1.2 曲柄連桿機構的結構特征分析

“有形積木無形線”，機構都是由一個個零部件（積木）按照一定的要求和規律（線路）組成的，對“積木”來說一定要掌握其結構形狀、功用及安裝位置，功用和安裝位置又能在整體工作流程中以“線”的形式連接，曲柄連桿機構也不例外，涉及汽車發動機的力路（動力的傳遞路線）、氣路（氣體的壓縮、膨脹和進出途徑）、油路（機油的流動路線）和水路（冷卻液的流動路線），由機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組三部分組成。

（1）機體組（也叫氣缸體與曲軸箱組） 由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、氣缸套、氣缸墊等不動部件（積木）組成。與發動機的氣路、油路和水路有關，相關部件出現損壞會引起發動機不能起動、起動困難、動力下降、耗油增加、冒白煙、冒藍煙、漏油、漏氣和漏水等故障現象。

（2）活塞連桿組 由活塞、活塞環、活塞銷、連桿等運動部件組成。與發動機力路、油路和氣路有關，相關部件出現損壞會引起發動機不能起動、起動困難、動力下降、發動機抖動、耗油增加、冒藍煙、異響等故障現象。

（3）曲軸飛輪組 由曲軸、飛輪等組成。與發動機力的傳遞路線有關。相關部件出現損壞會引起發動機不能起動、抖動、異響等故障現象。

1.2.1 機體組的結構特征分析

機體組由氣缸體、曲軸箱、氣缸蓋、氣缸套、氣缸墊等不動部件組成。盡管機體組是不動的，但是機體組是承載著其他運轉件主體，同樣受到高溫、高壓及各種沖擊力和摩擦力的影響而損壞。

1.氣缸體結構特征分析

氣缸體是發動機各個機構和系統的裝配基體，并用它來保持發動機各運動部件相互之間的準確位置關系。由于氣缸體裝配部件較多，同時要承受高溫高壓氣體的作用力，因而要求氣缸體具有足夠的強度和剛度；為減輕發動機重量，還要求氣缸體結構緊湊、重量較輕。因此大部分氣缸體采用優質灰鑄鐵和鋁合金材料鑄造。

氣缸體的上半部有若干個氣缸，下半部為支承曲軸的上曲軸箱，其內腔為曲軸運動的空間。如圖1-1所示，在上曲軸箱上有主軸承座孔，用于軸承安裝。在側壁上有主油道，前后壁和中間隔板上有分油道，便于軸承的潤滑。潤滑油的流動路線在潤滑系統的有關內容中有詳細分析。

汽車發動機多采用水冷方式，利用冷卻液帶走發動機高溫部件的熱量，其氣缸體冷卻液道和氣缸蓋內的冷卻液套相通，與散熱器、水泵等組成冷卻系。冷卻液的流動路線在冷卻系統的有關內容中有詳細分析。

圖1-1 氣缸體與上曲軸箱

按氣缸體與油底殼安裝平面的位置不同，氣缸體可以分為一般式氣缸體、龍門式氣缸體和隧道式氣缸體三種形式，如圖1-2所示。

（1）一般式氣缸體結構特征分析（圖1-2a）一般式氣缸體也叫平分式氣缸體，其油底殼安裝平面和曲軸旋轉中心在同一高度。優點是機體高度小、重量輕、結構緊湊，便于加工，曲軸拆裝方便；但剛度和強度較差，多用于中小型發動機。如夏利、富康等轎車發動機用的是一般式氣缸體。

（2）龍門式氣缸體結構特征分析（圖1-2b）油底殼安裝平面低于曲軸的旋轉中心。優點是強度和剛度都好，能承受較大的機械負荷，密封簡單可靠、維修比較方便，缺點是工藝性較差、結構笨重、加工較困難。該類型的氣缸體應用普遍。上海桑塔納、一汽奧迪100、大眾捷達、解放CA1091型汽車使用的發動機氣缸體都為這一類型。

（3）隧道式氣缸體結構特征分析（圖1-2c）曲軸的主軸承孔為整體式，主軸承孔較大，曲軸從氣缸體后部裝入。優點是結構緊湊、剛度和強度好；但加工精度要求高，工藝性較差，曲軸拆裝不方便。多用于主軸承采用滾動軸承的負荷較大的柴油機，如黃河JN1181C13型汽車的6135Q型發動機采用的是隧道式氣缸體。

圖1-2 氣缸結構形式

a）平分式 b）龍門式 c）隧道式 1—氣缸體 2—水套 3—凸輪軸孔座 4—加強筋 5—氣缸套 6—主軸承座 7—主軸承座孔 8—安裝油底殼的加工面 9—安裝主軸承蓋的加工面

氣缸是指氣缸內引導活塞做往復運動的圓柱形空腔。氣缸在發動機上的排列形式主要有三種，如圖1-3所示，即直列式（圖1-3a）、V型（圖1-3b）、水平對置式（圖1-3c）。

直列式發動機多用于六缸以下的發動機。各個氣缸排成一列，所有氣缸共用一根曲軸和一個氣缸蓋，氣缸多采用垂直布置（也有采用斜置布置的）。直列式發動機結構簡單，易于制造，成本較低，但長度和高度都較大。如寶馬的大部分車型均采用直列式發動機。

V型發動機將氣缸排成兩列，其氣缸中心線夾角γ﹤180°，一般為60°～90°。V型發動機采用一根曲軸驅動兩列氣缸中的活塞運動，曲軸上每個連桿軸頸上連接兩個連桿，所以發動機必須至少有兩個或兩個以上的氣缸蓋。該類型發動機的優點是縮短了發動機的長度和高度，增加了氣缸體的剛度及穩定性，運轉平穩，結構緊湊。缺點是寬度有一定量增大、形狀復雜、加工困難。多用于缸數較多的大功率發動機。如雷克薩斯、日產天籟等多數車型采用的是這種排列方式。

圖1-3 氣缸排列形式

a）直列式 b）V型 c）水平對置式

水平對置式發動機實際上可以看做是一種特殊的V型發動機，其夾角γ=180°。該類型發動機高度最小，應用在一些垂直空間非常小的車輛上。

氣缸工作表面要承受高溫高壓燃氣的作用，同時受到做高速運動的活塞及活塞環的摩擦力作用，因此氣缸表面必須耐高溫、耐高壓、耐磨損和耐化學腐蝕。因此，部分氣缸利用表面處理（如表面淬火、鍍鉻等）方式來提高氣缸表面的各方面性能，但表面磨損后性能快速下降，且難以修復；也有部分發動機采用優質材料，但成本高。目前普遍采用的是在氣缸體內鑲入優質合金鑄鐵或合金鋼制造的耐磨性優越的氣缸套。

2.氣缸套結構特征分析

如圖1-4所示，根據是否與冷卻液相接觸，氣缸套可以分為干式氣缸套（圖1-4a）和濕式氣缸套（圖1-4b）兩種類型。

干式氣缸套不直接與冷卻液接觸，而是用專用儀器壓入氣缸體孔中，由于缸套自上而下都支撐在缸體上，所以可以加工得很薄，壁厚一般為1～3mm。

圖1-4 氣缸套

a）干式氣缸套 b）濕式氣缸套 1—氣缸套 2—水套 3—氣缸體 4—密封圈

濕式氣缸套則直接與冷卻液接觸，也是用專用儀器壓入氣缸體孔中。冷卻液接觸到缸套的中部，由于它只在上部和下部有支撐，所以必須比干式氣缸套厚，一般壁厚為5～9mm。為了保證徑向定位，氣缸套外表面有兩個凸出的圓環帶，即下支承定位帶A和上支承定位帶B（圖1-4b）；軸向定位則利用上端凸緣實現。為防止漏水，缸套下部設有1～2個耐油耐熱的橡膠密封圈。濕式氣缸套裝入氣缸孔后，其頂面一般高出氣缸體0.05～0.15mm，主要目的是在緊固氣缸蓋螺栓時，可將氣缸墊壓得更緊，以保證氣缸良好的密封性，防止冷卻液和氣缸內高壓氣體竄漏。濕式氣缸套具有散熱性好、缸體鑄造方便、易拆卸等優點，缺點是氣缸體剛度較差，易漏水、漏氣。

3.氣缸蓋結構特征分析

氣缸蓋的主要功用是密封氣缸上部，與活塞頂部和氣缸壁形成燃燒室，并承受氣缸內氣體壓力。氣缸蓋內部也有冷卻液套，其端面上的冷卻液孔與氣缸體的冷卻液孔相通，以便利用循環水來冷卻燃燒室等高溫部分。

如圖1-5和圖1-6所示分別為桑塔納2000GSi發動機及東風EQ6100-I型發動機氣缸蓋結構圖。從圖中可以看出，發動機的氣缸蓋上有進、排氣門座及氣門導管孔和進、排氣通道等。汽油機的氣缸蓋設有火花塞座孔，柴油機則設有安裝噴油器的座孔。

氣缸蓋可以分為分開式氣缸蓋和整體式氣缸蓋兩種類型。分開式氣缸蓋即同一發動機上有多個氣缸蓋，兩個缸或三個缸共用一個氣缸或每個缸單獨使用一個氣缸蓋，主要應用在一些重量較大、熱負荷重的柴油機或者汽油機上。整體式氣缸蓋是指發動機所有氣缸共用一個氣缸蓋，這種類型的氣缸蓋多應用在熱負荷相對較輕的轎車發動機上。

氣缸蓋由于形狀復雜，一般都采用灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄成，有的汽油機氣缸蓋用鋁合金鑄造，因鋁的導熱性比鑄鐵好，有利于提高壓縮比。鋁合金缸蓋的缺點是剛度低，使用中容易變形。CA6102型發動機系采用銅鉬低合金鑄鐵鑄造的整體式氣缸蓋。

圖1-5 上海桑塔納2000GSi型轎車發動機氣缸蓋

1—氣缸蓋 2—氣缸墊 3—機油反射罩 4—氣缸蓋罩 5—壓條 6—氣缸蓋罩墊 7—加油蓋

圖1-6 東風EQ6100-I型發動機氣缸蓋

1—曲軸箱通風空氣濾清器總成 2—罩蓋螺母 3—密封圈 4—氣缸蓋螺栓 5—氣缸蓋罩 6—氣缸蓋罩墊片 7—氣缸蓋 8—水堵

4.燃燒室結構特征分析

汽油機的燃燒室是由活塞頂部及缸蓋上相應的凹部空間組成的。首先燃燒室的結構盡可能緊湊，表面積要小，以減少熱量損失及縮短火焰行程；其次是使混合氣在壓縮終了時具有一定的渦流運動，以提高混合氣燃燒速度，保證混合氣得到及時和充分燃燒。

如圖1-7所示，汽油機常用燃燒室形狀有以下幾種。

（1）楔形燃燒室結構特征分析（圖1-7a）結構較簡單、緊湊，在壓縮終了時能形成渦流，但存在較大的激冷面積，易造成燃燒不充分。

（2）盆形燃燒室結構特征分析（圖1-7b）結構較簡單、氣體在里面燃燒速度快，熱效率高，制造工藝較好，維修方便。缺點是結構不夠緊湊，體積較大。北京492QG型發動機和CA1091型載貨汽車采用了這種燃燒室。

（3）半球形燃燒室結構特征分析（圖1-7c）結構較前兩種緊湊，但因進、排氣門分別置于缸蓋兩側，使配氣機構比較復雜。由于其散熱面積小，有利于促進燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害氣體，是現代汽車特別是轎車發動機上使用得較多的一種。

圖1-7 常用燃燒室形狀示意圖

a）楔形燃燒室 b）盆形燃燒室 c）半球形燃燒室

5.氣缸墊結構特征分析

氣缸墊（圖1-8）的作用是保證氣缸蓋與氣缸體接觸面的密封，防止漏氣、漏水和漏油。氣缸墊裝配在氣缸蓋與氣缸體之間，因接觸高溫高壓燃氣，在使用中易被燒蝕，故要求氣缸墊能耐熱、耐腐蝕，還必須具有足夠的強度和彈性。目前應用較多的氣缸墊主要有金屬-石棉氣缸墊和純金屬氣缸墊。

金屬-石棉氣缸墊，其結構如圖1-9a、b、c、d所示，該類型的氣缸墊外層為銅皮或者鋼皮，內層采用夾有金屬絲或者金屬屑的石棉材料，同時為了防止燒蝕，在冷卻液孔及燃燒室孔周圍有鑲邊以增加強度。金屬材料具有很好的散熱性，而石棉的耐熱性和彈性都較好，可以提高氣缸的密封性能。安裝時，應該特別注意把氣缸墊光滑的一面朝向氣缸體，否則容易被高壓氣體沖壞。金屬-石棉氣缸墊是目前使用最多的一種類型的氣缸墊。如奧迪100、大眾捷達、豐田凱美瑞等轎車采用的均是這種氣缸墊。

純金屬氣缸墊，其結構如圖1-9e所示，該類型氣缸墊基本上由單層或者多層金屬片（低碳鋼或銅）制造而成。為加強密封，在氣缸孔、冷卻液孔及機油孔周圍沖有彈性凸紋，利用凸紋的彈性實現密封。如紅旗CA7560型轎車使用的氣缸墊為這一種氣缸墊。

圖1-8 氣缸墊

圖1-9 氣缸墊的結構

a）、b）、c）、d）金屬-石棉氣缸墊 e）沖壓鋼板氣缸墊

6.油底殼結構特征分析

油底殼也叫下曲軸箱，如圖1-10所示，主要用于儲存機油并密封曲軸箱，同時還可起到機油散熱的作用。油底殼一般采用薄鋼板沖壓而成，其形狀主要取決于發動機總體結構和機油容量。為保證發動機縱向傾斜時機油泵正常吸油，油底殼中部一般做得較深，并在最深處裝有放油螺塞，大部分的放油螺塞有一定磁性，用于吸附機油中的金屬屑，以達到清潔潤滑油的目的，減少運動機件的磨損。油底殼內設有擋油板，用于防止汽車振動時油面波動過大產生泡沫影響發動機的潤滑性能。上下曲軸箱之間一般都有密封墊，有些也采用密封膠密封，主要是為了防止漏油。

圖1-10 油底殼

a）薄鋼板油底殼 b）輕金屬油底殼

7.發動機的支承結構特征分析

發動機支承的作用是支承發動機并給發動機定位，發動機支承一般通過變速器殼和飛輪殼體與車架一起支承發動機。常用的支承方式是三點支承或四點支承，如圖1-11所示。三點支承的前支承兩點經過曲軸箱支承在車架上，后支承一點通過變速器殼支承在車架上；四點支承則是前支承兩點通過曲軸箱支承在車架上，后支承兩點通過飛輪殼支承在車架上。圖1-12所示為桑塔納200GSi發動機的支承，該支承方式為三點支承方式。

由于發動機在工作過程中存在很大的震動，并對支承及車架產生周期性沖擊，導致車架及支承產生扭曲變形。為了消除這些不良后果，發動機支承一般采用彈性支承。發動機支承上都有縱向拉桿，其作用是防止汽車制動或加速時由于彈性元件變形而產生的發動機縱向位移，它是通過橡膠墊圈與車架縱梁和發動機相連。

圖1-11 發動機的支承

a）三點支承 b）四點支承

1—前支承 2—后支承 3—橡膠墊圈 4—縱向拉桿

圖1-12 桑塔納200GSi發動機的支承

1—固定螺母 2—支架固定螺栓 3—發動機左支架 4—橡膠緩沖塊 5—發動機懸架后橡膠支承 6—發動機懸架 7—發動機懸架前橡膠支承 8—發動機右支架 9—右支架固定螺栓 10—墊板

1.2.2 活塞連桿組的結構特征分析

活塞連桿組主要由活塞、活塞環、活塞銷、連桿、連桿螺栓、連桿軸承、連桿軸承蓋等運動部件組成，如圖1-13所示。

1.活塞結構特征分析

活塞的主要作用是承受氣缸中高溫高壓氣體產生的膨脹壓力，并將此壓力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉，同時，活塞頂部還與氣缸蓋、氣缸壁組成燃燒室。

由于活塞頂部直接與高溫且具有一定腐蝕性的燃氣相接觸，并受到高速運動、周期變化的氣體壓力和慣性力作用，加之潤滑條件、散熱條件都差，因此活塞的工作條件是極為惡劣的，對于活塞的制造以及工藝，也提出了如下要求。

1）制造必須有較高的精度，以保證活塞與氣缸壁之間有較小的摩擦系數。

2）材料必須有較小的質量，以降低慣性。

3）有足夠的強度和剛度，特別是活塞環槽區內要有較大的強度，防止活塞環損壞。

4）活塞頂部耐熱、裙部有一定彈性。

5）良好的導熱性能及合理的熱膨脹性，以便有合理的安裝間隙。

6）一定的耐磨性能，以防止周期性運動帶來的過度磨損。

汽車發動機活塞常用鋁硅合金材料，采用鑄造、鍛造、液態模鍛等方法制造。活塞的基本構造可分為頂部、頭部和裙部三部分，如圖1-14所示。

圖1-13 JV型發動機活塞連桿組分解圖

1—第一道氣環 2—第二道氣環 3—組合油環 4—活塞銷 5—活塞 6—連桿 7—連桿螺栓 8—連桿

軸承9—連桿軸承蓋

圖1-14 活塞的基本結構

a）全剖 b）部分剖 1—活塞頂部 2—活塞頭部 3—活塞環 4—活塞銷座 5—活塞銷 6—活塞銷鎖環 7—活塞裙部 8—加強筋 9—環槽

（1）活塞頂部結構特征分析 活塞頂部的形狀與選用的燃燒室形式有關。活塞頂部的形狀主要有平頂、凸頂和凹頂三種，如圖1-15所示。汽油機活塞頂部多采用平頂（圖1-15a），其

圖1-15 活塞頂的形狀

a）平頂 b）凹頂 c）凸頂

優點是吸熱面積小，制造工藝簡單，燃燒室結構緊湊。有些汽油機為了改善混合氣形成和燃燒而采用凹頂活塞（圖1-15b），凹坑的大小還可以用來調節發動機的壓縮比。凸頂活塞（圖1-15c）主要用于二沖程汽油機。

（2）活塞頭部結構特征分析 活塞頭部是最下端活塞環槽以上至活塞頂以下的部分。其主要作用如下。

①承受氣體壓力，并傳給連桿。

②與活塞環一起實現氣缸的密封。

③將活塞頂部所吸收的熱量通過活塞環傳給氣缸壁。頭部切有若干用以安裝活塞環的環槽。汽油機一般有2～3道環槽，上面1～2道用于安裝氣環，下面一道用于安裝油環。在油環槽底面上鉆有許多徑向小孔，被油環從氣缸壁上刮下來的多余機油經過這些小孔流回油底殼。

活塞頭部一般做得較厚，以便于熱量從活塞頂部經活塞環傳給氣缸的冷卻壁面上，從而防止活塞頂部的溫度過高。

有的發動機活塞在第一道環槽上面切出比環槽窄的隔熱槽，其作用是隔斷從活塞頂部流下來的部分熱流通路，迫使熱流方向轉折，把原來應由第一道活塞環散走的熱量，分散給第二道、第三道環，以消除第一道環過熱后產生積炭和卡死在環槽中的可能性。

（3）活塞裙部結構特征分析 裙部是指活塞環槽以下的所有部分，其作用是為活塞在氣缸內做往復運動時導向和承受側壓力。

圖1-16 活塞裙部的橢圓變形

a）彎曲變形 b）銷座熱膨脹變形 c）擠壓變形 d）裙部綜合變形

活塞工作時，燃燒氣體的壓力均勻作用在活塞頂上，而活塞銷給予的支反力則作用在活塞裙部的銷座處，由此而產生的變形使裙部直徑沿活塞銷座軸線方向增大（圖1-16a）。側壓力的作用也使活塞裙部直徑在同一方向上增大（圖1-16b）。此外，活塞銷座附近的金屬堆積受熱后膨脹量大，致使裙部在受熱變形時，在沿活塞銷座軸線方向的直徑增量大于其他方向。如圖1-16c所示，活塞工作時產生的機械變形和熱變形，使其裙部斷面變成長軸在活塞銷方向上的橢圓（圖1-16d）。鑒于上述情況，為了使活塞在正常工作溫度下與氣缸壁間保持比較均勻的間隙，以免在氣缸內卡死或引起局部磨損，必須預先在冷態下把活塞制成裙部斷面為長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形。為了減少活塞銷座附近處的熱變形量，有的活塞將活塞銷座附近的裙部外表面制成下陷0.5～1.0mm。活塞裙部形狀可以做成變橢圓桶形，即在活塞裙部的不同部位其橢圓度不同，橢圓度由下而上逐漸增大，即活塞裙部橫截面越往上越扁，裙部縱向截面呈桶形，其輪廓線為一拋物線，故亦稱拋物線形活塞裙部。圖1-17所示為活塞裙部的不同形狀和結構。

圖1-17 活塞裙部的不同形狀和結構

a）錐形裙部活塞 b）橢圓形裙部活塞 c）恒范鋼片式活塞 d）熱膨脹自動調節式活塞

（4）活塞銷座結構特征分析 活塞銷座的作用是將活塞頂部的氣體作用力經活塞銷傳給連桿。活塞銷座通常有肋片與活塞內壁相連，以提高其剛度。

活塞銷座孔內有的設有安放彈性卡環的卡環槽。卡環用來防止活塞銷在工作中發生軸向竄動。

活塞銷座孔的中心線一般位于活塞中心線的平面內。但也有些高速汽油機的活塞銷孔中心線偏離活塞中心線平面，如圖1-18a所示。圖中活塞銷座軸線向在做功行程中受側向力的一面偏移了1～2mm，這是因為，如果活塞銷對中布置，則當活塞越過上止點時側壓力的作用方向改變，會使活塞敲擊氣缸壁面發出噪聲，而如果把活塞銷偏移布置（圖1-18b），則可使活塞較平穩地從壓向氣缸的一面過渡到另一面，而且過渡時刻早于達到最高燃燒壓力的時刻，可以減輕活塞“敲缸”，減小噪聲，改善發動機工作的平順性。

2.活塞環結構特征分析

活塞環主要可以分為氣環和油環兩種。

氣環的作用是保證活塞與氣缸壁間的密封，防止氣缸中氣體大量漏入曲軸箱，同時還將活塞頂部的大部分熱量傳導到氣缸壁，再由冷卻液或空氣帶走；油環的作用是刮去氣缸壁上多余的機油，并在氣缸壁面涂上一層均勻的機油膜，這樣既可以防止機油竄入氣缸燃燒，又可以減小活塞、活塞環與氣缸的摩擦阻力和磨損。此外，油環也起到密封的輔助作用。

圖1-18 活塞銷偏置及其流程

a）活塞銷偏移布置 b）活塞銷偏移布置流程

活塞環工作時受到氣缸中高溫、高壓燃氣的作用，溫度較高（尤其是第一環，溫度可達600K）。活塞環在氣缸內做高速運動，加上高溫下部分機油出現變質，使環的潤滑條件變壞，難以保證液體潤滑，因此磨損嚴重。

活塞環在發動機運轉過程中與高溫氣體接觸將發生熱膨脹現象，而周期性的往復運動又使其出現徑向伸縮變形。因此，為了保證正常的工作，活塞環在氣缸內應該具有以下間隙，如圖1-19所示。

1）端隙又稱開口間隙，是指活塞環在冷態下裝入氣缸后，該環在上止點時，環的兩端頭之間的間隙，一般為0.25～0.50mm。

2）側隙又稱邊隙，指活塞環裝入活塞后，其側面與活塞環槽之間的間隙。第一道環因工作溫度高，間隙較大，一般為0.04～0.10mm；其他環一般為0.03～0.07mm。油環側隙比氣環小。

3）背隙是指活塞環裝入氣缸后，活塞環內圓柱面與活塞環槽底部間的間隙，一般為0.50～1.00mm。油環背隙較氣環大，有利于增大存油間隙，便于減壓泄油。

由于側隙和背隙的存在，當發動機工作時，活塞環便產生了泵油作用。其原因是：活塞下行時，環靠在環槽的上方，環從缸壁上刮下來的潤滑油充入環槽下方，如圖1-20a所示；當活塞上行時，環又靠在環槽的下方，同時將機油擠壓到環槽上方，如圖1-20b所示。如此反復運動，就將缸壁上的機油泵入燃燒室。

由于活塞環的泵油作用，使機油竄入燃燒室，會使燃燒室內形成積炭和增加機油消耗，并且還可能在環槽（尤其是第一道氣環槽）中形成積炭，使環卡死，失去密封作用，甚至折斷活塞環。

圖1-19 活塞環的間隙

1—活塞環處于工作狀態時的形狀 2—活塞環處于自由狀態時的形狀 3—工作面 4—內表面 5—活塞 6—活塞環 7—氣缸 Δ1—開口間隙 Δ2—側隙 Δ3—背隙 d—活塞環內徑 B—活塞環寬度

活塞環有一個切口，且在自由狀態下不是圓環形，其外形尺寸比氣缸的內徑大些，因此，它隨活塞一起裝入氣缸后，便產生彈力而緊貼在氣缸壁上。活塞環在燃氣壓力作用下，壓緊在環槽的下端面上（圖1-21），于是燃氣便繞流到環的背面，并發生膨脹，其壓力下降。同時，燃氣壓力對環背的作用力使環更緊地貼在氣缸壁上。壓力已有所降低的燃氣，從第一道氣環的切口漏到第二道氣環的上平面時，又把這道氣環壓貼在第二環槽的下端面上，于是，燃氣又繞流到這個環的背面，再發生膨脹，其壓力又進一步降低。如此繼續進行下去，從最后一道氣環漏出來的燃氣，其壓力和流速已經大大減小，因而泄漏的燃氣量也就很少了。因此，為數很少的幾道切口相互錯開的氣環所構成的“迷宮式”封氣裝置，就足以對氣缸中的高壓燃氣進行有效的密封。

圖1-20 活塞環的泵油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

圖1-21 活塞環密封流程

1—第一密封面 2—第二密封面 3—背壓力F2 4—活塞環自身彈力F1

氣缸內的燃氣漏入曲軸箱的主要通路是活塞環的切口，因此，切口的形狀和裝入氣缸后的間隙大小對于漏入曲軸箱的燃氣量有一定的影響，切口間隙過大，則漏氣嚴重，使發動機功率減小；間隙過小，活塞環受熱膨脹后就有可能卡死或折斷。切口間隙值一般為0.25～0.8mm。第一道氣環的溫度最高，因而其切口間隙值最大。氣環的切口形狀如圖1-22所示。直角形切口工藝性好（圖1-22a）；階梯形切口的密封性好，但工藝性較差（圖1-22b）；圖1-22c所示為斜切口，斜角一般為30°或45°，其密封作用和工藝性均介于前兩種之間，但其銳角部位在套裝入活塞時容易折損；圖1-22d所示為二沖程發動機活塞環的帶防轉銷釘槽的切口。壓配在活塞環槽中的銷釘，是用來防止活塞環在工作中繞活塞中心線轉動的。

圖1-22 氣環的切口形狀

a）直角形 b）階梯形 c）斜口形 d）帶防轉銷釘槽形

氣環斷面形狀主要有以下幾種：

1）矩形環（圖1-23a）的優點是結構簡單，制造方便，散熱性好，廢品率低；缺點主要是有泵油作用，容易造成機油消耗量過大并有可能形成燃燒室積炭，另外，矩形環的刮油性、磨合性及密封性較差。現代汽車基本不采用。

2）錐面環（圖1-23b）的優點是與氣缸壁的接觸為線接觸，密封和磨合性能較好，刮油作用明顯，容易形成油膜以改善潤滑；缺點是傳熱性能較差。錐面環主要應用在除第一道環的其他環。

3）扭曲環（圖1-23c、d）是現代汽車發動機廣泛應用的一種活塞環。這主要是因為扭曲環除具有錐面環的優點之外，還能減小泵油作用，減輕磨損、提高散熱性能。安裝扭曲環時應特別注意：內圓切槽向上，外圓切槽向下，不能裝反。

4）梯形環（圖1-23e）的主要優點是能把沉積在環槽中的結焦擠出，從而避免了活塞環被粘結而出現折斷。同時其密封性能優越，使用壽命長。缺點主要是上下兩端面的精磨工藝較復雜。梯形環在熱負荷較大的柴油發動機上使用較多。

5）桶面環（圖1-23f）的優點是活塞的上下行程都可以形成楔形油膜改善潤滑，對活塞在氣缸內擺動的適應性好，接觸面積小，有利于密封；缺點是凸圓弧面加工困難，多用于強化柴油發動機的第一道環。

圖1-23 氣環的斷面形狀

a）矩形環 b）錐面環 c）正扭曲內切環 d）反扭曲錐面環 e）梯形環 f）桶面環

油環可以分為普通油環和組合油環兩種，如圖1-24所示。

1）普通油環如圖1-24a所示，又叫整體式油環。環的外圓柱面中間加工有凹槽，槽中鉆有小孔或開切槽，當活塞向下運動時，將缸壁上多余的機油刮下，通過小孔或切槽流回曲軸箱；當活塞上行時，刮下的機油仍通過回油孔流回曲軸箱。有些普通環還在其外側上邊制有倒角，使環在隨活塞上行時形成油膜，可起均分布潤滑油的作用，下行刮油能力強，減少了潤滑油的上竄。這種類型的油環的優點是結構簡單、造價低，早期發動機上使用較多；但其強度低，易磨損，磨損后刮油效果不理想、壽命較短。現代汽車發動機基本上不采用。

2）如圖1-24b所示，組合油環一般由上刮片、襯環、下刮片三層組成。優點是質量小、刮油能力強、對缸套變形適應性好、回油通路大等。正因為如此，盡管組合油環造價相對較高，在現代汽車上仍舊得到了廣泛的應用。

無論活塞上行或下行，油環都能將氣缸壁上多余的機油刮下來經活塞上的回油孔流回油底殼。油環的刮油作用如圖1-25所示。

圖1-24 油環

a）整體式油環 b）組合式油環

3.活塞銷結構特征分析

活塞銷的功用是連接活塞和連桿小頭，將活塞承受的氣體作用力傳給連桿。活塞銷在高溫下承受很大的周期性沖擊載荷，潤滑條件較差（一般靠飛濺潤滑），因而要求有足夠的剛度和強度，表面耐磨，質量盡可能小。為此，活塞銷通常制成空心圓柱體。

活塞銷一般用低碳鋼或低碳合金鋼制造，先經表面滲碳處理，以提高表面硬度，并保證心部具有一定的沖擊韌性；然后進行精磨和拋光。

如圖1-26所示，活塞銷的形狀主要有圓柱形和錐形（圖1-26a、b），質量較小；中間或單側封閉的活塞銷如圖1-26c、d所示，適用于二沖程發動機；內部有塑膠芯的鋼套銷（圖1-26e），用于要求不高的汽油機；成形銷（圖1-26f），用于增壓發動機。

活塞銷按照其與活塞銷座和連桿小頭的連接方式可以分為全浮式和半浮式兩種，如圖1-27所示。

（1）全浮式結構特征分析 在發動機正常工作溫度時，活塞銷能在連桿襯套和活塞銷座孔中自由轉動，因而增大了實際接觸面積，減小了磨損且使磨損均勻，所以被廣泛采用，如圖1-27a所示。裝配時，應先將活塞在溫度為70～90℃的水或油中加熱，然后將銷裝入。為防止活塞銷因軸向竄動而刮傷氣缸壁，在活塞銷座兩端用卡環加以軸向定位。

（2）半浮式結構特征分析 半浮式連接就是銷與座孔或連桿小頭兩處，一處固定，一處浮動。其中大多數采用活塞銷與連桿小頭的固定方式，如圖1-27b所示。

圖1-25 油環的刮油作用

a）活塞下行 b）活塞上行

圖1-26 活塞銷形狀

a）圓柱形 b）端部呈錐形擴展 c）中間封閉式 d）單側封閉式 e）內有塑料芯的鋼套銷 f）成形銷

圖1-27 活塞銷的連接方式

a）全浮式 b）半浮式

4.連桿結構特征分析

連桿的作用是將活塞承受的力傳給曲軸，并把活塞的上下往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。

連桿工作時，承受活塞頂部氣體壓力和慣性力的作用，而這些力的大小和方向都是周期性變化的。因此，連桿受到的是壓縮、拉伸和彎曲等交變載荷。這就要求連桿強度高、剛度大、重量輕。連桿一般都采用中碳鋼或合金鋼經模鍛或輥鍛而成，然后進行機加工和熱處理。

如圖1-28所示，連桿的結構主要包括連桿小頭、連桿大頭（包括連桿蓋）、桿身三部分。

對全浮式活塞銷，由于工作時小頭孔與活塞銷之間有相對運動，所以常常在連桿小頭孔中壓入減磨的青銅襯套。為了潤滑活塞銷與襯套，在小頭和襯套上銑有油槽或鉆有油孔以收集發動機運轉時飛濺上來的潤滑油用以潤滑。有的發動機連桿小頭采用壓力潤滑，在連桿桿身內鉆有縱向的壓力油通道。半浮式活塞銷是與連桿小頭過盈配合的，所以小頭孔內不需要襯套，也不需要潤滑。

連桿桿身通常做成“I”字形斷面，其抗彎強度好、重量輕，大圓弧過渡，且上小下大，采用壓力法潤滑的連桿，桿身中部都制有連通大、小頭的油道。

連桿大頭與曲軸的連桿軸頸相連。連桿大頭的切口形式可以分為平切口和斜切口兩種。

圖1-28 連桿組件

1—連桿大頭 2—連桿軸承 3—止推凸肩 4—襯套 5—連桿小頭 6—桿身 7—連桿螺栓 8—連桿蓋

1）平切口式連桿：切分面與連桿桿身軸線垂直，是汽油機普遍采用的一種形式。這是因為一般汽油機連桿大頭的橫向尺寸都小于氣缸直徑，可以方便地通過氣缸進行拆裝。

2）斜切口式連桿：切分面與連桿桿身軸線成30°～60°夾角，是柴油機上使用較多的一種形式。這是因為，柴油機壓縮比大，受力較大，曲軸的連桿軸頸較粗，相應的連桿大頭尺寸往往超過了氣缸直徑，為了使連桿大頭能通過氣缸，便于拆裝，一般都采用斜切口，最常見的是45°夾角。

為了便于安裝，連桿大頭一般做成剖分式，被分開的部分稱為連桿蓋，用連桿螺栓緊固在連桿大頭上。連桿大頭與連桿蓋是組合加工的，為防止配對錯誤，在同一側刻有配對記號，如圖1-29所示。

連桿與連桿蓋在結構上采取了定位措施。平切口連桿蓋與連桿的定位多采用連桿螺栓定位，利用連桿螺栓中部精加工的圓柱凸臺或光圓柱部分與經過精加工的螺栓孔來保證定位準確。斜切口連桿常用的定位方法有止口定位、套筒定位和鋸齒定位，如圖1-30所示。

連桿螺栓：連桿蓋和連桿大頭用連桿螺栓連在一起，連桿螺栓在工作中承受很大的沖擊力，若折斷或松脫，將造成嚴重事故。為此，連桿螺栓都采用優質合金鋼，并經精加工和熱處理特制而成。安裝連桿蓋擰緊連桿螺栓螺母時，要用扭力扳手分1～3次交替均勻地擰緊到規定的力矩，擰緊后還應可靠地鎖緊。連桿螺栓損壞后絕不能用其他螺栓來代替。

連桿軸瓦：為了減小摩擦阻力和曲軸連桿軸頸的磨損，連桿大頭孔內裝有瓦片式滑動軸承，簡稱連桿軸瓦。軸瓦分上、下兩個半片，目前多采用鋼背軸瓦，在其內表面澆鑄有耐磨合金層。耐磨合金層具有質軟、容易保持油膜、磨合性好、摩擦阻力小、不易磨損等特點。耐磨合金常采用的有巴氏合金、銅鋁合金、高錫鋁合金。連桿軸瓦的背面有很高的光潔度。半個軸瓦在自由狀態下不是半圓形，當它們裝入連桿大頭孔內時，又有過盈，故能均勻地緊貼在大頭孔壁上，具有很好的承受載荷和導熱的能力，并可以提高工作可靠性和延長使用壽命。

如圖1-31所示，連桿軸瓦上制有定位凸鍵，供安裝時嵌入連桿大頭和連桿蓋的定位槽中，以防軸瓦前后移動或轉動，有的軸瓦上還制有油孔，安裝時應與連桿上相應的油孔對齊。

V型發動機連桿的結構形式一般有三種，如圖1-32所示，分別為并列式連桿、主副式連桿和叉形連桿。

（1）并列式連桿結構特征（圖1-32a）連桿可通用，其相對應的左右兩個氣缸的連桿，沿曲軸的長度方向一前一后裝配在一個曲柄銷（連桿軸頸）上。特點是兩列氣缸的活塞連桿組的運動規律相同，曲軸的長度有一定量的增加。

圖1-29 連桿大頭與連桿蓋的配對記號

圖1-30 斜切口連桿大頭的定位方式

a）止口定位 b）套筒定位 c）鋸齒定位

圖1-31 連桿軸承

1—鋼背 2—油槽 3—定位凸鍵 4—減磨合金層

圖1-32　V型發動機連桿示意圖

a）并列連桿式 b）主副連桿式 c）叉形連桿式

（2）主副式連桿結構特征（圖1-32b）兩連桿不能通用，其一列氣缸的連桿為主連桿，連桿大頭直接裝配在曲軸曲柄銷的全長上。另一列氣缸的連桿為副連桿，副連桿分別與對應的主連桿鉸接傳動。特點是主副連桿不能互換，兩列氣缸的活塞連桿組的運動規律不同，曲軸的軸向長度不增加。

（3）叉形連桿結構特征（圖1-32c）左右兩列對應氣缸的連桿的大頭制成叉形，跨于另一個厚度較小的片狀大頭的連桿兩端。特點是兩列氣缸中的活塞連桿組的運動規律相同，但制造工藝復雜，且兩個連桿的大頭剛度都較低。

1.2.3 曲軸飛輪組的結構特征分析

曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、正時齒輪、曲軸扭轉減振器、帶輪等結構組成。圖1-33所示為曲軸飛輪組件基本結構示意圖。

1.曲軸結構特征分析

曲軸主要作用：把活塞連桿組傳來的氣體壓力轉變為轉矩，然后通過飛輪傳遞到汽車底盤傳動系；另外還用于驅動配氣機構、水泵、發電機、空調壓縮機、風扇等輔助裝置的工作。

曲軸一般用優質中碳鋼或中碳合金鋼（如鉻鎳鋼、鉻鋁鋼等）模鍛而成，軸頸表面經高頻淬火或滲氮處理，并經精磨加工而成，以抵御周期變化的氣體壓力、往復慣性力、離心力及轉矩和彎矩的共同作用。

曲軸由主軸頸、曲柄銷（連桿軸頸）、曲柄臂、平衡重塊等組成。

圖1-33 曲軸飛輪組件基本結構示意圖

1—起動爪 2—起動爪鎖緊墊片 3—扭轉減振器、帶輪 4—擋油片 5—正時齒輪 6—第1、第6缸活塞上止點記號 7—圓柱銷 8—飛輪 9—螺母 10—機油嘴 11—曲軸與飛輪連接螺栓 12—中間軸承上下軸瓦 13—主軸承上下軸瓦 14、15—半圓鍵 16—曲軸

如圖1-34所示，支承方式有如下兩種：

1）非全支承曲軸：曲軸的主軸頸數比氣缸數目少或與氣缸數目相等，主軸承載荷較大，但縮短了曲軸的總長度，使發動機的總體長度有所減小。

2）全支承曲軸：曲軸的主軸頸數比氣缸數目多一個，即每一個連桿軸頸兩邊都有一個主頸。

圖1-34 曲軸的支承方式

a）非全支承 b）全支承

圖1-35 曲軸受力與平衡

a）受力 b）慣性平衡

四缸發動機的平衡如圖1-35所示。在一些高檔發動機上，還采用加裝平衡軸的方法進行慣性的平衡，使發動機運轉更加平穩。

曲軸前端：如圖1-36所示，曲軸前端裝有正時齒輪、驅動風扇和水泵的帶輪及起動爪、甩油盤等。甩油盤外斜面向后，安裝時應注意，否則會產生相反效果。在齒輪室蓋上裝有油封，防止機油外漏。

曲軸軸向定位：由于曲軸經常受到離合器施加于飛輪的軸向力作用，有的曲軸前端采用斜齒傳動，使曲軸產生前后竄動，影響了曲柄連桿機構各零件的正確位置，增大了發動機磨損、異響和振動，故必須進行曲軸軸向定位。另外，曲軸工作時會受熱膨脹，還必須留有膨脹的余地。

曲軸定位一般采用滑動推力軸承，安裝在曲軸前端或中后部主軸承上。推力軸承有兩種形式：翻邊主軸瓦的翻邊部分或具有減磨合金層的止推片，磨損后可更換。

圖1-36 曲軸前端結構

1、2—滑動推力軸承 3—止推片 4—定時齒輪 5—甩油盤 6—油封 7—帶輪 8—起動爪

曲軸的后端：安裝飛輪，在后軸頸與飛輪凸緣之間制成擋油凸緣與回油螺紋，以阻止機油向后竄漏。

曲軸油道：在軸頸上鉆有油孔，并與斜油道相通，再與機體的主油道聯通。

曲軸的形狀取決于氣缸數、氣缸排列和發動機的點火順序。多缸發動機的點火順序應均勻分布在720°曲軸轉角內，并且使連續做功的兩缸相距盡可能遠，以減輕主軸承的載荷，避免可能發生的進氣重疊現象。

四缸四沖程發動機曲柄布置及工作順序：點火間隔角為720°/4=180°，4個曲柄布置在同一平面內，如圖1-37所示。1、4缸與2、3缸互相錯開180°，其點火順序的排列有兩種可能，即1-3-4-2或1-2-4-3，其工作循環分別見表1-1和表1-2。

六缸四沖程發動機曲柄布置及工作順序：點火間隔角為720°/6=120°，六個曲柄分別布置在三個平面內，如圖1-38所示，有兩種點火順序，1-5-3-6-2-4和1-4-2-6-3-5，國產汽車都采用前一種，其工作循環見表1-3。

圖1-37 四缸四沖程發動機曲柄布置

表1-1 四缸機工作循環（點火順序1-3-4-2）

表1-2 四缸機工作循環（點火順序1-2-4-3）

圖1-38 六缸四沖程發動機曲柄布置

表1-3 六缸機工作循環（點火順序1-5-3-6-2-4）

八缸四沖程V型發動機曲柄布置及工作順序：點火間隔角為720°/8=90°，發動機左右兩列對應的一對連桿共用一個曲柄，所以V型八缸發動機只有四個曲柄，如圖1-39所示。曲柄布置可以與四缸發動機相同，四個曲柄布置在同一平面內，也可以布置在兩個互相錯開90°的平面內，使發動機得到更好的平衡。點火順序為1-8-4-3-6-5-7-2。其工作循環見表1-4。

表1-4 八缸機工作循環（點火順序1-8-4-3-6-5-7-2）

圖1-39 八缸四沖程發動機曲柄布置

2.曲軸扭轉減振器結構特征分析

扭轉減振器的功用就是吸收曲軸扭轉振動的能量，消減扭轉振動，避免發生強烈的共振及其引起的嚴重惡果。

曲軸是一種扭轉彈性系統，其本身具有一定的自振頻率。在發動機工作過程中，經連桿傳給連桿軸頸的作用力的大小和方向都是周期性變化的，所以曲軸各個曲拐的旋轉速度也是忽快忽慢呈周期性變化的。安裝在曲軸后端的飛輪，轉動慣量最大，可以認為是勻速旋轉，由此造成曲軸各曲拐的轉動比飛輪的轉動時快時慢，這種現象被稱為曲軸的扭轉振動。曲軸的扭轉振動容易造成發動機的功率損失，引起曲軸扭曲變形，振動強烈時甚至會扭斷曲軸。一般來說，低速發動機不易達到臨界轉速，但對于缸數多及轉速高的發動機，由于其曲軸剛度小、旋轉質量大、自振頻率低、強迫振動頻率高，容易達到臨界轉速而發生強烈的共振。因而加裝扭轉減振器就很有必要。

汽車發動機常用的扭轉減振器為摩擦式扭轉減振器，主要包括橡膠式扭轉減振器和硅油式扭轉減振器。

目前應用較多的是橡膠式曲軸扭轉減振器，如圖1-40所示。這種扭轉減振器的帶輪轂固定在曲軸前端，通過橡膠墊分別與帶輪（前慣性盤）和后慣性盤連接。當曲軸轉動發生扭轉時，因后慣性盤及帶輪慣性盤轉動慣量大，角速度均勻，從而使橡膠體和橡膠墊產生很大的交變剪切變形，消耗了曲軸扭轉能量，減輕了共振。圖1-41所示為奧迪100（1.8L）四缸發動機的曲軸扭轉減振器，這是一種典型的橡膠式扭轉減振器。

圖1-40 橡膠摩擦式曲軸扭轉減振器

1—曲軸前端 2—帶輪轂 3—減振器圓盤 4—橡膠墊 5—慣性盤 6—帶輪盤

圖1-41 一汽奧迪1.8L四缸發動機的曲軸扭轉減振器

1—螺母 2—渡形墊片 3—帶輪固定盤 4、6—帶輪 5—調節墊片 7—雙頭螺柱 8—大螺栓 9—螺栓 10—帶輪總成

3.曲軸軸承（軸瓦）結構特征分析

曲軸軸承（軸瓦）按其承載方向可以分為徑向軸承和軸向（推力）軸承兩種。

徑向軸承的作用是支承曲軸，通常是剖分式的滑動軸承，如圖1-42所示，軸承底座是在氣缸體的曲軸箱部分直接加工出來的，再由軸承蓋、螺栓共同將滑動軸承進行徑向定位、緊固。

軸向（推力）軸承承受離合器傳來的軸向力，用來限制曲軸的軸向竄動，保證曲軸連桿機構各零部件正確的相對位置。在曲軸受熱膨脹時，要求其能夠自由伸縮，因此曲軸只能有一處設置軸向定位裝置。曲軸軸承還可以將徑向軸承與推力軸承合而為一制成翻邊軸承，如圖1-43所示。

圖1-42 曲軸滑動軸承

a）單層合金軸承 b）雙層合金軸承 c）三層合金軸承

圖1-43 多層推力軸承

1—凸肩 2—油槽 3—鋼質薄壁 4—基層 5—鎳涂層 6—磨耗層 7—油孔 8—卷邊

4.飛輪結構特征分析

飛輪在曲軸連桿機構里面屬于一個大而重，具有很大的轉動慣量的部件。圖1-44所示為飛輪及其附屬裝置結構示意圖。

飛輪的作用主要有：儲存做功行程的能量，用于克服進氣、壓縮和排氣行程的阻力和其他阻力；緩解曲軸在運動過程中受到的沖擊，使曲軸能均勻地旋轉；在發動機起動時，飛輪齒圈與起動機齒輪嚙合，帶動曲軸旋轉起動；同時飛輪還可以利用本身慣性防止發動機熄火等。

飛輪外緣壓有齒圈，與起動電動機的驅動齒輪嚙合，供起動發動機用。

汽車離合器也裝在飛輪上，利用飛輪后端面作為驅動件的摩擦面，用來對外傳遞動力。

圖1-44 飛輪與后端附屬裝置

1—中間支板 2—油封襯墊 3—后油封凸緣 4—后油封 5—飛輪 6—離合器從動盤 7—離合器壓盤

在飛輪輪緣上標有記號（刻線或銷孔）供尋找第1缸壓縮上止點用。當飛輪上的記號與外殼上的記號對正時，正好是壓縮上止點。有的還有進排氣相位記號、供油（柴油機）或點火（汽油機）記號供安裝和故障排除用。

飛輪與曲軸在制造時一起進行過動平衡實驗，在拆裝時應嚴格按相對位置安裝。飛輪緊固螺釘承受作用力大，應按規定力矩和正確方法擰緊。