过精加工的螺栓孔来保证定位准确。斜切口连杆常用的定位方法有止口定位、套筒定位和锯齿定位，如图1-30所示。

连杆螺栓：连杆盖和连杆大头用连杆螺栓连在一起，连杆螺栓在工作中承受很大的冲击力，若折断或松脱，将造成严重事故。为此，连杆螺栓都采用优质合金钢，并经精加工和热处理特制而成。安装连杆盖拧紧连杆螺栓螺母时，要用扭力扳手分1～3次交替均匀地拧紧到规定的力矩，拧紧后还应可靠地锁紧。连杆螺栓损坏后绝不能用其他螺栓来代替。

连杆轴瓦：为了减小摩擦阻力和曲轴连杆轴颈的磨损，连杆大头孔内装有瓦片式滑动轴承，简称连杆轴瓦。轴瓦分上、下两个半片，目前多采用钢背轴瓦，在其内表面浇铸有耐磨合金层。耐磨合金层具有质软、容易保持油膜、磨合性好、摩擦阻力小、不易磨损等特点。耐磨合金常采用的有巴氏合金、铜铝合金、高锡铝合金。连杆轴瓦的背面有很高的光洁度。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，并可以提高工作可靠性和延长使用寿命。

如图1-31所示，连杆轴瓦上制有定位凸键，供安装时嵌入连杆大头和连杆盖的定位槽中，以防轴瓦前后移动或转动，有的轴瓦上还制有油孔，安装时应与连杆上相应的油孔对齐。

V型发动机连杆的结构形式一般有三种，如图1-32所示，分别为并列式连杆、主副式连杆和叉形连杆。

（1）并列式连杆结构特征（图1-32a）连杆可通用，其相对应的左右两个气缸的连杆，沿曲轴的长度方向一前一后装配在一个曲柄销（连杆轴颈）上。特点是两列气缸的活塞连杆组的运动规律相同，曲轴的长度有一定量的增加。

图1-29 连杆大头与连杆盖的配对记号

图1-30 斜切口连杆大头的定位方式

a）止口定位 b）套筒定位 c）锯齿定位

图1-31 连杆轴承

1—钢背 2—油槽 3—定位凸键 4—减磨合金层

图1-32　V型发动机连杆示意图

a）并列连杆式 b）主副连杆式 c）叉形连杆式

（2）主副式连杆结构特征（图1-32b）两连杆不能通用，其一列气缸的连杆为主连杆，连杆大头直接装配在曲轴曲柄销的全长上。另一列气缸的连杆为副连杆，副连杆分别与对应的主连杆铰接传动。特点是主副连杆不能互换，两列气缸的活塞连杆组的运动规律不同，曲轴的轴向长度不增加。

（3）叉形连杆结构特征（图1-32c）左右两列对应气缸的连杆的大头制成叉形，跨于另一个厚度较小的片状大头的连杆两端。特点是两列气缸中的活塞连杆组的运动规律相同，但制造工艺复杂，且两个连杆的大头刚度都较低。

1.2.3 曲轴飞轮组的结构特征分析

曲轴飞轮组主要由曲轴、飞轮、正时齿轮、曲轴扭转减振器、带轮等结构组成。图1-33所示为曲轴飞轮组件基本结构示意图。

1.曲轴结构特征分析

曲轴主要作用：把活塞连杆组传来的气体压力转变为转矩，然后通过飞轮传递到汽车底盘传动系；另外还用于驱动配气机构、水泵、发电机、空调压缩机、风扇等辅助装置的工作。

曲轴一般用优质中碳钢或中碳合金钢（如铬镍钢、铬铝钢等）模锻而成，轴颈表面经高频淬火或渗氮处理，并经精磨加工而成，以抵御周期变化的气体压力、往复惯性力、离心力及转矩和弯矩的共同作用。

曲轴由主轴颈、曲柄销（连杆轴颈）、曲柄臂、平衡重块等组成。

图1-33 曲轴飞轮组件基本结构示意图

1—起动爪 2—起动爪锁紧垫片 3—扭转减振器、带轮 4—挡油片 5—正时齿轮 6—第1、第6缸活塞上止点记号 7—圆柱销 8—飞轮 9—螺母 10—机油嘴 11—曲轴与飞轮连接螺栓 12—中间轴承上下轴瓦 13—主轴承上下轴瓦 14、15—半圆键 16—曲轴

如图1-34所示，支承方式有如下两种：

1）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，主轴承载荷较大，但缩短了曲轴的总长度，使发动机的总体长度有所减小。

2）全支承曲轴：曲轴的主轴颈数比气缸数目多一个，即每一个连杆轴颈两边都有一个主颈。

图1-34 曲轴的支承方式

a）非全支承 b）全支承

图1-35 曲轴受力与平衡

a）受力 b）惯性平衡

四缸发动机的平衡如图1-35所示。在一些高档发动机上，还采用加装平衡轴的方法进行惯性的平衡，使发动机运转更加平稳。

曲轴前端：如图1-36所示，曲轴前端装有正时齿轮、驱动风扇和水泵的带轮及起动爪、甩油盘等。甩油盘外斜面向后，安装时应注意，否则会产生相反效果。在齿轮室盖上装有油封，防止机油外漏。

曲轴轴向定位：由于曲轴经常受到离合器施加于飞轮的轴向力作用，有的曲轴前端采用斜齿传动，使曲轴产生前后窜动，影响了曲柄连杆机构各零件的正确位置，增大了发动机磨损、异响和振动，故必须进行曲轴轴向定位。另外，曲轴工作时会受热膨胀，还必须留有膨胀的余地。

曲轴定位一般采用滑动推力轴承，安装在曲轴前端或中后部主轴承上。推力轴承有两种形式：翻边主轴瓦的翻边部分或具有减磨合金层的止推片，磨损后可更换。

图1-36 曲轴前端结构

1、2—滑动推力轴承 3—止推片 4—定时齿轮 5—甩油盘 6—油封 7—带轮 8—起动爪

曲轴的后端：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，以阻止机油向后窜漏。

曲轴油道：在轴颈上钻有油孔，并与斜油道相通，再与机体的主油道联通。

曲轴的形状取决于气缸数、气缸排列和发动机的点火顺序。多缸发动机的点火顺序应均匀分布在720°曲轴转角内，并且使连续做功的两缸相距尽可能远，以减轻主轴承的载荷，避免可能发生的进气重叠现象。

四缸四冲程发动机曲柄布置及工作顺序：点火间隔角为720°/4=180°，4个曲柄布置在同一平面内，如图1-37所示。1、4缸与2、3缸互相错开180°，其点火顺序的排列有两种可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循环分别见表1-1和表1-2。

六缸四冲程发动机曲柄布置及工作顺序：点火间隔角为720°/6=120°，六个曲柄分别布置在三个平面内，如图1-38所示，有两种点火顺序，1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5，国产汽车都采用前一种，其工作循环见表1-3。

图1-37 四缸四冲程发动机曲柄布置

表1-1 四缸机工作循环（点火顺序1-3-4-2）

表1-2 四缸机工作循环（点火顺序1-2-4-3）

图1-38 六缸四冲程发动机曲柄布置

表1-3 六缸机工作循环（点火顺序1-5-3-6-2-4）

八缸四冲程V型发动机曲柄布置及工作顺序：点火间隔角为720°/8=90°，发动机左右两列对应的一对连杆共用一个曲柄，所以V型八缸发动机只有四个曲柄，如图1-39所示。曲柄布置可以与四缸发动机相同，四个曲柄布置在同一平面内，也可以布置在两个互相错开90°的平面内，使发动机得到更好的平衡。点火顺序为1-8-4-3-6-5-7-2。其工作循环见表1-4。

表1-4 八缸机工作循环（点火顺序1-8-4-3-6-5-7-2）

图1-39 八缸四冲程发动机曲柄布置

2.曲轴扭转减振器结构特征分析

扭转减振器的功用就是吸收曲轴扭转振动的能量，消减扭转振动，避免发生强烈的共振及其引起的严重恶果。

曲轴是一种扭转弹性系统，其本身具有一定的自振频率。在发动机工作过程中，经连杆传给连杆轴颈的作用力的大小和方向都是周期性变化的，所以曲轴各个曲拐的旋转速度也是忽快忽慢呈周期性变化的。安装在曲轴后端的飞轮，转动惯量最大，可以认为是匀速旋转，由此造成曲轴各曲拐的转动比飞轮的转动时快时慢，这种现象被称为曲轴的扭转振动。曲轴的扭转振动容易造成发动机的功率损失，引起曲轴扭曲变形，振动强烈时甚至会扭断曲轴。一般来说，低速发动机不易达到临界转速，但对于缸数多及转速高的发动机，由于其曲轴刚度小、旋转质量大、自振频率低、强迫振动频率高，容易达到临界转速而发生强烈的共振。因而加装扭转减振器就很有必要。

汽车发动机常用的扭转减振器为摩擦式扭转减振器，主要包括橡胶式扭转减振器和硅油式扭转减振器。

目前应用较多的是橡胶式曲轴扭转减振器，如图1-40所示。这种扭转减振器的带轮毂固定在曲轴前端，通过橡胶垫分别与带轮（前惯性盘）和后惯性盘连接。当曲轴转动发生扭转时，因后惯性盘及带轮惯性盘转动惯量大，角速度均匀，从而使橡胶体和橡胶垫产生很大的交变剪切变形，消耗了曲轴扭转能量，减轻了共振。图1-41所示为奥迪100（1.8L）四缸发动机的曲轴扭转减振器，这是一种典型的橡胶式扭转减振器。