第二章：曲柄连杆机构

第一节：曲柄连杆机构概述一.功用与组成功用：将燃料燃烧时产生的热能转变为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。组成：1、机体组2、活塞连杆组3、曲轴飞轮组二.工作条件及受力分析：高温、高压、高速、化学腐蚀（一）气体压力

气缸内气体压力不断变化，最高达3~5MP

气缸盖受向上推力活塞顶受向下推力活塞侧面与气缸壁间有侧压力（二）往复惯性力和离心惯性力

曲柄连杆机构运动速度的大小方向不断变化，产生惯性力，分为：（1）往复惯性力：大小：Pj=m×a；方向：与a相反上止点下止点0Vmax0PjaPja上止点下止点0Vmax0PjaPja（二）离心惯性力定义：曲柄、连杆轴颈、连杆大头等围绕曲轴轴线作圆周运动的力大小：Pc=mRω2方向：背离曲轴旋转中心危害：给主轴颈、主轴承、连杆轴颈、连杆轴承附加力，加速部位磨损，引起振动（三）摩擦力相互接触表面作相对运动时存在摩擦力大小：f=Nμ方向：与相对运动方向相反

以上各种力，使曲柄连杆机构和机体的各零件承受了不同形式的载荷，为保证工作可靠，需要采取相应结构措施。2023/2/55第二节机体组机体组组成：曲轴箱crankcase气缸体Cylinderblock气缸垫Cylindergasket气缸盖cylinderhead气缸cylinder油道和水道油底壳Oilpan第二节：机体组（一）结构形式与功用定义：气缸体是气缸的壳体，曲轴箱是支乘曲轴旋转运动的壳体整体式：气缸体与曲轴箱铸成一体分开式：气缸体与曲轴箱分开铸造，再用螺栓连接

一、气缸体与曲轴箱功用：作为发动机各个机构和系统的装配基体，由它来保持发动机各运动件相互之间的位置关系。曲轴支承简图气缸体1、气缸体:水冷发动机的气缸体和上曲轴箱常铸成一体，称为气缸体——曲轴箱。气缸体的工作特点：高温高压、高速运动摩擦气缸体的结构特点：足够的强度和刚度，高精度内表面一汽奥迪100汽车发动机气缸体气缸体曲轴箱整体式气缸体汽油机气缸构造演示（二）工作条件与要求

条件：气缸与燃气接触，活塞作高速运动，曲轴箱承受较大机械和热负荷。

要求：气缸体须有足够的强度、刚度和良好的耐高温、耐磨损、耐腐蚀。（三）构造气缸：引导活塞往复运动的圆筒曲轴箱：支撑曲轴旋转运动。凸轮轴座孔：支撑凸轮轴的旋转水套：保证气缸在高温下正常工作，对水冷发动机，制有水套。分类（1）按气缸体与油底壳安装平面位置不同分为名称性能应用

一般式（平分式）机体高度小、重量轻、结构紧凑，便于加工拆卸。刚度和强度差。492Q汽油机，90系列柴油机。龙门式强度和刚度较好。工艺性差、结构笨重、加工困难。捷达轿车、富康轿车、桑塔纳轿车隧道式结构紧凑、刚度和强度好。难加工、工艺性差、曲轴拆卸不方便。负荷较大的柴油机上。油底壳安装平面和曲轴旋转中心在同一高度。油底壳安装平面低于曲轴的旋转中心。气缸体上曲轴的主轴承孔为整体式。（2）根据冷却方式不同散热片风冷气缸体和气缸盖1、水冷

2、风冷（3）根据气缸的排列方式结构简单、加工容易，但发动机长度和高度较大。缩短了机体的长度和高度，增加了刚度，减轻了发动机的重量；形状复杂，加工困难。六缸以上发动机使用高度小，总体布置方便。轿车中应用不多对置气缸式发动机（4）整体式气缸体和镶嵌式气缸体a、整体式气缸体：气缸直接镗在气缸体上。b、镶嵌式气缸体：气缸套镶嵌到气缸体内的气缸。类型构造性能及应用整体式气缸直接镗在气缸体上强度和刚度好，能承受大负荷。成本高。镶嵌式用耐磨优质材料制成气缸套，再装到一般材料制成的气缸体内。降低了制造成本，便于修理和更换气缸套，延长了气缸体的使用寿命。名称特点示意图干缸套外壁不直接与冷却水接触。壁厚1~3mm。湿缸套外壁直接与冷却水接触。壁厚5~9mm。（5）干缸套和湿缸套强度和刚度都较好，加工复杂，拆装不便，散热不良。散热良好、冷却均匀、加工容易。强度和刚度不如干缸套，易漏水。性能如何？（二）缸套的定位径向定位：凸出的圆环带A、B轴向定位：上部凸缘的下表面C（三）缸套的密封涨封式：1.密封槽开在缸套上压封式：2.密封槽开在缸体上优缺点：１.平分式：便于机械加工，制造方便，但刚度小，多用于中小型发动机２.龙门式：结构刚度较大，但工艺性较差。多用中型发动机３.隧道式：结构刚度最大、主轴承同轴度易保证，多用于机械负荷大的大型发动机

为满足气缸工作条件、要求，可以从结构、加工精度、材料等方面采取措施。刚度、强度——采用不同的曲轴箱型式。冷却——水套或散热器耐磨损、耐高温、耐腐蚀——材料，气缸体采用优质灰铸体，为提高气缸的耐磨性、加入少量合金元素：铬、磷二、油底壳(曲轴箱)放油塞软木衬垫挡油板构造特点：1、设放油塞；2、设挡油板；3、薄钢板冲压而成，4、软木衬垫。功用：储存和冷却机油并封闭曲轴箱。三、气缸盖与气缸垫（一）气缸盖功用：密封活塞上部，与活塞、气缸共同构成燃烧室。工作条件：承受燃气的热、机械负荷（1）功用及工作条件（3）结构设进、排气门座及气门导管和进、排气通道。水冷：设水套风冷：设散热片汽油机：设火花塞座孔柴油机：设喷油器座孔（２）分类整体式、块状式、单体式特点：

大缸径发动机多用分开式气缸盖，即：一缸一盖，二缸或三缸一盖，缸径较小发动机采用整体式气缸盖（3）材料与气缸盖的紧固材料：灰铸体、合金铸体、铝合金（重量轻、散热能力强，但易变形）二次拧紧紧固从中央对称地向四周、分次逐步进行，最后按规定扭矩拧紧拆卸时按相反方向进行。注意：铝合金气缸盖必须在发动机冷状态下拧紧（因铝缸盖>钢螺栓）铸体气缸盖在发动机发热时最后拧紧。缸体缸盖气缸垫气缸盖气缸盖罩Cylinderheadcover衬垫安装火花塞气缸盖与气缸垫（二）汽油机燃烧室1、对燃烧室基本要求：1）面容比要小；2）结构紧凑；3）能产生一定的涡流运动；4）充气效率高；5）表面光滑2、燃烧室类型：1）楔形；2）半球形；3）碗形；４）盆形；５）蓬形楔形燃烧室盆形燃烧室碗形燃烧室蓬形燃烧室半球形燃烧室名称特点示意图应用半球形结构紧凑、火焰行程段、燃烧速率高、热损失小、热效率高桑塔纳夏利富康楔形结构简单、紧凑、散热面积小、热损失少；火花塞置于燃烧室最高处，火焰传播距离长切诺基盆形工艺性好、成本低、进排气效果不如半球形燃烧室捷达奥迪燃烧室的要求？（三）气缸垫气缸垫（1）作用与要求作用：保证气缸体与气缸盖间的密封，防止漏气、漏水、和漏油。要求：1）有足够的强度，不易损坏；2）耐热耐腐蚀能力3）具有一定弹性，能补偿接合面不平度，确保密封。4）拆装方便、能重复使用、寿命长（2）气缸垫的构造气缸垫构造图1）金属—石棉垫；2）纯金属垫；注意：安装方向：1）气缸垫的卷边朝向易休整面和硬平面第三节活塞连杆组气环油环活塞销活塞连杆连杆螺栓连杆轴瓦连杆盖第三节：活塞连杆组一、活塞2）活塞顶部与缸盖、缸壁共同组成燃烧室。1）承受气体力、将此力通过活塞销传给连杆，推动曲轴旋转。（一）功用、工作条件与要求2）运动速度高、受交变力作用工作条件：1）工作温度高、气体压力大；要求:3）导热性好；热膨胀系数小5）与缸壁间有较小摩擦系数和间隙。2）质量尽量小、保持最小惯性力4）足够的耐热性；

1）具有足够的强度和刚度；3、结构（1）活塞顶部功用：是燃烧室的组成部分，主要作用承受气体压力。（1）活塞顶部目前广泛采用铝合金活塞顶部活塞环活塞销活塞销锁环活塞裙顶部环槽活塞裙结构特点：形状：1）平、凹、凸顶

2）背面有加强筋活塞顶形状工艺：1)力求光洁;2)可在顶部喷镀陶瓷;它耐高温、耐腐蚀，但与铝的结合性能较差，易龟裂剥落。活塞顶分类形状示意图平顶凸顶凹顶结构简单、制造容易、受热面积小、应力分布较均匀，多用在汽油机上。凸起呈球状、顶部强度高，起导向作用、有利于改善换气过程。凹坑的形状、位置必须有利于可燃混合气的燃烧；提高压缩比，防止碰气门。（2）活塞头部位置：第一道活塞槽与活塞销孔之间的部分。气环槽油环槽工作条件最恶劣，应离顶部远些。 1、安装活塞环、与活塞环一起密封气缸、

2、防止可燃混合气漏到曲轴箱内，

3、将顶部吸收的热量通过活塞环传给气缸壁。作用：活塞销孔（2）活塞头（环槽）部裙部环槽部（3）活塞裙部作用：1）为活塞运动导向；2）承受侧压力护圈2）油环槽底面上钻许多径向小孔构造特点：1）切有2~3道环槽。（1~2装气环）3）加环槽护圈4）加工隔热槽隔热槽图示34（3）活塞裙部位置：从油环槽下端面起至活塞最下端的部分，包括销座孔。作用：对活塞在气缸内的往复运动起导向作用，并承受侧压力，防止破坏油膜。裙部表面的保护1）镀锡油膜破坏时，起润滑作用；又可加速磨合作用。2）涂石墨(柴油机）易脆断可加速磨合，自润滑。3）表面粗糙化有规律的粗糙化，可加速磨合，沟谷可存机油润滑。绝热槽膨胀槽受力分析：1）把裙部断面加工为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。2）直径加工成上小下大的近似圆锥形；3）裙部开“T”形或“II”形槽4）活塞裙部沿销座外端面铸造时凹陷0.5~1mm活塞结构特点：（4）活塞形状--工作时，活塞受热膨胀，由于销座方向的金属材料较多，所以膨胀量较大。所以在生产时先将活塞制成椭圆形，短轴在销座轴方向。--上小下大的圆锥形形状。销座方向裙部受侧压力的作用，导致活塞发生变形工作时向里变形桶形不受压力的部分，去掉后可以减轻质量。开槽活塞（汽油机）绝热槽膨胀槽圆槽5）采用双金属活塞a.恒范钢片式；b.自动调节式；c.筒形钢片式6）其他结构1.喷油冷却（油冷活塞）2.隔热膜（a）温控结构（b）裙部表面保护1.镀；2.外表面磷化3.涂石墨（锻铝活塞）；4.表面粗糙化（c）偏置销座（d）减压腔（e）桶形裙活塞换向敲击活塞自上向下运动，侧向力向左活塞自下向上运动，侧向力向右活塞销的偏置使活塞从压缩行程到作功行程柔和的从气缸的一边过渡到另一边，减少敲缸的声音。（4）活塞的安装方向和顶面标记活塞顶面有方向标记（因活塞裙部膨胀槽位置、顶部形状不对称、气门坑或偏置销座等原因）汽油机活塞演示二、活塞环（1）作用1）气环：密封和传热作用。2）油环：刮油和布油作用。

（2）工作条件与缸壁间高速滑动摩擦、与环槽侧面的上下撞击。由于活塞的锥度和椭圆度，活塞环会沿径向产生一张一缩的运动，使环受交变应力而容易折断在高温、高压、高速润滑困难下工作。高温热负荷使环的耐磨性能、弹性性能下降，是发动机零件中工作寿命最短的。环径环侧环面环厚环高油孔（3）材料及表面处理环由优质灰铸体、球墨铸体或合金铸体制造（具有耐磨、导热、磨合、冲击韧性和足够弹性）表面处理：多孔镀铬或喷钼。（4）间隙活塞安装时留有端隙、侧隙、背隙Δ1—端隙（开口间隙）Δ2—侧隙（边隙）Δ3—背隙（1）气环作用：保证气缸与活塞间的密封性，防止漏气，并把活塞顶部吸收的大部分热量传给气缸壁，再由冷却水将其带走。切口气环（二）气环气环漏气通道：a.环面与气缸壁间；b.环与环槽侧面间 c.开口端隙处。1）第一密封面建立。在自由态下，D活塞环>D缸径，装入气缸，环产生一定的弹力P0与缸壁压紧，形成第一密封面。2）第二密封面建立。

气缸内未被密封的气体不能通过第一密封面下窜，进入侧隙和背隙。

环与环槽的侧面密封压紧力由气体压力P1、活塞环惯性力Pj、和摩擦力F三个沿气缸轴线方向力决定。∑F=P1+Pj+F加强密封：窜入环槽的少量气体作用在环的背面（背隙处），加强了第一密封面作用；第二密封面：窜入环槽的少量气体作用在环槽底面，形成第二密封面；∑F<0：靠在环槽的下侧（压缩、作功、排气行程）∑F>0：靠在环槽的上侧（进气行程）∑F=0：浮动于环槽中跳上跳下（环的颤振，危险）漏气通道环槽中气体压力的下降4）开口端隙的防漏

它是唯一的漏气通道，各环的开口按迷宫式封气路线错开安装。（2）活塞环泵油作用及危害活塞下行活塞上行泵油过程：由于侧隙和背隙，当活塞下行——环靠在环槽上方——刮下的油充满环槽下方—活塞上行——环靠在环槽下方——润滑油泵入活塞顶危害：1）增加了润滑油消耗2）火花塞可能因沾油不能产生电火花3）使燃烧室积碳增多，甚至环槽内形成积碳。挤压活塞环而失去密封作用。气环的泵油作用演示（3）气环的特殊断面（结构措施）采取减小环质量、特殊断面形状气环，油环下设减压腔或用组合环式油环等方法可减少泵油危害3）扭曲环矩形环锥形环内切口扭曲环外切口扭曲环梯形环桶形环1）矩形环

结构简单、制造方便，便于活塞头部散热2）锥形环线接触—单位压力大—利于密封和磨合，但传热性较差。扭曲原理活塞环装入—受压产生弯曲变形——中性层外产生拉应力——内产生压应力—拉应力合力F1指向环中心——压应力合力F2背离环中心——矩形环中性层内外端面对称——不产生扭矩—扭曲环中性层内外断面不对称——形成力偶——活塞环发生微量扭曲变形。矩形环扭曲环特点：1）线接触、利于密封和走合、能刮油、布油和形成形油膜2）减小了环在环槽内的上下移动量，从而减小了泵油作用3）作功行程侧压和背压使扭曲环不再扭曲，两密封面完全接触。安装:槽口内上，外下气环断面形状：形状特点示意图矩形环 结构简单、制造方便、易于生产、应用面广；但有泵油作用扭曲环断面不对称，受力不平衡，使活塞环扭曲，减小泵油作用，减轻磨损锥面环减少了环与气缸壁的接触面，提高了表面接触压力，有利于磨合和密封；可形成油膜改善润滑，但导热性差，不适用第一道环梯形环可将沉积在环中的结焦挤出，避免环折断，且密封性较好；但加工困难，精度要求高桶面环上下均可形成油膜，且对活塞的摆动适应性好，接触面小，利于密封，但外圆为凸圆弧形，加工困难（三）油环

活塞在上、下行过程中，油环都刮下气缸壁上多余的润滑油，经油环径向油孔和活塞上的回油孔流回油底壳。分类：整体式和组合式两种。（1）整体式油环

为增强刮油效果，在其外圆上切环行槽，槽底开若干回油用的小孔或窄槽

为保证对缸壁的压力，又有较好的柔性，改善对缸壁贴合的适应性，有的发动机将油环减薄，在其加装衬簧整体式油环油孔活塞下行刮油活塞上行刮油钢片轴向衬环径向衬环组合式油环（2）组合式油环组成：钢片、轴向、径向衬簧。轴向力：自由状态衬簧和两钢片的总厚度大于环槽的高度径向力弹力使钢片第一密封面密封。轴向弹力使两钢片分别贴合在环槽上、下侧，使第二密封面密封，消除了侧隙。2023/2/558（2）油环种类普通油环组合式油环示意图特点结构简单，易加工，成本低与汽缸壁接触压力高，适应性好，刮油效果强，但成本高刮油片轴向衬环径向衬环刮油片回油孔油环的刮油作用三、活塞销（二）结构基本结构：厚壁管状体；变截面结构功用：连接活塞和连杆，把活塞所受的力传给连杆。（一）功用与工作条件工作条件：承受大小和方向不断变化的冲击载荷

作低速摆转运动，油膜不易建立活塞销的连接方式全浮式半浮式全浮连接的特点：活塞销能在连杆小头、销座孔中自由转动，三者间可相对运动，减少了磨损并使磨损均匀（1）全浮式：活塞销在连杆小头及活塞销座内部都有合适的配合间隙。（2）半浮式半浮式连接：销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一处浮动。四.连杆(一)组成与功用

连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等功用：将活塞承受的力传给曲轴。（三）连杆体、连杆盖构造（1）小头：（2）杆身（3）大头：

（二）工作条件

承受气体压力和往复惯性力产生的冲击性拉压交变负荷。连杆承受弯曲交变载荷。1)连杆小头小头的结构形状取决于活塞销的尺寸及其与连杆小头的连接方式。2)连杆杆身杆身断面为工字形，刚度大、质量轻、适于模锻。工字形断面的Y-Y轴在连杆运动平面内。有的连杆在杆身内加工有油道，用来润滑小头衬套或冷却活塞。如果是后者，须在小头顶部加工出喷油孔。3)连杆大头连杆大头除应具有足够的刚度外，还应外形尺寸小，质量轻，拆卸发动机时能从气缸上端取出。连杆大头是剖分的，连杆盖用螺栓或螺柱紧固，为使结合面在任何转速下都能紧密结合，连杆螺栓的拧紧力矩必须足够大。（五）连杆轴承（1）作用与工作条件作用：使连杆轴颈和连杆大头间保持良好的油膜，减小摩擦阻力，加速磨合。工作条件：1）承受交变载荷；3）低速大负荷时润滑差，可能会烧瓦。2）高速摩擦（摩擦热使润滑油粘度下降，润滑变坏，磨损加剧）轴瓦连杆盖钢背垃圾槽减磨合金层定位唇（2）组成钢背（低碳钢）：基体

减磨层：由浇铸在钢背内圆的薄层减膜合金制成。对减磨合金性能要求：1）足够的疲劳强度；2）良好的减磨性能3）良好的耐腐蚀性。4）足够的结合强度；（3）结构1）背面结构；2）定位装置：定位唇、定位槽、定位孔、定位销3）自由弹势：4）过盈配合（过盈可保证轴瓦工作时不转、不移、不振，并可以使轴瓦与座孔紧密贴合，利于散热。5）内表面结构有更低的粗糙度，以便建立良好的油膜。六．V型发动机连杆1)并列连杆2)主副连杆3)叉形连杆第四节：曲轴飞轮组一、曲轴组成：曲轴、飞轮、正时齿轮、皮带轮、扭转减振器曲轴飞轮组（一）功用

把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出；还驱动配气机构及其他各种辅助装置（二）工作条件及要求1）承受周期变化的气体压力、往复惯性力和离心力，2）在周期载荷下，引起扭转和弯曲振动而产生附加应力3）转速和负荷不断变化,轴颈处不易形成良好油膜.4）紧急制动等情况下,曲轴会产生轴向窜动.一、曲轴飞轮组的组成起动爪正时齿轮主轴瓦皮带轮扭转减振器飞轮飞轮螺栓曲轴3、曲轴结构：前端轴连杆轴颈曲轴轴颈后端轴平衡重曲拐曲拐：由一个连杆轴颈和它两端曲柄及主轴颈构成。曲柄要求:细长件曲轴工作时会产生弯曲变形、疲劳破坏和轴颈磨损，因此要有足够的刚度、强度和一定的耐磨性，并需要很好的平衡。（三）材料

曲轴要求用强度、冲击韧性和耐磨性较高的材料制造，一般用优质中碳钢或中碳合金钢锻制，主轴颈和曲柄销表面上——高频淬火或氮化处理——精磨；（四）构造分整体式和组合式两种：组成：前端轴、主轴颈、曲柄销、曲柄、平衡重、后端轴曲拐：曲柄销和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。2023/2/574曲轴的主轴颈主轴颈：用于支撑曲轴的部位。主轴颈数：主轴颈数＝气缸数：全支承曲轴主轴颈＝气缸数÷2＋1：非全支承曲轴(1)主轴颈和曲柄销（连杆轴颈）

全支承式

非全支承式

是高速滑动摩擦部分，表面经淬火处理，轴颈两端与曲柄连接处都有半径要求严格的圆角，喷丸、滚压等强化处理。

按主轴颈数，曲轴可分为：全支承曲轴、非全支承曲轴全支承曲轴可提高曲轴刚度和弯曲强度，可减轻主轴承载荷。

非全支承曲轴结构简单常用于中小负荷汽油机。连杆轴颈(曲柄销)

曲柄销一般是空心的，目的是减小质量和离心力。2023/2/5764、曲轴的支承方式概念：在相邻的两个曲拐之间都设置一个主轴颈的曲轴，称为全支承曲轴，否则称为非全支承曲轴。优点缺点应用全支承曲轴提高曲轴的刚度和弯曲强度，减轻主轴承的载荷曲轴的加工表面增多，主轴承数增多，使机体加长应用较广泛，柴油机一般多采用此种支撑方式非全支承曲轴缩短了曲轴的长度，使发动机总体长度有所减小主轴承载荷较大承受载荷较小的汽油机可以采用此种方式（2）曲柄和平衡重

作用：曲柄用来连接主轴颈和连杆轴颈；平衡重是平衡发动机不平衡的离心力和离心力矩的。平衡重有的与曲轴制成一体，有的则是装配式曲轴必须进行动平衡校核

无平衡重加平衡重油道：贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈。空心的曲柄销减小了重量和离心力，又构成了积污腔。油道示意图为了平衡二阶往复惯性力需采用双轴平衡机构。两根平衡轴与曲轴平行且与气缸中心线等距，旋转方向相反，转速相同，都为曲轴转速的二倍。两根轴上都装有质量相同的平衡重，其旋转惯性力在垂直于气缸中心线方向的分力互相抵消，在平行于气缸中心线方向的分力则合成为沿气缸中心线方向作用的力，与

FjII大小相等，方向相反，从而使FjII得到平衡。（3）曲拐布置123412341234三、曲拐的布置（1）一般规律

1）各缸的作功间隔要尽量均衡，以使发动机运转平稳。

2）连续作功的两缸相隔尽量远些，最好是在发动机的前半部和后半部交替进行。

3）V型发动机左右气缸尽量交替作功。

4）曲拐布置尽可能对称、均匀以使发动机工作平衡性好。3）曲轴曲拐的布置a..直列四冲程四缸发动机曲轴曲拐布置该发动机的工作发火顺序有两种：1—3—4—2；1—2—4—3工作顺序：1—3—4—2的发动机工作循环表四个曲拐在同一平面内，点火间隔：180°b.直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置b.直列四冲程六缸发动机曲轴曲拐布置

曲拐均匀布置在互成120