第04章曲柄連桿機(jī)構(gòu)

1、第四章 曲柄連桿機(jī)構(gòu)第一節(jié) 概 述一、功用與組成 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是內(nèi)燃機(jī)完成工作循環(huán)、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的傳動機(jī)構(gòu)。它在作功行程中把活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變成曲軸的旋轉(zhuǎn)運動；而在進(jìn)氣、壓縮、排氣行程中又把曲軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊耐鶑?fù)直線運動。因此曲柄連桿機(jī)構(gòu)的功用是：將燃料燃燒時產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)榛钊鶑?fù)運動的機(jī)械能，再通過連桿將活塞的往復(fù)運動變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運動而對外輸出動力。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)由以下3部分組成： 機(jī)體組 主要包括氣缸蓋、氣缸墊、氣缸體、氣缸套、曲軸箱和油底殼等不動件。 活塞連桿組 主要包括活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿等運動件。 曲軸飛輪組 主要包括曲軸、飛輪和扭轉(zhuǎn)減振器、平衡軸等機(jī)構(gòu)。二、工作條

2、件及受力分析 曲柄連桿機(jī)構(gòu)是在高溫、高壓、高速以及有化學(xué)腐蝕的條件下工作的。在發(fā)動機(jī)作功時，氣缸內(nèi)的最高溫度可達(dá)2 500k以上，最高壓力可達(dá)5 MPa9MPa，現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3 000rmin6 000rmin，則活塞每秒鐘要行經(jīng)約100200個行程，可見其線速度是很大的。此外，與可燃混合氣和燃燒廢氣接觸的機(jī)件(如氣缸、氣缸蓋，活塞等)還將受到化學(xué)腐蝕。 由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)是在高壓下作變速運動，因此它在工作時的受力情況是很復(fù)雜的。在此只對受力情況作簡單分析。曲柄連桿機(jī)構(gòu)受的力主要有氣體壓力，往復(fù)慣性力，旋轉(zhuǎn)運動件的離心力以及相對運動件接觸表面的摩擦力。1氣體壓力 在每個工作循環(huán)的四

3、個行程中，氣缸內(nèi)氣體壓力始終存在而且是不斷變化的。作功行程壓力最高，其瞬間最高壓力汽油機(jī)可達(dá)3MPa5MPa；柴油機(jī)可達(dá)5MPa9MPa，這意味著作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)上的瞬間沖擊力可達(dá)數(shù)萬牛頓(N)。下面分析各機(jī)件作功行程的受力情況。 如圖4-1a所示，氣體壓力對氣缸蓋和活塞頂作用有大小相等，方向相反的力，分別用集中力和Pp表示。作用力Pp經(jīng)活塞傳到活塞銷上，分解為Np和Sp兩個力。Np垂直于氣缸壁，它使活塞的一個側(cè)面壓向氣缸壁，稱為側(cè)壓力。該力以O(shè)為支點形成一個與曲軸轉(zhuǎn)向相反的力矩，有使發(fā)動機(jī)向左翻倒的傾向，故被稱為翻倒力矩。力Sp通過活塞銷推壓連桿，并沿連桿方向傳到曲柄銷上，使曲柄銷處受壓。

4、Sp又可分解為沿曲軸方向的法向力Rp和垂直于曲柄方向的切向力了Tp。力Rp使曲軸主軸頸處受壓并使曲軸彎曲；力Tp除了也具有力Rp的類似作用外，它以曲柄半徑為力臂產(chǎn)生的扭矩M還可使曲軸扭轉(zhuǎn)變形，但也正是此扭矩能夠?qū)ν廨敵鰟恿?，因而它是分解后唯一有效的力。依此法分析，氣體壓力較小的壓縮沖程的受力狀況(見圖4-lb)。在壓縮沖程中，氣體壓力是阻礙活塞向上運動的阻力。這時作用在活塞頂?shù)臍怏w總壓力Pp，也可以分解為兩個分力Np和Sp，而Sp又分解為Rp，Sp。Rp使曲軸主軸頸與主軸承間產(chǎn)生壓緊力；Sp對曲軸造成一個旋轉(zhuǎn)阻力矩Mp，企圖阻止曲軸旋轉(zhuǎn)。而Np則將活塞壓向氣缸的另一側(cè)壁。 進(jìn)、排氣沖程氣體壓力

5、很小，可以忽略。 綜上所述，氣體壓力使氣缸蓋承受向上的推力，活塞頂承受向下的推力、活塞側(cè)面與氣缸壁間有側(cè)壓力，活塞銷處、連桿桿身、曲柄銷處及曲軸主軸頸處，均受壓力，曲軸還承受彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩。在工作循環(huán)的任何行程中，氣體作用力的大小都是隨活塞的位移而變化的，再加上連桿在左右搖擺，因而作用在活塞銷和曲軸軸頸的表面以及二者的支承表面上的壓力和作用點不斷變化，造成各處磨損的不均勻性。同樣，氣缸壁沿圓周方向的磨損也不均勻。圖4-1 氣體壓力作用簡圖a-作功沖程受力情況；b-壓縮沖程受力情況 2往復(fù)慣性力和離心力 往復(fù)運動的物體，當(dāng)運動速度變化時，就要產(chǎn)生往復(fù)慣性力。物體繞某一中心作旋轉(zhuǎn)運動時，就會產(chǎn)

6、生離心力。這兩種力在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運動中都是存在的。為了分析方便，將其產(chǎn)生的慣性力簡化為往復(fù)慣性力和離心慣性力。 （1）往復(fù)慣性力 是指活塞組件和連桿小頭在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動所產(chǎn)生的慣性力，用Pj表示。其大小與機(jī)件的質(zhì)量及加速度成正比，其方向總與加速度的方向相反。 活塞在氣缸內(nèi)從上止點向下止點運動時，速度由零開始作加速運動，至接近中部時速度最大，這一段慣性力向上(如圖4-2a)。然后作減速運動，則慣性力變?yōu)橄蛳?圖4-2b)，至下止點時速度減為零?；钊麖南轮裹c向上運動時，前半行程作加速運動，慣性力向下，后半行程作減速運動，慣性力向上。于是可知，活塞上半行程時，慣性力都向上，下半行程時，慣性力都向

7、下。在上下止點處，活塞運動方向改變，速度為零，加速度最大，慣性力也最大；在行程中部附近，活塞運動速度最大，加速度等于零，慣性力也等于零。 由于往復(fù)慣性力與氣缸壓力都可認(rèn)為作用于氣缸中心線上，只是上下方向有時不同，因此，慣性力分解后會引起各傳動機(jī)件受力而使機(jī)件損壞，與氣體壓力大致相似，不再贅述。但慣性力不作用于氣缸蓋上，它在單缸發(fā)動機(jī)內(nèi)部是不平衡的，會引起發(fā)動機(jī)上下振動。多缸發(fā)動機(jī)有可能在各缸之間相互平衡(有的活塞在上半行程，有的活塞在下部行程)，引起發(fā)動機(jī)振動的傾向大為減小。圖4-2 往復(fù)慣性力和離心力作用簡圖a-活塞上半行程；b-活塞下半行程 （2）離心慣性力 是指曲柄、連桿軸頸、連桿大頭等

8、圍繞曲軸軸線作圓周運動產(chǎn)生的離心慣性力，用Pc表示，簡稱離心力。其大小與運動件的質(zhì)量、旋轉(zhuǎn)半徑、角速度的平方成正比，其方向總是背離曲軸中心向外(圖4-2)，它給主軸頸及主軸承以附加力。連桿下端質(zhì)量的離心力還給連桿軸頸和連桿軸承以附加力，而加速了這些部位的磨損。另外，離心力也可引起發(fā)動機(jī)的振動。 由上可知，發(fā)動機(jī)的振動，決不是氣缸內(nèi)燃燒氣體的爆炸壓力引起的，而是未加平衡的往復(fù)慣性力和離心力所致。當(dāng)發(fā)動機(jī)高速運轉(zhuǎn)時，后兩者疊加在一起，可引起發(fā)動機(jī)劇烈地振動。為此發(fā)動機(jī)在結(jié)構(gòu)上采取了各種平衡措施(如附加的平衡軸和平衡重等)，要注意其裝配位置。 3摩擦力 曲柄連桿機(jī)構(gòu)中相互接觸的表面作相對運動時都存在

9、有摩擦力，其大小與正壓力和摩擦系數(shù)成正比，其方向總與相對運動的方向相反。摩擦力的存在是造成配合表面磨損的根源。 為了方便，上述各力是分別分析的，實際上這些力不是單獨存在的，各機(jī)件所受的力是各種力的綜合。 曲柄連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的慣性力和摩擦力都是有害的，現(xiàn)代高速發(fā)動機(jī)盡量減少運動件的質(zhì)量和活塞的行程，以減小慣性力；同時，保證運動件有較高的加工精度和裝配精度，并采取加強(qiáng)潤滑等措施，以減小摩擦力。上述各種力，作用在曲柄連桿機(jī)構(gòu)和機(jī)體的各有關(guān)零件上，使它們受到壓縮、拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等不同形式的載荷，為了保證工作可靠，減小磨損，在結(jié)構(gòu)上必須采取相應(yīng)的措施。第二節(jié) 機(jī)體組機(jī)體組是發(fā)動機(jī)的骨架，也是發(fā)動機(jī)各機(jī)構(gòu)

10、和各系統(tǒng)的安裝基礎(chǔ)，其內(nèi)、外安裝著發(fā)動機(jī)的所有主要零件和附件，承受各種載荷。機(jī)體組主要由氣缸體、曲軸箱、油底殼、氣缸套、氣缸蓋和氣缸墊等組成。一、氣缸體 氣缸體是氣缸的殼體，曲軸箱是支承曲軸作旋轉(zhuǎn)運動的殼體，二者組成了發(fā)動機(jī)的機(jī)體。水冷式發(fā)動機(jī)的氣缸體和曲軸箱常鑄成一體，稱為缸體。氣缸體上半部有若干個為活塞在其中運動導(dǎo)向的圓柱形空腔，稱為氣缸。下半部為支承曲軸的曲軸箱，其內(nèi)腔為曲軸運動的空間。作為發(fā)動機(jī)各個機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)的裝配基體，還要承受高溫高壓氣體作用力，活塞在其中作高速往復(fù)運動，因而要求氣缸體應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度。氣缸內(nèi)壁經(jīng)過精加工，其工作表面的粗糙度、形狀和尺寸精度都比較高，如圖4-3所

11、示。圖4-3 氣缸體總成1、10、13、16-襯墊；2-后端板；3-飛輪；4-螺栓；5-曲軸后油封；6-后油封擋圈；7主軸承；8-主軸承蓋；9-放油塞；11-油底殼；12-機(jī)油集濾器；14-止推墊；15-曲軸；17-正時齒輪罩；18-曲軸前油封；19-螺栓；20-氣缸體根據(jù)其具體結(jié)構(gòu)形式，氣缸體可分為三種：一般式氣缸體、龍門式氣缸體和隧道式氣缸體，如圖4-4所示。發(fā)動機(jī)的曲軸軸線與曲軸箱分開面在同一平面上的為一般式氣缸體，其特點是便于機(jī)械加工，但剛度較差，曲軸前后端的密封性較差，多用于中小型發(fā)動機(jī)，如圖4-4a所示。若發(fā)動機(jī)的曲軸軸線高于曲軸箱分開面的則稱為龍門式氣缸體。其特點是結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度

12、較好，密封簡單可靠，維修方便，但工藝性較差，如圖4-4b所示。隧道式氣缸體的主軸承孔不分開，其特點是其結(jié)構(gòu)剛度比龍門式的更高，主軸承的同軸度易保證，但拆裝比較麻煩，多用于主軸承采用滾動軸承的組合式曲軸，如圖4-4c所示。圖4-4 氣缸體示意圖a-一般式氣缸體；b-龍門式氣缸體；c-隧道式氣缸體1-氣缸體；2-水套；3-凸輪軸孔座；4-加強(qiáng)筋；5-濕缸套；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汽車用多缸發(fā)動機(jī)氣缸的排列型式如圖4-5所示。其中常見的有直列式、V型和對置式三種。圖4-5a所示為直列式，發(fā)動機(jī)的各個氣缸排成一列，一般是垂直布置。直列式氣缸體機(jī)構(gòu)

13、簡單，加工容易，但發(fā)動機(jī)長度和高度較大，一般六缸以下的發(fā)動機(jī)多采用直列式。有些汽車為了降低發(fā)動機(jī)的高度，有時也將氣缸布置成傾斜的。圖4-5b所示為V型，發(fā)動機(jī)氣缸排成兩列，左右兩列氣缸中心線夾角<180°。V型氣缸體與直列式氣缸體相比，縮短了機(jī)體的長度和高度，增加了氣缸體的剛度，減輕了發(fā)動機(jī)的重量，但加大了發(fā)動機(jī)的寬度，且形狀復(fù)雜。多用于六缸以上的發(fā)動機(jī)。目前有V6、V8、V12和V16等機(jī)型。 圖4-5氣缸的排列型式a-直列式；b-V型；c-對置式圖4-5c所示為對置式，發(fā)動機(jī)氣缸排成兩列，左右兩列氣缸中心線的夾角=180°，其高度比其它型式的小，使得汽車(特別是轎

14、車和大型客車)的總布置更為方便。根據(jù)工作條件和結(jié)構(gòu)特點，氣缸體的材料一般采用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵，為提高耐磨性，有時在鑄鐵中加入少量合金元素如鎳、鉬、鉻、磷等，有些氣缸進(jìn)行了表面處理，如表面淬火、鍍鉻、磷化等；有的則可從材料、加工精度和結(jié)構(gòu)等方面來考慮。在有些負(fù)荷比較輕，缸徑又不大的汽油機(jī)中，在氣缸體上直接加工出氣缸內(nèi)壁。鋁合金缸體耐磨性不好，必須在氣缸體內(nèi)鑲?cè)霘飧滋?，形成氣缸工作表面。氣缸套有干式和濕式兩種，如圖4-6所示。干式缸套不直接與冷卻水接觸，如圖4-6a所示。鑲干式缸套，它是在氣缸體上壓入特殊耐磨性好的合金鑄鐵的缸套或合金鋼缸套，壁厚一般為13 mm。濕式氣缸套(圖4-6b)則與冷

15、卻水直接接觸，壁厚一般為59 mm。氣缸套的外表面有兩個保證徑向定位的凸出的圓環(huán)帶A和B，分別稱為上支承定位帶和下支承密封帶。氣缸套的軸向定位是利用上端的凸緣C。為了密封氣體和冷卻水，有的氣缸套凸緣C下面還有紫銅墊片。氣缸套的上支承定位帶直徑略大，與氣缸套座孔配合較緊密。下支承密封帶與座孔配合較松，通常裝有13道橡膠密封圈來封水。常見的密封結(jié)構(gòu)形式有兩種。一種形式是將密封環(huán)槽開在缸套上，將具有一定彈性的橡膠密封圈4裝入環(huán)槽內(nèi)，如圖4-6b所示。另一種形式是將安置密封圈的環(huán)槽開在氣缸體上，這種結(jié)構(gòu)的工藝性較差，故應(yīng)用較少，如圖4-6c所示。氣缸套裝入座孔后，通常氣缸套頂面略高出氣缸體上平面0.0

16、50.15 mm。這樣當(dāng)緊固氣缸蓋螺栓時，可將氣缸蓋襯墊壓得更緊，以保證氣缸的密封性，防止冷卻水和氣缸內(nèi)的高壓氣體竄漏。濕式氣缸套的優(yōu)點是在氣缸體上沒有封閉的水套，鑄造方便，容易拆卸更換，冷卻效果較好。其缺點是氣缸體的剛度差，易出現(xiàn)漏氣漏水。為保證氣缸表面能在高溫下正常工作，必須對氣缸和氣缸蓋及時加以冷卻。冷卻方式有兩種：一種用水來冷卻(水冷)；另一種直接用空氣來冷卻(風(fēng)冷)。汽車發(fā)動機(jī)較多采用水冷發(fā)動機(jī)，用水冷卻時氣缸周圍和氣缸蓋中均有用以充水的空腔，稱為水套。氣缸體和氣缸蓋上的水套是相互連通的。利用水套中的冷卻水流過高溫零件的周圍而將熱量帶走。發(fā)動機(jī)用空氣冷卻時，在氣缸體和氣缸蓋外表面鑄有

17、許多散熱片，以增加散熱面積，保證散熱充分，如圖4-7所示。一般風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的氣缸體與曲軸箱是分開鑄造的。圖4-6 氣缸套a-干式；b、c-濕式1-氣缸套；2-水套；3-氣缸體；4-橡膠密封圈；A-下支承密封帶；B-上支承定位帶；C-缸套凸緣平面圖4-7 風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的氣缸體和氣缸蓋示意圖1-氣缸體；2-氣缸蓋；3-散熱片二、氣缸蓋 1氣缸蓋氣缸蓋用來密封氣缸的上部，與活塞、氣缸等共同構(gòu)成燃燒室。氣缸蓋的燃燒室壁面同氣缸一樣承受燃?xì)馑斐傻臒嶝?fù)荷及機(jī)械負(fù)荷，由于它接觸溫差很大的燃?xì)鈺r間較缸體時間長，因而氣缸蓋承受的熱負(fù)荷更甚于氣缸體。 氣缸蓋的結(jié)構(gòu)隨氣門的布置、冷卻方式以及燃燒室的形狀而異。頂置氣門

18、式氣缸蓋設(shè)有冷卻水套(水冷式發(fā)動機(jī))或散熱片(風(fēng)冷式發(fā)動機(jī))、燃燒室、進(jìn)、排氣道及氣門導(dǎo)管孔和進(jìn)排氣門座等，汽油機(jī)氣缸蓋還設(shè)有火花塞孔，而柴油機(jī)的氣缸蓋設(shè)有安裝噴油器的座孔。上置凸輪軸式發(fā)動機(jī)的氣缸蓋上還有用以安裝凸輪軸的軸承座。圖4-8為氣缸蓋總成分解圖。在多缸發(fā)動機(jī)中，只覆蓋一個氣缸的氣缸蓋，稱為單體氣缸蓋；能覆蓋部分(兩個以上)氣缸的稱為塊狀氣缸蓋；能覆蓋全部氣缸的氣缸蓋則稱為整體氣缸蓋，采用整體氣缸蓋可以縮短氣缸中心距和發(fā)動機(jī)的總長度，其缺點是剛性較差，在受熱和受力后容易變形而影響密封；損壞時須整個更換。整體式氣缸蓋多用于缸徑小于105 mm的汽油發(fā)動機(jī)上。缸徑較大的發(fā)動機(jī)常采用單體氣

19、缸蓋或塊狀氣缸蓋。由于氣缸蓋形狀復(fù)雜，一般都采用灰鑄鐵或合金鑄鐵鑄成，CA6102型發(fā)動機(jī)采用銅鉬低合金鑄鐵鑄造的整體式氣缸蓋。目前，鋁合金鑄造的缸蓋，有取代鑄鐵的趨勢，如桑塔納、捷達(dá)等轎車發(fā)動機(jī)均采用鋁合金材料鑄造而成的整體式氣缸蓋。因鋁的導(dǎo)熱性比鑄鐵好，有利于提高壓縮比，以適應(yīng)高速高負(fù)荷強(qiáng)化汽油機(jī)散熱及提高壓縮比的需要。鋁合金氣缸蓋的缺點是剛度低，使用中容易變形。圖4-8 氣缸蓋總成分解圖1-橡膠密封墊；2-曲軸箱通風(fēng)閥和軟管；3-進(jìn)氣凸輪軸；4-火花塞；5-氣門；6-缸蓋螺栓；7-排氣凸輪軸；8-發(fā)動機(jī)吊鉤；9-機(jī)油壓力傳感器；10-氣缸蓋；11-氣缸墊；12-正時齒形帶罩；13、15-

20、卡簧；14-波形墊圈；16-油封；17-凸輪軸齒形帶輪；18-凸輪軸軸瓦；19-螺栓；20-襯墊；21-氣門室罩；22-加機(jī)油蓋 2燃燒室 汽油機(jī)的燃燒室是由活塞頂部及缸蓋上相應(yīng)的凹部空間組成。對燃燒室有如下基本要求：一是結(jié)構(gòu)盡可能緊湊，充氣效率要高，以減小熱量損失及縮短火焰行程；二是使混合氣在壓縮終了時具有一定渦流運動，以提高混合氣燃燒速度，保證混合氣得到及時和充分燃燒；三是表面要光滑，不易積炭。 汽油機(jī)常用燃燒室形狀有以下幾種，如圖4-9所示： 圖4-9 汽油機(jī)的燃燒室形狀a-楔形燃燒室；b-盆形燃燒室；c-半球形燃燒室 (1)楔形燃燒室(圖4-9a)結(jié)構(gòu)較簡單、緊湊。在壓縮終了時能形成擠

21、氣渦流，因而燃燒速度較快，經(jīng)濟(jì)性和動力性較好。解放CA6102型發(fā)動機(jī)采用楔形燃燒室。 (2)盆形燃燒室(圖4-9b)結(jié)構(gòu)也較簡單、緊湊。捷達(dá)EAll3型發(fā)動機(jī)采用了這種燃燒室。 (3)半球形燃燒室(圖4-9c)結(jié)構(gòu)較前兩種更緊湊。但因進(jìn)排氣門分別置于缸蓋兩側(cè)，故使配氣機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。但由于其散熱面積小，有利于促進(jìn)燃料的完全燃燒和減少排氣中的有害氣體，對排氣凈化有利。轎車發(fā)動機(jī)多采用了這種燃燒室。 三、氣缸墊 氣缸蓋與氣缸體之間置有氣缸蓋襯墊。其功用是填補(bǔ)氣缸體與缸蓋結(jié)合面上的微觀孔隙，保證結(jié)合面處有良好的密封性，進(jìn)而保證燃燒室的密封，防止氣缸漏氣和水套漏水。 隨著內(nèi)燃機(jī)的不斷強(qiáng)化，熱負(fù)荷和機(jī)械

22、負(fù)荷均不斷地增加，氣缸墊的密封性愈來愈重要，其對結(jié)構(gòu)和材料要求是：在高溫高壓和高腐蝕的燃?xì)庾饔脳l件下具有足夠的強(qiáng)度，耐熱；不燒損或變質(zhì)，耐腐蝕；具有一定彈性，能補(bǔ)償接合面的不平度，以保證密封；使用壽命長。 目前應(yīng)用較多的有以下幾種氣缸墊，一種是金屬石棉氣缸墊，如圖4-10a所示。石棉中間夾有金屬絲或金屬屑，且外覆銅皮或鋼皮。水孔和燃燒室周圍另用鑲邊增強(qiáng)，以防被高溫燃?xì)鉄龎模@種氣缸墊壓緊厚度為1.22 mm，有很好的彈性和耐熱性，能重復(fù)使用，但強(qiáng)度較差，厚度和質(zhì)量也不均勻。另一種氣缸墊采用實心金屬片制成，如圖4-10d所示。這種氣缸墊多用在強(qiáng)化發(fā)動機(jī)上，轎車和賽車上較多采用這種氣缸墊。這種氣缸

23、墊由單塊光整冷軋低碳鋼板制成，很多強(qiáng)化的汽車發(fā)動機(jī)采用實心的金屬片作為氣缸蓋襯墊，例如，紅旗轎車發(fā)動機(jī)即采用如圖4-10e所示的鋼板襯墊。這種襯墊在需要密封的氣缸孔和水孔、油孔周圍沖壓出一定高度的凸紋，利用凸紋的彈性變形實現(xiàn)密封。 圖4-10 氣缸蓋襯墊的結(jié)構(gòu)a、b、c、d-金屬-石棉板；e-沖壓鋼板；f-無石棉氣缸墊有的發(fā)動機(jī)采用中心用編織的鋼絲網(wǎng)(圖4-10c)或有孔鋼板(沖有帶毛刺小孔的鋼板)(圖4-10d)為骨架，兩面用石棉及橡膠粘結(jié)劑壓成的氣缸蓋襯墊。近年來，國內(nèi)正在試驗采用膨脹石墨作為襯墊的材料。 有的發(fā)動機(jī)采用了較先進(jìn)的加強(qiáng)型無石棉氣缸墊結(jié)構(gòu)(如圖4-10f)，在氣缸口密封部位采

24、用五層薄鋼板組成，并設(shè)計成正圓形，沒有石棉夾層，從而消除了氣囊的產(chǎn)生，在油孔和水孔處均包有鋼護(hù)圈以提高密封性。CA6102Q發(fā)動機(jī)就采用了這種氣缸墊，安裝氣缸蓋襯墊時，應(yīng)注意安裝方向。一般是襯墊卷邊的一面朝氣缸蓋，光滑面朝氣缸體安裝，也可根據(jù)標(biāo)記或文字要求進(jìn)行安裝，如襯墊上的文字標(biāo)記“TOP”表示朝上，“FRONT”表示朝前。 氣缸蓋用螺栓緊固在氣缸體上，擰緊螺栓時，必須按由中央對稱地向四周擴(kuò)展的順序分幾次進(jìn)行，最后一次要用扭力扳手按工廠規(guī)定的擰緊力矩值擰緊，以免損壞氣缸襯墊和發(fā)生漏水現(xiàn)象。如果氣缸蓋由鋁合金制成，因為鋁制氣缸蓋的膨脹程度比鋼制螺栓的大，最后必須在發(fā)動機(jī)冷態(tài)下擰緊，這樣在熱機(jī)狀

25、態(tài)時能增加密封的可靠性。鑄鐵氣缸蓋則應(yīng)該在發(fā)動機(jī)熱時最后擰緊。 四、氣門室罩 在氣缸蓋上部有起到封閉和密封作用的氣門室罩，如圖4-8所示，氣門室罩結(jié)構(gòu)比較簡單，一般用薄鋼板沖壓(或鑄鋁)而成，上設(shè)有加注機(jī)油用的注油孔。氣門室罩與氣缸蓋之間設(shè)有一密封墊。 五、油底殼油底殼(圖4-11)的主要功用是貯存和冷卻機(jī)油并封閉曲軸箱。在最低處設(shè)有放油螺塞，以便放出潤滑油，有的放油螺塞還帶有磁性，可以吸附潤滑油中的鐵屑，以減小發(fā)動機(jī)的磨損。為了防止汽車振動時油底殼油面產(chǎn)生較大的波動，在油底殼的內(nèi)部設(shè)有穩(wěn)油擋板。 由于油底殼受力很小，一般用薄鋼板沖壓而成，有些鋁合金油底殼還帶有散熱片。曲軸箱與油底殼之間為了防

26、止漏油，其之間裝有軟木襯墊，也有涂密封膠的。圖4-11 油底殼1-襯墊；2-穩(wěn)油擋板；3-放油螺塞六、發(fā)動機(jī)的支承發(fā)動機(jī)一般通過氣缸體和飛輪殼或變速器殼上的支撐來支承在車架或車身上。發(fā)動機(jī)的支承方法般有三點支承和四點支承兩種，如圖4-12所示。三點支承可布置成前二后一或前后二；采用四點支承法時，前后各有兩個支承點。發(fā)動機(jī)在車架上的支承是彈性的，這是為了消除在汽車行駛中車架的扭轉(zhuǎn)變形對發(fā)動機(jī)的影響，以及減少傳給底盤和乘員的振動和噪聲。彈性支承的發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時，特別是在工作不穩(wěn)定(如低轉(zhuǎn)速或超載荷)時，可能發(fā)生橫向角振動，因此與發(fā)動機(jī)相連的各種管子和桿件等結(jié)構(gòu)必須保證在發(fā)動機(jī)振動時不致破壞它的正常工

27、作，如采用軟管。為了防止當(dāng)汽車制動或加速時由于彈性元件的變形而產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)縱向位移，有時裝用專門拉桿。拉桿的一端與車架縱梁相連，另一端與發(fā)動機(jī)連接，兩端連接處有橡膠墊。不少高檔乘用車的支承件為油液減振件。 圖4-12 發(fā)動機(jī)支承示意a-三點和四點支承；b、c、d、f-三點支承；e-二點支承l(wèi)、2、3、4-支承；5-發(fā)動機(jī)；6-離合器殼；7-變速器；8-主減速器；9-分動器第三節(jié) 活塞連桿組活塞連桿組的功用是將活塞的往復(fù)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榍S旋轉(zhuǎn)運動，同時將作用于活塞上的力轉(zhuǎn)變?yōu)榍S對外輸出的轉(zhuǎn)矩，以驅(qū)動汽車車輪轉(zhuǎn)動。它由活塞、活塞環(huán)、活塞銷和連桿等主要機(jī)件組成(圖4-13)。圖4-13 活塞連桿組1-

28、連桿; 2-連桿螺栓；3、4-連桿軸瓦；5-活塞環(huán)；6-活塞環(huán)槽；7-活塞裙部；8-活塞銷；9-卡簧一、活塞活塞的功用是與氣缸蓋氣缸壁等共同組成燃燒室，承受氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿，以推動曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊窃诟邷?、高壓、高速、潤滑不良和散熱困難的條件下工作的，其工作條件如下：由于活塞頂部直接與高溫燃?xì)饨佑|，燃?xì)獾淖罡邷囟瓤蛇_(dá)2 500 K以上。因此，活塞的溫度也很高，其頂部的溫度通常高達(dá)600700K。高溫一方面使活塞材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，另一方面會使活塞的熱膨脹量增大，容易破壞活塞與其相關(guān)零件的配合?；钊敳吭谧鞴π谐虝r，承受著帶有沖擊性的高壓氣體沖擊力。對于汽油機(jī)活塞，瞬時的壓

29、力最大值可達(dá)5MPa。對于柴油機(jī)活塞，其最大值可達(dá)9MPa。增壓發(fā)動機(jī)的最高燃燒壓力可達(dá)1416 MPa，這樣大的機(jī)械負(fù)荷突然作用到活塞頂上，高速時每秒鐘要發(fā)生2040次，導(dǎo)致活塞的側(cè)壓力大，加速活塞外表面的磨損，也容易引起活塞的變形?；钊跉飧變?nèi)做高速運動，一般汽車用汽油機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 rmin6 000rmin，活塞的平均速度為8ms12 ms，其瞬間速度會更高。由受力分析可知，活塞運動速度的大小和方向在不斷地變化，故可引起大的慣性力，它將使曲柄連桿機(jī)構(gòu)的各零件和軸承承受附加載荷。 由于活塞直接與高溫燃?xì)饨佑|，同時還受周期性變化的氣體壓力和慣性力的作用，要求活塞應(yīng)具有：要有足夠的強(qiáng)度和

30、剛度；質(zhì)量要盡量小，以保持最小的慣性力；導(dǎo)熱性要好，有充分的散熱能力；要有足夠的耐熱性；活塞與氣缸壁間應(yīng)有較小的摩擦系數(shù)；溫度變化時，尺寸和形狀變化要??；和氣缸壁間要保持最小的間隙。 汽車發(fā)動機(jī)目前廣泛采用的活塞材料是鋁合金。鋁合金活塞具有質(zhì)量小(約為同樣結(jié)構(gòu)的鑄鐵活塞的5070)，導(dǎo)熱性好(約為鑄鐵的三倍)的優(yōu)點。因此鋁合金活塞工作溫度低，溫度分布均勻，對減小熱應(yīng)力、改善工作條件和延緩機(jī)油變質(zhì)都十分有利。鋁合金的缺點是熱膨脹系數(shù)大，另外當(dāng)溫度升高時，其機(jī)械強(qiáng)度和硬度下降較快。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整材料配方等措施可以彌補(bǔ)這些缺陷。目前鋁合金活塞多用含硅12左右的共晶鋁硅合金和含硅1823的過共晶鋁

31、硅合金制造，外加鎳和銅，以提高熱穩(wěn)定性和高溫機(jī)械性能。在鋁合金中增加硅的含量，可以提高活塞表面的耐磨性。鋁合金活塞毛坯可用金屬型鑄造、鍛造和液態(tài)模鍛等方法制造。用后一種方法制得的毛坯組織細(xì)密，無鑄造缺陷，可以實現(xiàn)少切削或無切削加工，使金屬利用率大為提高。缺點是熱膨脹系數(shù)較大，在溫度升高時，強(qiáng)度和硬度下降較快。為了克服這些缺點，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、機(jī)械加工或熱處理上采取各種措施加以彌補(bǔ)。 近年來柴油機(jī)活塞有采用灰鑄鐵材料，以發(fā)揮鑄鐵的優(yōu)勢(成本低、耐熱性好，且膨脹系數(shù)小，能減少裝配間隙)。新設(shè)計的灰鑄鐵活塞的質(zhì)量比鋁合金的還輕，它完全跳出了一般活塞的結(jié)構(gòu)型式(如薄頂、楔形單銷座，只在側(cè)壓力的方向保留裙部

32、，再加上噴機(jī)油冷卻等)?；钊幕緲?gòu)造可分為頂部、環(huán)槽部、裙部和活塞銷座四部分(圖4-14)，其中頂部和環(huán)槽部也統(tǒng)稱頭部。圖4-14 活塞 1-頂部；2-環(huán)槽部；3-裙部；4-環(huán)岸；5-環(huán)槽；6-銷座；7-加強(qiáng)筋；8-卡環(huán)槽；9-泄油孔及泄油槽 1活塞頂部 活塞頂部是燃燒室的組成部分，用來承受氣體壓力。為了提高剛度和強(qiáng)度，并加強(qiáng)散熱能力，背面多有加強(qiáng)筋。根據(jù)不同的目的和要求，活塞頂部制成各種不同的形狀，汽油機(jī)活塞頂部的幾種常見形狀如圖4-15所示。平頂活塞結(jié)構(gòu)簡單，且受熱面積小溫度低，在汽油機(jī)上被廣泛采用；凸頂活塞是為了組成半球形燃燒室和增強(qiáng)擠氣渦流；凹頂活塞主要是高壓縮比發(fā)動機(jī)為了防止碰氣門

33、，也可用凹坑的深度來調(diào)整發(fā)動機(jī)壓縮比。有些發(fā)動機(jī)在活塞頂上設(shè)置形狀不規(guī)則的淺碗形凹坑，是為了與氣缸蓋上的凹坑組成結(jié)構(gòu)緊湊的多球形燃燒室。圖4-15 活塞頂部形狀a-平頂；b-凹頂；c-凸頂柴油機(jī)活塞頂部形狀和燃燒室，將在第七章柴油機(jī)燃料供給系中敘述。 2環(huán)槽部 活塞的環(huán)槽部切有若干環(huán)槽，用以安裝活塞環(huán)，它是活塞的防漏部分，兩環(huán)槽之間稱為環(huán)岸。 環(huán)槽的形狀與活塞環(huán)斷面形狀相適應(yīng)，通常為矩形或梯形?？宽敳康沫h(huán)槽裝壓縮環(huán)(氣環(huán))，一般為23道，下面的環(huán)槽裝油環(huán)，一般為12道，油環(huán)槽的槽底圓周上制有若干貫通的泄油孔或泄油槽，以便油環(huán)從缸壁上刮下的多余潤滑油經(jīng)此流回油底殼。第一道環(huán)槽工作條件最惡劣，一般

34、應(yīng)離頂部較遠(yuǎn)些。 為了減少摩擦損失，在競賽汽車發(fā)動機(jī)的活塞上只安裝一道氣環(huán)和一道油環(huán)?；钊敳课盏臒崃坑?0%80%是經(jīng)過環(huán)槽部通過活塞環(huán)傳給氣缸壁，再由冷卻水傳出去。 活塞環(huán)槽的磨損是影響活塞使用壽命的重要因素。在強(qiáng)化程度較高的發(fā)動機(jī)中，第一道環(huán)槽溫度較高，磨損嚴(yán)重。為了增強(qiáng)環(huán)槽的耐磨性，通常在第一環(huán)槽或第一、二環(huán)槽處鑲嵌耐熱護(hù)圈。3裙部 活塞的裙部指從油環(huán)下端面起至活塞最下端的部分。裙部的形狀應(yīng)該保證活塞在氣缸內(nèi)得到良好的導(dǎo)向，氣缸與活塞之間在任何工況下都應(yīng)保持均勻的、適宜的間隙。此外，裙部應(yīng)有足夠的實際承壓面積，以承受側(cè)向力。因而裙部要有一定的長度，以保證可靠的導(dǎo)向；又要有足夠的面積，

35、以防止活塞對氣缸壁的單位面積壓力過大，破壞潤滑油膜、加大磨損。裙部的基本形狀為一薄壁圓筒，完整的稱為全裙式(圖4-14)。高速發(fā)動機(jī)趨于大缸徑短行程，并降低發(fā)動機(jī)的高度，為了避免活塞與曲軸平衡重塊相碰，有時也為了減少質(zhì)量，在保證有足夠承壓面積的情況下，在活塞不受作用力的兩側(cè)，即沿銷座孔軸線方向的裙部去掉一部分，形成拖板式裙部(圖4-16)，拖板式裙部彈性較大，可以減小活塞與氣缸壁間的裝配間隙。 4活塞銷座 活塞銷座是活塞通過活塞銷與連桿的連接部分，位于活塞裙部的上部，為厚壁圓筒結(jié)構(gòu)，用以安裝活塞銷?；钊惺艿臍怏w壓力、慣性力都是通過銷座傳給活塞銷的。為了限制活塞銷的軸向竄動，大部分活塞在銷座

36、孔內(nèi)接近外端面處車有卡環(huán)槽。用以裝卡環(huán)，兩卡環(huán)之間的距離大于活塞銷的長度，使卡環(huán)與活塞銷端面之間留有足夠的間隙，以防冷卻過程中活塞的收縮大于活塞銷的收縮而將卡環(huán)頂出。 銷座孔有很高的加工精度，并且與活塞銷分組選配，以達(dá)到更高精度的配合，銷座孔的尺寸分組通常用色漆標(biāo)于銷座下方的外表面。 為了銷座孔的潤滑，有些銷座上鉆有收集潤滑油的小孔。圖4-16 拖板式活塞 為了保證活塞的正常工作，活塞各部與氣缸壁之間必須保持一定的間隙，其中起導(dǎo)向作用的裙部與氣缸之間的間隙尤為重要，若間隙過小，將因活塞膨脹而出現(xiàn)拉缸、卡死等故障；間隙過大，又將出現(xiàn)敲缸、竄氣、上機(jī)油等故障。 活塞工作時的變形主要原因是熱膨脹，其

37、次是側(cè)壓力，另外，氣體壓力也會引起活塞頂部彎曲變形。在氣體壓力和側(cè)壓力的作用下，其裙部直徑在活塞銷軸線方向上增大；而熱變形是指活塞銷座處金屬堆積，并在受熱后膨脹致使裙部直徑在活塞銷軸線方向增加。這兩種變形的最后結(jié)果就是使活塞裙部橫斷面變成長軸在活塞銷軸線方向上的橢圓，如圖4-17所示。 為了使活塞在正常溫度下與氣缸壁間保持有比較均勻的間隙，以免在氣缸內(nèi)卡死或引起局部磨損，必須預(yù)先在冷態(tài)下把活塞加工成其裙部斷面為長軸垂直于活塞銷方向的橢圓形。為了減少銷座附近處的熱變形量，有的活塞將銷座附近的裙部外表面制成下陷0.51.0mm。圖4-17 活塞裙部的變形a-熱變形；b-側(cè)壓力變形圖4-18 橢圓活

38、塞示意圖 由于活塞沿軸線方向溫度分布和質(zhì)量分布都不均勻。因此各個斷面的熱膨脹量是上大下小，鋁合金活塞的這種差異尤其顯著。為了使鋁合金活塞在工作狀態(tài)(熱態(tài))下接近一個圓柱形，有的活塞將其頭部的直徑制成上小下大的截錐形或階梯形(圖4-18)，或?qū)⒒钊共恐瞥缮闲∠麓蟮慕劐F形。有的活塞為了更好地適應(yīng)其熱變形，把活塞裙部制成變橢圓，即在裙部的不同部位其橢圓度不同，橢圓度由下而上逐漸增大，即裙部橫截面越往上越扁，如解放CA6102型發(fā)動機(jī)的活塞裙部就是這種結(jié)構(gòu)。在高速發(fā)動機(jī)上還采用腰鼓形裙部，這種形狀不僅適應(yīng)活塞的溫度分布，而且在活塞上下運動時易形成“油楔”能保證裙部有良好的潤滑條件及較高的承載能力。

39、為了限制活塞裙部的膨脹量，目前在汽車上廣泛采用雙金屬活塞。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和作用原理不同，雙金屬活塞可分為筒形鋼片式、恒范鋼片式等。鑄鋁活塞的裙部有的鑲鑄圓筒式鋼片，如圖4-19所示。這是在澆鑄時，將鋼筒夾在鋁合金中，由于鋁合金的膨脹系數(shù)大于鋼，冷卻后位于鋼筒外的鋁合金就緊壓在鋼筒上，使外層鋁合金的收縮量受到鋼筒的阻礙而減小，同時產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力(鋁合金為拉應(yīng)力，鋼筒為壓應(yīng)力)。鋼筒內(nèi)側(cè)鋁合金層由于與鋼筒沒有金屬結(jié)合，就無阻礙地向里收縮，在二者之間形成一道“收縮縫隙”。當(dāng)溫度升高時，內(nèi)層合金的膨脹先要清除“收縮縫隙”，而后推動鋼筒外脹，外層合金與鋼筒的膨脹則首先要消除預(yù)應(yīng)力，從而減小了活塞的膨脹量。圖4-

40、19 鑲筒形鋼片的活塞示意圖a-活塞裙部鑲筒形鋼片；b-筒形鋼片的形狀 在活塞銷座中鑲鑄恒范鋼片的活塞，恒范鋼是含鎳3336的合金鋼，其線膨脹系數(shù)僅為鋁合金的110左右，以“恒范鋼片”來牽制活塞裙部的熱膨脹。圖4-20所示為鑲鑄恒范鋼片的活塞的結(jié)構(gòu)。另外，有些發(fā)動機(jī)還采用溫控結(jié)構(gòu)，以降低活塞的溫度，減少膨脹量。如通過連桿中心油道或在潤滑油道處設(shè)專用噴嘴對活塞頂部背面噴油冷卻。 采取了上述結(jié)構(gòu)措施以后，活塞裙部與氣缸壁之間的冷態(tài)裝配間隙便可減小，使發(fā)動機(jī)不產(chǎn)生冷“敲缸”現(xiàn)象。對于新裝配的活塞裙部和氣缸表面，為了改善其磨合性，通常都對活塞裙部進(jìn)行表面處理。汽油機(jī)鑄鋁活塞的裙部外表面鍍錫；柴油機(jī)鑄鋁

41、活塞的裙部外表面磷化；對于鍛鋁活塞，在裙部的外表面上可涂以石墨。圖4-20 恒范鋼片活塞 活塞裙部的銷孔是用以安裝活塞銷的，位于活塞裙部的上部，為厚壁圓筒結(jié)構(gòu)，用以安裝活塞銷。故活塞銷座的作用是將活塞頂部氣體作用力經(jīng)活塞銷傳給連桿。銷座通常有筋片與活塞內(nèi)壁相連，以提高其剛度。銷座孔內(nèi)接近外端面處車有安放彈性卡環(huán)的卡環(huán)槽，卡環(huán)用來防止活塞銷在工作中發(fā)生軸向竄動。加工時，銷座孔要求有很高的精度，并與活塞銷進(jìn)行分組選配，以達(dá)到高精度的配合，銷座孔的尺寸分組通常用色漆標(biāo)于銷座孔下方的外表面。一般發(fā)動機(jī)活塞的銷座軸線與活塞的中心線垂直相交，當(dāng)活塞在上止點改變運動方向時，由于側(cè)壓力瞬間換向，使活塞與缸壁的

42、接觸面突然由一側(cè)平移至另一側(cè)(圖4-21a)，便產(chǎn)生活塞對氣缸壁的“拍擊”(俗稱敲缸)，增加了發(fā)動機(jī)的噪聲。因此，高速發(fā)動機(jī)，將活塞銷座朝向承受膨脹作功側(cè)壓力的一面（圖中左側(cè)）偏移12mm(圖4-21b中e)。這樣，在接近上止點時，作用在活塞銷座軸線以右的氣體壓力大于左邊，使活塞傾斜，裙部下端提前換向。然后在活塞越過上止點側(cè)壓力反向時，活塞以左下端接觸處為支點，頂部向左轉(zhuǎn)(不是平移)，完成換向?？梢娖娩N座使活塞換向延長了時間且分為兩步，第一步是在氣體壓力較小時進(jìn)行，且裙部彈性好，有緩沖作用；第二步雖氣體壓力大，但它是個漸變過程。為此，兩步過渡使換向沖擊力大為減弱。過渡應(yīng)早于最高壓力形成時刻，

43、過早的點火會引起敲缸?？梢?，正確的點火提前角是平穩(wěn)過渡的保證。圖4-21 銷座的位置與活塞的換向過程a-銷座對中布置；b-銷座偏置 由于某些活塞頂部形狀不對稱、氣門坑或偏置銷座等原因，使活塞安裝時有一定的方向，為了防止裝錯，這種活塞頂面上一般都有方向標(biāo)記，安裝時加以注意。 為了保證發(fā)動機(jī)的工作平穩(wěn)，一臺發(fā)動機(jī)一組活塞的尺寸和重量偏差都用分組選配的方法控制在一定范圍內(nèi)?；钊斆娉蟹较驑?biāo)記外，還有尺寸分組和重量分組標(biāo)記，以及加大尺寸的數(shù)字和缸號數(shù)碼。二、活塞環(huán) 按照功用，活塞環(huán)可分為氣環(huán)和油環(huán)兩類（圖4-13之5，圖4-22）。圖4-22 活塞環(huán)a-氣環(huán)；b-油環(huán)d-環(huán)徑；t-環(huán)厚；h-環(huán)高(或

44、環(huán)寬)；s-環(huán)面；f-環(huán)側(cè)；-槽；-回油孔氣環(huán)也叫壓縮環(huán)(圖4-22a)，用來密封活塞與氣缸壁的間隙，防止氣缸內(nèi)的氣體竄入油底殼，以及將活塞頭部的熱量傳給氣缸壁，再由冷卻水或空氣帶走。如果密封不良，不但發(fā)動機(jī)起動困難、功率下降，燃油和機(jī)油的消耗量增加，機(jī)油老化變質(zhì)，而且還由于活塞環(huán)外圓與氣缸壁貼合不嚴(yán)密，活塞頂部接受的熱傳不出去，而導(dǎo)致活塞及活塞環(huán)溫度升高，甚至被燒壞。另外還起到刮油、布油的輔助作用。一般發(fā)動機(jī)的每個活塞裝有23道氣環(huán)。 油環(huán)(圖4-22b)，用來刮走氣缸壁上多余的機(jī)油，并在氣缸壁上涂一層均勻的機(jī)油膜，這樣可以防止機(jī)油竄入燃燒室燃燒，又可以減小活塞、活塞環(huán)與氣缸的磨損和摩擦阻力

45、。此外，油環(huán)也起到密封的輔助作用。通常發(fā)動機(jī)有12道油環(huán)。 近年來隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，活塞環(huán)的數(shù)目日趨減少，多為兩道氣環(huán)一道油環(huán)。這樣不僅減少了摩擦損失，還縮短了活塞高度，進(jìn)而降低了發(fā)動機(jī)高度。 活塞環(huán)是在高溫、高壓、高速和潤滑困難的條件下工作的，它的運動情況很復(fù)雜，不僅與缸壁間有相對高速的滑動摩擦，還與環(huán)槽側(cè)面的上下撞擊，以及由于環(huán)的徑向脹縮而產(chǎn)生的與環(huán)槽側(cè)面相對的摩擦，因此，活塞環(huán)的磨損是發(fā)動機(jī)中磨損最快的零件之一。另外，高溫?zé)嶝?fù)荷不僅使環(huán)的耐磨性能下降，而且能使環(huán)的彈性下降。尤其是第一道氣環(huán)的工作條件最為惡劣，因而其彈力下降和磨損速度最快。根據(jù)活塞環(huán)的功用和工作條件，要求環(huán)的材料應(yīng)具有好

46、的耐磨性、導(dǎo)熱性、耐熱性、磨合性、沖擊韌性和足夠的彈性等。一般活塞環(huán)多用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵，球墨鑄鐵或合金鑄鐵制造，這是因為它們能夠基本滿足上述要求，且含有固體潤滑劑石墨，可改善其潤滑條件。也有一些發(fā)動機(jī)的組合油環(huán)采用彈簧鋼片制作。 不少發(fā)動機(jī)的第一道活塞環(huán)，甚至所有的環(huán)，其外表面進(jìn)行多孔鍍鉻或噴鉬，以減緩活塞環(huán)和氣缸的磨損。這是因為多孔鍍鉻硬度高且能貯存少量潤滑油；鉬熔點高，且也具有多孔性、能存油，所以抗拉毛能力強(qiáng)。 因為活塞環(huán)槽側(cè)面的磨損往往是活塞早期損壞的主要原因，新的趨向是對活塞環(huán)三面鍍鉻，這樣使氣缸、活塞，特別是活塞環(huán)的壽命大為提高。除第一道環(huán)外，其他活塞環(huán)大都采用鍍錫、磷化或硫化處理，以改

47、善其磨合性能。發(fā)動機(jī)工作時，活塞、活塞環(huán)等都會發(fā)生熱膨脹?；钊h(huán)既要相對于氣缸上下運動，活塞又要相對于活塞環(huán)相對橫向移動，因此活塞在安裝時應(yīng)留有端隙、側(cè)隙、背隙三處間隙(圖4-23)，以防止脹死于槽內(nèi)，卡死于缸內(nèi)，以保證其密封性能。 端隙1又稱為開口間隙，是活塞環(huán)裝入氣缸后開口處的間隙。多在0.25mm0.50mm之間，此數(shù)值隨缸徑增大而增大，柴油機(jī)略大于汽油機(jī)，第一道氣環(huán)略大于第二、三道環(huán)。為了減小氣體的泄漏，裝環(huán)時，各道環(huán)口應(yīng)互相錯開，如有三道活塞環(huán)，各環(huán)應(yīng)沿圓周成120°夾角互相錯開；如有四道活塞環(huán)，第一、二道互錯180°，第二、三道互錯90°，第三、四道互

48、錯180°，從而獲得較長的迷宮式漏氣路線，增加漏氣阻力，減小漏氣量。 側(cè)隙2又稱邊隙，是環(huán)高方向上與環(huán)槽之間的間隙。第一道環(huán)因工作溫度高，一般為0.04 mm0.10mm；其它氣環(huán)一般為003mm007mm。油環(huán)的側(cè)隙較小，一般為0025mm0.07mm。背隙3是活塞及活塞環(huán)裝入氣缸后，活塞環(huán)背面與環(huán)槽底部間的間隙，一般為0.50mm1 mm，油環(huán)的背隙較氣環(huán)大，目的是增大存油間隙，以利于減壓泄油。為了測量方便，維修中以環(huán)的厚度與環(huán)槽的深度差來表示背隙，此值比實際背隙要小。圖4-23 活塞環(huán)的間隙1-氣缸；2-活塞環(huán)；3-活塞；l-開口間隙；2-側(cè)隙；3-背隙 1氣環(huán)氣環(huán)的密封原理

49、氣環(huán)可能有三條漏氣的通道：環(huán)面與氣缸壁間；環(huán)與環(huán)槽的側(cè)面間；開口端隙處。前兩處是能夠密封的，其密封原理如圖4-24所示。 (1)第一密封面的建立 活塞環(huán)在自由狀態(tài)下，其外圓直徑略大于缸徑，所以裝入氣缸后，環(huán)就產(chǎn)生一定的彈力，與缸壁壓緊，形成了第一密封面。 (2)第二密封面的建立 由于活塞頭部與缸壁間有間隙，活塞環(huán)還有側(cè)隙和背隙，氣缸內(nèi)未被密封的氣體不能通過第一密封面下竄，便竄入側(cè)隙和背隙。由于側(cè)隙的阻力及背隙內(nèi)空腔較大，氣體壓力降為P1和P2(背壓力)。另外，如前所述，活塞環(huán)在運動時產(chǎn)生慣性力Pj，并與缸壁間產(chǎn)生摩擦力F。因而環(huán)與環(huán)槽側(cè)面密封的壓緊力是Pl、Pj和F三個沿氣缸軸線方向力的代數(shù)和

50、。作功與壓縮行程，對密封的要求高，此時氣體壓力一般起主導(dǎo)作用，使活塞環(huán)緊推壓在環(huán)槽的下側(cè)，形成第二密封面。一般情況下，排氣行程第二密封面也在環(huán)的下側(cè)，而進(jìn)氣行程在環(huán)槽的上側(cè)，另外，在某臨界轉(zhuǎn)速和一定的工作狀態(tài)下，三個力可能互相平衡，即合力為零，環(huán)即暫時在槽內(nèi)浮動而跳上跳下，并可引起環(huán)的徑向振動，使一個或兩個密封面都失去密封作用，漏氣量大增，此即為環(huán)的顫振。如果通過端隙的氣流大于環(huán)和缸壁的摩擦力時，環(huán)會轉(zhuǎn)動而對口漏氣。可見環(huán)在氣缸中有三種運動狀態(tài)，即跳動浮起、徑向顫振、旋轉(zhuǎn)對口，使其密封性能惡化。(3）氣環(huán)的第二次密封 竄入活塞環(huán)背隙和側(cè)隙的氣體，產(chǎn)生背壓力P2和側(cè)壓力，使環(huán)對缸壁和環(huán)槽進(jìn)一步壓

51、緊，顯著加強(qiáng)了第一、二密封面的密封。此即為氣環(huán)的第二次密封。作功行程時，環(huán)的背壓力遠(yuǎn)大于環(huán)的彈力，所以此時第一密封面的密封，主要是靠第二次密封。但是，如果環(huán)的彈力不好或接觸面貼合不良，而在環(huán)面和缸壁間出現(xiàn)了縫隙，此縫隙就要首先漏竄氣體，且其單位壓力大于單位背壓力，就將削弱或形不成第二密封面。因此，靠活塞環(huán)彈力產(chǎn)生的密封，是第一密封面第二次密封的前提。圖4-24 氣環(huán)的密封原理(作功的前半行程)1-第一密封面；2-第二密封面；PA-第一密封面的壓緊力；PB-第二密封面的壓緊力，P-氣缸內(nèi)氣體壓力；P1-環(huán)側(cè)氣體壓力；P2-背壓力；P0-環(huán)的彈力，Pj-環(huán)的慣性力，F(xiàn)-環(huán)與缸壁的摩擦力不難看出，兩

52、個密封面密封都必須在其密封面有良好貼合的情況下才能實現(xiàn)。因此，環(huán)與環(huán)槽側(cè)面都必須加工平整，并且粗糙度應(yīng)較低。然而對于環(huán)面來說，新環(huán)形狀復(fù)雜，難以與缸壁相適應(yīng)，因而環(huán)面一般車有細(xì)微紋路，以及鍍錫等表面處理，以加速磨合。有了兩個密封面的密封，理論上只有開口處是唯一的漏氣通道。由于開口很小，并且相互按一定位置錯開，形成迷宮式封氣路線，氣體通過各道環(huán)口以后，壓力顯著下降(圖4-25)，其漏氣量在高速發(fā)動機(jī)上是很微小的，一般僅為進(jìn)氣量的0.21.0。這也是往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)至今有巨大生命力的原因之一。 圖4-25 環(huán)槽中氣體壓力的下降 2活塞環(huán)的泵油作用及危害 由于側(cè)隙和背隙的存在，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，活塞環(huán)

53、便產(chǎn)生了泵油作用(圖4-26)。環(huán)在氣壓力、慣性力、摩擦力的作用下，反復(fù)地靠在環(huán)的上、下沿，其過程是：當(dāng)活塞帶著活塞環(huán)下行(進(jìn)氣行程)時，環(huán)靠在環(huán)槽的上方，環(huán)從缸壁上刮下來的潤滑油充入環(huán)槽下方(圖4-26a)；當(dāng)活塞又帶動活塞環(huán)上行(壓縮行程)時，環(huán)又靠在環(huán)槽的下方，同時將油擠壓到環(huán)槽的上方(圖4-26b)，如此反復(fù)運動，就將潤滑油泵到活塞頂?；钊h(huán)的泵油作用，一方面對潤滑困難的氣缸壁是有利的，另一方面隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的日益提高，泵油作用加劇，不僅增加了潤滑油的消耗，而且可能使火花塞因沾油而不能產(chǎn)生電火花，并使燃燒室內(nèi)積炭增多，甚至環(huán)槽內(nèi)形成積炭，擠壓活塞環(huán)而失去密封性。另外還加劇了氣缸等件的磨損

54、。為此，多在結(jié)構(gòu)上采取如下措施：即盡量減小環(huán)的質(zhì)量，氣環(huán)采取特殊斷面形狀，油環(huán)下設(shè)減壓腔，氣環(huán)下面的油環(huán)加襯簧或用組合式油環(huán)等方法。圖4-26 活塞環(huán)的泵油作用a-活塞下行；b-活塞上行3氣環(huán)的斷面形狀 氣環(huán)的斷面形狀有多種，如圖4-27所示。矩形環(huán)斷面（圖4-27a）結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、散熱性好。但磨合性能差，有泵油作用，使機(jī)油的消耗量增加，活塞頂及燃燒室壁面積炭。 圖4-27氣環(huán)的斷面形狀a-矩形環(huán)；b-錐面環(huán)；c、d -上側(cè)面內(nèi)切正扭曲環(huán)；e-下側(cè)面外切正扭曲環(huán)；f-下側(cè)面內(nèi)切反扭曲環(huán)；g-梯形環(huán)；h-楔形環(huán)；i-桶面環(huán)；j-開槽環(huán)；k、l-頂岸環(huán)錐面環(huán)(圖4-27b)可以改善環(huán)的磨合，

55、這種環(huán)在氣缸內(nèi)向下滑動時刮油，向上滑動時由于斜面的油楔作用，環(huán)可在油膜上浮起，減少磨損。錐面環(huán)傳熱性能差，所以不用作第一道環(huán)。由于錐角很小，一般不易識別，為避免裝錯，在環(huán)的上側(cè)面標(biāo)有向上的記號。 梯形環(huán)(圖4-27g)的主要作用是使得當(dāng)活塞受側(cè)壓力的作用而改變位置時，環(huán)的側(cè)隙相應(yīng)發(fā)生變化，使沉積在環(huán)槽中的結(jié)焦被擠出，避免了環(huán)被粘在環(huán)槽中而引起折斷。在作功行程中，作用在梯形環(huán)上的燃?xì)庾饔昧Φ膹较蚍至?，加?qiáng)了環(huán)的密封作用。因此，梯形環(huán)即使在彈力喪失一些的情況下，仍能與氣缸貼合良好，延長了環(huán)的使用壽命。它的主要缺點是上、下兩面的精磨工藝比較復(fù)雜。這種環(huán)常用于熱負(fù)荷較高的柴油機(jī)的第一環(huán)。楔形環(huán)(圖4-

56、27h)的工作特點與梯形環(huán)相似，而且由于斷面不對稱，裝入氣缸后也會發(fā)生扭曲。桶面環(huán)(圖4-27i)是近年來興起的一種新型結(jié)構(gòu)，目前已普遍地在強(qiáng)化柴油機(jī)中用作第一環(huán)。其特點是活塞環(huán)的外圓面為凸圓弧形。當(dāng)桶面環(huán)上下運動時，均能與氣缸壁形成楔形空間，使機(jī)油容易進(jìn)入摩擦面，從而使磨損大為減少。桶面環(huán)與氣缸是圓弧接觸，故對氣缸表面的適應(yīng)性和對活塞偏擺的適應(yīng)性均較好，有利于密封。它的缺點是凸圓弧表面加工較困難。開槽環(huán)(圖4-27j)，在外圓面上加工出環(huán)形槽，在槽內(nèi)填充能吸附機(jī)油的多孔性氧化鐵，有利于潤滑、磨合和密封。頂岸環(huán)(圖4-27k、l)，斷面為“L”形。因為頂岸環(huán)距活塞頂面近，作功行程時，燃?xì)鈮毫δ?/p>

57、迅速作用于環(huán)的上側(cè)面和內(nèi)圓面，使環(huán)的下側(cè)面與環(huán)槽的下側(cè)面、外圓面與氣缸壁面貼緊，有利于密封；由于同樣的原因，頂岸環(huán)可以減少汽車尾氣HC的排放量。扭曲環(huán)是在矩形的內(nèi)圓上邊緣或外圓下邊緣切去一部分。若將內(nèi)圓面的上邊緣或外圓面的下邊緣切掉一部分，稱為正扭曲環(huán)(圖4-27c、d、e)；若將內(nèi)圓面的下邊緣切掉一部分，稱其為反扭曲環(huán)(圖4-27f)。將這種環(huán)隨同活塞裝入氣缸時，由于環(huán)的彈性內(nèi)力不對稱作用產(chǎn)生明顯的斷面傾斜，其作用原理如圖4-28所示?；钊h(huán)裝入氣缸后，其外側(cè)拉伸應(yīng)力的合力F1，內(nèi)側(cè)壓縮應(yīng)力的合力F2有一力臂e，于是產(chǎn)生了扭曲力矩M。它使環(huán)外圓周扭曲成上小下大的錐形，從而使環(huán)的邊緣與環(huán)槽的上下端面接觸，提高了表面接觸應(yīng)力，防止了活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)上下竄動而造成的泵油作用，同時增加了密封性。扭曲環(huán)還易于磨合，并有向下刮油的作用。扭曲環(huán)目前在發(fā)動機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用。它在安裝時，