2.2 曲柄连杆机构
2.2.1 概述
1.曲柄连杆的功用和组成
曲柄连杆的功用，是为工质提供燃烧场所；并把作用在活塞顶上的气体膨胀力转变为曲轴的转矩，方便其他机械使用；同时，曲柄连杆机构兼具基础的作用，发动机所有的机件几乎都安装在其上，并由其固定在车架上。
围绕着曲柄连杆机构功用，根据其工作状况不同，曲柄连杆机构可分为三组。
机体组（如图2.14所示）。主要由汽缸盖罩、汽缸盖、汽缸垫、汽缸体、上曲轴箱和下曲轴箱组成。通常，汽缸体和上曲轴箱在结构上连成一体，因而在实际使用中这两个机件常用汽缸体称之。下曲轴箱主要用于存放润滑油，亦称为油底壳。机体组在工作时处于相对静止状态，主要承受气体压力和活塞连杆组、曲轴飞轮组给予它的作用力，并起到发动机的基础作用。
图2.14 机体组
活塞连杆组（如图2.15所示）。主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆组成。该组在工作时做往复直线运动和钟摆运动。其作用是将气体压力变成活塞的直线运动，并通过连杆驱动曲轴旋转。
图2.15 活塞连杆组
曲轴飞轮组（如图2.16所示）。由曲轴、飞轮组成。该组工作时处于旋转运动状态，主要将连杆传来的机械能通过飞轮以旋转形式向外输送。
图2.16 曲轴飞轮组
2.曲柄连杆机构的工作条件
（1）工作环境。前面叙述发动机在完成能量转换时产生的高温、高压，全都由曲柄连杆机构承受。现代汽车发动机最高转速可达6000r/min以上，由此带来的惯性力和摩擦力也作用在曲柄连杆机构上。此外，与可燃混合气和燃烧废气接触的机件还将受到化学腐蚀。因此，曲柄连杆机构工作条件是高温、高压、高速和化学腐蚀。
（2）解决措施。整体看，解决思路是：①高温：2773K（约2500℃）的温度可使任何金属熔化，为此，发动机设有冷却系统使发动机在适宜的工作温度中工作。汽车用发动机常用的冷却介质是水，故称之为水冷却系统。也有用风作为冷却介质的，这种冷却方式在摩托车上较为常见，少数的特殊用途汽车也有采用。②高压、高速：在高压、高温下工作，要求发动机的零件能够尽量地不变形，为此，曲柄连杆机构各零件在材料及结构设计中都有一定的要求和采取相应的措施，尽量减少高压、高速和高温带来的副作用。有关结构设计的措施将在2.2.2中加以介绍。③腐蚀：通过材料性能的改善和在润滑系中加入防腐剂予以解决。
3.多缸发动机的工作顺序
多缸发动机与单缸发动机相比，要解决的问题主要有两个：发动机每转两圈，所有的汽缸都应完成一个工作循环，并且，为使发动机工作均匀，工作循环间隔应一致；多缸发动机是多个单缸发动机共用一根曲轴而成，对于一根长轴件而言，为使其受力均匀，相邻做功缸之间距离应尽量远，这一问题的解决方法是在曲轴前后交替进行做功。
（1）同时满足上述两个条件的四缸发动机，其工作顺序（也称为点火顺序）有两种（如表2.5和表2.6所示）：
表2.5 点火顺序为1—3—4—2的工作循环表
表2.6 点火顺序为1—2—4—3的工作循环表
四缸四行程发动机的点火间隔角为720°/4=180°，曲轴每转半圈（180°）做功一次，四个缸的做功行程是交替进行的，并在720°内完成，因此，可使曲轴获得均匀的转速，工作平稳柔和。
（2）六缸机点火顺序见表2.7。
表2.7 点火顺序为1—5—3—6—2—4的工作循环表
六缸四行程直列发动机点火间隔角为720°/6=120°。六缸四行程直列发动机也有两种点火顺序，一种点火顺序是1—5—3—6—2—4，国产发动机均采用这种点火顺序，另一种点火顺序是1—4—2—6—3—5，在国外较常见。
从上可知，要使多缸发动机的所有汽缸在720°内均做功一次，其点火间隔角应为720°/i（i——汽缸数）。
2.2.2 机体组
1.汽缸盖罩
功用：遮盖凸轮轴、摇臂、气门和气门弹簧等零件，以及遮挡这些零件在工作时飞溅出来的润滑油。
结构：依汽缸盖及凸轮轴、摇臂、气门和气门弹簧等零件的布置而定，基本形状呈凹状长方体，有些制有加润滑油的口。由于汽缸盖罩在发动机工作时基本不承受大的作用力，故乘用车汽缸盖罩一般用薄钢板冲压而成（如图2.17所示），大功率的商用车汽缸盖罩有用铸铁或铸铝制成的。
图2.17 汽缸盖罩
2.汽缸盖
功用：封闭汽缸上部，并与活塞顶部和汽缸体共同构成汽缸容积。
结构：汽缸盖上铸有火花塞座孔（汽油机）或喷油器座孔（柴油机），上置凸轮轴式发动机的汽缸盖上还有用来安装凸轮轴的轴承座。考虑到制造和维修方便和缸盖变形对密封的影响，水冷发动机的汽缸盖有整体式、分块式和单体式三种。整体式：所有汽缸共用一个盖，这种形式的汽缸盖，缩短了汽缸中心距，适合于缸径小于105mm，缸数小于6的发动机（如图2.18所示）；分块式：两个汽缸或三个汽缸采用一个汽缸盖；单体式：一个汽缸采用一个汽缸盖，一般缸径大于140mm或风冷的发动机采用。
图2.18 整体式汽缸盖
汽缸盖（与汽缸体接触的一面）铸有燃烧室（如图2.19所示），燃烧室内镶有安装进、排气门的气门座及气门导管和相对应的进、排气通道，燃烧室周围铸有水套（如图2.20所示）。
由前面所述可知，汽缸盖底部是燃烧室的一部分，根据燃烧理论的不同，汽缸盖底部的形状（通常呈凹形）也不同。如图2.21所示为几种常见的汽油机汽缸盖底部形状。
影响燃烧室形状的主要因素是如何提高发动机热效率和降低发动机排出废气中的污染物，以及发动机制造工艺的难易程度等。
图2.19 汽缸盖（与汽缸体接触的一面）
图2.20 汽缸盖横断面图
图2.21 汽油机燃烧室
3.汽缸体
功用：发动机的基础和支架，同时与某些零件一起完成特定的功能。
构造：汽缸体是发动机中最笨重且复杂的零件，这是因为发动机工作时产生的恶劣因素基本由汽缸体承受，同时它又起着发动机支架的作用。平日中称为汽缸体的零件，实质上是汽缸体和上曲轴箱的结合体，水冷发动机为了增加汽缸体的强度和刚度，常将汽缸体和上曲轴箱铸成一体。汽缸体内部有与汽缸数相符的为活塞在其中运动导向的圆柱形空腔——汽缸，汽缸是供工质燃烧、做工的场所。
汽缸周边是一中空的夹层壁，可让冷却液在夹层中流动以冷却发动机，因而，此中空夹层称为水套，汽缸盖上也有类似的水套（如图2.23所示）。汽缸体上还钻有油道，以使润滑油通过该油道润滑汽缸盖上的凸轮等零件。上曲轴箱设有主轴承座以支承曲轴，轴承座与轴承座之间是曲拐（曲拐的含义见曲轴飞轮组）运动的空间。上曲轴箱上铸有润滑油道：前后通向的是主油道，发动机内所有零件用油均从这里流出；左右通向的是曲轴油道，负责主轴颈、连杆轴颈、活塞、汽缸壁等机件的用油；上下通向的是配气机构油道，负责配气机构的用油（如图2.22所示）。
散热是发动机上重要的工作，发动机的散热介质有水和风，这两者在汽缸体上体现形式不一样。如图2.23所示。
图2.22 汽缸体
图2.23 发动机散热方式
发动机功率的大小不同，发动机上曲轴箱的形状也不同，常见的有三种（如图2.24所示）。
图2.24 发动机上曲轴箱
一般式：刚度和强度最低，但它结构简单，一般用在小功率的发动机上。
龙门式：刚度和强度较大，用在功率较大的发动机上，缺点是发动机密封较困难，容易渗漏润滑油。
隧道式：刚度和强度最好，上曲轴箱和汽缸是一个整体结构，缺点是与之配套的曲轴是组合式的，牺牲了曲轴的刚度和强度。
4.油底壳
功用：储存润滑油。
构造：油底壳也称为下曲轴箱，为一凹状的油盆（如图2.25所示）。为保证汽车行驶在陡坡上时发动机用油，油底壳通常制成前浅后深的形状，同时为防止润滑油在汽车行驶时因晃动产生飞溅而使机油泵有可能吸不到油，油底壳靠近底部处通常制有挡油板。油底壳最低处置有放油螺塞，有些油底壳的放油螺塞带有磁性，防止发动机工作时磨损下的金属屑作为磨料再次进入循环，而造成发动机二次磨损。
图2.25 油底壳
油底壳因受力不大通常用钢板冲压而成。因润滑油在工作时吸收发动机缸体上的高温，为此，有些对润滑油要求较高的发动机采用铸有散热片的铸铝油底壳。
2.2.3 活塞连杆组
1.活塞
功用：与汽缸盖、汽缸体共同构成燃烧室；承受燃料燃烧产生的气体压力，并将此压力经活塞销传给连杆，以推动曲轴旋转。
构造：活塞的基本结构是圆筒状，可分顶部、头部和裙部三部分。如图2.26所示。活塞工作时受多种因素影响，主要有：高温、高压、高速、润滑不良和散热困难。
1）气体压力对活塞的影响。压力对活塞的影响主要表现在两个方向，活塞运动方向和与之相交的水平方向。活塞轴线方向：活塞工作时，根据前面所述可知燃烧时气体压力（Pz）可达3～5MPa，按活塞直径为100mm计算，活塞顶上受力为2.4～3.9kN，该压力均布作用在活塞顶上，根据牛顿第三定律可知，活塞销给予活塞的反力（Px）也是这值，且作用在活塞销座处，方向相反。在气体压力（Pz）和反力（Px）这两力共同作用下，活塞在纵向截面上向曲轴方向弯曲，造成头部直径缩小，裙部直径增大，如图2.27（a）所示。水平方向：活塞运动时将产生一侧向力使活塞紧紧地靠向汽缸壁一侧，同理，汽缸壁对活塞有一反向力（Pc）（通常称为侧压力），侧压力（Pc）使活塞产生的变形如图2.27（b）所示。
图2.26 活塞的基本结构
2）温度对活塞的影响。活塞受热后尺寸将变大，金属堆积量越大，受热后膨胀量也越大，因而活塞受热后的变形规律为：头部的变形量大于裙部；销座的变形量大于裙部，如图2.27（d）所示。
所以，活塞工作时产生的机械变形和热变形的总和为：头部大于裙部；裙部呈椭圆形（椭圆长轴在活塞销方向上）。铝合金活塞的这种差异尤为显著。
图2.27 工作中的活塞变形示意图
3）速度对活塞的影响。现代发动机的转速可达6000转/分，从发动机工作原理可知，活塞从一个止点向另一个止点运动时，其速度的变化规律是“Vmin→Vmax→Vmin”。活塞处于任一止点时Vmin=0；活塞从一个行程转向另一个行程时，活塞的运动方向发生改变。这说明活塞在工作时，速度是非均匀的，运动的方向是改变的，这意味着活塞的质量大小对发动机的工作有着至关重要的意义，发动机转速越高，活塞的质量应该越小，从而惯性对发动机造成的影响也越小。
活塞结构基本是围绕上述因素进行确定的。
（1）活塞整体形状：由于活塞沿轴线方向的变形是上大下小，为了使铝合金活塞在工作状态下接近圆柱形，常温下，有的活塞将其头部的直径制成上小下大的阶梯形，如图2.28（a）所示或截锥形，如图2.28（b）所示，或将活塞裙部制成上小下大的截锥形，如图2.28（c）所示。还有的活塞为了更好地适应其热变形，将活塞裙部制成变椭圆，即在裙部的不同部位其圆度不同，圆度由下而上逐渐增大，即裙部横截面越往上越扁。
为使活塞在正常温度下与汽缸壁间保持比较均匀的间隙，以免在汽缸内卡死或引起局部磨损，设计师预先在冷态下把活塞加工成活塞销轴线方向为短轴，与活塞销轴线垂直方向为长轴的椭圆形（称为反椭圆形），如图2.28（d）所示。
图2.28 非工作状态下的活塞
（2）活塞顶部：活塞顶部是燃烧室的组成部分，其形状必定与缸盖燃烧室相吻合并形成一个整体。活塞顶部形状各异。汽油机活塞顶部较多采用平顶活塞，如图2.29（a）所示，其优点是吸热面积小，制造工艺简单。
图2.29 活塞顶部形状
柴油机活塞顶部较为复杂，这是因为柴油机可燃混合气的形成方式与汽油机不同，混合气在缸内形成，混合时间极短，混合要求极高，对燃烧室有较高的要求。柴油机活塞顶部常见的形状基本为凹顶，如图2.29（c）所示。
（3）活塞头部：指活塞环槽部分。头部切有若干道用来安装活塞环的环槽。汽油机一般有2～3道环槽，上面1～2道用来安装气环，下面1道安装油环。活塞头部的作用是：承受气体压力，并将此力传给活塞销；安装活塞环并与活塞环、汽缸壁一起实现汽缸的密封；将活塞顶所吸收的热量绝大部分通过活塞环传导给汽缸壁；油环刮下的润滑油通过油环槽底的泄油孔流回曲轴箱内，防止润滑油窜入汽缸。
（4）活塞裙部：活塞裙部是指油环槽以下部分。其作用是为活塞在汽缸内做往复运动导向和承受侧压力，同时也起着将活塞的部分热量传递给汽缸壁的作用，因而裙部要有一定的长度和足够的面积，以保证可靠导向和减轻磨损。
裙部的基本形状为一薄壁圆筒，若该圆筒为完整的称为全裙式。在一些高速发动机中，为了减小活塞质量，在活塞不受作用力的两侧，即沿销座孔轴线方向的裙部切去一部分，形成拖板式裙部，如图2.30所示。这种结构的活塞裙部弹性较好，可以减小活塞与汽缸的装配间隙。
（5）活塞销座：用来安装活塞销，同时起着活塞与活塞销之间力的传播作用。
在材料上对活塞的要求是：热膨胀系数小；具有良好的导热性，能将热量迅速传给汽缸；耐磨性好；质量小以减小惯性。
图2.30 拖板式活塞
2.活塞环
功用：活塞环按其功用可分为气环和油环两类。气环保证活塞与汽缸壁间的密封，防止活塞顶上的气体压力从活塞与汽缸壁之间的间隙窜入油底壳；同时还将活塞顶部的热量大部分传导到汽缸壁，由冷却水或空气带走。油环刮除汽缸壁上的润滑油，并在汽缸壁上均匀地布上一层油膜，这样既可以防止润滑油窜入汽缸燃烧，又可以减小活塞、活塞环与汽缸的磨损和摩擦阻力。此外，油环也起到封气的辅助作用（如图2.31所示）。
图2.31 活塞环
结构：气环和横截面呈实心矩形，油环的环身上铣有卸油槽（如图2.31所示）。
3.活塞销
功用：连接活塞和连杆，并将来自活塞的力传给连杆。
结构：厚壁空心圆管，有等截面和变截面两类（如图2.32所示）。
图2.32 活塞销及截面形状
空心是为了减小质量，以便减小活塞—活塞销—连杆小头运动时产生的惯性；变截面是为了更好地适应活塞和连杆小头作用在活塞销上的力的分布。
4.连杆
功用：将活塞的力传给曲轴，使活塞的往复运动转为曲轴的旋转运动。
结构：连杆在工作时承受活塞销传来的气体作用力、活塞连杆组往复运动时的惯性力和连杆大头绕曲轴旋转产生的旋转惯性力的作用。这些力的大小和方向都是周期性变化的，这就使连杆承受压缩、拉抻和弯曲等交变载荷，因此要求连杆在质量尽可能小的条件下有足够的刚度和强度。
连杆是一组合体，它由连杆体、连杆盖、连杆螺栓和连杆轴瓦等组成（如图2.33所示），从叙述角度考虑，连杆又可分为小头、杆身和大头三部分。连杆小头用来安装活塞销，以连接活塞。
图2.33 连杆组及其各部名称
连杆杆身通常做成“工”字形断面，以求在强度和刚度足够的前提下减小质量。
连杆大头与曲轴的连杆轴颈相连，为便于安装，连杆大头一般做成剖分式的，被分开的部分称为连杆盖，用特制的连杆螺栓紧固在连杆大头上。
2.2.4 曲轴飞轮组
1.曲轴
功用：承受连杆传来的力，并以力矩的形式对外输出，另外，还用来驱动发动机的配气机构及其他辅助装置（如发电机、风扇、水泵、转向油泵等）也由它驱动。
结构：如图2.34所示，主要有前端轴、连杆轴颈、主轴颈、曲柄、平衡重和后端（凸缘）。
图2.34 曲轴
前端轴。安装皮带轮和正时齿轮，用来驱动发动机的配气机构及其他辅助装置。
曲柄。连杆轴颈(力点)至主轴颈(支点)之间的力臂，也可作连接连杆轴颈与主轴颈之用。
曲拐。由一个连杆轴颈和其两边的曲柄组成，形同“∏”字形。
平衡重。用以平衡曲轴旋转时产生的不平衡现象。有些刚度较大的全支撑曲轴不设平衡重。
后端。铸有凸缘，安装飞轮。
主轴颈。曲轴安装在曲轴箱上的支撑点，一般在每个连杆轴颈的两边各有一个。
连杆轴颈。用于与连杆大头相连，是连杆推动曲轴旋转的力点。
主轴颈与连杆轴颈之间的关系为：一个连杆轴颈对应着相应的汽缸。对于多缸发动机而言，连杆轴颈在曲轴上的位置应符合多缸发动机的工作顺序（见2.2.1中的3.多缸发动机的工作顺序）。为此，不同缸数的发动机，连杆轴颈在曲轴上的位置是不一样的（如图2.35所示）。
图2.35 曲拐的分布
2.飞轮
飞轮是一个转动惯量很大的圆盘，其主要功用是储存发动机做功冲程中的一部分能量，用以提供顺利完成其他冲程所需能量，并保证曲轴的旋转角速度和输出转矩尽可能均匀；使发动机有可能克服短时间的超载荷；飞轮又往往用做摩擦式离合器的驱动件。
为了保证飞轮有足够的转动惯量，同时又能尽可能减小飞轮的质量，飞轮的大部分质量都集中在轮缘上，所以轮缘通常做得宽而厚。
飞轮外缘上压有一圈齿环，可与起动机的驱动齿轮啮合，供起动发动机用。飞轮上通常刻有第一缸发火正时记号，以便校准发火时间。