第二章 发动机机体和曲柄连杆机构 教学提要 目的与要求：1 2 掌...

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第二章 发动机机体和曲柄连杆机构

教学提要

目的与要求：1．了解发动机常见的几种机体结构形式

2． 掌握活塞连杆组的加工与维修注意事项

3.掌握曲柄连杆机构的配合间隙的调整方法

内容：1．曲柄连杆机构中的作用力及力矩

2．机体组

3．曲柄连杆机构

4．平衡机构

方法：1.结合基本原理学习构造，理论联系实际采用案例式、

启发式教学

2.以课堂讲授为主，结合参观、拆装实习和作业练习，

掌握所学知识。

3.通过拆装、观察分析结构特点，加深理解基本原理

和工作过程

时间：2学时

地点：多媒体教室

器材保障：汽油机与柴油机活塞连杆组实物教具各一

曲轴飞轮组实物教具

2

教 学 进 程 教学环节设计

功用：曲柄连杆机构是内燃机实现工作循环，

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，曲柄连杆机构在作功行程中把

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。

工作条件：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，机体组、活塞连杆组和曲轴飞轮组。

配 套 课 件 ：

kcnr02_01_01.htm

课堂提问：

发动机的结构组

成，一个机体，两

大机构，五大系统

以复习前节课内

容

3

第一节 曲柄连杆机构中的作用力及

力矩

作用在曲柄连杆机构上的力有气体力和运动

质量惯性力。

气体力作用于活塞顶上，在活塞的四个行程中

始终存在，但只有作功行程中的气体力是发动机

对外作功的原动力。气体力通过连杆、曲柄销传

到主轴承。气体力同时也作用于气缸盖上，并通

过气缸盖螺栓传给机体。作用于活塞上和气缸盖

上的气体力大小相等、方向相反，在机体中相互

抵消而不传至机体外的支承上，但使机体受到拉

伸。

曲柄连杆机构可视为由往复运动质量和旋转

运动质量组成的当量系统。往复运动质量包括活

塞组零件质量和连杆小头集中质量，它沿气缸轴

线作往复变速直线运动，产生往复惯性力；旋转

运动质量包括曲柄质量和连杆大头集中质量，它

绕曲轴轴线旋转，产生旋转惯性力，也称离心力。

往复惯性力和旋转惯性力通过主轴承和机体传

受力的形象化、简

单化分析

4

给发动机支承。

第二节 机体组

一、机体组的功用及组成

现代汽车发动机机体组主要由机体、气缸盖、

气缸盖罩、气缸衬垫、主轴承盖以及油底壳等组

成。镶气缸套的发动机，机体组还包括干式或湿

式气缸套。

机体组是发动机的支架，是曲柄连杆机构、配

气机构和发动机各系统主要零部件的装配基体。

气缸盖用来封闭气缸顶部，并与活塞顶和气缸壁

一起形成燃烧室。另外，气缸盖和机体内的水套

和油道以及油底壳又分别是冷却系统和润滑系

统的组成部分。

二、机体

1．机体的工作条件及要求

机体是气缸体与曲轴箱的连铸体。绝大多数水

冷发动机的气缸体与曲轴箱连铸在一起，而且多

缸发动机的各个气缸也合铸成一个整体。风冷发

动机几乎无一例外地将气缸体与曲轴箱分别铸

配 套 课 件 ：

kcnr02_02_01.htm--

kcnr02_02_07.htm

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制。在发动机工作时，机体承受拉、压、弯、扭

等不同形式的机械负荷，同时还因为气缸壁面与

高温燃气直接接触而承受很大的热负荷。因此，

机体应具有足够的强度和刚度，且耐磨损和耐腐

蚀，并应对气缸进行适当的冷却，以免机体损坏

和变形。机体也是最重的零件，应该力求结构紧

凑、质量轻，以减小整机的尺寸和质量。

2．机体材料

机体一般用高强度灰铸铁或铝合金铸造。最

近，在轿车发动机上采用铝合金机体的越来越普

遍。

3．机体构造

机体的构造与气缸排列形式、气缸结构形式和

曲轴箱结构形式有关。气缸排列形式有 3种：直

列式、V型和水平对置式。

气缸内表面由于受高温高压燃气的作用并与

高速运动的活塞接触而极易磨损。为了提高气缸

的耐磨性和延长气缸的使用寿命而有不同的气

缸结构形式和表面处理方法。气缸结构形式也有

3种，即无气缸套式、干气缸套式和湿气缸套式。

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干气缸套式机体是在一般灰铸铁机体的气缸

套座孔内压入或装入干式气缸套式气缸套不与

冷却液接触。干式气缸套的外圆表面和气缸套座

孔内表面均须精加工，以保证必要的形位精度和

便于拆装。

湿气缸套式机体，其气缸套外壁与冷却液直接

接触。用合金铸铁制造的湿式气缸套的壁厚一般

为 5～8mm。湿式气缸套下部用 1～3道耐热耐油

的橡胶密封圈进行密封，防止冷却液泄漏。湿式

气缸套上部的密封是利用气缸套装入机体后，气

缸套顶面高出机体顶面 0.05～0.15mm。

风冷发动机气缸体结构。由于金属对空气的换

热系数仅是金属对水的换热系数的 1/33。因此必

须在风冷气缸的外壁铸制散热片，以增加散热面

积，增强散热能力。

按曲轴箱结构形式的不同机体有平底式、龙门

式和隧道式 3种。

平底式机体的底平面与曲轴轴线齐平。这种机

体高度小、质量轻、加工方便。但与另外两种机

体相比刚度较差。

引导学生自行分

析各种机体形式

的优缺点？引申

各自使用哪种车

型？

7

龙门式机体是指底平面下沉到曲轴轴线以下

的机体机体底平面到曲轴轴线的距离称作龙门

高度。龙门式机体由于高度增加，其弯曲刚度和

扭转刚度均比平底式机体有显著提高。机体底平

面与油底壳之间的密封也比较简单。

隧道式机体是指主轴承孔不剖分的机体结构。

这种机体配以窄型滚动轴承可以缩短机体长度。

隧道式机体的刚度大，主轴承孔的同轴度好，但

是由于大直径滚动轴承的圆周速度不能很大，而

且滚动轴承价格较贵，因此限制了隧道式机体在

高速发动机上的应用。

三、气缸盖

1．气缸盖工作条件及要求

气缸盖承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成

的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受

很高的热负荷。为了保证气缸的良好密封，气缸

盖既不能损坏，也不能变形。为此气缸盖应具有

足够的强度和刚度。为了使气缸盖的温度分布尽

可能的均匀，避免进、排气门座之间发生热裂纹，

应对气缸盖进行良好的冷却。

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2．气缸盖材料

气缸盖一般都由优质灰铸铁或合金铸铁铸造，

轿车用的汽油机则多采用铝合金气缸盖。

3．气缸盖构造

气缸盖是结构复杂的箱形零件。其上加工有

进、排气门座孔，气门导管孔，火花塞安装孔(汽

油机)或喷油器安装孔(柴油机)。在气缸盖内还铸

有水套、进排气道和燃烧室或燃烧室的一部分。

若凸轮轴安装在气缸盖上，则气缸盖上还加工有

凸轮轴承孔或凸轮轴承座及其润滑油道。

水冷发动机的气缸盖有整体式、分块式和单体

式 3种结构形式。在多缸发动机中，全部气缸共

用一个气缸盖的，则称该气缸盖为整体式气缸

盖；若每两缸一盖或三缸一盖，则该气缸盖为分

块式气缸盖；若每缸一盖，则为单体式气缸盖。

风冷发动机均为单体式气缸盖。

4．燃烧室

当活塞位于上止点时，活塞顶面以上、气缸盖

底面以下所形成的空间称为燃烧室。在汽油机气

缸盖底面通常铸有形状各异的凹坑，习惯上称这

燃烧室内容可略

讲，主要后后续课

程《内燃机原理》

9

些凹坑为燃烧室。

在汽油机上广泛应用的燃烧室有：

1)浴盆形燃烧室，结构简单，气门与气缸轴线

平行，进气道弯度较大。压缩行程终了能产生挤

气涡流。

2)楔形燃烧室，结构比较紧凑，气门相对气缸

轴线倾斜，进气道比较平直，进气阻力小。压缩

行程终了时能产生挤气涡流。

3)半球形燃烧室，结构最紧凑，燃烧室表面积

与其容积之比(面容比)最小。进排气门呈两列倾

斜布置，气门直径较大，气道较平直。火焰传播

距离较短，不能产生挤气涡流。

4)多球形燃烧室是由两个以上半球形凹坑组

成的，其结构紧凑，面容比小，火焰传播距离短，

气门直径较大，气道比较平直，且能产生挤气涡

流。

5)篷形燃烧室，是近年来在高性能多气门轿车

发动机上广泛应用的燃烧室。

相关章节内容作

铺垫

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柴油机的分隔式燃烧室有两种类型：

1)涡流室燃烧室，其主、副燃烧室之间的连接

通道与副燃烧室切向连接，在压缩行程中，空气

从主燃烧室经连接通道进入副燃烧室，在其中形

成强烈的有组织的压缩涡流，因此称副燃烧室为

涡流室。燃油顺气流方向喷射。

2)预燃室燃烧室，其主、副燃烧室之间的连接

通道不与副燃烧室切向连接，且截面积较小。在

压缩行程中，空气在副燃烧室内形成强烈的无组

织的紊流。燃油迎着气流方向喷射，并在副燃烧

室顶部预先发火燃烧，故称副燃烧室为预燃室。

四、气缸衬垫

1．气缸衬垫的功用、工作条件及要求

气缸衬垫是机体顶面与气缸盖底面之间的密

封件。其作用是保持气缸密封不漏气，保持由机

体流向气缸盖的冷却液和机油不泄漏。气缸衬垫

承受拧紧气缸盖螺栓时造成的压力，并受到气缸

内燃烧气体高温、高压的作用以及机油和冷却液

的腐蚀。气缸衬垫应该具有足够的强度，并且要

耐压、耐热和耐腐蚀。另外，还需要有一定的弹

注意：不同的缸体

材料，气缸垫装配

的正反面有区别。

在相关维修实践

及实习中应特别

注意

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性，以补偿机体顶面和气缸盖底面的粗糙度和不

平度以及发动机工作时反复出现的变形。

2．气缸衬垫的分类及结构

按所用材料的不同，气缸衬垫可分为金属—石

棉衬垫、金属—复合材料衬垫和全金属衬垫等多

种。

五、 油底壳

油底壳的主要功用是储存机油和封闭机体或

曲轴箱。

油底壳用薄钢板冲压或用铝铸制而成。油底壳

内设有挡板，用以减轻汽车颠簸时油面的震荡。

此外，为了保证汽车倾斜时机油泵能正常吸油，

通常将油底壳局部做得较深。油底壳底部设放油

螺塞。有的放油螺塞带磁性，可以吸引机油中的

铁屑。

六、 发动机的支承

发动机一般通过机体和飞轮壳或变速器壳上

的支承支撑在车架上。发动机的支承方法，一般

有三点支承和四点支承两种。三点支承可布置成

知道用途

掌握类型

12

前一后二或前二后一。采用四点支承法时，前后

各有两个支承点。

第三节 曲柄连杆机构

一、曲柄连杆机构的功用及组成

曲柄连杆机构是发动机的主要运动机构。其功

用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，

同时将作用于活塞上的力转变为曲轴对外输出

的转矩，以驱动汽车车轮转动。曲柄连杆机构由

活塞组、连杆组和曲轴飞轮组的零件组成。

二、活塞组

(一)活塞

1．活塞的功用及工作条件

活塞的主要功用是承受燃烧气体压力，并将此

力通过活塞销传给连杆以推动曲轴旋转。此外活

塞顶部与气缸盖、气缸壁共同组成燃烧室。

活塞是发动机中工作条件最严酷的零件。作用

在活塞上的有气体力和往复惯性力。活塞顶与高

温燃气直接接触，使活塞顶的温度很高。活塞在

配 套 课 件 ：

kcnr02_03_01.htm--

kcnr02_03_24.htm

13

侧压力的作用下沿气缸壁面高速滑动，由于润滑

条件差，因此摩擦损失大，磨损严重。

2．活塞材料

现代汽车发动机不论是汽油机还是柴油机广

泛采用铝合金活塞，只在极少数汽车发动机上采

用铸铁或耐热钢活塞。

3．活塞构造

活塞可视为由顶部、头部和裙部等 3 部分构

成。

1)活塞顶部。汽油机活塞顶部的形状与燃烧室

形状和压缩比大小有关。大多数汽油机采用平顶

活塞，其优点是受热面积小，加工简单。采用凹

顶活塞，可以通过改变活塞顶上凹坑的尺寸来调

节发动机的压缩比。

柴油机活塞顶部形状取决于混合气形成方式

和燃烧室形状。在分隔式燃烧室柴油机的活塞顶

部设有形状不同的浅凹坑，以便在主燃烧室内形

成二次涡流，增进混合气形成与燃烧。

柴油机还有另一类燃烧室，称为直喷式燃烧

此内容应结合活

塞连杆实物讲解

14

室。其全部容积都集中在气缸内，且在活塞顶部

设有深浅不一、形状各异的燃烧室凹坑。在直喷

式燃烧室的柴油机中，喷油器将燃油直接喷入燃

烧室凹坑内，使其与运动气流相混合，形成可燃

混合气并燃烧。

2)活塞头部。由活塞顶至油环槽下端面之间的

部分称为活塞头部。在活塞头部加工有用来安装

气环和油环的气环槽和油环槽。在油环槽底部还

加工有回油孔或横向切槽，油环从气缸壁上刮下

来的多余机油，经回油孔或横向切槽流回油底

壳。

活塞头部应该足够厚，从活塞顶到环槽区的断

面变化要尽可能圆滑，过渡圆角 R 应足够大，

以减小热流阻力，便于热量从活塞顶经活塞环传

给气缸壁，使活塞顶部的温度不致过高。

在第一道气环槽上方设置一道较窄的隔热槽

的作用是隔断由活塞顶传向第一道活塞环的热

流，使部分热量由第二、三道活塞环传出，从而

可以减轻第一道活塞环的热负荷，改善其工作条

件，防止活塞环粘结。

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活塞环槽的磨损是影响活塞使用寿命的重要

因素。在强化程度较高的发动机中，第一道环槽

温度较高，磨损严重。为了增强环槽的耐磨性，

通常在第一环槽或第一、二环槽处镶嵌耐热护

圈。在高强化直喷式燃烧室柴油机中，在第一环

槽和燃烧室喉口处均镶嵌耐热护圈，以保护喉口

不致因为过热而开裂。

3)活塞裙部。 活塞头部以下的部分为活塞裙

部。裙部的形状应该保证活塞在气缸内得到良好

的导向，气缸与活塞之间在任何工况下都应保持

均匀的、适宜的间隙。间隙过大，活塞敲缸；间

隙过小，活塞可能被气缸卡住。此外，裙部应有

足够的实际承压面积，以承受侧向力。活塞裙部

承受膨胀侧向力的一面称主推力面，承受压缩侧

向力的一面称次推力面。

发动机工作时，活塞在气体力和侧向力的作用

下发生机械变形，而活塞受热膨胀时还发生热变

形。这两种变形的结果都是使活塞裙部在活塞销

孔轴线方向的尺寸增大。因此，为使活塞工作时

裙部接近正圆形与气缸相适应，在制造时应将活

塞裙部的横断面加工成椭圆形，并使其长轴与活

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塞销孔轴线垂直。现代汽车发动机的活塞均为椭

圆裙。

另外，沿活塞轴线方向活塞的温度是上高下

低，活塞的热膨胀量自然是上大下小。因此为使

活塞工作时裙部接近圆柱形，须把活塞制成上小

下大的圆锥形或桶形。

在活塞销座处镶铸恒范钢片的活塞称恒范活

塞。由于恒范活塞在销座处只靠恒范钢片与活塞

裙相连且恒范钢的热膨胀系数只有铝合金的 1/10

左右，因此当温度升高时，在恒范钢片的牵制下，

裙部在活塞销孔轴线方向的热膨胀量很小。若将

普通碳素钢片铸在销座处的铝合金层内侧形成

双金属壁，则由于两种金属的热膨胀系数不同，

当温度升高时双金属壁发生弯曲，而钢片两端的

距离基本不变，从而限制了裙部的热膨胀量。因

为这种控制热膨胀的作用随温度升高而增大，所

以称这种活塞为自动热补偿活塞。

在现代汽车发动机上广泛采用半拖鞋式裙部

或拖鞋式裙部的活塞。在保证裙部有足够承压面

积的条件下，将不承受侧向力一侧的裙部部分地

结合配套教学课

件分析讲解

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去掉，即为半拖鞋式裙部；若全部去掉则为拖鞋

式裙部。优点是：

①质量轻，适应高速发动机减小往复惯性力的需

要。

②裙部弹性好，可以减小活塞与气缸的配合间

隙。

③能够避免与曲轴平衡重发生运动干涉。

活塞销孔轴线通常与活塞轴线垂直相交。这

时，当压缩行程结束、作功行程开始，活塞越过

上止点时，侧向力方向改变，活塞由次推力面贴

紧气缸壁突然转变为主推力面贴紧气缸壁，活塞

与气缸发生“拍击”，产生噪声，且有损活塞的耐

久性。在许多高速发动机中，活塞销孔轴线朝主

推力面一侧偏离活塞轴线 1～2mm。压缩压力将

使活塞在接近上止点时发生倾斜，活塞在越过上

止点时，将逐渐地由次推力面转变为由主推力面

贴紧气缸壁，从而消减了活塞对气缸的拍击。

4．活塞的冷却

高强化发动机尤其是活塞顶上有燃烧室凹坑

的柴油机，为了减轻活塞顶部和头部的热负荷而

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采用油冷活赛。用机油冷却活塞的方法有：

1)自由喷射冷却法。 从连杆小头上的喷油孔

或从安装在机体上的喷油嘴向活塞顶内壁喷射

机油。

2)振荡冷却法。 从连杆小头上的喷油孔将机

油喷入活塞内壁的环形油槽中，由于活塞的运动

使机油在槽中产生振荡而冷却活塞。

3)强制冷却法。 在活塞头部铸出冷却油道或

铸入冷却油管，使机油在其中强制流动以冷却活

塞。强制冷却法广为增压发动机所采用。

5．活塞的表面处理

根据不同的目的和要求，进行不同的活塞表面

处理，其方法有：

1)活塞顶进行硬模阳极氧化处理，形成高硬度

的耐热层，增大热阻，减少活塞顶部的吸热量。

2)活塞裙部镀锡或镀锌，可以避免在润滑不良

的情况下运转时出现拉缸现象，也可以起到加速

活塞与气缸的磨合作用。

19

3)在活塞裙部涂覆石墨，石墨涂层可以加速磨

合过程，可使裙部磨损均匀，在润滑不良的情况

下可以避免拉缸。

(二)活塞环

1．活塞环的功用及工作条件

活塞环分气环和油环两种。

气环的主要功用是密封和传热。保证活塞与气

缸壁间的密封，防止气缸内的可燃混合气和高温

燃气漏入曲轴箱，并将活塞顶部接受的热传给气

缸壁，避免活塞过热。油环的主要功用是刮除飞

溅到气缸壁上的多余的机油，并在气缸壁上涂布

一层均匀的油膜。活塞环工作时受到气缸中高

温、高压燃气的作用，并在润滑不良的条件下在

气缸内高速滑动。由于气缸壁面的形状误差，使

活塞环在上下滑动的同时还在环槽内产生径向

移动。这不仅加重了环与环槽的磨损，还使活塞

环受到交变弯曲应力的作用而容易折断。

2．活塞环材料及表面处理

根据活塞环的功用及工作条件，制造活塞环的

此处内容结合活

塞连杆组实物讲

解

20

材料应具有良好的耐磨性、导热性、耐热性、冲

击韧性、弹性和足够的机械强度。目前广泛应用

的活塞环材料有优质灰铸铁、球墨铸铁、合金铸

铁和钢带等。第一道活塞环外圆面通常进行镀铬

或喷钼处理。多孔性铬层硬度高，并能储存少量

机油，可以改善润滑减轻磨损。钼的熔点高，也

具有多孔性，因此喷钼同样可以提高活塞环的耐

磨性。

3．气环

1)气环的密封原理：活塞环在自由状态下不是

正圆形，其外廓尺寸比气缸直径大。当活塞环装

入气缸后，在其自身的弹力作用下环的外圆面与

气缸壁贴紧形成第一密封面，气缸内的高压气体

不可能通过第一密封面泄漏。高压气体可能通过

活塞顶岸与气缸壁之间的间隙进入活塞环的侧

隙和径向间隙中。进入侧隙中的高压气体使环的

下侧面与环槽的下侧面贴紧形成第二密封面，高

压气体也不可能通过第二密封面泄漏。进入径向

间隙中的高压气体只能环的外圆面与气缸壁更

加贴紧。这时漏气的惟一通道就是活塞环的开口

端隙。如果几道活塞环的开口相互错开，那么就

21

形成了迷宫式漏气通道。由于侧隙、径向间隙和

端隙都很小，气体在通道内的流动阻力很大，致

使气体压力ｐ迅速下降，最后漏入曲轴箱内的气

体就很少了，一般仅为进气量的 0.2％～1.0％。

2)气环开口形状： 开口形状对漏气量有一定

影响。直开口工艺性好，但密封性差；阶梯形开

口密封性好，工艺性差；斜开口的密封性和工艺

性介于前两种开口之间，斜角一般为 30°或 45°。

3)气环的断面形状：气环的断面形状多种多

样，根据发动机的结构特点和强化程度，选择不

同断面形状的气环组合，可以得到最好的密封效

果和使用性能。常见的气环断面形状如上右图

矩形环断面为矩形。形状简单，加工方便，与

气缸壁接触面积大，有利于活塞散热。但磨合性

差，而且在与活塞一起作往复运动时，在环槽内

上下窜动，把气缸壁上的机油不断地挤入燃烧室

中，产生“泵油作用”，使机油消耗量增加，活塞

顶及燃烧室壁面积炭。

锥面环，环的外圆面为锥角很小的锥面。理论

上锥面环与气缸壁为线接触，磨合性好，增大了

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接触压力和对气缸壁形状的适应能力。当活塞下

行时，锥面环能起到向下刮油的作用。当活塞上

行时，由于锥面的油楔作用，锥面环能滑越过气

缸壁上的油膜而不致将机油带入燃烧室。锥面环

传热性差，所以不用作第一道气环。由于锥角很

小，一般不易识别，为避免装错，在环的上侧面

标有向上的记号。

扭曲环断面不对称的气环装入气缸后，由于弹

性内力的作用使断面发生扭转，故称扭曲环。扭

曲环断面扭转原理。活塞环装入气缸之后，其断

面中性层以外产生拉应力，断面中性层以内产生

压应力。拉应力的合力 F1 指向活塞环中心，压

应力合力 F2 的方向背离活塞环中心。由于扭曲

环中性层内外断面不对称，使 F1 与 F2 不作用

在同一平面内而形成力矩 M。在力矩 M 的作用

下，使环的断面发生扭转。

若将内圆面的上边缘或外圆面的下边缘切掉

一部分，整个气环将扭曲成碟子形，则称这种环

为正扭曲环；若将内圆面的下边缘切掉一部分，

气环将扭曲成盖子形，则称其为反扭曲环。在环

面上切去部分金属称为切台。当发动机工作时，

23

在进气、压缩和排气行程中，扭曲环发生扭曲，

其工作特点一方面与锥面环类似，另一方面由于

扭曲环的上下侧面与环槽的上下侧面相接触，从

而防止了环在环槽内上下窜动，消除了泵油现

象，减轻了环对环槽的冲击而引起的磨损。在作

功行程中，巨大的燃气压力作用于环的上侧面和

内圆面，足以克服环的弹性内力使环不再扭曲，

整个外圆面与气缸壁接触，这时扭曲环的工作特

点与矩形环相同。

梯形环，断面为梯形。其主要优点是抗粘结性

好。当活塞头部温度很高时，窜入第一道环槽中

的机油容易结焦并将气环粘住。在侧向力换向活

塞左右摆动时，梯形环的侧隙、径向间隙都发生

变化将环槽中的胶质挤出。楔形环的工作特点与

梯形环相似，且由于断面不对称，装入气缸后也

会发生扭曲。梯形环多用作柴油机的第一道气

环。

桶面环，环的外圆面为外凸圆弧形。其密封性、

磨合性及对气缸壁表面形状的适应性都比较好。

桶面环在气缸内不论上行或下行均能形成楔形

24

油膜，将环浮起，从而减轻环与气缸壁的磨损。

开槽环，在外圆面上加工出环形槽，在槽内填

充能吸附机油的多孔性氧化铁，有利于润滑、磨

合和密封。

顶岸环，断面为“L”形。因为顶岸环距活塞顶

面近，作功行程时，燃气压力能迅速作用于环的

上侧面和内圆面，使环的下侧面与环槽的下侧

面、外圆面与气缸壁面贴紧，有利于密封；由于

同样的原因，顶岸环可以减少汽车尾气 HC的排

放量。

4．油环

1)油环类型：油环有槽孔式、槽孔撑簧式和钢

带组合式 3种类型。

2)槽孔式油环。

因为油环的内圆面基本上没有气体力的作用，

所以槽孔式油环的刮油能力主要靠油环自身的

弹力。为了减小环与气缸壁的接触面积，增大接

触压力，在环的外圆面上加工出环形集油槽，形

成上下两道刮油唇，在集油槽底加工有回油孔。

25

由上下刮油唇刮下来的机油经回油孔和活塞上

的回油孔流回油底壳。这种油环结构简单，加工

容易，成本低。

3)槽孔撑簧式油环。

在槽孔式油环的内圆面加装撑簧即为槽孔撑

簧式油环。一般作为油环撑簧的有螺旋弹簧、板

形弹簧和轨形弹簧三种。这种油环由于增大了环

与气缸壁的接触压力，而使环的刮油能力和耐久

性有所提高。

4)钢带组合油环。

其结构形式很多， 钢带组合油环由上、下刮

片和轨形撑簧组合而成。撑簧不仅使刮片与气缸

壁贴紧，而且还使刮片与环槽侧面贴紧。这种组

合油环的优点是接触压力大，既可增强刮油能

力，又能防止上窜机油。另外，上下刮片能单独

动作，因此对气缸失圆和活塞变形的适应能力

强。但钢带组合油环需用优质钢制造，成本高。

(三)活塞销

1．活塞销的功用及工作条件

26

活塞销用来连接活塞和连杆，并将活塞承受的

力传给连杆或相反。活塞销在高温条件下承受很

大的周期性冲击负荷，且由于活塞销在销孔内摆

动角度不大，难以形成润滑油膜，因此润滑条件

较差。为此活塞销必须有足够的刚度、强度和耐

磨性，质量尽可能小，销与销孔应该有适当的配

合间隙和良好的表面质量。在一般情况下，活塞

销的刚度尤为重要，如果活塞销发生弯曲变形，

可能使活塞销座损坏。

2．活塞销材料及结构

活塞销的材料一般为低碳钢或低碳合金钢，如

20、20Mn、15Cr、20Cr或 20MnV等。外表面渗

碳淬硬，再经精磨和抛光等精加工。这样既提高

了表面硬度和耐磨性，又保证有较高的强度和冲

击韧性。

活塞销的结构形状很简单，基本上是一个厚壁

空心圆柱。其内孔形状有圆柱形、两段截锥形和

组合形。圆柱形孔加工容易，但活塞销的质量较

大；两段截锥形孔的活塞销质量较小，且因为活

塞销所受的弯矩在其中部最大，所以接近于等强

27

度梁，但锥孔加工较难。

三、连杆组

连杆组包括连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆

轴承等零件。习惯上常常把连杆体、连杆盖和连

杆螺栓合起来称作连杆，有时也称连杆体为连

杆。

1．连杆组的功用及工作条件

连杆组的功用是将活塞承受的力传给曲轴，并

将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆

小头与活塞销连接，同活塞一起作往复运动；连

杆大头与曲柄销连接，同曲轴一起作旋转运动，

因此在发动机工作时连杆作复杂的平面运动。连

杆组主要受压缩、拉伸和弯曲等交变负荷。最大

压缩载荷出现在作功行程上止点附近，最大拉伸

载荷出现在进气行程上止点附近。在压缩载荷和

连杆组作平面运动时产生的横向惯性力的共同

作用下，连杆体可能发生弯曲变形。

2．连杆组材料

连杆体和连杆盖由优质中碳钢或中碳合金钢，

28

如 45、40Cr、42CrMo 或 40MnB 等模锻或辊锻

而成。连杆螺栓通常用优质合金钢 40Cr 或

35CrMo 制造。一般均经喷丸处理以提高连杆组

零件的强度。纤维增强铝合金连杆以其质量轻、

综合性能好而备受注目。在相同强度和刚度的情

况下，纤维增强铝合金连杆比用传统材料制造的

连杆要轻 30％。

3．连杆构造

连杆由小头、杆身和大头构成。

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。

在汽车发动机中连杆小头与活塞销的连接方

式有两种，即全浮式和半浮式。全浮式活塞销工

作时，在连杆小头孔和活塞销孔中转动，可以保

证活塞销沿圆周磨损均匀。为防止活塞销两端刮

伤气缸壁 ，在活塞销孔外侧装置活塞销挡圈。

半浮式活塞销是用螺栓将活塞销夹紧在连杆小

头孔内，这时活塞销只在活塞销孔内转动，在小

头孔内不转动。小头孔不装衬套，销孔中也不装

29

活塞销挡圈。

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。

结合面与连杆轴线垂直的为平切口连杆，而结

合面与连杆轴线成 30°～60°夹角的为斜切口连

杆。平切口连杆体大端的刚度较大，因此大头孔

受力变形较小，而且平切口连杆制造费用较低。

汽油机均采用平切口连杆。柴油机连杆既有平切

口的也有斜切口的。一般柴油机由于曲柄销直径

较大，因此连杆大头的外形尺寸相应较大，欲在

30

拆卸时能从气缸上端取出连杆体，必须采用斜切

口连杆。连杆盖装合到连杆体上时须严格定位，

以防止连杆盖横向位移。平切口连杆利用连杆螺

栓上一段精密加工的圆柱面与精密加工的螺栓

孔来实现连杆盖的定位。斜切口连杆的连杆螺栓

由于承受较大的剪切力而容易发生疲劳破坏。为

此，应该采用能够承受横向力的定位方法。

4) 连杆螺栓

工作时连杆螺栓承受交变载荷，因此在结构上

应尽量增大连杆螺栓的弹性，而在加工方面要精

细加工过渡圆角，消除应力集中，以提高其抗疲

劳强度。连杆螺栓用优质合金钢制造，如 40Cr、

35CrMo 等。经调质后滚压螺纹，表面进行防锈

处理。

4．V型发动机连杆

V 型发动机左右两个气缸的连杆安装在同一

个曲柄销上，其结构随安装形式的不同而不同。

1)并列连杆

两个完全相同的连杆一前一后并列地安装在

注意：强调连杆螺

栓与普通螺栓的

区别

31

同一个曲柄销上。连杆结构与上述直列式发动机

的连杆基本相同，只是大头宽度稍小一些。并列

连杆的优点是前后连杆可以通用，左右两列气缸

的活塞运动规律相同。缺点是两列气缸沿曲轴纵

向须相互错开一段距离，从而增加了曲轴和发动

机的长度。

2)主副连杆

一个主连杆一个副连杆组成主副连杆，副连杆

通过销轴铰接在主连杆体或主连杆盖上。一列气

缸装主连杆,另一列气缸装副连杆，主连杆大头安

装在曲轴的曲柄销上。主副连杆不能互换，且副

连杆对主连杆作用以附加弯矩。两列气缸中活塞

的运动规律和上止点位置均不相同。采用主副连

杆的 V型发动机，其两列气缸不需要相互错开，

因而也就不会增加发动机的长度。

3)叉形连杆

指一列气缸中的连杆大头为叉形；另一列气缸

中的连杆与普通连杆类似，只是大头的宽度较

小，一般称其为内连杆。叉形连杆的优点是两列

气缸中活塞的运动规律相同，两列气缸无需错

32

开。缺点是叉形连杆大头结构复杂，制造比较困

难，维修也不方便，且大头刚度较差。

四、曲轴飞轮组

(一)曲轴

1．曲轴的功用及工作条件

曲轴的功用是把活塞、连杆传来的气体力转变

为转矩，用以驱动汽车的传动系统和发动机的配

气机构以及其他辅助装置。曲轴在周期性变化的

气体力、惯性力及其力矩的共同作用下工作，承

受弯曲和扭转交变载荷。因此，曲轴应有足够的

抗弯曲、抗扭转的疲劳强度和刚度；轴颈应有足

够大的承压表面和耐磨性；曲轴的质量应尽量

小；对各轴颈的润滑应该充分。

2．曲轴材料

曲轴一般由 45、40Cr、35Mn2 等中碳钢和中

碳合金钢模锻而成，轴颈表面经高频淬火或氮化

处理，最后进行精加工。现代汽车发动机广泛采

用球墨铸铁曲轴。球墨铸铁价格便宜，耐磨性能

好，轴颈不需硬化处理，同时金属消耗量少，机

此内容应配合曲

轴实物讲解或注

意与实习环节的

密切配合

33

械加工量也少。为提高曲轴的疲劳强度，消除应

力集中，轴颈表面应进行喷丸处理，圆角处要经

滚压处理。

3．曲轴构造

曲轴基本上由若干个单元曲拐构成。一个曲柄

销，左右两个曲柄臂和左右两个主轴颈构成一个

单元曲拐。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。将若

干个单元曲拐按照一定的相位连接起来再加上

曲轴前、后端便构成一根曲轴。多数发动机的曲

轴，在其曲柄臂上装有平衡重。按单元曲拐连接

方法的不同，曲轴分为整体式和组合式两类。

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)应该使接连作功的两个气缸相距尽可能的

难点内容：

可借鉴多种形式

的曲轴或常见汽

车发动机曲轴实

例来分析曲轴的

布置和发动机的

34

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。在发动机

完成一个工作循环的曲轴转角内，每个气缸都应

发火作功一次。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，就有一缸发火作功，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。

四冲程直列四缸发动机的发火间隔角为

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。

四行程直列六缸发动机的发火顺序和曲拐布

置：四行程直列六缸发动机发火间隔角为

720°/6=120°，六个曲拐分别布置在三个平面内，

发火顺序是 1-5-3-6-2-4，其工作循环表见表 2-3。

四冲程 V 型六缸发动机的发火间隔角仍为

120°,3 个 曲 拐 互 成 120° 。 工 作 顺 序

R1-L3-R3-L2-R3-L1。面对发动机的冷却风扇，

右列气缸用 R表示，由前向后气缸号分别为 R1、

工作顺序

35

R2、R3；左列气缸用 L表示，气缸号分别为 L1、

L2和 L3，工作循环见表 2-4。

四冲程 V8 发动机的发火间隔角为 720°/8＝

90°, 4个曲拐互成 90°。工作顺序基本上有两种：

R1-L1-R4-L4-L2-R3-L3-R2 和

L1-R4-L4-L2-R3-R2-L3-R1

(二)曲轴前、后端密封

曲轴前端借助甩油盘和橡胶油封实现密封。发

动机工作时，落在甩油盘上的机油，在离心力的

作用下被甩到定时传动室盖的内壁上，再沿壁面

流回油底壳。即使有少量机油落到甩油盘前面的

曲轴上，也会被装在定时传动室盖上的自紧式橡

胶油封挡住。

曲轴后端的密封装置。由于近年来橡胶油封的

耐油、耐热和耐老化性能的提高，在现代汽车发

动机上曲轴后端的密封越来越多地采用与曲轴

前端一样的自紧式橡胶油封。自紧式油封由金属

保持架、氟橡胶密封环和拉紧弹簧构成。

(三)曲轴扭转减振器

曲轴密封装置实

物讲解

36

当发动机工作时，曲轴在周期性变化的转矩作

用下，各曲拐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装置扭转减振器。

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。

1．橡胶扭转减振器

减振器壳体与曲轴连接，减振器壳体与扭转振

动惯性质量粘结在硫化橡胶层上。发动机工作

时，减振器壳体与曲轴一起振动，由于惯性质量

滞后于减振器壳体，因而在两者之间产生相对运

动，使橡胶层来回揉搓，振动能量被橡胶的内摩

擦阻尼吸收，从而使曲轴的扭振得以消减。橡胶

扭转减振器结构简单，工作可靠，制造容易，在

汽车上广为应用。但其阻尼作用小，橡胶容易老

化，故在大功率发动机上较少应用。

37

2．硅油扭转减振器

由钢板冲压而成的减振器壳体与曲轴连接。侧

盖与减振器壳体组成封闭腔，其中滑套着扭转振

动惯性质量。惯性质量与封闭腔之间留有一定的

间隙，里面充满高粘度硅油。当发动机工作时，

减振器壳体与曲轴一起旋转、一起振动，惯性质

量则被硅油的粘性摩擦阻尼和衬套的摩擦力所

带动。由于惯性质量相当大，因此它近似作匀速

转动，于是在惯性质量与减振器壳体间产生相对

运动。曲轴的振动能量被硅油的内摩擦阻尼吸

收，使扭振消除或减轻。硅油扭转减振器减振效

果好，性能稳定，工作可靠，结构简单，维修方

便，所以在汽车发动机上的应用日益普遍。但它

需要良好的密封和较大的惯性质量，致使减振器

尺寸较大。

3．硅油—橡胶扭转减振器

硅油—橡胶扭转减振器中的橡胶环 6 主要作

为弹性体，并用来密封硅油和支撑惯性质量 1。

在封闭腔内注满高粘度硅油。硅油—橡胶扭转减

振器集中了硅油扭转减振器和橡胶扭转减振器

38

二者的优点，即体积小、质量轻和减振性能稳定

等。

(四)飞轮

对于四冲程发动机来说，每四个活塞行程作功

一次，即只有作功行程作功，而排气、进气和压

缩三个行程都要消耗功。因此，曲轴对外输出的

转矩呈周期性变化，曲轴转速也不稳定。为了改

善这种状况，在曲轴后端装置飞轮。

飞轮是转动惯量很大的盘形零件，其作用如同

一个能量存储器。在作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。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

速不致降低太甚。

除此之外，飞轮还有下列功用：飞轮是摩擦式

离合器的主动件；在飞轮轮缘上镶嵌有供起动发

动机用的飞轮齿圈 2；在飞轮上还刻有上止点记

号，用来校准点火定时或喷油定时以及调整气门

间隙。

39

五、 汽车发动机滑动轴承

汽车发动机滑动轴承有连杆衬套、连杆轴承、

主轴承和曲轴止推轴承等。

1．连杆轴承和主轴承

连杆轴承和主轴承均承受交变载荷和高速摩

擦，因此轴承材料必须具有足够的抗疲劳强度，

而且要摩擦小、耐磨损和耐腐蚀。

连杆轴承和主轴承均由上、下两片轴瓦对合而

成。每一片轴瓦都是由钢背和减摩合金层或钢

背、减摩合金层和软镀层构成，前者称为二层结

构轴瓦，后者称三层结构轴瓦。钢背是轴瓦的基

体，由 1～3mm厚的低碳钢板制造，以保证有较

高的机械强度。在钢背上浇铸减摩合金层，减摩

合金材料主要有白合金、铜基合金和铝基合金。

白合金也叫巴氏合金，应用较多的锡基白合金

减摩性好，但疲劳强度低，耐热性差，温度超过

100℃硬度和强度均明显下降，因此常用于负荷

不大的汽油机。铜铅合金的突出优点是承载能力

大，抗疲劳强度高，耐热性好。但磨合性能和耐

腐蚀性差。为了改善其磨合性和耐腐蚀性，通常

略讲内容：

此内容应结合润

滑系统中讲解

40

在铜铅合金表面电镀一层软金属而成三层结构

轴瓦，多用于高强化的柴油机。铝基合金包括铝

锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝合金。含锡 20

％以上的高锡铝合金轴瓦因为有较好的承载能

力、抗疲劳强度和减摩性能而被广泛地用于汽油

机和柴油机。软镀层是指在减摩合金层上电镀一

层锡或锡铅合金，其主要作用是改善轴瓦的磨合

性能并作为减摩合金层的保护层。

轴瓦在自由状态时，两个结合面外端的距离比

轴承孔的直径大，其差值称为轴瓦的张开量。在

装配时，轴瓦的圆周过盈变成径向过盈，对轴承

孔产生径向压力，使轴瓦紧密贴合在轴承孔内，

以保证其良好的承载和导热能力，提高轴瓦工作

的可靠性和延长其使用寿命。

2．曲轴止推轴承

汽车行驶时由于踩踏离合器而对曲轴施加轴

向推力，使曲轴发生轴向窜动。过大的轴向窜动

将影响活塞连杆组的正常工作和破坏正确的配

气定时和柴油机的喷油定时。为了保证曲轴轴向

的正确定位，需装设止推轴承，而且只能在一处

曲轴的定位

41

设置止推轴承，以保证曲轴受热膨胀时能自由伸

长。曲轴止推轴承有翻边轴瓦、半圆环止推片和

止推轴承环 3种形式。

翻边轴瓦(是将轴瓦两侧翻边作为止推面，在

止推面上浇铸减摩合金。轴瓦的止推面与曲轴止

推面之间留有 0.06～0.25mm 的间隙，从而限制

了曲轴轴向窜动量。

半圆环止推片一般为四片，上、下各两片，分

别安装在机体和主轴承盖上的浅槽中，用定位舌

或定位销定位，防止其转动。装配时，需将有减

摩合金层的止推面朝向曲轴的止推面，不能装

反。止推轴承环为两片止推圆环，分别安装在第

一主轴承盖的两侧。

第四节 平衡机构

现代轿车特别重视乘坐的舒适性和噪声水平，

为此必须将引起汽车振动和噪声的发动机不平

衡力及不平衡力矩减小到最低限度。在曲轴的曲

柄臂上设置的平衡重只能平衡旋转惯性力及其

力矩，而往复惯性力及其力矩的平衡则需采用专

门的平衡机构。

配 套 课 件 ：

kcnr02_0401.htm--

略讲内容

以实物或图片来

阐述此问题

42

当发动机的结构和转速一定时，一阶往复惯性

力与曲轴转角的余弦成正比，二阶往复惯性力与

二倍曲轴转角的余弦成正比。发动机往复惯性力

的平衡状况与气缸数、气缸排列形式及曲拐布置

形式等因素有关。

现代中级和普及型轿车普遍采用四冲程直列

四缸发动机。平面曲轴的四缸发动机的一阶往复

惯性力、一阶往复惯性力矩和二阶往复惯性力矩

都平衡，惟二阶往复惯性力不平衡。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。

43

课后小结：

思考题

1．为什么说多缸发动机机体承受拉、压、弯、

扭等各种形式的机械负荷?

2．无气缸套式机体有何利弊?为什么许多轿车

发动机都采用无气缸套式机体?

3．为什么要对汽油机气缸盖的鼻梁区和柴油

机气缸盖的三角区加强冷却?在结构上如何保证

上述区域的良好冷却?

4．曲柄连杆机构的功用如何?由哪些主要零件

组成?

5．为什么要把活塞的横断面制成椭圆形，而

将其纵断面制成上小下大的锥形或桶形?

6．扭曲环装入气缸后为什么会发生扭曲?正扭

曲环和反扭曲环的作用是否相同?

7．若连杆刚度不足，可能发生何种故障?

8．曲拐布置形式与发动机工作顺序有何关系?

配 套 课 件 ：

kcnr02_05_01.htm--

44

9．曲轴上的平衡重和发动机的平衡机构各起

什么作用?为什么有的曲轴不加平衡重，有的发

动机不设平衡机构?