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第二节
曲柄连杆机构
——实现能量的转换与输出

曲柄连杆机构为燃料的燃烧提供场所,将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动,然后由飞轮向外输出动力。

1 曲柄连杆机构是能量转换的核心

曲柄连杆机构是发动机实现能量转换的核心部分,它将燃料燃烧的热能转变为曲轴旋转的机械能。曲柄连杆机构由机体组、活塞连杆组、曲轴飞轮组等部分组成。

2 机体组构成发动机的外壳

机体组是发动机曲柄连杆机构的第一个组成部分,机体组构成了发动机的外壳,在发动机工作时,机体组属于静止机件。

如图2-14所示,机体组主要由气缸盖、气缸垫、气缸体、油底壳等部分组成。

图2-14 机体组

1——油底壳

(1)气缸盖 气缸盖位于发动机的上部,用于安装进气门、排气门。汽油机的气缸盖安装有火花塞,柴油机的气缸盖安装有喷油器。气缸盖下部的凹坑是燃烧室,燃烧室是气体燃烧的场所。

(2)气缸垫 气缸垫位于气缸盖下平面与气缸体上平面之间,是防止两平面之间的漏气、漏水、漏油(机油)的密封件。

(3)气缸体 气缸体是发动机的装配基础,其上部较大的圆孔为气缸,下部有曲轴轴承座孔。

(4)油底壳 油底壳位于发动机下部,用于储存一定数量的机油。油底壳内有稳油挡板,可防止汽车行驶中机油的震荡,油底壳下部设有放油螺栓,以便放出油底壳内的机油。

3 气缸排列争奇斗艳

气缸体是发动机上最大的机件,也是发动机的装配基础。气缸体的上部有气缸,下部用于安装曲轴。气缸体安装曲轴的部位称为曲轴箱,假如把曲轴箱看作是花篮,气缸则是花篮中长出的花朵。

① 如图2-15所示,L型发动机,又称直列立式发动机,具有结构简单的特点。

图2-15 L型发动机

1——气缸;2——气缸体;3——曲轴

② 如图2-16所示,V型发动机,气缸分为两组排列,可以缩短发动机的长度,降低发动机的高度。两组气缸的夹角,V6发动机多为60°,V8发动机多为90°。

图2-16 V型发动机

1——气缸体;2——气缸;3——曲轴

③ 如图2-17所示,VR型发动机,气缸在两个平面交错排列,夹角一般为15°,结构紧凑,有利于减轻发动机的重量。

图2-17 VR型发动机

1——气缸;2——气缸体;3——曲轴

④ 如图2-18所示,H型发动机,又称对置式发动机,与VR型发动机相比,两列气缸夹角为180°,可以最大限度地降低发动机的高度。

图2-18 H型发动机

1——气缸体;2——气缸;3——曲轴

⑤ 如图2-19所示,W型发动机,它是两个VR型发动机的组合。

图2-19 W型发动机

1——气缸;2——气缸体;3——曲轴

4 有拆装顺序和拧紧力的螺栓群

如图2-20所示,气缸盖属于体积较大的扁平机件,要经过许多螺栓紧固在气缸体的上方。这些螺栓不仅拧紧的力度大,而且要求紧度要均衡。因此,在拆装气缸盖时,要使用有刻度盘的扭力扳手,如图2-21所示。

图2-20 气缸盖螺孔分布

图2-21 用特制的扭力扳手拆装螺栓

(1)气缸盖螺栓群的拆装顺序 为了避免拆装过程中气缸盖变形,在拆卸气缸盖螺栓时,要按照由四周向中央的顺序拧松螺栓,一次不要将某一个螺栓完全拧松,要经过3~5次的轮番操作,交替均匀地拧松所有螺栓。

如图2-22所示,在安装气缸盖时,螺栓的拧紧,要按照由中央向四周的顺序,交替进行,轮番3~5次,最后达到规定的拧紧力矩。

图2-22 气缸盖螺栓拧紧顺序

(2)气缸盖螺栓群的拧紧力度 如图2-23所示,拆装气缸盖螺栓的扭力扳手俗称公斤扳手,手柄上有指针和刻度盘,能显示拧紧力矩的大小。

图2-23 扭力扳手

由于各种汽车发动机气缸盖螺栓的直径大小以及数量多少不同,所以对发动机气缸盖螺栓拧紧力矩的要求也有所不同,见表2-1。

表2-1 气缸盖螺栓拧紧力矩

5 活塞连杆组进行运动形式的转换

活塞连杆组是发动机曲柄连杆机构的第二个组成部分,可以把燃气的压力转变为连杆对曲轴的推力。如图2-24所示,活塞连杆组主要由活塞、活塞环、活塞销、连杆等机件组成。

图2-24 活塞连杆组

1——连杆螺母;

活塞通常由铝合金制成,以便于减轻重量,增强其散热性能。活塞销是管状连接机件。连杆上端的圆孔用来安装活塞销,下端与曲轴的连杆轴颈相连,圆孔内有断开的连杆轴承。连杆中部制成“工”字形断面,以减轻重量,提高其抗弯强度。

6 机件配合妙趣

发动机上的轴形机件与孔形机件的配合,对精度有很高的要求,这种要求是通过轴与孔的尺寸差来实现的。

(1)轴小于孔的配合 如图2-25所示,轴的外径要小于孔的内径,两者装配之后,才能产生相对运动。轴小于孔的配合称为动配合(配合间隙为正值)。采用动配合的部位,配合间隙不能过大,过大的间隙会导致两者在运动时产生敲击振动;配合间隙也不能过小,要给机件的热膨胀留出余地。活塞与气缸之间的配合,曲轴轴颈与连杆轴颈的配合,就属于精密的动配合,它们之间的配合间隙,可以达到0.01~0.04mm的精密度。

图2-25 动配合

(2)轴大于孔的配合 如图2-26所示,轴的外径要大于孔的内径,两者装配之后才不至于产生相对运动。轴大于孔的配合称为静配合(配合间隙为负值)。例如,活塞销衬套与连杆孔之间,活塞销衬套的外径要比连杆孔的内径大0.03~0.05mm,这样活塞销衬套就可以牢牢地固定在连杆的孔内。轴径大于孔径,如何将两者装配在一起呢?在这种情况下,往往采用压床的压力将它们强制地装配在一起。

图2-26 静配合

更有甚者,飞轮与启动齿圈之间,飞轮的外径要比启动齿圈的内径大0.60~0.80mm,都是强度较大的钢铁之躯,要让两者结合在一起,需要利用热胀冷缩的原理,将孔形机件的启动齿圈加热到500℃左右的高温,让它的孔膨胀变大,然后再套装到飞轮上,当启动齿圈的温度降低之后,便与飞轮紧紧地结合在一起,如图2-27所示。

(3)过渡配合 常温下为静配合,温度升高之后为间隙配合,这样的轴形机件与孔形机件的配合称为过渡配合(配合间隙随温度升高由负值变为正值)。如图2-28所示,活塞销与活塞之间就属于过渡配合。常温下,低碳钢制成的活塞销外径大,铝合金制成的活塞承孔小,如果将活塞加热到80℃之后,就可以把轴形的活塞销轻松地插入活塞的承孔内。

图2-27 飞轮与启动齿圈

图2-28 过渡配合

温馨提示

如果把汽车构造提供的知识再加上机件的装配顺序和装配间隙,就是汽车维修了。因此,机件的装配顺序和装配间隙是汽车维修保养作业的两个关键环节。

7 曲轴飞轮组输出动力

曲轴飞轮组是发动机曲柄连杆机构的第三个组成部分,通过接受连杆的推力促使自身旋转,并且向外输出动力。如图2-29所示,曲轴飞轮组由曲轴、飞轮等机件组成。

图2-29 曲轴飞轮组

1——曲轴皮带轮;2——曲轴正时齿轮

曲轴由若干个曲拐所构成,曲轴的前端安装有皮带轮,用于带动发电机、水泵等总成使其工作;曲轴的后端安装有飞轮,以便向后输出动力。飞轮属于盘形机件,飞轮的后端面安装有离合器,以便向底盘的传动系统传递动力,让汽车产生运动;飞轮的外圆表面安装有启动齿圈,在启动发动机时,由起动机的驱动齿轮带动启动齿圈,连同飞轮和曲轴一起旋转。

8 形状奇特的曲轴

曲轴是汽车发动机上结构较为复杂的一根轴。如图2-30所示,曲轴是由若干个圆柱形的“轴”所构成的。位于曲轴旋转中心的“轴”称为主轴颈,曲轴通过主轴颈安装在气缸体的下部。偏离曲轴旋转中心的“轴”称为连杆轴颈,连杆就安装在曲轴的连杆轴颈上。

图2-30 曲轴

主轴颈与连杆轴颈的连接部分称为曲柄,曲柄的延伸部分称为平衡重。在主轴颈与连杆轴颈之间,还有贯通的润滑油道。

9 声响能反映发动机的技术状况

细心的驾驶人对自己的汽车声响是会有所察觉的。

技术状况良好的发动机,虽然其内部机件在以不同形式和速度运转,但声响却是柔和的。技术状况良好的发动机,怠速运转时,发动机只有微弱的声响,随着转速的提高,声响平滑地增大,高速运转时,发出强劲的轰鸣声。

当发动机出现故障时,就会伴随不同程度的杂音或敲击声。发动机的许多故障可以通过声响反映出来,尤其是曲柄连杆机构、配气机构的许多故障,大多表现为异常的声响。

温馨提示

对车的关爱,不仅要保持车的清洁卫生,不让车的外表受伤,还要关爱车的内脏,不让发动机受伤。当发动机出现杂音时,要及时给发动机会诊。

10 发动机的异响有内外之分

发动机出现异常响声,有可能是来自发动机外部的附件,也可能是由发动机内部产生的。

发动机外部附件的异常响声,如风扇或者风扇电机松动发响、发电机固定不牢发响、传动带松弛发响,这些情况及早发现,及时排除,就可以减少损失。

如果发动机内部出现杂乱的敲击声,首先应该检查发动机是否缺少机油。当发动机缺少机油时,气门会发出杂乱的敲击声,如果继续行驶,声响可能会扩大到其他部位。遇此情况,应该检查发动机是否存在漏机油的部位,排除漏机油的原因之后,再向发动机添加机油。假如添加机油之后,发动机仍然有敲击声,应该进厂检修。

对于行驶10万千米以上的汽车,由于机件的磨损,发动机难免会有一些敲击声,假如异响只是在发动机温度较低时出现,温度升高之后,声响自动消失,可视为良性声响。有些响声与发动机的温度变化关系不大,在发动机怠速或低速运转时有轻微的声响,随着发动机转速的提高,声响逐渐消失,也可视为良性声响。

良性声响较为稳定,在汽车使用的一定时期内没有明显的扩展。因此,对于良性声响的检修,可在汽车定期保养时进行。

温馨提示

假如在汽车行驶中,发动机本来声响正常,随后出现清脆的敲击声,在急加速时更加明显,可能是发动机温度太高。遇此情况,应该立刻停车,查明原因。首先察看风扇是否转动,如果风扇转动正常,再察看发动机是否漏水,是否需要向发动机添加冷却液。

假如汽车行驶中,发动机本来声响正常,随后出现杂乱的敲击声,很可能是发动机严重缺少机油。应该察看发动机是否漏机油,重点检查机油滤清器是否松动、破损,密封圈(垫)是否完好,如果发动机缺少机油,应该添加。

11 警惕发动机的恶性异响

由于种种原因,发动机确实有可能出现恶性异响,恶性异响发展变化快,对机件的损伤严重,甚至导致机件报废或者需要大修才能恢复发动机的技术状况,其经济损失可达上千乃至上万元。例如,发动机支撑不牢,一脚紧急制动,发动机前移,不久便会捣毁散热器。机油泵啮合间隙过小或装配过紧,有可能损坏正时齿带,造成多个气门和气门摇臂报废。活塞破碎、活塞销断裂、连杆螺栓松动,有可能捣毁气缸,有时会出现连杆松脱、连杆穿过油底壳向外飞出的情景。飞轮与曲轴之间的螺栓松动,导致飞轮甩脱或破裂,造成起动机损坏、飞轮壳报废。以上种种后果发生之前,大多都伴随着发动机的异常声响。

发动机的良性异响,一般在怠速或低速时明显,中速或高速时减弱或消失。与良性异响不同,发动机的恶性异响,往往是在怠速或低速时微弱,中速或高速时加重,急加速或急减速时明显,当异响出现时伴有发动机震抖的现象。

温馨提示

如果发动机出现沉重的敲击声或碰擦声,并伴有机体震抖的现象,很可能是发动机出现了恶性故障,应该尽快检修,不可疏忽大意。

12 曲柄连杆机构常见异响

曲柄连杆的故障大多以异响的形式出现。曲柄连杆机构的常见异响见表2-2。

表2-2 曲柄连杆机构的常见异响 FnBUtK6/xCBN2FPb+9AwuO9KElPaS3wtU+lHxg0RnGoEwaSKqGF/d/3LZcBHjfgI

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