第2章 曲柄連桿系統零部件的熱處理

2.1概述

2.1.1工作條件與作用

曲柄連桿機構是往復式內燃機中的動力傳遞系統，是發動機實現工作循環、完成能量轉換的主要運動部分。曲柄連桿機構的作用是提供燃燒場所，把燃料燃燒后氣體作用在活塞頂上的膨脹壓力轉變為曲軸旋轉的轉矩，不斷輸出動力；將氣體的壓力變為曲軸的轉矩；將活塞的往復運動變為曲軸的旋轉運動。

在汽車發動機中，曲軸和連桿是重要的關鍵部件，該機構由三部分組成:機體組、活塞連桿組和曲軸飛輪組。機體組包括氣缸體、氣缸蓋襯墊、氣缸蓋、曲軸箱及油底殼、曲軸箱、氣缸套等；活塞連桿組包括活塞、活塞環、活塞銷、連桿等；曲軸飛輪組包括曲軸、飛輪、曲軸扭轉減振器、平衡軸等。

曲軸連桿機構的工作條件比較惡劣，即處于高溫、高壓和高速以及化學腐蝕狀態，在發動機工作時，溫度高（2000℃)，壓力大（5～9MPa)，氣門開啟頻率為3000～6000r/min，活塞運動速度為100～200m/s，可燃混合氣和燃燒廢氣接觸機件（如氣缸、氣缸蓋、活塞等)造成化學腐蝕。該機構在高壓下作變速運動，受力十分復雜，其中有氣體的作用力、質量的慣性力、摩擦力以及外界的阻力等。

1.機體組 機體組主要由氣缸體、氣缸蓋襯墊、氣缸蓋、曲軸箱及油底殼、曲軸箱、氣缸套等部件組成。它構成汽車發動機的骨架，是發動機各機構和各系統的安裝基礎，其內、外安裝著發動機的所有主要零件和附件，承受各種載荷，因此，機體必須要有足夠的強度和剛度。

（1)氣缸蓋 氣缸蓋用來封閉氣缸，并與活塞頂面構成燃燒室。

（2)氣缸蓋襯墊 氣缸蓋襯墊安裝在氣缸蓋和氣缸體之間，用來密封氣缸，防止漏氣、漏水。

（3)氣缸體 氣缸體的作用是支撐發動機所有的運動件和各種附件。氣缸體內設置有冷卻水道和潤滑油道，保證對高溫狀態下工作和高速運動的零件進行可靠的冷卻和潤滑。氣缸體上部的圓柱形空腔稱為氣缸，它引導活塞作往復運動，氣缸體下部的空間為上曲軸箱，用來安裝曲軸。

（4)氣缸套 氣缸的耐磨性要求很高，為了提高氣缸內圓表面的耐磨性，常在氣缸體內鑲入氣缸套，便于磨損后更換。

（5)油底殼 油底殼是曲軸箱的下半部分，用以儲存發動機潤滑油。油底殼中、后部較深，當發動機縱向傾斜時，機油泵能不間斷地吸到潤滑油。油底殼內部焊有擋板，可以減少汽車行駛時潤滑油的激烈振蕩。油底殼底部有帶磁性的放油螺塞，可以吸附潤滑油中的鐵屑，減少發動機磨損。

2.活塞連桿組

它將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，同時將作用于活塞上的力轉變為曲軸對外輸出的轉矩，以此來驅動汽車運動。該類機構由活塞、活塞環、活塞銷和連桿等組成。

（1)活塞 構成燃燒室的一個部分，塞壁有圓孔，可穿入活塞銷，連桿通過活塞銷和活塞相連。其作用是將混合氣燃燒所產生的爆炸力通過活塞銷傳給連桿，來推動曲軸的曲柄，使曲軸旋轉。活塞的工作條件很苛刻，頂部和高溫燃氣接觸，承受帶沖擊性的高壓和因高速往復運動帶來的慣性力，整個活塞各部分受到拉、壓、彎的綜合力和力矩作用，且受熱也不均勻。因此要求活塞的質量小，熱膨脹量小，傳熱性好，耐磨。用鋁合金制的活塞兼備以上性能，因此鋁合金是當前汽車活塞選用的材料。

（2)活塞環 活塞環分氣環和油環兩種，前者防止燃燒混合氣竄入曲軸箱；后者開有斜口，富有彈性，套在活塞上時，有向外張緊貼在氣缸筒壁的特性。如果密封狀態被破壞，出現漏氣現象，發動機就會喪失部分動力，燃料和機油損耗增加，活塞和燃燒室的表面出現嚴重積炭，并造成環境污染。

（3)活塞銷 它是活塞與連桿小頭的連接件，其作用是將活塞受力傳給連桿。由于在高溫條件下要承受周期性的沖擊力，而且潤滑條件又差，所以要求它有足夠的剛度、強度和耐磨性?；钊N一般用低碳鋼制成，表面滲碳，再加以珩磨與拋光。活塞銷裝入活塞銷孔和連桿小頭孔內時是浮動的，為了防止活塞銷沿主軸方向竄動，在活塞銷孔內將卡環嵌在銷座凹槽內予以限位。

（4)連桿 它以上端的小頭連接活塞銷，以下端的大頭連接曲軸，可將活塞的往復運動轉變成曲軸的旋轉運動。連桿一般采用中碳鋼或合金鋼材料經鍛造、機械加工和熱處理而制成。因為連桿工作時受到壓縮、拉伸和彎曲周期性變化的力，所以要求它質量盡可能小，有足夠的剛度和強度，如果剛度不夠會造成大頭孔失圓，軸瓦潤滑不良而燒毀；桿身彎曲會造成氣缸漏氣、竄油等現象。

3.曲軸飛輪組

它由曲軸和飛輪以及其他具有不同作用的零件和附件等組成。其中飛輪為一個轉動慣量很大的圓盤，其作用是將在做功過程中傳給曲軸的一部分功儲存起來，用以在其他行駛中克服阻力，帶動曲軸連桿機構越過上、下止點，保證曲軸旋轉角速度和輸出轉矩盡可能均勻，并使發動機有可能克服短時間的超載。通常應減小飛輪的質量，其大部分質量集中在輪緣，用灰鑄鐵制造。當輪緣的線速度超過50m/s時，應采用球墨鑄鐵或鑄鋼制造。

曲軸飛輪組主要由曲軸、飛輪、正時齒輪、帶輪及曲軸扭轉減振器等組成。

（1)曲軸 要求曲軸耐沖擊、耐磨，一般都用中碳鋼或中碳合金鋼鍛造而成，也有采用球墨鑄鐵鑄造的曲軸。

由于曲軸要在高速下旋轉，所以它需要不間斷地用機油對摩擦表面加以潤滑，因此在曲軸的主軸頸、連桿軸頸的曲軸本體內都鉆有油道，以便機油能通過這些油道，潤滑這些部位。

曲軸的作用是:在做功行程中，把活塞連桿組傳來的氣體壓力（推力)轉變為旋轉的扭矩對外輸出，經汽車傳動系統驅動車輛行駛；利用曲軸和飛輪的旋轉慣性，經連桿帶動活塞上下運動，完成排氣、進氣、壓縮等輔助行程，為下一次做功行程做準備。

（2)飛輪 它主要有儲存發動機動能的作用，在做功行程中儲存能量，用以完成另外三個行程；將動力傳給離合器，使發動機運轉平穩；克服曲軸連桿組運動的阻力；克服短時間的過載，保證發動機輸出的轉矩和轉速均勻。此外它還是摩擦式離合器的驅動件，因此它也需要和曲軸一起進行平衡。

飛輪安裝在曲軸的后端，其材質為灰鑄鐵或球墨鑄鐵、鑄鋼，這是一個轉起來慣性很大的圓盤，其邊緣寬而厚。

2.1.2零件的主要熱處理方法與特點

曲柄連桿機構包括的零件較多，為確保其滿足正常的服役需要，并具有較長的使用壽命，需要進行合理的選材與熱處理，以滿足其工作需要。從材料的選用到熱處理方式，除了考慮材料化學成分外，還要考慮組織狀態、冶金質量、加工工藝等，選擇材料應遵循三條基本原則:滿足零件的使用性能要求，具有較好的工藝性能，具有較好的經濟性。

根據零件的服役條件與失效方式，結合選擇的材料，應提出合理的熱處理要求，即選用經濟的熱處理方法，獲得要求的使用性能。根據零件的服役條件，零件熱處理的主要工藝如下:

1)退火處理包括完全退火、不完全退火、去應力退火、再結晶退火等，以滿足不同零件的加工或工作需要。

2)正火處理包括高溫正火、中溫正火，其作用與目的是有差異的，要進行具體分析與判斷，合理選擇。

3)淬火＋回火處理中的回火包括低溫回火、中溫回火與高溫回火（調質處理)等，鋼鐵材料分別獲得了回火馬氏體＋碳化物、回火托氏體＋碳化物、回火索氏體＋碳化物，具有不同的組織與性能。

4)化學熱處理包括滲碳、碳氮共滲、滲氮、氮碳共滲等，是用于改變零件表面性能的重要方法，零件可獲得高的硬度、良好的耐磨性、耐蝕性等，可用來代替價格較高的高合金材料。

5)表面淬火包括感應淬火、火焰淬火、電解液淬火、激光淬火等，達到零件表面硬化的目的，環境潔凈、節能效果顯著，是汽車零件熱處理的發展方向。

6)表面處理包括表面鍍鉻、鍍鋅、噴鉬、磷化、發藍處理等，可提高零件的耐磨性、耐蝕性等，延長零件的使用壽命。