第二章 曲柄连杆机构第一节 概述

一、功用与组成（一）、功用 把燃气作用在活塞顶上的力转化为曲轴的转矩，向

工作机械输出机械能。 ( 二）、组成1 、气缸体与曲轴箱组：主要包括气缸体、曲轴箱气缸盖、

气缸套、气缸衬垫和油底壳等；2 、活塞连杆组：主要包括活塞、活塞环、活塞销和连杆

等；3 、曲轴飞轮组：主要包括曲轴、飞轮和扭转减振器等。曲柄连杆机构中部分主要零件如图 2-1 所示

曲柄连杆机构的组成

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气 缸 体 与 曲 轴 箱 组

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活 塞 连 杆 组

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桑塔纳轿车的曲柄连杆机构

二、工作条件与受力分析 （一）、工作条件 高温：最高可达 2500K 以上 高压：最高可达 3MPa—5MPa

高速：最高可达 3000 r/min—6000 r/min

化学腐蚀：可燃混合气和燃烧废气直接接触机件。

（二）曲柄连杆机构 所受的力

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受 力 分 析

1 、气体作用力 在每个工作循环中，气体压力始终

存在并不断变化。这里主要研究作功和压缩行程中气体作用力。

作功行程： 气体压力是推动活塞向下运动的力。

如图 2-2 a 所示。

压缩行程：气体压力是阻碍活塞向上运动的阻力。图 2-2 b

结论： 在工作循环的任何行程中，气体作用

力的大小都是随着活塞的位移而变化的。沿气缸方向上个处的磨损是不均匀的；同样，气缸壁沿圆周方向的磨损也是不均匀的。

2 、往复惯性力与离心力1 ）、往复惯性力 指活塞组件和连杆小头在气缸中作往

复直线运动所产生的惯性力。其大小：与机件的质量及加速度成正比；其方向：总是与加速度的方向相反。 规律：当活塞向下运动时，前半程是加

速运动，惯性力向上；后半程是减速运动，惯性力向下。

同理，活塞向上运动时，前半程是减速运动，惯性力向下；图 2-3a 。

后半程是加速运动，惯性力向上。图 2-3b

第二节 气缸体与曲轴箱组气缸体示意图

一、气缸体1 、气缸体：发动机的气缸体和曲轴箱常铸成一体，

称为气缸体 -- 曲轴箱，简称气缸体。气缸：气缸体上半部有若干个为活塞在其中运动导

向的圆柱形空腔。2 、气缸的工作条件：高温、高压，并且有活塞在

其中做高速往复运动。

3 、材料：优质合金铸铁、球墨铸铁或铝合金。4 、气缸体的冷却方式：水冷、风冷。一般发动机多采用水冷却。水冷却时：用水套。

风冷却时：用散热片。

5 、气缸的排列型式：单列式、 V 型和对称式。

6 、气缸套的结构：干式、湿式。

二、气缸盖与气缸衬垫1 、功用、结构、材料功用：密封气缸上部，并与活塞顶部和气缸壁

一起形成燃烧室。结构：气缸盖内部有与气缸体相通的冷却水套，

应有进、排气门座及气门导管孔和进、排气通道，有燃烧室、火花塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴油机），有些还有用以安装凸轮轴的轴承孔。图 2-10

材料： 灰铸铁、合金铸铁、铝合金。 类型：单体气缸盖、整体气缸盖。

上海桑塔纳轿车发动机的发动机气缸盖

2 、燃烧室及要求燃烧室：由活塞顶部及缸盖上相应的凹部空间

组成。对燃烧室的要求：①结构紧凑，面容比小，冲

气效率高；②在压缩行程终了时，具有一定的涡流；③表面光滑，不易积碳，排气净化好。

3 、汽油机燃烧室的形状：图 2-11

楔形：结构简单、紧凑；盆形：结构简单、紧凑；半球形：结构更紧凑。

汽油机的燃烧室形状

4 、气缸垫的要求、功用、类型气缸垫的要求：①足够的强度；②耐热和耐腐蚀；③一定的弹性；④拆装方便，寿命长。

功用：保证燃烧室的密封。类型：①金属 -石棉气缸垫；②实心金属片气缸垫；③加强型无石棉气缸垫。

气缸盖的拧紧：拧紧螺栓时，必须按由中央对称地向四周扩展的顺序分几次进行，最后一次要用扳手按工厂规定的拧紧力矩值拧紧。

铝合金气缸盖：最后必须在发动机冷态下拧紧；铸铁气缸盖：最后必须在发动机热态下拧紧。

气缸盖衬垫的结构

三、油底壳1 、功用：储存机油并封闭曲轴箱。2 、结构、材料：薄钢板冲压而成；底部装有放油螺塞，有

的螺栓带有磁性。

四、发动机的支承1 、发动机的支承方式：三点支承：前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后 端一点通过变速器壳支承在车架上。四点支承：前端两点通过曲轴箱支承在车架上，后端二点通过飞轮壳支承在车架上。

如图 2-14 所示。

发动机的支承

第三节 活塞连杆组 组成：活塞、活塞环、活塞销和连杆

一、活塞1 、功用：是与气缸盖共同构成燃烧室，承受气体压力，并将此力通过活塞销传给连杆，以推动曲轴转动。

2 、工作条件：高温、高压、高速、润滑不良和散热困难。3 、受力情况：周期性的气压力、惯性力；一定的热应力。4 、对活塞的要求：①足够的强度与刚度；②良好的导热性和耐磨性；③质量小；④热膨胀系数小，摩擦系数小。

活塞连杆组

5 、材料：铝合金、灰铸铁。 6 、结构：图 2-16

顶部：凸顶、凹顶、平顶。 图 2-17

头部：环槽。 裙部：全裙式、拖板式。图 2-19

活塞的基本结构

活塞顶部的形状

拖板式活塞

7 、变形：裙部断面变成长轴在活塞销方向上的椭圆形。 防止措施：必须预先在冷态下把活塞加工成裙部断面

为长轴垂直于活塞销方向的椭圆形。 具体的方法：① 头部加工成阶梯形、截锥形；裙部加工成截锥形。

“② T” 、“ П”槽 ； ③ 双金属活塞。

活塞裙部的椭圆变形

活塞头部形状及锥形裙部

开槽活塞

二、活塞环1 、类型：气环、油环。2 、功用：气环：密封、导热； 油环：刮油、布油和辅助密封。3 、工作条件：高温、高压、高速以及润滑困难。4 、材料： 灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁。目前

汽车上广泛应用合金铸铁。对活塞环材料的要求：好的耐磨性、耐热性、磨

合性、导热性；高的强度、冲击韧性和足够的弹性。

5 、活塞环的间隙：为了保证气缸的密封性，又防止环卡死或胀死在环槽中，按照时，活塞环应留有端隙、侧隙和背隙。端隙：△ 1 一般为： 0.25--0.50 mm

侧隙：△ 2 一般为：第一环： 0.04--0.10 mm ；其他环： 0.03--0.07mm ；油环： 0.025--0.07mm 。背隙：△ 3 一般为： 0.5--1 mm 。其作用：增大存油间隙，以利于减压泄油。如图 2-30 所示。

活塞环的间隙

6 、气环的密封原理： ⑴第一密封面：活塞环因弹力而压紧在气缸

壁上，形成第一密封面。 ⑵第二密封面：活塞环在燃气压力作用下，

压紧在环槽的下端面上，形成第二密封面。 ⑶第一密封面的第二次密封：燃气绕流到环

的背面，并引发膨胀，使环更紧地贴在气缸壁上，形成第一密封面的第二次密封。

如图 2-31 所示。

气环的密封原理

6 、气环的切口形状：气环的切口间隙过大，则漏气严重，使发动机功率减小；气环的切口间隙过小，活塞环受热膨胀后就可能卡死或折断。

a ）、直角口； b ）、阶梯形； c ）、斜口； d ）、带防转销钉槽

7 、气环断面形状： a ）、矩形环； b 、）锥面环； c ）、正扭曲内切环； d ）、反扭曲内切环； e ）、梯形环； f ）、桶形环

矩形断面环的泵油作用

扭曲环的工作原理

8 、油环的分类：①普通油环；（一般为合金铸铁）图 2-38 。 ②组合油环。（一般为高速发动机采用）

油环的刮油作用

三、活塞销1 、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。

2 、工作条件：高温下的周期性冲击载荷，润滑条件差。3 、材料：低合金渗碳钢。4 、形状、结构：空心圆柱体。它的形状：①圆柱形；②端部呈锥形扩展；③中间封闭式；④单侧封闭

式；⑤内有塑料芯的钢套销；⑥成型销 如图 2-40 所示。5 、连接配合：一般采用全浮式。 为了防止活塞销的轴向窜动，在活塞销座两端用卡环在销

座凹槽中加以轴向定位。

活塞销的形状

活塞销的连接方法

四、连杆1 、功用：将活塞承受的力传给曲轴，推动曲轴

转动，从而使活塞的往返运动转变为曲轴的旋转运动。

2 、工作条件：气体作用力、往复作用惯性力、旋转作用惯性力。

3 、材料：中碳钢、中碳合金钢。4 、结构、组成：小头、杆身、大头。 如图 2-42 、 2-43 所示。

连杆组件

连杆构造图

5 、连杆大头的剖分： 平切口、斜切口。 一般采用斜切口。6 、连杆大头的定位： 平切口：利用连杆上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。斜切口：止口定位、套筒定位、锯齿定位。 如图 2-44 所示。

斜切口 连杆的定位方式

7 、 V 形发动机的连杆： 1 ）、并列连杆式； 2 ）、主副连杆式； 3 ）、叉形连杆式；

8 、连杆大头螺母的锁止：开口销、双螺母、自锁螺母 。

9 、连杆轴承：①结构：钢背和减摩层组成的分开式薄壁轴承。②要求：足够的疲劳强度、良好的抗咬性、顺应性、嵌藏性，足够的结合强度和良好的耐磨性。③材料：白合金、铜铅合金和铝基合金。④锁止：在轴承的剖分面上，分别冲压出高于钢背

的两个定位凸唇，装配时，这两个凸唇分别嵌入在连杆大头和连杆盖的相应的凹槽中。

第四节 曲轴飞轮组 曲轴飞轮组的组成：曲轴、飞轮、扭转减振器、皮带轮、正

时齿轮等。图 2-48

一、曲轴1 、功用：承受连杆传来的力并通过飞轮输出、驱动发动机

的配气机构及其他辅助装置。2 、工作条件：旋转质量的离心力、周期性变化的气体压力、

往复惯性力。3 、材料：优质中碳钢、中碳合金钢、球墨铸铁。4 、组成：主轴径、连杆轴径、曲柄、平衡重、前端轴和后端凸缘等。

5 、结构：

曲轴飞轮组

①曲轴的支承型式示意图，图 2-49 ；

②组合式曲轴，图 2-50 ；

③曲轴平衡重作用示意图，图 2-51 ；

④装配式平衡曲轴，图 2-52 ；

⑤曲轴前端的结构，图 2-53 ；

⑥回油螺纹的密封原理，图 2-55 ；

⑦曲轴推力轴承，图 2-56 ；

6 、曲轴的形状与各曲拐的相对位置取决于缸数、气缸的排列方式和发火次序。①连续作功的两缸相距尽可能远；②作功间隔应力求

均匀。并且须动平衡。 7 、发动机曲拐和发火次序：①四冲程直列四缸发动机： 发火间隔角为 180° 。 发火次序为 1-2-4-3 ； 1-3-4-2 。 工作循环如表 2-2

直列四缸发动机的曲拐布置

②四冲程直列六缸发动机：发火间隔角为 120° 。发火次序为 1-5-3-6-2-4 ； 1-4-2-6-3-5 。工作循环如表 2-3 。

③四冲程 V 型八缸发动机：发火间隔角为 90° ；发火次序为 1-8-4-3-6-5-7-2 。工作循环如表 2-4 。

二、曲轴扭转减振器1 、功用：消除曲轴的扭转振动。2 、类型：最常见的为摩擦式扭转减振器。 它可以分为：橡胶式扭转减振器（图 2-60 ）； 和硅油式扭转减振器。

橡胶摩擦式曲轴扭转减振器

一汽奥迪 1.9 发动机曲轴扭转减振器

三、飞轮1 、功用：储存能量、克服发动机短时过载、作为

离合器的驱动件。2 、材料：灰铸铁3 、安装：飞轮上通常刻有第一缸发火正时记号，

以便校准发火时间。须动平衡。 图 2-62 汽车发动机发火正时记号

汽车发动机发火正时记号