汽车发动机构造与维修-曲柄连杆机构

第2章 曲柄连杆机构的构造与维修,学习目标,知识目标 1.能够正确描述曲柄连杆机构的组成、构造和装配关系； 2.能够正确叙述曲柄连杆机构主要机件的受力情况和工作 原理； 3.能够正确描述曲柄连杆机构的装配要求。 能力目标 1.会进行易损零件检测、修理或更换； 2.会进行曲柄连杆机构的装配与调整； 3.能对曲柄连杆机构常见故障进行分析、判断，并能排除 故障。,第一节 曲柄连杆机构的构造和工作原理,一、概 述,1.曲柄连杆机构的组成 机体组 活塞连杆 曲轴飞轮组,机体组,气缸盖 气缸垫 气缸体 油底壳,活塞连杆组,活塞 活塞环 活塞销 连杆,曲轴飞轮组,曲轴 飞轮 扭转减振器,2.工作条件和受力分析 工作条件： 高温、高压、高速、有化学腐蚀 受力分析： 气体作用力、往复惯性力、离心力、摩擦力、外界阻力,（1）气体作用力,作功行程气体压力,压缩行程气体压力,（2）往复惯性力与离心力,（3）摩擦力,任何一对互相压紧并作相对运动的零件表面之间必定存在摩擦力。物体所受摩擦力的大小与正压力和摩擦系数成正比，方向总是与物体运动的方向相反。,二、机体组,气缸体与气缸套,气缸体的上半部有引导活塞作往复运动的圆筒，称为气缸。下半部分有供安装曲轴用的上曲轴箱， 有承孔、油道、水道。 气缸体的上、下表面是气缸体维修的基准。 前后两个平面加工，安装正时齿轮盖和飞轮壳。,气缸的排列形式,对置式,V形式,直列式,气 缸,有整体式和镶套式,气缸套的形式,干式缸套 定义：其外表面不直接与冷却水接触。 特点： 1)壁较薄（13mm）； 2)与刚体承孔过盈配合； 3)不易漏水漏气。,湿式缸套 定义：其外表面直接与冷却水接触。 特点：1)壁较厚（59mm）;2)散热效果好； 3)易漏水漏气;4)易穴蚀。 定位： 1)径向 靠上下两个凸出的、与气缸体间为动配合的圆环带。 2)轴向 利用缸套上部凸缘与缸体相应的台阶。 密封： 1)下部 靠13个耐热耐油的橡胶密封圈。 2)上部 缸套顶面高出缸体0.050.15mm，当气缸盖螺栓拧紧后，缸套与缸体凸台接合处、缸套与缸垫接合处，承受较大的压紧力，具有防止水套漏水、气缸漏气和保证缸套定位的作用。,气缸盖,1.结构 气缸盖上有冷却水套、燃烧室、进排气门道、气门导管孔和进排气门座、火花塞孔（汽油机）或喷油器座孔。,燃烧室,楔形燃烧室 1)气门斜置，气流导流较好，充气效率高； 2)有挤气冷激面，可形成挤气涡流； 3)燃烧速度较快，CO和HC排放较低而NO排放稍高。,盆形燃烧室 1）气门平行于气缸轴线； 2）有挤气冷激面，可形成挤气涡流； 3）盆的形状狭窄，气门尺寸受限，换气质量较差，燃烧速度较低，CO和HC排放较高而NO排放较低。,半球形燃烧室： 1）气门成横向V形排列，气门头部直径可以做得较大， 换气好； 2）火花塞位于燃烧室的中部，火焰行程短，燃烧速度最 高，动力性、经济性最好，是高速发动机常用的燃烧室； 3）CO和HC排放最少，而NO排放较高。,气缸垫,作用：保证气缸体与气缸盖间的密封，防止漏水、漏气。 构造： (1)金属石棉垫 (2)金属骨架石棉垫 (3)纯金属垫 安装注意：金属皮的金属石棉垫，缸口金属卷边一面应 朝向易修整接触面或硬平面。因卷边一面会对与其接触的平面 造成压痕变形。,油底壳,油底壳的主要作用 贮存机油并密封曲轴箱。 内有稳油挡板、放油螺塞，有的还有磁铁。,三、活塞连杆组,活塞连杆组 由活塞、连杆、活塞环、活塞销和连杆等组成。,活 塞,功用 与气缸盖、气缸壁等共同组成燃烧室； 承受气体压力，并将此力传给连杆，以推动曲轴旋转。 材料 汽车发动机活塞广泛采用铝合金。 质量小（为铸铁活塞的50%70%）； 导热性好（约为铸铁的3倍）； 热膨胀系数大。 组成 可分为顶部、环槽部、裙部。,活塞顶部,是燃烧室的组成部分，用来 承受气体压力。汽油机活塞的顶部形状有： （1）平顶：受热面积小，广 泛采用。 （2）凸顶：与半球形燃烧室 配用。 （3）凹顶：高压缩比发动机 为了防止碰撞气门，也可用凹坑 的深度来调整压缩比。 （4）组合顶。,活塞环槽部,环槽部部分切有若干道用 以安装活塞环的槽。,活塞裙部,为活塞运动导向和承受侧压力。 其型式有（1）全裙式：裙部为一薄壁圆筒。 （2）拖板式：将非承压面的裙部全 部去掉。,活塞裙部变形,活塞的变形及采取的相应措施,变形原因：热膨胀、侧压力和气体压力。 变形规律： （1）活塞的热膨胀量大于气缸的膨胀量，使配缸间隙变 小。因活塞温度高于气缸壁，且铝合金的膨胀系数大于铸铁。 （2）活塞自上而下膨胀量由大而小。因温度上高下低， 壁上厚下薄。 （3）裙部周向近似椭圆形变化，长轴沿销座孔轴线方 向。因销座处金属量多而膨胀量大，以及侧压力作用的结果。,结构措施,（1）活塞纵断面制成上小下大的截锥形。 （2）活塞横断面制成椭圆形，长轴垂直于销座孔轴线方向，即侧压力方向。 （3）销座处凹陷0.51.0 mm。 （4）裙部开绝热膨胀槽（“T”形或“”形槽），其中横槽叫绝槽，竖槽叫膨胀槽。 （5）采用双金属活塞：即在活塞裙部或销座内嵌入铸钢片，以减少裙部的膨胀量。,防止变形的措施,偏置销座,定义：活塞销座朝向承受作功侧压力的一面偏移12mm。 作用：减轻活塞换向时对气缸壁的敲击噪声。 原理：因销座偏置，在接近上止点时，作用在活塞销座轴线以右的气体压力大于左边，使活塞倾斜，裙部下端提前换向。而活塞在越过上止点，侧压力反向时，活塞才以左下端接触处为支点，顶部向左转（不是平移），完成换向。 偏置销座使活塞换向分成了两步： 第一步是在气体压力较小时进行，且裙部弹性好，有缓冲作用； 第二步虽气体压力大，但它是个渐变过程。为此，两步过渡使换向冲击力大为减弱。,活塞环,（一）气环 作用： （1）密封：防止气缸内的 气体窜入油底壳； （2）传热：将活塞头部的 热量传给气缸壁； （3）辅助刮油、布油。,活塞环的间隙,（1） 端隙1：又称开口间隙，是活塞环装入气缸后开口处的间隙。一般为0.250.50mm。 （2） 侧隙2：又称边隙，是环高方向上与环槽之间的间隙。第一道环因温度高，一般为0.040.10mm；其他气环一般为0.030.07mm。油环一般侧隙较小，一般为0.0250.07mm。 （3） 背隙3：是活塞环装入气缸后，活塞环背面与环槽底部的间隙。一般为0.51mm。,端 隙,1气缸； 2 活塞环； 3 活塞； 1 开口间隙； 2 侧隙； 3 背隙,活塞环的泵油作用及危害,原因： （1）存在侧隙和背隙； （2）环运动时在环槽中靠上靠下。 危害： （1）增加了润滑油的消耗； （2）火花塞沾油不跳火； （3）燃烧室积碳增多，燃烧性能变坏； （4）环槽内形成积碳，挤压活塞环而失去密封性； （5）加剧了气缸的磨损。 措施： （1）采用扭曲环； （2）采用组合式油环； （3）油环下设减压腔。,活塞环的泵油,气环的断面形状,（1）矩形环 结构简单，与缸壁接触面积大，散热好，但易泵油。 （2）锥形环 1）特点 与缸壁线接触，有利于密封和磨合。下行有刮油 作用，上行有布油作用，并可形成楔形油膜。 2）安装注意：锥角朝下（在环端有向上或TOP等标记）； （3）扭曲环 将矩形环内圆上方或外圆下方切成台阶或倒角而成。,（二）油环,作用 刮油，即将气缸壁上多余的润滑油刮下来。 类型 （1） 整体式：其外圆上切有环形槽，槽底开有回油用的 小孔或窄槽。 （2）组合式：由上下刮油片和产生径向、轴向弹力的衬 簧组成。,1 钢片； 2 衬簧； 3 径向衬簧； 4 轴向衬簧； 5 活塞,组合式油环,活塞销,作用：连接活塞和连杆，并传递活塞的力给连杆。 结构：用低碳钢或低碳合金钢制成的厚壁管状体。 1.全浮式 （1）定义：在发动机正常工作温度下，活塞销在连杆小头孔和 活塞销座孔中都能转动。 （2）装配：销与销座孔在冷态时为过渡配合，采用分组选配法； 将活塞放入热水或热油中加热后，迅速将销装入（热装合）。 2.半浮式（1）定义：销与销座孔和连杆小头两处，一处固定，一处浮动（一 般固定连杆小头）。（2）装配：加热连杆小头后，将销装入，冷态时为过盈配合。,全浮式 半浮式,连 杆,功用 将活塞的力传给曲轴，变活塞的往 复运动为曲轴的旋转运动。 组成 连杆组由连杆体、连杆盖、连杆螺 栓和连杆轴瓦等组成。,连杆构造 小头 用来安装活塞销，以连 接活塞。 杆身 常做成“工”字形断面。 大头 与曲轴的连杆轴颈连。 大头一般做成分开式，即连杆大 头和连杆盖。,连杆大头,（1）切口形式 有平切口和斜切口两种。 （2）定位方式 1）连杆螺栓定位 依靠连杆螺栓的光圆柱部分与螺栓 孔的配合来定位。其定位精度较差，用于切口连杆。 2）锯齿形定位 依靠接合面的齿形定位。 3）套或销定位 依靠套或销与连杆体（或盖）的孔紧 配合定位。 4）止口定位。,连杆轴承,作用 保护连杆轴颈及连杆大头孔。 组成 由钢背和减摩层组成。钢背由13mm的低碳钢制成。 减摩层为0.30.7mm的减摩合金，层质较软能保护轴颈。 减摩层材料 （1）白合金（巴氏合金）：减摩性能好，但机械强度 低，且耐热性差。常用于负荷不大的汽油机。 （2）铜铅合金：机械强度高，承载能力大，耐热性 好。多用于高负荷的柴油机。但其减摩性能差。 （3）铝基合金：有铝锑镁合金、低锡铝合金和高锡铝 合金三种。,四、曲轴飞轮组,曲轴飞轮组由曲轴、飞轮、带轮、正时齿轮（或链轮）等 组成。 一、 曲轴 功用 1. 把活塞连杆组传来的气体压力转变为扭矩对外输出。 2. 驱动配气机构及其他附属装置。 材料 大多采用优质中碳钢或中合金碳钢。有的采用球墨铸铁。 构造 曲轴包括前端轴、主轴颈、连杆轴颈、曲柄、平衡重、后端 轴等，一个连杆轴颈和它两端的曲柄及主轴颈构成一个曲拐。,1.主轴颈和连杆轴颈 主轴颈是曲轴的支承部分。每个连杆轴颈两边都有一 个主轴颈者，称为全支承曲轴；主轴颈数等于或少于连杆 轴颈数者称为非全支承曲轴。 曲轴上有贯穿主轴颈、曲柄和连杆轴颈的油道，以便 润滑主轴颈和连杆轴颈。 2.曲柄和平衡重 曲柄是用来连接主轴颈和连杆轴颈的。平衡重的作用是平 衡各机件产生的离心惯性力及其力矩。,常用曲拐布置,1.直列四冲程四缸发动机 曲拐对称布置于同一平面内。相邻作功气缸的曲拐夹 角为720/4=180。发动机工作顺序有1-3-4-2和1-2-4-3 两种。 2.直列四冲程六缸发动机 曲拐对称布置于三个平面内。相邻作功气缸的曲拐夹角 为720/6=120。发动机工作顺序有1-5-3-6-2-4和1-4- 2-6-3-5两种。,前端轴与后端轴,（1）作用 前端轴用来安装正时齿轮、带轮及起动爪等；后端轴有 凸缘盘，用来安装飞轮。有的电喷发动机还装有曲轴位置传 感器和转速传感器的信号发生器。 （2）前后端的密封 曲轴前后端都伸出曲轴箱，为了防止润滑油沿轴颈流 出，在曲轴前后都设有防漏装置。常用的防漏装置有挡油 盘、填料油封、自紧油封、回油螺纹等。,前端 后端,飞 轮,功用 1.贮存能量：在作功行程贮存能量，用以完成其他三 个行程，使发动机运转平稳。 2.利用飞轮上的齿圈起动时传力。 3.将动力传给离合器。 4.克服短暂的超负荷。,飞 轮,第二节 曲柄连杆机构的维修,一、气缸体的修理,磨损规律,气缸磨损的测量,在活塞的全行程的上、中、下三个断面。 每个断面必须测量发动机纵向和横向两条直径。 气缸圆度误差。 气缸圆柱度误差。,气缸的测量,曲轴主轴承孔磨损测量,曲轴主轴承的圆度误 差大于0.025mm或穴蚀面 积大于250mm2时，必须进 行修理。,气缸盖平面变形测量,二、活塞的测量,活塞环的检测,弹力和漏光度的检查,活塞环端隙的测量,活塞环侧隙的测量,活塞环背隙的测量,活塞环的安装,三、连杆的检测,连杆弯扭的检测,连杆扭曲的校正,四、曲轴弯曲的检验,五、飞轮的检验,第三节 常见故障诊断与排除,一、主轴瓦响,1.故障现象 (1)当发动机转速突然变化时，有明显而沉重的连续“嘡 嘡”声，并伴随气缸体产生抖动； (2)发动机的转速升高，响声增大； (3)发动机负荷变化时，响声明显。,主轴瓦响,2.故障诊断与排除方法,(1)拆下机油加注口盖，耳朵贴近机油加注口倾听，同 时反复改变发动机的转速试验：突然加速或减速时，发动 机出现明显钝哑沉重的“嘡嘡”响声，当用听诊器或简易听诊 杆在气缸体曲轴位置察听时，响声明显。 (2)利用单缸断火法试验，响声没有变化，然后将相邻 两缸断火试验，如在某两缸断火后，响声明显减弱，说明 这两缸之间的主轴瓦发响。,(3)使发动机高速运转，机体会产生较大的振动，机油压力 偏低，说明主轴瓦间隙过大或轴承合金层脱落。 (4)放尽机油，拆下油底壳后检查： 如发现机油中和油底壳壁上有轴承合金屑粒，则说明轴 承合金脱落，应更换新的主轴瓦，并检查主轴颈有无损伤。 检查主轴承盖螺栓是否松动，如有松动，应按规定力矩 拧紧。 检测主轴瓦径向和轴向间隙，若间隙过大，应更换新主 轴瓦。,二、连杆轴瓦响,1.故障现象 (1)发动机运转中，产生一种连续而短促的“当当”声， 中速运转时，响声比较明显，当突然加速时，响声随着增大； (2)发动机负荷增加时，响声随着增大； (3)发动机温度变化时，响声不随着变化。,连杆轴瓦响,2.故障诊断与排除方法,(1)使发动机怠速运转，可听到短促的“当当”声，随着 转速的升高，响声会更突出，拆下机油加注口盖倾听，响声 为清脆的“当当”声，说明是连杆轴瓦响。 (2)利用单缸断火法试验：若某缸断火时响声减弱或消失， 在复火的瞬间响声又立即出现，则可断定该缸连杆轴瓦响。,(3)放尽机油，拆下油底壳检查： 发现机油中或油底壳壁上有轴承合金屑粒，说明连杆 轴瓦合金层脱落，应更换新的连杆瓦，并检查连杆轴颈 有无损伤； 检查连杆螺栓有无松动，如有松动，应按规定力矩拧紧； 若连杆螺栓不松动，用手上、下推拉连杆盖检查，如 感觉旷量较大，说明连杆轴瓦磨损过甚，应更换新的连杆轴瓦。 (4)检查机油压力是否过低，若属机油压力过低造成的响声， 应调整油压；若属机油粘度过小造成的响声，应更换机油。,三、活塞敲缸响,1.故障现象 (1)发动机在怠速或低、中速运转时，在气缸上部发出 清晰、明显、有规律的“嗒嗒” 声，中速以上一般减弱或消失； (2)发动机温度低时响声明显，正常工作温度下，响声减弱 或消失； (3)发动机在高温、高速运转时，发出“嘎嘎”连续不断且有 节奏的响声。,活塞敲缸,2.故障诊断与排除方法,(1)发动机冷车起动，即发出有节奏的“嗒嗒”声，此时 应将发动机转速控制在响声最明显的范围内，在气缸体上 部用听诊器或简易听诊杆听诊，若响声在怠速、冷车时明显，在高速、温度升高后减弱或消失；同时伴有从机油加注口冒烟、排气管冒蓝烟现象，则说明活塞敲缸。 (2)将发动机置于响声最明显的转速上运转，逐缸进行 断火试验：若某缸断火后响声减弱或消失，说明该缸活塞 敲缸；若在断火后出现敲缸响声，并由间断响变成连续 响，则说明活塞裙部锥度过大，使活塞头部撞击气缸壁所 致。应检查并更换活塞。,(3)发动机熄火，拆下有响声气缸的火花塞或喷油器，往气缸 内注入少量机油，并用手摇柄或起动机带动曲轴转动数圈，然后 装上火花塞或喷油器，起动发动机。如响声在短时间内减弱或消 失，过一会儿又重新出现，说明该缸活塞裙部与气缸壁的间隙过 大。应检测气缸间隙，选配活塞或镗缸。 (4)发动机温度低时响声不明显，在温度升高后，使发动机 中、高速运转时，出现有节奏的“嘎嘎”声，温度越高，响声越 大，用单缸断火试验，响声没有变化，说明连杆有变形。应检查 并校正连杆。 (5)发动机温度低时响声不明显，当温度升高后，发动机处于 怠速运转时，出现“嗒嗒” 声，机体抖动，温度越高，响声越 大，说明活塞变形或活塞环开口间隙过小，造成活塞与气缸壁的 配合间隙过小，致使润滑不良。应检查、更换活塞及活塞环。,四、活塞销响,1.故障现象 (1)发动机在怠速或低速时，在气缸上部可听到尖锐、 清脆的“嗒嗒”声； (2)发动机的转速升高，响声随着增大； (3)一般情况下，发动机温度升高，响声不减弱，在低 速下急加速响声非常明显。,活塞销响,2.故障诊断与排除方法 (1)发动机置于怠速下运转，然后由怠速向低速急抖节 气门，响声能随着转速变化。若抖动节气门时，出现清脆而 连贯的“嗒嗒”声，说明活塞销响。 (2)将发动机稳定在响声比较明显的转速上，逐缸进行 断火试验：若某缸断火后响声明显减弱或消失，且在复火的 瞬间能立即出现或连续出现两个响声，说明该缸活塞销响。 若响声严重，并且转速越高响声越大，断火后响声不消失且 变得杂乱，说明活塞销与连杆小头衬套的配合间隙过大。应 检查并更换连杆小头衬套或活塞销。 (3)发动机怠速运转时，出现有节奏而较为沉重的“吭吭” 声，转速升高，响声并不消失，而又出现机体抖动。若用单 缸断火试验，响声反而加重，说明活塞销窜动响。可能是活 塞销卡环脱落。应立即拆检，如确系卡环脱落，活塞销已将 气缸壁划伤，则应更换气缸套。,五、曲轴箱窜气量和气缸漏气率的检测,1.曲轴箱窜气量的检测 测量时，将曲轴箱密封(堵住机油尺口、曲轴箱通风进 出口等)，由加机油口处用橡胶管将漏窜气体导入气体流量 计。当气体沿图中箭头所示方向移动时，由于流量孔板的两 边存在气体压力差，使压力计水柱移动，直至气体压力差与 水柱落差平衡为止。 压力计通常以气体流量为刻度单位，因而由压力计水柱 高度所对应的刻度值，可以确定窜入曲轴箱气体的流量。新 发动机曲轴箱的窜气量为1520Lmin，而磨损了的发动机 可达80130Lmin。,实验表明，曲轴箱窜气量还与发 动机的转速，特别是与外部负荷的大 小有关。就车测试时，一般采用加 载、节气门全开，使发动机在1000 1600rmm下运行。发动机加载可以在 底盘测功试验台上、坡道上或低挡行 驶用制动器进行。 气体流量计备有不同直径小孔的 流量孔板，可以根据漏窜气体的流量 范围来选用。,2气缸漏气率的检测,气缸活塞组正常的漏气率为615，不得大于20 40。当超过这一数值时，如确认进、排气门和气缸垫密 封可靠，则说明气缸活塞组磨损严重。 测量时应听察漏气的响声，判断漏气部位。若散热器加 水口或相邻两缸火花塞孔处有漏气，表明缸垫漏气；若空气 滤清器有漏气，表明气门与座不密封；若机油加注口部位漏 气，表明气缸活塞组密封不良。,